Die Zylinder sind das Herz eines Motors. Sie liefern die mechanische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs - verbrauchen dabei jedoch reichlich Öl und erzeugen schädliche Emissionen. Lassen sich diese Nachteile vermeiden?

Dass das geht, bewiesen Horst Joachim Lindner, Hans Wilhelm Bergmann und Robert Queitsch, indem sie den Werkstoff der Zylinderlaufbahnen mit einem UV-Laser veränderten. Horst Lindner ist Fachreferent für Produkt- und Fertigungsverfahrenstechnik bei der AUDI AG in Ingolstadt, Hans Wilhelm Bergmann hat einen Lehrstuhl für Werkstoffwissenschaften an der Universität Erlangen inne, Robert Queitsch ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am ATZ Entwicklungszentrum in Sulzbach-Rosenberg.

Verbrennungsmotoren erzeugen den Antrieb, indem in den Zylindern die chemische Energie des Kraftstoffs in mechanische Leistung umgewandelt wird. Wie hoch Leistung und Verbrauch sind, hängt wesentlich von der Struktur der Zylinderoberfläche ab. Sie dient als Gleitbahn für Kolbenringe und Kolben und dichtet zugleich den Brennraum zum Kurbelraum des Motors ab.

Ein wesentliches Ziel der Entwicklung im Automobilbau ist es, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Das lässt sich durch höhere Verbrennungsdrücke im Kolben erreichen. Damit verbunden ist allerdings eine stärkere mechanische Belastung der Zylinderlaufbahnen und der Kolbenringe. Bisher wurde auf die Zylinderlaufbahnen durch „Honen“, also durch eine bestimmte Bohrtechnik, eine spezielle Struktur aufgebracht, die der Ölhaltung dient. Doch dadurch wird viel Öl verbraucht. Die Folge: Eine große Menge unverbrannter Kohlenwasserstoffe gelangt ins Abgas. Außerdem erhöht das Honen den Verschleiß.

Die Innovation des Teams beruht auf einer UV-Laserbelichtung der Grauguss-Zylinderlaufbahnen, die großflächig im Laufbereich der Kolbenringe erfolgt. Beim Auftreffen der Laserpulse verdampft Material. Im Grauguss enthaltene Graphitausscheidungen bilden eine besonders geformte Struktur. Gleichzeitig schmilzt die Oberfläche auf und ein Plasma entsteht. Dadurch wird Stickstoff in die Schmelzschicht eingetragen, die zu einer nanokristallinen Struktur erstarrt. Diese Behandlung macht die Zylinderlaufbahn, die sich im Betrieb weiter in ein feines Gefüge mit superplastischen Eigenschaften wandelt, erheblich robuster. Das Ergebnis: Der Motorverschleiß sinkt. Der Ölverbrauch - und damit umweltschädliche Emissionen - verringern sich deutlich.

Die Technologie der UV-Laserbelichtung ist heute Bestandteil der Serienproduktion von Dieselmotoren der AUDI AG. Sie kann auch bei anderen Maschinenbauteilen aus Grauguss oder Stahlwerkstoffen eingesetzt werden, die mechanisch stark beansprucht werden.