JE WENIGER REIBUNGSVERLUSTE, DESTO EFFIZIENTER UND KRAFTSTOFFSPARENDER DIE ARBEIT DES MOTORS. WEIL EIN GROSSTEIL DER MOTORREIBUNG AN DEN KOLBENRINGEN ENTSTEHT, HABEN DIE MAHLE INGENIEURE HIER ANGESETZT – UND EINE NEUE BESCHICHTUNG ENTWICKELT.
Kolbenringe arbeiten meist zu dritt. Dabei sorgt ein ausgeklügeltes Zusammen-spiel dafür, dass das Motoröl bis zum Kolbenschaft reicht – aber nicht in den Brennraum gelangt. Konkret sind die beiden oberen Ringe für die Abdichtung des Brennraums zwischen Zylinderbohrung und Kolben zuständig. Der untere Kolbenring fungiert als Ölabstreifer und hält den Großteil des Motoröls im Inneren der Verbrennungsmaschine. So leistet das Kolbenring-Team einen wichtigen Beitrag zur Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Umweltbelastung.
Eine weitere Aufgabe der Kolbenringe ist die Kühlung des Kolbens: Durch den Kontakt mit der Zylinderlaufbahn leiten die Ringe die hohen Verbrennungs-temperaturen vom Kolbenboden an den gekühlten Zylinder.
Aber gute Kolbenringe können noch mehr: Sie reduzieren Reibungsverluste im Motor – und steigern damit die Motorleistung, reduzieren den Kraftstoffverbrauch und erhöhen die Lebensdauer des Motors.
REIBUNG ERZEUGT KOSTEN – REIBUNGSMINIMIERUNG VERRINGERT SIE
Die Reibung im Verbrennungsmotor hat einen erheblichen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch. MAHLE, einer der weltweit größten Kolbenhersteller und Entwicklungspartner der Motoren- und Automobilhersteller, hat dies schon vor geraumer Zeit erkannt – und arbeitet seit Jahren an innovativen Lösungsansätzen zur weitgehenden Minimierung von Reibungsverlusten bei Kolbenringen.
Mithilfe numerischer Simulation und motorischer Prüfungen innerhalb eines ganzheitlichen Ansatzes verfolgen die MAHLE Ingenieure systematisch die Entwicklung reibungsarmer Kolbenringsätze, insbesondere für moderne Ottomotoren.
ÜBER TANGENTIALKRAFT UND FLÄCHENPRESSUNG
Ölabstreifringe müssen eine relativ hohe Anpresskraft an die Zylinderlaufbahn aufweisen. Nur so kann verhindert werden, dass das Motoröl auf den Kolben-boden gelangt und dort verbrannt wird. Ingenieure sprechen hier von der Tangentialkraft.
Diese Tangentialkraft drückt die Lauffläche der Kolbenringe gegen die Zylinderlaufbahn. Dabei ergibt die Kraft pro Fläche die spezifische Flächen-pressung, die für die gute Funktion wichtig ist. Und genau hier liegt der Ansatz: Große Tangentialkraft bedeutet große Reibung – und genau die ist nicht gewünscht. Um die Tangentialkräfte zu reduzieren, die spezifische Flächen-pressung aber beizubehalten, kann man die Lauffläche der Kolbenringe verkleinern – also die Ringhöhe verringern. Dies jedoch erhöht wiederum die Verschleißanfälligkeit. Die Lösung: eine besonders verschleißfeste Beschichtung der Ring-Lauffläche.
PVD-BESCHICHTUNG: MAHLE MACHT DAMPF
Chrom, Molybdän oder das Gasnitrieren waren die bislang üblichen Materialien und Verfahren, um die Verschleißresistenz von Kolbenringen zu erhöhen. Nun haben die MAHLE Ingenieure ein innovatives Bearbeitungsverfahren entwickelt, um Kolbenringe effektiv zu beschichten: die physikalische Gasabscheidung (Physical Vapour Deposition, kurz: PVD). Bei diesem, aus dem Rennsport stammenden, Verfahren werden diamantartige Kohlenstoffschichten im Hochvakuum aufgedampft. Damit entsteht eine hochresistente Beschichtung mit deutlich geringeren Reibungsverlusten.
PVD-Beschichtungen sind aber nicht nur härter, sondern auch härter im Nehmen. So zeigen derart behandelte Kolbenringe selbst unter erschwerten Einsatzbe-dingungen und verminderter Ölschmierung höhere Verschleißfestigkeit und verbesserte Fresssicherheit. Kurz: Die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer der Kolbenringe werden deutlich erhöht.
Niedrigere Ringhöhen, wie sie mit dieser Beschichtung möglich werden, haben darüber hinaus noch einen weiteren positiven Aspekt: die erhöhte Flexibilität. Die Ringe können sich also noch besser an die Zylinderform anpassen. Damit ist es wiederum möglich, die spezifische Flächenpressung zu reduzieren – mit der Möglichkeit einer weiteren Verringerung der Tangentialkräfte bei gleicher Funktion.
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Ringsatz mit PVD-beschichtetem Kompressionsring, Nasen-Minuten
-Ring und 3-teiligem Ölabstreifring. |
REIBLEISTUNGSREDUKTION: WENIGER KRAFTSTOFFVERBRAUCH, WENIGER EMISSION, MEHR ZUKUNFT
In einem Versuchsmotor wurde die Zylinderlaufbuchse in Längsrichtung frei schwingend eingebaut. Bei laufendem Motor ermitteln Kraftmesssensoren Informationen über die Reibungskräfte der Kolbenringe.
Das Ergebnis: eine Reduzierung der Reibleistung am Ringpaket von 20–30 %, abhängig von gefahrener Last und Drehzahl. Bei niedriger Drehzahl und niedriger Last – also den typischen Fahrtbedingungen des Stadtverkehrs – war die Reibungsminderung am höchsten.
| Diese Reduzierung der Reibung an den Kolbenringen entspricht einer Verringerung der gesamten Reibleistungsverluste im Motor um mehr als 1 % – und damit einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um ebenfalls über 1 %. Ein wichtiger Schritt, um Ressourcen zu schonen, künftige strenge Abgasnormen einzuhalten – und damit ein Beitrag zur Zukunftssicherung des Verbrennungsmotors. |
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Reibleistung im Vergleich:
Die Reibungskraft und die mittlere effektive Reibleistung (FMEP) an einem Ring-satz mit den Abmessungen 1,2/1,2/2,0 mm (blau) und einem mit 1,0/1,0/1,5 mm (rot). Am Kolbenringsatz mit den niedrigeren Ringhöhen wurde eine um 42 % geringere Tangentialbelastung gemessen – und dadurch eine um ca. 28 % reduzierte Ringreibung. dfgg |