Seit Jahrzehnten werden Aluminiumkolben bei Pkw-Motoren erfolgreich eingesetzt. Sie bieten den Vorteil, dass sie relativ kostengünstig sind, und gelten aufgrund der Aluminiumlegierung als leicht. Bei Nutzfahrzeugen werden seit Mitte der 80er Jahre bereits geschmiedete Stahlkolben eingesetzt. Hier lagen die Verbrennungsdrücke in der Vergangenheit stets deutlich über denen von Pkw-Dieselmotoren. Insbesondere die Robustheit des geschmiedeten Stahls als Kolbenwerkstoff und die Langlebigkeit haben zu einer bis heute fast flächendeckenden Einführung von Stahlkolben in der höchsten Leistungsklasse bei Nutzfahrzeugmotoren geführt. Das beherrschende Thema der Menschen im 21. Jahrhundert in Bezug auf die Automobilindustrie ist das Thema CO2-Reduzierung bzw. Kraftstoffverbrauchsreduzierung. Der Stahlkolben hat das Potenzial, hier einen entscheidenden Beitrag zu leisten. Insbesondere drei Eigenschaften des Werkstoffs Stahl können in diesem Zusammenhang als vorteilhaft ausgemacht werden: reduzierte Wärmeleitfähigkeit, höhere Festigkeit und geringere Wärmedehnung. Die reduzierte Wärmeleitfähigkeit führt zu einem Temperaturanstieg an der brennraumseitigen Kolbenoberfläche. Dadurch sinkt der Wärmeübergang in den Kolben, welcher als Verlustleistung angesehen werden muss. Die Folge ist ein besserer thermodynamischer Wirkungsgrad. Die höhere Festigkeit und höhere Steifigkeit können dazu genutzt werden, die Bauhöhe des Kolbens derart zu reduzieren und die Wandstärken zu verringern, dass das Gewicht von heute verwendeten Aluminiumkolben unterschritten werden kann. Die reduzierte Bauhöhe des Kolbens kann entweder zur Verringerung der Motorblockhöhe oder zur Verlängerung der Pleuelstange verwendet werden. Die Verlängerung der Pleuelstange wirkt sich positiv im Hinblick auf Reibleistung aus, weil die Seitenkräfte auf die Zylinderwand verringert werden. Aus akustischen Gründen müssen Aluminiumkolben in kaltem Zustand relativ eng eingebaut werden. Dies führt dazu, dass sie bei betriebswarmem Motor elastisch im Graugusskurbelgehäuse eingespannt sind und dabei erhebliche Reibkräfte erzeugen. Aufgrund der geringen Wärmedehnung dehnt sich der Stahlkolben am Kolbenschaft nur etwa halb so viel aus wie ein Aluminiumkolben. Auch Stahlkolben müssen mit engem Einbauspiel eingebaut werden. Aufgrund der ähnlichen Wärmeausdehnung von Stahlkolben und Graugussblock bleibt das Einbauspiel im kalten und im warmen Zustand etwa gleich und die Reibungsarbeit verringert sich entsprechend. Insbesondere die thermische Belastung ist eine Herausforderung für den Stahlkolben. Die geringe Wärmeleitung führt zu höheren Temperaturen am Stahlkolben. Dasselbe muss auch kühlraumseitig in Betracht gezogen werden. Ungünstige Bedingungen können zu Ölkohlebildung im Kühlkanal führen. Werden einige wichtige Grundsätze beachtet und alle Potenziale des Konzepts voll ausgeschöpft, ist der Stahlkolben anderen Technologien deutlich überlegen.
Optimierungspotentiale durch Einsatz von Stahlkolben: Chancen und Herausforderungen
Optimisation potential by usage of steel pistons: chance and challenge
2011
12 Seiten, 8 Bilder, 1 Tabelle
Aufsatz (Konferenz)
Datenträger
Deutsch
Anwendung im Motorenbau , Hubkolbenmotor (Brennkraftmaschine) , Optimierungskonzeption , Pkw-Motor , Werkstofftechnik , Verlustleistung , thermodynamischer Wirkungsgrad , Festigkeit , Steifheit , Reibungsverlust , thermische Belastung , Wärmedehnung , Kolbenschaft , Pleuelstange , Trend (Entwicklung) , technische Entwicklung , Lebensdauer
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