Die nachhaltige Reduzierung der CO2-Emissionen und die Ausnutzung von Einsparpotenzialen hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs haben höchste Priorität bei der Weiterentwicklung der Fahrzeugantriebe. Der Verbrennungsmotor als Antriebstechnik wird mittelfristig nicht zu ersetzen sein und muss somit den gestiegenen Anforderungen nach Wirtschaftlichkeit und Leistungsfähigkeit gerecht werden. Mit den technischen Entwicklungen geht eine deutliche Erhöhung der Verbrennungstemperatur einher, was wiederum verbunden mit einer zunehmend kompakteren Bauweise eine Erhöhung der Wärmestromdichten und somit der Werkstofftemperaturen bewirkt. Die Folge ist eine erhöhte thermische Beanspruchung des Kühlsystems. Das mittlere Temperaturniveau des Kühlmittels wird angehoben, aber auch die lokalen Kühlmitteltemperaturen an heißen Oberflächen steigen deutlich. Wird zusätzlich der Durchfluss bzw. die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zur optimalen Temperierung der Aggregate geregelt oder aufgrund der Start-Stopp-Automatik völlig unterbunden, lässt sich lokales Sieden und Verdampfen an heißen Werkstoffoberflächen nicht mehr vermeiden. Resultierende Lebensdauerprobleme für den Verbrennungsmotor bzw. angrenzende Bauteile im Kühlsystem infolge Korrosion, Belagbildung oder Ausfall- und Zersetzungsreaktionen können somit nicht ausgeschlossen werden. Gleichfalls ist der häufige Austausch des rascher alternden Kühlmittels aus Anwendersicht (Kosten) sowie aus ökologischen Überlegungen nicht wünschenswert. Den geforderten Zielen bei der Entwicklung stehen somit die Auswirkungen auf die Werkstoffe und Kühlmittel im gesamten Kühlsystem gegenüber.

Die vorliegende Arbeit greift diese offene Fragestellung auf und verfolgt das Ziel, die mechanistischen Wechselwirkungen zwischen Werkstoff und Kühlmittel bei annähernd konstanten thermischen und strömungsmechanischen Beanspruchungen zu untersuchen. Im Sinne einer Methodenentwicklung wird das Korrosions- und Inhibitionsverhalten anhand von Versuchen und in Abhängigkeit gewählter Parameter an einer thermisch hochbelasteten, wärmedurchflossenen Probe unter permanentem Sieden eines vorbeiströmenden Kühlmittels experimentell nachgebildet. Durch Variation relevanter Beanspruchungsgrößen ist eine Identifizierung der Einflussgrößen hinsichtlich des Korrosionsverhaltens am Beispiel einer eingesetzten Aluminiumlegierung und des Korrosionsschutzes durch verschiedene marktgängige Kühlmittel möglich geworden. Die Zusammenhänge der Einflussgrößen fließen in eine Modellbildung ein.

In einem weiteren Schritt sollen in einer neuartigen Messzelle elektrochemische Untersuchungen dazu beitragen, grundlegende Informationen zur Kinetik der ablaufenden Korrosions- und Schutzmechanismen zu erlangen. Anhand der zu erarbeitenden Ergebnisse sind Korrelationen zu den Untersuchungen unter thermisch-strömungsmechanischer Beanspruchung unter zeitlichen Aspekten möglich. Ferner sind elektrochemische Messmethoden auf ihre Anwendbarkeit hin untersucht worden und es konnte ein Versuchszyklus zur Durchführung solcher Messungen in Kühlmitteln empfohlen werden.

Die beiden Teilziele münden in der übergeordneten Methodenentwicklung, die die Basis einer zweckmäßigen Anwendung zur Untersuchung und grundlagenorientierten Bewertung der Wechselwirkungen von Werkstoffen und Kühlmitteln für Verbrennungsmotoren darstellt. Die entwickelte Kreislaufanlage sowie der empfohlene Versuchszyklus für elektrochemische Messmethoden und die daraus gewonnenen Ergebnisse leisten einen Beitrag zum Verständnis der Korrosions- und Inhibitionsmechanismen unter definierten Beanspruchungen und dienen somit der sicheren Auslegung einer funktionierenden Kühlung.

Schlagwörter: Korrosion; Kühlmittel; Aluminium; Elektrochemie

Berichte aus der Werkstofftechnik