TechnikLeichtbau-Zylindergehäuse für Verbrennungsmotoren

Leicht und leise

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Mirko Besch

Mirko Besch

freier Journalist

Je mehr Gewicht, desto mehr Treibstoff wird verbraucht. Das gilt für Flugzeuge wie für Autos gleichermaßen. Daher muss alles immer leichter werden – möglichst auch der Motor. Fraunhofer-Wissenschaftler haben dazu eine Idee aus den 80er-Jahren wieder aufgegriffen: Sie haben ein Zylindergehäuse entwickelt, das zum Großteil aus faserverstärktem Kunststoff besteht und der sich per Spritzguss sogar in Großserie produzieren lässt.

11. April 2016

Ein Zylindergehäuse aus Kunststoff – was bisher nur handgefertigt und somit teuer herzustellen war, lässt sich nun deutlich günstiger realisieren. Forscher der Projektgruppe "Neue Antriebssysteme NAS" des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Karlsruhe haben in Zusammenarbeit mit dem japanischen Unternehmen Sumitomo Bakelite High Performance Plastics SBHPP ein Zylindergehäuse aus faserverstärktem Kunststoff für einen Einzylinder-Forschungsmotor hergestellt.

Um etwa 20 Prozent leichter

„Das Zylindergehäuse wiegt etwa 20 Prozent weniger als die Referenz aus Aluminium – und das bei gleichen Kosten“, erklärt Dr.-Ing. Lars-Fredrik Berg, Leiter des Forschungsbereichs Leichtbau im Antriebsstrang der Projektgruppe NAS. Darüber hinaus soll der Kunststoffmotor leiser sein als ein herkömmlicher Benzinmotor, da das eingesetzte Material deutlich dämpfender wirkt als Aluminium. Das Besondere am verwendeten Material: Es ist glasfaserverstärktes Phenolharz, das zu 55 Prozent aus Fasern und zu 45 Prozent aus Harz besteht. Automobilhersteller können jedoch wählen, ob sie die Glasfasern oder die teureren, dafür aber leichteren Kohlenstofffasern einsetzen möchten.

Der von den Fraunhofer-Wissenschaftlern aufgebaute Forschungsmotor wurde erfolgreich auf dem Prüfstand getestet und im April 2015 auf der Hannover Messe vorgestellt. „Wir erreichen die gleichen Eigenschaften – etwa hinsichtlich der Leistung – wie bei herkömmlichen Motoren. Und das bei deutlich reduziertem Gewicht“, sagt Berg. Das Interesse der Automobilindustrie sei entsprechend hoch. „Das Thema Leichtbau bewegt derzeit die Automobilwelt. Nun ist auch der Antriebsstrang in den Fokus gerückt“, freut sich der Wissenschaftler. „Seit der Hannover Messe haben alle international bekannten Automobilunternehmen großes Interesse an einer Zusammenarbeit mit uns signalisiert.“

Intensive Dauerlaufversuche

Doch mit der Entwicklung des Prototypen ist die Arbeit an dem Kunststoffmotor noch längst nicht getan. „Wir sind aktuell dabei, weitere Erfahrungen mit dem Motor zu sammeln. Derzeit führen wir intensive Dauerlaufversuche am Stück durch. Die schafft das Zylindergehäuse völlig ohne Probleme“, sagt Berg. Zudem stehen ausführlichere Tests zum Akustikverhalten sowie thermische Untersuchungen auf dem Programm. „Bisher konnten wir deutlich geringere Geräuschemissionen im Vergleich zu herkömmlichen Motoren feststellen. Darüber hinaus sind wir der Ansicht, dass die verarbeiteten Kunststoffteile eine höhere thermisch isolierende Wirkung haben und der Motor somit eine geringere Wärmeabstrahlung aufweist.“ Der Motor komme dadurch schneller auf Betriebstemperatur, was wiederum zu verbesserten Emissionswerten führt. Dies gelte es in den Untersuchungen jedoch noch nachzuweisen. „Und nicht zuletzt wollen wir die Bauteile natürlich auch noch eingebaut im Fahrzeug testen.“

Die Herausforderungen bei der Entwicklung des Einzylindermotors waren groß. Schließlich müssen die Materialien eines Motors nicht nur extremen Temperaturen, sondern auch hohen Belastungen standhalten sowie starke Schwingungen unbeschadet überstehen. Dementsprechend kommt das Zylindergehäuse nicht ohne metallische Werkstoffe aus. „In den Bereichen, wo starke thermische oder mechanische Belastungen auftreten, bringen wir Inserts aus Metall ein“, erläutert Berg. „Zum Beispiel in der Zylinderlaufbuchse, in der der Kolben auf- und abläuft. Für die Zukunft streben wir an, die Anzahl der metallischen Inserts zu verringern und somit weitere Kosteneinsparungen zu erreichen.“ Des Weiteren werde konzeptionell auch an der Entwicklung eines Mehrzylinder-Motorblocks mit Kunststoffanteilen gearbeitet.

Altes Prinzip neu gelebt

Dass Motoren prinzipiell auch aus Kunststoffteilen bestehen können, war schon in den 80er-Jahren bekannt, doch damals ließ sich eine Produktion in Großserie noch nicht realisieren. Durch den Spritzgießprozess mit rieselfähigem Duroplast ist dies nun möglich. „Man spritzt das fließfähige Gemisch aus Harz und Fasern in ein Werkzeug, wo es aushärtet“, erklärt der Forschungsbereichsleiter. Um dabei möglichst optimale Eigenschaften zu erhalten, wurde zuvor simuliert, wie die Materialien am besten eingebracht werden sollten. „Wichtig ist, dass das Material möglichst fest und steif ist. Außerdem dürfen Kühlwasser, Öl und Benzin dem Material nichts anhaben“, sagt Berg. Es muss sich gut mit den metallischen Inserts verbinden und darf sich nicht stärker ausdehnen als diese. „Sonst würden sich die Inserts ablösen.“

Einsatzmöglichkeit als Range Extender

Einen möglichen Einsatzbereich der Kunststoffmotoren sieht der Wissenschaftler bei Elektrofahrzeugen, die zur Reichweitenverlängerung neben dem Elektromotor noch einen Verbrennungsmotor mit an Bord haben, einen sogenannten Range Extender. „Dieser muss möglichst leicht und leise sein.“ Eigenschaften, die das Fraunhofer-Aggregat aus glasfaserverstärktem Phenolharz auf jeden Fall erfüllt.