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Kampf gegen die Reibung

Spezialbeschichtung für Kolbenringe senkt Spritverbrauch
Kampf gegen die Reibung

Kolbenringe | 4 % des Spritverbrauchs von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren resultieren alleine aus der Kolbenringreibung. Wie sich diese Verluste senken lassen, erläutert Federal-Mogul auf der IAA (Halle 13, Stand C28) und hier in einer Kurzinfo.

Mechanische Verluste machen bis zu 10 % des Kraftstoffverbrauchs eines Nutzfahrzeug-Dieselmotors aus. Davon gehen bis zu einem Viertel zulasten der Reibung zwischen Kolbenringpaket und Zylinderbohrung. Etwa 4 % des gesamten Kraftstoffverbrauchs rühren aus der Reibung im Kolbenringbereich her.

Diese Werte sind von der Federal-Mogul Powertrain Division zu erfahren. „Die Reibung zwischen Kolbenringpaket und Zylinderbohrung hängt von drei Hauptfaktoren ab: den tangentialen Ringkräften, der axialen Ringhöhe und der Beschichtung der Ringlaufflächen“, erklärt Dr. Steffen Hoppe, Director of Technology, Rings and Liners. „Nur unter Berücksichtigung der Kombination dieser drei Faktoren können wir die Reibung reduzieren und gleichzeitig die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer verbessern. Außerdem konnten wir die Kernfunktion der Kolbenringe verbessern, nämlich den Brennraum gegenüber dem Kurbelgehäuse abzudichten.“
Das Unternehmen setzt dazu nach eigenen Angaben innovative Technologie-, Prozess- und Werkstofflösungen ein. So übertreffe die Kolbenringbeschichtung DuroGlide bereits bestehende Premiumprodukte und könne den Kraftstoffverbrauch um bis zu 1,2 % senken.
Als amorphe, besonders harte und kohlenstoffbasierte Beschichtung verbessert DuroGlide die Gleiteigenschaften durch physikalisch und chemisch inerte Oberflächenzustände. Die Schicht habe eine diamantartige Kohlenstoff-Struktur in einer bisher nicht erreichten Konzentration von etwa 50 %, so heißt es. Die damit einhergehende außergewöhnliche Härte komme auf Werte von bis zu 5000 HV0.2. Das Resultat seien niedrigste Verschleißraten, die um bis zu 50 % geringer seien als die der bislang hochwertigsten Kolbenringbeschichtungen.
„Die auf dem Markt erhältlichen besonders harten kohlenstoffbasierten Beschichtungen verfügen in der Regel über eine Dicke von wenigen Mikrometern“, erklärt Hoppe. Denn höhere Schichtdicken verstärken die Eigenspannungen und damit das Delaminationsrisiko. Mit dem von Federal-Mogul entwickelten Fertigungsverfahren hingegen sollen sich lebensdauerbeständige Beschichtungsdicken von bis zu 25 µm für Kolbenringanwendungen erzeugen lassen, und zwar ohne Delaminationsrisiko. Eine neuartige Oberflächenbearbeitung sorge für eine besonders geringe Rauheit der Kolbenringlauffläche. Da bereits mehrere Kunden auf die neue Technologie setzen, bereitet Federal-Mogul momentan die Serienproduktion von DuroGlide-beschichteten Kolbenringen vor.
Federal-Mogul verordnet Tangentialkräften einen Sinkflug
Die Tangentialringkräfte der aktuellen Federal-Mogul-Produkte für einen typischen Euro-6-konformen Nutzfahrzeug-Dieselmotor (130 mm Durchmesser) liegen bei etwa 100 N, berichtet der Zulieferer – und damit deutlich niedriger als die 138 N, die in Euro-3-eingestuften Motoren noch vor wenigen Jahren erreicht wurden. Federal-Mogul arbeitet derzeit an Lösungen, die eine weitere Reduzierung der Tangentialkräfte auf bis zu 60 N ermöglichen sollen.
Um einen niedrigen Ölverbrauch bei stark reduzierten Tangentialkräften zu erreichen, hat das Unternehmen das patentierte Randprofil LKZ entwickelt. Verglichen mit den besten herkömmlichen zweiteiligen Ölringen reduziere es die Reibung um bis zu 20 %. „Gewöhnlich weisen Ölabstreifkolbenringe bei der Abwärts- und Aufwärtsbewegung des Kolbens das gleiche Ölabstreifverhalten auf“, sagt Hoppe. „Unser LKZ-Ring hingegen bietet ein ausgeprägtes Ölabstreifverhalten bei der Abwärtsbewegung, wobei das Öl in die Ölwanne zurückgeführt wird“ – so dass er trotz minimierter Reibung einen dauerhaft niedrigen Ölverbrauch ermögliche.
Weiter konnte Federal-Mogul die axiale Höhe der Kolbenringe eines typischen Euro-6-Motors von 3 bis 4 mm auf 2,5 bis 3,5 mm reduzieren. Zudem hat das optimierte Gießverfahren den Einsatz des veredelten Stahlgussmaterials GOE70 ermöglicht, dessen Zugfestigkeit mehr als doppelt so hoch ist wie bei herkömmlichen Sphäroguss-Ringen, so die Angaben. Das Material ging 2012 für einen hochaufgeladenen Nutzfahrzeugmotor in Serie, der Emissionsstandards nach Euro-6-Norm erfüllt.
„Zukünftig wird sich die Ringreibung weiter um bis zu 30 Prozent reduzieren lassen. Das entspricht einer Einsparung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs von etwa 1,2 Prozent unter normalen Beladezuständen auf der Straße“, erklärt Hoppe und hebt die Bedeutung einer engen Zusammenarbeit mit den Kunden hervor: „Das volle Potenzial der Optimierung des Kolbenringpakets lässt sich nur dann ausschöpfen, wenn Kolben- und Ringdesign, Zylindertopographie und -verzüge sowie andere Blockparameter aufeinander abgestimmt sind.“ (os) •
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