Das Material, aus dem die Zukunft ist

Moderne Dieselmotoren müssen auf ihre Masse hin betrachtet mehr leisten und sollen dabei weniger verbrauchen. Mit welchen Kolben lässt sich diese Herausforderung am besten stemmen? MAHLE hat die beiden Werkstoffe Aluminium und Stahl genau unter die Lupe genommen und kommt zu einem differenzierten Ergebnis.

Wie man mit weniger mehr leistet

Die Emissionsziele für die Zukunft sind sportlich. Moderne Dieselmotoren sind es ebenfalls. Aller Voraussicht nach wird die Leistungsdichte der Motoren daher weiter zunehmen.

Zünddruck und spezifische Leistung von Dieselmotoren werden weiter zunehmen. Damit wächst die Beanspruchung an die Kolben

Für das 24-Stunden-Rennen von Le Mans waren im Jahr 2012 bereits Motoren mit etwa 109 kW/l im Einsatz. Sportliche Dieselmotoren aus der Serie tendieren heute zu 100 kW/l. Die Diesel-Rennmotoren wurden ebenso wie aktuelle Motoren mit Stahlkolben von MAHLE ausgerüstet. Aus gutem Grund: Stahlkolben sind nicht nur fester, sie verbrauchen im Vergleich mit Aluminiumkolben auch weniger Kraftstoff.

Dieser Vorteil macht Stahlkolben auch für niedriger beanspruchte Motoren interessant. Aus diesem Grund produziert MAHLE nun die erste Großserie von Stahlkolben für Dieselmotoren mittlerer Leistungsdichte. Doch wie geht es weiter? Sind Stahlkolben grundsätzlich DIE Lösung für neue Motoren? MAHLE hat die beiden Werkstoffe miteinander verglichen

Was Pkw-Dieselkolben am meisten zu schaffen macht

Wo der Kolben sitzt, geht es heiß her: Es handelt sich um eines der thermisch und mechanisch am höchsten beanspruchten Bauteile des Motors! Über die Lebensdauer des Dieselkolbens entscheidet in der Regel der Rand der Verbrennungsmulde. Dieser wird durch den Zünddruck und die damit einhergehende hohe Temperatur besonders stark belastet. Je nach Werkstoff werden hier bis zu 400 und 500 °C erreicht! Die wesentliche mechanische Belastung am Muldenrand entsteht aufgrund der wechselnden Biegung des Kolbens um den Kolbenbolzen, die größte thermomechanische Beanspruchung aus dem Wechsel von Volllast zu Teillast oder Leerlauf.

Was der Aluminiumkolben leistet

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Aluminium ist nur bedingt hitzetauglich. Ab 300 °C fällt seine Festigkeit drastisch ab. Dafür ist die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen etwa drei- bis viermal höher als die der Stahlsorten für Kolben.

Materialkennwerte von Aluminium und Stahl

Bei Aluminiumkolben wird relativ zügig die bei der Verbrennung entstehende Wärme verteilt und hauptsächlich über das Kühlöl und das Kühlwasser abgeführt. Die Form und die Lage des Kühlkanals, dessen Füllgrad und der Öldurchsatz sind entscheidende Parameter für eine optimale Kühlung!

Auswirkungen auf die Muldenrand-Temperatur durch Änderungen am Kühlkanal beim Aluminiumkolben

Mit neuen Kühlkanälen lässt sich die Temperatur am Muldenrand um etwa 35 K senken. Andere Maßnahmen steigern die Festigkeit am Muldenrand. Verstärkt man die Fasern des Aluminiumkolbens kann man von der guten Wärmeleitfähigkeit des Materials profitieren, ohne die Nachteile bei der mechanischen Belastbarkeit in Kauf nehmen zu müssen.

Wo der Stahlkolben seine Stärken hat

Die höhere Werkstofffestigkeit erlaubt beim Stahlkolben eine deutlich geringere Kompressionshöhe [KH].
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Je fester der Werkstoff desto geringer die Bauhöhe des Kolbens: Sowohl Kompressionshöhe als auch Ringzwischenräume sind beim Stahlkolben kleiner als beim Aluminiumkolben.

Durch Stahlkolben lässt sich die Bauhöhe eines Motors also deutlich verringern; es werden Gewichteinsparungen im zweistelligen Kilogrammbereich denkbar. Dies bringt enorme Vorteile in Bezug auf Schwerpunktlage, Fußgängerschutz, Luftwiderstand – und Kraftstoffverbrauch!

Stahlkolben wurden zunächst entwickelt, um bei hoch beanspruchten Dieselmotoren die Zünddruckgrenze auf mehr als 200 bar steigern zu können. Sie sind äußerst robust! Bei Serien-Nutzfahrzeugen gibt es bereits heute Zünddrücke von bis zu 240 bar. Allerdings liegen die Leistungsdichten dabei meist niedriger als 35 kW/l. Auch die Drehzahlen im Nennleistungspunkt sind geringer.

Auf dem Reibleistungsprüfstand wurde nachgewiesen, dass man mit einem Stahlkolben drei bis fünf Prozent Kraftstoff und drei Prozent der CO2-Emissionen sparen kann. Werden gusseisenbasierte Kurbelgehäuse verwendet, ist sogar noch ein höherer Reibleistungsvorteil zu erwarten als bei Aluminiumkurbelgehäusen.

Sollte der CO2-Ausstoß in Zukunft nicht mehr nach dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) getestet, sondern nach dem derzeit diskutierten Worldwide Harmonized Light Vehicles Test Procedure (WLPT)-Zyklus, werden sich die Vorteile des Stahlkolbens sogar noch stärker auswirken!

Wo die Vorteile von Stahlkolben überwiegen

Mögliche Maßnahme zur Festigkeitssteigerung am Stahlkolben: örtliche Werkstoffvariationen
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Der Fall scheint klar zu sein: Stahl eignet sich ideal als Kolbenmaterial. Durch seine Robustheit lassen sich die Leistungen bei Zünddruckerhöhung steigern und gleichzeitig die Emissionen reduzieren. Außerdem kann man mit Stahl kompaktere Abmessungen und niedrigere oszillierende Massen verwirklichen. Für Motoren niedriger und mittlerer Leistungsdichten lassen sich all diese Vorteile heute schon realisieren!

Etwas anders sieht es bei höheren Leistungsdichten aus. Stahlkolben können die Aluminiumbauteile hier nur bedingt ersetzen und sind ganz sicher keine „Plug-and-play-Lösung“.

Denn auch Stähle kennen eine Temperaturgrenze. Auch wenn diese deutlich höher liegt als bei Aluminium: Ab 550 °C bildet Stahl eine merkliche Zunderschicht, die den Werkstoff insgesamt schwächt: Durch Risse in der Schicht können auch Risse im Substrat entstehen. Außerdem ist es möglich, dass der Werkstoff zerrüttet. Muldenrand-Hinterschneidungen – wie sie bei einer optimalen Verbrennung bei Pkw-Dieselmotoren vorkommen – lassen die Temperaturen bedeutend stärker steigen als bei Aluminium!

Dazu kann die geringere Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs zu Problemen bei der Kolbenkühlung führen. Anders als beim Aluminium „staut“ sich die Wärme am Kolbenkopf. Dadurch entstehen hohe Oberflächentemperaturen im Kühlkanal. Übersteigen diese einen Grenzwert von etwa 350 °C, kann das Kühlöl cracken. Es entsteht isolierende Ölkohle, das Kühlöl altert massiv!

Ändert man die Muldenform, z.B. durch eine geringere Hinterschneidung oder eine Stufenform, wirkt sich die positiv auf die Kühlung aus. Durch zwei Kühlöldüsen lässt sich die Wärmeabfuhr gleichmäßiger gestalten. Am Muldenrand kann durch einen optimierten Werkstoff für mehr Festigkeit gesorgt werden. Und für hohe Leistungsdichten müssten ganz neue Lösungen gefunden werden, die das Problem des Ölcrackens lösen.

Die Leistungsdichte in Dieselmotoren wird auf jeden Fall weiter zunehmen. Der Stahlkolben bietet sich dabei als Lösung für diese hohen Leistungsdichten an und wird sich deshalb weiter durchsetzen.

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die Leistungsdichte in Dieselmotoren wird aufgrund der kommenden Emissionsziele im Mittel zunehmen.
  • Mit Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung können Aluminiumkolben künftig Zünddrücke größer 200 bar und Leistungsdichten um die 100 kW/l ertragen.
  • Stahlkolben bieten Kraftstoffeinsparpotenzial in Höhe von drei bis fünf Prozent gegenüber Aluminiumkolben.
  • Für hohe Leistungsdichten müssen beim Stahlkolben noch Lösungen gefunden werden, die das Problem des Ölcrackens lösen.

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