Projekt 25518/01

Untersuchung einer innovativen Lagerung des Kurbeltriebes von Verbrennungsmotoren hinsichtlich des Potentials zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs

Projektträger

meta - Motoren- und Energietechnik GmbH
Kaiserstr. 100
52134 Herzogenrath
Telefon: 02407/9554-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand des beantragten Forschungsvorhabens ist die Untersuchung 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 Merkmale und Grenzen des Konzeptes auszuarbeiten, insbesondere seine Eignung zur signifikanten Verringerung der Reibung. 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 da, indem es 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. Simulationen haben gezeigt, dass durch den Einsatz des AB in den Kurbeltrieb eines bestehenden Verbrennungsmotors der Kraftstoffverbrauch in der Kaltstartphase um bis zu 10% und im New European Driving Cycle (NEDC) um 5% reduziert werden kann. Diese Verbrauchsvorteile sind direkt mit einer Minderung der Emissionen, einschließlich CO2-Emissionen, in gleicher Größe zu setzen. Ziel des Vorhabens ist es, den kompletten Kurbeltrieb eines Versuchträgers in der Bauweise des Adaptiven Bearing zu lagern und damit das Potenzial der Reibungsminderung zu belegen. Das Projekt beinhaltet die bedarfsgerechte Konstruktion mit begleitender Simulation, die Fertigung der Komponenten, die Erprobung auf dem Mechanikprüfstand und die Quanti-fizierung des Verbrauchs- und Emissionsvorteils unter realen Betriebsbedingungen auf dem Thermodynamik Prüfstand.
Die Hauptziele des Programms sind, an einem Otto Turbomotor, der eine reine Wälzlagerung durch zu hohe Lasten nicht zulässt, die Funktion, Haltbarkeit und das Emissionsminderungspotenzial über den Verbrauch unter realen Betriebsbedingungen zu erproben. Besondere Aufmerksamkeit erfordert dabei die Funktion und das Verhalten der Wälzlagerung im Übergangsbereich zur Gleitlagerung, die Lagerfunktion bei hoher dynamischer Last und das Verhalten der Wälzkörper bei andauernder Funktion im Gleitlagerbereich


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAuswahl des Funktionsträgers (Opel Z20 LER - 200PS) und Anschaffung von 2 Motoren.
Schaffung der Datenbasis:
o Bau der Motorsteuerung, Applikation an Motor 1 auf Motorprüfstand, Grundbedatung, und Triebwerksvermessung hinsichtlich Verbrauch, Reibung, Temperaturen und Akustik.
o Basisvermessung am Mechanikprüfstand (Motor 1): Reibung (nur Hauptlager / Vollmotor), Tem-peraturen und Akustik
o Vermessung Ölpumpe Motor 1 am Mechanikprüfstand zur Ermittlung des Leistungskennfeld
o Zerlegung und Vermessung Motor 2 zur Erstellung von CAD Modellen
Computersimulationen / Konzepte zum adaptiven Lager: Aufbau, Struktur, Dynamik, Toleranzen
Konzeptionierung, Berechnung, Konstruktion und Bau eines Lagerprüfstands zum Messen kleinster Drehmomente unter hohen Lasten an einzelnen Prototypenlagern
Validierung der Funktion des Lagerprüfstands
Entwicklung des adaptiven Lagers am Lagerprüfstand
o Wälzkörper, Käfig, Ölabscheidung, Gleitlager, Lastverhalten, Akustik, Spiele und Toleranzen, Haltbarkeit
o Untersuchung verschiedener Lagertypen: industrielles Wälzlager, Vollumschlossenes AB-Lager inkl. nur Wälz- und nur Gleitlager, geteiltes AB-Lager in Konfiguration für Motoreinbau
Entwicklung des Wälzkörpers durch Tests und Messungen an Wälzkörpern nach verschiedenen Fertigungsmethoden in Zusammenarbeit mit dem Aachener Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (IWM)
Erarbeitung von Konzepten zur Motorintegration der adaptiven Lagerung in Interaktion mit Simulationen und Versuchsergebnissen: Block, Kurbelwelle, Pleuel, Hauptlager
Detailkonstruktion und Fertigung der Komponenten
Messungen und Untersuchungen am Mechanikprüfstand: Reibung, Temperaturen, Akustik
Messungen und Untersuchungen am Motorprüfstand: Verbrauch, Reibung, Akustik und Haltbarkeit

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

Präsentation der Technik und deren Weiterentwicklung an der Universität in Györ (Audi)/Dezember 2008,2009,2010
Fachvortrag auf der VDI Tagung für Gleit- und Wälzlagerung Juni 2009
Ausstellung und Präsentation der Technik auf dem Wiener Motorensymposium 2009,2010
Ausstellung und Präsentation der Technik auf dem Aachener Motorenkolloquium 2009
Präsentation der Technik bei Automobilherstellern und Zulieferern
Gewinn eines Zulieferers für ein Industrielles Vorprojekt


Fazit

Die prinzipielle Funktion der Adaptiven Lagerung und das Potenzial zur Reibminderung wurden im Projekt nachgewiesen. Weitere Optimierungen versprechen eine deutliche Ausweitung des Reibminderungspotenzials.