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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.