Stahlkolben kickt Aluminiumkolben aus dem Dieselmotor

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Stahlkolben eignen sich als robuste Lösung für eine Leistungssteigerung bei Zünddruckerhöhung und zur Emissionsreduzierung. Zudem sind kompaktere Abmessungen und niedrigere oszillierende Massen darstellbar. Das konnte Mahle nachweisen und produziert bereits Stahlkolben für die erste Großserienanwendung für Dieselmotoren mittlerer Leistungsdichte.

Tiefe Einblicke in den Hubraum. Ob sich für den Dieselmotor ein Kolben aus Aluminium oder aber aus Stahl besser eignet, ist seit Jahren ein Streitthema unter den Motorenentwicklern. Nun flammt die Diskussion wieder auf. Denn wegen der kommenden Emissionsziele ist davon auszugehen, "dass die Leistungsdichte in Dieselmotoren im Mittel grundsätzlich zunehmen wird", weiß Zulieferer Mahle. Schon heute tendieren Serienanwendungen bei sportlichen Dieselmotoren hin zu 100 kW/l.

Und bereits vor zwei Jahren hielt ein Dieselmotor mit 109 kW/l bei dem 24-Stunden-Rennen von Le Mans den extremen Beanspruchungen stand - mit Stahlkolben. Eine gute Wahl. Immerhin zeichnen sich Stahlkolben nicht nur durch eine hohe Festigkeit aus. Im Vergleich mit dem Aluminiumkolben konnten die Entwickler bei vergleichbaren Stickoxidemissionen einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch nachweisen. Dies macht Stahlkolben auch für niedriger beanspruchte Motoren so interessant, dass Mahle mit der Produktion von Stahlkolben für erste Großserienanwendung für Dieselmotoren mittlerer Leistungsdichte beginnt.

Betriebsbedingungen im Motor entscheiden über Stahl oder Alu

Der Entscheidung gingen allerdings zahlreichende Untersuchungen voraus, um die Eignung für den Einsatz in leistungsoptimierten Dieselmotoren zu beweisen. Immerhin wirken auf den Dieselkolben zahlreiche Kräfte, die die Lebensdauer beeinflussen, wie Josef Harrer, Arnd Baberg und Harald Mergler in ihrem Beitrag "Moderne Kolbenwerkstoffe und Kolbenkonstruktionen für Pkw-Diesel-Anwendungen: Aluminiumkolben versus Stahlkolben" aufzeigen. Die Springer-Autoren haben dazu die spezifischen Besonderheiten beider Techniken untersucht, die der Stahlkolben und die der Kolben aus Aluminium.

So hängt die Lebensdauer beim Dieselkolben in der Regel vom Rand der Verbrennungsmulde ab, der durch den Zünddruck in Kombination mit den dort herrschenden hohen Temperaturen besonders stark belastet wird. Bei höchsten Belastungen treten je nach Werkstoff Temperaturen zwischen 400 und 500 °C auf. Die wesentliche mechanische Belastung am Muldenrand entsteht aufgrund der wechselnden Biegung des Kolbens um den Kolbenbolzen unter der Gaskraft. Die wesentliche thermomechanische Belastung entsteht aus dem zyklischen Wechsel von Volllast zu Teillast oder Leerlauf. Welche der beiden Belastungsarten bei der Kolbenentwicklung für ein bestimmtes Triebwerk die kritischere ist, hängt ganz wesentlich davon ab, wie die Betriebsbedingungen für den Motor definiert wurden.

Das spricht für Aluminiumkolben

Motorenentwickler schätzen den Aluminiumkolben. Vor allem auch deshalb, weil die Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumlegierungen ist etwa drei- bis viermal höher als die der Stahlsorten, die für Kolben verwendet werden. "Bei Aluminiumkolben wird daher relativ zügig die bei der Verbrennung anfallende Wärme verteilt und im Wesentlichen über das Kühl-Öl und die Kolbenringe sowie den Kolbenschaft an die Zylinderwand und von dort in das Kühlwasser abgeführt", weiß Mahle.

Die Entwickler konzentrieren sich daher auf die Form und die Lage des Kühlkanals, dessen Füllgrad und der Öldurchsatz sind nämlich bestimmende Parameter für eine optimale Kühlung. Dem Zulieferer gelang es mit der neuesten Generation des Kühlkanals, die Temperatur am Muldenrand im Vergleich mit einem Standardkühlkanal um etwa 35 K zu senken. Als Maßnahmen zur örtlichen Steigerung der Festigkeit am Muldenrand sind heute unter anderem eine Gefügefeinung durch einen optimierten Gießprozess oder einen Umschmelzvorgang möglich. Ferner kommt eine Faserverstärkung auf Basis von Kurzfasern aus Aluminiumoxid in Frage, um Zünddrücke größer 200 bar und Leistungsdichten um die 100 kW/l zu ertragen.

Somit scheint mit einer Faserverstärkung des Aluminiumkolbens durchaus die Möglichkeit zu bestehen, die Vorteile des Aluminiums bei der Wärmeleitung zu nutzen, ohne dass Nachteile bei der mechanischen Belastbarkeit entstehen. Allerdings mahnt der Zulieferer, dass "die Robustheit dieser Lösung noch zu belegen ist". Auch wenn in einer Marineanwendung schon eine Kleinserie mit Faserverstärkung zum Einsatz kommt. "Bei sehr hohen Zünddrücken kann allerdings die Kolbennabe durch Bronzebuchsen verstärkt werden."

Das spricht für Stahlkolben

Ein wichtiger Aspekt. Immerhin wird die Bauhöhe eines Kolbens durch die Werkstofffestigkeit festgelegt. "Wegen der geringeren Festigkeit von Aluminium wird die Kompressionshöhe eines Aluminiumkolbens per se höher sein als die eines Stahlkolbens", erklärt Mahle. Und weil die Ringzwischenräume bei Stahlkolben ebenfalls kleiner sind, lassen sich folglich niedrigere Kolben realisieren, die es ermöglichen, die Bauhöhe eines Motors zu verringern. "Am Gesamtmotor sind damit Einsparungen im zweistelligen Kilogrammbereich vorstellbar", erklärt der Zulieferer. Durch die reduzierbare Kompressionshöhe des Kolbens und einen kürzeren Kolbenbolzen lassen sich mit Stahl gleich schwere und unter günstigen Bedingungen sogar leichtere Kolbenbaugruppen darstellen. Darüber hinaus konnte das Unternehmen nachweisen, dass Stahlkolben ein Kraftstoffeinsparpotenzial in Höhe von drei bis fünf Prozent gegenüber Aluminiumkolben aufweist.