Stahlkolben helfen dem Diesel im Pkw beim Sparen
Hersteller von Dieselmotoren für Nutzfahrzeuge setzen bereits seit Mitte der 1980er-Jahre Kolben aus Stahl ein. Bei Pkw-Dieselmotoren dürfte ihr Einsatz bevorstehen, wie auf der Internationalen Automobil-Ausstellung IAA (15. bis 25. September) zu sehen war. Dort stellten zwei Schwergewichte der Branche – Kolbenschmidt Pierburg und Mahle – Stahlkolben für Pkw-Dieselaggregate aus. Mit ihnen lasse sich der Kraftstoffverbrauch um 5 % reduzieren – und die Abgasemissionen verbessern.
Für zukünftige, hoch aufgeladene Dieselmotoren mit spezifischen Motorleistungen von mehr als 100 kW/l und Zünddrücken jenseits der 200 bar bieten moderne Stahlkolben einige Vorteile. Der wichtigste ist der Kraftstoffverbrauch.
Beispielsweise soll die Stahlkolbenentwicklung „TopWeld“-Kolben von Mahle im EU-Fahrzyklus die CO2-Emission um etwa 5 g/km senken. Dies entspricht einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von etwa 0,2 l/100 km. Insgesamt führt allerdings die Summe der unterschiedlichen Optimierungsmöglichkeiten je nach Motorvariante laut Mahle zu einer Verbrauchsminderung von 2 % bis 5 %. Die Fachleute bei der Kolbenschmidt-Pierburg-Gruppe (KSPG) geben sich etwas zurückhaltender und sprechen von 2 % bis 3 %.
Der Stahlkolben ist mittlerweile so leicht wie sein Pendant aus Aluminium, trotz der geringeren Dichte von Al. Die geschmiedeten Kolben haben wegen der Stahllegierung – Mahle und Kolbenschmidt Pierburg setzen auf 42CrMo4 – eine deutlich höhere Festigkeit und Steifigkeit als Aluminium. Daher ist bei ihnen eine 30 % geringere Kolbenhöhe möglich. Folglich wird auch die Berührungsfläche zwischen Kolben und Zylinderwand kleiner und somit der Reibungsverlust, was zu messbaren Verbrauchseinsparungen führt.
Die geringere Kolbenhöhe kann der Motorenkonstrukteur in bereits existierenden Motoren dazu nutzen, längere Pleuelstangen einzusetzen. Je länger, desto näher kommt er dem Ideal der senkrechten Pleuelstangenbewegung und desto weniger drücken die Gaskräfte den Kolben seitlich gegen die Zylinderwand. Auch dies verringert die Reibung.
Anstatt die Pleuelstangen zu verlängern, könnte bei geringerer Kolbenhöhe alternativ die Höhe des Motorblocks bei Neukonstruktionen verkürzt werden, das reduziert die Masse und den Platzbedarf des Motors. Kleinere Kolbenhöhen bedeuten auch kleinere oszillierende Massen. Die Ausgleichsgewichte und die Lagerbreiten können verringert werden das wiederum minimiert die Lagerreibung.
Neben der Kolbenhöhe kann dank der größeren Festigkeit auch die Wandstärke und somit die Masse des Stahlkolbens reduziert werden. Außerdem sind dadurch kürzere und leichtere Kolbenbolzen (Verbindungsglied zwischen Kolben und Pleuel) möglich. Der verwendete Kolbenbolzen des Stahlkolbens von Mahle hat bei einem Durchmesser von 28 mm eine Masse von 181 g.
Ein entscheidender Vorteil des Stahlkolbens steht im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Stahl und Aluminium. Beim Warmlauf des Motors dehnen sich Al-Kolben so stark aus, dass ihr Außendurchmesser nominell größer wäre als der Innendurchmesser des sie umgebenden Zylinders.
Die Ausdehnung führt zu erheblichen Reibungsverlusten. Im Gegensatz dazu hat Stahl eine ähnliche Wärmeausdehnung wie ein Graugussblock. Sprich: Der Zylinder wird bei warmem Motor in etwa um so viel größer, wie der Kolben an Umfang zunimmt. Das Spiel zwischen Kolben und Zylinderwand bleibt bei allen Betriebspunkten in etwa auf gleich niedrigem Niveau. Reibungsverluste durch Überdeckung treten kaum auf. So ergibt sich in Summe die Kraftstoffeinsparung von 2 % bis 5 %.
Bei Prüfstandsversuchen mit Stahlkolben von Kolbenschmidt Pierburg sanken bei Teillast die Rohemissionen von Kohlenwasserstoff (HC) um 78 %, Kohlenmonoxid (CO) um 23 % und Partikel um 50 % im Vergleich zu Al-Kolben. Das liegt laut KSPG-Motoringenieuren an der höheren Oberflächentemperatur des Stahlkolbens, die allerdings eine um 29 % höhere Emission von Stickoxiden (NOx) zur Folge hat.
Bei Volllast seien die NOx-Emissionen des Stahlkolbens in etwa so hoch wie beim Al-Kolben. HC und CO spielen bei Volllast nur eine untergeordnete Rolle. Bei einer nur um 1 % höheren Abgastemperatur ergebe sich beim Stahlkolben im Vergleich zum Al-Kolben beim (Ruß-) Partikel ein Vorteil von 20 %.
Ein Premiumhersteller hat laut Kolbenschmidt kürzlich dem Unternehmen den Auftrag für eine erste Serienentwicklung erteilt, deren Produktionsstart für 2014 geplant ist. Der Kolben soll dabei in einem Vierzylinderdieselmotor mit einem Zünddruck von mehr als 200 bar und einer spezifischen Leistung von mehr als 100 kW/l eingesetzt werden. Mahle erwartet den Serieneinsatz 2015 und ist mit einem „ganz großen OEM“ im Gespräch, der laut Mahle-Chef Heinz K. Junker von Anfang an mehr als 1 Mio. Kolben abnehmen will.
J. GORONCY/WOP
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