Verbundvorhaben »Prometheus«

Sparsame Motoren durch weniger Reibung

Fraunhofer IWS / 4.3.2019

Gemeinsam mit der Autoindustrie haben Forscher des Fraunhofer IWS in den letzten Jahren Verfahren für reibungsmindernde Oberflächen von Motorenteilen entwickelt. Nun sollen durch Weiterentwicklungen der Oberflächentechnik die Kohlenstoffdioxidemissionen noch stärker sinken. Auf dieses Ziel arbeitet das Dresdner Institut mit verschiedenen Partnern im Verbundvorhaben »Prometheus« hin.

© Fraunhofer IWS Dresden

Mit neuartigen diamantartigen Beschichtungen und laserstrukturierten Oberflächen wollen Forscher des Fraunhofer IWS die CO2-Emissionen von Motoren deutlich verringern. Dabei könnte etwa die am Dresdner Institut entwickelte Diamor®-Beschichtung helfen, indem sie im Motorzylinder für weniger Reibung zwischen dem beschichteten Kolbenbolzen (im Bild) und der Pleuelbuchse sorgt.

Mit neuartigen diamantartigen Beschichtungen und laserstrukturierten Oberflächen wollen Dresdner Fraunhofer-Forscher die CO2-Emissionen von Motoren deutlich verringern. Autos, LKW und Busse, aber auch Baumaschinen und Gasmotoren sollen auf diese Weise weniger Kraftstoff verbrauchen und die Umwelt schonen. »In jedem Motor reiben Teile wie zum Beispiel Kolben und Zylinder aufeinander. Je mehr Reibungswärme entsteht, desto mehr Kraftstoff wird verbraucht und desto höher sind die CO2-Emissionen«, erklärt Dr. Volker Weihnacht, der das Forschungsprojekt im Dresdner Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS leitet. Ziel sei es, die Oberfläche und den Schmierstoff bestmöglich aufeinander abzustimmen, um die Reibung zu reduzieren.

Oberfläche und Schmierstoff müssen harmonieren

»Gegenwärtig gibt es bereits superharte, diamantartige Kohlenstoffbeschichtungen. Diese haben wir weiter optimiert und dazu unter anderem dem mittels Plasmaverfahren verdampften Graphit verschiedene Elemente beigemischt.« Parallel dazu arbeite man an einer Mikrostrukturierung per Laser, die den jeweiligen Oberflächen eine Art Haifischhauteffekt verleihe und sie so besonders gleitfähig mache, fügt Weihnacht hinzu. Wichtig ist bei der Entwicklung vor allem das Zusammenspiel der Komponenten: »Es gibt nicht den idealen Schmierstoff und es gibt nicht die ideale Oberflächenbeschichtung und -struktur.

© Fraunhofer IWS Dresden

Je mehr Reibungswärme entsteht, desto mehr Kraftstoff wird verbraucht und desto höher sind die CO2-Emissionen. Beschichtete Kolbenringe dichten den Brennraum gegen das Kurbelgehäuse ab und erzeugen beim Gleiten gegen die Zylinderwand weniger Reibung.

Vielmehr ist entscheidend, alles miteinander in Einklang zu bringen und das im Zusammenspiel der verschiedenen Motorenkomponenten«, erläutert Dr. Volker Weihnacht die Herausforderung und fügt an: »Das sind unsere Stellschrauben, an denen wir drehen.«

Die im IWS erzeugten Kohlenstoffschichten mit dem Markennamen Diamor® besitzen nach derzeitigem Stand der Wissenschaft das höchste Potenzial zur Reibungs- und Verschleißreduzierung. Sie bestehen aus bis zu 70 Prozent Diamant-Bindungsanteilen und werden mit dem speziell für diese Schichten entwickelten Laser-Arc-Verfahren erzeugt.

Zusammenarbeit mit unterschiedlichen Partnern

Um die optimale Abstimmung zwischen Schmierstoff und Oberfläche zu finden, arbeiten die Fraunhofer-Wissenschaftler eng mit Motoren- und Komponentenherstellern sowie Werkstoff- und Schmierstoffexperten zusammen. Insgesamt zwölf Partner aus Industrie und Forschung sind an dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Verbund-Forschungsprojekt mit dem Namen »Prometheus« beteiligt. Offizieller Start war Anfang Januar 2019. Die Laufzeit beträgt drei Jahre. Am Ende sollen Prototypen von reibungsarmen Motorenteilen entstehen, die wenige Jahre nach Projektende in die industrielle Serie überführt werden. »Mit unseren Entwicklungen gehen wir einen großen Schritt in Richtung verbrauchsärmerer Verbrennungsmotoren für unterschiedlichste Anwendungen«, sagt Dr. Volker Weihnacht, der sich auf Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse viele weitere Anwendungen vorstellen kann. So sei es denkbar, die gefundenen Lösungen neben Wälzlagern auch für Gleitlager einzusetzen, wie sie zum Beispiel in Pumpen vorkommen.