Der Trend in der Automobil- und Motorenindustrie ist eindeutig: Immer leistungsstärkere Motoren sind gefordert. Dabei rückte insbesondere die Dieseleinspritzung ins Blickfeld der Motorenentwickler. Hier ist in den vergangenen Jahren ein enormes Potenzial entstanden: Durch die Hochdruckeinspritzung in Kombination mit der elektronischen Steuerung des Verbrennungsprozesses wurden die Voraussetzungen für das beträchtlich gestiegene Leistungsniveau des Diesels geschaffen.

Eine höhere spezifische Motorleistung bringt zwangsläufig auch stärkere thermische und mechanische Belastungen der Kolben mit sich. Ein Trend, der insbesondere bei der Entwicklung und konstruktiven Auslegung der Kolben berücksichtigt werden muss – schließlich zählen diese ohnehin zu den am stärksten belasteten Bauteilen im Verbrennungsmotor. Und bei Temperaturen von über 360 °C, wie sie in der Verbrennungsmulde des Kolbens herrschen, sowie bei Zünddrücken über 170 bar kommen Kolben aus Aluminiumlegierungen dann doch an die Grenze ihrer Belastbarkeit.

Also waren neue konstruktive Ideen gefragt, der Einsatz anderer Materialien gefordert. Die Lösung der MAHLE Entwickler: Ein Kolben mit einem Kopf aus hoch temperaturfestem geschmiedetem Stahl und einem Schaft aus Aluminium – der FERROTHERM^®-Kolben war geboren.

GUTE FÜHRUNG UND HARTE ARBEIT
Eine Konstruktion, der eine klare Aufgabenteilung zugrunde liegt: Der Aluminiumschaft übernimmt lediglich die saubere Führung des Kolbens in der Zylinderbohrung, während die harte Arbeit und die Abdichtung vom Kolbenoberteil erledigt werden. Dessen geschmiedeter Stahl lässt erheblich höhere Betriebstemperaturen am Kolbenboden und deutlich größere Flächenpressungen zwischen Nabe und Kolbenbolzen zu. Von der großen Festigkeit des geschmiedeten Stahls profitiert auch die Verschleißfestigkeit und Lebensdauer der Ringnuten, die sich im Oberteil des Kolbens befinden.

DAS SPIEL MIT DEM FEUERSTEG
Ein weiterer bedeutender Vorzug von Stahl im Vergleich zu Aluminium-Silizium- Legierungen ist der deutlich geringere Wärmedehnungskoeffizient, der es ermöglicht, am Feuersteg ein kleineres Spiel zwischen Kolben und Zylinder zu realisieren. Dies wiederum bietet große Vorteile bei der Abdichtung und reduziert den Blow-by, während der sehr enge, ringförmige Spalt zwischen Kolben und Zylinder die Kolbenringe bei ihrer Arbeit unterstützt. Auch wirkt sich ein kleines Feuerstegspiel positiv auf die Abgaswerte aus – denn ein kleines Spiel bedeutet wenig Totraum und damit eine optimale, saubere Verbrennung.

DER TRICK MIT DEM SHAKER
Einen Nachteil jedoch bringt Stahl mit sich: die im Vergleich zu Aluminium schlechtere Wärmeleitfähigkeit. Insofern musste ein niedrigeres Temperatur-niveau durch die Optimierung der Kolbenkühlung sichergestellt werden. Die Lösung: Federstahlbleche bzw. eine konstruktive Formgebung des Kolbenschafts, die einen Kühlkanal gestalten, in den Motorenöl zur Kühlung ein gespritzt wird. Durch den großen Querschnitt und die Auf- und Abbewegung des Kolbens entsteht ein sogenannter Shaker-Effekt, der den Kolbenkopf ausreichend kühlt.

ZWEI UNGLEICHE PARTNER – EIN ERFOLGREICHES ZUSAMMENSPIEL
Wie bringt man zwei so unterschiedliche Materialien wie Stahl und Aluminium zu einer Funktionseinheit zusammen? Wie im Bild zu erkennen ist, sind das Kolbenoberteil und der Kolbenschaft über den Bolzen miteinander verbunden. Dabei wirken die Verbrennung und die Zünddrücke auf den Stahlkopf – und die entstehende Kraft wird direkt vom Kopf über den Kolbenbolzen auf die Pleuelstange übertragen. In der Nabenbohrung befindet sich eine eingesetzte Buntmetallbuchse als idealer Laufpartner zum Kolbenbolzen. Bei neueren Konstruktionen wird die Nabenbohrung beschichtet und dadurch das Zusammenspiel von Kolben und Bolzen nochmals optimiert. Zwischen Stahloberteil und Aluminiumschaft befindet sich ein Spalt. Diese räumliche Trennung fungiert als thermische Entkopplung. Dadurch sind die Temperaturen am Schaft lang nicht so hoch wie bei einem Voll-Aluminiumkolben. Durch das niedrigere Temperaturniveau am Kolbenschaft und die Entkopplung der Kraftübertragung konnte der Schaft konstruktiv auf die Führungsaufgabe hin optimiert werden. Und das kann man hören: am sehr weichen, ruhigen Motorlauf trotz harter Dieselverbrennung – bei größerer Leistung und mehr Drehmoment.

DER FERROTHERM^®-KOLBEN: ÜBERZEUGEND IN DER ERSTAUSRÜSTUNG …
Der FERROTHERM^®-Kolben ist seit fast 20 Jahren auf dem Markt – und trotzdem nach wie vor eine moderne Kolbenkonstruktion, die insbesondere im Nutzfahrzeugbereich zum Einsatz kommt. So werden unter anderem zahlreiche Motoren der Marken Volvo, Scania, Detroit Diesel und Caterpillar ab Werk mit FERROTHERM^®-Kolben von MAHLE bestückt. Auch heute noch bauen führende Hersteller auf das geniale Prinzip: So werden momentan für Mercedes-Benz und einen großen russischen Motorenhersteller Aggregate mit zweiteiligen Kolben entwickelt.

… UND ERFOLGREICH IM AFTERMARKET
Auch das MAHLE Handelsprogramm beinhaltet FERROTHERM^®-Kolben, im aktuellen Motorenteile-Katalog erkennbar an den 2 Rohlingsnummern: Der stählerne Kolbenkopf trägt die Buchstabenkombination „KB“, während der gegossene Aluminiumschaft an der Buchstabenbezeichnung „L“ erkennbar ist (siehe Katalogauszug).

Blick in den MAHLE Original Motorenteile-Katalog: Der stählerne Kopf des zweiteiligen FERROTHERM^®-Kolbens ist erkennbar an der Buchstabenkombination „KB“, der Aluminiumschaft trägt die Buchstabenbezeichnung „L“.

WICHTIG: DER KORREKTE ZUSAMMENBAU
FERROTHERM^®-Kolben werden demontiert ausgeliefert; Oberteil und Schaft befinden sich sorgfältig verpackt nebeneinander im Karton. Bei der Montage von Oberteil, Schaft und Pleuelstange ist auf die korrekte Einbaurichtung zu achten: Der Zusammenbau von Oberteil und Schaft ist nur in einer Richtung möglich.

Schnitt durch einen FERROTHERM^®-Kolben mit Kolbenkopf aus Stahl.