Im Zuge der Weiterentwicklung von Verbrennungsmotoren zur Erfüllung immer strengerer Emissions- und Effizienzstandards gewinnen Belt-in-Oil (BIO)-Steuersysteme – auch bekannt als nasse Riemen – zunehmend an Bedeutung, insbesondere in verkleinerten Motoren mit Turbolader und in Hybridantriebssträngen. Diese Systeme bieten mehrere Vorteile gegenüber Trockenriemenkonfigurationen, darunter geringere Reibung, weniger Geräusche und Vibrationen (NVH) und ein verbessertes Wärmemanagement, was BIO-Systeme für Erstausrüster, die auf Leistung, Haltbarkeit und Kraftstoffeffizienz achten, besonders attraktiv macht.
BIO-Systeme sind bereits in mehreren Motoren im Einsatz, darunter in ausgewählten Varianten des 1.0L EcoBoost von Ford, des 1.2L PureTech von Stellantis und der EA211-Motorenfamilie von Volkswagen. Die Integration des Zahnriemens in den Ölkreislauf des Motors bringt jedoch neue Herausforderungen mit sich – vor allem in Bezug auf die Formulierung des Schmierstoffs und die Materialverträglichkeit. Bei diesen Systemen ist der Schmierstoff der Schlüssel für die Haltbarkeit des Riemens, die Reduzierung des Verschleisses und die Sauberkeit des Öls.
Die Rolle und Anforderungen von Schmierstoffen in Belt-in-Öl-Systemen
In Belt-in-Oil (BIO)-Steuerungssystemen ist das Schmiermittel nicht nur eine unterstützende Flüssigkeit, sondern eine entscheidende Komponente, die sich direkt auf die Effizienz, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Systems auswirkt. Es bildet einen kontinuierlichen Ölfilm zwischen dem Riemen und den Riemenscheiben und reduziert so Reibung, Verschleiss und Energieverlust. Gleichzeitig leitet es Wärme ab, leitet thermische Belastungen ab und schützt den Zahnriemen vor Oxidation, Verschleiss und mechanischer Belastung.
Durch das Eintauchen in Öl wird der Riemen ausserdem vor Luft und Verunreinigungen geschützt, was seine Lebensdauer verlängert und das Risiko von Rissen oder Delaminationen verringert. Im Vergleich zu Trockenriemensystemen bieten BIO-Konfigurationen einen geräuschärmeren Betrieb, längere Wartungsintervalle und eine höhere Zuverlässigkeit – bei ordnungsgemässer Wartung und hochwertigen Schmiermitteln oft über 150'000 km.
Um diese Funktionen effektiv zu erfüllen, muss der Schmierstoff spezielle Anforderungen erfüllen:
- Kompatibilität mit Gurtmaterialien, um ein Aufquellen, Erweichen, Verhärten oder eine Verschlechterung zu verhindern.
- Scherstabilität zur Aufrechterhaltung von Viskosität und Filmfestigkeit unter mechanischer Belastung.
- Thermische und oxidative Stabilität, um erhöhten Motortemperaturen standzuhalten.
- Die Schaumkontrolle durch Additive sorgt für eine stabile Schmierung bei riemeninduzierter Belüftung.
Diese anspruchsvollen Bedingungen erfordern Schmierstoffe, die genau darauf abgestimmt sind, sowohl die mechanischen als auch die chemischen Anforderungen von BIO-Systemen zu erfüllen.
Formulierung, Herausforderungen und Qualifizierung von Belt-in-Oil-Schmierstoffen
Die Formulierung von Schmierstoffen für Belt-in-Oil-Systeme muss ein Gleichgewicht zwischen thermischer Stabilität, Materialverträglichkeit und Sauberkeit herstellen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, greifen die Entwickler in der Regel auf synthetische Grundöle wie Polyalphaolefine (PAOs) zurück, die aufgrund ihrer hervorragenden thermischen und oxidativen Stabilität häufig verwendet werden.
Genauso wichtig ist das Additivpaket. Es muss sowohl die Metall- als auch die Elastomerkomponenten schützen und gleichzeitig den Schaum kontrollieren und Ablagerungen verhindern. Zu den wichtigsten Additiven gehören Antischaummittel zur Unterdrückung von Schaum durch die Riemenbewegung, Verschleissschutzadditive zum Schutz von Metalloberflächen und Dispergiermittel zur Verhinderung von Ablagerungen auf den Bändern.
Die Formulierung ist jedoch ein heikler Balanceakt. Zusatzstoffe, die eine Eigenschaft verbessern, können eine andere beeinträchtigen. So tragen beispielsweise Reinigungsmittel dazu bei, den Motor sauber zu halten, können aber die Riemenbeschichtungen beschädigen, Reibungsmodifikatoren verbessern die Effizienz, können aber die Traktion des Riemens beeinträchtigen, und Verschleissschutzmittel wie ZDDP schützen Metalle, können aber Elastomere schädigen und Nachbehandlungssysteme beeinträchtigen.
Um Leistung und Haltbarkeit zu gewährleisten, müssen BIO-Schmierstoffe strenge OEM-spezifische Qualifikationstests bestehen, die über die Standard-API- oder ACEA-Klassifizierungen hinausgehen. Bei diesen Tests werden die Kompatibilität von Riemenmaterialien, das Reibungsverhalten zur Vermeidung von Schlupf, der Verschleissschutz für Riemen und Zahnräder sowie die Schaumkontrolle unter dynamischen Bedingungen bewertet. Die in Frage kommenden Öle werden ausgedehnten Motortests unterzogen, gefolgt von der Analyse von Schlüsselindikatoren wie Viskositätsstabilität, Gesamtsäurezahl (TAN), Gesamtbasenzahl (TBN) und Oxidation, um die Langzeitleistung zu bestätigen.
Nur Schmierstoffe, die die Leistung über diese Parameter hinweg aufrechterhalten, sind für die Verwendung in BIO-Systemen zugelassen. Probleme aus der Praxis – wie vorzeitiger Riemenverschleiss und Ölverschmutzung – haben die OEMs veranlasst, die Ölspezifikationen zu überarbeiten, die Riemenmaterialien zu verbessern und die Wartungsintervalle anzupassen. Diese Erfahrungen zeigen, wie wichtig eine präzise Formulierung, robuste Tests und eine enge Zusammenarbeit mit den OEMs sind, um den langfristigen Erfolg von Motoren mit BIO-Systemen zu gewährleisten.