Langsam bin ich mit den 130 Seiten fast durch.
Einige Themen finde ich sehr passend, da sie auch bei uns im Forum oft erwähnt werden.
Eventuell verlieren einige nach den ersten Seiten die Lust beim Lesen und hören auf. Die mir wichtigen Punkte sind eher im Mittelfeld zu lesen. Daher denke ich, ist es nicht schlecht, wenn ich einige Stellen zitiere.
Nachfolgende Zitate entstammen dem folgenden Dokument:
Auswirkungen von Ruß
im Schmieröl von DI-Dieselmotoren
auf das tribologische Verhalten
und Tribomutationen
von hochbelasteten Motorkomponenten
Zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
der Fakultät für Maschinenbau
Universität Karlsruhe (TH)
genehmigte
Dissertation
von
Dipl.-Ing. Jens Bölter
Ottomotoren mit Direkteinspritzung weisen eine dem Dieselmotor ähnliche innere
Gemischbildung und weitgehend ähnliche lokal fette Verbrennung auf, weshalb auch
eine ähnliche Rußpartikelbildung auftritt [UMW 03]. Dabei kann die Partikelemission
von DI-Ottomotoren auf dem Niveau von Dieselmotoren ohne Partikelfilter liegen
[FÄR 01]. In der EURO 5-Abgasnorm (ab 2009) ist deshalb für DI-Ottomotoren derselbe
Grenzwert für Partikelemissionen vorgesehen. Die ersten einheitlichen Abgasvorschriften
in der Europäischen Gemeinschaft traten 1970 in Kraft. Begrenzt wurden
die Emissionen von Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen. 1977 wurden die
Stickstoffoxide als zusätzlich zu begrenzende Abgasinhaltsstoffe eingeführt. Grenzwerte
für Partikel aus Dieselmotoren wurden 1988 eingeführt. Die weltweite Verschärfung
der Abgasvorschriften betrifft nicht nur die Höhe der Emissionswerte, sondern
ebenso die dauerhafte Einhaltung dieser Werte. Die Überschreitungen der von
der Europäischen Union vorgegebenen Grenzwerte bei Feinstaubbelastung wurden
auf den Kraftverkehr als Hauptverursacher zurückgeführt. Gemessen wurden hierbei
bisher nur die PM10-Werte (Partikel < 10 μm). Die Menge des gebildeten Rußes und
die Ausprägung der Partikel hängt von einer Reihe die Verbrennung betreffenden
Parameter ab. Maßnahmen zur Erfüllung von aktuellen und zukünftigen Emissionsvorschriften
müssen zu einer Reduzierung sowohl der Stickoxid- als auch der Partikelemission
führen [WÖL 94].
Motorische Maßnahmen zur Einhaltung von Abgasnormen
Eine Reduktion der Stickoxidemission kann durch eine Absenkung der Verbrennungstemperatur
erreicht werden. Dies kann durch Verlagerung der Einspritzung in
Richtung „spät“ oder eine Abgasrückführung geschehen, wobei in der Praxis beide
Maßnahmen meist kombiniert werden [EIF 90]. Mit späterem Spritzbeginn wird die Verbrennung zunehmend in die Expansionsphase
verlagert und aufgrund einer Abnahme der Spitzendrücke und -temperaturen
werden die Stickoxidemissionen vermindert. Dabei nimmt jedoch die Partikelemission
infolge einer kürzeren Vormischphase, einer stärkeren sekundären
Rußbildung sowie der verminderten Temperaturen und verkürzten Zeitdauer für
die Rußoxidation zu. Gleichzeitig nimmt der Wirkungsgrad ab.
Eine Erhöhung der Abgasrückführrate führt zu einer deutlichen Reduzierung der
Stickoxidemissionen bei nur mäßigem Anstieg der Partikelemission. Für sehr hohe
Abgasrückführraten steigt jedoch die Partikelemission deutlich an. Mit Luftverhältnissen
um = 1.0 treten im Brennraum von Dieselmotoren immer die maximalen
Stickoxidkonzentrationen auf, weil hier bei der Verbrennung die höchsten
Temperaturen erreicht werden. Dies führt zu einer hohen Rußabbrandrate und
damit zu geringen Rußemissionen (siehe Abbildung 2-16).
Die Abnahme der Sauerstoffkonzentration in der Verbrennungsluft sowie eine verschleppte
Verbrennung bewirken in der Regel eine verstärkte Rußbildung. Weitere
Parameter, die sich auf die Emissionen auswirken, sind Einspritzmenge, Einspritzverlauf
und Kraftstoffeigenschaften [WÖL 94]. Die Nachoxidation während des
Verbrennungsprozesses stellt einen wichtigen Vorgang für den innermotorischen
Rußabbau dar.Durch die Bildungs- und Abbauprozesse erhöht sich die Rußmenge im Brennstoffgemisch
zuerst mit steigender Temperatur und fällt bei einem weiterem Temperaturanstieg
wieder ab [PUN 96]. Der schematische Ablauf der während der Verbrennung im
Zylinder gebildeten und wieder oxidierten Rußmengen ist in Abbildung 2-16 dargestellt.
In der Regel wird mehr als 90 % des während der Phase der motorischen Verbrennung
gebildeten Rußes wieder abgebaut [SEE 04]. Hierbei führen intensive
Durchmischung bei der Verbrennung, Luftüberschuss und höhere Temperaturen zu
besseren Rußabbrandbedingungen [HEN 06].
Ruß im Schmieröl
Der Weg der Rußpartikel ins Schmieröl ist kaum erforscht. Es werden zwei hauptsächliche
Eintragsmechanismen beschrieben [TRO 99]:
Über den Blow-by durch den Kolbenringstoß gelangt der Ruß mit den Verbrennungsgasen
in das Kurbelgehäuse, wo er mit dem Schmieröl in Berührung
kommt. Es wurde festgestellt, dass über diesen Weg weniger als 3% zum Rußeintrag
ins Öl beigetragen wird [TOK 82].
Ruß wird durch Thermophorese an die Zylinderwände transportiert [KIT 90], [SU
92], [TRE 01] kommt dort mit dem Schmieröl in Kontakt und wird anschließend
durch die Ringe abgeschabt und in das Kurbelgehäuse eingebracht. Dieser Weg
wird als der vorherrschende Mechanismus für den Transport von Partikeln aus
der Verbrennungskammer angesehen [DAH 02].
Denkbar sind auch Eintragsmechanismen über die Ventilschaftdichtung. Außerdem
wird die Entstehung von Grafitkristalliten aus Schmieröl durch Pyrolyse beschrieben,
die bedingt durch tribochemische Prozesse in einem Tribometer beobachtet wurde
[LI 06].
Die im Abschnitt Rußcharakterisierung beschriebenen Eigenschaften von Ruß beruhen
vor allem auf im Rahmen der Umweltrelevanz und im Zusammenhang mit Abgasreinigungstechnologien
durchgeführten Untersuchungen an Ruß aus dem Abgas.
Untersuchungen von Ruß aus dem Schmieröl wurden lediglich hinsichtlich des Einflusses
von Ruß auf die Schmieröleigenschaften durchgeführt. Es ist davon auszugehen,
dass Ruß zeitnah nach seiner Entstehung in das Schmieröl gelangt und aufgrund
der Wechselwirkungen in diesem Milieu andere Eigenschaften bezüglich Oberflächenchemie
und Partikelgrößenverteilung aufweist als Ruß aus dem Abgas, der je
nach den Bedingungen der Probennahme längere Zeit mit Abgas, Abgasreinigungskomponenten
oder mit der Atmosphäre in Kontakt war. Eine Untersuchung, die
Dieselruß aus Abgas und Schmieröl mit Carbon Black vergleicht, beschreibt deutliche
Unterschiede in der Elementzusammensetzung, insbesondere an den Oberflächen.
Diese ist beim Schmierölruß von Öladditiven geprägt. Gemeinsamkeiten zwischen
allen Sorten bestehen hinsichtlich der Gestalt der Primärpartikel in Größe und
Störung der grafitischen Struktur im Inneren. Es wird angenommen, dass das Aggregationsverhalten
von CB und Ruß im Schmieröl vergleichbar ist [CLA 99].
Schmieröl
Die Entwicklungen in der Motorentechnik stellen zunehmend Ansprüche an das Leistungsvermögen
eines Motoröles, dessen Leistungen und Funktionsabläufe vielfältig
sind. Die Hauptaufgaben sind nachstehend zusammengefasst [CAS]:
Schmierung von sich gegeneinander bewegenden Motorteilen, um Reibung zu
vermindern und Motorteile vor Verschleiß zu schützen
Kühlung des Motors von innen durch Wärmeabführung aus Kolben, Zylindern,
Kurbelwellen- und Nockenwellenlagern
Abdichtung des Spaltes zwischen Kolben und Zylinder und bei Ventilführungen
Korrosionsschutz der Motorteile gegenüber aggressiven Verbrennungsprodukten
durch Bildung von Schutzschichten auf der Metalloberfläche und durch Neutralisation
saurer Verbrennungsprodukte
Druckübertragung in Kettenspannern und Stößeln, Übertragung des Verbrennungsdruckes
vom Kolben über den Pleuel auf die Kurbelwelle
Reinhaltung der Motorteile durch Ablösen von Verbrennungsrückständen und Alterungsprodukten
des Motoröles
Dispergieren von festen Fremdstoffen wie Staub, Abrieb und Verbrennungsprodukten
Transportieren zum Beispiel von Verschleißschutzwirkstoffen zu Metalloberflächen
oder von Verschleiß- oder Rußpartikeln zum Ölfilter.
Zur Erfüllung dieser Aufgaben werden vielerlei Anforderungen an das Motoröl gestellt,
die durch chemische, physikalische und technologische Eigenschaften charakterisiert
sind:
Neutrales Verhalten gegenüber Dichtungswerkstoffen
Geringe Schaumneigung
Lange Gebrauchsdauer und Ölwechselintervalle
Niedriger Öl- und Kraftstoffverbrauch
Kraftstoffverträglichkeit
Umweltverträglichkeit
Rückwirkungsarmut auf Abgasreinigungsanlagen
Alle heutigen Motoröle bestehen aus Basisölen und aus Additiven (Zusatzstoffen),
ohne die die Anforderungen in modernen Motoren nicht erfüllt werden könnten. Motoröle
bestehen zwischen 1% und 30% aus Additiven.
Die Basisöle sind mineralische Produkte, Hydrocrack-Öle oder vollsynthetische Produkte
(Polyalphaolefine). Zunehmend werden Grundöle aus Altölen raffiniert, die in
Reinheit und Qualität das aus Rohöl hergestellte Produkt teilweise übertreffen [MIN
06].
Additive in Motorölen
Additive sind Wirkstoffe, die Grundölen zugemischt werden, um im Fertigprodukt
schmierungstechnische Eigenschaften zu erreichen, die im Grundöl nicht vorhanden
sind. Dabei sollen positive Eigenschaften verstärkt und unerwünschte Eigenschaften
ausgeschaltet oder minimiert werden. Die Menge der zugemischten Additive reicht
von wenigen ppm bis zu Konzentrationen von 30 % [MÖL 87]. Die ersten synthetischen
Additive kamen Ende der 1930er Jahre auf den Markt. Es waren ZnDTP als
Verschleiß− und Alterungsschutz und Calciumphenat als Detergent / Dispersant-Additiv
mit antioxidativer Wirkung im Hochtemperaturbereich. Eine Einteilung der Additive
entsprechend ihrer Funktionsweise ist in Abbildung 2-17 dargestellt.
Viele Schmierstoffadditive sind oberflächen− oder grenzflächenaktive Stoffe. Sie bestehen
aus einer polaren funktionellen Gruppe, die mit Wasser, Säuren, Metallen
oder Rußpartikeln wechselwirkt und einem unpolaren oleophilen Kohlenwasserstoffrest.
In der polaren Gruppe sind die eigentlichen Wirkstoffe konzentriert, die unpolare
Gruppe sorgt für die Löslichkeit im Grundöl. Die polare Gruppe kann organisch, also
aschefrei oder metallorganisch und damit aschegebend aufgebaut sein. Letztere sind
zwar oft wirksamer, können aber im Brennraum oder in nachgeschalteten Abgasreinigungskomponenten
Aschen hinterlassen. Eine andere Gruppe von Additiven besteht aus hochmolekularen Kohlenwasserstoffen spezieller Molekülstruktur. Sie werden
eingesetzt als VI−Verbesserer oder Pourpoint Depressants.Additive wirken selbst bzw. durch ihre Abbau– und Umsetzungsprodukte, oder aber
durch Wechselwirkung untereinander, wobei diese synergistisch oder auch antagonistisch
ausfallen können. Die meisten Additive werden beim Einsatz des Schmieröles
verbraucht; der „Additivspiegel“ sinkt ab und die Wirkung vermindert sich [BAS
04]. Einige Additivgruppen werden in den folgenden Abschnitten erläutert
Einfluss von Ruß im Schmieröl auf den Verschleiß
Der weitverbreiteten Einschätzung, dass zunehmende Rußgehalte für erhöhten Verschleiß
an Motorkomponenten verantwortlich sind, wird häufig widersprochen. Sie
wurde nur von ca. 50 % der Motorenentwickler bestätigt, die bei einer Umfrage unter
12 global operierenden automotiven OEMs zu diesem Thema befragt wurden. Immerhin
ein Drittel der Befragten machte Ruß im Schmieröl nicht für Verschleißerhöhung
verantwortlich [IAV 98]. Dieses uneinheitliche Bild findet sich auch in einer Studie
wieder, die Ergebnisse von Umfragen bei Motorenherstellern zusammenfasst
[CEC 97]. Hier wurde von Befragten aus dem Personenwagen- und Light-Duty-Diesel-
Engine Bereich mehrheitlich der Ruß nicht als Ursache für höheren Verschleiß
genannt. Im Gegensatz hierzu äußerte die Mehrzahl der Vertreter der Heavy-Duty-
Diesel-Engines Bedenken bezüglich Verschleißanstieg durch Ruß und bezüglich der
Rußaufnahmefähigkeit der Öle. Tatsächlich wurde in einer Studie [YO 83] gezeigt,
dass durch Zugabe von künstlichem Ruß (Carbon Black) der Verschleiß verringert
werden kann, was auf zusätzliche Schmierwirkung des (graphitischen) Feststoffes
Ruß zurückgeführt wurde. Ebenfalls eine Verbesserung des Schmierungszustandes
im Mischreibungsgebiet wird bei Vierkugel-Experimenten beschrieben [YOS 94], was
mit dem Verdickungseffekt des Öles durch Ruß erklärt wird. Daneben finden sich in
einem Feldtest mit LKWs Hinweise, dass erhöhte Rußgehalte das Verschleißverhalten
nicht signifikant beeinflussen [OTT 97].
In einer ausführlichen Studie [MAC 98], die Veröffentlichungen bis 1997 berücksichtigt,
wurde eine Reihe von Ursachenmechanismen für erhöhten Verschleiß durch
Ruß (schematische Darstellung in Abbildung 2-19) zusammengetragen.
Zu Ölalterung
Unabhängig vom Rußgehalt wird durch die Alterung des Öles im Betrieb dessen Performance
herabgesetzt (deterioration), indem Additive abgenutzt werden (depletion).
Je länger die Ölwechselintervalle dauern, umso mehr Ruß wird in das Schmieröl eingetragen
und umso mehr Verschleiß wird produziert. Verschleiß im Ventiltrieb oder
an den Kolbenringen kann zu höherer Rußproduktion bei der Verbrennung oder / und
zu höherem Rußeintrag in das Schmieröl führen, der wiederum für höheren Verschleiß
verantwortlich ist [MCG 01]. Außerdem kann erhöhter Verschleiß über katalytische
Oxidationsprozesse und Additivbindung die Ölalterung beschleunigen und
durch Abrasionsprozesse wiederum zu erhöhtem Verschleiß beitragen. Ein künstlich
gealtertes Schmieröl zeigte in Experimenten mit einem Vierkugelapparat höheren
Verschleiß als das unbehandelte Frischöl [MAS 01]. Aber nicht nur die Laufzeit eines
Öles ist für seine Performance ausschlaggebend, es muss ebenso der Ölverbrauch,
der Kraftstoffverbrauch, die Fahrweise und die Größe der Ölwanne (bzw. die Gesamtölmenge)
in die Betrachtungen mit einbezogen werden. Im Sinne eines sicheren
und störungsfreien Betriebes wird für angemessene Ölwechselintervalle plädiert
[MCG 01]
Thread entwickelt hatte, verschob ich ihn in den Mod-Bereich, und kläre hier nun auf was gewünscht ist und was nicht.
