Abgasbeaufschlagte Tribosysteme: Charakterisierung der Verschleißmechanismen abgasbeaufschlagter, ungeschmierter Tribosysteme

Projektbeschreibung

Durch gestiegene Umwelt- und Effizienzanforderungen nimmt die Komplexität heutiger Verbrennungsmotoren, die mit unterschiedlichsten Betriebsstoffen befeuert werden, deutlich zu. Mehrstufige Aufladungen, Abgasrückführungen und -nachbehandlungen führen im Abgasstrang zu einem hohen Regel- und Steueraufwand, weshalb mehrere Klappensysteme und Aktuatoren eingesetzt werden müssen. Die ungeschmierten Lagerstellen dieser Abgasklappen unterliegen durch die hohen thermischen Belastungen und den Kontakt mit der Abgasatmosphäre signifikantem Verschleiß. Sie gelten somit als kritische Tribosysteme, die durch hohe Ausfallwahrscheinlichkeit und geringe Lebensdauer gekennzeichnet sind.

Bisher wurde für die tribologische Charakterisierung dieser Lagerungen meist auf aufwendige und kostspielige Versuche am Vollmotor zurückgegriffen. Das hatte zur Folge, dass die gezielte, anwendungsspezifische Weiterentwicklung der Werkstoffsysteme ausgebremst wurde und beteiligte Zulieferer auf die Zusammenarbeit und den Know-how-Transfer mit den Motorenherstellern angewiesen waren. Als Alternative zu diesem langwierigen Prozess wurde am Fraunhofer IWM in Zusammenarbeit mit dem Institut für angewandte Materialien – Zuverlässigkeit und Mikrostruktur (IAM-ZM) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) eine zeit- und kosteneffiziente Qualifizierungsmethodik speziell für diese abgasbeaufschlagten Tribosysteme entwickelt und validiert, die aufwendige Vollmotorversuche ersetzen kann.

Die Qualifizierungsstrategie besteht aus zwei sich ergänzenden Versuchsmethoden, deren Eignung innerhalb des Projekts durch den Vergleich mit verschlissenen Komponenten aus Feldversuchen überprüft wurde. Zum schnellen und einfachen Werkstoffscreening wurde ein linear reversierender Gleitversuch mit einer Linienkontaktgeometrie eingesetzt. Zur anwendungsnahen tribologischen Prüfung wurde außerdem ein neuer Prüfaufbau entwickelt, der einen Wellen-Buchsen-Kontakt mit anwendungsspezifischen Abmaßen beinhaltet und mit einer realen Abgasatmosphäre beaufschlagt werden kann. Bei der abschließenden Validierung und Bewertung der Strategie durch den Vergleich mit verschlissenen Feldkomponenten wurde eine gute Eignung der Strategie sowie eine hohe Übertragbarkeit der Ergebnisse nachgewiesen.