Verbrennungsmotor: Spezialstähle senken Emissionen und Kraftstoffverbrauch

für bietet sich Carbo-dur 5920 (18CrNi8) an. Er bringe eine hohe Hitze- und Druckbe-ständigkeit mit. Beim

Elektro-Schlacke-Umschmelzverfahren (ESU) wird der feste Stahl in flüssige Schla-cke getaucht und durch das Zuführen elek-trischer Energie erneut geschmolzen. Beim Durchgang durch die Schlacke erfährt der Stahl eine Veredelung: Verunreinigungen und Oxide werden in der Schlacke gebun-den. Der Umschmelzprozess findet in einer wassergekühlten Kokille statt, so dass der Block gleichmäßig erstarrt.

Für hochbelastete dünnwandige Bauteile bietet die Schmolz + Bickenbach Gruppe in ihren Stahlwerken das ESU-Verfahren un-ter Schutzgas an. So werde ein noch höhe-rer Reinheitsgrad erreicht.

Für das Hochdruck-Rail im Dieselmotor ha-ben die Deutschen Edelstahlwerke den standardmäßig eingesetzten Edelbaustahl Microdur 5231 (38MnSiVS6+NB) durch die

tels spezieller Schmelz- und Walzverfahren sowie durch gezielte Wärmebehandlung werden zusätzlich der Reinheitsgrad und die Feinkörnigkeit des Gefüges erhöht. Da-durch wird das Gehäuse druck- und kraft-stoffundurchlässig. Besonders geeignet sind nach Herstellerangaben die Stähle Acidur 4057, Acidur 4418 und Acidur 4301. Den Acidur 4057 hat die Deutsche Edelstahl-werke GmbH fürs Schweißen und, wie die anderen beiden Stähle auch, für die stei-genden Anforderungen optimiert.

Bei Verbindungsstücken im Einspritzsystem liegt die Herausforderung in der Dichtheit bzw. Reinheit sowie der Festigkeit der Werk-stoffe. Ein Beispiel sind Verbindungsteile am Rohr des Hochdruck-Rails, des Kraft-stoffspeichers zwischen Hochdruckpumpe und Einspritzdüse. Um dem aggressiven Benzin standzuhalten und Leckagen zu ver-meiden, sind reine, korrosionsbeständige und mechanisch feste Stähle gefragt.

„Für diese Anforderungen empfehlen wir Duplexstähle aus unserer Ugiplex-Reihe“, so Raphael Craen, Automotive Sales Direc-tor bei Ugitech. „Sie bringen im Vergleich zu gewöhnlichen Stählen eine erhöhte Kor-rosionsbeständigkeit bei hohen mechani-schen Eigenschaften mit. Weniger legiert, sind diese Stähle auch preislich nicht unat-traktiv.“

Hoher Reinheitsgrad für den Dieselmotor

Die Beanspruchungen der Bauteile in Diesel-motoren sind aufgrund der höheren Zünd-temperatur extremer als in Benzinmotoren. Während das Einspritzsystem im Benziner Drücken bis 300 bar ausgesetzt ist, geht die Entwicklung beim Diesel langfristig in Richtung 3.000 bar. Damit steigen die An-forderungen im Zuge des Downsizings deut-lich. Das erfordert den Einsatz von Stab-stählen mit höheren statischen und dyna-mischen Festigkeiten sowie einem höheren Reinheitsgrad. Je reiner der Stahl ist, desto höheren Kräften kann er auch bei geringen Bauteildurchmessern standhalten. Ein hoch-belastetes Bauteil ist die Einspritzdüse, die den Kraftstoff direkt in den Brennraum führt. Die hier eingesetzten Stähle müssen enormen Temperaturen standhalten. Hier-

Alternative Antriebskonzepte sind auf dem Vormarsch. Der klassische Verbrennungsmo -tor ist jedoch noch lange nicht wegzuden-ken, nicht zuletzt weil er viel Potenzial für Optimierung bietet. Um die Grenzwerte einzuhalten, ist das Downsizing ein Entwick -lungsziel: Hubraum und Zylinder von Die-sel- und Ottomotoren werden insgesamt kleiner, sollen aber ebenso leistungsfähig bleiben. Der Schlüssel zu sparsamen und umweltschonenden Motoren sind höhere Wirkungsgrade.

In der Diskussion zur Steigerung der Fahr-zeugeffizienz, zum Beispiel durch Leichtbau, stehen Flachstahlprodukte häufig im Fokus. Doch auch hoch- und höherfeste Lang-stahlprodukte sind zur Reduktion von Kraft- und Schadstoffen erforderlich: Ohne die Spezialstähle wären Hochleistungssysteme wie Direkteinspritzung und Turboaufladung nicht denkbar. Sie machen das Downsi-zing des Verbrennungsmotors und damit eine nachhaltige Mobilität erst möglich. Ein Hersteller für Langstahllösungen ist die Schmolz + Bickenbach Gruppe.

Die Direkteinspritzung hat sich durch die exakte Dosierbarkeit des Kraftstoffs sowohl in Otto- als auch in Dieselmotoren durch-gesetzt. Bedingt durch den Kraftstofftyp variieren die Anforderungen an die hier eingesetzten Werkstoffe jedoch stark. Im Benzinmotor müssen hochbelastete Bau-teile wie Hochdruckpumpe, Kraftstoffspei-cher, feinste Ventile und Verbindungsteile besonders korrosionsbeständig sein. Mit-

Im Verbrennungsmotor ist die Einspritzdüse ein stark belastetes Bauteil, das den Kraftstoff unter

Hochdruck in den Brennraum führt.

Raphael Craen, Automotive Sales Director bei Ugitech.

Beim Umschmelzen werden Schwefel und nichtmetallische Einschlüsse aus dem Stahl herausgefiltert. Dadurch erhält er einen besonders hohen Reinheitsgrad.

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Festigkeit des Werkstoffs bei Systemtem-peraturen bis 200 °C nicht nachlässt, prägt Steeltec den Werkstoff bereits bei der Her-stellung vor.

Fazit

Das Direkteinspritzsystem und die Turbo-aufladung sind wichtige Bestandteile des Downsizing-Ansatzes, um den Ausstoß von Schadstoffen und den Verbrauch von Kraft-stoff zu senken. Die Bauteile werden filig-raner, müssen aber höheren Kräften und Temperaturen standhalten. Eigene Stahlwer-ke, technisches Know-how und moderne Verfahrens- und Prüftechnologien ermögli-chen es, Langstähle für die steigenden An-forderungen zu modifizieren.

Für Verbindungsteile am Hochdruck-Rail sind reine, korrosionsbeständige und mechanisch feste Stähle gefordert.

eine Alternative parat. Der ETG 25 ist im Gegensatz zu den konventionell eingesetz-ten weichmagnetischen Werkstoffen sehr gut schweißbar und zerspanbar – wichtige Kriterien für die effiziente Bearbeitung des Drehteils. Der Spezialstahl ermöglicht die im Downsizing üblichen kompakten Kon-struktionen. Zudem können Bauteile mit Blick auf die gesamte Prozesskette kosten-günstiger hergestellt werden.

Hoher Ladedruck im Turbolader

Die Dynamik des Motors hängt unmittelbar mit dem Ladedruck zusammen, den der Turbolader erzeugt. Als wichtiger Bestand-teil des Downsizing-Ansatzes nutzt die Tur-bine die Energie des Abgases, um die An-saugluft zu verdichten und dem Brennraum unter Hochdruck zuzuführen. Dabei ent-stehen Temperaturen bis zu 1.000 °C. Hit-zebeständige Stähle sind gefragt, wie zum Beispiel der UGI 4845 und UGI 4828 von Ugitech. Daraus werden zum Beispiel Hül-sen sowie Befestigungselemente gefertigt, die die Turbinenkonstruktion zusammen-halten. Die Anwendung im Blick stellt der Stahlproduzent eine hohe Geradheit und Maßgenauigkeit des Vormaterials sicher. Da-mit werden eine präzise, verzugsfreie Bau-teilfertigung und ein sicheres Funktionie-ren des Bauteils gewährleistet.

Hohe Schwingungen wirken auf die dünn-wandige Dichtbuchse im Kompressor. Sie dichtet das Lagergehäuse gegen heiße Ab-gase aus der Turbine und gegen Ölverlust ab. Langstahlprodukte mit geringer Eigen-spannung sind erforderlich, um formstabile Bauteile auch bei unterschiedlichen Belas-tungen zu ermöglichen. Da der Zerspanungs-anteil in der Fertigung der Dichtbuchse hoch ist, empfiehlt der Stahlspezialist den zer-spanungsoptimierten ETG 100. Damit die

Zugabe von Niob optimiert und damit die Feinkornbeständigkeit erhöht. Anwender sollen von einer höheren Festigkeit und Druckdichtigkeit sowie verkürzten Härte- und Nacharbeitszeiten profitieren. Die Be-arbeitbarkeit des Schmiedeteils wird durch die hohe Festigkeit nicht beeinträchtigt, da der Härteprozess erst während des Schmie-devorgangs beim Kunden stattfindet.

Hoch- und höherfeste Stähle für das Common-Rail-System

Hochbeansprucht sind auch die Bauteile in der Common-Rail-Technologie. Bauteile wie Düsen- und Magnetspannmuttern hal-ten das System bei Drücken über 2.000 bar zusammen. Hoch- und höherfeste Werk-stoffe sind erforderlich, damit die Bautei-le auch Wechselbelastungen standhalten. Neben hohen dynamischen Festigkeiten muss der Stahl zur Anfertigung der Spann-muttern auch eine gute Zerspanbarkeit mitbringen. Hierfür sind der ETG 100 und HSX 110 vorgesehen.

Auch für magnetische Anwendungen, wie das Hochdruckmagnetventil, hat Steeltec

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SCHMOLZ + BICKENBACH Gruppe40549 DüsseldorfFon: +49 (0) 2 11-5 09-0 www.schmolz-bickenbach.com

Die Spezialstähle ETG 100 und HSX 110 der Steeltec AG erhalten bereits während des Warmziehens ihre hohen Festigkeiten.

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Bilder: Schmolz + Bickenbach Gruppe

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