Mercedes-Benz SLK 350, rot, offen, Fahrtaufnahme
Reibungsverluste im Verbrennungsmotor schmälern die Effizienz und wirken sich nachteilig auf den Verbrauch aus. Vor dem Hintergrund verschärfter CO2-Grenzwerte optimieren die Motorentwickler jedes Bauteil hinsichtlich seiner Reibung.
Unter dem Druck immer strengerer CO2-Vorgaben, forschen die Motorenentwickler nach jeder noch so kleinen Möglichkeit, den Kraftstoffverbrauch zu senken. Ein wichtiger Stellhebel beim Verbrennungsmotor ist dabei die Minimierung der Reibung. Wie groß dieser Einfluss selbst bei modernen Motoren wie dem V6-Motor im aktuellen SLK 350 ist, haben die Ingenieure von Daimler in einem Diagramm dargestellt und in ihrem Beitrag "Reibungsminimierung bei Verbrennungsmotoren" detailliert die Energieflüsse des Sportwagens untersucht.
Sie fanden heraus, dass ausgehend von 100 Prozent Kraftstoffenergie im NEFZ nur circa 27 Prozent der Energie vom Verbrennungsmotor als Nutzleistung über die Kurbelwelle abgegeben werden. Der reine Anteil der Abwärme durch die Motorreibung beträgt 9 Prozent. Geht man von einer konstanten Nutzleistung aus, so fallen bei dem dargestellten Betriebspunkt 48 Prozent der Verbrennungsabwärme zur Aufbringung der Nutzleistung an, 16 Prozent der Verbrennungsabwärme gehen als Reibung verloren.
Laut Daimler sinkt bei einer Reduktion der Motorreibung um 1 Prozent bei konstanter Nutzleistung der Anteil der Verbrennungsabwärme um 1,8 Prozent, und die Gesamtverluste reduzieren sich in Summe um 2,8 Prozent. Das heißt, durch die Motorreibung können bis zu 25 Prozent der Verluste insbesondere in Teillastbereichen beeinflusst werden.
Ursachen von Reibungsverlusten im Motor
Die Reibungsverluste verteilen sich dabei über die wesentlichen Motorbaugruppen. Die Werte hat Daimler mittels Schleppmessungen ermittelt und sie beziehen sich auf einen Betriebszustand bei 2000/min und 90 °C Öl- sowie Wassertemperatur. "Mit 48 Prozent Reibungsanteil der Kolbengruppe und 13 Prozent der Kurbelwelle dominiert dabei klar der Anteil des Triebwerks", weisen die Autoren aus. Allerdings ändert sich diese Aufteilung abhängig vom Betriebszustand. So steigt beispielsweise der Anteil des Ventil- und Steuertriebs bei niedrigen Drehzahlen und höheren Öltemperaturen deutlich.
Die Maßnahmen zur Reibungsminimierung sind demnach vielfältig. Im Wesentlichen wird die Triebwerksreibung durch Kolbenringe, Kolben, Zylinderlaufbahn sowie Haupt-, Pleuel- und Ausgleichswellenlager verursacht. Eine erhebliche Rolle spielen dabei die Oberflächen der Reibpartner insbesondere bei Bauteilen mit Mischreibungskontakten. Laut den Motorenentwicklern von Daimler hat beispielsweise die Honung der Zylinderlaufbahn einen großen Einfluss auf die Kolbenringreibung.
Mit verschiedenen Maßnahmen wurde nun jedes Bauteil auf eine geringere Reibung hin optimiert. Zum Einsatz kam dabei unter anderem auch die Nanoslide-Technik für Zylinderlaufbahnen. Messungen zufolge beträgt der Reibungsvorteil im Vergleich zu einer bereits optimierten Grauguss-Feinhonung bei einem V6-Motor bis zu 50 Prozent und stellt damit ein CO2-Potenzial von circa 3 Prozent (Fahrzeugverbrauchsmessung) bei einem gleichzeitigen Gewichtsvorteil bis zu 4,3 kg dar.
Verbesserter Ölkreislauf
Wie ernst die Daimler-Ingenieure die Suche nach Reibungstätern nahmen, zeigen einige der umgesetzten Maßnahmen. So wurde etwa die Kurbelwellenriemenscheibe entkoppelt und die ersten Gleitlager durch Wälzlager substituiert, mit der die Reibung um weitere 5 Prozent reduziert werden konnte. Auch nutzen sie die Potenziale beim Ölkreislauf durch das Reduzieren des Öldurchsatzes, durch das Verwenden reiboptimierter Motoröle und durch das schnellere Erwärmen des Motoröls.
Darüber hinaus bot sowohl beim Öl- als auch beim Wasserkreislauf die bedarfsgerechte Regelbarkeit der Systeme große Vorteile. Für den Ölkreislauf bedeutet dies eine motorlast-, drehzahl- und temperaturabhängige Versorgung von Schmier- und Kühlstellen und damit eine deutlich niedrigere Antriebsleistung im Vergleich zu einer ungeregelten Ölpumpe. Beim Wasserkreislauf hingegen ist eine intelligente Wasserführung das Ziel. Sie ermöglicht es, nur die notwendigen Bauteile zu kühlen beziehungsweise die Komponenten schneller auf Betriebstemperatur zu bringen.