Manche mögen' s heiß

Leichtbau lautet die Devise der Automobilhersteller, wenn sie den Kraftstoffverbrauch und damit auch die CO2-Emission deutlich reduzieren sollen. Die Serie Leichtbau der AutomobilKONSTRUKTION hat die rasanten Entwicklungen der metallischen Werkstoffe und Neuerungen bei deren Verarbeitung aufgezeigt. Zunehmend wurde auch deutlich, dass weitere Gewichtsreduzierungen in erster Linie durch die Substitution der Metalle durch Kunststoffe erzielt werden können. Das gilt nicht nur für die Karosserie, sondern auch für den Motorbereich und hier auch in den heißen Zonen.

„Aufgrund der steigenden Anforderungen wird es jedoch speziell im heißen Motorbereich immer schwieriger, Metall durch polymere Werkstoffe zu ersetzen“, spricht Dr. Martin Baumert ein Problem an. „Hochleistungskunststoffe scheiden oft wegen der Systemkosten aus“, weiß der Teamleiter Produktentwicklung bei der BASF. Die Leistungsfähigkeit der übrigen Kunststoffe genüge aber den heutigen Anforderungen nicht mehr.

Mit der neuen Polyamid-(PA-)Spezialität „Ultramid Endure“ weisen die Forscher der BASF jetzt einen Ausweg aus dieser Sackgasse. Hierbei handelt es sich um ein glasfaserverstärktes Polyamid, das neben einer ausgezeichneten Wärmealterungsbeständigkeit die gute Verarbeitbarkeit von PA 66 aufweist. Sie wurde gegenüber dem Standard-PA 66-Material Ultramid A3WG7 sogar noch deutlich verbessert. Diese Eigenschaftskombination ermöglicht es laut Dr. Baumert, auch Bauteile unter der Motorhaube, die sehr heißer Luft ausgesetzt sind, zu vertretbaren Systemkosten aus Kunststoff herzustellen und so in hohem Maße zur Gewichtsreduktion beizutragen.

Das neue Ultramid Endure widersteht mühelos einer Dauerbelastung von bis zu 220° und Spitzenbelastungen bis 240 °C und erweitert so das Anwendungsspektrum der Polyamide bis in den Hochtemperaturbereich. Im Vergleich dazu erreicht Ultramid A3WG7 mit gleichem Glasfasergehalt eine Dauertemperaturbeständigkeit von 170 °C, die Produkte des temperaturbeständigeren Ultramid W2-Portfolios (PA 66/6) wie Ultramid A3W2G6 halten 190 °C im Dauereinsatz stand.

Diese enorme Verbesserung der Wärmealterungsbeständigkeit wird durch eine bei der BASF entwickelte innovative Stabilisierungstechnologie erreicht. Dabei bewahrt unter anderem die Ausbildung einer schützenden Oberflächenschicht selbst bei Temperaturen von bis zu 220 °C das Material dauerhaft vor Angriffen durch Sauerstoff. Dieser Effekt ist besonders gut an den gealterten Oberflächen zu sehen. Im konventionellen PA 66 hat der Sauerstoff nach 1000 h bei 220 °C Kanäle in die Oberfläche gefressen, durch die immer mehr Sauerstoff in immer tiefer liegende Schichten gelangen und diese angreifen kann. Bei Ultramid Endure wird die Oberfläche durch den neuartigen Stabilisierungs- und Versiegelungsprozess sehr früh verschlossen, so dass das Material auch nach über vier Monaten bei 220 °C –a bgesehen von einer dünnen Rußschicht an der Oberfläche – verschont bleibt. Im Langzeitversuch bei 220 °C behält das Ultramid Endure seine hohen Festigkeitswerte dank Stabilisierung auch nach 3000 h noch bei, während sich bei PA 66/6 oder noch leistungsfähigeren Thermoplasten wie PPA bereits nach relativ kurzer Versuchsdauer starke Einbrüche zeigen.

Auch im Dauerversuch bei 220 °C stabil

„Für die Bauteilauslegung spielen vor allem die Materialeigenschaften bei Dauergebrauchstemperatur eine entscheidende Rolle“, weiß Produktentwickler Dr. Baumert. Dabei komme den Zähigkeits- und Festigkeitswerten eine besondere Bedeutung zu. Lägen sie hoch genug, könnten die Wanddicken verringert werden, ohne die Zuverlässigkeit des Bauteils zu gefährden. Auch hier liege Ultramid Endure mit seiner Bruchspannung bei 200 °C deutlich über den Werten der Vergleichsprodukte.

Ein wichtiges Kriterium für die Entwickler sind neben der Leistungsfähigkeit eines Bauteils die Systemkosten. Sie werden in hohem Maß durch die Verarbeitbarkeit des verwendeten Materials bestimmt. Der neue Kunststoff bietet eine problemlose Verarbeitung mit einem deutlich breiteren Verarbeitungsfenster als andere Hochleistungswerkstoffe.

Der Trend zur Effizienzsteigerung im Fahrzeugbau bewirkt kontinuierlich ansteigende Temperaturen im Motorraum . Höher aufgeladene Motoren sollen die Energieeffizienz verbessern. Denn die Aufladung, also die Zufuhr von mehr Luft, verschiebt die Leistung des Motors an einen verbrauchsmäßig günstigeren Betriebspunkt. Turbolader erzeugen höhere Drücke und Temperaturen im Motorraum, speziell in der Ladeluftstrecke. So herrschen zum Beispiel bei aufgeladenen Dieselmotoren im Bereich zwischen Turbolader und Ladeluftkühler Betriebstemperaturen bis 200° und Spitzentemperaturen bis 230 °C.

Aus Gewichtsgründen wollen die Automobilbauer Metall durch Kunststoff ersetzen, bei möglichst niedrigen Bauteilkosten. Im angesprochenen Temperaturfenster steht bisher keine preislich akzeptable Alternative zu den deutlich teureren Hochleistungskunststoffen zur Verfügung. „Mit seinem außergewöhnlich guten Wärmealterungsverhalten und der guten Verarbeitbarkeit schließt Ultramid Endure diese Lücke und wird den Anteil an Kunststoffen im Ladeluftbereich von Dieselmotoren erheblich erhöhen“, prognostiziert Dr. Baumert.

Saugrohre mit integrierten Ladeluftkühlern

Zu möglichen Anwendungen zählen alle Bauteile der Ladeluftstrecke wie Ladeluftkühlerkappen, Resonatoren, Ladeluftleitungen und Drosselklappen, aber ebenso Komponenten an der weniger heißen Seite des Turboladers. Ein weiteres zukünftiges Anwendungsfeld für das neue Material könnten Saugrohre mit integrierten wassergekühlten Ladeluftkühlern sein. Aufgrund der hohen Temperaturen bei diesen speziellen Saugrohren stoßen die klassischen Saugrohrwerkstoffe (PA 6) an ihre Grenzen.

Ein solches Saugrohr mit integriertem Ladeluftkühler hat die Röchling Automotive aus Mannheim entwickelt. Die Integration des Wärmetauschers in das Saugrohr erspare über 40 % Bauraum und Luftvolumen in der Ansaugstrecke, propagieren die Entwickler. „ Neben dem Luftvolumen gehen auch Kosten, Gewicht und Teileanzahl jeweils über 20 Prozent zurück“, erklärt Marco Barbolini, Produktmanager bei Röchling Automotive. Immerhin verkürze sich das Ladeluftrohr auf der heißen Seite um mehr als die Hälfte. Auf der kalten Seite entfalle es völlig, samt den Verbindungselementen. Beim Ladeluftkühler erübrige sich der Sammler auf beiden Seiten. „Da fällt eine Menge recht teurer Teile weg“, betont Barbolini.

Aufgrund der kürzeren Ansaugstrecke sind die Motoren merklich spritziger. Für die Aufladung mit dem Abgasturbolader war bisher eine Verzögerung charakteristisch. Diese ist nun weitgehend eliminiert. Fahrdynamik und Motoreffizienz sind deutlich verbessert. „Schwierig war eben nur die Umsetzung“, berichtet Babolini. Mittlerweile gelte aber die Herstellbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Verlässlichkeit dieses Kombinationsmoduls als bewiesen.

„Das Prinzip vom Ladeluftkühler innerhalb des Saugrohres ist derzeit beim VW 1,2 l TSI und 1,4 l TSI in Serie“, weiß Barbolini. Es sind bereits Benziner bis 3,2 l und Dieselaggregate bis zu 3 l mit integriertem Ladeluftkühler bei verschiedenen Automobilherstellern in der Entwicklung.

Röchling; Telefon: 0621 44055-0; E-Mail: marco.barbolini@roechling-automotive.it

BASF; Telefon: 0621 60-43348; E-Mail: sabine.philipp@basf.com

Der Autor Dr. Rolf Langbein ist freier Mitarbeiter der AutomobilKONSTRUKTION