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Sauberer - Sparsamer - Leiser Chemnitzer Forscher verhelfen Magnesium-Kolben zur Hochform
Sie müssen viel leisten, die Kolben in einem Verbrennungsmotor. Mehrere tausend Mal in der Minute werden sie beschleunigt und abgebremst, wobei sie Temperaturen von über 200 Grad Celsius aushalten müssen. Das Gewicht, aber auch die äußere Form der Kolbenoberfläche entscheiden mit darüber, wie hoch Verbrauch und Schadstoffausstoß sind. Doch beides zu reduzieren ist nicht einfach. Weil die Kunden nach immer mehr Komfort verlangen, werden die Autos schwerer, obwohl die Materialien selbst immer leichter werden. Deshalb zählt jedes Gramm, wenn man dem Ziel näher kommen will, mit 3 oder 4 Litern Benzin auf hundert Kilometer auszukommen.
Einen Schritt in die richtige Richtung gehen jetzt Wissenschaftler der Chemnitzer Uni: Gemeinsam mit Forschern der TU Clausthal und der Industrie - darunter BMW - arbeiten sie an der Entwicklung neuartiger Kolben aus einer kohlefaserverstärkten Magnesiumlegierung. Solcherart aufgebaute Kolben sind rund ein Viertel leichter als die bisher üblichen Motorkolben, die meist aus einer Aluminium Silizium-Legierung bestehen. Folge: Weniger Gewicht muß bewegt werden, die dabei auftretenden Kräfte sind geringer, Motorgehäuse und Lager werden leichter.
Die Gewichtseinsparung mag gering erscheinen, dennoch kommt über die Lebensdauer des Motors ein Minderverbrauch zusammen, der sich sehen lassen kann. Die besondere Fertigungstechnik macht außerdem völlig neue Kolbenkonstruktionen möglich, die mithelfen, den Schadstoffausstoß zu verringern. Damit sind die Vorteile der Magnesium-Verbundkolben noch nicht erschöpft. So dehnen sie sich etwa bei Erwärmung weniger stark aus als herkömmliche Alu-Kolben. Zudem lassen sie sich paßgenauer herstellen. Motoren mit derartigen Kolben sind deshalb besonders laufruhig und leise.
So einfach wie es sich anhört, ist das Ganze freilich nicht. Magnesium nämlich ist bei Temperaturen über 250 Grad nicht mehr fest genug und neigt zu Verformungen, dem sogenannten Kriechen. Dem sollen die eingelagerten Kohlefasern entgegenwirken, die sehr fest und gleichzeitig sehr steif sind. Überdies haben sie etwa die gleiche Dichte wie Magnesium und sind daher leichter als andere Fasern, etwa aus Aluminiumoxid. Für die Kolbenfertigung werden zunächst Formkörper aus Kohlefasern hergestellt, die - ähnlich wie ein Schwamm - zahlreiche Hohlräume aufweisen. In diese wird dann unter Druck das geschmolzene Magnesium eingepreßt. Die Schwierigkeit dabei: Kohlenstoffasern neigen dazu, sich in der Magnesiumlegierung aufzulösen und ändern dabei deren Eigenschaften. Dies versucht man durch Schutzschichten zu verhindern, die auf die Fasern aufgebracht werden und gleichzeitig die Haftung zwischen Metall und Faser verbessern.
Hier setzen die Chemnitzer Wissenschaftler um Prof. Dr. Bernhard Wielage vom Lehrstuhl für Verbundwerkstoffe an. Sie entwickeln neue Techniken für die Herstellung der Faserkörper und auch die schützenden Beschichtungen. Der neue Kolben soll so bald wie möglich in der Großserie eingesetzt werden. Vorher jedoch werden die Magnesiumverbundkolben erst einmal auf den Teststrecken von BMW bis an ihre Leistungsgrenzen erprobt.
(Autor: Hubert J. Gieß)
Criteria of this press release:
Biology, Environment / ecology, Materials sciences, Mechanical engineering, Oceanology / climate
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