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»LeiMot | LEIchtbau-MOTor - Leichte und effiziente Antriebe der Zukunft durch neue Herstellungsverfahren und Materialien zur Nutzung von nicht-fossilen Kraftstoffen wie z.B. Wasserstoff«

Ziel des Verbundprojektes LeiMot ist die Entwicklung eines zukünftigen Antriebsaggregats mit einer deutlich verringerten Masse, bei verbessertem Betriebswirkungsgrad, Betriebsverhalten, Thermomanagement und reduzierter Geräuschentwicklung. Das Motorenkonzept ist für die Verbrennung nicht-fossiler Kraftstoffe wie beispielsweise Wasserstoff optimiert.

Abbildung 1: Detailansicht der Arterienkühlung und der lokalen Gitter-Strukturen
© Fraunhofer ICT
Abbildung 1: Detailansicht der Arterienkühlung und der lokalen Gitter-Strukturen
Abbildung 2 Explosionsdarstellung Leichtbaumotor mit schallentkoppelter Kunststoffseitenabdeckung der Auslassseite (rechts)
© Fraunhofer ICT
Abbildung 2 Explosionsdarstellung Leichtbaumotor mit schallentkoppelter Kunststoffseitenabdeckung der Auslassseite (rechts)
Abbildung 3 LEIchtbau-MOTor »LeiMot«
© Fraunhofer ICT
Abbildung 3 LEIchtbau-MOTor »LeiMot«

Neue Konstruktions-, Auslegungs- und Herstellungsverfahren werden in Zukunft stärker auf den Produktentwicklungsprozess Einfluss nehmen. Ziel des vorliegenden Vorhabens ist es, den Verbrennungsmotor hinsichtlich zukünftiger Herstellungsverfahren und nicht fossiler Kraftstoffsysteme aufzustellen und so neue Potentiale zu nutzen. Die heutigen, konventionellen Herstellverfahren lassen mittelfristig kaum größere Entwicklungsschritte erwarten. Der Ansatz des Vorhabens ist frei von Herstellungsrestriktionen wie beispielsweise Gusskernen und Entformungen, die bisweilen einen erheblichen Einfluss auf die Gestaltung von Kurbelgehäuse und Zylinderkopf haben. Die metallischen Motorkomponenten wurden im selektiven Laserstrahlschmelzen (SLM) gefertigt und durch hochbelastbare Komponenten aus Faserverbundkunststoff (FVK) ergänzt. Unter anderem konnte somit eine innovative Arterienkühlung zur effizienteren Wärmeabfuhr umgesetzt werden. Der Einsatz funktionsoptimierter Gitter-Strukturen ermöglichte darüber hinaus ein verbessertes thermisches Verhalten und eine Reduzierung der Strömungsverluste bei gleichzeitig gesteigertem Leichtgrad (Abbildung 1).

Die Kunststoffkomponenten der Ein- und Auslassseite wurden vom Fraunhofer ICT konzipiert, berechnet und umgesetzt (Abbildung 2). Bei der Entwicklung der Bauteile wurde der Fokus auf strukturellen Leichtbau mit hoher Funktionsintegration gelegt. Neben dem Verschluss des Kurbelgehäuses sind die Kühlmittelkanäle, die mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe sowie die Aufnahme des Ölfilters, des Ölkühlers und des Kühlmittelverteilermoduls in die Kunststoffseitenwände integriert. Hergestellt wurden die Seitenteile aus einer glasfaserverstärkten Phenolharzformmasse, größtenteils werkezugfallend im Duromerspritzguss. Aufgrund der geringen Dichte, Medienbeständigkeit gegen Öl und Glycol, guten mechanische Eigenschaften auch bei hohen Einsatztemperaturen sowie nahezu keiner Kriechneigung wurde dieses duromere Werkstoffsystem ausgewählt.

Zur Abdichtung der Einlassseite wird ein silikonbasierter Klebstoff mit erhöhter Bruchdehnung eingesetzt, wodurch das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten von Duromer und Aluminium in der Warmlaufphase des Motors ausgeglichen werden kann. Die Seitenwand der Auslassseite wird mit selbstfurchenden Schrauben direkt an das Kurbelgehäuse geschraubt. Diese Verschraubungs-/ Fügetechnik sorgt für eine hohe Festigkeit der Verbindung und zeichnet sich durch starke Selbsthemmung bei gleichzeitig geringerem Gewicht im Vergleich zu metrischen Schrauben aus. Das direkte Verschrauben ohne vorher ein Gewinde zu schneiden ist eine neue Fügetechnik und reduziert Fertigungs- sowie Montagezeit. Die Seitenwand der Auslassseite wird zur Verbesserung des NVH-Verhaltens schwingungsentkoppelt an das Kurbelgehäuse angebunden. Die Abdichtung erfolgt über eine eigens angefertigte Elastomer-Profildichtung. Die Verwendung unterschiedlicher Anbindungskonzepte auf Einlass- und Auslassseite erlaubt den Vergleich und die Validierung beider Varianten am LeiMot-Prototyp.