Projekt 25518/02

Weiterentwicklung einer innovativen Lagerung des Kurbeltriebes von Verbrennungsmotoren hinsichtlich des Potenzials zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs – Folgeprojekt

Projektdurchführung

meta - Motoren- und Energietechnik GmbH
Kaiserstr. 100
52134 Herzogenrath

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand des beantragten Forschungsvorhabens ist die Weiterentwicklung eines völlig neuartigen Konzeptes zur reibungsarmen Lagerung dynamisch hoch beanspruchter Wellen, hier am Beispiel einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors. Ziel im Rahmen des Vorhabens ist, die Weiterentwicklung des Konzeptes, hinsichtlich seiner Eignung zur signifikanten Verringerung der Reibung, auf Basis des zuvor durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt geförderten Vorhabens mit dem Aktenzeichen AZ 25518/01. Die Lagerung der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors stellt durch die Vielfalt der auftretenden Belastungszustände und der Dynamik ein ideales Anwendungsbeispiel dar, in dem konventionelle Wälzlager ihre Grenzen finden. Die Adaptive Bearing (AB) Lagerung ist eine Kombination aus Wälz- und Gleitlager und stellt eine völlig neue Lagertechnik dar, indem sie den Vorteil der reibungsarmen Wälzlagertechnik mit dem Vorteil der Belastbarkeit konventioneller Gleitlager verbindet. Die Nachteile der geringen Belastbarkeit von Wälzlagern und die hohe Reibung von Gleitlagern werden mit dem AB gezielt durch die patentierte Konstruktion vermieden. Mit dem AB Lagerungskonzept ist über die Konstruktion und Auslegung beabsichtigt, die reibungsarme Wälzlagertechnik für durch hohe Lasten bisher nicht zugängliche Anwendungsbereiche nutzbar zu machen. In dem Anwendungsfall der AB Lagerung eines Kurbeltriebs soll die Reibleistung eines Verbrennungsmotors, die in Betriebspunkten niedriger Last bis zu 40% der Gesamtleistung betragen kann, deutlich verringert werden. Ziel des Vorhabens ist die Optimierung und Weiterentwicklung der adaptiven Lagerung basierend auf den Erkenntnissen des vorherigen Vorhabens. Hierbei sind vor allem die Optimierung der Wälzkörper-Führung durch den Käfig und die Vereinfachung der Fertigung zu nennen.
Nach der Entwicklung und Bewertung der Varianten auf dem in dem vorherigen Vorhaben entwickelten Lagerprüfstand wird der komplette Verbrennungsmotor im Kurbeltrieb mit der adaptiven Lagerung ausgestattet und auf dem Mechanik-Prüfstand vermessen. Anschließend wird der komplette Motor unter realen Betriebsbedingungen am gefeuerten Thermodynamikprüfstand vermessen und bewertet. Als Hauptkriterium zur Bewertung gilt die auf dem Thermodynamikprüfstand ermittelte Verbrauchsreduzierung, die unmittelbar mit einer Reduzierung der Emissionen gleichzusetzen ist.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenErarbeitung von Konzepten zur Verbesserung der Rollenführung
o Recherche, Ermittlung und Konzeptionierung von Rollenführungssystemen
o Vergleich und Analyse der Systeme und Möglichkeiten
o Bewertung zur Realisierung in dem bestehenden Bauraum
Verbesserung des Abrollverhaltens der Wälzkörper
o Vermeidung von geometrischer Inhomogenität beim Abrollen der Wälzkörper
o Reduzierung von Spannungsspitzen in der Struktur der Wälzkörper
Optimierung der Lagerstruktur:
o Beseitigung von Geometriestellen mit Kerbwirkungsfaktor
o Optimierung der Struktur in Pleuel- und Hauptlager für den Härteprozess
Reibungsarme Axialführung der Kurbelwelle
o Ersatz der konventionellen Gleit-Axialführung der Kurbelwelle durch eine reibungsarme Wälzlager Führung
Verbesserung des in der ersten Programmphase entwickelten Lagerprüfstands
o Optimierung der Laufruhe und Messgenauigkeit
o Ersatz von verschlissenen Komponenten des Prüfstands
Entwicklung des adaptiven Lagers am Lagerprüfstand
o Fertigung der neuen Käfigvarianten
o Montagetests
o Tests und Messungen der neuen Käfigvarianten bei verschiedenen Lasten, Drehzahlen und Öltemperaturen
o Bewertung der Varianten und Auswahl des Zielkonzeptes
Integration der adaptiven Lagerung in den Komplettmotor
o Vereinfachung der Geometrie des adaptiven Pleuels und der adaptiven Hauptlager zur Vermeidung von Ausschuss in der Fertigung
o Integration der neuen adaptiven Lagerung in den Komplettmotor
o Integration der axialen Wälzlagerung der Kurbelwelle in den Motor
o Detailkonstruktion
Fertigung der erforderlichen Komponenten
Messungen und Untersuchungen am Mechanik-Prüfstand (Schlepp-Prüfstand)
Messungen und Untersuchungen am Thermodynamik-Prüfstand (Motor-Prüfstand)

Zum Projektabschluss steht die Bewertung der adaptiven Lagerung hinsichtlich des Potenzials zur Minderung der Reibleistung und Emissionen. Weiterhin wird die Haltbarkeit bewertet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ausstellung und Präsentation der Technik auf dem Internationalen Wiener Motorensymposium 2011, 2012
Ausstellung und Präsentation der Technik auf dem Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2011, 2012
Fachvorträge und Präsentationen der Technik gegenüber potenziellen Kunden


Fazit

Die Führung der Wälzkörper konnte durch das neue Käfigkonzept signifikant verbessert werden. Dies zeigte sich bereits in den Konzeptuntersuchungen am Lagerprüfstand in einer deutlich verbesserten Laufruhe und einer nochmaligen Absenkung der Reibleistung gegenüber der vorherigen Baustufe. Die verbleibenden Axialbewegungen in der Hauptlagerung des Vollmotors werden über die axiale Führung der Kurbelwelle mit einer Wälzlagerung reibungsarm abgefangen.
Das weiterentwickelte adaptive Lager konnte in den relevanten Punkten deutlich verbessert werden, weist aber insbesondere auf dem Schlepp- und Thermodynamik-Prüfstand noch nicht die erwarteten Reibungsvorteile auf.