Reibung unter (sorgfältiger) Kontrolle
Ob es uns gefällt oder nicht, das Phänomen der Reibung begleitet alle beweglichen mechanischen Elemente. Bei Motoren verhält es sich nicht anders, nämlich beim Kontakt von Kolben und Ringen mit der Zylinderinnenseite, d.h. mit ihrer glatten Oberfläche. An diesen Stellen treten die größten Verluste durch schädliche Reibung auf, weshalb die Entwickler moderner Antriebe versuchen, diese durch den Einsatz innovativer Technologien so gering wie möglich zu halten.
Nicht nur Temperatur
Um vollständig zu verstehen, welche Bedingungen im Motor herrschen, reicht es aus, die Werte im Zyklus eines Ottomotors einzugeben, der 2.800 K (ca. 2.527 Grad C) erreicht, und Diesel (2.300 K - ca. 2.027 Grad C) . Hohe Temperaturen beeinflussen die Wärmeausdehnung der sogenannten Zylinder-Kolben-Gruppe, bestehend aus Kolben, Kolbenringen und Zylindern. Letztere verformen sich ebenfalls durch Reibung. Daher ist es notwendig, Wärme effektiv an das Kühlsystem abzuführen sowie eine ausreichende Festigkeit des sogenannten Ölfilms zwischen den in einzelnen Zylindern arbeitenden Kolben sicherzustellen.
Das Wichtigste ist die Dichtheit.
Dieser Abschnitt gibt am besten das Wesentliche der Funktionsweise der oben erwähnten Kolbengruppe wieder. Es genügt zu sagen, dass sich Kolben und Kolbenringe mit einer Geschwindigkeit von bis zu 15 m/s auf der Zylinderoberfläche bewegen! Kein Wunder also, dass der Dichtheit des Arbeitsraums der Zylinder so viel Aufmerksamkeit geschenkt wird. Warum ist es so wichtig? Jedes Leck im gesamten System führt direkt zu einer Verringerung des mechanischen Wirkungsgrades des Motors. Eine Vergrößerung des Spalts zwischen Kolben und Zylindern wirkt sich auch auf die Verschlechterung der Schmierbedingungen aus, einschließlich des wichtigsten Problems, d.h. auf der entsprechenden Ölfilmschicht. Um nachteilige Reibung (zusammen mit Überhitzung einzelner Elemente) zu minimieren, werden Elemente mit erhöhter Festigkeit verwendet. Eine der derzeit angewandten innovativen Methoden besteht darin, das Gewicht der Kolben selbst zu reduzieren, die in den Zylindern moderner Aggregate arbeiten.
NanoSlide - Stahl und Aluminium
Wie kann nun das oben genannte Ziel in der Praxis erreicht werden? Mercedes verwendet zum Beispiel die NanoSlide-Technologie, die Stahlkolben anstelle des üblicherweise verwendeten sogenannten verstärkten Aluminiums verwendet. Stahlkolben, die leichter sind (sie sind mehr als 13 mm niedriger als Aluminiumkolben), ermöglichen unter anderem eine Verringerung der Masse der Kurbelwellen-Gegengewichte und tragen dazu bei, die Lebensdauer der Kurbelwellenlager und des Kolbenbolzenlagers selbst zu erhöhen. Diese Lösung wird nun zunehmend sowohl in Fremdzündungs- als auch in Kompressionszündungsmotoren verwendet. Was sind die praktischen Vorteile der NanoSlide-Technologie? Fangen wir ganz vorne an: Die von Mercedes vorgeschlagene Lösung sieht die Kombination von Stahlkolben mit Aluminiumgehäusen (Zylindern) vor. Denken Sie daran, dass während des normalen Motorbetriebs die Betriebstemperatur des Kolbens viel höher ist als die der Zylinderoberfläche. Gleichzeitig ist der lineare Ausdehnungskoeffizient von Aluminiumlegierungen fast doppelt so hoch wie der von Gusseisenlegierungen (aus letzteren werden die meisten derzeit verwendeten Zylinder und Zylinderlaufbuchsen hergestellt). Durch die Verwendung einer Stahlkolben-Aluminiumgehäuse-Verbindung kann das Einbauspiel des Kolbens im Zylinder deutlich reduziert werden. Zur NanoSlide-Technologie gehört, wie der Name schon sagt, auch das sogenannte Sputtern. nanokristalline Beschichtung auf der Lauffläche des Zylinders, die die Rauheit seiner Oberfläche deutlich reduziert. Die Kolben selbst bestehen jedoch aus geschmiedetem und hochfestem Stahl. Da sie niedriger als ihre Pendants aus Aluminium sind, zeichnen sie sich auch durch ein geringeres Leergewicht aus. Stahlkolben sorgen für eine bessere Dichtheit des Arbeitsraums des Zylinders, was den Wirkungsgrad des Motors direkt erhöht, indem die Betriebstemperatur in seiner Brennkammer erhöht wird. Dies wiederum führt zu einer besseren Qualität der Zündung selbst und einer effizienteren Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches.
