Analyse der Kolbengruppenreibung und -schmierung von Ottomotoren – Die Bedeutung des Ölabstreifrings

Die Hubkolben moderner Pkw-Ottomotoren sind typischerweise mit drei Kolbenringen ausgestattet (vgl. Abb. 3). Dabei haben die Kompressionsringe (hier: Top Ring und Nasenminutenring) primär die Aufgabe, den Brennraum zum Kurbelgehäuse hin abzudichten. Neben der Abdichtfunktion kann der als Nasenminutenring ausgeführte zweite Kolbenring zusätzlich Öl von der Zylinderlaufbahn abstreifen. Der unterste Ring wird Ölabstreifring genannt und ist für die Verteilung des zugeführten Schmieröls innerhalb des Ringfelds zuständig. Da die Kolbenringe statisch vorgespannt sind und die Kompressionsringe im Betrieb zudem mit Gasdruck beaufschlagt werden, werden die Ringlaufflächen gegen die Zylinderlaufbahn gepresst. Die entstehende Flächenpressung p der Kontaktflächen, die Relativgeschwindigkeit U der Gleitpartner und die dynamische Viskosität η des Schmiermittels bestimmen letztendlich die Schmierfilmdicke zwischen den Kolbengruppenkomponenten und der Zylinderlaufbahn. Da sich die genannten Größen im Verbrennungsmotor kontinuierlich ändern, werden sämtliche Schmierungszustände durchlaufen, die der Abb. 1 entnommen werden können. Die dargestellte Stribeck-Kurve beschreibt den Reibungsverlauf als Funktion des dimensionslosen Schmierungsparameters GHN (Gümbel-Hersey number):

Die Schmierfilmdicke weist den gleichen Trend auf wie der hydrodynamische Anteil der Stribeck-Kurve, d. h. mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit wird der Schmierfilm dicker und mit zunehmender Pressung wird der Film dünner.

Bei der Flüssigkeitsschmierung sind die Gleitpartner durch einen ausreichend dicken Schmierfilm voneinander getrennt. Der zwischen den Kontaktflächen wirkende Druck wird gänzlich vom Schmierfilm aufgenommen. Im betrachteten System tritt dieser Schmierungszustand insbesondere an den Ringstegen auf, weshalb diese kaum verschleißen. Zwischen den Kolbenringlaufflächen und der Zylinderlaufbahn ist die Pressung deutlich höher, weshalb hier der Ölfilm sehr dünn ist. Abhängig von der Tangentialkraft, des Druckniveaus in den Ringnuten und der Gleitgeschwindigkeit kann hier der Übergang in die Dünnfilmschmierung oder gar Grenzschmierung erfolgen. Grenzschmierung bezeichnet einen kritischen Zustand, bei dem die Ölfilmdicke kleiner als die Oberflächenrauigkeit ist. Demnach geht der wirkende Druck nicht mehr in den Schmierfilm ein, sondern direkt in die Kontaktflächen, was zu hoher mechanischer und thermischer Belastung führt.

Abb. 2 zeigt einen typischen Reibkraftverlauf für einen Motorzyklus. Aufgrund des hohen Hydrodynamik-anteils hat die Kolbenhemdreibung ein Maximum im Punkt der höchsten Gleitgeschwindigkeit, auf halber Hubhöhe. Der Ölabstreifring hat durch den hohen Mischreibungsanteil und die maßgebliche Belastung durch die Ringvorspannung ein sehr konstantes Verhalten über das gesamte Arbeitsspiel. In den Totpunkten kommt es zusätzlich zu einem Anstieg durch die Zunahme der Grenzschmierung (vgl. Abb. 1). Der Nasenminutenring weist eine niedrige Ringvorspannung und eine geringe Beanspruchung durch den Zylinderdruck auf, weshalb dessen Reibkraft über den gesamten Motorzyklus relativ gering ist. Die maßgebliche Beanspruchung des Top Ringes geschieht durch den Zylinderdruck während Kompression und Verbrennung. Die geringe Ringvorspannung führt in den restlichen Hubbereichen zu niedrigen Reibwerten.

Für einen bestimmten Kurbelwinkel φ ist die Reibleistung P_R der Kolbengruppe definiert durch das Produkt aus Reibkraft F_R und der Relativgeschwindigkeit U zwischen den Reibpartnern:

Für die Bewertung der Effizienzsteigerung wird der Reibmitteldruck p_mr herangezogen, der die auf das Hubvolumen V_H normierte Reibarbeit W_R beschreibt:

Mit dem Parameter i wird die Anzahl der Arbeitsspiele pro Umdrehung berücksichtigt. Für den 4‑Takt Betrieb gilt somit: \(i=0,5\).

Das Schmieröl kann entlang zwei verschiedener Pfade in den Bereich zwischen Kolbengruppe und Zylinderlaufbahn eindringen. Zum einen schleudern die Wangen der Kurbelwelle und das Pleuel während der Drehbewegung Öl in Form kleiner Tröpfchen nach oben. Zusätzlich befindet sich am unteren Ende der Laufbuchse eine Kühldüse, die das Schmieröl ebenfalls nach oben in Richtung Kolben spritzt. Je nach Kolbenposition benetzt das Spritzöl entweder die Lauffläche und/oder den Innenraum des Kolbens. Letzteres dient primär der Kolbenkühlung, weniger der Schmierung. Jedoch kann ein Teil des Öls über die Ölablaufbohrungen in der Ölringnut zum Ölabstreifring strömen (vgl. Abb. 3). Das auf der Lauffläche haftende Öl gelangt in die Kolbengruppe, während sich diese in Richtung unterem Totpunkt bewegt. Dabei verbleibt ein Großteil der Ölmenge unterhalb des Ölabstreifrings. An dieser Stelle weist das Kolbenhemd eine Fase mit anschließend reduziertem Kolbendurchmesser auf, so dass sich ein Ölreservoir bilden kann. Ausgehend von diesem Reservoir kann das Öl grundsätzlich entlang drei verschiedener Pfade zum Feuersteg fließen: durch den Kontakt Kolbenring/Zylinderlaufbahn, durch die Kolbenringnuten und durch die Kolbenringstöße. Bei diesen Pfaden handelt es sich um Lücken, die das dynamisch abdichtende System aufweist.

Wie in Abb. 3 gezeigt können Brennraumgase das Ringfeld überwinden und in Richtung Kurbelgehäuse strömen (Blow-By). Durch Scherkräfte an der Öl/Gas Grenzschicht wird ein Teil des Schmieröls in Richtung der Gasströmung transportiert. Je nach Zylinderdruckniveau kann auch eine Gasströmung in entgegengesetzte Richtung auftreten (Reverse-Blow-By). Auf diese Weise kann beispielweise zu viel Öl auf den Feuersteg gelangen, was den Ölverbrauch steigen lässt. Neben diesem Öltransportmechanismus haben die auf den Schmierfilm und auf die Komponenten wirkenden Massenkräfte einen wesentlichen Einfluss auf die Ölströmung durch das Ringfeld. Gasdruck und Massenkräfte hängen stark vom gewählten Betriebspunkt, also von Drehzahl und Last ab, weshalb das Ringpaket unter verschiedenen Randbedingungen funktionieren muss.

Die Tangentialkraft des Ölabstreifrings beeinflusst hierbei maßgeblich die auf der Laufbahn zurückbleibende Ölmenge. Das an der Zylinderwand haftende Öl kann anschließend die oberen Regionen der Kolbengruppe erreichen und folglich den Öleintrag in den Brennraum fördern.

Für die Messung der Reibkraft zwischen Kolbengruppe und Zylinderlaufbahn wird ein Einzylinder-Ottomotor verwendet, der auf einem 2.0 l Serienmotor basiert. Die Eigenschaften des Einzylinder-Aggregats können Tab. 1 entnommen werden. Die Messmethode basiert auf dem Floating-Liner Prinzip, das erstmals von Furuhama et al. [6] publiziert wurde. Mit dieser Methode ist es möglich, die Reibkraft kurbelwinkelaufgelöst zu erfassen.

Basierend auf dem System aus [6] hat Werner einen Einzylinder-Motor entwickelt [7]. Der Aufbau hat sich im Rahmen mehrerer Reibungsanalysen bewährt [8‐14] und wurde auch für diese Studie eingesetzt. Gemäß Abb. 4 stellt die Floating-Liner Gruppe, bestehend aus der Zylinderlaufbuchse und dem Wassermantel, die zentrale Einheit dar. Diese Gruppe ist mit dem Grundmotor über zwei piezoelektrische Kraftaufnehmer (Typ: Kistler 9061A) verbunden. Durch Vorspannung der Kraftaufnehmer ist die Messung von Zug- und Druckkräften möglich. Die Abstützung der Kolbenseitenkräfte erfolgt mittels Radiallager, die sich zusammen mit den Sensorschrauben im Kraftnebenschluss der Kraftsensoren befinden. Dieser Kraftanteil verhält sich linear zur gemessenen Kraft, wodurch er statistisch ermittelt und in Form eines Kraftnebenschlussanteils F_KNS berücksichtigt werden kann. Eine Besonderheit stellt die Abdichtung des Brennraums dar, die eine vertikale Bewegung der Floating-Liner Gruppe zulässt. Durch Anpassung der Zylinderkopfgeometrie kann die Abdichtung gemäß Abb. 4 mit einem hochtemperaturbeständigen Dichtring erfolgen. Dabei ist der Spalt zwischen Wassermantel und Zylinderkopf sehr eng gewählt, um den Ring vor den Verbrennungsgasen zu schützen. Mit diesem Konzept kann auf eine aufwändige Gasdruckkompensation sowie auf geometrische Anpassungen der Kolbenkrone nach [6, 15, 16] verzichtet werden.

Die Messtechnik zur Visualisierung der Ölschicht zwischen Kolbengruppe und Zylinderlauffläche basiert auf der Methode der laserinduzierten Fluoreszenz (LIF). Dabei wird das Motoröl mit einem speziellen Farbstoff markiert, der nach Anregung durch monochromatisches Laserlicht fluoresziert. Der optische Zugang wird hierbei durch ein in das Zylindergehäuse eingesetztes Saphirfenster erreicht, wie in Abb. 5 oben rechts gezeigt. Dadurch kann die Ölschicht auf der Druckseite über den gesamten Motorzyklus detektiert werden. Das optisch zugängliche Zylindergehäuse und die Messtechnik wurden auf Basis der Arbeiten von Thirouard et al. [17, 18] und Wigger et al. [19, 20] entwickelt. Konstruktive Merkmale und Details zur Messtechnik können [21‐23] entnommen werden.

Gemäß Abb. 5 dient als Anregungsquelle ein doppelt gepulster Nd:YAG-Laser, der ein monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm aussendet. Lichtschnitt- und Kollimatoroptik enthalten ein Linsensystem, welches den punktförmigen Laserstrahl auf die gewünschte Fläche von 100 × 10 mm aufweitet. Ein speziell beschichteter, dichroitischer Spiegel reflektiert das Laserlicht hin zur Messstelle. Die Farbstoffmoleküle des mit Rhodamin 640 und Pyrromethen 567 versetzten Schmieröls absorbieren die einfallenden Lichtphotonen, was zu einer Anregung der Moleküle in einen höheren energetischen Zustand führt. Bei der Fluoreszenz emittieren die Moleküle während der Rückkehr in den Grundzustand ein Photon, das verglichen mit dem einfallenden Laserlicht rotverschoben ist (Stokes-shift). Die rotverschobenen Fluoreszenzphotonen passieren den dichroitischen Spiegel und werden von der CCD-Kamera detektiert. Dabei ist die Photonenzahl proportional zur Schmierölschichtdicke. Mit dem Bandpassfilter wird verhindert, dass Anregungslicht und Streulicht zum Detektor gelangen.

In Abb. 6 ist eine Einzelaufnahme auf der Druckseite im geschleppten Motorbetrieb bei 60 °KW nach ZOT dargestellt. Um einen quasi-stationären Zustand zu erreichen, wurde der Betriebspunkt für fünf Minuten gehalten. Am rechten Bildrand befindet sich die zugehörige Farbskala. Diese ist so gewählt, dass geringe Ölschichtdicken in einem dunklen Blau erscheinen und Bereiche mit dicker Ölschicht in Rot. Eine Unterscheidung der einzelnen Kolbengruppenkomponenten und -bereiche ist anhand des LIF-Signals möglich. Beginnend von oben stellt der erste helle Bereich der Aufnahme den Feuersteg dar. Hier ist zu erwähnen, dass das Ölangebot auf dem Feuersteg sehr stark von dem Betriebsmodus und dem Betriebspunkt abhängt, was im Ergebnisteil deutlich wird. Zwischen Top Ring und Zylinderlaufbahn ist die Ölschicht sehr dünn, was der dunkelblaue Streifen im LIF-Signal verdeutlicht. Lediglich am Übergang von Ring zu Feuersteg ist eine starke Intensitätssteigerung zu sehen, was darauf zurückgeführt werden kann, dass durch Relativbewegung Schmieröl aus der Kolbenringnut gequetscht wird. Der 1. Ringsteg ist anhand des helleren Bereiches zwischen den beiden Kompressionsringen zu erkennen. In diesem Fall zeigt sich ein leicht verästeltes Muster, was auf eindringende Brennraumgase zurückgeführt werden kann. Unterhalb des Nasenminutenrings steigt das Ölangebot signifikant an. Hier zeigt sich die Funktion des Nasenminutenrings, der bei der Abwärtsbewegung das Öl von der Zylinderlauffläche abstreift. Damit sich das Öl auf dem 2. Ringsteg sammeln kann, ist der Kolbendurchmesser in diesem Bereich reduziert. Der Ölabstreifring ist deutlich anhand der Ablaufbohrungen im Ringkörper zu erkennen. Das vom unteren Laufsteg abgestreifte Öl sammelt sich an der unteren Ringflanke im Bereich der hierfür vorgesehenen Übergangsfase zum Kolbenhemd. Da das Kolbenhemd den größten Kolbendurchmesser besitzt und zudem grafitbeschichtet ist, ist die erfasste Fluoreszenzintensität sehr gering.

Eine absolute Messung der Ölschichtdicke kann mit Hilfe einer geeigneten Kalibrierung erfolgen. Die angewendete Kalibriermethodik berücksichtigt sowohl den Einfluss der Öltemperatur auf die Fluoreszenzintensität als auch die unterschiedlichen Reflektivitäten der verschiedenen Werkstoffe der Kolbengruppe. Details hierzu können [21, 22] entnommen werden.

In Abb. 7 ist eine ausgewählte Floating-Liner Messung dargestellt, aufgezeichnet bei 2000 min⁻¹ und 6 bar indiziertem Mitteldruck p_mi. Das untere Diagramm zeigt den Reibkraftverlauf, das mittlere die Reibkraftdifferenz und das obere den zugehörigen Zylinderdruckverlauf.

Anhand der Reibkraftverläufe ist deutlich zu erkennen, dass die reduzierte Vorspannung des Ölabstreifrings signifikante Vorteile nahezu im gesamten Motorzyklus zeigt. Da der Ölabstreifring, anders als die Kompressionsringe, kaum vom Brennraumdruck beeinflusst wird und die maßgebliche Belastung durch die Ringvorspannung erfolgt, ist dessen Reibverhalten sehr konstant über das gesamte Arbeitsspiel. Dies erklärt, weshalb die Reduktion der Tangentialkraft sowohl im Mischreibungsbereich in den Totpunkten als auch im hydrodynamischen Bereich bei hoher Kolbengeschwindigkeit wirkt. Lediglich während der Expansionsphase ist der Unterschied marginal was auf die sehr heißen Blow-By Gase zurückgeführt werden kann. Bedingt durch den hohen Brennraumdruck findet eine starke Gasströmung nach unten statt, was zu einem Temperatureintrag in den Ölfilm auf der Kolbengruppe führt. Durch die damit verbundene Viskositätsänderung nimmt die Schmierfilmdicke zwischen Ringlauffläche und Zylinderwand ab. Trotz der reduzierten Ringvorspannung tritt Dünnfilmschmierung bzw. Mischreibung ein (vgl. Abb. 1). Entscheidend für die Kraftstoffersparnis ist der Reibmitteldruck p_mr. Dieser kann durch die beschriebene Maßnahme am Ölabstreifring um 23,8 % gesenkt werden. Mit der Annahme, dass in diesem Betriebspunkt ca. 4 bis 8 % der eingebrachten Kraftstoffenergie in der Kolbengruppenreibung verloren gehen, bedeutet dies eine CO₂-Reduktion größer 1 %. Insbesondere mit Blick auf die geringen Kosten der Maßnahme, stellt dies eine sehr günstige Option der Effizienzsteigerung dar.

Um den Einfluss der zuvor beschriebenen heißen Brennraumgase zu vermeiden wurden weitere Tests bei drucklosem, geschlepptem Motorbetrieb durchgeführt. Des Weiteren wurde untersucht, ob sich das Potenzial mit der Öltemperatur und somit mit der Ölviskosität ändert. In Abb. 8 sind die Ergebnisse für drei verschiedene Ringspannungen (9 N, 14 N, 20 N), zwei Öltemperaturen (35 °C, 120 °C) und zwei Drehzahlstufen (1000 min⁻¹, 2000 min⁻¹) zusammengefasst. Unabhängig von Drehzahl und Öltemperatur sinkt der Reibmitteldruck mit abnehmender Ringvorspannung. Eine Drehzahlsteigerung von 1000 1000 auf 2000 min⁻¹ führt zu einer Zunahme der Reibungsverluste, womit die Theorie gemäß Stribeck (vgl. Abb. 1) bestätigt wird. Auffällig ist, dass das Potenzial der Tangentialkraftreduktion mit zunehmender Öltemperatur sinkt. Bei einer Drehzahl von 2000 min⁻¹ und einer Öltemperatur von 35 °C führt die Reduktion von 20 auf 9 N zu einem Reibleistungsrückgang von 15,8 %. Dieses Potenzial schrumpft bei einer Öltemperatur von 120 °C auf 7,8 %. Damit werden die Beobachtungen im gefeuerten Motorbetrieb bestätigt, dass bei sinkender Ölviskosität trotz reduzierter Tangentialkraft Dünnfilmschmierung auftritt und somit der Reibungsvorteil abnimmt.

In einem zweiten Messblock wurde der Einfluss der Tangentialkraftreduktion auf die Ölverteilung innerhalb der Kolbengruppe untersucht. Um einen Laufzeiteinfluss zu vermeiden, kamen neue Ölabstreifringe gleicher Spezifikation zum Einsatz. Aufgrund von Fertigungstoleranzen unterscheidet sich der Ring mit niedriger Vorspannung geringfügig von dem Ring, der bei den Reibungsmessungen eingesetzt wurde.

Im ersten Schritt findet eine Visualisierung des Schmierfilms zwischen Kolbengruppe und Zylinderlaufbahn unter geschleppten Bedingungen statt. Im oberen Teil von Abb. 9 sind die zugehörigen LIF (Laser-induzierte Fluoreszenz) -Aufnahmen zu sehen. Unterhalb sind die abgeleiteten Schmierfilmdicken für die einzelnen Kolbenbereiche dargestellt. Zu beachten ist, dass die Skalierung der beiden Balkendiagramme unterschiedlich gewählt ist, da die Ölschicht auf den Ringlaufflächen deutlich geringer ist als zwischen den Ringen (auf den Ringstegen).

Die Aufzeichnungen aus Abb. 9 wurden 45°KW nach Ladungswechsel-OT bei 900 min⁻¹ und einem minimalen, absoluten Saugrohrdruck p_Saug von 500 mbar aufgezeichnet. Dies entspricht einer nahezu geschlossenen Drosselklappe. Der Zeitpunkt der Aufzeichnung zu Beginn der Ansaugphase wurde aus zwei Gründen so gewählt: Erstens ist das gesamte Ringfeld einsehbar und zweitens hat sich gezeigt, dass zu diesem Zeitpunkt ein vermehrtes Abschleudern von Öltröpfchen eintritt. Ein Vergleich der LIF-Bilder zeigt, dass durch Reduktion der Tangentialkraft deutlich mehr Schmieröl in die Bereiche oberhalb des Ölabstreifrings gelangt. Gerade in der Ansaugphase entsteht bei geschlossener Drosselklappe ein Unterdruck im Brennraum, der Gasströmungen aus dem Kurbelgehäuse in Richtung Brennraum (Reverse-Blow-By) verursacht. Die Gase transportieren einen Teil des Schmieröls mit nach oben. Dabei findet die Strömung durch die Ringstöße, die Kolbenringnuten und den Kontakt Kolbenring/Zylinderlaufbahn statt. Durch die geringere Vorspannung des Ölabstreifrings kann mehr Öl den Ring/ Liner-Kontakt passieren, zudem streift der Ring weniger Öl ab und lässt somit einen größeren Anteil auf der Zylinderwand zurück. Diese Ölmenge gelangt folglich auf den 2. Ringsteg und wird weiter in Richtung 1. Ringsteg und Feuersteg transportiert. Die abgeleiteten Ölschichtdicken bestätigen den visuellen Eindruck, dass bei niedriger Tangentialkraft sowohl ein dickerer Film auf den Ringlaufflächen als auch zwischen den Ringen vorhanden ist. Jedoch dringt unter den hier gewählten Betriebsbedingungen keine größere Ölmenge zum Feuersteg vor, weshalb von keiner signifikanten Änderung des Ölverbrauchs ausgegangen werden kann.

Ein verstärkter gasgetriebener Öltransport in Richtung Brennraum wird bei höherer Drehzahl erwartet, da hier die Reverse-Blow-By Menge steigt. Die LIF-Aufnahmen aus Abb. 10 wurden bei 2700 min⁻¹ und 500 mbar p_Saug getätigt und zeigen eine starke Zunahme der Ölmenge in den oberen Bereichen der Kolbengruppe. Im rechten Bild (niedrige Tangentialkraft) weist der Feuersteg eine sehr hohe Signalintensität auf. Durch die gestiegenen Massenkräfte bei hoher Drehzahl löst sich das Schmieröl in Form von Tröpfchen von der Kolbenoberfläche und dringt in den Brennraum ein. Jedoch zeigen auch die Ergebnisse mit stärker vorgespanntem Ölabstreifring eine deutliche Zunahme der Ölmenge auf dem Feuersteg. Demnach wären weitere Anpassungen an der Kolbengruppe notwendig, um unter diesen Betriebsbedingungen einen Öleintrag in den Brennraum zu vermeiden.

Relevant wird dieser geschleppte Betriebszustand bei Einsatz der Motorbremse während Bergabfahrten und bei Deaktivierung einzelner Zylinder, bekannt unter dem Begriff „Zylinderabschaltung“. Aus den oben gezeigten Gründen sammelt sich während dieser Schleppzustände Motoröl im Brennraum an. Gelangen diese unverbrannten Ölpartikel in den Abgastrakt, so kommt es zu unerwünschten Ablagerungen an den Abgasnachbehandlungskomponenten. Verbleiben die Partikel im Brennraum, so können bei anschließender Aktivierung der Zündung Vorentflammungseffekte und insbesondere erhöhte Partikelemissionen entstehen. Letzteres wurde in der Studie von Gunkel et al. [3] nachgewiesen. Die aus dem Öl resultierenden Partikel wiegen mit Blick auf den zukünftigen Einsatz von eFuels noch schwerer, da diese Kraftstoffe nahezu partikelfrei verbrennen, wie in [24, 25] nachgewiesen. Das heißt jedoch nicht, dass die hier gezeigte reibungsreduzierende Maßnahme zwingend zu erhöhtem Ölverbrauch führen muss. Durch Anpassungen der Regelstrategie von Drosselklappe und Kolbenkühldüse könnte der zunehmenden Ölströmung in Richtung Brennraum entgegengewirkt werden. Des Weiteren sind bereits Konzepte zur Abkopplung einzelner Zylinder vorhanden [26]. Dies würde ein Mitschleppen der deaktivierten Zylinder verhindern.

Abschließend wurde die Maßnahme unter gefeuerten Betriebsbedingungen analysiert. Abb. 11 zeigt die Ergebnisse für die hohe Drehzahlstufe von 2700 min⁻¹ und 6 bar indiziertem Mitteldruck. Zunächst wird deutlich, dass die Ölmenge in der gesamten Kolbengruppe geringer ist als im Schleppbetrieb. Ursächlich hierfür sind mehrere Effekte. Erstens steigt die Blow-By Menge aufgrund des höheren Zylinderdrucks. Folglich findet ein verstärkter gasgetriebener Öltransport in Richtung Kurbelgehäuse statt. Zweitens erfolgt durch die Verbrennung ein Temperatureintrag in den Ölfilm. Durch die damit verbundene Reduktion der Ölviskosität kann gemäß Stribeck vermehrt Dünnfilmschmierung eintreten. Drittens resultiert der gestiegene Brennraumdruck in einem erhöhten Anpressdruck der Kompressionsringe, was zu zunehmendem Mischreibungsanteil führt. Letzteres wird anhand der rechten Balkendiagramme deutlich. Im gefeuerten Betrieb (Abb. 11) sind die Schichtdicken an den Kompressionsringen um 4 bis 5 µm geringer als im Schleppbetrieb (Abb. 10). Die Aufnahme wurde im Ansaugtakt 45°KW nach Ladungswechsel-OT getätigt. Es wird angenommen, dass im Bereich des Zünd-OTs die Schmierfilmdicke am Top Ring auf wenige Mikrometer abnimmt, verbunden mit zunehmendem Festkörperkontakt zwischen Ring und Zylinderlaufbahn. Obwohl der Ölabstreifring vom Brennraudruck nicht beeinflusst wird, sind die Schichtdicken bei gefeuertem Motor etwas geringer. Dies kann, wie bereits beschrieben, auf die niedrigere Ölviskosität zurückgeführt werden.

Die Tangentialkraft selbst wirkt sich lediglich auf die Schmierfilmstärke an den Laufflächen des Ölabstreifrings aus. Bei niedriger Ringvorspannung ist der Film um ca. 2 µm dicker als bei höherer Vorspannung. Es kann angenommen werden, dass dadurch auch etwas mehr Öl auf der Zylinderlaufbahn zurückbleibt und somit ein größerer Anteil verdampft. Da die Schichtdickendifferenzen, anders als im Schleppbetrieb, sehr gering sind, empfiehlt sich für die Zukunft der zusätzliche Einsatz einer Ölemissionsmessung mittels Time of Flight Massenspektrometer, um die genaue Auswirkung auf den Ölverbrauch zu erfassen.

Mit Blick auf Reibung und Ölverbrauch wird deutlich, dass durch Reduktion der Tangentialkraft des Ölabstreifrings ein signifikanter Reibungsvorteil erzielt werden kann. Unter gefeuerten Betriebsbedingungen führt die Maßnahme lediglich zu sehr geringem Anstieg der Ölschichtdicke, insbesondere in den oberen Bereichen der Kolbengruppe. Ein Abschleudern von Öltröpfchen tritt nicht ein, weshalb das Risiko hinsichtlich Vorentflammung, Vergiftung von Abgasnachbehandlungskomponenten und Partikelentstehung gering ist. Anders verhält es sich bei geschlepptem Motorbetrieb, der beispielsweise bei Bergabfahrt und Einsatz der Motorbremse auftritt oder während der Deaktivierung einzelner Zylinder. In diesem Fall wirkt sich eine Reduktion der Tangentialkraft negativ auf den Öleintrag in den Brennraum aus. Optimierte Regelstrategien für Drosselklappe und Kolbenkühldüse könnten unter diesen Bedingungen Abhilfe schaffen.