Deutscher Zukunftspreis 2016

Mehr Licht, mehr Flexibilität, weniger Kraftstoff

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Dass Verbrennungsmotoren auch in Zukunft eine große Bedeutung spielen und nicht durch die Elektromobilität obsolet werden, zeigt die Nominierung für das zweite Forscherteam: Daimler und der Gebrüder Heller Maschinenfabrik ist es gelungen, die Reibungsverluste im Antriebsaggregat signifikant zu verringern. Das Team nahm dafür das Kolben- und Zylinderlaufbahnsystem ins Visier, welches für rund 50 % der Reibungsverluste im Motor verantwortlich ist. Für die Zylinderlauffläche von Kurbelgehäusen aus Aluminium entwickelten sie ein Beschichtungsverfahren, mit dem sich die Reibung verringern lässt. Die Reibungsverluste im Motor stehen für rund ein Viertel des Kraftstoffbedarfs eines Verbrennungsmotors. Zwar lässt sich Reibung im Motor nie ausschließen, doch das von den drei Forschern entwickelte Nanoslide-Verfahren reduziert die Reibung.

Deutscher Zukunftspreis 2016: Vision vom reibungslosen Antrieb
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Aber von Anfang: Ein Trend in der Automobilbranche geht in Richtung Leichtbau. Daher wird auch in der Motorenentwicklung auf das Leichtmetall Aluminium gesetzt. Zwar werden die Kurbelgehäuse in Verbrennungsmotoren aus Aluminium hergestellt, doch mussten sie bislang mit einer Buchse aus Grauguss oder Aluminium-Silizium-Legierung als Laufbahn für die Zylinder versehen werden. Das Nanoslide-Verfahren macht die zusätzliche Buchse überflüssig.

Bei dem Verfahren wird eine ein Zehntelmillimeter dünne Gleitschicht auf die Innenwand des Aluminium-Zylinders aufgebracht. Zwei Drähte aus einer Eisen-Kohlenstoff-Legierung erzeugen dafür einen Lichtbogen, in dem sich Metalltröpfchen bilden. Mithilfe eines Stroms aus Stickstoff-Gas werden die Tröpfchen zerstäubt und an die Zylinderwand gelenkt. Dort verfestigen sie sich und bilden Poren im Nanometerbereich. Diese stellen Ölreservoirs dar, die bei der Endbearbeitung freigelegt werden. Danach bildet die Schicht eine spiegelglatte Oberfläche, die nur einen sehr geringen Reibungswiderstand bietet. Ein weiterer Vorteil: der Verschleiß hält sich in Grenzen.

Nutzen der neuen Technologie

Im Vergleich zum herkömmlichen Herstellungsverfahren reduzieren sich die Reibungsverluste im Kolben- und Zylinderlaufbahnsystem durch Nanoslide auf die Hälfte. Dadurch verringert sich der Kraftstoffbedarf eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor um mindestens 3 %. Laut einer Studie könnten mit der neuen Technologie die CO2-Emissionen pro Jahr um bis zu 50 Millionen Tonnen verringert werden.

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