Norbert Schneider, Director Global Application Engineering für Kolben, Federal-Mogul Powertrain “Höhere Zünddrücke sind eine Herausforderung für die Zuverlässigkeit“ - AutomobilKONSTRUKTION

Norbert Schneider, Director Global Application Engineering für Kolben, Federal-Mogul Powertrain

“Höhere Zünddrücke sind eine Herausforderung für die Zuverlässigkeit“

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Durch neue Motorentrends mit höheren Temperaturen ist auch bei den Kolben ein Umdenken notwendig. Warum Alu und Stahl sich weiterhin ergänzen werden und wo mit einem neuen Kühlöl-Konzept Einsparungen möglich sind, erklärte uns Norbert Schneider, Director Global Application Engineering für Kolben bei Federal-Mogul Powertrain.

Das Interview führte Tobias Meyer, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion

Was sind die Herausforderungen bei der Kolbenentwicklung für NFZ-/EIT-Motoren der nächsten Jahre?
Da die Zünddrücke immer höher werden, ist die Herausforderung natürlich die Zuverlässigkeit. Bei Aluminium liegt die Grenze derzeit zwischen 200 und 230 bar. Wenn der Zünddruck höher ist, können wir Stahl verwenden, da Aluminium in kritischen Bereichen nicht mehr die nötige Festigkeit gewährleisten kann. Auf der anderen Seite ist Aluminium für Medium-Duty-Kolben trotzdem sehr erfolgreich, und mit unserem neuen Werkstoff DuraForm-G91 auch für die neuen höheren Belastungen geeignet. Bei größeren LKW-Motoren mit 13 bis 15 Litern Hubraum werden heute – bedingt durch die neuen Emissionsvorschriften Euro 5 und höher sowie die längeren Laufzeiten – in der Regel nur noch Stahlkolben verwendet.
Hat das auch Einfluss auf den Verbrauch?
Ja, die höheren Zünddrücke können bei erfolgreicher Verbrennungsentwicklung und weiteren motorseitigen Anpassungen geringeren Kraftstoffverbrauch ermöglichen. Bei einer großen LKW-Flotte bedeuten z. B selbst 0,3 Prozent weniger Verbrauch eine Einsparung im Millionen-Dollar-Bereich pro Jahr.
Trotzdem haben Sie eine neue Aluminium-Legierung für den Medium-Duty-, Heavy-Duty- und EIT-Bereich vorgestellt…
Korrekt, das DuraForm-G91 Material wird exakt für die Zünddrücke über 200 bar und auch bei Anwendungen mit höherem Temperaturniveau optional angeboten. Der Aluminiumkolben hat bei gleicher Kompressionshöhe den Vorteil des geringeren Gewichtes. Wenn der Kunde diese Hauptabmessungen (Kompressionshöhe) verlangt, können wir so dennoch Aluminium anbieten. Zudem ist ein Aluminiumkolben kostengünstiger.
Ein kürzerer Kolben erhöht aber die Reibung, oder?
Ein sehr kurzer Kolbenschaft bei Stahlkolben benötigt in der Regel den sogenannten Ringsteg als zusätzliche Führung der Seitenkraft, was die Reibleistung erhöht. Daher verlängern wir am Monosteel-Kolben den Kolbenschaft nach oben – nicht nach unten. So wird der Kolben besser geführt und die Reibleistungsverluste reduzieren sich, da die Ringstege nicht mehr zur Führung benötigt werden.
Gibt es hinsichtlich der Reibungsreduzierung dennoch Fortschritte?
Federal-Mogul bietet hier mehrere Technologien an, wir müssen den Kompromiss zwischen Reibung und Geräusch finden. Der Kolben braucht ein gewisses Minimalspiel zur Sicherheit gegen Kolbenfresser. Weiterhin: Je geringer das Spiel, desto mehr Reibleistungsverluste entstehen. Daher möchte man das Spiel gerne so groß wie möglich ausführen. Ist das Einbauspiel jedoch zu groß, kann der Kolben im kalten Zustand erhöhte Geräusche bzw. Kavitation verursachen. Bei erfolgreicher Optimierung des Einbauspiels in Verbindung mit dem Kolbenschaftprofil haben wir mit modernsten Berechnungsmethoden signifikante Reibleistungsverringerungen am Aluminiumkolben erreicht. Einen weiteren wesentlichen Beitrag dazu leistet unsere Schaftbeschichtung EcoTough, die im Benchmarking am befeuerten Motor die geringsten Reibleistungsverluste aufgezeigt hat.
Kurz zurück zum Verbrauch, können Sie das Einsparpotential genau verorten?
An unserem Monosteel-Kolben sind weitere Einsparungen durch Reduzierung des Kühlöls möglich. 40 bis 50 Prozent des Öls werden im Motor dazu benötigt, die Kolben von unten mit einem Ölstrahl zu kühlen. Da der Monosteel-Kolben durch seine effiziente Kühlung heißer werden darf, benötigen wir eine geringere Ölmenge zur Kühlung. Bei Halbierung der Kühlölmenge entspricht das etwa 0,3 Prozent an zusätzlicher Kraftstoffeinsparung. Noch weitere Einsparpotentiale gibt es mit unserem neuen EnviroKool-Kolben.
Dabei ist der Kühlkanal im Kolben erstmals komplett geschlossen und mit Kühlmittel gefüllt. Wie wirkt sich das im Detail aus?
Der Kühlkanal eines Stahlkolbens hat die höchste Oberflächentemperatur, mit der das Öl in Berührung kommt. Dies ist mitverantwortlich für die Ölalterung. In zukünftigen Motoren mit sehr hohen Kolbentemperaturen zur Abwärmerückgewinnung würde sich der Kühlkanal mit Ölkohle zusetzen und die Ölalterung deutlich erhöhen. Das neue Kühlmittel ist im EnviroKool-Kolben jedoch völlig vom Motoröl getrennt und kann dadurch Ölkohleabscheidung verhindern und Ölalterung verringern. Weiterhin können wir durch das spezielle Kühlmittel die Temperatur auf der Kolbenoberfläche so steuern, dass sie die Erwartungen für Abwärmerückgewinnung erfüllt. Hinsichtlich der neuen Motorentrends mit höheren Temperaturen eine notwendige Entwicklung.
Bringt das auch etwas im Bereich Leichtbau?
In Verbindung mit verkürzter Kompressionshöhe des Kolbens auf jeden Fall! Oft ist die Kolbenoberkante im oberen Totpunkt in etwa in gleicher Höhe mit der Blockoberkante. Durch die Verkürzung des Kolbens auf der Oberseite können Sie daher auch den kompletten Motorblock niedriger bauen, was deutliche Gewichtsersparnis bringt. Ganzheitlich kann so auch die Bauhöhe des LKWs oberhalb des Motors reduziert werden oder Sie nutzen den Bauraum, etwa für zusätzliche Bauteile der Abwärmerückgewinnung.
Gutes Stichwort. Wo kann denn überschüssige Wärme im LKW nutzbar gemacht werden?
Auch nach dem Turbolader haben Abgase noch immer relativ hohe Temperaturen, vor allem in den neuen Motoren, die wie gesagt mit noch höheren Verbrennungstemperaturen arbeiten können. Momentan kühlt der Kolben über das Motoröl die Kolbentemperatur deutlich ab und gibt die Wärmeenergie an den Ölkühler weiter. In Verbindung mit Abwärmerückgewinnung erhöhen wir die Temperatur des Kolbens. Damit fließt weniger verlorene Wärmeenergie in den Kühler, und steht dadurch mit höheren Abgastemperaturen etwa für eine Wärmepumpe zur Verfügung.
Wie sieht da der Entwicklungsstand aktuell aus?
Das ist bei mehreren Motorenherstellern in der Forschung und soll nach unseren Informationen nach 2020 erstmalig in Serie gehen.

Zur Person
Norbert Schneider ist Director Global Application Engineering HD/EIT für Kolben bei Federal-Mogul Powertrain. Im Vorfeld war er auf verschiedenen Positionen verantwortlich für die Entwicklung von Kolben, Kolbenringen und Buchsen. Schneider kam 2004 zu Federal Mogul als Chief Engineer for Rings & Liners in Plymouth, Michigan (USA). Er hat einen Master-Abschluss in Maschinenbau der Universität Stuttgart.
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