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Brennräume und Abgassysteme: Neue keramische Material- und Fertigungskonzepte

Den Zielkonflikt zwischen hoher Temperaturbelastung, geringem Gewicht, Effizienz sowie Fertigungskosten in modernen Brennräumen und Abgassystemen sollen nun neue keramische Material- und Fertigungskonzepte aus den Dresdner Fraunhofer-Instituten lösen. Bei den Instituten handelt es sich um das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS und das Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM.

Schließlich stellen moderne, umweltfreundliche Verbrennungsmotorkonzepte für Straßenfahrzeuge steigende Anforderungen an die Temperaturfestigkeit der Komponenten in Brennraum und Abgasstrang, berichten die drei Dresdner Fraunhofer-Institute. Gleichzeitig wachse die Komplexität der Abgasnachbehandlung auch in kleineren, preissensiblen Fahrzeugklassen, zum Beispiel durch zusätzliche Katalysatoren und Rußpartikelfilter. Effizienzsteigernde Maßnahmen wie die Rückgewinnung thermischer Restenergie seien notwendig, um die CO2-Einsparziele zu erreichen. Bei all diesen Aspekten dürfe die Kostenseite jedoch nicht vernachlässigt werden.

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS hat sich damit beschäftigt, wie das Eigenschaftsprofil von besonders stark beanspruchten Bereichen, etwa im Brennraum, an Ventiltellern oder Abgasturboladern durch eine gezielte lokale Veränderung der Randschicht verbessert werden kann. Dafür sind Verfahren wie Härten, Umschmelzen oder Auftragsschweißen mithilfe des Laserstrahls geeignet, da sie die Lebensdauer trotz geringer Energieeinträge optimal steigern können. Auch zum Schweißen ist der Laser vorteilhaft einsetzbar, etwa um dünne Blechstrukturen an Abgas-Wärmetauschern mithilfe einer schnellen Strahlablenkung effektiv zu bearbeiten. Dünnste Kohlenstoffschichten mit diamantähnlichen Eigenschaften wiederum würden helfen, Verschleiß und Reibung von Kolbenringen zu minimieren und damit nicht nur die Lebensdauer, sondern auch die Effizienz des Motors zu steigern, erklärt das Fraunhofer IWS.

Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS befasst sich unter anderem mit hochtemperaturfesten, extrem leichten Turbinenräder aus Siliciumnitrid für Abgasturbolader, die im hoch produktiven Spritzguss hergestellt werden. Temperaturbeständige Polymerkeramik könne ebenfalls über Spritzgießen verarbeitet werden und diene dem kostengünstigen Packaging von Sensoren für die Abgasnachbehandlung. Mit der keramischen Multilayertechnologie zeigt das Fraunhofer IKTS zudem einen Weg, wie solche Sensoren selbst (unter anderem für Druck, Temperatur und Ruß) in hohen Stückzahlen zu niedrigen Kosten und mit besserer Qualität gefertigt werden können. Neuartige Rußfilter und Katalysatorträger lassen sich mit IKTS-Verfahren aus Schaumkeramik und extrudierten, porösen Materialien wie Cordierit und niedrig sinterndem Siliciumcarbid herstellen. So zeigt das Bild beispielsweise das Pluggen von keramischen Wabenelementen, wie sie später in Dieselrußfilter eingesetzt werden.

Für einen neuartigen Schalldämpferwerkstoff in Form metallischer Hohlkugelstrukturen steht das Fraunhofer IFAM Dresden. Diese Hohlkugelstrukturen stellen einen selbsttragenden, mechanisch und thermisch stabilen Absorberwerkstoff dar, dessen akustisches Verhalten maßgeschneidert werden kann, erklärt das Institut. Dieser wird zukünftig nicht nur klassische Absorberwerkstoffe ersetzen, sondern auch die Gestaltung von Bauelementen ermöglichen, die mehrere Funktionen in sich vereinen, wie beispielsweise Schalldämpfer, Katalysatoren und Partikelfilter.

Die drei Dresdner Fraunhofer-Institute IKTS, IWS und IFAM zeigen erstmals gemeinsam Lösungen für diese Probleme im Rahmen der Fraunhofer-Allianz "autoMOBILproduktion" auf der Z 2011 in den Leipziger Messehallen. Eine Reihe von neuen Ansätzen und Fertigungstechnologien wird anhand eines so genannten Gläsernen Abgasstrangs in kompakter Form präsentiert.
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