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Technologie
08/13/2014

Mercedes: Wie neue Kolben den Verbrauch senken sollen

Dank Kolben aus Stahl statt Aluminium soll der Verbrauch um bis zu 3% zurückgehen.

Stahlkolben sind heute schon bei Nutzfahrzeug-Motoren in Kombination mit schweren Graugusskurbelgehäusen weit verbreitet, während sich bei Pkw-Dieselmotoren Aluminium-Kolben über die Jahre zum Standard entwickelt haben. Die nun von Mercedes-Benz völlig neu entwickelten Hightech-Stahlkolben harmonieren perfekt mit den modernen, sehr viel leichteren Aluminium-Motorgehäusen und der von Mercedes entwickelten Zylinderlaufbahntechnologie Nanoslide.

Stahl und Aluminium unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich: Stahl dehnt sich bei Hitze weniger aus als Aluminium, leitet die Wärme schlechter und ist zunächst einmal schwerer. Das lässt die Kombination von Alugehäuse und Stahlkolben auf den ersten Blick schwierig erscheinen. Dennoch entdeckten die Ingenieure von Mercedes-Benz darin Zukunftschancen, indem sie die offensichtlichen Unterschiede in den Materialeigenschaften besonders vorteilhaft einsetzten.

Dass sich ein Stahlkolben bei Wärme nur etwa ein Viertel so weit ausdehnt wie sein Pendant aus Aluminium, nutzten sie, um den Stahlkolben im Alugehäuse knapper zu bemessen, sodass er zunächst sehr eng in der Zylinderlaufbahn sitzt. Steigt allerdings beim Betrieb die Temperatur, dehnt sich das Alugehäuse mehr aus als der Stahlkolben – die Folge ist eine größere Toleranz des Kolbens im Zylinder und damit geringere Reibung. Da allein die Kolben-/ Laufbahngruppe zwischen 40 bis 50 Prozent der mechanischen Reibung verursacht, erschloss sich hier ein wichtiges Effizienzpotenzial.

Neuentwicklung

Die früher verwendeten Stahlkolben waren für eine Kombination mit Motorgehäusen aus Aluminium allerdings wenig geeignet. Vielmehr musste Mercedes-Benz die Kolben völlig neu konzipieren. Die moderne Ausführung der Stahlkolben, die jetzt zum ersten Mal im V6-Diesel des E 350 BlueTEC im Aluminiumkurbelgehäuse mit Nanoslide-Zylinderlaufbahnbeschichtung zum Serieneinsatz kommen, sind Hightech-Ausführungen, die aus hochwertigem, besonders festem Stahl geschmiedet sind. Das bedeutet eine große Herausforderung für die Kolbenlieferanten, denn die neuen, extrem festen Stähle sind ebenso anspruchsvoll in der Fertigung.

Der Aufwand lohnt sich, denn die höhere Festigkeit des modernen Stahls erlaubt eine kompakte Bauweise der Kolben. Damit kann auch die etwa dreifach größere Werkstoffdichte nahezu kompensiert werden. Tatsächlich sind die innovativen Stahlkolben, die künftig in den sechs Brennräumen des schwäbischen V6-Diesels arbeiten, um bis zu 13 Millimeter niedriger als ihre bislang benutzten Alu-Pendants (Alukolben im V6-Diesel ca. 71,6 Millimeter hoch, Stahlkolben nur noch ca. 58,6 Millimeter). Durch diese veränderte Geometrie und eine intelligente Konstruktion liegt das Gewicht von Kolben, Kolbenbolzen und Kolbenringen als Einheit auf dem Niveau der Ausführung mit Aluminium-Kolben. Damit konnte Mercedes-Benz den Gewichtsnachteil von Stahl fast kompensieren und sogar noch Festigkeitsreserven für zukünftig steigende Spitzendrücke bereitstellen.

Gleichzeitig verbessern die Ingenieure durch den Einsatz von Stahlkolben den Wirkungsgrad. Denn durch die geringere Wärmeleitfähigkeit von Stahl gegenüber Alu entstehen im Brennraum erhöhte Temperaturen. Damit steigt die Zündwilligkeit und die Brenndauer wird reduziert. Ergebnis: geringerer Verbrauch und Schadstoffausstoß. Der geringeren Wärmeleitfähigkeit von Stahl trug Mercedes-Benz durch konstruktive Anpassungen wie zum Beispiel modifizierte Kühlkanäle in den Kolben Rechnung.
Die Praxis beweist, dass die innovativen Stahlkolben das thermodynamische Verhalten optimieren und gleichzeitig die Reibung maßgeblich reduzieren. Messungen verzeichneten überdies, dass vor allem in dem im Alltag wichtigen unteren und mittleren Drehzahlbereich deutliche Verbrauchsvorteile zu Buche stehen.

Potenzial

Für die Zukunft sehen die Motoringenieure von Mercedes-Benz noch weitere Vorteile im Einsatz der Hightech-Stahlkolben:

Stahl lässt nicht nur eine kleinere Dimensionierung des Kolbens zu, er bietet gleichzeitig größere Reserven gegenüber mechanischen Belastungen. Das ist besonders für weitere Downsizing-Konzepte zielführend.

–Da Stahlkolben fester sind als Alukolben, kann ein damit ausgerüsteter Dieselmotor mit höheren Temperaturen arbeiten und damit ein höherer thermodynamischer Wirkungsgrad erzielt werden.

–Da die Motoringenieure wegen der gegenüber Aluminium geringeren Wärmeausdehnung mit Stahlkolben den Spalt zwischen Zylinderwand und Kolben bis zum ersten Kolbenring reduzieren können, entstehen zugleich weniger Schadstoffe und Rohemissionen.

Im September 2014 kommen die Stahlkolben im V6-Dieselmotor des Mercedes-Benz E 350 BlueTEC erstmals in einem Serien-Pkw zur Anwendung. Dank der neuen Technik verbraucht die Limousine bei gleicher Leistung (258 PS) nur noch um die 5,0 Liter Dieselkraftstoff auf 100 Kilometer – dabei liegt der durch den Stahlkolben bedingte Spareffekt bei rund drei Prozent.

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