Selbstschmierung von Kolben mit Hilfe neuartiger Nanoverbundwerkstoffe
Die reibungslose Kolbenbewegung hat für das Funktionieren von Dieselmotoren eine ganz entscheidende Bedeutung. Der Kolben bewegt sich nach unten, um Luft anzusaugen und dann wieder nach oben , um diese Luft zu verdichten. Wird der Kraftstoff eingespritzt und zündet die Wärme der verdichteten Luft unter Druck stehende Mischung, drückt die sich ereignende Explosion den Kolben erneut mit großer Kraft nach unten. Dann bewegt sich der Kolben wieder nach oben, um das Abgas zu verdrängen. Dieser kontinuierliche Zyklus erfordert die reibungslose Bewegung der Teile und damit eine reibungsreduzierende Schmierung, um den Wirkungsgrad zu steigern und Emissionen zu verringern. Man initiierte das Napilis-Projekt ("Nanocomposites for piston/liner systems"), um neue Werkstoffe und Verfahren zur Herstellung von Zweiphasen-Nanokompositmaterialien zu entwickeln, die aus einer Matrix bestehen, die mit selbstschmierenden Nanopartikeln durchsetzt ist, um die mit der Kolbenbewegung verbundene Motorreibung deutlich zu reduzieren. Aufgrund von in der Anfangsphase der Arbeit auftretenden Problemen mit der Beschichtungsoptimierung konzentrierten sich die Forscher für die restliche Dauer des Projekts auf beschichtete Ringe anstelle beschichteter Laufbuchsen. Selbstschmierende Metall- und Keramikmatrix-Nanokomposite (Self-lubricating Metal and Ceramic Matrix Nanocomposite, SLMCMNC) sind bisher noch nie synthetisiert worden, da die zur Herstellung ähnlicher Mikroverbundwerkstoffe geeigneten Verfahren gefährlich für die den Nanopartikelpulvern ausgesetzten Beschäftigten gewesen wären, und mit anderen herkömmlichen Verfahren keine Zweiphasenmaterialien produziert werden konnten. Die Forscher entwickelten neuartige mehrphasige und multifunktionale Beschichtungen, die für einen verringerten Ölverbrauch sowie weniger Reibung und Verschleiß sorgen. Im Folgenden erforschten sie ein neues Weiterverarbeitungsverfahren, das die Synthese von Zweiphasenmaterialien auf der Nanometerebene ermöglicht. Motortests wiesen eine verbesserte Motorleistung, reduzierte Reibung und erhöhte Fressverschleißfestigkeit nach. Das Team überführte die Prototyp-Fertigungseinrichtungen in einen industriellen Maßstab. Die Umsetzung auf großen Maschinen an Partnerstandorten konnte Erfolge verbuchen. Schließlich entwickelten die Wissenschaftler ein detailliertes ökonomisches Bewertungsmodell, das die Bestimmung der Beschichtungstückkosten erleichtert, und somit das Erreichen von Kostenzielen überprüft. Insgesamt realisierte das Napilis-Projekt erstmals eine SLMCMNC-Synthese, setzte sich zur Beschichtungen von Kolbenringen ein und demonstrierte die industrielle Prozessfähigkeit vor Ort. Eine Kommerzialisierung der Werkstoffe und Verfahren sowie deren anschließender Einsatz in Dieselmotoren könnte Kraftstoffverbrauch und Emissionen erheblich verringern und gleichzeitig zu einer besseren Wettbewerbsfähigkeit Europas auf vielen verwandten Gebieten beitragen.
