Stahl statt Aluminium: Die Zukunft des Kolbens im Motorenbau

Kolben aus Stahl, anstelle von Aluminium, für den Motorenbau zu verwenden, beginnt sich gerade auf dem Markt zu durchzusetzen. Die KS Kolbenschmidt GmbH in Kooperation mit dem Zulieferer Hirschvogel Automotive Group sind Pioniere auf diesem Gebiet. Dabei haben Stahlkolben mehrere Vorteile wie z. B. Reibungsreduzierung, thermodynamische Optimierung, kosteneffizientere Gestaltung und verminderten Emissionsausstoß.

Weniger CO2-Emissionen durch Hightech-Stahlkolben in Diesel-Pkw

Mercedes-Benz hat eine innovative Technik für Diesel-Pkw begründet. Anstatt, wie bisher üblich, Aluminium-Kolben im Dieselmotor zu verwenden, nutzt Mercedes nun eine neu entwickelte Hightech-Kolbengeneration aus Stahl. Der Vorteil besteht darin, dass sich Stahlkolben nur etwa halb so stark ausdehnen wie sein Aluminium-Vorgänger, weshalb das Spiel des Stahlkolbens im Aluminiumgehäuse geringer ausfallen kann. Dies bewirkt ein größeres effektives Spiel des Kolbens im Zylinder und eine um 40 bis 50 Prozent reduzierte Reibung.

Auch andere Funktionsgrößen können optimiert werden. Dies betrifft beispielsweise die Körperschallanregung aufgrund der Kolben-Zylinder-Dynamik oder Reibungsvorteile in weiten Bereichen des Motorbetriebs. Auch der thermodynamische Wirkungsgrad verbessert sich. Denn die geringere Wärmeleitfähigkeit von Stahl bewirkt erhöhte Bauteiltemperaturen, was mit höherer Zündwilligkeit und reduzierter Brenndauer einhergeht. Entsprechende Messungen haben dies bestätigt.

Die Kombination von Stahlkolben mit einem Vollaluminium-Kurbelgehäuse mit NANOSLIDE®-Laufbahnbeschichtung ist weltweit erstmalig zum Einsatz gekommen: Im September 2014 im Sechszylinder-Dieselmotor des E 350 BlueTEC von Mercedes-Benz. Die CO2-Emissionen konnten um ca. 3,5g/km gesenkt werden. Dies ist vor allem auf Thermodynamik- und Reibungsvorteile zurückzuführen. Für die Entwicklung dieses Stahlkolbens wurde Daimler, KS Kolbenschmidt und Hirschvogel der Stahlinnovationspreis 2015 verliehen.

Weitere Ziele der Weiterentwicklung waren die optimierte Verbrennung durch ein neues Stufenmulden-Brennverfahren und die Auslegung für höhere spezifische Leistungen und Spitzendrücke bei gleichzeitiger Reibungsminimierung. Im Falle des Vierzylinder-Dieselmotors OM654 konnte die Kolbenhemdreibung um zusätzliche 20% gesenkt werden. Für Mercedes-Benz Pkw-Dieselmotoren werden innovative, effiziente Hightech-Stahlkolben immer mehr zum Standard. Sie tragen zur weiteren Senkung des Verbrauchs durch geringere Reibung bei – bei gleichzeitiger optimierter Verbrennung.

Megatrends im Automobil durch Massivumgeformte Komponenten unterstützen

Die Hirschvogel Automotive Group hat als Zulieferer für KS Kolbenschmidt das vorbearbeitete und umgeformte Rohteil für den ersten Stahlkolben in einer Pkw-Serienanwendung abgeliefert. Grundlage ist eine Fertigungsprozesskette, die drei Schritte miteinander verbindet: Massivumformung, Bearbeitung und Wärmebehandlung. Dabei entsteht eine Monoblock-Komponente (d. h. ein einstückiges Element), die über einen internen geschlossenen Kühlkanal verfügt.

Der einteilige Kolben ist die nicht einzige Auswirkung der Massivumformung. Es kommt auch zu einer kosteneffizienten Kolbengestaltung (z. B. umgeformte Brennraummulden). Werkstoffliche Neuentwicklungen bieten künftig zusätzliche Verbesserungsmöglichkeiten im Hinblick auf Kostensenkung und Leistungsfähigkeit.

Massivumgeformte Bauteile werden zunehmend im Motor eingesetzt und erweisen sich als vielseitig anwendbar und überaus belastbar. Derart tragen sie entscheidend zur Unterstützung automobiler Megatrends bei. Die Hirschvogel Automotive Group ist hierfür ein kompetenter Entwicklungspartner, der innovative Produkte in Form von komplexen, einbaufertigen Systemkomponenten liefert.