Ultraniedrige Reibung von SSiC-Gleitpaarungen unter Schmierung mit niedrigviskosem Isooktan

7.3.2019

© Fraunhofer IWM

Reibungszahlverläufe für selbstgepaartes SSiC im Isooktan geschmierten Gleitkontakt unter dem Einfluss unterschiedlicher Umgebungsatmosphären (FN = 200 N, f = 20 Hz, Δs = 5 mm, 45±2% rF, 21,5±2°C)

M.Sc. Paul Schreiber, Dr.-Ing. Johannes Schneider

Um die Vorgaben hinsichtlich der zulässigen Partikelemissionen einhalten zu können, werden Ottomotoren mit Direkteinspritzung heute fast ausschließlich in Kombination mit Partikelfiltern im Abgasstrang eingesetzt. Eine vielversprechende Möglichkeit nicht nur den Kraftstoffverbrauch, sondern insbesondere auch die Partikelemissionen signifikant zu reduzieren, stellt die Erhöhung des aktuell in der Serienanwendung typischerweise bei 200 bis 300 bar liegenden Einspritzdruckes auf Werte um 600 bar dar. Bei diesen hohen Einspritzdrücken kommen allerdings die heute eingesetzten Materialien in den mit Kraftstoff geschmierten Gleitkontakten der Hochdruckpumpe an ihre Belastungsgrenzen. Als mögliche Lösung bieten sich hier gesinterte Siliziumkarbid-Keramiken (SSiC) an, von denen bekannt ist, dass sie in wässrigen Medien unter günstigen Beanspruchungsbedingungen zu ultraniedrigen Reibungszahlen von < 0,01 („Superlubricity“) führen können.

Am µTC wurden deshalb im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes „HDBE – Hochdruck-Benzindirekteinspritzung“ (Förderkennzeichen 19U15005E) Modelluntersuchungen an SSiC-Tribopaarungen im reversierenden Gleitkontakt unter Tauchbadschmierung mit Isooktan als Modellkraftstoff durchgeführt. Dabei konnten sowohl bei Versuchen in feuchter Umgebungsluft mit ca. 45% relativer Luftfeuchte als auch Stickstoffatmosphäre nach dem Einlaufen der Gleitpaarungen in konformer Pellet-Platte-Konfiguration extrem niedrige Reibungszahlen von unter 0,003 ermittelt werden. In wässrigen Medien wurden solch niedrige Reibungszahlen auf elektrochemische, Ionen-basierte Oberflächeneffekte zurückgeführt. Diese Erklärungsansätze sind für das unpolare Isooktan allerdings nicht plausibel. Auf Basis der Untersuchungen in unterschiedlichen Umgebungen (feuchte und trockene Luft, Stickstoff) sowie umfangreicher topographischer, mikroskopischer und oberflächenanalytischer Nachuntersuchungen konnte das günstige Reibungsverhalten der SSiC-Gleitpaarungen trotz der sehr geringen Viskosität (0,47 mPa·s) des Isooktans auf die Ausbildung eines die tribologischen Wirkflächen vollständig trennenden Flüssigkeitsfilm zurückgeführt werden. Voraussetzung für den Übergang in die Supraschmierfähigkeit war die Ausbildung einer hohen Konformität der Kontaktflächen sowie einer sehr geringen Rauheit der Oberflächen während des Einlaufens. Zudem hatte die Umgebungsatmosphäre insbesondere während des Einlaufs signifikante Auswirkungen auf die im Kontakt ablaufenden Vorgänge. Ungeachtet der Tatsache, dass die Reibpaarungen zu jedem Zeitpunkt der Experimente vollständig von Isooktan umgeben waren, weist das SSiC unter tribologischer Belastung also eine hohe Sensitivität bezüglich äußerer Umgebungseinflüsse auf - was sich letzten Endes auf oberflächenchemische Prozesse zurückführen lässt.

Publikation in Tribology International: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2019.01.031

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