In der Summe ganz stark

Das zunehmende Downsizing und immer schärfere Abgasgrenzwerte führen zu höheren Drücken und Temperaturen im Verbrennungsmotor. Werkstoff und Konstruktion müssen daher an die steigenden Anforderungen angepasst werden. Bei Aluminiumkolben zum Beispiel setzt Mahle auf die neue Legierung M174+, die noch bessere Festigkeitswerte bei hohen Temperaturen und thermischer Wechselbeanspruchung bietet. Mit dem Advanced Diesel Casting-Verfahren erzielt Mahle durch eine schnelle Abkühlung des Rohlings nach dem Abguss über große Bereiche ein sehr feines Gefüge. Auch das lokale Umschmelzen des Muldenrandes ermöglicht durch die schnelle Abkühlung ein lokal sehr feines Gefüge. In der Zone rund um die kräftig konturierte Verbrennungsmulde treten die höchsten Temperatur- und Temperaturwechselbelastungen auf. Heute gebräuchliche Aluminium-Gusslegierungen können ohne diese feine Kornstruktur gelegentlich die Grenze ihrer Festigkeit erreichen. Die feinere Gefügestruktur neigt weniger zu Anrissen und erhöht so die Lebensdauer der Kolben.

Für Fahrzeugmotoren der oberen Leistungsklasse reichen jedoch lokal optimierte Aluminiumkolben nicht mehr aus. Hier sind schon seit Jahren hochfeste Stahlkolben im Einsatz. Produziert werden die zweiteilige Kolbenbauart „Ferrotherm“ und der einteilige geschmiedete „Monotherm“-Kolben. Da die Anforderungen aber in Zukunft weiter zunehmen werden, wurde mit den reibgeschweißten „Monoweld“-Kolben die Kühlungseffizienz weiter verbessert. Motorenhersteller, die bereits Fahrzeugmotoren für die kommenden Abgasnormen entwickeln, benötigen Kolben für allerhöchste thermische Beanspruchungen. Für dieses Aufgabenprofil sind die „Monoxcomp“-Kolben dank ihrer zentralen Verschraubung und doppeltem Kühlraum maßgeschneidert.

Von den steigenden Anforderungen sind gleichermaßen auch die Kolbenringe betroffen. Mahle reagiert darauf unter anderem mit neuen Beschichtungen für die Ringpakete. Beispielsweise hat das Entwicklungszentrum in Brasilien eine neue Nano-Bor-Beschichtung für Kolbenringe von Dieselmotoren entwickelt. Die Matrix aus Hartchrom hat ein Mikrorissnetz, in dem ultrafeine Partikel aus kubischem Bornitrid eingelagert sind. Daraus resultiert eine deutliche höhere Verschleißbeständigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Chrom-Keramik-Ringen, weniger Verschleiß an der Zylinderlaufbahn und eine bessere Brandspurbeständigkeit. Reibleistungsoptimierte Ringe kommen mit verringerten axial Höhen und niedrigeren Tangentialspannungen in glatteren Zylinderlaufbuchsen zum Einsatz.

Bei Pleueln arbeitet der Hersteller an einem optimierten Schmiedeprozess, mit dem das Gewicht um bis zu 25 % und die Kolbenquerkraft deutlich sinken kann. Eine geschickte Gestaltung der Pleuelaugen verbessert die Schmierungseigenschaften. Noch weniger Reibung und Verschleiß am Pleuelauge und dem Kolbenbolzen erreicht man dort mit beschichteten Oberflächen. Für die Kolbenbolzen wurde eine Dreifach-Beschichtung entwickelt. Unter einer DLC (Diamond like Carbon)-Schicht stabilisieren zwei weitere Beschichtungen auf Chrombasis die Oberfläche und stoppen mögliche Risse.

Bei den Lagern intensiviert man die Erforschung neuer Lagerschalen-Werkstoffe. Ein Beispiel ist eine hochfeste Aluminiumlegierung mit einer Polymerbeschichtung, in der Aluminiumpartikel und Festschmierstoff enthalten sind. Diese Kombination zeichnet sich durch hervorragende Verschleiß- und Fressbeständigkeit aus und ist dadurch auch für Start-Stopp-Systeme und Hybridantriebe bestens geeignet.

Der Trend zu gewichtsreduzierten Kurbelwellen erfordert an einer anderen Stelle Abhilfe. Durch die Massenreduzierung biegen sich die Kurbelwellen im Betrieb stärker durch. Deshalb wurden profilierte Lager mit einer Wölbung von etwa 10 µm konzipiert. Sie kompensieren die Durchbiegung der Welle an den Lagerkanten und minimieren so den Kantentrag und den Verschleiß. Die verringerte Lagerreibung wirkt sich auch positiv auf den CO2-Ausstoß des Motors aus.

Eine weitere Idee ist die Ölversorgung von zwei Pleuellagern über ein Hauptlager. Anders als sonst üblich (ein Hauptlager versorgt ein Pleuellager) können so einige Hauptlager als optimal glatte Lager ohne Nut ausgeführt werden. Das reduziert den Ölbedarf um bis zu 45 % und in Folge davon die Leistungsaufnahme der Ölpumpe.

Weitere Einsparmöglichkeiten gibt es noch bei den Werkstoffkosten der Ventile. Die Preisentwicklung der vergangenen Jahre bei wichtigen Metallen wie etwa Nickel oder Kupfer haben den Fokus auch auf die Beschaffungskosten gelenkt. Gefragt sind deshalb Werkstoffe, die zu möglichst geringen Kosten die thermischen und tribologischen Anforderungen erfüllen. Neben den Temperaturen steigt in der Gaswechselzone künftig vor allem die Korrosionsgefahr.

Einerseits soll der Nickelgehalt aus Kostengründen so weit wie möglich gesenkt werden, andererseits ist für eine ausreichende Hitzebeständigkeit das Legierungselement Nickel unerlässlich. Bisherige Nickelbasis-Werkstoffe wie Nimonic oder Inconel erfüllen zwar alle Anforderungen, sind aber recht teuer.

Die Produktentwicklung hat deshalb vier neue Ventilwerkstoffe mit reduziertem Nickelgehalt untersucht. Besonderes Augenmerk legten die Ingenieure auf das Korrosions- und Hochtemperatur-Ermüdungsverhalten der Werkstoffe. Schließlich müssen Auslassventile in einem Lkw-Motor weit über eine Milliarde Öffnungs- und Schließvorgänge bei Temperaturen von bis zu 800 °C verkraften. Bei Feldversuchen mit Serien-Motoren und bei Kundenerprobungen konnten die neuen Ventilwerkstoffe bei Ein- und Auslassventilen ihre Eignung bereits unter Beweis stellen.

Mit der geregelten Pendelschieber-Ölpumpe wurde eine patentierte Technologie mit sehr hohem Wirkungsgrad entwickelt. Je nach Regelstrategie und Fahrzyklus kann allein der Einsatz dieser Ölpumpe den Kraftstoffverbrauch und damit den CO2-Ausstoß eines Fahrzeugs um 3 bis 4 % verringern. Wie Praxistests und sehr umfangreiche Motorsimulationen gezeigt haben, sind hohe Einsparungen vor allem bei Motoren mit großem Drehzahlbereich (zum Beispiel Pkw-Ottomotoren) zu erwarten. Bei der volumenstromgeregelten Ölpumpe werden Druck und Volumenstrom immer bedarfsgerecht erzeugt und die dazu erforderliche Leistung auf ein Minimum gesenkt. Im Gegensatz dazu sind bei konventionellen Ölpumpen der Volumenstrom und der Druck immer abhängig von der Drehzahl des Motors. Bei druckgeregelten Pumpen begrenzt ein Regelventil den Maximaldruck, indem es den überschüssigen Volumenstrom durch einen Bypass direkt in die Ölwanne führt. Um eine optimale Ölversorgung zu gewährleisten, müssen konventionelle und druckgeregelte Pumpen aber immer auf den Volllastbetrieb ausgelegt sein und haben deshalb im Teillastbetrieb hohe Verlustleistungen.

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