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© [M] Fuchs; PhotoTalk | iStock
AUTOREN
Rolf Lutherist Leiter Vorausentwicklung bei der Fuchs
Schmierstoffe GmbH
in Mannheim.
Dr. Manfred Harperscheidist Leiter Entwicklung Motorenöle
bei der Fuchs Schmierstoffe GmbH in Mannheim.
Multifunktionstalent Motorenöl Zielkonflikte bei der
ReibungsminderungMotorenöl als Parameter der Motorenentwicklung
bietet weitere
Potenziale zur Verringerung innermotorischer Reibung durch
Abstimmung von Schmierstoff, Werkstoffen, Bauteilgeometrien
und Belastungen. Fuchs Schmierstoffe beschreibt, wie die
Effizienz
von Motorenölen als integralem Bestandteil der Konstruktion
gesteigert werden kann.
Reibungsminimierung
TITELTHEMA REiBUNGSMiNiMiERUNG
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MOTORENÖLE UND KRAFTSTOFFVERBRAUCH
Das Thema der Reibungsminderung im Kraftfahrzeug durch
Schmierstoffe beschränkt sich nicht auf Motorenöle, auch wenn der
Motor sicherlich die populärste geschmierte Komponente im Automobil
ist. Auch Getriebeöle, Achsöle, Radlagerfette etc. können zur
Reibungsminderung beitragen. Dieser Beitrag beschränkt sich auf das
Moto-renöl, zumal dieses selbst ein multifunk-tionelles
Konstruktionselement ist.
Ganz allgemein ermöglichen neu ent-wickelte Schmierstoffe zum
einen neuar-tige, energieeffizientere Konstruktionen und
Funktionseinheiten. Zum anderen liegt das Optimierungspotenzial von
Schmierstoffen zur Steigerung der Energieeffizienz in der Senkung
der Rei-bungsverluste in tribologischen Sys-temen durch
wechselseitige Optimierung der Reibpartner. Aus Schmierstoffsicht
sind als Stellgrößen hierbei die Visko-sität, der Einsatz
unkonventioneller Grundöle und die reibungsreduzierende
Additivierung zu nennen. Im Folgenden soll dieses allgemeine Thema
am Bei-spiel Motorenschmierung betrachtet wer-den. Welche
Funktionen haben Motoren-öle? Sie reduzieren Reibung und
Kraft-stoffverbrauch, verhindern Verschleiß, führen Wärme ab und
schützen vor Korrosion. Darüber hinaus halten sie den Motor
sauber, übertragen Kräfte, reduzieren Geräusche und beeinflussen
Motoremissionen. Diese Aufstellung zeigt, dass Motorenöle
multitalentiert sein müssen – viele innermotorische Aufgaben sind
gleichzeitig zu erfüllen, Zielkonflikte sind zu lösen.
Motorenöle stellen die mit Abstand größte Absatzmenge aller
Schmierstoff-arten. Im Jahr 2015 betrug ihr Anteil
in Deutschland 283.674 t von insgesamt etwa 1.064.884 t
Schmierstoffe. Der Absatz von Motorenölen hat sich in den letzten
15 Jahren um etwa 20 % redu-ziert, während der Kraftfahrzeugbestand
um rund 30 % zunahm. Hierin spiegelt sich bereits ein wesentlicher
Trend für die Motorenölentwicklung: die Leistungs-verdichtung durch
verringerte Ölvolu-mina bei gleichzeitig verlängerten
Wech-selintervallen. Zwei Themen haben die Entwicklung von
Motorenölen in den letzten Jahren geprägt. Dies sind einer-seits
die Verringerung des Kraftstoff-verbrauchs und andererseits der
mög-
lichst geringe Einfluss auf Motorenemis-sionen, insbesondere in
Hinsicht auf die Lebensdauer der Abgas-Nachbehand-lungssysteme. An
dieser Stelle soll auf den letzten Gesichtspunkt nur insofern
eingegangen werden, als damit Zielkon-flikte für
energieeffizientere Motorenöle verbunden sind, zum Beispiel die
Folgen einer Viskositätsabsenkung auf die Ver-dampfungsverluste
eines Motorenöls.
Die kontinuierlichen Ölverluste wäh-rend des Fahrzeugbetriebs
sind nicht nur eine Frage von Ölnachfüllmengen und Ölkosten,
sondern auch von Bedeutung für die Motoremissionen. Dabei ist zu
unterscheiden zwischen Emissionsbei-trägen aus Grundölen, also im
wesentli-chen Kohlenwasserstoffe, und aus Addi-tiven. Grundöle
tragen zu einem gewis-sen Anteil zu den CH-Rohemissionen bei, der
durchaus mehr als 10 % beträgt [1]. Die Abhängigkeit der
Partikelemissionen vom Verdampfungsverhalten von Grund-ölen ist
seit langem bekannt. Senkt man nun aber für energieeffizientere
Moto-renöle die (Grundöl-)Viskositäten, erhöht sich bei gleicher
Grundölchemie der Verdampfungsverlust – dieser Zielkon-flikt kann
beispielsweise durch größere Anteile verdampfungsarmer
Synthese-ester gelöst werden, BILD 1.
STELLSCHRAUBEN ZUR MINIMIERUNG VON REIBUNGSVERLUSTEN
Ein Blick auf Reibungsverluste bei Otto-motoren kann
exemplarisch Hinweise auf Optimierungspotenziale geben, wobei die
Zahlen je nach Motorkonstruktion auch stärker abweichen können: So
sind
die Kolbengruppe für 25 bis 30 %, die Pleuellager für 15
bis 20 % und die Kurbelwellenlager für 12 bis 18 % der
Reibungsverluste verantwortlich. Auf die Zylinderköpfe entfallen 5
bis 10 % und der Beitrag von Pumpverlusten sowie Hilfsaggregaten
liegt bei 5 bis 10 % bezie-hungsweise 15 bis 35 % der
Reibungsver-luste. Insgesamt betragen die mechani-schen
Reibungsverluste etwa 15 bis 20 % der Motorleistung. Hinter den
genannten Tribokontakten stehen unterschiedliche Materialpaarungen,
Flächenpressungen und Kontaktgeometrien. Dabei ist für jeden
Tribokontakt eine Stribeck-Kurve anzusetzen, die den Reibwert als
Funk-tion des Produkts aus Viskosität η und Geschwindigkeit ν
geteilt durch die Belastung p darstellt, BILD 2. Im Misch- und
Grenzreibungsgebiet führt zuneh-mende Festkörperreibung zu einem
stei-len Anstieg der Reibungsverluste, bei grö-ßeren Werten von
(ην/p) dominieren die hydrodynamischen Flüssigkeitsverluste.
Die Stribeck-Kurve kann nun in Richtung energieeffizienterer
Schmier-stoffe dahingehend interpretiert werden, dass im Bereich –
der hydrodynamischen Reibung eine geringere Verlustleistung in
hydro-dynamischer Schmierung durch die Reduktion der Viskosität
erreicht werden kann
– der elastohydrodynamischen Reibung eine Verringerung durch
Einsatz von Grundölen mit geringer Scher viskosität in Kombination
mit Friction Modifier möglich ist
– der Grenzreibung/Mischreibung eine Reduktion durch den Einsatz
von Reibwert senkenden Additiven mit
BILD 1 Verdampfungsverluste verschiedener Grundöltypen
(äquiviskos) [2] (© Fuchs)
Reibungsminimierung
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Verschleißschutzfunktionen (Anti Wear) sowie den Einsatz von
tribo-aktiven Verschleißschutzschichten erreicht werden kann.
EFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH VISKOSITÄTSABSENKUNG
Dies ist der Klassiker unter den effizienz-steigernden Maßnahmen
für Schmier-stoffe. Viskosität als „innere Reibung“ interpretiert
macht anschaulich, warum hier ein wichtiges Potenzial zu vermuten
ist. Eine Viskositätsabsenkung führt in hydrodynamischer Schmierung
direkt zu geringerer Verlustleistung, kann aber bei höheren
Lasten oder geringe-ren Geschwindigkeiten zu vermehrter
Mischreibung und gegebenenfalls zu verstärktem Verschleiß
führen. Durch Einsatz bestimmter Additive lässt sich aber – in
gewissen Grenzen – der Über-gang zur Mischreibung verschieben
und damit der Zielkonflikt entschärfen, wodurch geringere
Verlustleistung bei geringem Verschleiß möglich wird.
Zur Beschreibung der Rheologie eines Motorenöls reicht die
SAE-Klasse nicht aus: Die Viskosität ist eine Funktion von
Temperatur, Schergefälle und Druck. Die Temperaturabhängigkeit
wird durch den Viskositätsindex VI beschrieben. Je höher dieser
Wert ist, desto geringer fällt die Viskosität bei steigender
Temperatur. Esteröle und Polyglykole weisen zumeist deutlich höhere
VI-Werte auf als Kohlen-
wasserstoffe. Letztere werden mit spe-ziellen Polymeren auf
höhere VI-Werte gebracht. Die Scherabhängigkeit der Viskosität wird
für Motorenöle durch die High-Temperature-High-Shear-Viskosität
(HTHSV) dargestellt. Diese HTHSV stellt die wesentliche
viskosimetrische Größe zur Verbesserung des Kraftstoffver-brauchs
dar und wird gemäß ASTM-Nor-men bei 150 °C und einem Schergefälle
von 106 s-1 gemessen.
Zur dynamischen Viskosität η0 als Funktion von Temperatur T und
Scher-gefälle τ kommt noch die Abhängigkeit vom Druck p gemäß
η(p)=η0 exp(αp), wobei α der fluidspezifische
Viskositäts-Druck-Koeffizient ist. Flüssigkeiten wei-sen eine
teilweise starke Abhängigkeit der Viskosität vom Druck auf [3].
Alle diese Größen fließen schließlich in die Bestimmung der
minimalen Schmier-filmhöhe ein: hmin~ηj αk. Unter
elastohy-drodynamischen Bedingungen ist nach Dowson und Higginson
h0~α0,6 [4]. BILD 3 zeigt beispielhaft das
Viskositäts-/Druckverhalten eines typischen Moto-renöls der
Viskositätsklasse 5W-30.
Für die Beurteilung der hydrodynami-schen Tragfähigkeit müssen
also HTHSV und α(T) heran gezogen werden. Noch aussagefähiger wäre
ein dynamischer Druck-Viskositäts-Koeffizient, der besser die
Reaktion einer Flüssigkeit auf eine spontane Druckerhöhung
beschreibt, wie sie beispielsweise im Nocken-Stößel-Kontakt
auftritt. Nun hat eine Viskosi-tätsabsenkung in einem gegebenen
Triboregime ihre Grenze in aufkommen-der Mischreibung und im
Verschleiß. Bei einer Absenkung der Viskosität muss eine
werkstoffbasierte Strategie zur Kom-pensation des durch die
Verringerung der Schmierspalthöhe ansteigenden Verschleißes infolge
größerer Mischrei-bungsanteile bereitgestellt werden. An dieser
Stelle muss die Perspektive auf das Gesamtsystem wechseln,
verstanden als Zusammenspiel der Konstruktions-elemente Körper –
Schmierstoff – Gegen-körper, um die Viskositätsgrenzen noch weiter
hinausschieben zu können.
Als probates Mittel, verschleißgefähr-dete Tribokontakte eines
mechanischen Systems zu schützen, haben sich harte Schichten mit
hoher Verschleißresistenz etabliert. Besonders interessant werden
derartige Schichten, wenn Schicht und Schmierstoff synergistisch
wirken und sich eine überproportionale Reibungsre-duktion im
Mischreibungsgebiet zeigt. BILD 3 Viskositätsverhalten eines
typischen 5W-30-Motorenöls unter erhöhtem Druck (© Fuchs)
BILD 2 Stribeck-Kurven zur Darstellung der Verlustleistung in
Abhängigkeit der Last (© Fuchs)
TITELTHEMA REiBUNGSMiNiMiERUNG
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Für verschiedene Beschichtungen wur-den hierzu schon Lösungen
gefunden. Am Beispiel der Kohlenstoffschichten soll dies
verdeutlicht werden. Zuerst in Japan wurde auf einen Synergismus,
genannt Super Lubricity, zwischen wasserstofffreien ta-C-Schichten
und einem organischen Friction Modifier hin-gewiesen [5]. Die
beobachtete überpro-portionale Reibungsreduktion hat natür-lich
viele Aktivitäten hervorgerufen. An dieser Stelle sei auf die
beiden Pegasus-Projekte hingewiesen, die vom BMWi gefördert wurden.
Im Ergebnis lassen sich dadurch trotz des bereits erreichten
Niveaus moderner Leichtlauf-Motorenöle weitere
Kraftstoffeinsparungen errei-chen, wie in BILD 4 und BILD 5
exempla-
risch gezeigt wird. Da die erreichbare Reibkraftreduzierung je
nach Motortyp durchaus variieren kann, wurden unter-schiedliche
Fahrzeuge mit Otto- und Dieselmotoren für Messungen heran-gezogen.
Zur Messung des Kraftstoff-verbrauchs diente der heute
gebräuch-liche Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ) nach Richtlinie
70/220/EWG.
BILD 4 illustriert am Beispiel eines modernen, aufgeladenen
2,0-l-Diesel-motors mit 135 kW Leistung die Ab-hängigkeit des
Kraftstoffverbrauchs von der Motorenölviskosität (HTHSV).
Das Versuchsöl mit der HTHSV von 3,5 diente als Referenz.
Die Referenzmes-sungen erfolgten zu Anfang, in der Mitte und
am Ende des Programms,
BILD 4 Verbrauchssenkung in Abhängigkeit von der Viskosität in
einem 2,0-l-Pkw-Dieselmotor (© Fuchs)
BILD 5 Verbrauchssenkung in Abhängigkeit von der Viskosität in
einem 1,8-l-Pkw-Ottomotor (© Fuchs)
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um die Reproduzierbarkeit der Methode sicherzustellen. Um
tribochemische Ein-flüsse möglichst auszuschalten und nur den
Viskositätseffekt zu sehen, wurde in allen Versuchsölen mit der
gleichen Art von Formulierungsbestandteilen gear-beitet. Im Fall
der tribochemisch wirk-samen Bestandteile wurde außerdem auch deren
Dosierung konstant gehalten.
Wie zu erkennen ist, lässt sich mit der Absenkung der HTHSV von
4,0 (10W-40) auf 2,6 (0W-20) im vorliegenden Fall ein beachtlicher
Verbrauchsvorteil von 5,6 % erzielen. Allerdings ist mit weiter
abneh-mender Viskosität ein weniger stark ausgeprägter Effekt zu
finden, was auf die Abnahme des Anteils der hydro-dynamischen
Schmierung im Motor zurückzuführen sein dürfte.
In BILD 5 ist die Absenkung des Kraft-stoffverbrauchs über die
Viskosität in einem Fahrzeug mit einem
aufgelade-nen 1,8-l-Ottomotor dargestellt. Der
Kraftstoffeinspareffekt ist in diesem Motor generell etwas weniger
stark ausgeprägt, jedoch ist auch bei ver-gleichbar niedriger HTHSV
von 2,6 noch eine starke Wirkung zu finden. In diesem
Versuchsprogramm wurden neben der Viskosität auch
reibwert-beeinflussende Additive variiert, die
sich insbesondere im Misch- und Kon-taktreibungsbereich als
sehr wirksam herausgestellt haben. Die Entwicklung solcher
Additivsysteme spielt eine beson-dere Rolle bei der Fortschreibung
zu noch dünneren Motorenölen, beispiels-weise der
Viskositätsklassen 0W-16, 0W-12 oder gar 0W-8.
SCHMIERSTOFF ALS INTEGRALER BESTANDTEIL DER KONSTRUKTION
Motorenöle bestehen zu knapp 90 % aus Grundölen und zu gut 10 %
aus Funk-tionsadditiven. Die Additive haben eine Fülle
unterschiedlicher Aufgaben zu erfüllen, BILD 6. Bei
unterschiedlicher Wirkungsstärke ist die Gesamtadditi-vierung ein
Zusammenspiel verschiede-ner Einzelsubstanzen, deren
Wechsel-wirkung genau ausbalanciert sein muss. Dabei treten
auch Zielkonflikte auf: So erhöhen beispielsweise Additive zur
Dispergierung von Ruß und anderen Feststoffen erfahrungsgemäß die
Rei-bung. Anforderungen an lange Ölwech-selintervalle erfordern nun
aber eine Mindestmenge dieser Zusätze. Additive, die im Bereich des
Mischreibungsgebiets das Reibniveau beeinflussen, fasst man unter
dem Begriff Friction Modifier (FM) zusammen – eine Vielzahl
verschie de-ner Zusätze mit unterschiedlichen Wir-kungsweisen. FM
können je nach Typ sowohl eine Reibwertabsenkung für mehr
Energieeffizienz als auch eine Reibwert-erhöhung, beispielsweise
für Reibelemente oder Traktionsfluide, bewirken.
Unter verschiedenen Aspekten wurde in diesem Beitrag das
Effizienz-steigerungspotenzial von Motorenölen beschrieben. Dabei
zeigte sich, dass die größten Effekte zu erzielen sein werden, wenn
der Schmierstoff als integraler Bestandteil der
Maschinenkonstruktion angesehen wird. Damit können Maß-nahmen wie
Viskositätsabsenkung und Einsatz spezieller Additive in
konkrete
Reibungsreduktion umgesetzt werden. Leistungsfähigkeit,
Umweltverträglich-keit und Preiswürdigkeit von Schmier-stoffen
können nur in Abstimmung mit den mechanischen Tribopartnern, mit
Konstruktion und Materialauswahl erreicht werden. Auf einen
besonderen Aspekt der Reibungsoptimierung durch motorenspezifische
Schmierstoffe soll abschließend hingewiesen werden: Derartige
Konzepte erfordern Motoren-öle, die vom Motor als „approved“
identi-fiziert werden können. Zur Markierung beziehungsweise
Codierung von Schmier-stoffen sind verschiedene Vorschläge gemacht
worden [6].
LITERATURHINWEISE[1] Völtz, W.: Einfluss des Motorenöls auf den
Ölverbrauch. in: Mineralöltechnik 6 (1997)[2] Mang, T.; Dresel, W.:
Lubricants and Lubrication. Weinheim: Wiley-VCH, 2001 [3] Bode, B.:
Modell zur Beschreibung des Fließ-verhaltens von Flüssigkeiten
unter hohem Druck. in: Tribologie & Schmierungstechnik 36
(1989), Bd. 4, S. 182[4] Dowson, D.; Higginson, G. R.: Elasto hydro
dynamic lubrication. Si-Edition. Oxford: Pergamon Press, 1977[5]
Kano, M. et al.: Ultralow friction of DLC in presence of glycerol
monooleate. in: Tribology Letters 18 (2005), Nr. 2, S. 245-251[6]
Luther, R.: identifizierung von Schmierstoffen – Ein neuer Ansatz.
in: MTZ 69 (2008), Nr. 1, S. 34-40
BILD 6 Motorenöle und ihre Inhaltsstoffe (© Fuchs)
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