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Verschleiß- und ölverbrauchsarme Verbrennungsmotoren durch Werkstoffmodifikation von Zylinderlaufbahnen mit dem -Laser

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Bei Verbrennungsmotoren erfolgt die Umwandlung der chemischen Energie des Kraftstoffes in mechanische Leistung für den Antrieb eines Fahrzeuges im „Herzstück“ eines Motors, den Zylindern. Die Zylinderoberfläche (Zylinderlaufbahn) dient als Gleitfläche für die Kolbenringe und für den Kolben. Ferner dichtet das System Zylinderlaufbahn/Kolbenringe den Brennraum zum Kurbelraum des Motors ab. Die Oberflächentopographie der Zylinderlaufbahn hat einen entscheidenden Einfluss auf den Ölverbrauch und damit auf das Abgasverhalten des Motors, die Gasdichtigkeit und den Verschleiß der Gleitpartner.

Ein Entwicklungsziel bei Verbrennungsmotoren ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs (Ressourcenschonung, Verminderung der Umweltbelastung). Dies erfordert auch höhere Verbrennungsdrücke; eine stärkere mechanische (tribologische) Belastung des Systems Zylinderlaufbahn/Kolbenringe ist damit verbunden. Die Zylinderlaufbahn ist also so zu gestalten, dass sie höheren tribologischen Anforderungen bei niedrigem Ölverbrauch gerecht wird.

Zur Bearbeitung von Zylinderlaufbahnen wird weltweit das Honen eingesetzt. Das Honen erfolgt mit einem zylindrischen Werkzeug, das mit Schleifkörpern besetzt ist. Beim Bearbeitungsvorgang führt das Werkzeug sowohl eine translatorische als auch rotatorische Bewegung aus. Auf der Zylinderlaufbahn entsteht eine Kreuzriefenstruktur, die zur Ölhaltung dient. Die Riefenstruktur bietet ein beachtliches Ölhaltevolumen. Einer Ölverbrauchsreduzierung sind Grenzen gesetzt. Hoher Ölverbrauch heißt auch hoher Anteil unverbrannter Kohlenwasserstoffe im Abgas sowie Verminderung der Wirksamkeit des im Abgasstrom liegenden NOX-Speicherkatalysators durch den Schwefelgehalt der Öladditive bzw. des Grundöles. Neben der Kreuzriefenstruktur ist eine Honoberfläche durch Materialaufwürfe, Flitterbildung sowie Materialverschiebungen („Blechmantelbildung“) gekennzeichnet. Der „Blechmantel“ verschließt die an die Oberfläche führenden Graphitausscheidungen, sie stehen als Ölhaltevolumen und als Mikrohydrodynamik-Struktur nicht zur Verfügung. Eine Honoberfläche weist ein unbefriedigendes hydrodynamisches Tragverhalten für den Kolbenring auf (Verschleiß).

Bemerkenswert ist das Laserstrukturieren der Zylinderlaufbahn. Diese wird mit geringer Rauigkeit gehont, anschließend mit dem ND:YAG-Laser zur Ölhaltung strukturiert, dann erfolgt ein Abtrag der entstandenen Schmelz- und Oxidaufwürfe mit einer Fertighonstufe. – Eine Nutzung der Graphitausscheidungen zur Ölhaltung sowie eine Werkstoffmodifikation ist nicht gegeben.

Die UV-Laserbelichtung zur Bearbeitung von Grauguss-Zylinderlaufbahnen unterscheidet sich grundlegend gegenüber dem Honverfahren bzw. der Laserstrukturierung. Die UV-Belichtung erfolgt flächig im Kolbenringlaufbereich. Beim Auftreffen der UV-Laserpulse auf die durch Honen mit geringer Rauigkeit vorbearbeitete Zylinderlaufbahnoberfläche wird Material ablatiert (verdampft), die Graphitausscheidungen werden geöffnet (erteiltes Patent DE 3922377C2), es hat sich eine Mikrohydrodynamik-Oberflächenstruktur gebildet, die zur Ölhaltung dient. Gleichzeitig wird die Oberfläche 1 µm bis 2 µm angeschmolzen, außerdem entsteht über dem Belichtungsfleck ein Metalldampfplasma, das zu einem Atmosphärenplasma führt und den in der Luft als N2 vorhandenen Stickstoff in reaktiven atomaren Stickstoff umwandelt. Plasmen sind Dämpfe oder Gase mit sehr hoher Energie. Durch die hohe Energie des Plasmas wird ein hoher Ausbreitungsdruck erzeugt, wodurch 16 bis 18 Prozent Stickstoff in die Schmelzschicht eingetragen werden. Die dünne Schmelzschicht erstarrt schlagartig zu einer nanokristallinen Gefügestruktur. Der hohe Stickstoffanteil und das nanokristalline Gefüge verbessern die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Zylinderlaufbahn nachhaltig, außerdem wird die Fressneigung durch den hohen Stickstoffanteil erheblich reduziert (keramische Eigenschaft). Im motorischen Betrieb erfährt das nanokristalline Erstarrungsgefüge durch die Verbrennungs- und Reibungswärme im Randbereich (ca. 150 nm bis 200 nm) eine Umwandlung in ein extrem feines Gefüge aus Eisenkörnern mit Kohlenstoff oder Stickstoff. Derartige Strukturen haben superplastische Eigenschaften, das heißt, das Ablösen von Atomen aus dem Atomverband ist durch sein Nachgiebigkeitsvermögen erschwert. Eine Steigerung der Verschleißfestigkeit ist die Folge. Dieser „Selbstkonditionierungseffekt“ ist als eine „tribologische Revolution“ anzusehen.

Mit der UV-Laser-belichteten Zylinderlaufbahn konnte im Vergleich zu einer konventionell gut gehonten Zylinderlaufbahn am 1,9 l/81 kW R4 TDI-Motor bei einem 602 h RNT-Prüfstandsdauerlauf, je nach Betriebszustand des Motors, eine Reduzierung des Verschleißes der Zylinderlaufbahn von 23 bis 89 Prozent und der Kolbenringe von 30 bis 88 Prozent nachgewiesen werden. Verschleireduzierung heißt auch Reduzierung der Reibverlustleistung im Motor und damit Einsparung von Kraftstoff (Ressourcenschonung, Abgasreduzierung).

Unter RNT-Prüfstandsdauerlauf versteht man einen Testlauf, bei dem der obere Totpunktbereich der Zylinderlaufbahn radioaktiv markiert wird. Dies ist der Bereich mit den schlechtesten tribologischen Bedingungen, das heißt mit dem höchsten Verschleiß. Nach einer Eichung kann man durch die Intensität der gemessenen Radioaktivität unmittelbar in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Motors den Verschleißabtrag bestimmen.

Ölverbrauchsmessungen im Vergleich zur konventionellen Honoberfläche am 3 l/132 kW V6 TDI-Motor ergaben folgendes Ergebnis: Bei der konventionellen Honung betrug der Ölverbrauch bei einer Laufzeit von 800 h 20–50 g/h, mit deutlichem Anfangsölverbrauch und ab einer Laufzeit von 400 h ansteigend. Bei der UV-Laser-belichteten Zylinderlaufbahn wurde bei einer Laufzeit von 820 h ein stabiler Ölverbrauch von 9 g/h ermittelt, der bei der Honung gewohnte Anfangsölverbrauch tritt hier nicht auf.

Die positiven Motortestlaufergebnisse führten bei der AUDI AG zu der Entscheidung, die UV-Laserbelichtung von Zylinderlaufbahnen bei dem neuen 3 l V6 TDI-Motor anzuwenden. Serienstart hierfür war Anfang Januar 2004. Die UV-Laserbelichtung von Zylinderlaufbahnen hat inzwischen große Resonanz gefunden. Mit diesem Thema befassen sich derzeit in Deutschland und im europäischen Ausland namhafte Personenwagen- und Nutzfahrzeughersteller sowie Zulieferer.

In der Technologie der UV-Laserbelichtung wird ein großes Anwendungspotenzial gesehen, dies nicht nur bei Grauguss-Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren/Kolbenmaschinen, sondern auch allgemein bei Maschinenbauteilen aus Grauguss sowie Stahlwerkstoffen, die einer tribologischen Beanspruchung ausgesetzt sind und damit dem Verschleiß unterliegen. Reibung und Verschleiß ist ein volkswirtschaftliches Thema. Verschleiß heißt Nutzungsausfall von Maschinen, Instandhaltungs- und Instandsetzungsaufwand und damit Kosten. Für das Jahr 2003 wurden die reibungs- und verschleißbedingten Kosten in Deutschland auf 2 bis 7 Prozent des erbrachten Bruttoinlandsproduktes (2.129 Mrd. EUR) geschätzt. Bei einem angenommenen Mittelwert von 4,5 Prozent ergibt dies Kosten in Höhe von 95,8 Mrd. EUR.

Anmerkung: Der wissenschaftliche Hintergrund wurde als Teilvorhaben des Projektes „FLÄCHE“ im Rahmen des BMBF-Förderprogrammes „Laser 2000“ erarbeitet (Förderkennzeichen 13N6865 und 13N6927).

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Das Projekt „Verschleiß- und ölverbrauchsarme Verbrennungsmotoren durch Werkstoffmodifikation von Zylinderlaufbahnen mit dem UV-Laser“ wurde von der Stiftung Werner-von-Siemens-Ring vorgeschlagen.