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Kolbentechnologie für moderne Verbrennungsmotoren

In modernen Otto- und Dieselmotoren nimmt die thermische und mechanische Belastung der Kolben, primär durch die steigende spezifische Leistung, massiv zu. Zudem sollen die Kolben über Gewichts- und Reibleistungsreduzierung die Effizienz der Motoren erhöhen. Der Stuttgarter Automobilzulieferer Mahle hat daher für beide Verbrennungsarten Kolben entwickelt, die neben ihrer erhöhten Belastbarkeit auch zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs beitragen.

Der EVOTEC-SC-Ottokolben


Der EVOTEC-2-Kolben ist momentan mit seinem gewichtsoptimierten Design eine sehr gute Basis für aktuelle Leistungsdichten um 100 kW/l. Der EVOTEC-SC-Kolben verfügt gegenüber dem EVOTEC-2-Kolben zusätzlich über einen Kühlkanal, der durch Einlegen eines Salzkerns beim Gießen entsteht. Infolge des integrierten Kühlkanals sinken die Temperaturen am Kolbenboden und im Bereich des ersten Ringstegs um bis zu 25 K. Die Belastbarkeit an diesen Stellen steigt wesentlich, sodass Leistungsdichten deutlich über 100 kW/l hinaus möglich werden. Derartige Kolben erreichen außerdem schneller die Betriebstemperatur, was sich günstig auf die Abgasemissionen auswirkt.

Der neue EVOLITE-Ottokolben


Neben der Erwartung, dass die Kolben höchste Beanspruchungen aushalten, wird von Herstellern gefordert, die oszillierenden Massen des Kolbens zu senken. Diese sind für das transiente Ansprechverhalten des Motors von wesentlicher Bedeutung, wenn die Drehzahlen steigen. Und sie sind mit entscheidend, wenn durch einen Massenausgleich ein annehmbares Schwingungsverhalten des Motors erreicht werden muss. Somit besteht die Herausforderung, die hohen äußeren Belastungen bei minimalem Kolbengewicht zu beherrschen. Außerdem muss sichergestellt werden, dass konstruktive Änderungen am Kolben dessen Verhalten hinsichtlich Reibleistung oder Geräusch nicht verschlechtern, sondern nach Möglichkeit sogar noch weiter verbessern.

Längere Lebensdauer

Durch eine Verbesserung der Schaft-Kastenwandanbindung wird gegenüber dem EVOTEC 2 die Lebensdauer in diesem Bereich nahezu um das Achtfache vergrößert, während das Gewicht um fünf Prozent sinkt. Mit dem EVOLITE-Kolben wurde eine Bauart geschaffen, die in jeder Hinsicht Potenzial bietet, um insbesondere für Vierzylindermotoren, bei denen die oszillierenden Massen für die Geräuschemissionen durch Schwingungen sehr bedeutsam sind, eine gewichtsarme Lösung zu bieten.

Am Prüfstand und im befeuerten Motorbetrieb wurde nachgewiesen, dass die für niedrige CO2-Emissionen wichtige Reibung gegenüber dem EVOTEC 2 nochmals sinkt. Für den NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) konnte mit dem EVOLITE-Kolben ein CO2-Vorteil von 0,46 g/km ermittelt werden. Derzeit wird die Prozessentwicklung dieses Kolbens abgeschlossen.

Stahlkolben für Dieselmotoren

Beim Dieselmotor bieten Stahlkolben gegenüber bisher üblichen Aluminiumkolben wesentliches Potenzial, um die CO2-Emissionen zu senken. Mahle hat daher Stahlkolben für den Pkw-Dieselmotor zur Serienreife entwickelt. Im Wesentlichen liegen die Vorteile einerseits in der Reibleistung. Mahle hat in Prüfstandsmessungen den Reibleistungsvorteil gemeinsam mit einem Hersteller in der Teillast und in der Volllast nochmals nachgewiesen.

Ferner ergeben sich durch thermodynamische Zusammenhänge Vorteile in der Verbrennung, die zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen führen. Die niedrigere Kompressionshöhe von Stahlkolben kann zudem für eine Hubraumerhöhung oder auch niedrigere Motorbauhöhen genutzt werden. Der MONOTHERM-Kolben, der sich bereits vielfach im Einsatz in Nutzfahrzeugmotoren bewährt hat, vereint diese Vorteile und wird bereits 2014 erstmals in einem Pkw-Dieselmotor in Serie gehen.

Der Mahle Konzern gehört zu den weltweit 30 größten Automobilzulieferer. Das Unternehmen erzielte 2012 einen Umsatz von knapp 6,2 Milliarden Euro. Es beschäftigt rund 48.000 Mitarbeiter an über 100 Produktionsstandorten und in sieben Forschungs- und Entwicklungszentren.

Text: Mahle/EH
Foto: Mahle

 


Veröffentlicht am: 01.10.2013

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