Motorenbau 04. Okt 2013 Christian Bartsch

Kolben aus Stahl statt aus Aluminium

Kolben aus Stahl (re.) statt aus Alu (li.): Das könnte sich auch im Diesel-Pkw durchsetzen. Ein Vorteil: die kompakte Bauart.
Foto: Mahle

Audi hat sie im Renndiesel, der in diesem Jahr erneut die 24 Stunden von Le Man gewann. Peugeot hatte sie ebenfalls im Rennmotor – beide Male vom Hersteller Mahle. Und bei Nutzfahrzeugmotoren sind sie längst Standard: Kolben aus Stahl statt aus Aluminium. Im kommenden Jahr werden gleich zwei Hersteller von Pkw-Dieselmotoren Stahlkolben bei einzelnen Motoren einführen, Mercedes-Benz und Renault. Andere Hersteller dürften dem Beispiel folgen. Dass Diesel-Rennmotoren auf den Werkstoff Stahl zurückgreifen, liegt wegen der extremen Leistungsdichte auf der Hand. Überraschend ist allerdings, dass der Stahlkolben sein höchstes Potenzial vor allem bei schwächeren Alltagsmotoren und im Teillastbereich entwickelt.

Aber so exotisch, wie sie klingt, ist die Materialwahl gar nicht. So waren im Motorrad- und Automobilbau bis in die 30er-Jahre des vorigen Jahrhunderts Graugusskolben üblich, die erst danach Aluminium wichen. Bei geringen spezifischen Leistungen versahen sie problemlos ihre Arbeit, solange von ihnen keine hohe Dauerleistung verlangt wurde. Fraßen sie sich im Zylinder fest, ließen sie sich allerdings nur noch mit dem Vorschlaghammer herausholen.

In Deutschland bieten vor allem Mahle und KSPG (Kolbenschmidt-Pierburg) Kolben aus geschmiedetem Stahl an. Während Mercedes einen Dieselmotor mit Stahlkolben von KSPG ausrüstet, beliefert Mahle Renault. Die Erfahrung aus den Renndieseln hilft dem Stuttgarter Zulieferer bei der Serienentwicklung aber nur bedingt. Die neuen Stahlkolben für Pkw-Diesel sind nur noch Kolbenrudimente, die kaum noch älteren Aluminiumkolben ähneln. Das ist auch einer der Gründe, warum Stahlkolben leichter sind als solche aus Aluminium. Der Kolbenbolzen rückt nach oben näher an den Kolbenboden heran und wird ebenfalls leichter.

Im Fall des künftigen Serienkolbens sinkt die Kompressionshöhe um 14 mm (Mahle), um die das Pleuel länger werden kann. Das reduziert die Seitenkraft und somit den Reibverlust an den Zylinderwänden besonders unter Volllast. Alle Kolben besitzen Kühlkanäle – aus gutem Grund: Wegen der schlechten Wärmeleitung von Stahl gegenüber Aluminium ist die Kühlung des Kolbenbodens und der Ringpartie ein Problem. Aluminium bleibt darum künftig der Standardwerkstoff in zahlreichen Motoren, zumal das Entwicklungspotenzial der Aluminiumkolben bei weitem noch nicht ausgeschöpft ist.

3 % Kraftstoffeinsparung sind möglich.

Einer der wichtigsten Vorzüge gegenüber Aluminium ist die dramatisch geschrumpfte Feuersteghöhe, der Abstand zwischen oberstem Kolbenring und Kolbenbodenkante. In diesem Ringspalt sammelt sich besonders beim Kaltstart unverbrannter Kraftstoff, der nach der Zündung vor sich hin kokelt und Partikel bildet. Der Ringspalt wird zusätzlich durch das geringere Kolbenspiel verkleinert, da gusseiserne Motorblöcke und Stahlkolben etwa die gleiche Wärmedehnung besitzen. Dadurch klappern Stahlkolben beim Kaltstart auch in älteren Motoren nicht.

Um ganz sicherzugehen, nicht am Markt vorbeizuentwickeln, stellten die Ingenieure von Mahle einen Vierzylinder-Großserienmotor der Abgasstufe EU 5 mit Aluminiumkolben auf den Prüfstand und haben ihn bis ins letzte Detail vermessen. Dann wurden anstelle der Aluminiumkolben Stahlkolben sowie längere Pleuel eingebaut und die identische Messprozedur wiederholt. Weder die Einspritzung noch das Abgassystem wurden verändert. Der spezifische Verbrauch im Bestpunkt sank von 195 g/kWh auf enorm günstige 190 g/kWh. In allen anderen Betriebspunkten lag er ebenfalls niedriger als beim Aluminiumkolben. Die Stickoxidproduktion stieg durch den wärmeren Kolbenboden etwas an, während die Partikelproduktion ein uneinheitliches Bild zeigte. Geringer fiel auch der Reibleistungsverlust aus. Da der Motor mit höheren Kolbentemperaturen läuft, konnte auf dem Prüfstand ein günstigerer Brennverlauf festgestellt werden. Es wird vermutet, dass die Kaltstartemissionen klar zurückgingen. Sie machen bei konventionellen Motoren noch immer bis rund 80 % der im Test gemessenen Schadstoffemissionen aus.

Das wichtigste Ergebnis war jedoch die Kraftstoffeinsparung von 3 % über das ganze Kennfeld hinweg. Erreicht wurden sie allein durch das Auswechseln von Kolben und Pleuel. Es mag nicht viel erscheinen, wenn ein Motor statt 5 l/100 km nur noch 4,85 l/100 km/h verbraucht. Wer jedoch den Entwicklungsingenieuren bei ihrem Kampf um jedes Gramm Kraftstoffeinsparung über die Schulter schaut, der weiß den Gewinn von 3 % erst richtig zu schätzen. Dabei dürfte es aber nicht bleiben. Denn die Stahlkolben stehen erst am Beginn ihres Entwicklungsprozesses. Ein branchenweiter „Durchmarsch“ in die Serie ist aber nicht zu erwarten, denn dazu ist die Motorenentwicklung viel zu aufwendig. CHRISTIAN BARTSCH

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