Tribologische Auswirkungen von Ölkontamination infolge von Kraftstoff- und Rußeintrag an einem Wälzkontakt im Verbrennungsmotor Buchkatalog

Für die Festlegung von Ölwechselintervallen von Verbrennungskraftmaschinen ist die Kenntnis des Ölzustandes von hoher Bedeutung. Die Ölqualität nimmt aufgrund des Ölalterungsprozesses und der Kontamination mit flüssigen und festen Fremdstoffen über die Betriebsdauer ab. Mit Hilfe von Kenntnissen über die tribologischen Auswirkungen von Ruß und Kraftstoff im Öl sowie über den Zeitpunkt des Ruß- und Kraftstoffeintrages in einem Verbrennungsmotor kann die Simulation für die Festlegung der Ölwechselintervalle weiter optimiert werden. Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der tribologischen Wirkmechanismen von Ruß und Kraftstoff im Schmierstoff am Beispiel von Wälzlagern im Verbrennungsmotor. Die Arbeit gliedert sich in einen theoretischen und einen experimentellen Teil. Im theoretischen Teil sollen, aufbauend auf einer Literaturrecherche, die für den Wälzkontakt wichtigen tribologischen Wirkmechanismen identifiziert werden. Aus der Literaturrecherche ging hervor, dass unterschiedliche Vorstellungen zur tribologischen Wirkung von Ölkontaminationen infolge von Ruß- und Kraftstoffeintrag existieren. Die tribologischen Auswirkungen wurden im experimentellen Teil an verschiedenen Modell- und Komponentenprüfständen untersucht und mit denen aus der Literaturrecherche abgeglichen. Dabei kamen u.a. ein Kugel-Scheibe-Tribometer sowie ein für diese Anforderungen konzipierter Wälzlagerprüfstand zum Einsatz. Für die Reduzierung der Versuche wird die statistische Versuchsplanung angewandt. Die Prüfparameter werden anhand der Wälzlagerung der Ausgleichswelle abgeleitet. Mit Hilfe der Untersuchungen sowie der Beobachtungen von Rußagglomeraten im Kontakteintritt mit einer High-Speed-Kamera konnten mehrere Wirkmechanismen ausgeschlossen werden. Abschließend wurde ein mögliches rußbedingtes Verschleißmodell vorgestellt. Anhand der Kameraaufnahmen konnte festgestellt werden, dass Ruß der an der Oberfläche haftet, durch den Kontakt geführt wird. Ruß, der nicht an der Oberfläche haftet, wurde teilweise um den Kontakt herumgeführt. Mit steigendem Festkörpertraganteil im Kugel-Scheibe-Kontakt war der Reibungskoeffizient bei Schmierung mit rußbelastetem Öl niedriger als bei der Schmierung mit Frischöl. Im Vergleich zu Frischöl stieg der Verschleiß mit rußbelastetem Öl mit steigender Drehzahl stärker an. Der Verschleiß bei Schmierung mit ZDDP-freiem Schmierstoff ist mit dem bei Schmierung mit rußbelastetem Öl vergleichbar. Für die Ermittlung des Ruß- und Kraftstoffeintrages wurden zudem zwei Messmethoden entwickelt. Die Massenspektrometrie ermöglicht eine zeitnahe Erfassung des Kraftstoffeintrages am Motorenprüfstand. Hierfür wurde ein Messaufbau entwickelt, der es ermöglicht, ausdampfende HC-Fraktionen in der Gasphase oberhalb des Öles zu detektieren. Die gemessenen Massenspektren werden mit Hilfe einer Gasverdünnungsmatrix korrigiert. Die Gasverdünnungsmatrix ist erforderlich, da neben den ausdampfenden HC-Fraktionen auch weitere Bestandteile aus der Verbrennung in der gemessenen Gasphase enthalten sind. Aufgrund der unterschiedlichen Verteilung von leicht- und schwerflüchtigen Kraftstofffraktionen in der Gasphase wird der Kraftstoffanteil im Öl mit Hilfe der multivariaten Datenanalyse ermittelt. Die Bestimmung des Rußeintrages erfolgt am Prüfstand nach DIN 51452.