Topografiebasierte Reibungssimulation von Kolbenringen in Verbrennungsmotoren

Abstract

Um die Effizienz moderner Verbrennungsmotoren zu verbessern und die Emissionen des Verkehrssektors zu reduzieren, steht vor allem die Reduzierung der innermotorischen Reibung im Mittelpunkt der aktuellen Forschung. Das Teilsystem Kolbenring gegen Zylinderlaufbahn ist aufgrund seines großen Beitrags zu den Gesamtreibungsverlusten im Motor hierbei von besonderem Interesse. Eine wichtige Steuergröße in diesem Teilsystem ist das topografische Design der Zylinderlaufbahn, da hierdurch der Ölhaushalt im Kolbenringsystem gezielt beeinflusst werden kann. Durch die Anpassung der Laufbahntopografie kann der Ölhaushalt optimiert und die Kolbenringreibung maßgeblich reduziert werden. Die Entwicklung angepasster Laufbahntopografien erweist sich in der Praxis jedoch als aufwändig und komplex. Der in dieser Arbeit verwendete topografiebasierte Ansatz „DetLub“ zur Reibungsbewertung real vermessener Laufbahntopografien nach H. Chen verwendet eine hochaufgelöste, direkte Diskretisierung des relevanten Oberflächenbereichs, was tiefe Einblicke in die Reibung des Kolbenringsystems und exakte Simulationsergebnisse verspricht. In diesem Zusammenhang wurden die Störeinflüsse während der Topografiemessung- und prozessierung jedoch kaum untersucht, was repräsentative und reproduzierbare Ergebnisse bisher größtenteils verhinderte. Es wurde in dieser Arbeit daher eine systematische Analyse solcher Einflussfaktoren auf die topografischen Eingabedaten der deterministischen Simulation durchgeführt und eine Standardisierung abgeleitet, um repräsentative und reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Auf Basis dieses Standards wurde mit Hilfe der Simulation das Reibungsverhalten klassischer Graugussbeschichtungen und der neuartigen Eisenspritzschicht Nanoslide© von Mercedes-Benz am Prüfstand und im Realmotor untersucht. Abschließend wurde zur Verbesserung des verwendeten Simulationsansatzes ein alternatives Kontaktmodell integriert und validiert.