Untersuchung von Möglichkeiten zur Verringerung der Kolbengruppenreibung durch gezielte Schmieröleinbringung

Abstract

Rund die Hälfte der Reibverluste im Verbrennungsmotor entsteht zwischen Kolben und Zylinderbuchse. Die Kolbengruppenreibung soll in dieser Arbeit durch eine verbesserte Schmieröleinbringung über Kolbenkühldüsen verringert werden. Diese Düsen sind am unteren Ende der Zylinderbuchse befestigt und werden in vielen großen Motoren verwendet, um den Kolben mit Öl anzuspritzen und so zu kühlen. Durch die Aktivierung der Kolbenkühldüse (KKD) reduziert sich zudem die Reibung deutlich. Problematisch ist momentan die Erhöhung der Emissionswerte, die eine Kolbenkühldüse mit sich bringt.

Am Versuchsmotor des Lehrstuhls für Verbrennungskraftmaschinen an der TU München ist eine Untersuchung der Abgase nicht möglich, deshalb muss indirekt über die Kolbentemperatur auf die Emissionsbelastung geschlossen werden. Der entsprechende Zusammenhang wird in dieser Arbeit erläutert. Zielsetzung der in dieser Arbeit untersuchten Konzepte ist es, das Ölangebot an der Zylinderwand zu erhöhen, um eine bessere Schmierung zu erzielen. Gleichzeitig soll wenig Öl an den Kolben gespritzt werden, um Kühlung und damit höhere Emissionswerte zu vermeiden.

Die untersuchten Konzepte umfassen acht Einstoffdüsen und Zweistoffdüsen. Die Düsen unterscheiden sich durch ihre Geometrie und somit durch das Strahlbild und die Menge des Öldurchflusses. Als Fertigungsart wurde der Metall-3D-Druck gewählt, um eine hohe Gestaltungsfreiheit der Düsen zu gewährleisten. Zunächst wird das Strahlbild der Einstoffdüsen untersucht. Anschließend werden Zylinder- und Kegeldüse im Motorenbetrieb auf verursachte Kühlung und Kolbengruppenreibung getestet. Die Verwendung der Zweistoffdüsen war aus technischen Gründen bis zum Abschluss dieser Arbeit nicht umsetzbar.

Die Messungen zeigen gegenüber dem Betrieb ohne Kolbenkühldüse etwa eine Halbierung der Reibkraftverluste und eine zum ungekühlten Zustand relative Kolbenkühlung zwischen 2 % und 25 %, abhängig von Leistung und Messstelle am Kolben. Die Zylinderdüse zeichnet sich durch etwas höhere Temperaturwerte und bessere Schmierung im hohen Leistungsbereich aus, der Vorteil der Kegeldüse liegt bei niedriger Leistung.