Stahlkolben für Pkw Dieselmotoren: Maßgeschneidert zum Erreichen von „95 g CO2/km“

Seit 2014 beliefert die KS Kolbenschmidt GmbH als erster Zulieferer einen deutschen Premium-Hersteller mit Stahlkolben für die Großserie eines Pkw-Dieselmotors. Pkw-Stahlkolben liegen im Trend des aktuellen Motorenbaus: sie verringern den Kraftstoffverbrauch und senken CO2-Emissionen um drei bis fünf Prozent. Dies gilt sowohl für höhere als auch moderate Leistungsdichten als auch bei steigenden Spitzendrücken. Kolbenschmidt bietet je nach Entwicklungsziel das passende Kolbendesign an – unter anderem auch eine kostengünstige Alternative für Basismotorisierungen.

Stahlkolben mit Ringen und Bolzen

Größenvergleich Aluminiumkolben vs. Stahlkolben

Um den Anforderungen an Spitzendrücke von mehr als 180 bar Stand zu halten, setzt das Unternehmen auf ein einteiliges Stahlkolbendesign mit angebundenem Ringfeld. Der Kühlkanal wir dabei durch ein patentiertes Verfahren hergestellt und das Ringfeld durch einen Fügeprozess strukturell an den Schaft angekoppelt. Durch dieses Verfahren lässt sich ein barrierefreier Kühlkanal ausformen, der zum einen eine ausgeprägte Kühlung des gesamten Ringfeldbereiches ermöglicht, aber auch der Muldengeometrie konturnah folgt und so den besonders temperaturkritischen Bereich des Muldenrandes optimal kühlen kann.

Das so angebundene Ringfeld mit seiner hohen Steifigkeit zeichnet sich durch eine minimale Nutdeformation bei hohen Zünddrücken aus und unterstützt hervorragend die Ringfunktion. Soll der Stahlkolben in Basismotorisierungen mit Spitzendrücken von weniger als 180 bar zum Einsatz kommen, kann optional auf die Anbindung der Ringfeldes verzichtet werden. Damit ergibt sich eine kostengünstigere Alternative. Der Kühlkanal wird dabei nach dem gleichen Verfahren hergestellt und erzielt die gleichen Vorteile bei der Kühlung wie die angebundene Variante.

Werkstoff Stahl bringt eine Reihe von Vorteilen
Stahl hat eine deutlich höhere Materialfestigkeit als Aluminium, so dass die Kompressionshöhe von Stahl- gegenüber Aluminiumkolben um etwa 30 Prozent reduziert werden kann. Mit dem patentierten Kolbenschmidt-Design in Kombination mit dem Werkstoff wird die minimale Kompressionshöhe nur von der Geometrie des kleinen Pleuelauges, dem Freigang zur Innenform, der Muldengeometrie und der notwendigen Bodendicke bestimmt. In gleichem Maße wie die Kompressionshöhe reduziert werden kann, lässt sich die Pleuellänge vergrößern. Damit ergibt sich ein weiterer Baustein zur Verbrauchsreduzierung. Die geringe Kompressionshöhe wird nicht zuletzt durch eine gegenüber Aluminiumkolben nahezu halbierte Feuersteghöhe ermöglicht, durch die ebenfalls weniger Schadstoffe und Rohemissionen entstehen.

Die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Stahl gegenüber dem Kolbenwerkstoff Aluminium führt zu höheren, brennraumseitigen Oberflächentemperaturen am Kolbenboden und steigert damit den thermodynamischen Wirkungsgrad des Motors. Als Stahl verwendet Kolbenschmidt heute in Serienapplikationen den Werkstoff 42CrMo4. Damit können die Kolbenbodentemperaturen auf ein Maximum angehoben werden und der temperaturkritische Muldenrand ist bestmöglich vor Verzunderung geschützt.

Reduzierte Reibung senkt Emissionen
Einen großen Beitrag zur Reibungsreduzierung leisten die deutlich verkleinerten Schaftflächen des Stahlkolbens im Vergleich zu Aluminiumkolben. Sie sind zusätzlich standardmäßig mit der reibungsarmen und verschleißbeständigen Schaftbeschichtung Nanofriks beschichtet. Durch eine Geometrieoptimierung konnte die Steifigkeit des Schaftes so optimiert werden, dass der Kolben einzig durch den Schaft geführt wird. Das Konzept kommt komplett ohne Nutzung des Ringfelds für die Kolbenführung aus. Damit sind die Ringstege frei dimensionierbar und können für Blow-by und Ölverbrauch optimal abgestimmt werden. Dieser Freiheitsgrad rückt insbesondere beim Einsatz des Stahlkolbens in einem Aluminiumblock in den Fokus. Hier können die notwendigen Stegspiele zu Erfüllung des besonders kritischen Kaltfresstests eingestellt werden, ohne das Geräuschverhalten im warmen Zustand negativ zu beeinflussen.

Gutes Geräuschverhalten bei Aluminium und Grauguss
Das Pkw-Stahlkolben-Design von Kolbenschmidt wurde mit speziellem Fokus auf den Einsatz in Motorblöcken aus Aluminium entwickelt. Durch die geringere Wärmeausdehnung des Stahlkolbens gegenüber dem Aluminiumblock ergeben sich in heißem Zustand große Einbauspiele. Dies dient zwar der Reibleistungsreduzierung, erfordert aber auch eine präzise Gestaltung von Schaft- und Schaftanbindung, so dass eine optimale Kolbenführung gewährleistet ist. Zur Absicherung des Designs wurden umfangreiche Geräuschoptimierungen im Aluminiumblock durchgeführt, die auch ein optimales Geräuschverhalten im Graugußblock garantieren. Das Geräuschverhalten auch mit noch größerem Einbauspiel sicher zu beherrschen, ist eine der Herausforderungen, mit der sich die Kolbenschmidt-Ingenieure bei der Weiterentwicklung der Stahlkolbentechnologie befassen, um auf diese Weise weiteres Potenzial zur CO2 Reduzierung auszuschöpfen.

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