Weniger Reibungsverluste in Verbrennungsmotoren

Forschung Kompakt / 3.6.2013

Forscher haben ein Verfahren entwickelt, das Reibung und Verschleiß im Motor bereits bei der Herstellung der Bauteile reduzieren kann. Kraftstoffverbrauch und CO2- Emissionen lassen sich durch spezielle Beschichtungen senken.

Für das Präzisionsbohren von Zylinderlaufflächen kommen definierte Schneiden zum Einsatz, deren Geometrie spezifisch ausgelegt wurde. Dadurch kann eine sehr hohe Oberflächengüte erreicht werden.

Damit der Motor eines Neuwagens »rund« läuft, muss er zunächst richtig eingefahren werden: Für die ersten 1000 Kilometer sollte man beispielsweise auf schnelles Beschleunigen und ständige Kurzstrecken verzichten. Warum ist diese »Schonfrist« nötig? Während des Einlaufprozesses verändert sich durch die Reibungs- wirkung bei den Gleitpaarungen – den Bauteilen, die miteinander mechanischen Kontakt haben – die Ober- flächenrandzone: die Oberfläche selbst wird »glatter« und in einer Materialtiefe von etwa 500 bis 1000 Nanometer (nm) verfeinert sich die Körnung der Gefügestruktur, so dass eine nanokristalline Schicht entsteht.

Bis sich diese nanoskalige Randschicht ausgebildet hat, ist jedoch einiges an Reibarbeit notwendig. Deshalb geht während dieses Einlaufprozesses auch heute noch ein Großteil der Energie durch Reibung verloren. Zudem sind die Laufeigenschaften der Oberflächen abhängig vom Einfahrverhalten der Kunden. Für die Automobilbranche ein kritisches Thema: Denn vor dem Hintergrund immer knapperer Ressourcen und der Notwendigkeit, CO2 einzusparen, steht die Reduzierung reibungsbedingter Verluste ganz oben auf der Entwicklungsagenda.

Mehr Präzision durch optimierte Fertigungstechnologien

Forscher von fünf Fraunhofer-Instituten arbeiten im Rahmen des Projekts »TRIBOMAN« an neuen Werkstoffen, Fertigungsverfahren und Prozessen, die Verbrennungsmotoren tribologisch, also reibungstechnisch, optimieren sollen. Im Fokus stehen Bauteile, die besonders hoher Reibung ausgesetzt sind wie etwa Zylinderlaufflächen. »Unser gemeinsamer Ansatz ist es, den Prozess der Randschichtbildung in die Fertigung vorzuverlegen«, erklärt Torsten Schmidt vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz.

Schmidt und sein Team haben in dem Zusammenhang optimierte Fertigungstechnologien zur Präzisionsendbearbeitung entwickelt. »Wir setzen für das Präzisionsbohren von Zylinderlaufflächen definierte Schneiden ein, deren Geometrie wir spezifisch ausgelegt haben. Dadurch erreichen wir eine sehr hohe Oberflächengüte«, erläutert Schmidt. »Außerdem nutzen wir gezielt die Kräfte des Zerspanungsprozesses, um die ›Korn- feinung‹, also das Verfestigen der Werkstoffe, bereits während der Fertigung herbei- zuführen.«

Mit Hilfe des neuen Verfahrens soll der Einfluss auf Reibung und Verschleiß von Motorkomponenten zukünftig gesteigert werden. Die Automobilindustrie käme damit ihrem Ziel, Energie effizienter zu nutzen und CO2 einzusparen, ein gutes Stück näher. Doch auch die Kunden profitieren: Denn die Einlaufzeiten neuer Motoren wären dann wesentlich kürzer. Das ist nicht nur komfortabler, sondern verringert auch die Gefahr eines vorzeitigen Verschleißes durch falsches Einfahren.
An einem Einzylinder-Versuchsmotor mit Zylinderlaufflächen aus Aluminium konnten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg bereits erste positive Auswirkungen einer solchen modifizierten Endbearbeitung nachweisen: So zeigten die Analysen der bearbeiteten Zylinderflächen, dass die Korngröße signifikant geringer ausfällt als bei herkömmlichen Verfahren. Die Oberflächenmikrogeometrie ist mit der von gut eingelaufenen Zylinderlaufflächen vergleichbar. Aktuell arbeiten die Forscher daran, ihr Verfahren neuen Entwicklungstrends in der Automobilfertigung anzupassen, beispiels- weise der Einführung von Biokraftstoffen: Da bei Biokraftstoffen der Ethanolgehalt höher ist, werden mittlerweile die Aluminiumbauteile in der Regel mit einer Spritzschicht auf der Oberfläche versehen, um sie besser gegen Korrosion zu schützen.