Technik

Mercedes-Motoren konsumieren weniger – dank Stahlkolben

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      Mercedes ersetzt die üblicherweise in Diesel-Personenwagen verwendeten Aluminium-Kolben durch solche aus Stahl. Die neu entwickelte Produktegeneration wird erstmals im September 2014 im V6-Motor der Baureihe «E 350 Blutec» zum Einsatz kommen und garantiert einen Diesel-Minderverbrauch und weniger CO2-Emissionen. Bei Mercedes geht man davon aus, dass die 258-PS-Limousine im Schnitt um die fünf Liter und somit drei Prozent weniger Diesel konsumiert als bislang.

       

      Stahlkolben sind heute bei Nutzfahrzeug-Motoren in Kombination mit schweren Grauguss-Kurbelgehäusen weit verbreitet, während sich in Diesel-Pws über alle Jahre hinweg Alu-Kolben zum Standard entwickelt haben. Die nun von Mercedes neu entwickelten Hightech-Stahlkolben harmonieren perfekt mit den sehr viel leichteren Aluminium-Motorgehäusen und der «Nanoslide»-Zylinderlaufbahntechnologie.

       

      Stahl und Aluminium unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich: Stahl dehnt sich bei Hitze weniger aus, leitet aber 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 einsetzen.

       

      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.

       

      Die früher verwendeten Stahlkolben waren für eine Kombination mit Motorgehäusen aus Aluminium allerdings wenig geeignet. Vielmehr musste Mercedes die Kolben neu konzipieren. Die Stahlkolben, die jetzt zum ersten Mal im V6-Diesel des E 350 Bluetec im Aluminiumkurbelgehäuse 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 Brennräumen des V6-Diesels arbeiten, um bis zu 13 Millimeter niedriger als ihre bislang benutzten Alu-Pendants (Alukolben: 71,6 mm, Stahlkolben: 58,6 Millimeter). Durch diese veränderte Geometrie liegt das Gewicht von Kolben, Kolbenbolzen und Kolbenringen als Einheit auf dem Niveau der Alu-Ausführungen. Damit konnte Mercedes 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 weniger Schadstoffe. Der minderen Wärmeleitfähigkeit von Stahl trug Mercedes durch konstruktive Anpassungen wie zum Beispiel modifizierte Kühlkanäle in den Kolben Rechnung.
      Die Praxis beweist, dass die Stahlkolben das thermodynamische Verhalten optimieren und gleichzeitig die Reibung reduzieren. Messungen verzeichneten überdies, dass vor allem in dem im Alltag wichtigen unteren und mittleren Drehzahlbereich deutliche Verbrauchsvorteile zu Buche stehen.

       

      Für die Zukunft sehen die Motoringenieure von Mercedes 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 Roh-Emissionen.

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