Experimentelle Untersuchung von anodischen Oxidationsbeschichtungen zur Reduktion der Wandwärmeverluste am Dieselmotor

Autoren

Dipl.-Ing. Dr.techn. P. Rumplmayr, Dipl.-Ing. Dr.techn. E. Schutting, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. H. Eichlseder, Technische Universität Graz;
Dipl.-Ing. (FH) H. Mitterecker, AVL List GmbH, Graz

Jahr

2020

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 813

Zusammenfassung

Theoretische Untersuchungen zur Reduktion der Wandwärmeverluste durch den Einsatz von Beschichtungen prophezeiten in der Vergangenheit sowie gegenwärtig eine Verbrauchsreduktion in Verbindung mit einer Anhebung des Abgastemperaturniveaus. Diese Effekte konnten allerdings nur im Ausnahmefall durch Messungen bestätigt werden. Im Zuge dieser Untersuchung wurden die beiden versiegelten anodischen Oxidationsbeschichtungen „plasma electrolytic oxidation“ und „sealed hard anodizing“ nach derzeitigem Stand der Technik bewertet.
Zu Beginn der Untersuchung wurde das Potential dieser Beschichtungen unter Zuhilfenahme verschiedener Simulationswerkzeuge abgeschätzt. Den Materialeigen-schaften zufolge, bietet die Beschichtung „plasma electrolytic oxidation“ das größte Potential. Für eine 60 μm dicke Kolbenbodenbeschichtung ergibt eine Simulation mit heute etablierten 0D-Methoden im betrachteten Basispunkt mit hoher Last eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um 4.3 g/kWh sowie einer Erhöhung der Abgastemperatur um 9.2 K. Die experimentelle Untersuchung von beschichteten Kolben am Einzylinder-Forschungsmotor zeigte allerdings keinerlei messbare Effekte, die auf eine tatsächliche Isolierwirkung der Beschichtungen hinweisen würden. Trotz des Einsatzes hochpräziser Messtechnik konnten die Simulationsergebnisse nicht bestätigt werden. Die Messergebnisse wurden einer statistischen Auswertung unterzogen um sowohl die Messgenauigkeit als auch die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bei dem Vergleich nicht außer Acht zu lassen. Einzig bei der Beschichtung „sealed hard anodizing“ wurde bei höherer Motorlast ein schlechterer Liefergrad und dadurch bedingt, eine geringfügig erhöhte Abgastemperatur gemessen. Dieser Effekt ist jedoch nicht förderlich für den motorischen Betrieb. Eine abschließende Analyse legte die Vermutung nahe, dass sich der Wärmeübergang zwischen Arbeitsgas und Brennraumwand im beschichteten Fall deutlich zu ändern scheint. Um diesbezüglich Klarheit zu schaffen ist eine tiefergreifende Erforschung der grundlegenden Mechanismen des Wärmeübergangs in der Grenzschicht erforderlich.