Das Kolbenlauf-verhalten von großbohri-gen, langsam laufenden Diesel-motoren ist ein komplexer Prozess, derdurch verschiedene Parameter beeinflusstwird. Kürzlich durchgeführte Untersuchungen beiWärtsilä haben gezeigt, dass trotz dieser Komplexität das Kolbenlaufverhalten vonSulzer RTA-Motoren mit Ziel gerichteten Lösungen verbessert werden konnte. DieMaßnahmen wurden im TriboPack Standard zusammengefasst, der bei neuen SulzerRTA-Motoren Anwendung findet. Dieser Artikel basiert auf einer der drei prämiertenPräsentationen [1] des letzten CIMAC-Kongresses und beschreibt die Hintergründezum TriboPack sowie dessen Wirkungsweise für verschiedene tribologische Phä-nomene, die bei Sulzer RTA-Motoren aufgetreten sind.

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VerbesserterKolbenlauf von langsam laufenden Dieselmotoren

1 Einleitung

Das Kolbenlaufverhalten ist heute einbestimmender Faktor für das Wartungsin-tervall und hat einen großen Einfluss aufdie Verfügbarkeit, die Unterhaltskostenund über die Schmierölfördermenge auchauf die Betriebskosten. Dennoch findensich unter den Dieselmotoren-Herstellernverschiedene Ansätze über Verbesserungs-möglichkeiten bezüglich Zylindertempera-turen, Schmierölfördermengen, Zylinder-materialien und deren Eigenschaften,Oberflächenbeschaffenheit, Kolbenringty-pen und -beschichtungen. Hinzu kommt,dass das Betriebsverhalten von langsamlaufenden Dieselmotoren von mehrerenParametern abhängt, wie dem Hub-Boh-rungsverhältnis, dem Hub, der ausgeleg-ten Leistung und der Zylinderkühlung.

Obschon das Kolbenlaufverhalten vonlangsam laufenden Sulzer-Motoren seitlangem untersucht wurde, war der Kennt-nisstand nicht für alle Fälle von Kolben-laufproblemen ausreichend, die vor etwafünf Jahren aufgetreten sind. Konsequen-terweise hat Wärtsilä die Untersuchungenin dem Gebiet verstärkt. Ein Großteil derUntersuchungen wurden am 580 mm gro-ßen Vierzylinder-Versuchsmotor in Win-terthur und an einem Motor vom Typ12RTA84C eines tropischen Dieselkraftwer-kes vorgenommen.

Tiefer gehende Untersuchungen wur-den zu allen Faktoren vorgenommen, diedie Tribologie von Kolben, Kolbenringenund Zylinderlaufflächen bestimmen.Durch die Untersuchungsmethodik wurdees möglich, genau zu bestimmen, welcheMechanismen involviert sind und wie sieoptimiert werden können, um Verbesse-rungen zu erzielen. Das Ergebnis ist einverbessertes Motoren-Design, das mit demTriboPack realisiert wurde und das für alleneu gebauten, langsam laufenden SulzerRTA-Schiffsmotoren Standard ist. Viele derMaßnahmen des TriboPacks sind schonseit einigen Jahren in Sulzer RTA-Motorenangewendet worden. Sie wurden nun imTriboPack zu einem Standard zusammengebracht. Obschon bereits jedes einzelneElement des TriboPacks das Kolbenlaufver-halten positiv beeinflusst, zeigt das gesam-te Paket die beste Wirkung und ergibt sodie gewünschte Erhöhung der Betriebssi-cherheit

Das TriboPack ist nicht nur eine zuver-lässige Maßnahme gegen plötzlich auftre-tenden starker Verschleiß, sondern es setztauch neue Maßstäbe für das Kolbenlauf-verhalten. Zylinderabnützungen vonweniger als 0.05 mm/1000 h werden vonSulzer RTA-Motoren, die mit dem Tribo-Pack ausgerüstet sind problemlos erreicht,

Bild 1. Dabei kann die Schmierölförder-menge auf 1,3 g/kWh und weniger einge-stellt werden und das Wartungsintervall(TBO, time between overhaul) der betrof-fenen Komponenten, inklusive der Kol-benringe auf drei Jahre und mehr erwei-tert werden.

Das Sulzer TriboPack ist ein umfassen-des Paket von Design-Maßnahmen, dasdie wesentlichen Aspekte der Tribologievon Kolben, Kolbenring und Zylinder-buchse umfasst und aus folgenden Ele-menten besteht:■ Zylinderbuchse aus geeignetem Mate-rial mit genügendem Hardphasenanteil■ Sorgfältiges Ausdrehen der Laufflächemit anschließendem Tiefhonen über dergesamten Länge der Lauffläche■ Isolierung im mittleren Hubbereich■ Anti-Polishing-Ring oben im Zylinder■ Alle vier Kolbenringe sind vorprofiliert■ Oberster Kolbenring mit Chromkera-mikbeschichtung■ Untere drei Kolbenringe mit Einlaufbe-schichtung■ Erhöhte Dicke der Chrombeschichtungin den Kolbenringnuten■ Zylinderschmierölzufuhr auf mehrerenEbenen.

2 Fresser oder starker Verschleiß

Fresser ist definiert als Zerstörung zweierGleitflächen durch überhöhte Hitzeent-wicklung infolge übermäßiger Reibung.

Dabei kann ein lokales Verschweißen derKontaktflächen mit Materialausbrucherfolgen. Dies verursacht adhäsiven Ver-schleiß von Zylinder und Kolbenringen.

Der Begriff „Fressen“ wird oft auch alsvereinfachte Bezeichnung für verschie-dentliche Verschleißmechanismen ver-wendet. In den letzten Jahren konntejedoch in keinem der beobachteten Fällemit übermäßigem Verschleiß Fresser imengen Sinne festgestellt werden. Nebstadhäsivem Verschleiß wurde praktischimmer beträchtlicher korrosiver und abra-siver Verschleiß festgestellt. Aus diesemGrund wurde der Begriff des plötzlich auf-tretendem starken Verschleißes (SSW,Sudden Severe Wear) definiert, um die Pro-bleme im Kolbenlauf von großbohrigenDieselmotoren zu beschreiben.

In der Mehrheit der Fälle von SSW beiSulzer RTA-Motoren, die durch Wärtsiläuntersucht wurde, spielten harte Partikel,die sich von der Lauffläche gelöst hatten,eine wichtige Rolle. Es zeigt sich, dassbeim Einfahren, bei starker Lasterhöhung

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Der Autor

Dr. sc. techn. MatthiasAmoser ist Experte fürTribologie bei WärtsiläSwitzerland Ltd.

Bild 1: Gemessene Zylinderabnützung mit TriboPack. Darstellung der maximalenBohrungsabnützung eines Sulzer RTA84C Motors bei einer Schmierrate von 1,35 g/kWhFigure 1: Wear mesurements with TriboPack. Maximum diametral wear (mm/1000 hours) at of a Sulzer RTA84C engine, using a lubricating oil feed rate of 1.35 g/kWh

1 Einleitung

und beim Betrieb unter tropischen Bedin-gungen ein erhöhtes Risiko für SSWbesteht.

3 Tiefhonen ergibt eine idealeLauffläche

Eines der bedeutendsten Resultate derUntersuchungen zum Kolbenlauf ist, dassdas Tiefhonen auf der gesamten Länge derZylinderlauffläche wichtig ist, Bild 2. DasZiel ist, eine präzise Oberflächenstrukturmit intakter Hardphase zu erzielen.

Als erstes muss die Zylinderbuchse einegünstige Gefügestruktur nach Spezifikati-on aufweisen. Der Grauguss muss feingenug sein, um die gewünschten hohenMaterialwerte zu erzielen. Dabei muss der

freie Ferrit unterhalb von 2 % bleiben, umdie günstigen Verschleißeigenschaftenvon Grauguss zu gewährleisten.

Als zweites muss die Lauffläche sorgfäl-tig ausgedreht werden, um möglichstwenig Hardphase zu beschädigen. Wirddies nicht beachtet, kann die Hardphasebis zu einer Tiefe von 0,6 mm beschädigtwerden, Bild 3, und kann durch den fol-genden Honprozess nicht mehr vollstän-dig entfernt werden. Die verbleibende zer-störte Hardphase kann sich zu einem spä-teren Zeitpunkt im Betrieb lösen und zwi-schen Kolbenringe und Lauffläche gera-ten. So kann das Kolbenlaufverhaltenmöglicherweise von Beginn her nie stabilwerden, aber es ist auch denkbar, dass diezerstörte Hardphase erst nach mehrtau-

sendstündigem, zufriedenstellendemBetrieb ausbricht, was dann zu übermäßi-gem Verschleiß führt.

Der letzte Schritt ist das Tiefhonen derLauffläche über der gesamten Länge. Wirddies korrekt ausgeführt, werden alle Spu-ren des Drehvorganges mit der gebroche-nen Hardphasen-Anteile entfernt. Es ent-steht so die gewünschte, äußerst glatteOberfläche mit intaktem Gefüge.

4 Richtige Geometrie undBeschichtung des Kolbenrings

Die ideale Lauffläche erfordert entspre-chend angepasste Kolbenringe. Für denTriboPack Standard, Bild 4, sind die Kol-benringe nicht nur vorprofiliert, sondernauch sorgfältig bearbeitet, um eine feineOberfläche zu erreichen. Durch dieBeschichtung aller Ringe wird die Sicher-heitsmarge zusätzlich erhöht. Die unterendrei Ringe haben eine RC-Beschichtungum den Einlaufprozess zu erleichtern undum SSW vorzubeugen. Der oberste Ring iststandardmäßig mit einer Chromkeramik-beschichtung versehen. Die Kolbenringesind mit geradem Stoß ausgeführt, waseinerseits eine vereinfachte Bearbeitungermöglicht und andererseits die heißenKanten von schrägen Stößen vermeidet.

Vorprofilierte Ringe bieten eine ent-scheidend verbesserte Sicherheit. Messun-gen von Ölfilmdicken haben klar gezeigt,dass sie bereits von Anfang an einenzuverlässigen Film aufbauen können,während unprofilierte oder scharfkantigeRinge zu dünnen Filmen oder sogar zuinstabilen Schmierbedingungen führenkönnen.

Im Jahre 1999 wurde eine ausgedehnteMessserie von Ölfilmdickenmessungenam Versuchsmotor mit der Bohrung 580mm durchgeführt. Die Messungenbestätigten, dass die Schmierung auf meh-reren Ebenen, wie sie bei Sulzer RTA-Moto-ren angewendet wird, äußerst ideal ist.Die resultierenden Filmdicken waren sta-bil und erfüllten ihre Aufgaben auch beibeträchtlich reduzierten Fördermengen.Der Motor lief für Tage mit einer auf 0,8g/kWh hinunter reduzierten Fördermengeohne Probleme, sowohl bei Volllast alsauch bei Teillast. Nirgendwo auf demganzen Hub wurde Ölmangel festgestellt.

5 Optimiertes Temperaturprofilverhindert korrosiven Verschleiß

Zum Erreichen einer tiefen und stabilenVerschleißrate der glatten, tiefgehontenZylinderbuchsen muss die Temperatur derLauffläche sorgfältig ausgelegt werden.

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3 Tiefhonen ergibt eine ideale Lauffläche

Bild 2: Tiefgehonte Zylinderbuchsen erhalten bereits nach einer kurzenBetriebsdauer eine spiegelglatte LaufflächeFigure 2: Deep-honed liners soon achieve a mirror surface

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Die Untersuchungen zeigten, dass der Säu-reangriff die Hauptursache für ungenü-gendes Kolbenlaufverhalten und über-mäßige Zylinderabnützung ist, Bild 5.Tiefe Laufflächentemperaturen führen zumehr verdünnter Schwefelsäure, welchedie Korrosion der Matrix des Gusses verur-sacht. Sind die Temperaturen etwas höher,ist die Schwefelsäure konzentrierter undgreift die Hartphase des Gefüges an, waszu plötzlich erhöhtem Verschleiß führt.Sind die Temperaturen noch höher, istzwar die Säurekonzentration noch größer,aber die Aggressivität auf die Hardphasesinkt, was zu einem gutem Kolbenlaufführt. Bei der Auslegung muss also dieZylinderwandtemperatur für einen wei-ten Betriebsbereich eines Motors oberhalbdes Taupunktes von Wasser gehalten wer-den. So kann die Kondensation des Was-

sers auf der Lauffläche und somit dieungewünschte Verminderung der Säure-konzentration verhindert werden.

Diese Idee wird bei RTA-Motoren seitJahren umgesetzt, mittels Isolierröhrchen,die in den Kühlbohrungen von Zylinder-oberteilen eingesetzt werden. Bei langhu-bigen Motoren wurde es jedoch offen-sichtlich, dass ein weiterer Bereich desZylinders eine Isolation benötigt. Sowurde das Konzept in der Mitte der neun-ziger Jahre bis zur Hubmitte erweitert. ZurAnhebung der Temperatur wird um denZylindereinsatz herum eine Isolations-Bandage angebracht.

Die gute Wirkung des Betriebs bei opti-mierten Wandtemperaturen zeigen zwei12RTA84C Sulzer-Motoren in einem Diesel-kraftwerk, Bild 6, die seit mehr als 20.000Stunden mit Wandtemperaturen von

etwa 280 °C bei Vollast am OT des obers-ten Kolbenringes laufen. Das Kolbenlauf-verhalten ist perfekt und es kann kaumAbnützung gemessen werden. Die Moto-ren laufen unter schwerer tropischenBedingung meist mit 85 % Last oder mehr.Schiffsdieselmotoren hingegen habenstandardmässig etwas tiefere Zylinder-temperaturen. Während einerseits demkorrosiven Verschleiß durch Erhöhung derWandtemperatur in Hubmitte entgegen-treten wird, ist es andererseits auch nötig,so viel Wasser (in Form von Tröpfchen)wie möglich vom Eintritt in den Zylinder-raum fernzuhalten. Dieses Problem zeigtsich speziell in den feuchten, tropischenGebieten. Daher sind für ein gutes Kolben-laufverhalten effiziente Wasserabschei-der, die nach dem Ladeluftkühler angeord-net sind, unabdingbar.

3 Tiefhonen ergibt eine ideale Lauffläche

Bild 3: Vergleich desGefüges unterhalb derLauffläche. Rechts amBildrand ist die Lauf-fläche, links eine Tiefevon 0,7 mm dargestellt.Das obere Bild zeigt eingutes Resultat, dasdurch sorgfältiges Dre-hen und Tiefhonenerzielt wird. Das Ergeb-nis einer mangelhaftenBearbeitung zeigt dasuntere Bild. Zerbroche-ne Hardphase ist bis ineine Tiefe von 0,6 mmunterhalb der Lauf-fläche zu erkennenFigure 3: Comparisonof the microstructurebeneath the liner sur-face. The right-handedge is the liner run-ning surface and theleft-hand endge is 0.7mm deep. The upperview shows the goodresult obtained bycareful turning anddeep honing. The resultof improper turning canbe seen in the lowerview, with shatteredand broken hard phasedeeper than 0.6 mmbelow the surface

4 Richtige Geometrie und Beschichtung des Kolbenringes

5 Optimiertes Temperaturprofil verhindert korrosiven Verschleiß

Bild 4: Darstellung der Elemente des Sulzer TriboPacksFigure 4: The components of the Sulzer TriboPack

Bild 5: Schematische Dar-stellung eines korrosivenAngriffs durch verdünnteSchwefelsäure auf den Grau-guss. Die Säure beschädigtdie Matrix, so dass die Hard-phase (Zementit) ausbrichtund die Lauffläche abrasivabträgt; P: Perlit; St: Steadit;G: Graphit; C: Zemenit (Hart-phase)Figure 5: Schematic of dilute sulphuric acid corrosivelyattacking grey cast iron. The acid attacks the matrix loosening the hard phase (Cementite) as particles for abrasive wear of the liner;P: Perlite; St: Steadite; G: Graphite; C: Cemenite (hard phase)

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6 Reduktion der Schmieröl-menge

Ein interessanter Vorteil des TriboPacks istdie Möglichkeit, die Zylinder-Schmieröl-menge zu reduzieren. Das exzellente Kol-benlaufverhalten, das durch den Lauf vonbeschichteten Ringen auf der glattenZylinderoberfläche erreicht wird, ermög-licht beste Schmierbedingungen underlaubt somit eine verringerte Förderratebei unverändert kleinem Verschleiß. DieseReduktion ist allerdings nur möglich,wenn verhindert wird, dass Wasser in dieZylinder eintritt und wenn die Wandtem-peraturen genügend hoch sind.

Zur Zeit wird für Sulzer RTA-Motoreneine Schmierölrate von etwa 1,3 ± 0,3g/kWh empfohlen, also hinunter bis 1,0g/kWh. Es ist ein erklärtes Ziel, diese Wertenoch weiter zu senken und es laufen beiWärtsilä verschiedene Projekte zumThema, wie die Schmierrate ohne Nachtei-le oder zusätzliches Risiko weiter gesenktwerden kann.

Gesucht ist der sichere Mittelweg.Einerseits braucht es eine angepassteÖlmenge mit einer vorgegebenen Alkali-nität, um die kondensierte Schwefelsäureauf der Zylinderoberfläche zu neutralisie-ren. Gleichzeitig muss die hydrodynami-

5 Optimiertes Temperaturprofil verhindert korrosiven Verschleiß

Bild 6: Verbesserung der Zylinderabnützung beim Sulzer RTA84T Motor durch Erhöhung der Wandtemperatur nach Anbringen einer Isolation im mittleren HubbereichRot: Ohne Isolation, Blau: Mit IsolationFigure 6: Liner wear improvement in the Sulzer RTA84T obtained by raising the liner wall temperature through mid-stroke insulation

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Q u e r s c h a u ATZ 4/2002

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T i t e l t h e m a

Der neue Mercedes-Benz SL 55 AMG

W e i t e r e T h e m e n

EntwicklungAktive Gespannstabilisierung beim BMW X 5

Hardware-in-the-Loop bei Audi-Antriebssträngen

Batterielose Transpondertechnik für elektronischeReifendruck-Kontrolle

Fahrwerke mehrachsiger Lastkraftwagen – Teil 3: 1945 bis 1985

Die Entwicklung der Stromlinien-Karosserie

Forschung

Fehlertolerante Komponenten für Drive-by-Wire-Systeme

Der Fahrer als Sensor für die Bewertung des Seitenwindverhaltens

ATZ

7 Der Anti-Polishing-Ring

Bild 7: Sauberer Kolben wegen des Anti-Polishing-Ringes am Beispieleines RTA84T-Kolbens nach 7406BetriebsstundenFigure 7: Improvedresult with the Anti-Posishing Ring. AnRTA84T piston after7406 running hours

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sche Schmierung des Kolbenrings übereinen weiten Bereich des Hubes erzieltwerden. Darüber hinaus muss die Reini-gungswirkung des Öls genügend hochsein, um die Ringnuten sauber und frei vonRückständen zu halten. Es muss vor Augengeführt werden, dass ein Zylinder einesgroßbohrigen Motors bei jedem Arbeits-hub nur mit einem einzigen Gramm vonSchmieröl versorgt wird. Diese kleineMenge muss richtig verteilt werden, umalle verlangten Anforderungen zu erfüllen.

Andererseits haben Untersuchungengezeigt, dass eine übermäßige Schmierungden gegenteiligen Effekt haben kann. Einehohe Ölmenge kann zu einer gestörtenDruckverteilung im Ringpaket und damitzu einem mangelhaften Kolbenlaufverhal-ten führen. Überschüssiges Zylinderölneigt zur Bildung von Ablagerungen aufdem Feuersteg. Es bildet sich eine stabileKruste, die mehr oder weniger hart ist, jenach dem verwendeten Öl oder Betriebs-stoff und dessen Schwefelgehalt. Eineübermäßige Schmierung kann also dazuführen, dass ein Zylinder in kurzer Zeitzum Fressen kommt.

7 Der Anti-Polishing-Ring

Das Sulzer TriboPack enthält auch einenAnti-Polishing-Ring (APR), der oben imZylinder angebracht wird. Er besteht auseinem dünnen Stahlring, der einfach ineiner entsprechenden Ausdrehung einge-setzt ist. Er muss nicht zusätzlich befestigtwerden, da wegen der Wärmeausdehnungder Ring bei Betriebstemperatur fest an Ortgehalten wird. Die längste Betriebszeitliegt bei über 20.000 Stunden ohne Anzei-chen, dass sich die Ringe wegen der ther-mischen Beanspruchung lockern könnten.

Der APR besitzt einen etwas kleinerenDurchmesser als die Zylinderbuchse undschabt übermäßige Ablagerungen auf demFeuersteg, Bild 7, ab, solange sie nochweich sind. So wird verhindert, dass einharter Kontakt zwischen Ablagerungenund der Lauffläche entsteht. Der Ölfilm aufder Lauffläche wird somit nie abgestreiftund er kann seine Aufgaben erfüllen.

8 Ausblick

Die detaillierten Untersuchungen vonWärtsilä ergeben ein klares Bild derMechanismen, die das Kolbenlaufverhal-ten von großbohrigen Zweitakt-Dieselmo-toren bestimmen. Sie führten zur Definiti-on und Einführung des neuen TriboPack-Standards, der alle Faktoren des Kolben-laufverhaltens umfasst. Die Vorzüge desTriboPacks zeigen sich nun bei jedemMotor, der mit diesem Standard gebautund in Betrieb genommen wurde. DieAbnützungswerte sind klein und die War-tungsintervalle sind voraussagbar. Auchwenn nun der gegenwärtige Wissensstandzu guten Resultaten geführt hat, gehen dieUntersuchungen bei Wärtsilä weiter, umdie Anforderungen für künftige Generatio-nen von Sulzer RTA-Motoren zu erfüllen.

Literaturhinweis

[1] Rudolf Demmerle, Samuel Barrow, François Ter-rettaz and Dominique Jaquet†, „New Insights intopiston running behaviour of Sulzer large bore die-sel engines“, CIMAC 2001 Congress, Hamburg,May 2001