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16.11.2016 | Tribologie | Im Fokus | Onlineartikel

Motorenöl als CO2-Maßnahme

Autor:
Martin Westerhoff

Die Viskosität von Motorenölen nimmt stetig ab, um die Reibungsverluste von Verbrennungsmotoren zu verringern. Dabei entstehen zunehmend mechanische Herausforderungen, die gelöst werden müssen.

Wenn ab 2020 95 Prozent der neuzugelassenen Pkw eines Herstellers im Durchschnitt einen CO2-Grenzwert von 95 g/km einhalten müssen, sind vor allem wirtschaftliche Effizienzmaßnahmen gefragt. Bei konventionellen Verbrennungsmotoren spielen geringere Reibkräfte eine entscheidende Rolle, um die Gesamteffizienz zu steigern. Leichtlauföle mit immer geringer Viskosität sind dabei als Konstruktionselement gefragt. Im Fachbeitrag Der neue 2,0-l-R4-TFSI-Motor von Audi in der MTZ 05-2016 schildern die Autoren Ralf Budack, Rainer Wurms, Günter Mendl und Thomas Heiduk, welchen Einfluss das Motoröl bei der Effizienzsteigerung hatte: "Der erstmalige Einsatz von Leichtlaufölen der Viskositätsklasse 0W-20 in TFSI-Motoren von Audi senkte an vielen weiteren Reibstellen im Motor die Verlustleistung. Aufgrund der geringeren Viskosität wurden einige Komponenten im Motor angepasst, wie etwa optimierte Kolbenringe oder die Ölpumpenübersetzung", beschreiben die Autoren. Als zusätzliche Maßnahme reduzierten die Entwickler die Reibung des Kettentriebs der Ausgleichwelle – und beschreiben das Resultat im Vergliech zum Vorgängermotorwie folgt: "Bezogen auf den gesamten Motor erbrachten diese Maßnahmen in Summe eine Reduktion des Reibmitteldrucks um 8 Prozent (gemessen bei 2000/min und 90 °C) gegenüber dem EA888 Gen3. Zusammen führte diese Reibverringerung zu einer CO2-Reduktion von circa 1 g/km in den Testzyklen." 

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Die Autoren Rolf Luther und Manfred Harperscheid von Fuchs Schmierstoffe verdeutlichen in ihrem Artikel Multifunktionstalent Motorenöl – Zielkonflikte bei der Reibungsminderung in der MTZ 12-2016 auch am Beispiel eines aufgeladenen 2,0-l-Dieselmotors mit 135 kW die Abhängigkeit des Kraftstoffverbrauchs von der Motorenölviskosität (HTHSV): "Um tribochemische Einflüsse möglichst auszuschalten und nur den Viskositätseffekt zu sehen, wurde in allen Versuchsölen mit der gleichen Art von Formulierungsbestandteilen gearbeitet. Im Fall der tribochemisch wirksamen Bestandteile wurde außerdem auch deren Dosierung konstant gehalten. Wie zu erkennen ist, lässt sich mit der Absenkung der HTHSV von 4,0 (10W-40) auf 2,6 (0W-20) im vorliegenden Fall ein beachtlicher Verbrauchsvorteil von 5,6 Prozent erzielen." Die Autoren stellen aber auch fest, dass sich diese Vorteile nicht im gleichen Maße fortsetzen ließen: "Allerdings ist mit weiter abnehmender Viskosität ein weniger stark ausgeprägter Effekt zu finden, was auf die Abnahme des Anteils der hydrodynamischen Schmierung im Motor zurückzuführen sein dürfte."

Friction Modifier beeinflussen Mischreibung

In weiteren Versuchen mit einem Ottomotor mit 1,8 l Hubraum „wurden neben der Viskosität auch reibwertbeeinflussende Additive variiert, die sich insbesondere im Misch- und Kontaktreibungsbereich als sehr wirksam herausgestellt haben. Die Entwicklung solcher Additivsysteme spielt eine besondere Rolle bei der Fortschreibung zu noch dünneren Motorenölen, beispielsweise der Viskositätsklassen 0W-16, 0W-12 oder gar 0W-8", schildern die Autoren von Fuchs Schmierstoffe. Diese Additive werden unter dem Begriff "Friction Modifier" zusammengefasst und beeinflussen das Reibniveau in der Mischreibung.

Dr. Bruce Royan, der das weltweite Additivgeschäft für Schmierstoffe bei Infineum verantwortet, schildert im Interview "Ingenieure und Formulierer müssen eine gemeinsame Sprache finden" in der MTZ 12-2016 zudem, welche Hürden bei noch geringer Viskosität bevorstehen.

Die technischen Herausforderungen sehe ich bei der Lager-Performance, besonders bei verstärkt genutzter Start-Stopp-Technik. Ebenfalls betroffen ist die Schnittstelle zwischen Laufbuchse und Kolbenring aufgrund des steigenden Drucks; hinzu kommt eine höhere Beanspruchung des Ventiltriebs und des Antriebsstrangs bei reduziertem Ölvolumen", erklärt Royan.

Der promovierte Chemiker betont, dass diese Herausforderungen nur mit einem systemischen Verständnis zu lösen sind: "Es gibt noch weitere Faktoren, und man muss verstehen, dass kein Aspekt der Schmiermittel-Performance für sich allein betrachtet werden kann. Das Motorendesign entwickelt sich weiter, während die Öle dünner werden. Diese niedrigviskosen Öle müssen daher auch mit höheren Motortemperaturen, höheren spezifischen Leistungen und geringeren Ölwannenvolumina zurechtkommen. All diese Faktoren können die Sauberkeit von Kolben und Ölkanälen, die Oxidationskontrolle – und damit die Lebensdauer des Öls – sowie den Motorverschleiß negativ beeinflussen." Um diese Veränderungen besser zu verstehen, arbeite sein Unternehmen deshalb mit ausgewählten OEMs und Tier-1-Lieferanten intensiv zusammen.

Castrol nutzt selbstentwickelte Additive als Alleinstellungsmerkmal

Dass die Anforderungen an moderne Motorenöle auch eine hohe Viskosität bedeuten können, zeigen Anwendungsfälle wie Hochleistungsmotoren für Supersportwagen. Castrol hat jüngst ein Motorenöl der Viskositätsklasse 10W-60 mit der Handelsbezeichnung Edge Supercar auf den Markt gebracht. Dass Castrol dabei eine gemeinsame Entwicklungsmethodik mit anderen Motorenölen einsetzt, verdeutlicht Paul Beasley, Technology Manager, Customers and Training bei BP: "Viele Additive, die einem Grundöl hinzugefügt werden, sind bekannt und stammen von renommierten Additiv-Zulieferern", führt Beasley aus. "Wir haben darüber hinaus die Möglichkeit, Additive einzusetzen, die ein Alleinstellungsmerkmal von uns sind. Beispielsweise das Titanium-FST-Additiv unserer Edge-Produkte. Es reagiert mit dem Öl. Es ändert physikalisch, wie das Motorenöl unter Druck reagiert. Dadurch macht es den Ölfilm stärker. Es ist ein Additiv, das wir selbst entwickelt haben und sowohl für Pkw- als auch Rennmotoren einsetzen." Der Technologietransfer sei dabei in beiden Richtungen gegeben. Wichtig sei, die Standards und Zertifizierungen zu erfüllen. In jeder Ölformulierung kommen etwa 10 bis 15 unterschiedliche Additive zum Einsatz, deren Verhältnis zueinander stimmen muss – und die zudem keine negativen Wechselwirkungen untereinander oder mit dem Basisöl aufweisen dürfen.

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Quelle:
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