Nas últimas décadas, questões sobre o controle de emissões em motores à combustão interna e sobre a redução de consumo de combustível vêm sendo debatidas globalmente, com claros desdobramentos em especificações de controles mais restritos, a fim de permitir a comercialização de novos motores à combustão interna a consumidores mais exigentes, que presam pela qualidade de vida e meio ambiente. Mesmo com a introdução de novas tecnologias, os motores ainda apresentam uma grande perda da energia gerada por conta do atrito mecânico. Com base neste contexto, os projetos dos novos motores visam uma melhor eficiência térmica e mecânica, com auxílio de soluções de engenharia que possam beneficiar o desempenho dos motores, resultando em uma melhor queima do combustível e menor atrito. Um dos contribuintes mais relevantes para o atrito num motor é o sistema pistão-anel de pistão-camisa de cilindro que é o foco de muitos trabalhos em busca da redução das perdas por atrito. As propriedades dos filmes à base de carbono tipo diamante (Diamond-Like Carbon - DLC) são bem conhecidas por apresentam alta resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito, tornando-se adequados para diferentes aplicações tribológicas. O presente trabalho discute a viabilidade técnica de se aplicar um filme DLC amorfo hidrogenado, com gradiente de composição química, sobre a superfície interna brunida de camisas de cilindro para redução do atrito. A metodologia aborda duas espessuras de filme: 2,5 e 12,5 μm, depositadas pelo processo de deposição química em fase vapor assistida por plasma (PACVD), como alternativa para redução do atrito do motor e, consequentemente, redução no consumo específico de combustível, e ainda na redução do desgaste dos anéis de pistão e da superfície de trabalho da camisa de cilindro. Comparando camisas de cilindro com mesma rugosidade na superfície interna, denominadas camisas de referência (sem revestimento interno) e camisas recobertas com filme DLC, testes de bancada com movimento recíproco de contato mostraram redução do coeficiente de atrito (COF) em até 19%. Testes de motor ciclo Otto e Diesel em banco de prova com dinamômetro conferiram, respectivamente, uma redução da pressão média efetiva de atrito (FMEP) do motor em até 12% e consumo específico de combustível (BSFC) em até 2,5% em rotações de 1000 a 1400 rpm. / In the last few decades questions about emissions level control for internal combustion engines as well as fuel consumption reduction have been debated in a global bases with clear deployments in more restricted control specifications to allow the commercialization of new internal combustion engines to more restrictive markets that look for a better life quality and environment. Even with the introduction of new technologies the engines still present a significant loss of energy due to the mechanical friction. With base in this context, the new development projects seek for high mechanical-thermal efficiency linked with engineer that can benefit the engine performance with a better combustion process and reduced friction as well. One of the most relevant contributors for the friction in an engine is the piston-piston ring-cylinder liner system which has been the focus of many research works with focus on reduce engine friction losses. The properties of Diamond-Like Carbon films (DLC) are well-known such as superior wear resistance and low friction coefficients that makes suitable for many different tribology applications. This work evaluates the application of a graded hydrogen amorphous DLC film with applied over cylinder liner running surface. The methodology approach two coating thickness: 2.5 and 12.5 μm, deposited by the plasma assisted chemical vapor deposition process (PACVD) as the alternative solution for engine friction reduction and thus a reduction on brake specific fuel consumption (BSFC), and a improved wear resistance behavior of the piston rings and cylinder liner contact surfaces as well. By using baseline parts without inner DLC coating and DLC coated parts with similar running roughness surfaces, comparative reciprocating bench tests showed a tendency of coefficient of friction (COF) reduction in up to 19%. In a same trend, fired gasoline and diesel engine tests showed a friction mean effective pressure reduction (FMEP) in to 12% and small brake specific fuel consumption (BSFC) in up to 2.5% at low engine speed range respectively.

Nas últimas décadas, questões sobre o controle de emissões em motores à combustão interna e sobre a redução de consumo de combustível vêm sendo debatidas globalmente, com claros desdobramentos em especificações de controles mais restritos, a fim de permitir a comercialização de novos motores à combustão interna a consumidores mais exigentes, que presam pela qualidade de vida e meio ambiente. Mesmo com a introdução de novas tecnologias, os motores ainda apresentam uma grande perda da energia gerada por conta do atrito mecânico. Com base neste contexto, os projetos dos novos motores visam uma melhor eficiência térmica e mecânica, com auxílio de soluções de engenharia que possam beneficiar o desempenho dos motores, resultando em uma melhor queima do combustível e menor atrito. Um dos contribuintes mais relevantes para o atrito num motor é o sistema pistão-anel de pistão-camisa de cilindro que é o foco de muitos trabalhos em busca da redução das perdas por atrito. As propriedades dos filmes à base de carbono tipo diamante (Diamond-Like Carbon - DLC) são bem conhecidas por apresentam alta resistência ao desgaste e baixo coeficiente de atrito, tornando-se adequados para diferentes aplicações tribológicas. O presente trabalho discute a viabilidade técnica de se aplicar um filme DLC amorfo hidrogenado, com gradiente de composição química, sobre a superfície interna brunida de camisas de cilindro para redução do atrito. A metodologia aborda duas espessuras de filme: 2,5 e 12,5 μm, depositadas pelo processo de deposição química em fase vapor assistida por plasma (PACVD), como alternativa para redução do atrito do motor e, consequentemente, redução no consumo específico de combustível, e ainda na redução do desgaste dos anéis de pistão e da superfície de trabalho da camisa de cilindro. Comparando camisas de cilindro com mesma rugosidade na superfície interna, denominadas camisas de referência (sem revestimento interno) e camisas recobertas com filme DLC, testes de bancada com movimento recíproco de contato mostraram redução do coeficiente de atrito (COF) em até 19%. Testes de motor ciclo Otto e Diesel em banco de prova com dinamômetro conferiram, respectivamente, uma redução da pressão média efetiva de atrito (FMEP) do motor em até 12% e consumo específico de combustível (BSFC) em até 2,5% em rotações de 1000 a 1400 rpm. / In the last few decades questions about emissions level control for internal combustion engines as well as fuel consumption reduction have been debated in a global bases with clear deployments in more restricted control specifications to allow the commercialization of new internal combustion engines to more restrictive markets that look for a better life quality and environment. Even with the introduction of new technologies the engines still present a significant loss of energy due to the mechanical friction. With base in this context, the new development projects seek for high mechanical-thermal efficiency linked with engineer that can benefit the engine performance with a better combustion process and reduced friction as well. One of the most relevant contributors for the friction in an engine is the piston-piston ring-cylinder liner system which has been the focus of many research works with focus on reduce engine friction losses. The properties of Diamond-Like Carbon films (DLC) are well-known such as superior wear resistance and low friction coefficients that makes suitable for many different tribology applications. This work evaluates the application of a graded hydrogen amorphous DLC film with applied over cylinder liner running surface. The methodology approach two coating thickness: 2.5 and 12.5 μm, deposited by the plasma assisted chemical vapor deposition process (PACVD) as the alternative solution for engine friction reduction and thus a reduction on brake specific fuel consumption (BSFC), and a improved wear resistance behavior of the piston rings and cylinder liner contact surfaces as well. By using baseline parts without inner DLC coating and DLC coated parts with similar running roughness surfaces, comparative reciprocating bench tests showed a tendency of coefficient of friction (COF) reduction in up to 19%. In a same trend, fired gasoline and diesel engine tests showed a friction mean effective pressure reduction (FMEP) in to 12% and small brake specific fuel consumption (BSFC) in up to 2.5% at low engine speed range respectively.

Cylinder liners in heavy-duty truck engines are subjected to intense vibrations and may sustain damage from the cavitation of bubbles in the coolant liquid, with some risks of leakage and engine breakdown. An ultrasonic oscillating probe was used to simulate the pitting rates and behavior of samples extracted from cylinder liners, which are made of grey cast iron, with differences in surface roughness, glycol and inhibitor content in coolant, coolant temperature and graphite flake class; bainitic microstructures were also tested. Measurements consisted of mass losses under set intervals during experiments lasting 2.5 or 4 hours. Affected surfaces were later evaluated with scanning electron microscopy and confocal microscopy. Results indicate higher cavitation damage with: lower concentrations of glycol and absence of corrosion/cavitation inhibitors in the coolant liquid, lower liquid temperatures between 76⁰C and 90⁰C, and presence of B-type graphite class in the microstructure. Results regarding surface roughness were inconclusive. A sequence of surface damage mechanisms has been proposed, with corresponding microscope observations, to explain the mass loss trends and the associated microstructural changes over time.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Einfluss der Porosität lichtbogendrahtgespritzter Zylinderlaufbahnen auf das Reibungsverhalten. Hierzu wird das fokussierte System aus Kolbenring, Schmierstoff und Lauffläche zunächst für einen repräsentativen Betriebspunkt per numerischer Abschätzung der Kolbenringzwischendrücke sowie der Schmierfilmdicke analysiert und eine Einteilung der Reibungszustände vorgenommen. Unter anderem auf Basis der strömungsmechanischen Ähnlichkeitstheorie erfolgt im Anschluss eine Ableitung von Betriebspunkten für experimentelle Untersuchungen an einem Mittelhub-Tribometer im Bereich der Grenzreibung sowie Mischreibung und Hydrodynamik. An diesem Modellprüfstand werden daraufhin zum einen Laufbahnsegmente differenter Porosität gegen einen nitrierten Kompressionsring bewertet. Neben skalaren Größen dienen wegaufgelöste Signale über dem Hub zur Analyse des Reibungsverhaltens. In Ergänzung zu den nitrierten Oberflächen wird das Potenzial einer ta-C Beschichtung zur Reibungsreduzierung bewertet. Die Übertragbarkeit der erarbeiteten Erkenntnisse auf den verbrennungsmotorischen Betrieb wird über eine Messreihe an einem Einzylinderprüfstand untersucht. Auch hier werden Oberflächendaten verwendet, um eine Korrelation zwischen den ermittelten Reibmitteldrücken respektive den wegaufgelösten Signalen und der Porosität herstellen zu können. Über diese experimentellen Untersuchungen hinaus wird das Verhalten des Schmierfilms zwischen dem Kolbenring und einzelner Poren der Lauffläche mit Hilfe der dreidimensionalen numerischen Strömungssimulation analysiert. Hierzu werden Laufbahnsegmente per Computertomographie vermessen, einzelne Porenobjekte isoliert und für die Simulation aufbereitet. Im Rahmen von stationären Berechnungen wird zunächst eine Vielzahl einzelner Objekte in einem abstrahierten System strömungsmechanisch untersucht. Die Analyse ausgewählter Poren in transienten Strömungssimulationen und die Bewertung der Übertragbarkeit der Erkenntnisse schließen diese Arbeit ab.:1. Einleitung und wissenschaftliche Zielsetzung 1.1. Einführung 1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2. Grundlagen 2.1. Grundlagen der Tribologie 2.1.1. Reibung 2.1.2. Verschleiß 2.1.3. Schmierung und Schmierstoffe 2.2. Geometrische Charakterisierung von Oberflächen 2.3. Amorphe Kohlenstoffschichten 2.4. Kolbengruppe und Zylinderlaufbahn 2.5. Strömungsmechanik 2.5.1. Strömungsmechanische Grundlagen 2.5.2. Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3. Methoden 3.1. Topographie von Oberflächen 3.1.1. Konfokalmikroskopie 3.1.2. Computertomographie 3.2. Untersuchung tribologischer Eigenschaften 3.2.1. Mittelhub-Tribometer 3.2.2. Einzylinderprüfstand 3.3. Numerische Strömungssimulation 3.3.1. Vernetzungsmethoden 3.3.2. Finite-Differenzen-Methode 3.3.3. Finite-Volumen-Methode 3.3.4. Instationäre Strömungen 3.3.5. Turbulente Strömungen 3.3.6. Kompressible Strömungen 4. Analyse des Systems aus Kolbenring, Schmierstoff und Zylinderlaufbahn 4.1. Bewertung der Kolbenringzwischendrücke 4.2. Numerische Berechnung der Schmierfilmdicke 4.3. Analyse der Reibzustände 5. Experimentelle Analyse 5.1. Untersuchungen am Mittelhub-Tribometer 5.1.1. Ableitung der Betriebspunkte, des Prüfablaufs und der Versuchsmatrix 5.1.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.1.3. Signalaufbereitung und -bewertung 5.1.4. Ergebnisse im Bereich der Grenzreibung 5.1.5. Ergebnisse im Bereich der Mischreibung und Hydrodynamik 5.2. Untersuchungen am befeuerten Einzylinderprüfstand 5.2.1. Prüfablauf und Versuchsmatrix 5.2.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.2.3. Ergebnisse der Messungen am Einzylinderprüfstand 5.3. Übertragbarkeit der Messergebnisse für den repräsentativen Betriebspunkt 6. Strömungssimulation des Schmierfilms 6.1. Extraktion und Aufbereitung der Poren aus der Zylinderlaufbahn 6.1.1. Vermessung und Aufbereitung der Laufbahnsegmente 6.1.2. Extraktion und Aufbereitung der Poren 6.2. Stationäre Strömungssimulation 6.2.1. Modellierung des Systems und Automatisierung der Berechnung 6.2.2. Ergebnisse 6.3. Transiente Strömungssimulation 6.3.1. Modellierung des Systems 6.3.2. Ergebnisse 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. Zusammenfassung 7.2. Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Nomenklatur A. Anhang A.1. Anhang zu Kapitel 5 A.2. Anhang zu Kapitel 6 / This work deals with the influence of the porosity of twin wire arc sprayed cylinder liner on the friction behavior. For this purpose, the focused system of piston ring, lubricant and liner is first analyzed for a representative operating point by numerical estimation of the piston ring intermediate pressures as well as the lubricant film thickness and a classification of the friction states is carried out. Among other things, based on the mechanics of flow similarities, a calculation of operating points for experimental investigations on a medium stroke tribometer in the field of boundary friction as well as mixed and hydrodynamic friction is done subsequently. After that, on this model test bench, cylinder segments of different porosity are evaluated against a nitrided piston ring. Beside scalar values, signals above the stroke are used to analyze friction behavior. In addition to the nitrided surfaces, the potential of a ta-C coating for friction reduction is investigated. The transferability of the developed findings to the combustion-engined operation is evaluated via a series of measurements on a single cylinder test bench. Here, too, surface data is used to establish a correlation between the mean effective pressure of frictional forces determined or the signals above the stroke and the porosity. In addition to these experimental investigations, the behaviour of the lubricant film between the piston ring and single pores of the cylinder surface is evaluated using the three-dimensional numerical flow simulation. For this purpose, liner segments are measured by computed tomography, individual pore objects are isolated and processed for simulation. In the context of stationary calculations, a large number of individual objects are first examined in an abstracted system. The analysis of selected pores in transient flow simulations and the evaluation of the transferability of the findings complete this work.:1. Einleitung und wissenschaftliche Zielsetzung 1.1. Einführung 1.2. Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 2. Grundlagen 2.1. Grundlagen der Tribologie 2.1.1. Reibung 2.1.2. Verschleiß 2.1.3. Schmierung und Schmierstoffe 2.2. Geometrische Charakterisierung von Oberflächen 2.3. Amorphe Kohlenstoffschichten 2.4. Kolbengruppe und Zylinderlaufbahn 2.5. Strömungsmechanik 2.5.1. Strömungsmechanische Grundlagen 2.5.2. Grundgleichungen der Strömungsmechanik 3. Methoden 3.1. Topographie von Oberflächen 3.1.1. Konfokalmikroskopie 3.1.2. Computertomographie 3.2. Untersuchung tribologischer Eigenschaften 3.2.1. Mittelhub-Tribometer 3.2.2. Einzylinderprüfstand 3.3. Numerische Strömungssimulation 3.3.1. Vernetzungsmethoden 3.3.2. Finite-Differenzen-Methode 3.3.3. Finite-Volumen-Methode 3.3.4. Instationäre Strömungen 3.3.5. Turbulente Strömungen 3.3.6. Kompressible Strömungen 4. Analyse des Systems aus Kolbenring, Schmierstoff und Zylinderlaufbahn 4.1. Bewertung der Kolbenringzwischendrücke 4.2. Numerische Berechnung der Schmierfilmdicke 4.3. Analyse der Reibzustände 5. Experimentelle Analyse 5.1. Untersuchungen am Mittelhub-Tribometer 5.1.1. Ableitung der Betriebspunkte, des Prüfablaufs und der Versuchsmatrix 5.1.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.1.3. Signalaufbereitung und -bewertung 5.1.4. Ergebnisse im Bereich der Grenzreibung 5.1.5. Ergebnisse im Bereich der Mischreibung und Hydrodynamik 5.2. Untersuchungen am befeuerten Einzylinderprüfstand 5.2.1. Prüfablauf und Versuchsmatrix 5.2.2. Analyse der Oberflächen der Versuchsteile 5.2.3. Ergebnisse der Messungen am Einzylinderprüfstand 5.3. Übertragbarkeit der Messergebnisse für den repräsentativen Betriebspunkt 6. Strömungssimulation des Schmierfilms 6.1. Extraktion und Aufbereitung der Poren aus der Zylinderlaufbahn 6.1.1. Vermessung und Aufbereitung der Laufbahnsegmente 6.1.2. Extraktion und Aufbereitung der Poren 6.2. Stationäre Strömungssimulation 6.2.1. Modellierung des Systems und Automatisierung der Berechnung 6.2.2. Ergebnisse 6.3. Transiente Strömungssimulation 6.3.1. Modellierung des Systems 6.3.2. Ergebnisse 7. Zusammenfassung und Ausblick 7.1. Zusammenfassung 7.2. Ausblick Literatur Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Nomenklatur A. Anhang A.1. Anhang zu Kapitel 5 A.2. Anhang zu Kapitel 6

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / A texturização superficial é uma importante ferramenta a ser utilizada na diminuição do atrito em contatos lubrificados, sendo sua eficácia atestada tanto em simulações como experimentalmente. Uma grande barreira para a utilização em escala industrial da texturização superficial e a dificuldade de se encontrar métodos de inserção destes padrões superficiais que combinem rapidez de implementação e baixo custo, tornando assim a técnica mais competitiva. O objetivo deste trabalho é investigar a viabilidade de se inserir texturas superficiais na superfície interna de cilindros automotivos de ferro fundido cinzento, utilizando método de texturização superficial sem mascaramento (MECT), o qual combina baixo custo e elevada velocidade de texturização. Uma vez estabelecidos os parâmetros de texturização do método MECT para o ferro fundido cinzento, foram conduzidos ensaios anel-bloco a fim de comparar os ganhos na redução do atrito e do desgaste de amostras texturizadas quando comparadas a amostras polidas mecanicamente e eletroquimicamente. O MECT se mostrou um método viável, rápido e de baixo custo para texturização de camisas de cilindros automotivos. Nos ensaios anel-bloco as amostras texturizadas superficialmente apresentaram menores coeficiente de atrito e volume desgastado em relação as amostras polidas mecanicamente e eletroquimicamente. / Surface texturing is an important tool to be used for reduction of the friction force in lubricated contacts, being its effectiveness evidenced in simulations and experimentally. A major barrier to use surface texturing in an industrial scale is the difficulty of finding application methods of these surface patterns that combine both high speed and low cost, thus making the surface texturing a more competitive technique. The objective of this work is to investigate the potentiality of inserting surface textures on the inner surface of an automotive cylinder liner made of grey cast iron, using Maskless Electrochemical Texturing Method (MECT), which is a both low cost and high-speed texturing process. Once established the texturing parameters for the method MECT for the grey cast iron, were made Block-on-Ring tests to compare the improvement in reducing friction force and wear of the textured samples in comparison with samples mechanically and electrochemically polished. The method MECT proved to be a viable method for texturing of automotive cylinder liners, being both fast and low cost. In the Block-on-Ring tests, the texturized samples showed lower friction coefficient and wear volume compared to the mechanically and electrochemically polished samples. / Dissertação (Mestrado)

The constant pursuit in the automotive industry to increase the engines performance, new solutions are always developed and tested to reduce the friction and increase the efficiency in the engine. One component that contributes to friction losses is the piston ring pack where the top compression stands for up to 40 %. This master thesis collaborated with Scania’s material science department Basic engine and covers the friction and wear of four different materials on the cylinder liner surface against the top compression ring.The four tested materials were grey cast iron with different honing quality and three atmospheric plasma sprayed coatings with titanium oxide, chromium oxide and Metco’s mixture F2071 which is a stainless steel mixed with a ceramic. A martensitic steel piston ring with a chromium coated sliding surface was used for all the testing in the Cameron-Plint TE77 test-rig. This is a pin-on-disc test method and the parameters used for testing is set to replicate the environment the ring is exposed to at the top dead centre.The test-rig has been in Scania’s possession for a long time and has not always given a satisfying result. An uneven contact between the ring and liner has been a problem resulting in only worn edges of the liner specimen. The piston ring holder was therefore redesigned to be able to adjust the radius of the ring. This allowed a good conformability between the ring and liner to be obtained.The tested materials were evaluated according to friction and wear. Friction was measured with the test-rig and the wear was calculated with surface profiles that were measured before and after testing. Worn surfaces were studied in a SEM to verify which wear mechanism that was active. The changes of the surfaces was studied with the use of following surface parameters Ra, Rk, Rpk, Rvk and if there was a connection between these parameters and friction and wear coefficient.Independent of honing quality showed the grey cast iron lowest friction coefficient just under 0.13, the F2071 liner showed a friction coefficient just above 0.13. Both oxide layers showed similar friction where the chromium oxide had a friction just below 0.15 and the titanium oxide lay just above 0.15. Lowest wear coefficient had the chromium oxide followed by F2071, titanium oxide and the bad honed grey cast iron. These three liners showed almost the exact same wear coefficient. Worst wear coefficient had the grey cast iron with a good honing quality. A mild abrasive wear mechanism was active during the wear test and vague wear marks was found on the surface. There is no connection between wear coefficient and friction and the change in surface roughness during the test does not affect the friction.

La microgéométrie de la surface de la chemise joue un rôle très important dans les pertes par frottement et dans la consommation de l’huile dans un moteur à combustion interne. Une des texturations classiques de cette surface est celle créée par pierrage. Elle se compose de plateaux plus ou moins lisses et de profondes stries croisées. L’´épaisseur du film d’huile est influencée fortement par cette texturation. Un modèle simplifié du contact segment chemise a été créé en la présence de la microgéométrie. Puis, un code de calcul basé sur la méthode numérique multigrille a été développé. Ce code a été utilisé pour des études paramétriques avec des jeux de paramètres très variés. Les calculs quantifient l’influence de cette microgéométrie particulière sur la relation film d’huile - portance. Les résultats mettent en évidence deux mécanismes distincts de génération de portance selon le type du segment. Le segment parabolique porte par son convergent et les stries ne font que diminuer cette portance. Inversement, le segment plat ne porte pas et ce sont les stries qui génèrent la portance. Deux modèles de prédiction ont finalement été déduits, un pour les segments paraboliques et un pour les segments plats. Ces deux prédictions ont ensuite été validées par des calculs sur des surfaces mesurées; / The liner microgeometry influences the friction losses and the oil consumption in IC engines. The cross-hatched texturing, created by the honing process, plays an essential part in the load carrying capacity - film thickness relation. This work studies the influence of the crosshatched groove parameters on the piston ring load carrying capacity. First, a simplified model of the hydrodynamic contact has been created. Thus a Multigrid based code was developed. Calculations with different sets of microgeometric parameters have been performed. These calculations quantify the load carrying capacity for both parabolic and flat rings. The results show that the load carrying capacity is generated differently in both cases. For the parabolic case, the pressure is build up by the wedge in the inlet zone and the grooves decrease the global load carrying capacity. In the flat case the grooves generate the total load carrying capacity. Finally, two prediction models were deduced for the parabolic ring and for the flat ring. These predictions were validated by measured surface calculations.

This diploma thesis is focused on creating a finite element method model of a four-stroke engine with a purpose to determine an impact on cylinder bore distortion caused by several types of loading. Introduction of this work covers research of possibilities in modelling thermal-structural analysis of cylinder liner and verifications of the analysis results. An Ansys model was further created and cylinder liner radial deformation caused by head bolts tightening and thermal loading coming from combustion was determined. Finally, a whole engine working cycle was simulated with a gas pressure loading and its final impact on the total cylinder liner radial deformation was defined.

Die Anforderungen an die Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Leistungspotentiale sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Die zunehmende Leistungsdichte, aufgrund eingesetzter Konzepte wie Downsizing und Aufladung, führt gerade an der Zylinderlaufbahn zu ansteigenden thermischen und mechanischen Belastungen. Aktuelle Konzepte, wie z.B. Aluminium-Silizium-Legierungen erreichen dabei ihre Belastungsgrenzen, so dass zur Absicherung der Funktion Grauguss - Legierungen in Buchsenform eingesetzt werden. Dies führt jedoch wiederum zu einem Motormehrgewicht mit direkter Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch und damit auch Emissionen. Die Umsetzung von alternativen Laufbahnkonzepten, die diesen Anforderungen gewachsen sind und dabei optimales Reibungs- und Verschleißverhalten zeigen, steht daher im Fokus aktueller Entwicklungsarbeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die anodische Oxidation von Aluminiumoberflächen als potentielles Zylinderlaufbahnkonzept untersucht. Es wurden Laufbahnen aus der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 mit zwei unterschiedlichen Keramik-Schichten erzeugt. Die Kepla-Coat R-Schicht basierend auf dem Gleichstromprozess der Firma AHC Oberflächentechnik GmbH, ein Unternehmen der AIMT Holding, und die G2 - Schicht auf Basis des Wechselstromprozesses der Firma Keronite. Die Schichtcharakterisierung hat gezeigt, dass sich die Schichtzusammensetzungen und -strukturen in Abhängigkeit von Prozessparameter und Elektrolyt unterscheiden. Nach einer mechanischen Nachbearbeitung zur Glättung der Oberfläche und Freilegung der prozessbedingten Porosität, erfolgte die tribologische Bewertung sowohl in Tribometer-Modellversuchen mit oszillierender und rotierender Kinematik als auch unter realen Betriebsbedingungen an einem befeuerten Einzylindermotor. Untersucht wurden Fresslasten sowie das Reibungs- und Verschleißverhalten. Verwendet wurden unterschiedliche Kolbenring - Laufbahn -Paarungen in Kombination mit unterschiedlichen Ölen. Als Kolbenringe kamen nitrierte, CKS-, CrN-, ta-C- und GG-Kolbenringe zum Einsatz. Im Rahmen der Fresslastuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die maximale Belastung der G2 - Schicht bei ca. 500 N und die der Kepla-Coat R-Schicht bei ca. 200 N liegt. Auf dem gleichen Niveau wie Aluminium - Silizium - Legierungen liegend, war letztere für den motorischen Einsatz ungeeignet. Die G2 - Schicht erfüllte dahingegen die Anforderungen sowohl im Rotationstribometer, in dem die kritischen Verhältnisse des Zwickelbereichs stationär nachgebildet wurden, als auch diejenigen in den motorischen Untersuchungen. In den untersuchten Systemen konnte in Abhängigkeit von unterschiedlichen Kolbenringen und Ölen jedoch kein Reibungsvorteil zum Seriensystem bestimmt werden. Während die Kolbenringbeschichtung im Modellversuch zu unterschiedlichen Reibzahlen führte, konnte im realen Ring / Laufbahn - System nur ein untergeordneter Einfluss auf die Reibung festgestellt werden. Im Rahmen der Verschleißbetrachtung der Kolbenringe konnte für den Modelltest und den Einzylindermotor ein gleiches Ranking festgestellt werden. Der Verschleiß zeigte dabei eine Abhängigkeit zur Ringoberflächenhärte. Von den untersuchten Ringen zeigt der ta-C - beschichtete Kolbenring den geringsten Verschleiß. In den Untersuchungen hinsichtlich Laufbahnverschleiß konnte gezeigt werden, dass die Keronite - Laufbahnen bis zu Kontaktpressungen von 200 bar eine maximale Verschleißgeschwindigkeit von 10 nm/h aufweisen. Eine höhere Verschleißgeschwindigkeit wurde bei 150 und 200 bar mit 5 m/s Gleitgeschwindigkeit gemessen. Sie lagen bei ca. 16 nm/h. Im Vergleich mit Serienbauteilen sind das nur wenige Prozent.

Die Anforderungen an die Verbrennungsmotoren im Hinblick auf Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Leistungspotentiale sind in den letzten Jahren stark gestiegen. Die zunehmende Leistungsdichte, aufgrund eingesetzter Konzepte wie Downsizing und Aufladung, führt gerade an der Zylinderlaufbahn zu ansteigenden thermischen und mechanischen Belastungen. Aktuelle Konzepte, wie z.B. Aluminium-Silizium-Legierungen erreichen dabei ihre Belastungsgrenzen, so dass zur Absicherung der Funktion Grauguss - Legierungen in Buchsenform eingesetzt werden. Dies führt jedoch wiederum zu einem Motormehrgewicht mit direkter Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch und damit auch Emissionen. Die Umsetzung von alternativen Laufbahnkonzepten, die diesen Anforderungen gewachsen sind und dabei optimales Reibungs- und Verschleißverhalten zeigen, steht daher im Fokus aktueller Entwicklungsarbeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die anodische Oxidation von Aluminiumoberflächen als potentielles Zylinderlaufbahnkonzept untersucht. Es wurden Laufbahnen aus der Druckgusslegierung AlSi9Cu3 mit zwei unterschiedlichen Keramik-Schichten erzeugt. Die Kepla-Coat R-Schicht basierend auf dem Gleichstromprozess der Firma AHC Oberflächentechnik GmbH, ein Unternehmen der AIMT Holding, und die G2 - Schicht auf Basis des Wechselstromprozesses der Firma Keronite. Die Schichtcharakterisierung hat gezeigt, dass sich die Schichtzusammensetzungen und -strukturen in Abhängigkeit von Prozessparameter und Elektrolyt unterscheiden. Nach einer mechanischen Nachbearbeitung zur Glättung der Oberfläche und Freilegung der prozessbedingten Porosität, erfolgte die tribologische Bewertung sowohl in Tribometer-Modellversuchen mit oszillierender und rotierender Kinematik als auch unter realen Betriebsbedingungen an einem befeuerten Einzylindermotor. Untersucht wurden Fresslasten sowie das Reibungs- und Verschleißverhalten. Verwendet wurden unterschiedliche Kolbenring - Laufbahn -Paarungen in Kombination mit unterschiedlichen Ölen. Als Kolbenringe kamen nitrierte, CKS-, CrN-, ta-C- und GG-Kolbenringe zum Einsatz. Im Rahmen der Fresslastuntersuchungen konnte gezeigt werden, dass die maximale Belastung der G2 - Schicht bei ca. 500 N und die der Kepla-Coat R-Schicht bei ca. 200 N liegt. Auf dem gleichen Niveau wie Aluminium - Silizium - Legierungen liegend, war letztere für den motorischen Einsatz ungeeignet. Die G2 - Schicht erfüllte dahingegen die Anforderungen sowohl im Rotationstribometer, in dem die kritischen Verhältnisse des Zwickelbereichs stationär nachgebildet wurden, als auch diejenigen in den motorischen Untersuchungen. In den untersuchten Systemen konnte in Abhängigkeit von unterschiedlichen Kolbenringen und Ölen jedoch kein Reibungsvorteil zum Seriensystem bestimmt werden. Während die Kolbenringbeschichtung im Modellversuch zu unterschiedlichen Reibzahlen führte, konnte im realen Ring / Laufbahn - System nur ein untergeordneter Einfluss auf die Reibung festgestellt werden. Im Rahmen der Verschleißbetrachtung der Kolbenringe konnte für den Modelltest und den Einzylindermotor ein gleiches Ranking festgestellt werden. Der Verschleiß zeigte dabei eine Abhängigkeit zur Ringoberflächenhärte. Von den untersuchten Ringen zeigt der ta-C - beschichtete Kolbenring den geringsten Verschleiß. In den Untersuchungen hinsichtlich Laufbahnverschleiß konnte gezeigt werden, dass die Keronite - Laufbahnen bis zu Kontaktpressungen von 200 bar eine maximale Verschleißgeschwindigkeit von 10 nm/h aufweisen. Eine höhere Verschleißgeschwindigkeit wurde bei 150 und 200 bar mit 5 m/s Gleitgeschwindigkeit gemessen. Sie lagen bei ca. 16 nm/h. Im Vergleich mit Serienbauteilen sind das nur wenige Prozent.