Geringere CO2-Emissionen durch Dichtsystemoptimierung

Um die ab 2020 geltenden Flotten-Emissionsziele zu erreichen, arbeiten die Automobilhersteller unter Hochdruck daran, die Reibung im gesamten An-triebsstrang zu verringern. So lässt sich der CO2-Ausstoß eines Fahrzeugs durch die richtige Wahl der Hauptabdichtungen in Motor und Getriebe signifikant reduzieren. Der Dichtungsspezialist Freudenberg Sealing Technologies hat untersucht, wie sich der Einsatz von reibungsoptimierten Dichtungssystemen unter Berücksichtigung von Temperatur, Druckverhältnissen sowie des Schaltverhaltens positiv auf den Treibstoffverbrauch auswirken. Dabei wurde deutlich, dass mit der bevorstehenden Umstellung auf den „Worldwide har-monized Light Vehicles Test Cycle“ (WLTC), die Reibungsreduzierung in den Dichtsystemen weiter an Bedeutung gewinnt.

Dichtungstechnik vor dem Systemwechsel

Moderne Radialwellendichtringe (RWDR) für den Fahrzeug-Antriebsstrang werden präzise auf ihre Anwendung hin so entwickelt, dass sich bei vergleichbarer Dicht-funktion deutlich weniger Reibung und Verschleiß einstellen. Damit verringert sich der Energiebedarf während des Betriebs und erhöht sich die Systemlebensdauer: Das Dichtelement ist geringeren Belastungen ausgesetzt, was in der Regel die Alterung der Dichtelemente verlangsamt. Insbesondere der Einsatz von PTFE-Dichtmanschetten und der daraus abgeleiteten Form für federlose Elastomer-RWDR, des sogenannten „Energy Saving Simmerrings“ (ESS), konnte das Verlust-reibungsniveau deutlich nach unten verschieben und das Risiko von Schäden am Dichtkontakt durch Überbeanspruchung (Ölkohlebildung, Materialverhärtung und Blasenbildung) reduzieren. Seit etwa 2005 konnte das Reibungsniveau vor allem bei PTFE-Simmerringen um circa 50% reduziert werden. Heute funktioniert das bei Elastomer- und PTFE-RWDR nur noch geringfügig durch Detailmodifikationen der Dichtkontaktflächen und einer Weiterentwicklung der Werkstoffe sowie durch die Optimierung des Schmierstoffs verbessert werden. Konstruktiv besteht kein Po-tenzial mehr, bedeutende Reibungsreduzierungen zu erreichen.

Weitere Verlustreibungsreduzierung lässt sich nur durch eine vollständige Umstel-lung des Dichtprinzips erreichen - weg von der Ölscherung im Dichtkontakt hin zu einer Luftscherung. Freudenberg Sealing Technologies hat daher in den vergange-nen Jahren die gasgeschmierte Gleitringdichtung Levitex© entwickelt, bei der Gleit- und Gegenring durch einen aerodynamisch erzeugten Luftspalt voneinander ge-trennt sind. Die Levitex©-Dichtung läuft deshalb berührungs- und nahezu reibungs-frei.

Komplexe Abhängigkeiten

Die Unterschiede der verschiedenen Dichtsysteme im Reibverhalten lassen sich am einfachsten im direkten Vergleich der Verlustreibung über der Drehgeschwindigkeit der Welle bei Variation von Druck und Temperatur erkennen. Während die Verlustleistung eines PTFE-RWDR annähernd linear mit der Drehzahl steigt, erreichen die konventionellen Designs bei zirka 7000/min ihr Verlustleistungsmaximum und fallen danach leicht ab. Bei der gasgeschmierten Gleitringdichtung verhält es sich dagegen komplett anders als bei den radial dichtenden Ringen. Sie startet mit einer relativ starken Verlustleistungszunahme bis zum Erreichen der Abhebedrehzahl, bei der die axial aufeinander gleitenden Flächen vollständig durch einen Luftfilm voneinander getrennt sind. Nach Überwinden der Abhebedrehzahl, die im Bereich der Lehrlaufdrehzahl eines modernen Verbrennungsmotors liegt, erzeugt nur noch die Luftscherung messbare Reibungsverluste.

Mit der Variation des Differenzdruckes im Dichtsystem ändert sich das Verlustleistungsniveau der unterschiedlichen Dichtsysteme stark. Je nach Design und Material wirkt sich ein Differenzdruck sehr deutlich auf die Veränderung der Radialkraft aus, mit der die Dichtlippe gegen die Welle presst. Während die konventionellen und PTFE-ausgestatteten RWDR nahezu keine Verlustleistungsveränderung erfahren, reagiert der ESS mit Verringerung des Drucks auf der Ölseite um 60 mbar mit einer Absenkung der Verluste auf ein Drittel gegenüber dem druckausgeglichenen Zustand. Die gasgeschmierte Gleitringdichtung nimmt hier wiederum eine Sonderstellung ein: die Änderung der Druckverhältnisse am Dichtsystem erzeugt keinerlei detektierbare Reaktion in der Verlustleistung.

Wird zusätzlich zu den Druckverhältnissen auch die Betriebstemperatur (Sumpftemperatur) verändert, zeigt sich, dass sowohl die PTFE- als auch die Elastomerdichtringe kaum eine veränderte Verlustleistung erfahren. 

Anhand dieser beiden Beispiele wird klar, dass eine Vorhersage der Verlustleistungen in Dichtsystemen im Kfz-Antriebstrang nicht trivial ist. Um die Leistungsverluste aufgrund der Abdichtungen im Fahrzeug sicher beurteilen und miteinander vergleichen zu können, müssen die Betriebsbedingungen für jedes Dichtsystem im Detail bekannt sein und bei der energetischen Betrachtung des Gesamtfahrzeuges berücksichtigt werden. Möchte man zusätzlich noch den Einfluss eines Fahrprofils und einer individuellen Gangwechselstrategie im Energieverbrauch berücksichtigen, kommt man nicht umhin, ein leistungsfähiges Berechnungsmodell für die Dichtreibung zu verwenden, mit dem sehr viele betriebspunktabhängige Verluste zu einem Gesamtverlust über den Prüfzyklus hinweg addiert werden.

Signifikante Einsparungen 

Die mit einem von Freudenberg Sealing Technologies entwickelten Simulationsmodell erzielten Ergebnisse verdeutlichen, wie effizient die Simmerring-Systeme weiterentwickelt worden sind. Wurden mit einem Dichtsystempaket, das dem Stand der Technik im Jahr 2000 entspricht, im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) noch ca. 3,4 Gramm CO2 pro Kilometer erzeugt, sind es beim Einsatz aktueller Technologie nur noch 2,4 g/km. Unter Einsatz der gasgeschmierten Gleitringdichtung Levitex© kann schon in naher Zukunft der CO2-Ausstoß durch das Dichtsystempaket auf deutlich unter 1 g/km gesenkt werden. Wie gut die reibungsoptimierten Dichtsysteme der Zukunft wirklich sein können, zeigt sich, wenn eine sportliche Schaltstrategie (ausfahren der Gänge bis zur Abregeldrehzahl) im Prüfzyklus gewählt wird. Der CO2-Ausstoß des zukünftigen Dichtsystempakets verändert sich durch die Änderung der Schaltstrategie nur noch sehr gering und ist im NEFZ auf einem konstant niedrigen Niveau von etwa 0,5 bis 0,6 g/km. Das bedeutet, dass in Zukunft der Treibstoffverbrauch und damit die CO2-Emissionen, die auf die Dichtungsreibung zurückgehen, nahezu unabhängig von der Fahrweise des Fahrers sein werden. 

Verluste vermeiden 

Um die gesetzlich vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte einzuhalten, verlangen zukünftige Entwicklungen den konsequenten Einsatz aller verfügbaren Technologien, mit denen eine Verlustleistungsreduzierung erreicht werden kann. Ziel ist, die Antriebsleistung in Vortrieb zu nutzen und nicht in Wärme umzusetzen. Die im Automobil voraussichtlich ab 2018 eingesetzte Technologie der gasgeschmierten Gleitringdichtung stellt eine effektive und passende Lösung dar.

Die Autoren

  • Dr.-Ing. Tim Leichner
  • Prof. Dr.-Ing Eberhard Bock
  • Tim Herweck

Freudenberg Sealing Technologies GmbH & Co. KG, Weinheim, Deutschland