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Wie geschmiert

04.11.2011 – Wolfgang Richter

Sie wollen sich in nächster Zeit einen Neuwagen kaufen? Dann lesen Sie diesen Text! Gleich nachdem der Händler Ihnen den Autoschlüssel feierlich überreicht hat, könnten Sie nämlich einen großen Fehler begehen – und den Motor schonen. Sie täten damit nur das, was noch immer in den meisten Bedienungsanleitungen steht. Doch der Rat gilt unter Experten schon lange als überholt: "Bereits vor etwa zehn Jahren haben wir auf unseren Motorprüfständen festgestellt, dass sich eine geringe Beanspruchung beim Einfahren auf Reibung und Verschleiß im späteren Betrieb ungünstig auswirkt", sagt Peter Berlet von der IAVF Antriebstechnik, einem unabhängigen Dienstleister für Motorenentwicklung. Bei Aggregaten, die anfangs nur mit kleiner Drehzahl und geringer Leistung liefen, war die Verschleißrate später um 50 Prozent höher als bei Exemplaren, die zu Anfang voll belastet wurden. Berlet empfiehlt daher, mit dem neuen Wagen bereits nach einer kurzen Aufwärmphase von nur wenigen Minuten auf die Autobahn zu fahren und Vollgas zu geben.

Dieser Rat ist heute beim Betrieb der neuen, energiesparenden Otto-Motoren wichtiger denn je. Um die gleiche Leistung bei leichteren, sprich kleineren Motoren zu erreichen, werden diese "aufgeladen": Die Luft für die Verbrennung in den Zylindern wird vorher verdichtet (Turbolader) und zudem pro Zylinder mehr Treibstoff eingespritzt – wie beim Diesel direkt in den Brennraum. Wo vorher sechs Zylinder nötig waren, schaffen nun vier die gleiche Leistung. Einerseits verringern sich die Reibungsverluste im Motor durch die weggefallenen zwei Zylinder. Andererseits aber sind die Belastungen in den verbliebenen vier Zylindern größer geworden – durch höheren Druck und höhere Temperaturen.

"Damit diese harten Bedingungen nicht zu einem frühzeitigen Ende des Motors führen, ist es sehr wichtig, Reibung und Verschleiß zu minimieren", sagt Professor Matthias Scherge vom Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik. Etwa ein Drittel der Energie beim Auto ginge durch Reibungsverluste in Motor und Getriebe verloren. Zusammen mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat Scherge deshalb ein Zentrum für Mikrotribologie gegründet – der Lehre von den mikroskopischen Ursachen für Reibung. Dort erforschen die Wissenschaftler ein mysteriöses Phänomen: den "dritten Körper". Er scheint der Grund dafür zu sein, weshalb das Einfahren einen so großen Einfluss auf Reibung und Verschleiß des Motors hat.

Reiben nämlich zwei Metallflächen aufeinander, die durch einen dünnen Schmierfilm getrennt sind, und wird durch die Bewegung genügend Energie auf die Reibflächen übertragen, verändert sich dort das Material bis zu einer Tiefe von einigen Hundert Nanometern. Die Kristallstruktur wird extrem fein, die Kriställchen sind statt einiger Mikrometer nur noch 20 Nanometer groß. Dem Schmierstoff, also dem Motoröl, sind zahlreiche chemische Verbindungen zugesetzt, die sich dauerhaft zwischen den Nanopartikeln einlagern. "Das Ganze ähnelt einem hochkomplexen Teig, der ständig durchgeknetet wird und der ganz andere Eigenschaften hat als die ursprünglichen Metalle", erklärt Matthias Scherge. Dieser Teig, der "dritte Körper", nimmt auch einen großen Teil des metallischen Abriebs auf. Das Besondere daran: Aus bisher noch ungeklärten Gründen sorgt der Teig für extrem günstige Reibungsbedingungen.

"Nur wenn man den Motor richtig einfährt, bildet sich ein idealer dritter Körper aus", erklärt Scherge. Seine Laborversuche zeigen, dass die Reibung dann etwa zehnmal kleiner ist als etwa bei Beschichtung der Reibflächen mit diamantähnlichem Kohlenstoff. Dieses etablierte Verfahren kommt zum Beispiel in den sparsamen "BlueMotion"-Modellen von Volkswagen zum Einsatz.

Da aber kein Kunde das Einfahren so genau dosieren kann, wollen sowohl Matthias Scherge wie auch Peter Berlet den Prozess des Einfahrens in die Automobilproduktion vorverlegen. Reibende Werkzeuge sollen die Flächen so vorbehandeln, dass sie später im Fahrbetrieb einen dritten Körper ausbilden. Dafür spielt die nanokristalline Struktur der Oberfläche, die durch die Vorbehandlung erzeugt wird, offenbar eine wichtige Rolle. Die Fraunhofer-Forscher wollen deshalb die Reibflächen zusätzlich mit einem Laser aufschmelzen und rasch abkühlen lassen, sodass keine großen Kristalle wachsen können. Peter Berlet hat ausgerechnet, dass allein die Vorbehandlung der Kolben und der Kurbelwelle insgesamt drei Prozent Kraftstoff sparen würde.

Ob sich diese Zahlen in der realen Produktion bestätigen, bleibt abzuwarten; beide Ingenieure arbeiten aber schon mit der Automobil- und Zulieferindustrie zusammen. Offiziell gibt man sich dort allerdings noch zurückhaltend – auch weil der dritte Körper die etablierten Geschäftsmodelle gehörig durcheinanderwirbeln würde. Bislang konnte die Industrie nämlich Reibung und Verschleiß vor allem mit Beschichtungen verringern. Die machen die Bildung eines dritten Körpers aber komplizierter – oder verhindern sie gleich ganz. So etwa "Triondur C" vom Zu- lieferer Schaeffler, eine mehrlagige Beschichtung mit diamantähnlichem Kohlenstoff, in die der Branchen-Primus viel Entwicklungsarbeit gesteckt hat. Das Unternehmen Federal Mogul erreicht mit seiner "EcoTough"-Beschichtung aus Grafit, Molybdändisulfid und Kohlefasern für die Zylinderkolben eine Spritersparnis von knapp einem Prozent. Und bei Daimler, als einziger Autohersteller Partner des Mikrotribologie-Zentrums, verweist man gern auf die hauseigene Lackschicht aus Eisen. Sie spart in der neuen S- und M-Klasse immerhin auch drei Prozent Treibstoff durch Reibungsreduktion.

Ganz ohne Veränderung der Oberfläche kommt ein anderer Weg zur Reibungsminimierung aus: der Ersatz von Gleitlagern durch Wälzlager in Motor und Getriebe. "Rollreibung ist um den Faktor fünf bis zehn kleiner als Gleitreibung", erklärt Dirk Spindler, Entwicklungsleiter bei Schaeffler. Während sich in Gleitlagern zum Beispiel eine starre Achse in einer Halterung dreht, haben Wälzlager Kugeln oder Kegel, auf denen sich die Bauteile aneinander vorbeidrehen. Das große Hindernis bei der flächendeckenden Einführung von Wälzlagern nennen die Ingenieure NVH (Noise, Vibration, Harshness) – um nicht "klappern" sagen zu müssen. Während nämlich in Gleitlagern die Bauteile auf einem Schmierfilm gleiten, kommt es trotz Schmierung in Wälzlagern immer zu Metall-Metall-Berührungen, die Geräusche machen.

"Durch kleinere Fertigungstoleranzen und damit weniger Spiel in den Lagern haben wir hier aber große Fortschritte gemacht", sagt Spindler und verweist auf seine wälzgelagerte "Ausgleichswelle", die mittlerweile in Motoren von Daimler und Fiat für mehr Laufruhe sorgt und immerhin zu etwa zwei Prozent Spriteinsparung führt.

Experten halten es für realistisch, die Reibung in Motor und Getriebe insgesamt um 30 bis 50 Prozent zu senken, was einer Spritersparnis von 8 bis 13 Prozent entsprechen würde. Zumindest die Reibflächen ohne Beschichtung könnten die Autofahrer schon heute durch richtiges Einfahren selbst optimieren. Wenn denn die Autobauer mal ihre Bedienungsanleitungen auf den neuesten Stand der Forschung bringen würden. Doch selbst bei Daimler steht in den aktuellen Bordbüchern der C-, E- und S-Klasse unter "Einfahren": "Je mehr Sie am Anfang den Motor schonen, desto zufriedener werden Sie später mit der Motorleistung sein." Vergessen Sie es – und starten Sie einfach durch. (Wolfgang Richter) / (bsc)

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