© [M] Fuchs; PhotoTalk | iStock

AUTOREN

Rolf Lutherist Leiter Vorausentwicklung bei der Fuchs Schmierstoffe GmbH

in Mannheim.

Dr. Manfred Harperscheidist Leiter Entwicklung Motorenöle

bei der Fuchs Schmierstoffe GmbH in Mannheim.

Multifunktionstalent Motorenöl Zielkonflikte bei der ReibungsminderungMotorenöl als Parameter der Motorenentwicklung bietet weitere

Potenziale zur Verringerung innermotorischer Reibung durch

Abstimmung von Schmierstoff, Werkstoffen, Bauteilgeometrien

und Belastungen. Fuchs Schmierstoffe beschreibt, wie die Effizienz

von Motorenölen als integralem Bestandteil der Konstruktion

gesteigert werden kann.

Reibungsminimierung

TITELTHEMA REiBUNGSMiNiMiERUNG

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MOTORENÖLE UND KRAFTSTOFFVERBRAUCH

Das Thema der Reibungsminderung im Kraftfahrzeug durch Schmierstoffe beschränkt sich nicht auf Motorenöle, auch wenn der Motor sicherlich die populärste geschmierte Komponente im Automobil ist. Auch Getriebeöle, Achsöle, Radlagerfette etc. können zur Reibungsminderung beitragen. Dieser Beitrag beschränkt sich auf das Moto-renöl, zumal dieses selbst ein multifunk-tionelles Konstruktionselement ist.

Ganz allgemein ermöglichen neu ent-wickelte Schmierstoffe zum einen neuar-tige, energieeffizientere Konstruktionen und Funktionseinheiten. Zum anderen liegt das Optimierungspotenzial von Schmierstoffen zur Steigerung der Energieeffizienz in der Senkung der Rei-bungsverluste in tribologischen Sys-temen durch wechselseitige Optimierung der Reibpartner. Aus Schmierstoffsicht sind als Stellgrößen hierbei die Visko-sität, der Einsatz unkonventioneller Grundöle und die reibungsreduzierende Additivierung zu nennen. Im Folgenden soll dieses allgemeine Thema am Bei-spiel Motorenschmierung betrachtet wer-den. Welche Funktionen haben Motoren-öle? Sie reduzieren Reibung und Kraft-stoffverbrauch, verhindern Verschleiß, führen Wärme ab und schützen vor Korrosion. Darüber hinaus halten sie den Motor sauber, übertragen Kräfte, reduzieren Geräusche und beeinflussen Motoremissionen. Diese Aufstellung zeigt, dass Motorenöle multitalentiert sein müssen – viele innermotorische Aufgaben sind gleichzeitig zu erfüllen, Zielkonflikte sind zu lösen.

Motorenöle stellen die mit Abstand größte Absatzmenge aller Schmierstoff-arten. Im Jahr 2015 betrug ihr Anteil in Deutschland 283.674 t von insgesamt etwa 1.064.884 t Schmierstoffe. Der Absatz von Motorenölen hat sich in den letzten 15 Jahren um etwa 20 % redu-ziert, während der Kraftfahrzeugbestand um rund 30 % zunahm. Hierin spiegelt sich bereits ein wesentlicher Trend für die Motorenölentwicklung: die Leistungs-verdichtung durch verringerte Ölvolu-mina bei gleichzeitig verlängerten Wech-selintervallen. Zwei Themen haben die Entwicklung von Motorenölen in den letzten Jahren geprägt. Dies sind einer-seits die Verringerung des Kraftstoff-verbrauchs und andererseits der mög-

lichst geringe Einfluss auf Motorenemis-sionen, insbesondere in Hinsicht auf die Lebensdauer der Abgas-Nachbehand-lungssysteme. An dieser Stelle soll auf den letzten Gesichtspunkt nur insofern eingegangen werden, als damit Zielkon-flikte für energieeffizientere Motorenöle verbunden sind, zum Beispiel die Folgen einer Viskositätsabsenkung auf die Ver-dampfungsverluste eines Motorenöls.

Die kontinuierlichen Ölverluste wäh-rend des Fahrzeugbetriebs sind nicht nur eine Frage von Ölnachfüllmengen und Ölkosten, sondern auch von Bedeutung für die Motoremissionen. Dabei ist zu unterscheiden zwischen Emissionsbei-trägen aus Grundölen, also im wesentli-chen Kohlenwasserstoffe, und aus Addi-tiven. Grundöle tragen zu einem gewis-sen Anteil zu den CH-Rohemissionen bei, der durchaus mehr als 10 % beträgt [1]. Die Abhängigkeit der Partikelemissionen vom Verdampfungsverhalten von Grund-ölen ist seit langem bekannt. Senkt man nun aber für energieeffizientere Moto-renöle die (Grundöl-)Viskositäten, erhöht sich bei gleicher Grundölchemie der Verdampfungsverlust – dieser Zielkon-flikt kann beispielsweise durch größere Anteile verdampfungsarmer Synthese-ester gelöst werden, BILD 1.

STELLSCHRAUBEN ZUR MINIMIERUNG VON REIBUNGSVERLUSTEN

Ein Blick auf Reibungsverluste bei Otto-motoren kann exemplarisch Hinweise auf Optimierungspotenziale geben, wobei die Zahlen je nach Motorkonstruktion auch stärker abweichen können: So sind

die Kolbengruppe für 25 bis 30 %, die Pleuellager für 15 bis 20 % und die Kurbelwellenlager für 12 bis 18 % der Reibungsverluste verantwortlich. Auf die Zylinderköpfe entfallen 5 bis 10 % und der Beitrag von Pumpverlusten sowie Hilfsaggregaten liegt bei 5 bis 10 % bezie-hungsweise 15 bis 35 % der Reibungsver-luste. Insgesamt betragen die mechani-schen Reibungsverluste etwa 15 bis 20 % der Motorleistung. Hinter den genannten Tribokontakten stehen unterschiedliche Materialpaarungen, Flächenpressungen und Kontaktgeometrien. Dabei ist für jeden Tribokontakt eine Stribeck-Kurve anzusetzen, die den Reibwert als Funk-tion des Produkts aus Viskosität η und Geschwindigkeit ν geteilt durch die Belastung p darstellt, BILD 2. Im Misch- und Grenzreibungsgebiet führt zuneh-mende Festkörperreibung zu einem stei-len Anstieg der Reibungsverluste, bei grö-ßeren Werten von (ην/p) dominieren die hydrodynamischen Flüssigkeitsverluste.

Die Stribeck-Kurve kann nun in Richtung energieeffizienterer Schmier-stoffe dahingehend interpretiert werden, dass im Bereich – der hydrodynamischen Reibung eine geringere Verlustleistung in hydro-dynamischer Schmierung durch die Reduktion der Viskosität erreicht werden kann

– der elastohydrodynamischen Reibung eine Verringerung durch Einsatz von Grundölen mit geringer Scher viskosität in Kombination mit Friction Modifier möglich ist

– der Grenzreibung/Mischreibung eine Reduktion durch den Einsatz von Reibwert senkenden Additiven mit

BILD 1 Verdampfungsverluste verschiedener Grundöltypen (äquiviskos) [2] (© Fuchs)

Reibungsminimierung

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Verschleißschutzfunktionen (Anti Wear) sowie den Einsatz von tribo-aktiven Verschleißschutzschichten erreicht werden kann.

EFFIZIENZSTEIGERUNG DURCH VISKOSITÄTSABSENKUNG

Dies ist der Klassiker unter den effizienz-steigernden Maßnahmen für Schmier-stoffe. Viskosität als „innere Reibung“ interpretiert macht anschaulich, warum hier ein wichtiges Potenzial zu vermuten ist. Eine Viskositätsabsenkung führt in hydrodynamischer Schmierung direkt zu geringerer Verlustleistung, kann aber bei höheren Lasten oder geringe-ren Geschwindigkeiten zu vermehrter

Mischreibung und gegebenenfalls zu verstärktem Verschleiß führen. Durch Einsatz bestimmter Additive lässt sich aber – in gewissen Grenzen – der Über-gang zur Mischreibung verschieben und damit der Zielkonflikt entschärfen, wodurch geringere Verlustleistung bei geringem Verschleiß möglich wird.

Zur Beschreibung der Rheologie eines Motorenöls reicht die SAE-Klasse nicht aus: Die Viskosität ist eine Funktion von Temperatur, Schergefälle und Druck. Die Temperaturabhängigkeit wird durch den Viskositätsindex VI beschrieben. Je höher dieser Wert ist, desto geringer fällt die Viskosität bei steigender Temperatur. Esteröle und Polyglykole weisen zumeist deutlich höhere VI-Werte auf als Kohlen-

wasserstoffe. Letztere werden mit spe-ziellen Polymeren auf höhere VI-Werte gebracht. Die Scherabhängigkeit der Viskosität wird für Motorenöle durch die High-Temperature-High-Shear-Viskosität (HTHSV) dargestellt. Diese HTHSV stellt die wesentliche viskosimetrische Größe zur Verbesserung des Kraftstoffver-brauchs dar und wird gemäß ASTM-Nor-men bei 150 °C und einem Schergefälle von 106 s-1 gemessen.

Zur dynamischen Viskosität η0 als Funktion von Temperatur T und Scher-gefälle τ kommt noch die Abhängigkeit vom Druck p gemäß η(p)=η0 exp(αp), wobei α der fluidspezifische Viskositäts-Druck-Koeffizient ist. Flüssigkeiten wei-sen eine teilweise starke Abhängigkeit der Viskosität vom Druck auf [3]. Alle diese Größen fließen schließlich in die Bestimmung der minimalen Schmier-filmhöhe ein: hmin~ηj αk. Unter elastohy-drodynamischen Bedingungen ist nach Dowson und Higginson h0~α0,6 [4]. BILD 3 zeigt beispielhaft das Viskositäts-/Druckverhalten eines typischen Moto-renöls der Viskositätsklasse 5W-30.

Für die Beurteilung der hydrodynami-schen Tragfähigkeit müssen also HTHSV und α(T) heran gezogen werden. Noch aussagefähiger wäre ein dynamischer Druck-Viskositäts-Koeffizient, der besser die Reaktion einer Flüssigkeit auf eine spontane Druckerhöhung beschreibt, wie sie beispielsweise im Nocken-Stößel-Kontakt auftritt. Nun hat eine Viskosi-tätsabsenkung in einem gegebenen Triboregime ihre Grenze in aufkommen-der Mischreibung und im Verschleiß. Bei einer Absenkung der Viskosität muss eine werkstoffbasierte Strategie zur Kom-pensation des durch die Verringerung der Schmierspalthöhe ansteigenden Verschleißes infolge größerer Mischrei-bungsanteile bereitgestellt werden. An dieser Stelle muss die Perspektive auf das  Gesamtsystem wechseln, verstanden als Zusammenspiel der Konstruktions-elemente Körper – Schmierstoff – Gegen-körper, um die Viskositätsgrenzen noch weiter hinausschieben zu können.

Als probates Mittel, verschleißgefähr-dete Tribokontakte eines mechanischen Systems zu schützen, haben sich harte Schichten mit hoher Verschleißresistenz etabliert. Besonders interessant werden derartige Schichten, wenn Schicht und Schmierstoff synergistisch wirken und sich eine überproportionale Reibungsre-duktion im Mischreibungsgebiet zeigt. BILD 3 Viskositätsverhalten eines typischen 5W-30-Motorenöls unter erhöhtem Druck (© Fuchs)

BILD 2 Stribeck-Kurven zur Darstellung der Verlustleistung in Abhängigkeit der Last (© Fuchs)

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Für verschiedene Beschichtungen wur-den hierzu schon Lösungen gefunden. Am Beispiel der Kohlenstoffschichten soll dies verdeutlicht werden. Zuerst in Japan wurde auf einen Synergismus, genannt Super Lubricity, zwischen wasserstofffreien ta-C-Schichten und einem organischen Friction Modifier hin-gewiesen [5]. Die beobachtete überpro-portionale Reibungsreduktion hat natür-lich viele Aktivitäten hervorgerufen. An dieser Stelle sei auf die beiden Pegasus-Projekte hingewiesen, die vom BMWi gefördert wurden. Im Ergebnis lassen sich dadurch trotz des bereits erreichten Niveaus moderner Leichtlauf-Motorenöle weitere Kraftstoffeinsparungen errei-chen, wie in BILD 4 und BILD 5 exempla-

risch gezeigt wird. Da die erreichbare Reibkraftreduzierung je nach Motortyp durchaus variieren kann, wurden unter-schiedliche Fahrzeuge mit Otto- und Dieselmotoren für Messungen heran-gezogen. Zur Messung des Kraftstoff-verbrauchs diente der heute gebräuch-liche Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ) nach Richtlinie 70/220/EWG.

BILD 4 illustriert am Beispiel eines modernen, aufgeladenen 2,0-l-Diesel-motors mit 135 kW Leistung die Ab-hängigkeit des Kraftstoffverbrauchs von der Motorenölviskosität (HTHSV). Das Versuchsöl mit der HTHSV von 3,5 diente als Referenz. Die Referenzmes-sungen erfolgten zu Anfang, in der Mitte und am Ende des Programms,

BILD 4 Verbrauchssenkung in Abhängigkeit von der Viskosität in einem 2,0-l-Pkw-Dieselmotor (© Fuchs)

BILD 5 Verbrauchssenkung in Abhängigkeit von der Viskosität in einem 1,8-l-Pkw-Ottomotor (© Fuchs)

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um die Reproduzierbarkeit der Methode sicherzustellen. Um tribochemische Ein-flüsse möglichst auszuschalten und nur den Viskositätseffekt zu sehen, wurde in allen Versuchsölen mit der gleichen Art von Formulierungsbestandteilen gear-beitet. Im Fall der tribochemisch wirk-samen 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 % erzielen. Allerdings ist mit weiter abneh-mender Viskosität ein weniger stark ausgeprägter Effekt zu finden, was auf die Abnahme des Anteils der hydro-dynamischen Schmierung im Motor zurückzuführen sein dürfte.

In BILD 5 ist die Absenkung des Kraft-stoffverbrauchs über die Viskosität in einem Fahrzeug mit einem aufgelade-nen 1,8-l-Ottomotor dargestellt. Der Kraftstoffeinspareffekt ist in diesem Motor generell etwas weniger stark ausgeprägt, jedoch ist auch bei ver-gleichbar niedriger HTHSV von 2,6 noch eine starke Wirkung zu finden. In diesem Versuchsprogramm wurden neben der Viskosität auch reibwert-beeinflussende Additive variiert, die sich insbesondere im Misch- und Kon-taktreibungsbereich als sehr wirksam herausgestellt haben. Die Entwicklung solcher Additivsysteme spielt eine beson-dere Rolle bei der Fortschreibung zu noch dünneren Motorenölen, beispiels-weise der Viskositätsklassen 0W-16, 0W-12 oder gar 0W-8.

SCHMIERSTOFF ALS INTEGRALER BESTANDTEIL DER KONSTRUKTION

Motorenöle bestehen zu knapp 90 % aus Grundölen und zu gut 10 % aus Funk-tionsadditiven. Die Additive haben eine Fülle unterschiedlicher Aufgaben zu erfüllen, BILD 6. Bei unterschiedlicher Wirkungsstärke ist die Gesamtadditi-vierung ein Zusammenspiel verschiede-ner Einzelsubstanzen, deren Wechsel-wirkung genau ausbalanciert sein muss. Dabei treten auch Zielkonflikte auf: So erhöhen beispielsweise Additive zur Dispergierung von Ruß und anderen Feststoffen erfahrungsgemäß die Rei-bung. Anforderungen an lange Ölwech-selintervalle erfordern nun aber eine Mindestmenge dieser Zusätze. Additive, die im Bereich des Mischreibungsgebiets das Reibniveau beeinflussen, fasst man unter dem Begriff Friction Modifier (FM) zusammen – eine Vielzahl verschie de-ner Zusätze mit unterschiedlichen Wir-kungsweisen. FM können je nach Typ sowohl eine Reibwertabsenkung für mehr Energieeffizienz als auch eine Reibwert-erhöhung, beispielsweise für Reibelemente oder Traktionsfluide, bewirken.

Unter verschiedenen Aspekten wurde in diesem Beitrag das Effizienz-steigerungspotenzial von Motorenölen beschrieben. Dabei zeigte sich, dass die größten Effekte zu erzielen sein werden, wenn der Schmierstoff als integraler Bestandteil der Maschinenkonstruktion angesehen wird. Damit können Maß-nahmen wie Viskositätsabsenkung und Einsatz spezieller Additive in konkrete

Reibungsreduktion umgesetzt werden. Leistungsfähigkeit, Umweltverträglich-keit und Preiswürdigkeit von Schmier-stoffen können nur in Abstimmung mit den mechanischen Tribopartnern, mit Konstruktion und Materialauswahl erreicht werden. Auf einen besonderen Aspekt der Reibungsoptimierung durch motorenspezifische Schmierstoffe soll abschließend hingewiesen werden: Derartige Konzepte erfordern Motoren-öle, die vom Motor als „approved“ identi-fiziert werden können. Zur Markierung beziehungsweise Codierung von Schmier-stoffen sind verschiedene Vorschläge gemacht worden [6].

LITERATURHINWEISE[1] Völtz, W.: Einfluss des Motorenöls auf den Ölverbrauch. in: Mineralöltechnik 6 (1997)[2] Mang, T.; Dresel, W.: Lubricants and Lubrication. Weinheim: Wiley-VCH, 2001 [3] Bode, B.: Modell zur Beschreibung des Fließ-verhaltens von Flüssigkeiten unter hohem Druck. in: Tribologie & Schmierungstechnik 36 (1989), Bd. 4, S. 182[4] Dowson, D.; Higginson, G. R.: Elasto hydro dynamic lubrication. Si-Edition. Oxford: Pergamon Press, 1977[5] Kano, M. et al.: Ultralow friction of DLC in presence of glycerol monooleate. in: Tribology Letters 18 (2005), Nr. 2, S. 245-251[6] Luther, R.: identifizierung von Schmierstoffen – Ein neuer Ansatz. in: MTZ 69 (2008), Nr. 1, S. 34-40

BILD 6 Motorenöle und ihre Inhaltsstoffe (© Fuchs)

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