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Nahtlose Edelstahlrohre für Benzinmotoren im Auto

16.01.18 | Mannesmann Stainless Tubes

Die Anforderungen an Hochdruck-Kraftstoffleitungen in Benzinmotoren sind in den letzten Jahren sprunghaft gestiegen. Dort eingesetzte nahtlose Edelstahlrohre müssen diese Ansprüche erfüllen.
Treiber für diese Entwicklung sind erhöhte korrosive Anforderungen durch aggressivere Benzinsorten, welche die bisher eingesetzten Materialgruppen ausschließen. Gleichzeitig werden die kraftstoffführenden Leitungen durch effizientere Motorkonzepte immer höheren mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt, wodurch sich neue, bisher unbekannte Herausforderungen ergeben. In Anbetracht ihrer Eigenschaftspotenziale sind austenitische Edelstähle eine gute Ausgangsbasis, um diese Herausforderungen erfolgreich zu bewältigen. Neben den ursprünglichen Parametern der Werkstoffe spielen auch die zur Verfügung stehenden kostenrelevanten Fertigungsverfahren für einen erfolgreichen Einsatz in der automobilen Massenproduktion eine entscheidende Rolle.

Elektrochemische Korrosion durch Biokraftstoffe

Kaum zu sehen: Tief im Innenraum des Motors ist das aus austenitischem Edelstahl gefertigte Zuleitungsrohr vom Rail zur Hochdruckpumpe verborgen
Foto eines Zuleitungsrohrs im Motorraum

Vor einigen Jahren haben sich deutsche Automobilhersteller darauf geeinigt, die Voraussetzungen für einen vermehrten Einsatz von Biokraftstoffen zu schaffen, um umweltpolitischen Forderungen nach Reduzierung der CO2–Emissionen bei Benzinmotoren zu folgen. Im Kontakt mit metallischen Werkstoffen können diese Biokraftstoffe aber zu elektrochemischer Korrosion führen, welche die Passivschichten eines Werkstoffs in Form von lokalen Korrosionsformen schädigt. Austenitische Edelstähle bilden spontan eine dichte Chromoxidschicht auf der Oberfläche, die das weitergehende „Rosten“ des Basismaterials verhindert.  Das ist insofern wichtig, als eine korrosive Beschädigung des Bauteils unbedingt zu vermeiden ist, da sonst eventuell extrem heißer Kraftstoff freigesetzt werden kann und somit Brandgefahr im Motorbereich besteht.

Höhere Einspritzdrücke

In den letzten Jahren wurden die Einspritzdrücke bei Benzindirekteinspritzmotoren sukzessive gesteigert. Heute liegen die neusten Modelle dieser Motoren mit Werten von 350 bar deutlich unter aktuellen Dieselvarianten. Wegen der oben angesprochenen Korrosionsanforderungen können jedoch die dort eingesetzten hochfesten niedriger legierten Stahlgüten nicht ohne weiteres genutzt werden, so dass hier austenitische Werkstoffe in den Fokus rücken. Prinzipiell hat diese Klasse von hochlegierten Stählen aber geringere mechanische Festigkeiten als andere gebräuchliche Eisenwerkstoffe.

Hohe Anforderungen an Prüftechnik

Die fehlerfreie Herstellung von nahtlosen Rohren als Komponenten für benzinführende Leitungen erfordert im Vorfeld allerdings eine kritische Analyse der gesamten Produktionskette. So sind bei der Rohrherstellung die Verformungsschritte der Warm- (Strangpressen) und Kaltstufe (Pilgern) so aufeinander abzustimmen, dass makroskopische Defekte durch Überbelastung des Materials vermieden werden. Zugleich muss die mikrostrukturelle Homogenität der Legierung über die gesamte Rohrlänge und Rohrgeometrie gewahrt werden. Als Sicherheit dient hier die Qualitätskontrolle mittels zerstörungsfreien Prüfungen wie etwa Ultraschallprüfungen am Endrohr. Aufgrund kleiner Rohrgeometrien wird dabei an die Prüftechnik ein hohes messtechnisches Anforderungsprofil gestellt, um mögliche kleine Ungänzen eindeutig zu identifizieren und entsprechende Rohrabschnitte auszusortieren.

Sicherheitsaspekt hat Vorrang

Speziell Mikrorisse und kleinste Lunker (Hohlräume oder Einbeulungen) können durch hochfrequente Impulsbelastungen im Dauerbetrieb zu kritischem Risswachstum und damit zu einem schnellen Versagen einer druckführenden Leitung führen. Deshalb werden im Vorfeld der Serienproduktion umfassende Versuchsreihen zur Dauerfestigkeit an Rohrproben in speziellen Innendruckimpulsprüfmaschinen durchgeführt, um die Druckbeanspruchung mit 1ppm Ausfallwahrscheinlichkeit zu bestimmen. Hiermit wird sichergestellt, dass die ausgelegten Grenzwerte der Betriebsdrücke im Motorbetrieb immer unterhalb der mechanischen Belastungsgrenzen der Kraftstoffrohre liegen.  Zwar darf neben den technischen Aspekten auch die Kostenbetrachtung nicht vergessen werden, doch hat der Sicherheitsaspekt wegen möglicher Risiken für Leib und Leben eindeutig Vorrang.

Der englische Ausdruck „parts per million“ (ppm, zu Deutsch „Teile von einer Million“, Millionstel) steht für die Zahl 10−6 und wird in Wissenschaft und Technik für den millionsten Teil (0,000001) verwendet, so wie Prozent (%) für den hundertsten Teil, also 10−2, steht.

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