Kunststoffe drängen in den Verbrennungsmotor

Kunststoffe im Verbrennungsmotor – das klingt wie ein Widerspruch. Und doch könnten Polymere ein Schlüssel zu leichteren Motoren sein, die sich zugleich wirtschaftlich fertigen lassen.

×

Hohe Temperaturen und mechanische Lasten, gepaart mit heißem Öl oder Schmierstoffen: Die Bedingungen im Verbrennungsmotor begrenzen den Spielraum bei der Materialauswahl bislang weitestgehend auf Stahl und Aluminium. Derzeit lassen jedoch verschiedene Forschungsprojekte aufhorchen, die den Einsatz von Kunststoff auch für thermisch und mechanisch hochbelastete Komponenten in den Bereich des Möglichen rücken. Der Drang hin zu leichteren Motoren treibt die Entwicklungen an. Allerdings spielen auch eine wirtschaftlichere Fertigung und ein effizienterer Motorbetrieb eine Rolle.

Ölwannen werden zum funktionsintegrierten Bauteil

Der Pionier unter den Kunststoffkomponenten im Verbrennungsmotor war die Ölwanne. Bereits in den Neunzigerjahren entwickelt, hat sie sich seit Anfang des Jahrtausends insbesondere im Bereich der Nutzfahrzeugmotoren etabliert. Die Konstruktionen aus glasfaserverstärktem Thermoplast waren gerade einmal halb so schwer wie die bislang eingesetzten Wannen aus Aluminium. Die neue Bauweise ermöglichte dabei nicht nur höheren Nutzlasten. Durch die bessere Ausnutzung der Hohlräume im Motorraum ließ sich zudem das Fassungsvermögen der Ölwanne steigern, und die Motoren wurden insgesamt leiser, wie Andreas Misala im Kapitel Konstruktive Ansätze für Leichtbau und System-Integration beim Verbrennungsmotor im Buch Der Verbrennungsmotor – ein Antrieb mit Vergangenheit und Zukunft beschreibt.

Nicht zuletzt dank Fortschritten im Bereich ölbeständiger und temperaturstabiler Polyamide mit verbessertem Produktions-, Verschleiß- und Reibungsverhalten treiben mittlerweile auch Pkw-Hersteller den Einsatz von Kunststoffölwannen voran. Ein Entwicklungsschwerpunkt ist dabei die weitere Funktionalisierung der Ölwannnen, beispielsweise durch die Integration von Ölleitungen. Um den hohen Anforderungen an Struktursteifigkeit und Festigkeit besser zu entsprechen, werden Ölwannen im Sinne einer Mischbauweise zunehmend auch mit Aluminiumeinlegern versehen, die mit Kunststoff umspritzt werden. Allerdings blieben die vergleichsweise gering beanspruchten Ölwannen auf Jahre die einzige größere verbrennungsmotorische Komponente aus Kunststoff.

Mahle und Fraunhofer ICT entwickeln Composite-Nockenwellmodul

Einen Anlauf, um künftig auch komplex belastete Motorenbauteile aus Kunststoff zu fertigen, haben zuletzt Mahle und das Fraunhofer ICT unternommen. Das in der MTZ 9/20 vorgestellte Leichtbau-Nockenwellenmodul aus hochfestem faserverstärktem Kunststoff wurde an das Serienaggregat M 282 von Mercedes-Benz angepasst und ersetzt dort, nach einigen konstruktiven Anpassungen, das bestehende Bauteil aus Aluminium. Als Werkstoff kommt mit glasfaserverstärktem Phenolharz ein Duromer zum Einsatz, das über die erforderlichen Steifigkeit und Festigkeit verfügt, den auftretenden Temperaturen von bis zu 180 Grad Celsius standhält und medienbeständig gegenüber Wasser und Öl ist. Zudem entspricht der Wärmeausdehnungskoeffizient in etwa dem der benachbarten Bauteile aus Aluminium.

Voruntersuchungen an einem geschleppten Motor bei einer Drehzahl von 6250 pro Minute und einer Öltemperatur von 100 Grad Celsius hat das Modul unbeschadet überstanden. Das neue Nockenwellenmodul ist nach Angabe der Autoren nicht nur etwa 20 Prozent leichter als die Vergleichskomponente aus Aluminium, sondern es soll sich im Spritzgussverfahren auch wirtschaftlicher und großserienfähig fertigen lassen. Im nächsten Schritt wollen die Partner den Motor im befeuerten Motor validieren und, im Hinblick auf eine zukünftige Serienanwendung, bereits den Herstellungsprozess optimieren.

Volkswagen arbeitet am Duroplast-Zylinderkurbelgehäuse

Noch ein Stück näher an die Brennkammer rückt die Forschung des Volkswagen-Konzerns, wie sich im MTZ 12/2019-Beitrag Hybrides Leichtbau-Zylinderkurbelgehäuse – Herausforderungen und die Machbarkeit nachlesen lässt. Gemeinsam mit den Projektpartnern IAV und RPM Helmstedt haben die Wissenschaftler den aktuellen 1,5-Liter-Vierzylinder-TSI-Motor dafür radikal umgebaut. Eine Kunststoffhülle aus glasfaserverstärktem Duroplast auf Phenolharzbasis umfasst dabei ein Innenteil aus Aluminium, das Zylinder, die obere Hälfte des Hauptlagers und die innere Wand des Wassermantels beinhaltet. Eine Bedplate aus Aluminium versteift das Zylinderkurbelgehäuse und dient als Aufnahme für die Ölwanne aus glasfaserverstärktem Polyamid. Der Prototyp des Leichtbau-Kurbelgehäuses ist 13 Prozent leichter als das Serienmodell.

Aufgrund der geringeren thermischen Leitfähigkeit des Kunststoffs stellen sich bei dieser Konstruktion hohe Temperaturen im Metall-Kunststoff-Kontaktbereich sowie hohe Temperaturgradienten  im Kunststoff ein, wie die Autoren um Melanie Jauerneck bemerken. Dieser Thermoskanneneffekt kann mit einem entsprechend thermomechanisch stabilen Kunststoff jedoch von Vorteil sein, da die Betriebstemperatur des Motors so schneller erreicht wird. Als problematisch erweist sich bislang die Anbindung des Kunststoffs an das Metall. Nach der Fertigung zeigten sich zudem feine Risse und Abplatzungen im Kunststoff sowie stellenweise Schattierungen in der Fügezone. Mittels neuer Ansätze in der Fügetechnik sowie einem insgesamt optimierten Fertigungsprozess will Volkswagen dieses Problem jedoch in den Griff bekommen und die hybriden Leichtbaugehäuse somit näher an eine Realisierung rücken. Mit dem leichteren Verbrennungsmotor ließen sich nach Angabe der Autoren allein in der Fertigung 15 Prozent der CO₂-Emissionen im Vergleich zum aktuellen Serienmotor einsparen.