IFA - Antriebstechnik - Forschung

Reibleistungsstudie

Unter tribologischem Verhalten oder aber Reibleistung werden alle verschleißbedingten Energie- und Stoffverluste zusammengefasst. Für Verbrennungsmotoren ist die Reibleistung die Differenz von indizierter, welche aus der Verbrennung umgesetzt wird, und effektiver (abgegebener) Leistung. Im Rahmen von Forschungsarbeiten für einem vollvariablen, nockenwellenlosen Ventiltrieb wurde analysiert, wie sich die mechanische Motorreibung auf einzelne Baugruppen des BMW K71 Forschungsmotors aufteilt. Es ergibt sich ein breit gefächertes Spektrum an Verlustleistungen, welche durch Lagerreibung, hydrodynamische Effekte und im speziellen Fall des Generators auch elektromagnetische Kräfte entstehen. Der Fokus lag dabei auf dem Einsparpotential im Bereich des Ventiltriebes.

Anteil der Baugruppen an der Gesamtreibleistung

Anteil der Baugruppen an der GesamtreibleistungEs existieren derzeit eine Vielzahl verschiedenster Messverfahren zur Bestimmung der Reibleistung bei Verbrennungsmotoren bzw. allgemein in jeglicher Form gelagerten Bauteilen, welche eine Analyse des Gesamtmotors, einzelner Komponenten oder aber Baugruppen erlauben. Unter der Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Prüfstandaufbaus und der erzielbaren Genauigkeit der Messmethoden, gilt es zunächst eine entsprechende Methode auszuwählen. Die Suche nach einer Methode, die alle Problemstellungen gleichermaßen exakt abbildet, ist aufgrund der Komplexität der auftretenden Kräfte und ihrer Korrelation untereinander aussichtslos. Vielmehr muss das Messverfahren, mit seinen spezifischen Vor- und Nachteilen, auf die Problemstellung angepasst werden. Die Ostfalia UAS, in die die IFA integriert ist, verfügt über mehrere Motorenprüfstände. Dabei ist der baulich neuste Prüfstand mit einer vierquadrantenfähigen Belastungseinheit ausgestattet. Das abgegebene bzw. aufgenommene Drehmoment wird dabei über einen Messflansch detektiert. Es sind Piezo- Druckaufnehmer vorhanden die in speziellen Zündkerzen eine Druckindizierung erlauben. Des weiteren kann an diesem Prüfstand der Kraftstoff in Temperatur, Druck und Volumenstrom konditioniert und erfasst werden. Die Kühlung der Arbeitsmedien (Motoröl und Kühlmittel) erfolgt hier über jeweils einen Plattenwärmetauscher, die über einen Kühlturm mit einer maximalen Kühlleistung von 250KW die Abwärme aus den Räumlichkeiten befördern.

Reibleistung in absoluten Zahlen

Reibleistung in absoluten ZahlenAufgrund dieser Gegebenheiten fällt die Wahl der Messmethode auf die Schleppreibungsmessung in der Strip-Methode. Dabei wurden die folgenden Aufbauzustände gewählt (s. Tabelle). Alle Messungen wurden bei 40°C und 90°C Öltemperatur durchgeführt, um damit auch eine Aussage über die Abhängigkeit der Reibleistung von der Öltemperatur treffen zu können.

 Major disassembly stages in friction performance analysis using the Strip method

increasing state determined / to be calculated friction component
total engine fired total engine
total engine drag- along influence of combustion on friction losses
total engine drag- along without water pump water pump
total engine drag- along without water pump, timing chain and valve train valve train and chain drive

 

Für das Forschungsprojekt selbst ist die Reibleistung in Abhängigkeit der Drehzahl bei betriebswarmem Motor von besonderem Interesse. Mit Hilfe dieser Daten erfolgt eine Vorauslegung der Antriebsaggregate für den nockenwellenlosen Antrieb der Ladungswechselorgane.
Es ist eine eindeutige Abhängikeit des Reibmitteldrucks von der Motordrehzahl zu erkennen. Der Betrag der Reibung ist mit steigender Gleitgeschwindigkeit der Reibpartner streng monoton wachsend. Ebenfalls ist eine Abhängigkeit der Reibung von der Anzahl der Reibstellen ersichtlich. So ist der Reibmitteldruck des Gesamtmotors am größsten und sinkt durch die Komponentendemontage entsprechend der gewählten Aufbaustufe. Die berechnete Reibleistung nimmt im Rahmen dieser Studie Werte von 570W bis zu 1,04KW an. Über das gesamte Drehzahlband des Motors gemittelt, ohne Berücksichtigung des Drehzahlschwerpunktes im realen Betrieb, ergibt dies einen Reibleistungswert von 780W für den Ventiltrieb des Forschungsmotors.

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