Verringerung des Treibstoffverbrauchs
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Die Fachzeitschrift für Nickel und seine Anwendungen |
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Motorventile öffnen und schließen für gewöhnlich 30 Mal pro Sekunde. Dies führt zu extremer thermischer und mechanischer Belastung der Ventile, die in einer sehr korrodierenden Umgebung funktionieren müssen. |
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Motorventile aus Nickel können (wie gezeigt) hohl sein, was Gewicht einspart und dadurch den Treibstoffkonsum und die Abgasemissionen reduziert. |
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Der Preis "STEEL IN RESEARCH AND DEVELOPMENT" 2003, der von der deutschen Edelstahlindustrie gestiftet wird, ging an die Firma Mahle Ventiltrieb GmbH für die Konstruktion des oben gezeigten Leichtmotorventils. |
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Hohles Motorventil aus Nickellegierung gewinnt den ersten Preis für Innovation. Von Virginia Heffernan
Nickel Magazine, März, 2004 -- Ein Leichtbauventil aus einer Nickellegierung wurde in der Kategorie "Stahl in Forschung und Entwicklung" des Stahlinnovationspreises 2003 mit dem ersten Platz ausgezeichnet.
Die deutsche Stahlindustrie führte diesen jährlich vergebenen Preis im Jahr 1989 ein, um innovative Anwendungen und Ideen im Stahlbereich zu fördern. Im vergangenen Jahr wurden 678 Beiträge eingereicht, aber nur 12 Preisträger für die verschiedenen Kategorien ausgewählt. Zu diesen Kategorien zählen Produkte aus Stahl, Forschung und Entwicklung, Stahl in der Baubranche und Design.
Das mit dem Preis ausgezeichnete, aus NiCr23Fe mit einem Nickelgehalt von 60 % bestehende Ventil wurde von der in Stuttgart ansässigen Firma Mahle Ventiltrieb konstruiert, um der Nachfrage nach einem leichtgewichtigen, kosteneffizienten Ventil für Verbrennungsmotoren Rechnung zu tragen.
Die Wahl des Werkstoffs basierte auf verschiedenen, einander oft widersprechenden Anforderungen, erläutert der Projektmanager Marcus Abele. Der Werkstoff musste sich für das Kaltformen und Laserstrahlschweißen eignen und gleichzeitig extremen thermischen und mechanischen Belastungen in der korrodierenden Umgebung des Motors standhalten. Bei durchschnittlichen Motorgeschwindigkeiten und Temperaturen von bis zu 950°C öffnen und schließen sich die Ventile 30 Mal pro Sekunde.
Das neue Ventil ist um 30 bis 50 % leichter als konventionelle Modelle, wodurch die bewegte Masse im Ventiltrieb reduziert wird. Die Verringerung des Ventilgewichts senkt die Reibungsverluste im Motor und damit auch den Treibstoffverbrauch, was wiederum weniger Abgasemissionen, eine höhere zulässige Motorgeschwindigkeit und einen verminderten Verschleiß des Motors bedeutet.
"Die Kunden zeigen bereits Interesse an dem Leichtbauventil", berichtet Abele. "Die ersten Produkte werden im Jahr 2005 in Grossserienproduktion gehen."
In der Vergangenheit wurden für Versuche, ein leichteres Ventil herzustellen, Keramik, Titan und Titanaluminid eingesetzt. Keramikwerkstoffe neigen aber unter hoher Belastung zu Rissbildung und Titanwerkstoffe müssen beschichtet werden, um mit den anderen Komponenten im Ventil tribologisch kompatibel zu sein. Hohe Materialkosten sowie hohe Produktions- und Versuchskosten haben eine weitere Entwicklung dieser Werkstoffe verhindert.
Ein weiterer Unterschied zwischen dem neuen Ventil und konventionellen Ventilen besteht in seiner Struktur. Das Ventil von Mahle ist als Hohlkörper ausgeführt. Der Schaft besteht aus einem Präzisionsstahlrohr. Die Ventilkugel und die Ventilplatte werden in einem mehrstufigen Umformprozess unter Verwendung von 0,8 - 1,8 mm dicken Blechteilen hergestellt. Die einzelnen Komponenten werden per Laserstrahlschweißverfahren miteinander verbunden, und die Hohlräume der Auslassventile, die einer hohen thermischen Belastung standhalten müssen, werden mit Natrium gefüllt, um eine optimale Wärmeableitung zu gewährleisten.
Die Verwendung von hochpräzis gefertigten Einzelteilen reduziert den mechanischen Bearbeitungsumfang, verglichen mit einem geschmiedeten Ventil, aus ca. ein Viertel.
Die Entwicklung des preisgekrönten Ventils nahm 1998 aufgrund der Nachfrage nach einem geeigneten Ventil für Verbrennungsmotoren, das zu einem vernünftigen Preis erhältlich ist, ihren Anfang. Die wichtigste Innovation war, so Abele, der Einsatz von Komponenten aus Stahlblech. Nach der Entwicklung eines Prototyps beantragte Mahle Patente für das Ventil sowohl in Deutschland als auch international, und dann begann ein intensives Konstruktions- und Prüfprogramm einschließlich eines Fahrzeugtests über mehr als 80.500 km.
Im Jahr 2001 präsentierte Mahle das neue Ventil der Industrie anlässlich des SAE World Congress in Detroit
im U.S.-Bundesstaat Michigan sowie beim Motorsymposium in Wien, Österreich.
Virginia Heffernan ist eine in Toronto ansässige freie Mitarbeiterin.
FOTOS: MAHLE Ventiltrieb GmbH
 Marcus Abele |
