23.09.2021

Reiben bewegliche Motorkomponenten gegeneinander, entstehen hohe Energieverluste. Um dem zu begegnen, entwickelt das Team des Forschungsprojektes PROMETHEUS innovative Oberflächenbeschichtungen sowie neuartige Schmierstoffe. Schlüssel ist dabei ein ganzheitlicher Ansatz.

Verbrennungsmotoren sind in Industrie und Mobilität nach wie vor allgegenwärtig. Die Reibungsverluste, die bei ihrer Nutzung entstehen, sind mit rund 40 Prozent beachtlich hoch. Je nach Betriebszustand kann die vorherrschende Reibung zwischen einzelnen Motorkomponenten variieren. Hier setzt das Forschungsprojekt PROMETHEUS an.

© MAN Truck & Bus SE
Die Komponenten eines Motors reiben im Betrieb gegeneinander. Innovative Beschichtungen und Schmierstoffe sollen die Reibung reduzieren und damit Energie einsparen.

Reibung reduzieren und damit Kraftstoff einsparen

Basierend auf den Ergebnissen einiger Vorläuferprojekte haben die Forschenden optimierte Schmierstoffe und spezielle Kohlenstoff-Beschichtungen für verschiedene Motorkomponenten — wie etwa Kolbenringe, Kolbenbolzen, Lager und Ventiltriebbauteile — entwickelt. Erste Labortests zeigen, dass sich damit die Reibung von Bauteilpaarungen deutlich verringern lässt. So wiesen kohlenstoffbeschichtete Kolbenringe im Zylinder bei Tests unter Realbedingungen rund 15 Prozent weniger Reibung auf. Die Forschenden gehen davon aus, dass allein dies den Kraftstoffverbrauch eines Motors durchschnittlich um ein Prozent senken kann.

© FUCHS Schmierstoffe GmbH
Reibungsärmere Motoren könnten jährlich rund 520 Kilotonnen CO2 einsparen. Dazu sollen auch neuartige Schmierstoffe beitragen.

Insbesondere in der richtigen Kombination können Beschichtungen und Schmierstoffe die Reibung deutlich reduzieren. Die Forschungsgruppe von PROMETHEUS schätzt, dass reibungsärmere Motoren allein in Deutschland jährlich bis zu zwei Terawattstunden Energie und damit rund 520 Kilotonnen CO2 einsparen könnten. Das entspricht in etwa der Energie, die 800.000 Zweipersonenhaushalte in einem Jahr verbrauchen. Die tatsächlichen Energieeinsparungen richten sich allerdings danach, welchen Anteil die reibungsarmen Motoren schlussendlich im zukünftigen Motorenmix ausmachen.

CO2-Emissionen von Motoren deutlich senken

Laufen Motoren reibungsärmer, verbrauchen sie nicht nur weniger Kraftstoffe, sondern sparen ebenso CO2-Emissionen ein. Dies ist insbesondere in Anbetracht von gesetzgeberischen Vorgaben zu Schadstoffemissionen wie der EURO Abgasnorm interessant. Verbrennungsmotoren für Fahrzeuge, Industriemaschinen und Stromgeneratoren tragen einen großen Anteil am Emissionsaufkommen. In Deutschland sind allein fast 60 Millionen Kraftfahrzeuge gemeldet. Neben PKW zählen dazu zahlreiche Motorräder, LKW, Omnibusse und Nutzfahrzeuge.

Sparsamere Motortechnologien gelten somit als ein großer Hebel für einen energieeffizienten und ökologischen Wandel. Um jedoch konsequent Motoren tribologisch zu optimieren, ist intensive und vor allem ganzheitliche Entwicklungsarbeit notwendig.

Systeme ganzheitlich betrachten und tribologisch optimieren

PROMETHEUS reiht sich zu Forschungsprojekten wie PEGASUS und CHEOPS im Forschungsfeld Tribologie ein. Im Gegensatz zu diesen betrachten die Forschenden jedoch nicht nur Maßnahmen, die an einzelnen Bauteilen greifen. In PROMETHEUS verfolgen sie einen ganzheitlichen Ansatz:

Warum sich Motoren nicht einfach optimieren lassen

Verbrennungsmotoren unterliegen komplexen tribologischen und werkstofflichen Wechselwirkungen. So kann es passieren, dass einzelne Optimierungsmaßnahmen gegensätzliche Effekte mit sich bringen und sich Reibvorteile gegebenenfalls wieder aufheben. Daher ist es wichtig, verschiedene Motorentypen systemisch zu betrachten und zu optimieren. In PROMETHEUS wollen die Forschenden verschiedene Motoren nicht nur an einem definierten Betriebspunkt, sondern in der Summe aller enthaltenen Tribokontakte effizienter machen.

Die Forschenden gehen von detaillierten Simulationen auf tribologischer Grundlagenebene aus, entwickeln Beschichtungsverfahren und Schmierstoffzusammensetzungen weiter, testen die beschichteten Motorkomponenten in Modellprüfständen und arbeiten sich so bis zum Gesamtsystem Motor vor. Abschließend werden die Ergebnisse in einem Prognosemodell zusammengeführt, um auf den Einfluss der Reibungsminderungsmaßnahmen und Einsparpotenziale rückschließen zu können.

© Steinbeis-Innovationszentrum Werkstoff- und Oberflächentechnologie
In einem sogenannten Realhubtribometer können die Forschenden das Zusammenspiel der neuen Schmierstoffe und Beschichtungen testen und so den Motor ganzheitlich optimieren.

PROMETHEUS-Konsortium deckt unterschiedliche Branchen ab

Die Vorversuche in PROMETHEUS sind bereits erfolgreich abgeschlossen. Nun will das Team deren Ergebnisse auf verschiedene Motorenkomponenten übertragen und überprüfen. Je nach Motorentyp testen sie unterschiedliche Schicht-Schmierstoff-Kombinationen, um diese final zu optimieren. Der Leistungsbereich spannt sich vom PKW, über Nutzfahrzeuge bis zum großen Industriemotor.

Das Forschungsprojekt profitiert von seinem weit gefächerten Konsortium, zu dem Produzenten von Motorrädern, PKW, Omnibussen, Nutzfahrzeugen und Industriemotoren zählen. Aber auch namhafte Zulieferer und Forschungseinrichtungen bringen ihr Know-how in das Projekt mit ein. So arbeiten in PROMETHEUS folgende Unternehmen und Forschungsinstitute zusammen: Federal Mogul Burscheid, AVL, BMW, Fuchs Schmierstoffe, MAN Truck & Bus, MTU Friedrichshafen, Schaeffler Technologies, VTD Vakuumtechnik Dresden, die Fraunhofer-Institute für Werkstoffmechanik (IWM), für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) sowie für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit (LBF), das Steinbeis Transferzentrum Friedrichshafen und der Lehrstuhl für Verbrennungsmotoren der Technischen Universität Dresden. (ln)

Veranstaltungstipp: 62. Tribologie-Fachtagung

Vom 27. bis 29. September 2021 findet die 62. Tribologie-Fachtagung statt. Aufgrund der Pandemiebedingungen setzt die Gesellschaft für Tribologie, kurz: GfT, hier erneut auf ein Online-Format. Geboten wird ein vielfältiges Programm, zu dem auch das BMWi-Forschungsfeld Tribologie in einer Sondersession beiträgt — mit dabei: ein Vortrag über das Forschungsprojekt PROMETHEUS.

mehr Informationen zur Veranstaltung

PROMETHEUS: Projekt zur Reibungs-Optimierung von Motoren durch Einsatz von triboaktiven Hochleistungskohlenstoff- sowie Eisenbasisschichten und Schmierstoffen

För­der­kenn­zei­chen: 03ET1609 A-L

Projektlaufzeit
01.01.2019 31.12.2021 Heute ab­ge­schlos­sen

The­men

Energiesparende Industrieverfahren - Maschinenbau, Fahrzeugbau, Elektrotechnik, Feinmechanik, Optik, EBM-Waren

För­der­sum­me: rund 11 Mio. EUR

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Veranstaltung Symbolbild Tribologie: Es sind mehrere Zahnräder zu sehen, auf die Schmierstoff läuft.
©Nikita Kuzmenkov - stock.adobe.com

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BMWi-Forschungsfeld wirkt bei 62. Tribologie-Fachtagung mit

Die Fachtagung findet dieses Jahr vom 27. bis 29. September erneut online statt. Interessierte können sich jetzt anmelden.

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Symbolbild Tribologie: Mehrere Zahnräder, die ineinandergreifen.
© Chalabala/iStock/thinkstock

Tribologie

Die Wissenschaft der Tribologie beschreibt Reibung, Schmierung und Verschleiß von Oberflächen, die sich gegeneinander bewegen. Je weniger Reibung, desto geringer sind die Energieverluste und desto höher ist die Lebensdauer.

zum Forschungsthema
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