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.