Experten-Forum Powertrain: Reibung in Antrieb und Fahrzeug 2019

Immer strengere CO₂ und Umweltziele in Europa und der gesamten Welt haben zur Folge, dass die Öffentlichkeit den Verbrennungsmotor negativ betrachtet und eine stärkere Elektromobilität favorisiert. Zugleich aber wird weiterhin die Mehrheit aller Fahrzeuge mit einen Verbrennungsmotor verbaut.

Der demzufolge notwendige Wandel des Verbrennungsmotors als mittelfristige Antriebslösung bedarf nicht nur „klassischer“ Optimierungen – wie Reibungsreduktion – sondern auch neuer Brennverfahren oder gar der Verwendung neuer künstlicher Kraftstoffe. Hierdurch rückt das Kraftstoffsystem immer weiter in den Fokus der Entwicklung. Jedoch, zu welchem Preis müssen diese neuen „Features“ eingekauft werden? Das „Fuel Injection Equipment Research Laboratory“ beim Hyundai Motor Europe Technical Center hat speziell zu dieser Frage bereits in der Vergangenheit neue Technologien vorgestellt und erfolgreich angewendet – wie zum Beispiel die eigenentwickelte, reibungsoptimierte Dieselhochdruckpumpe mit einem signifikanten Emissionsvorteil in CO₂ durch weltweit einzigartige kraftstoffgeschmierte Rollenlagerung [4].

Die Frage zum präzisen Leistungsbedarf solcher Systeme bleibt vor allem bei den strategischen Entscheidungen über neue Konzepte, sowie im Verlauf von Entwicklungen oftmals unbeantwortet, obgleich die absolut sehr hohen Leistungsanforderungen einen substanziellen CO₂ Entstehung leisten. Dies könnte aber helfen um weitere Potentiale am Motor oder am Konzept zu erkennen, Optimierungen weiter zu verbessern oder Einflüsse auszuschließen. Die hierbei oftmals angewendete Betrachtung der hydraulischen Leistung, wie sie von den meisten Tier1 verwendet, ist in Ihrer Aussagekraft leider unzureichend. So haben Untersuchungen ergeben, dass der gemittelte Gesamtwirkungsgrad eines Einspritzsystems ~15 % im Zyklus beträgt.

Die von Seitens HMETC entwickelte Methode um den genauen gesamten Leistungsbedarf des Kraftstoffsystems zu bestimmen, findet bereits Anwendung für die Auswahl von Komponenten neuer Motorengenerationen von kleinsten Benzinmotoren bis hin zu großen Nutzfahrzeugmotoren und zeigt zuverlässig Potenziale von Systemen, bis hin zu möglichen Optimierungen durch Kalibrierung im Sinne einer ganzheitlichen Antriebsstrangoptimierung für niedrigste CO₂ Emissionen.

Friction and wear are responsible for approximately one-fourth of the global energy losses. According to Holmberg et al., these losses correspond to 119 EJ of the world’s total energy consumption from tribological contacts, based on the main sectors: transportation, manufacturing, power generation and residential. In this case, 20% (103 EJ) is used to overcome friction and 3% (16 EJ) is used to re-manufacture worn parts due to wear-related issues. These global energy losses have a huge impact on economic and ecological aspects. Figure 1 summarizes the impact of friction and wear on energy consumption, generated costs and CO₂ emissions.

Diese Veröffentlichung beschäftig sich mit Reibkraftmessungen zwischen Kolben und Büchse einer Verbrennungskraftmaschine durchgeführt am AVL FRISC nach dem Prinzip „Floating Liner“. Mit diesem Messprinzip sind vergleichende Untersuchungen zur Minimierung der Reibung bei Verwendung unterschiedlicher Hardware wie Beschichtungsmaterialien und Form – Honungen machbar. Ebenso werden die unterschiedlichsten Einstellungen geometrischer Natur, wie Kolbenspiel und topologischer Natur, wie die Form von Kolbenringen untersucht. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse von einem Einzylindermotor wie dem FRISC auf einen Vollmotor ist eine nicht triviale Aufgabe, weil im Wesentlichen die physikalische und geometrische Umgebung des Einsatzes der Reibpartner vollständig ändern. Aus diesem Grund werden im Rahmen von Entwicklungsvorhaben am FRISC zunehmend Aktivitäten durchgeführt, die die Übertragbarkeit der FRISC Ergebnisse auf den Vollmotor technisch erleichtern. Dazu zählt unter anderem die Möglichkeit den Temperaturverläufe im Kühlkreislauf des FRISC zu steuern, sodass besser an die jeweiligen Gegebenheiten am Vollmotor angepasst werden können. Eine dieser Maßnahmen wird hier gezeigt und zugehörige Ergebnisse präsentiert.

Die vielfach angewendete thermische Beschichtung von Zylinderlaufflächen trägt wesentlich zur Reibungsreduzierung und Energieeffizienz moderner Verbrennungsmotoren bei. Die überlagerte Topographie von Poren und feiner Honstruktur ist eine wichtige Voraussetzung für die reibungsarme Funktion des Tribosystems. Die Herstellung von thermisch gespritzten Zylinderlaufflächen erfolgt in einer komplexen Prozesskette. Dabei ist das Aufrauen eine Schlüsseltechnologie in der gesamten Fertigungsfolge um eine sichere Anbindung der Beschichtung auf dem Substrat zu gewährleisten.

Das zweistufige VCR-System, Dual Mode VCS, befindet sich, nach bereits in zahlreichen Beiträgen beschriebenen Vorentwicklungsphasen, bei AVL und IWIS in fortgeschrittener Entwicklungsstufe auf dem Wege zum SOP.

Das System wurde neben der Basisentwicklung an Einzylindermotoren in einen 4 Zylinder Vollmotor integriert und die VCS-Funktion am Motorenprüfstand entwickelt. Der Vollmotor wurde 2018 in ein SUV-Demonstratorfahrzeug integriert und damit seither umfangreiche Erfahrungen in der Systemapplikation und Funktionsoptimierung gesammelt. Damit ist es möglich, die real erzielbaren Verbrauchsvorteile und die Verluste des variablen Systems unter realen Fahrbedingungen zu verifizieren.

Die Reibungs- und Verlustanalysen des Dual Mode VCS umfassen die Betrachtung von Reibungseinflüssen der bewegten Bauteile, den Reibungseinfluss der Dichtungen und aus der Elastizität des hydraulischen Systems, sowie auch die Betrachtung von Verlusten durch Leckagen in den Ventilen und Dichtungen des Systems.

In Richtung Serienumsetzung werden die Komponenten mit Grenzmusteruntersuchungen verifiziert, wobei einerseits die Funktionalität uneingeschränkt nachgewiesen werden muss, andererseits die Bandbreite der Verlustleistung des Systems über den Toleranzbereich in einem akzeptablen Bereich bleiben soll.

Auf Gesamtsystemebene des Dual Mode VCS ist das Verhalten der VCS-Ölpumpe und Steuereinheit, sowie der, durch die zur VCS Steuerung erforderlichen Öl – Galerie beeinflussten Bereiche des Motors von Bedeutung.

In dieser Veröffentlichung werden die oben genannten Themen eingehend beschrieben, die zur Minimierung der Verluste getroffenen Maßnahmen aufgezeigt und Verluste anhand eines Vergleiches zwischen Standard Motor und VCS Motor dargestellt.

Die zunehmende Hybridisierung des Antriebstranges sowie neue, schärfere CO₂-Grenzwerte führen dazu, dass der Motorbetrieb auch bei niedrigen Umgebungs- bzw. Kühlmitteltemperaturen eine höhere Relevanz erfährt. Das Themenfeld „Reibungsreduzierung“ unterliegt in diesem Zusammenhang besonderen Herausforderungen und Fortschritte können dabei einen wichtigen Beitrag zur Steigerung des Gesamt-Wirkungsgrades im tagtäglichen Betrieb leisten. Vor diesem Hintergrund kommt der Weiterentwicklung und der Implementierung neuer Prüfverfahren, welche die Reibung von Verbrennungsmotoren unter den geänderten Randbedingungen ermitteln können, eine besondere Bedeutung zu.

Dieser Beitrag stellt die Fortführung der Publikation „Hybridantriebe – Kalte Herausforderung für die Reibungsreduzierung von Verbrennungsmotoren“ aus November 2018 dar und greift die dort genannten Lösungsansätze auf. Anknüpfend hieran wurde im Niedrigtemperaturbereich (insbesondere bei Minustemperaturen) Parameteruntersuchungen durchgeführt, um den Startvorgang und den Betrieb des Verbrennungsmotors zu analysieren.

Die Ergebnisse zeigen Potenziale auf, die sich bei der Reibungsreduzierung für den Hybridantrieb ergeben, zeigen aber auch erste Handlungsfelder zur weiteren Optimierung im Testing von Hybridantrieben im Niedrigtemperaturbereich auf.

Als letztlich mechanisch wirkendes Antriebssystem benötigt auch der elektrische Antriebsstrang Schmierstoffe und Kühlmedien – Getriebefluide, Schmierfette oder -öle für Wälzlager und flüssige Kühlmittel für E-Motor und Leistungselektronik.

Beim Systemdesign effizienter, kostenoptimierter elektrischer Antriebssysteme lässt sich ein Trend für künftige Konzepte erkennen – der „weitgehend integrierte elektrische Antriebsstrang“, der wesentliche Vorteile in Hinsicht auf Gewicht, spezifische Leistung und Kosten bietet. Waren die Komponenten eines elektrischen Antriebssystems – Motor, Getriebe, Leistungselektronik – zunächst noch miteinander verbundene Einzelkomponenten, so soll heute alles in einem Gehäuse vereint sein. Damit eröffnen sich auch neue Anforderungen und Potenziale für das Design der Komponenten, von Bauraum und Kosten. Zwei Herausforderungen sollen in diesem Beitrag näher beleuchtet werden: Kühlung und Schmierung einer integrierten Antriebseinheit sowie das damit verbundene Thermomanagement.

Dieses Design eröffnet neue Perspektiven für Schmierstoffe: Statt die Einzelaggregate mit unterschiedlichen Flüssigkeiten zu versorgen, können die Komponenten des integrierten elektrischen Antriebsstrangs mit nur einem Multifunktionsfluid geschmiert und gekühlt werden.

In diesem Beitrag werden zuerst die Hauptanforderungen für Schmierstoffe für die E-Mobilität dargestellt. Anschließend wird erklärt, welche technische Herausforderungen aus den sehr unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Komponenten resultieren. Danach wird der Einfluss der Grundölsorte, der Viskosität und der Additivierung diskutiert. Zum Schluss werden die typischen Unverträglichkeiten der eingesetzten Materialien und die damit verbundenen Schadensarten bzw. die Tests zur frühzeitigen Aufklärung, vorgestellt.

In geöffneten nasslaufenden Kupplungen wird ein erheblicher Anteil der Verlustleistung durch die viskose Scherung des Kühlöls zwischen den einzelnen Lamellen verursacht. Zur Optimierung des Wirkungsgrades ist es das Ziel diese Verluste weitgehend zu minimieren, was durch Prüfstandsversuche oder Berechnungen erfolgen kann. Der Beitrag behandelt die messtechnische und numerische Untersuchung des Schleppmoments am Beispiel eines in Serie eingesetzten komplexen Nutdesigns. Für die Messungen kommt ein Einlamellenprüfstand zum Einsatz, mit dessen Hilfe die Abhängigkeiten des Schleppmoments herausgearbeitet und die Strömungssituationen detailliert analysiert werden können. Für einen exemplarischen Betriebszustand werden die Messwerte mit den Berechnungsergebnissen eines leistungsfähigen transienten 3D – CFD Simulationsmodells verglichen.

Entwicklungen der letzten Jahre zeigen, dass durch eine Anpassung bzw. Optimierung von Makro- und Mikrogeometrie die Lagerreibung von Kegelrollenlagern nochmals deutlich reduziert werden konnte. Werden alle Verbesserungen an der Lagerqualität mit einer anwendungsbezogenen Designoptimierung mittels OPTIKIT kombiniert, so erhält man das UltraLowFriction-Lager – ein für die Anwendung ideal ausgelegtes Lager, dass einerseits allen Anforderungen an die Lagerstelle gerecht wird, anderseits unter diesen Bedingungen eine minimale Reibung aufweist. Dies führt in der Anwendung selbst nochmals zu einer merklichen Effizienzsteigerung und global zu einer weiteren Reduktion der CO₂-Emission.

Zur Effizienzsteigerung geschmierter tribologischer Systeme werden enorme Anstrengungen unternommen, die Reibungsverluste zu minimieren. Für einen erfolgreichen Produktentwicklungsprozess sind numerische Kontakt- und Reibungssimulationen ein wichtiges Werkzeug geworden. Neben vielen Aspekten spielt die Modellierung des Schmierstoffs, insbesondere der Viskosität, für valide Berechnungsergebnisse eine zentrale Rolle. Die komplexen Abhängigkeiten von Temperatur, Druck und Scherrate werden jedoch oft ohne Kenntnis des jeweils vorliegenden wirklichen Schmierstoffverhaltens modelliert. Im Beitrag werden am Beispiel eines Getriebeöls die Auswirkungen verschiedener Fluidmodellierungen auf die Reibungsberechnung diskutiert. Hierfür werden Simulations- und Reibungsmessungen miteinander verglichen.

Die Optimierung des Tribosystems Kolbengruppe/Zylinderlaufbahn hinsichtlich energetischer Belange benötigt zunehmend neue Optimierungsansätze und dementsprechend Prüfmöglichkeiten. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Tribokontakt Kolbenring/Zylinderlaufbahn. Die modellbasierte Prüfung des Tribosystems findet üblicherweise mittels kurzhubigen, sogenannten SRV^®-Tribometern statt. Diese Tribometer können zwar den Zwickelverschleiß abbilden, jedoch keine Aussage über die energetische Wirksamkeit von modifizierten Kontaktpartnern treffen, da aufgrund des kurzen Hubes keine energetisch relevanten Betriebszustände erfasst werden können. Im Rahmen dieses Beitrages wird ein schnelllaufendes, oszillierendes Tribometer vorgestellt mit dem kurbelwellenwinkelaufgelöste Untersuchungen zur energetischen Wirksamkeit möglich sind. Damit erschließt sich eine neue Möglichkeit Modelluntersuchungen durchzuführen und eine Vielzahl von Einflussfaktoren zu betrachten.

Die Senkung von Ölviskositäten zur Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors ist immer noch im Fokus der Entwicklung. Die Reibungsreduktion treibt die Entwicklung weiter in verschleißrelevante Grenzbereiche. Die Verschleißüberwachung und Charakterisierung von tribologisch beanspruchten Bauteilen, wie beispielsweise Kolbenringen, ist dabei ein wesentliches Element der Entwicklung. Das Ziel muss es sein, in einem frühzeitigen Entwicklungsstadium kritische Betriebszustände zu lokalisieren um in Folge ein Optimum zwischen minimierten Reibungsverlusten und Verschleiß zu finden.

Am AVL FRISC Floating Liner Motor wird dazu mit dem Tracerverfahren RIC (Radio Isotope Concentration Methode) parallel zur Reibungsmessung das Verschleißverhalten ausgewählter Komponenten bestimmt. Dieses kontinuierliche Verschleißmessverfahren lässt eine Verschleißmessung im Zeitbereich zu. In Kombination mit der kurbelwinkelaufgelösten Reibmessung können so insbesondere transiente Zustände bewertet werden. Die anwendungsnahe Charakterisierung des Piston/Bore Interface – PBI hinsichtlich Reibung und Verschleiß wird dadurch im Vorfeld zur Fertigung von Prototypen für Vollmotoren ermöglicht.

Verschleißergebnisse eines Variantenvergleichs von zwei Viskositätsklassen sowie die Validierung mithilfe der Mehrkörpersimulation AVL Excite Piston&Rings^®, der Einfluss des vorliegenden Schmierregimes und der Zusammenhang von Verschleiß und Oberflächenparametern, sowie deren Abbildung in Messung und Simulation werden anhand des Vergleichs dargestellt. Der Fokus des Modellabgleichs ist dabei der Einfluss der Viskosität auf das kurbelwinkelaufgelöste bzw. hubaufgelöste Verschleißverhalten. Die zeiteffiziente Messung des Verschleißes sowie der Korrelation mit dem digitalen Zwilling stehen dabei im Vordergrund.

Dieses Kapitel enthält zusätzliche Folien, die auf der Konferenz präsentiert wurden. Sie sind als elektronisches Zusatzmaterial auf SpringerLink frei verfügbar.