TopWeld®-Stahlkolben machen Pkw-Dieselmotoren noch sparsamer

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Stuttgart, September 2011 – In Nutzfahrzeugmotoren setzt MAHLE bereits seit Mitte der 80er Jahre Stahlkolben ein. Auch für Pkw-Motoren entwickelt MAHLE Stahlkolben, die den Kraftstoffverbrauch um bis zu fünf Prozent reduzieren. Auf der IAA 2011 wird das Unternehmen den völlig neuen TopWeld®-Stahlkolben präsentieren, der alle bekannten Zukunftspotenziale ausschöpft.

Der hohe Anspruch an die Belastbarkeit jeder einzelnen Motorkomponente und deren Beitrag zur Verbrauchsreduktion sicherte bereits in der Vergangenheit den Durchbruch der MAHLE Stahlkolben bei Nutzfahrzeugen. Sie haben sich seit mehr als 20 Jahren millionenfach bewährt.

Moderne Pkw-Dieselmotoren folgen diesen hohen Ansprüchen. Deshalb hat MAHLE mit diesem Wissen auch mehrere Varianten von Stahlkolben für Pkw-Anwendungen entwickelt. TopWeld®-Stahlkolben senkt durch den Einsatz verschiedener Technologieprinzipien den Kraftstoffverbrauch deutlich. An einem Referenzfahrzeug mit Dieselmotor hat MAHLE im NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) für die TopWeld®-Stahlkolben ein CO2-Einsparpotenzial von etwa 5 g/km ermittelt. Dies entspricht einem Kraftstoff-Minderverbrauch von etwa 0,2l/100 km.

Der TopWeld®-Stahlkolben ist ebenfalls aus Stahl geschmiedet. Zwei Bauteile werden so zusammengeschweißt, dass ein großer geschlossener Kühlkanal entsteht. Der verwendete Stahl des TopWeld® hat die Bezeichnung 42CrMo4 und liefert damit eine deutlich höhere Festigkeit und Steifigkeit als Aluminium. Daher ist eine 30 Prozent geringere Kolbenhöhe möglich. Folglich wird die Berührungsfläche zwischen Kolben und Zylinderwand kleiner und somit der Reibungsverlust, was zu messbaren Verbrauchseinsparungen führt.

Die geringere Kolbenhöhe kann auch dazu genutzt werden, längere Pleuelstangen einzusetzen. Je länger, desto näher kommt der Motorenkonstrukteur dem Ideal der senkrechten Pleuelstangenbewegung und desto weniger drücken die Gaskräfte den Kolben seitlich gegen die Zylinderwand. Auch dies verringert die Reibung. Anstatt die Pleuelstangen zu verlängern, könnte man bei geringerer Kolbenhöhe alternativ die Höhe des Motorblocks verkürzen, das reduziert die Masse und den Platzbedarf des Motors.

Kleinere Kolbenhöhen bedeuten auch kleinere oszillierende Massen. Die Ausgleichsgewichte und die Lagerbreiten können verringert werden; das wiederum minimiert die Lagerreibung.

Neben der Kolbenhöhe kann dank der größeren Festigkeit auch die Wandstärke und somit die Masse des Stahlkolbens reduziert werden. Außerdem sind dadurch kürzere und leichtere Kolbenbolzen (Verbindungsglied zwischen Kolben und Pleuel) möglich. Der verwendete Kolbenbolzen des MAHLE TopWeld®-Stahlkolbens hat bei einem Durchmesser von 28 mm nur 181 g Masse.

Trotz der höheren Dichte von Stahl ist die Masse der Kolbengruppe (Kolben und Kolbenbolzen) des TopWeld® kleiner als die von konventionellen Aluminiumkolben für Pkw-Dieselmotoren.

Ein entscheidender Vorteil des MAHLE TopWeld®-Stahlkolbens steht im Zusammenhang mit der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Stahl und Aluminium. Beim Warmlauf des Motors dehnen sich Aluminiumkolben so stark aus, dass ihr Außendurchmesser nominell größer wäre als der Innendurchmesser des sie umgebenden Zylinders. Dies führt zu erheblichen Reibungsverlusten.

Im Gegensatz dazu hat Stahl eine ähnliche Wärmeausdehnung wie ein Graugussblock. Sprich: Das Zylinderrohr wird bei warmem Motor in etwa um so viel größer wie der Kolben an Umfang zunimmt. Das Spiel zwischen Kolben und Zylinderwand bleibt bei allen Betriebspunkten in etwa auf gleich niedrigem Niveau. Reibungsverluste durch Überdeckung treten kaum auf. Insgesamt führt die Summe der verringerten Reibungsquellen je nach Motorvariante zu einer Kraftstoffeinsparung von zwei bis fünf Prozent.

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 Flüssig-keitsmanagement-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 2010 einen Umsatz von rund 5,3 Mrd. EUR und beschäftigte mehr als 47.000 Mitarbeiter an über 100 Produktionsstandorten und in 8 Forschungs- und Entwicklungszentren.

 


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MAHLE TopWeld-Stahlkolben

Der TopWeld®-Stahlkolben ist aus Stahl geschmiedet. Zwei Bauteile werden so zusammengeschweißt, dass ein großer geschlossener Kühlkanal entsteht. Der verwendete Stahl des TopWeld® hat die Bezeichnung 42CrMo4 und liefert damit eine deutlich höhere Festigkeit und Steifigkeit als Aluminium. Daher ist eine 30 Prozent geringere Kolbenhöhe möglich. Folglich wird die Berührungsfläche zwischen Kolben und Zylinderwand kleiner und somit der Reibungsverlust, was zu messbaren Verbrauchseinsparungen führt.


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MAHLE Steel pistons for diesel passenger cars

MAHLE has been using steel pistons in commercial vehicle engines since the mid-1980s. But MAHLE also develops steel pistons for passenger car engines that reduce fuel consumption by up to five percent.


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Thermal expansion of the piston

One distinct advantage of the MAHLE TopWeld® steel piston arises due to the different thermal expansion of steel and aluminum.


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Comparing piston height aluminum piston and TopWeld steel piston

The TopWeld® steel piston is also forged of steel. Two components are welded together to form a large, closed cooling channel. The steel used for the TopWeld® piston is of the grade 42CrMo4, which provides significantly greater strength and rigidity than aluminum. The piston height can thus be reduced by 30 percent. As a result, the contact surface between the piston and cylinder wall is smaller, as is the friction loss, which leads to measurable fuel consumption savings.


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Reduction in lateral forces due to longer connecting rod

The lower piston height can also be utilized to increase the length of the connecting rods. The longer the rod, the closer the engine designer can come to the ideal of a vertical connecting rod motion, and the less the gas forces press the piston sideways against the cylinder wall, which likewise reduces friction.


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Fuel consumption advantage of the TopWeld steel piston

The steel used for the TopWeld® piston is of the grade 42CrMo4, which provides significantly greater strength and rigidity than aluminum. The piston height can thus be reduced by 30 percent. As a result, the contact surface between the piston and cylinder wall is smaller, as is the friction loss, which leads to measurable fuel consumption savings.