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Dichtungen für die Motoren der Zukunft
Der Trend zu kleinerem Hubraum und zum Kompaktbau sorgt dafür, dass es unter der Motorhaube enger und heißer wird. Mit der Temperatur des Kühlmittels steigen auch die Belastungen für die im Kühlkreislauf verbauten Dichtungen. Ein neuer Flüssigsiliconkautschuk von WACKER meistert die wachsenden Anforderungen.
Motorräder, Sportflugzeuge oder benzinbetriebene Rasenmäher verfügen bis heute häufig über luftgekühlte Verbrennungsmotoren. Auch legendäre Automodelle wie der VW Käfer oder der Citroën 2CV, die bis in die siebziger Jahre in großen Stückzahlen produziert wurden, hatten einen luftgekühlten Motor unter der Haube. Vor allem Sportwagenfahrer schätzten diesen Antrieb, unter anderem wegen seines kernigen Sounds. Deshalb bedauerten es manche Porsche-Liebhaber, als sich die schwäbische Sportwagenschmiede 1998 – als letzter deutscher Autohersteller – mit dem neuen 911er-Modell von der Luftkühlung verabschiedete.
Mittlerweile ist der Verbrennungsmotor bei fast allen Automodellen flüssigkeitsgekühlt. Dabei wird das Kühlmittel – ein Wasser-Glykol-Gemisch – in einem geschlossenen Kreislauf geführt und in einem Kühler gekühlt. Verbrennungsmotoren erreichen heute Wirkungsgrade zwischen etwa 30 und 45 Prozent. Grob gerundet, bleiben drei Fünftel der auf einem Temperaturniveau von bis zu 2.500 Grad Celsius erzeugten Wärme ungenutzt; diese Wärme ist Abwärme. Rund die Hälfte der Abwärme wird mit dem Abgas über den Auspuff abgeführt, die restliche Abwärme erhitzt den Motor – vor allem den Zylinderblock, den Zylinderkopf und die Kolben. Um eine Überhitzung zu vermeiden, werden Zylinderblock und -kopf mit Kühlflüssigkeit gekühlt.
Während des Betriebs stellt sich im Kühlkreislauf ein Überdruck von bis zu 1,5 Bar ein. Dadurch erhöht sich der Siedepunkt der Kühlflüssigkeit. Beträgt der Überdruck 1,5 Bar, siedet das Wasser-Glykol-basierte Kühlmittel erst bei zirka 125 Grad Celsius und nicht schon bei 110 Grad Celsius, seinem Siedepunkt unter Atmosphärendruck. Somit lässt sich im Kühler ein größeres Temperaturgefälle nutzen, um Wärme vom heißen Kühlmittel auf die Umgebungsluft zu übertragen. Die Kühlmitteltemperatur hängt vom Betriebszustand des Motors ab; wird dem Motor keine außerordentliche Leistung abverlangt, liegt sie heute im Durchschnitt bei etwa 90 Grad Celsius.
Ventilator zur Verstärkung
Autokühler: Hier herrschen Temperaturen von 90 Grad Celsius und mehr. Dichtungen (gelb) müssen unter diesen Bedingungen über viele Jahre ihre Funktion aufrechterhalten.
Für die Förderung des Kühlmittels sorgt die Kühlmittelpumpe; sie fördert die im Kühler abgekühlte Kühlflüssigkeit zu den heißen Motorkomponenten. Von dort wird die nunmehr aufgeheizte Kühlflüssigkeit zum Kühler zurückgeführt. Ein Sensor in der Nähe des Zylinderkopfaustritts misst die Temperatur des Kühlmittels; sie wird dem Fahrer als Betriebstemperatur angezeigt. Überschreitet sie einen bestimmten Wert, wird der vor dem Kühler montierte Ventilator angeschaltet, der die Kühlwirkung verstärkt.
Die Motorkühlung vermeidet das Verziehen von Motorbauteilen – vor allem der Zylinderlaufflächen –, sorgt für den Erhalt des reibungsvermindernden Ölfilms, indem sie das Verkohlen des Motoröls verhindert, und trägt zu einem kontrollierten Ablauf des Verbrennungsprozesses bei. Eine unzureichende Kühlung, wie sie etwa durch einen Kühlmittelverlust verursacht werden kann, führt schnell zum gefürchteten Kolbenfresser und anderen kapitalen Motorschäden. Deshalb kommt den im Kühlkreislauf eingesetzten Dichtungen eine große Bedeutung zu.
Im Kühlmittelkühler, in der Kühlmittelpumpe, im Thermostat und im Kühlmittelausgleichsbehälter sind Bauteile lösbar miteinander verbunden. Um einen Kühlflüssigkeitsverlust zuverlässig zu verhindern, müssen die Bauteilverbindungen technisch dicht sein – unter Betriebsbedingungen darf über die gesamte Lebensdauer der zusammengefügten Komponenten keine Flüssigkeit durch die Fuge austreten.
Sensor am Zylinderkopf
Das Produkt
Elastosil® LR 3022/60 ist ein kühlmittelbeständiges Flüssigsilicon für die Autoindustrie. Die Elastomere besitzen ein gutes Rückstellvermögen und eine gute Dichtwirkung, auch unter Langzeitbelastung.
Für die technische Dichtigkeit sorgen an vielen Stellen vorgefertigte Elastomer-Formdichtungen. Meist handelt es sich um Formteile, die in eine dafür vorgesehene Nut in der Fügefläche eines der beiden Bauteile eingelegt und anschließend, bei der Montage des zweiten Bauteils, verpresst werden.
Dieses Komprimieren nutzt die gummielastischen Eigenschaften des Elastomers: Ein Elastomer verformt sich idealerweise wegen seines Rückstellvermögens nicht bleibend, sondern reversibel. Daher baut sich in der Elastomer-Formdichtung beim Verpressen eine mechanische Spannung auf, welche das Dichtungsmaterial an die umgebenden Begrenzungsflächen drückt. Wurde die Dichtung genügend stark komprimiert, dichtet sie die Bauteilverbindung ab.
Damit eine Elastomer-Formdichtung über Jahre zuverlässig für die technische Dichtigkeit sorgt, sollte sich ihr Rückstellvermögen unter den herrschenden Einsatzbedingungen möglichst nicht ändern. Angesichts der Belastungen, denen die Dichtungen im Kühlkreislauf ausgesetzt sind, ist dies eine Herausforderung für die Materialentwickler: Die Kompression, welche die Dichtungen während der Montage erhalten, zwingt dem Elastomer eine kontinuierlich anhaltende statische Verformung auf. Hinzu kommen bei laufendem Motor dynamische, also zeitlich veränderliche Belastungen wie Schwingungen und Torsionen. Vor allem aber wirkt das Kühlmittel fortwährend auf das Elastomer ein – eine besonders starke Belastung, wenn die Flüssigkeit heiß ist.
Nachteilig auf die Motorkühlung wirkt sich der Trend zum Downsizing der Motoren aus. Die Ingenieure reduzieren den Hubraum und die Zahl der Zylinder. Das fehlende Drehmoment wird durch Direkteinspritzung und höhere Drücke mittels Turboaufladung kompensiert. Damit treten jedoch größere Wärmeströme im Motor auf. Gleichzeitig wird es unter der Haube zunehmend enger – auch der Trend zur kompakten Bauweise erschwert die Wärmeabführung. Alle diese Maßnahmen haben zur Folge, dass die durchschnittliche Temperatur im Motorraum steigt.
Steigende Temperaturen
Nur wenige elastische Dichtungswerkstoffe sind dieser zunehmenden Belastung gewachsen. Herkömmliche Siliconelastomere etwa werden bei Temperaturen über 100 Grad Celsius von Glykol, einem der beiden Hauptbestandteile des Kühlmittels, chemisch angegriffen und eignen sich daher im Allgemeinen nicht für Dichtungsanwendungen im direkten Kontakt mit heißem Kühlmittel. Bislang werden meist Formdichtungen aus organischen Elastomeren eingesetzt. Angesichts der tendenziell steigenden Temperaturen im Motorraum beginnt die Automobilindustrie allerdings, ihre Anforderungen an die Dichtungswerkstoffe stark zu verschärfen.
Neue Silicon-Formel
Dichtungen aus Elastosil® LR 3022. Das neue Flüssigsilicon wurde speziell für die Autoindustrie entwickelt.
Mit ELASTOSIL® LR 3022/60 hat WACKER einen neuen Flüssigsiliconkautschuk zur Herstellung von Formdichtungen entwickelt. Dichtungen aus diesem Silicon behalten auch in langanhaltendem Kontakt mit heißem Kühlmittel ihre dichtende Wirkung bei – selbst bei Temperaturen von 125 Grad Celsius. „Der neue Siliconkautschuk wurde so formuliert, dass daraus hergestellte Dichtungen den im Kühlkreislauf herrschenden Bedingungen über die gesamte Lebensdauer standhalten können“, betont Dr. Thomas Frese, der als Leiter eines anwendungstechnischen Labors bei WACKER in Burghausen maßgeblich an der Entwicklung des neuen Siliconkautschuks beteiligt war. „Eine daraus hergestellte Dichtung behält im direkten Kontakt mit heißem Kühlmittel dauerhaft ein ausreichend hohes Rückstellvermögen bei.“
So steigt sein Druckverformungsrest – das ist die an einem Prüfkörper ermittelte technische Größe, die das Rückstellvermögen des Elastomers beschreibt – selbst nach einer eintausendstündigen Langzeitlagerung in 125 Grad Celsius heißer, unter Druck stehender Kühlflüssigkeit nicht über 50 Prozent. Ein auf drei Viertel seiner Höhe zusammengedrückter, rund 42 Tage lang in siedender Kühlflüssigkeit gelagerter Prüfkörper stellt sich nach seiner Entlastung mindestens um die Hälfte des komprimierten Betrags wieder zurück; nach der Entspannung bleibt also von der Verformung ein Rest von höchstens 50 Prozent erhalten. Konkret bedeutet dies, dass eine 1,2 Millimeter dicke Dichtung, die auf 0,9 Millimeter komprimiert und in siedender Kühlflüssigkeit gelagert wurde, sich nach 42 Tagen wieder um die Hälfte des komprimierten Betrags zurückverformt, wenn die Schraubverbindung gelöst wird. Die Dichtung misst jetzt also mindestens 1,05 Millimeter.
„Das ist ein sehr guter Wert, der von Flüssigkautschuken unter diesen harten Prüfbedingungen bisher nicht erreicht wurde“, unterstreicht der WACKER-Chemiker Thomas Frese. Die Tests zeigen somit, dass eine Formdichtung aus dem neuen Material auch bei langer Lagerung in heißem Kühlmittel ihre Dichtwirkung behält.
„Mit ELASTOSIL® LR 3022/60 steht der Autoindustrie eine hochwertige Alternative zu organischen Kautschuken zur Verfügung.“
Wolfgang Schattenmann, Leiter Business Team Rubber SolutionsSilicone mögen’s heiß und kalt
Außerdem zeichnet sich das Vulkanisat durch die silicontypischen Eigenschaften aus. Dazu zählen seine exzellente Temperaturbeständigkeit und seine Kälteflexibilität bis herab zu -45 Grad Celsius. Selbst bei sehr tiefen Temperaturen, wie sie etwa im ausgekühlten Motor während strenger nordischer Winternächte herrschen können, bleiben die Vulkanisate von ELASTOSIL® LR 3022/60 elastisch. Mit diesen Eigenschaften ist das neue Silicon für den Einsatz im Kühlmittelkreislauf prädestiniert. Hinzu kommt, dass sich ELASTOSIL® LR 3022/60 als Flüssigsiliconkautschuk problemlos im Spritzgussverfahren verarbeiten lässt und daher auch eine kostengünstige Großserienproduktion von Dichtungen verschiedener Art und von anderen Formteilen ermöglicht, die für den Einsatz im direkten Kühlmittelkontakt vorgesehen sind.
„Der Automobilindustrie steht somit eine technisch hochwertige Alternative zu den organischen Kautschuken zur Verfügung“, erkärt Dr. Wolfgang Schattenmann, Leiter des Business Teams Rubber Solutions bei WACKER SILICONES. Das neue Spezialsilicon sei höheren Belastungen gewachsen, als sie bislang im Motor-Kühlkreislauf aufträten. „Mit ELASTOSIL® LR 3022/60“, sagt Schattenmann weiter, „können die Automobil-Zulieferer den verschärften Prüfvorschriften der Automobilhersteller, die in Zukunft für Formdichtungen im Kühlmittelkontakt erwartet werden, gelassen entgegensehen.“