Stahl-Innovationspreis 2003 - Stahl-Informations-Zentrum

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1. Preis Stahl in Forschung und Entwicklung MAHLE Ventiltrieb GmbH Haldenstraße 7 70376 Stuttgart Jury-Begründung »Leichtere Motorkomponenten sind ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Motorleistung und des Wirkungsgrads. Mit dem neu entwickelten Stahl- Leichtbauventil der MAHLE Ventiltrieb GmbH wird über die deutliche Verringerung des Ventilgewichts die bewegte Masse im Ventiltrieb reduziert. Dadurch werden die Reibungsverluste im Motor und auch der Kraftstoffverbrauch gesenkt. Zudem kann die Motorleistung durch eine höhere zulässige Drehzahl gesteigert und die Lebensdauer durch einen geringeren Verschleiß verbessert werden. Im Vergleich zu Leichtbaulösungen mit alternativen, teuren Werkstoffen ist dieses Ventil kostengünstig in Großserie herzustellen.« Leichtbauventil für Verbrennungsmotoren Leichtere Motorkomponenten tragen dazu bei, Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen weiter zu senken. Besonders wirkungsvoll ist die Massenreduzierung bei den oszillierend bewegten Teilen im Motor, wie z.B. den Ventilen, da deren Masse mit jeder Motorumdrehung beschleunigt und abgebremst werden muss. Motorventile unterliegen extremen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Bei einer mittleren Drehzahl eines Benzinmotors von 3.500 Umdrehungen pro Minute öffnen und schließen sie sich 30-mal in einer Sekunde, bei Umgebungstemperaturen bis über 1.000 °C. Sie stellen somit eine besondere Herausforderung für die Motorentechnik dar. In der Vergangenheit gab es mit Ventilen aus Keramik,
1. Preis Kategorie Stahl in Forschung und Entwicklung Titan und Titanaluminid eine Vielzahl werkstoffseitiger Ansätze für den Leichtbau. Der Durchbruch zum Großserieneinsatz blieb diesen Ventilen auf Grund sehr hoher Material- und/oder Fertigungskosten bzw. aufwendiger Prüfmethoden versagt. Die MAHLE Ventiltrieb GmbH hat ein Leichtbauventil aus Stahl entwickelt, das in modernen Mehrventilmotoren einen erheblichen Beitrag zur Massenreduzierung leistet. Dieses Ventil wird aus umgeformten, hochwarmfesten Stählen hergestellt. Es ist weit kostengünstiger als andere Leichtventile. Im Vergleich zu den konventionell eingesetzten geschmiedeten Ventilen ist das neue Ventil als Hohlkörper ausgeführt. Der Schaft besteht aus einem Präzisionsstahlrohr, Kegel und Teller werden in einem mehrstufigen Umformprozess aus Blechteilen hergestellt. Als Werkstoffe kommen die hochlegierten Stähle X15CrNiSi20-12 bzw. X6CrNiMoTi17-12-2 für die thermisch niedriger belasteten Einlassventile und NiCr23Fe für die höchst belasteten Auslassventile zum Einsatz. Es werden Bleche mit Dicken zwischen 0,8 und 1,8 mm verwendet. Die Wandstärke des Schaftrohrs beträgt 0,7 bis 1 mm. Das Fügen der Einzelteile erfolgt mittels Laserstrahlschweißen. Die thermisch höchst belasteten Auslassventile werden in den Hohlräumen zusätzlich mit Stahl- Innovationspreis 2003 16/ 17 Natrium gefüllt, um eine optimale Wärmeableitung zu erzielen. Die Verwendung von hochpräzis gefertigten Einzelteilen reduziert den mechanischen Bearbeitungsumfang, verglichen mit dem aus einem Schmiederohling hergestellten Ventil, um ca. ein Viertel. Das Stahl-Leichtbauventil erreicht eine Massenreduzierung von 30 bis 50 % gegenüber einem konventionellen Ventil. Die verringerte Masse führt auf Grund der hohen Beschleunigungen, denen ein Ventil beim Öffnen und Schließen ausgesetzt ist, zu einer deutlichen Reduzierung der im Zylinderkopf wirkenden Kräfte und dadurch zu einer Verringerung des Verschleißes aller bewegten Teile. Diese können somit ebenfalls mit geringeren Wanddicken Schaftende Schaft Natriumfüllung Kegel Teller oder kleineren Kontaktflächen dimensioniert werden, was zu einer weiteren Massenverringerung führt. Es ist damit möglich, leichtere Motoren mit geringerem Kraftstoffverbrauch oder mit höherer Leistung zu entwickeln, da die Drehzahl aufgrund der leichteren Ventile angehoben werden kann. Die Ergebnisse von Funktions- und Dauerlaufversuchen bei MAHLE und bei Automobilherstellern zeigen, dass das Stahl-Leichtbauventil alle Anforderungen erfüllt. Es kann künftigen Motorengenerationen weitere Leistungspotenziale erschließen.
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