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Stahlkolben erobern den Pkw-Markt

| Autor / Redakteur: Jan Rosenow / Jan Rosenow

In modernen Pkw-Dieseln stößt Aluminium als Kolbenmaterial an seine Grenzen. Mahle und Kolbenschmidt haben deshalb Stahlkolben entwickelt, die 2014 in Serie gehen.

Leicht und kompakt: Stahlkolben eignen sich auch für Pkw-Diesel.
Leicht und kompakt: Stahlkolben eignen sich auch für Pkw-Diesel.
( Foto: Kolbenschmidt Pierburg )

Leichtbau durch Stahl statt Aluminium? Was widersinnig klingt, funktioniert bei einer hochbelasteten Motorenkomponente bestens: dem Kolben. Im Gleichschritt machen derzeit die deutschen Autozulieferer KS Kolbenschmidt und Mahle Stahlkolben fit für den Pkw-Markt. Im Jahr 2014 wollen beide die Serienproduktion starten.

In modernen Dieselmotoren sind die Kolben Zünddrücken von über 200 bar ausgesetzt. Hier kommt Aluminium als Kolbenwerkstoff an seine Grenzen. In Nutzfahrzeugen mit ihren hochaufgeladenen Motoren haben sich Stahlkolben deshalb bereits etabliert – nun zieht der Pkw-Markt nach.

Dass Stahl höhere Temperaturen ertragen kann und stabiler als Alu, lässt sich noch leicht vorstellen. Doch wie kommt das geringere Gewicht zustande? Das liegt an der höheren Festigkeit des Materials: Mit ihm kann die so genannte Kompressionshöhe – das ist der Abstand zwischen der Mittenachse des Kolbenbolzens und dem oberen Kolbenrand – verringert werden. Außerdem sind geringere Wandstärken möglich, und der Kolbenbolzen kann dünner und kürzer ausfallen.

Längere Pleuel senken die Reibung

Die geringere Bauhöhe lässt sich auf zweierlei Weise nutzen: Kommt der Stahlkolben in einem herkömmlichen Motor zum Einsatz, dann können die Konstrukteure längere Pleuel verwenden. Diese lenken weniger aus der Senkrechten aus, wenn sich die Kurbelwelle dreht, und verringern so die Seitenkräfte. Die Folge: Die Gaskräfte drücken den Kolben weniger stark an die Zylinderwand – die Reibung sinkt.

Entscheiden sich die Motorenhersteller jedoch, einen neuen Block zu konstruieren, so kann dieser weniger hoch ausfallen und wird dadurch leichter.

Die geringere Kompressionshöhe verkleinert zudem die Berührungsfläche zwischen Kolben und Zylinder, was ebenfalls für geringere Reibung sorgt.

Kolben und Zylinder „wachsen“ gleich stark

Ein weiterer großer Vorteil des neuen Kolbenmaterials ist seine geringere Wärmeausdehnung. Dieselmotoren besitzen in vielen Fällen einen Block aus Grauguss. Durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung „wachsen“ Alukolben stärker als die sie umgebende Zylinderlaufbuchse, was zu erhöhter Reibung führt. Die Paarung Gußeisenblock/Stahlkolben kennt dieses Problem nicht.

Doch lässt sich ein Stahlkolben dann überhaupt in einem Aluminiummotor einsetzen? Laut Kolbenschmidt wirft das vor allem Geräuschprobleme auf, an deren Lösung das Unternehmen bereits arbeitet.

Ein weiterer Nachteil des stärkeren Materials ist seine geringe Wärmeleitfähigkeit. Deshalb müssen die Konstrukteure der Kolbenkühlung große Aufmerksamkeit widmen. Außerdem brauchen sie Unterstützung von ihren Kollegen aus der Thermodynamik, die die Verbrennungstemperaturen überwachen.

Superstarke Diesel möglich

Und wie wirkt sich der Werkstoffwechsel auf den Kraftstoffverbrauch aus? Hier gehen die Angaben der Anbieter etwas auseinander. Laut Kolbenschmidt lassen sich durch die verringerte Reibung zwei bis drei Prozent Kraftstoff einsparen, Mahles Topweld-Kolben soll sogar fünf Prozent bringen. Wie hoch die Herstellungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Aluteilen liegen, haben beide Unternehmen nicht verraten. Wohl aber den Serienstart, der in beiden Fällen 2014 erfolgen soll.

Und bei wem? Kolbenschmidt spricht von einem OEM „aus dem Premiumbereich“, der einen Vierzylinder mit mehr als 100 Kilowatt pro Liter damit ausstatten will. Das klingt nach BMW. Bei einem Hubraum von 1,6 Litern hätte dieser Motor nämlich mindestens 220 PS – ein Fabelwert. Mahle-Chef Prof. Heinz K. Junker sprach hingegen von einem „ganz großen OEM“, der von Anfang an mehr als eine Million Stück pro Jahr abnehmen will. Klingt das nicht nach Volkswagen?

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