Keramik-Bauteile in Verbrennungsmotoren

Der Einsatz von Keramik im Verbrennungsmotor ist heute eines der Themen, das hinsichtlich der Zielsetzung große Wandlungen durchgemacht hat. Keramik findet im Motor aber schon seit langem Verwendung, nämlich als Isolator der Zündkerze, d.h. praktisch seit dem Einsatz des Motors als Antrieb des Automobils. Bild 1 zeigt die erste Zündkerze mit einem Isolator aus Porzellan (Keramik).

Dieser Vortrag gibt einen Überblick über gegenwärtige und zukünftige Tendenzen in der Automobilkeramik. Zunächst werden keramische Werkstoffe und Bauteile diskutiert, die zur Wärmeisolation im adiabatischen Motor und im Abgastrakt eingesetzt werden können. Weiterhin werden keramische Komponenten für die Reduzierung von Reibung und Verschleiß und zur Gewichtsminderung vorgestellt, insbesondere wird die Anwendung verschleißfester Keramik im schmierstoffreien “Ficht”-Motor verdeutlicht. Schließlich werden gegenwärtige und zukünftige Tendenzen für die Herstellung keramischer Turboladerrotoren sowie deren zukünftige Marktsituation erörtert.

Mit etwa 30% ist die Reibleistung von Kolbenmaschinen in Relation zu der Gesamtleistung, d. h. der aufgenommenen oder abgegebenen Leistung von Kolbenmaschinen, erheblich.

Verschleißvorgänge von Gleitpaarungen sind in Bezug auf Lebensdauer und Überholungsintervalle der Bauteile von entscheidender Bedeutung. Bei Kolbenmaschinen sind hauptsächlich Kolben, Kolbenring und Zylinder verschleißgefährdet, da sie teilweise im Bereich der Mischreibung betrieben werden.

In der Erforschung und Entwicklung geeigneter Schmierstoffe für keramische Werkstoffe befinden wir uns erst am Anfang. Die Frage: “Wie sollen optimierte Schmierstoffe zur Reduzierung der Reibung von Keramikwerkstoffen aussehen?” läßt sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt nicht beantworten. Weder in Veröffentlichungen noch in der Patentliteratur sind hierüber Erkenntnisse zu finden.

Die rasche Entwicklung der Hochleistungskeramik, deren hervorragende elektrische, mechanische, chemische und thermische Eigenschaften sie für einen immer weiter gefächerten Anwendungsbereich geeignet erscheinen lassen, führte zu einem ex-ponentiellen Anwachsen des Umsatzes auf dem Weltmarkt. Für das Jahr 2000 wird den technisch interessanten keramischen Werkstoffen in den Industrieländern ein Marktpotential von etwa 50 Mrd. US-Dollar prognostiziert /1/.

Turbinenlaufräder der Abgasturbolader von Ottomotoren überschreiten bei sehr hoher Belastung die Temperatur-Grenzwerte von Metall. Von Keramik wird eine Verbesserung erwartet.

Für alle Anwendungen ist die keramikgerechte Form und Einbindung entscheidend und es ist ein großer Entwicklungsaufwand für den optimalen Einsatz keramischer Werkstoffe erforderlich. Wenn auch die Verwendung in der Serie nur langsam Fortschritte macht, so kann man bereits jetzt sagen, daß in Zukunft Keramik im Motorenbau ein wichtiger Werkstoff sein wird.

Setzt man keramische Werkstoffe für mechanisch belastete Bauteile ein, so muß man als erstes akzeptieren, daß keramische Werkstoffe nie rißfrei sind. Allerdings ist dies für mit Metallen arbeitende Ingenieure keine allzu große Umstellung. Auch Metalle sind fehlerbehaftet und bei den hochfesten Sorten muß man davon ausgehen, daß diese Risse sobald eine kritische Last überschritten wird, wachsen. Das Rißwachstum für keramische Werkstoffe kann über mittlerweile allgemein bekannte bruchmechanische Beziehungen abgeschätzt werden. Eine zweite Besonderheit ist die Tatsache, daß das Volumen eines Bauteiles die Festigkeit maßgeblich mitbestimmt. Auch dies wieder ein Befund, der auch bei Metallen in bestimmten Bereichen durchaus bekannt ist. Wie stark der Volumen-einfluß sich auswirkt, kann in erster Näherung anhand der Größe des Weibullmoduls eingeschätzt werden. Unabhängig vom Weibullmodul selbst gilt jedoch, je kleiner das Bauteil um so höhere Fertigkeiten sind zu erreichen.

Nichtoxidische keramische Werkstoffe wie Siliciumnitrid und Siliciumcarbid haben in den letzten 15 Jahren aufgrund einiger herausragender Eigenschaften stark an Bedeutung gewonnen. Bauteile aus Siliciumnitrid oder Siliciumcarbid bewähren sich überall dort, wo hohe Anforderungen an die Festigkeit bei hohen Temperaturen und an den Verschleißwiderstand unter korrosiven und abrasiven Bedingungen gestellt werden. Damit finden diese keramischen Werkstoffe immer häufiger Anwendung in unterschiedlichen Bereichen der Technik, wo sie bisher übliche Werkstoffe übertreffen und diese nun substituieren und damit neue maschinen- und verfahrenstechnische Einsatzmöglichkeiten eröffnet werden. Gerade in bezug auf die Anwendung bei hohen Temperaturen sind Si₃N₄ und SiC oxidischen Werkstoffen wie A1₂O₃ und ZrO₂ deutlich überlegen (Abb. 1).