Kolbentechnik für aktuelle Verbrennungsmotoren

Dieser Beitrag stammt von der Mahle GmbH, Stuttgart

Die mechanischen und thermischen Belastungen, die auf einen Kolben einwirken, werden wesentlich durch das Brennverfahren bestimmt. Abgesehen von den Massekräften bei Hochdrehzahlkonzepten, wird die mechanische Last durch den Zünddruck dominiert. Für die thermische Last kann bei ähnlichen Brennverfahren die spezifische Leistung des Motors als repräsentative physikalische Größe angesehen werden. Der erhöhte Wärmeeintrag bei zunehmender Leistungsdichte lässt die Kolbentemperatur steigen. In der Motorenentwicklung der letzten Jahre sind vermehrt Zünddrücke auch über 10 MPa zu beobachten. Für Saugmotoren wird mit noch weiteren Zünddrucksteigerungen gerechnet. In die zu berechnende Motorleistung geht per Definition der Druck anteilig mit ein, sodass zwangsläufig auch die Leistungswerte steigen. Die heutigen Leistungsdichten können teilweise über 100 kW/l betragen. Mit der Ausweitung der Aufladung ist absehbar, dass die spezifische Leistung weiter steigt und sich das Arbeitsgebiet für Neuentwicklungen der nächsten Jahre bei Leistungsdichten von bis zu 130 kW/l bewegt.

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 etwa 20 °C. Die Belastbarkeit an diesen Stellen steigt wesentlich, sodass Leistungsdichten über 100 kW/l hinaus möglich werden. Derartige Kolben erreichen mit der Ölkühlung schneller die Betriebstemperatur, was sich günstig auf die Abgasemissionen auswirkt.

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. Mit der Entwicklung der neuesten Ottokolbengeneration Evolite zeigt Mahle, dass die Grenzen des Leichtbaus noch weiter verschoben werden können. Das neue Kolbendesign für moderne, höchstbelastete und reibleistungsoptimierte Ottomotoren stellt eine konsequente Weiterentwicklung des in Serie bewährten Evotec-2-Designs dar. Ziel der Entwicklung war es, das Evotec-Prinzip fortzuschreiben und mit modernsten Simulationswerkzeugen weitere Potenziale zur Masseneinsparung aufzudecken und diese in einem herstellbaren Produkt umzusetzen. Am Kolbenkonzept des Evotec 2 wurde zur Entwicklung des Evolite eine numerische 3D-Topologieoptimierung durchgeführt. Aufgrund des fortgeschrittenen Stands der Technik in der Kolbenkonstruktion sind weitere Verbesserungen des Designs oftmals nur noch mit solchen numerischen Strukturoptimierungen möglich.

Durch eine Verbesserung der Schaft-Kastenwandanbindung wird gegenüber dem Evotec 2 die Lebensdauer nahezu um das Achtfache vergrößert, während das Gewicht um 5 % 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. Sowohl am Prüfstand als auch im befeuerten Motorbetrieb wurde nachgewiesen, dass die für niedrige CO2-Emissionen wichtige Reibung gegenüber dem Evotec 2 nochmals sinkt. Für den NEFZ konnte mit dem Evolite-Kolben ein CO2-Vorteil von 0,46 g/km ermittelt werden.

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. Die grundsätzlichen konstruktiven Vorteile gegenüber dem Aluminiumkolben wurden bereits umfangreich vorgestellt. Im Wesentlichen liegen die Vorteile einerseits in der Reibleistung. Mahle hat in Prüfstandsmessungen den Reibleistungsvorteil gemeinsam mit einem Hersteller sowohl in der Teillast als auch in der Volllast nochmals nachgewiesen. Darüber hinaus 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 von Mahle, 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.

Als Weiterentwicklung aus dem einteiligen Monotherm schließt der neue zweiteilige Monoguide-Kolben die Lücke zu dem 2012 vorgestellten Topweld-Stahlkolben. Gegenüber dem Monotherm verfügt der Monoguide über einen längeren Schaft, der aber, anders als beim Topweld, vom Kolbenkopf entkoppelt bleibt. Durch dieses flexible Design weist ein solcher Kolben ein nochmals deutlich verbessertes NVH-Verhalten auf und erscheint daher auch gut für den Einsatz in Aluminium-Motorblöcken geeignet.

Halle 8.0, Stand C30

Mahle, Tel.: 0711 501-12199, ruben.danisch@mahle.com

Der Mahle Konzern ist einer der 30 weltweit größten Automobilzulieferer. Mit den beiden Geschäftsbereichen Motorsysteme und -komponenten sowie Filtration und Motorperipherie zählt Mahle weltweit zu den Top-3-Systemanbietern von Kolbensystemen, Zylinderkomponenten, Ventiltrieb-, Luftmanagement- und Flüssigkeitsmanagement-Systemen. Im Geschäftsbereich Industry sind die Industrieaktivitäten von Mahle gebündelt. Dazu zählen die Bereiche Großmotoren, Industriefiltration sowie Kühl- und Klimatisierungssysteme. Der Geschäftsbereich Aftermarket bedient den freien Teilehandel mit Mahle Produkten in Erstausrüstungsqualität. Mahle erzielte im Jahr 2012 einen Umsatz von knapp 6,2 Mrd. € und beschäftigt rund 48 000 Mitarbeiter an über 100 Produktionsstandorten und in sieben Forschungs- und Entwicklungszentren.