Powertrain Nutzfahrzeug-Diesel: Optimieren im Detail

Dieselmotoren schwerer Nutzfahrzeuge müssen vor allem effizient sein. Auf seinem Technologietag Ende Juni stellte der Zulieferer Federal-Mogul entsprechende Optimierungsansätze vor.

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Seit jeher ist Effizienz das Leitmotiv der Entwicklung von Nutzfahrzeugantrieben, bestimmt der Kraftstoffverbrauch doch maßgeblich die Kosten, mit der Lkw-Betreiber pro Tonnenkilometer kalkulieren müssen. Unzweifelhaft wird dieser Entwicklungstrend künftig anhalten, zumal drohende CO₂-Gesetzgebungen auch für Nutzfahrzeuge als weiterer Treiber hinzukommen. Federal-Mogul stellte auf seinem Technologietag einige Optimierungen der Komponenten für Nutzfahrzeug-Dieselmotoren vor. Im Fokus stehen höhere Temperaturfestigkeiten, Verbrennungsdrücke bis 300 bar und geringere Reibung.

Kolben mit integriertem Kühlmedium

Die wohl wichtigste Neuheit ist ein Kolbenkonzept, bei dem Stahlkolben konventioneller Bauart einen Kühlkanal mit einem Kühlmedium erhalten. Das Gemisch aus Hochtemperaturöl und Edelgas bleibt für die gesamte Lebensdauer der Kolben im Hohlraum eingeschlossen. Die „EnviroKool“ genannte Technologie erlaubt nach Unternehmensangaben Kolbenboden-Temperaturen, die 100 bis 200 Grad Celsius über dem heutigen Standard liegen. „Wird Motorenöl dauerhaft hohen Temperaturen im offenen Kühlkanal ausgesetzt, führt das zu Ölalterung und vermehrter Ölkohleablagerung, was wiederum die Kühlleistung beeinträchtigt und die Überhitzung des Kolbens zur Folge haben kann“, erklärt Keri Westbrooke, Director Engineering & Technology, Federal-Mogul Powertrain. Die neue Kühltechnik verhindert, dass sich Ölkohle im Kühlkanal bildet – sodass die Wärmeableitung problemlos über die gesamte Lebensdauer des Kolbens gewährleistet ist, so das Unternehmen. Die neue Technik soll dabei so effektiv sein, dass sich der Kühlölfluss zu den Spritzdüsen um 50 Prozent senken lässt. Infolgedessen lassen sich die Arbeit der Ölpumpe reduzierten parasitäre Verluste verringern und letztlich der Wirkungsgrad des Motors verbessern.

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Da die neue Kolbentechnik eine heißere Verbrennung zulässt, sieht das Unternehmen sie vor allem als Wegbereiter für die Einführung von Systemen zur Abgaswärmenutzung, der sogenannten Waste Heat Recovery, auf Basis des Rankine-Prozesses. Dabei wird die Wärme des Abgases in Bewegungsenergie umgewandelt und dem Antriebsstrang zugeführt. Diese Systeme arbeiten umso effizienter, je höher die Verbrennungstemperaturen sind. Federal-Mogul spricht von fünf Prozent CO₂-Reduzierung durch die Waste-Heat-Recovery in Kombination mit der neuen hitzebeständigeren Kolbentechnologie. Das Unternehmen hat bereits mehr als 1.400 Teststunden mit Schwerlastmotoren durchgeführt, die mit Stahlkolben und der integrierten EnviroKool-Technologie ausgestattet sind. Außerdem laufen Entwicklungsprogramme mit unterschiedlichen Kunden für Motoren, für die ein Produktionsstart innerhalb der nächsten fünf Jahre vorgesehen ist.

Kolbenringe mit verbesserter Beschichtung

Wegen steigender Anforderungen an die Motorkomponenten – Federal-Mogul nennt neben den höheren Temperaturen vor allem steigende Zünddrücke von heute 230 auf künftig 300 bar und Reibungsreduktion – hat das Unternehmen auch Kolbenringe und Zylinderlaufbuchsen für Dieselmotoren schwerer Nutzfahrzeuge weiterentwickelt. Bei den Kolbenringen erhöhte der Zulieferer den Diamantanteil in der Diamond Coating (GCD) genannten Beschichtung. Um die Belastbarkeit unter starker thermischer Belastung zu steigern, verbesserten die Werkstoffexperten zudem die Mikrostruktur. Dazu gehört ein feineres Mikrorissnetzwerk mit mehr und gleichmäßiger verteilten Nanodiamantpartikeln. Bei Prüfstandversuchen mit der neuen GDC60- statt der alten GCD50-Beschichtung hat das Unternehmen nach eigenen Angaben einen um bis zu sieben Prozent niedrigeren Reibungskoeffizienten festgestellt, während erste Motorentests eine potenzielle Verschleißminderung von bis zu zehn Prozent aufgezeigt haben. Diese verbesserten Werte wirken sich auch positiv auf die Funktion der Ölabstreifringe aus. Unter Einsatz konventioneller Frischöle ließ sich demnach bei GDC60 eine um bis zu 20 Prozent verbesserte Abriebfestigkeit gegenüber dem Niveau thermischer Belastbarkeit von GDC50 nachweisen. Bei älterem Öl war der Effekt sogar noch stärker.

Festere Zylinderlaufbuchsen

Um den Ölverbrauch und den Abrieb im Zylinder zu reduzieren und höhere Verbrennungsdrücke zu ermöglichen, hat Federal-Mogul ultrahochfeste Zylinderlaufbuchsen entwickelt und in Serie gebracht – zwar zunächst für den Off-Highway-Bereich, der Nutzfahrzeugbereich soll allerdings kurzfristig folgen. „Zylinderverzüge beeinträchtigen unter starker Belastung die Abdichtung zwischen der Laufbuchse und den Ringen, was in einem höheren Ölverbrauch und größerem Verschleiß resultiert. Der Versuch, die Verformung durch eine erhöhte Ringspannung zu kompensieren, führt wiederum zu stärkerer Reibung und einem höheren Kraftstoffverbrauch“, erklärt Gian Maria Olivetti, Chief Technology Officer bei Federal Mogul Powertrain. Die jüngste Gusseisen-Formulierung – GOE330 – soll bei hohen Kolben-Seitenkräften die Zylinderverzüge gegenüber herkömmlichem Gusseisen um bis zu 27 Prozent reduzieren. Verglichen mit aktuell verfügbaren hochfesten Gussmaterialien für Zylinderlaufbuchsen zeichnet sich GOE330 laut Herstellerfirma durch einen 15 Prozent höheren Elastizitätsmodul sowie eine um ein Drittel gesteigerte Ermüdungsfestigkeit bei 270 Megapascal aus.

Mit den Entwicklungen bei Kolben, Ringen und Zylinderlaufbuchsen für Dieselmotoren schwerer Nutzfahrzeuge scheint Federal-Mogul gut vorbereitet zu sein auf die Herausforderungen des Güterverkehrs der Zukunft – immerhin gehen Experten unisono davon aus, dass er bis 2030 europaweit gegenüber 2010 um mindestens 35 Prozent zunimmt. Und davon wird das Nutzfahrzeug mit Dieselmotor den Löwenanteil tragen. Denn nennenswerte Verschiebungen zu alternativen Antriebskonzepten oder gar anderen Verkehrsträgern sind aus aktueller Sicht nicht zu erwarten.

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