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Technik. Theorien. Unglaublichkeiten. Technik: Neues zum Thema Verschleiß im Zylinder

Zur Auffrischung: Mit seiner Einfahranleitung, derzufolge ein neuer Motor 10km lang mit 60% Gas von 40% bis 60% seiner Nenndrehzahl gedreht werden soll, jeweils gefolgt von eingekuppeltem ausrollen bei geschlossenem Gasgriff, sowie gefolgt von weiteren 60km mit 80% Gas von 30% bis 80% der Nenndrehzahl, sorgte motoMan für gespaltene Meinungen.

Die Abdichtung zwischen Kolbenringen und gehonter Zylinderlaufbahn würde damit optimiert werden, so motoMan. Zu diesem Thema wird viel geforscht, und nun gibt es nicht nur veröffentlichte Ergebnisse, sondern sogar schon konkrete Maßnahmen.

Der VW Konzern lässt sein Jänner 2004 den TDI 3.0 V6 Motor mit UV Laserbelichteten Zylinderlaufbahnen bauen. Das reduziert den Verschleiß um 23 bis 89 Prozent, und verringert auch die Reibung und den Ölverbrauch.

Der Originalartikel hierzu findet sich auf ZDF.de.

Hier eine Kopie des Textes:

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.

Bearbeitung von Zylinderlaufbahnen
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).

Das Forscher-Team

Dipl.-Ing. Horst Joachim Lindner (Sprecher)
Prof. Dr.-Ing. habil. Hans Wilhelm Bergmann
Dipl.-Phys. Robert Queitsch
AUDI AG, Ingolstadt
Universität Bayreuth
ATZ Entwicklungszentrum, Amberg

UV-Laserbelichtung
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.

Verbesserte Verschleißfestigkeit
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.

Einsparung von Kraftstoff
Mit der UV-Laserbelichteten 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. Verschleißreduzierung 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.

Große Resonanz
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.

Hohe verschleißbedingte Kosten
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.) geschätzt. Bei einem angenommenen Mittelwert von 4,5 Prozent ergibt dies Kosten in Höhe von 95,8 Mrd.



(9.11.2004, 12:30)


Re: Technik: Neues zum Thema Verschleiß im Zylinder
von Mister_L am 15.11.2004, 21:23
Das Plasmen Dämpfe oder Gase sind wäre mir neu. Der plasmatische Zustand also ein Plasma ist der vierte Aggregatzustand neben fest, flüssig und gasförmig. Insofern kann also ein Plasma kein Dampf oder Gas sein.

Sollten sich die Theorien diesbezüglich geändert haben, harre ich ungeduldig der Aufklärung.

LG Mister L


Re: Technik: Neues zum Thema Verschleiß im Zylinder
von sprachbox am 30.03.2005, 18:24
Höchst interessant - ich denke, man wird auf Langzeit-Feldversuche warten müssen ... sagen wir mal >200.000km dieser Motoren. Danach sollten Differenzen in Abgas/Öl/Leistungs/... -Verhalten des 3.0/V6-TDi im Vergleich zu seinen "normalen" 2.5/V6-Brüdern feststellbar sein. Bin gespannt, ob & welche Veröffentlichungen es hiezu geben wird

Frage: gibts inzwischen auch andere Hersteller, die mit der gleichen Fertigungsmethode Großserienmotoren bauen?

 
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