Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM

Hochleistungs-Kohlenstoffschichten für reibungsoptimierte Motorenkomponenten (PROMETHEUS)

Abgeschlossenes Forschungsprojekt

Entwicklung innovativer ta-C-basierter Beschichtungen und Schmierstoffe zur ganzheitlichen tribologischen Optimierung aller kritischen Motorkomponenten (Ventiltrieb, Kolbenring, Zylinderwand, Pleuel), um Reibungsverluste in Verbrennungsmotoren signifikant zu reduzieren und damit Energieverbrauch und CO2-Emissionen um bis zu 40% zu senken

Projektbeschreibung

Etwa 40% der Energieverluste in Verbrennungsmotoren entstehen durch Reibung zwischen beweglichen Motorkomponenten (Kolben-Zylinder, Ventiltrieb, Pleuelstange-Kurbelwelle, Wälzlager). Diese Reibungsverluste führen zu erhöhtem Kraftstoffverbrauch, höheren CO2-Emissionen und verkürzter Komponentenlebensdauer. Bisherige Forschungsprojekte (PEGASUS II, CHEOPS) adressierten tribologische Maßnahmen isoliert: jeweils einzelne Beschichtungen, Schmierstoffe oder Oberflächenstrukturen für spezifische Motorteile. Das additive Wirkungsprinzip führte oft nicht zu den theoretisch erwarteten Reibungsreduzierungen.

Im Projekt PROMETHEUS wurde ein systemischer Ansatz erforscht und entwickelt, um Reibungsverluste zu reduzieren:

  • Ganzheitliche Betrachtung aller Motorkomponenten im Zusammenhang
  • Multiskalige Triboooptimierung zur Integration von Schmierung, Beschichtung, Oberflächentopographie und Motorauslegung
  • Numerische Tribologie auf Komponenten- und Motorebene

Technische Kernlösungen sind:

  • ta-C:X-Schichten (dotierter diamantähnlicher Kohlenstoff) mit optimierter tribochemischer Wechselwirkung mit Motoröl-Additiven
  • Innovative Motoröle mit neuen Additivpaketen für ta-C-Kontakte
  • Oberflächengeometrien (Oberflächenrauheit, Mikrostrukturierung) abgestimmt auf Gleit- und Wälzkontakte
  • Motorengeometrie-Anpassungen (z.B. Kolbenring-Designs) unter Berücksichtigung tribologischer Optimierungen

Arbeitspakete des Fraunhofer IWM waren:

  • Experimentelle Tribologie und Schmierstofftests unter Motorenbedingungen (hohe Temperaturen, variierende Lasten, hohe Gleitgeschwindigkeiten)
  • Atomistische und kontinuumsmechanische Simulation der Schmierstoff-Beschichtungs-Wechselwirkungen
  • Oberflächenanalytik: Charakterisierung von Tribofilmen, Verschleißmechanismen und tribochemischen Prozessen
  • Nanoanalytik zum Supraschmierungsmechanismus
  • Tribologische Optimierung für Demonstrator-Motorkomponenten

Fraunhofer IWM und IWS publizierten in Nature Communications (2019) einen universellen Mechanismus der Supraschmierung (reibungsfreie Gleitung mit μ < 0,01) in ta-C-/organischen Schmierstoff-Systemen – ein Schlüsselergebnis für PROMETHEUS.

Transfer der Projektergebnisse in folgende FuE-Leistungen des Fraunhofer IWM für Unternehmen:

  • Entwicklung von Hochleistungsschichten für Motorkomponenten (Kolbenringe, Ventile, Lagerschalen)
  • Tribosimulation auf Systemebene: Numerische Prognose von Reibung und Energieverlusten in Motorkomponenten und Identifikation von Reibungsminderungspotenzialen

Förderhinweis