Aspekte der Kolbenmaterialwahl bei Dieselmotoren
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ASPEKTE DER KOLBENMATERIALWAHL BEI DIESELMOTOREN Ein neuer Aluminiumkolben von Federal-Mogul für einen dreifach aufgeladenen Dieselmotor mit 93 kW/l spezifischer Leistung zeigt, dass Aluminium weiterhin Entwicklungspotenzial als Kolbenwerkstoff bietet. Gleichzeitig erfordern Pkw-Motoren mit Zünddrücken von über 220 bar und mehr als 100 kW/l spezifischer Leistung Stahlkolben. Stahlkonstruktionen für derart extreme Einsatzbedingungen verlangen allerdings viel Augenmerk beim Wärmemanagement. Federal-Mogul erläutert im Folgenden verschiedene Entwicklungsaspekte bei Aluminiumund Stahlkolben.
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AUToREn
ARND BABERG ist Chief Engineer Product Engineering bei Federal-Mogul in nürnberg.
MARCUS FREIDHAGER ist Program Manager und Application Engineer bei Federal-Mogul in nürnberg.
HARALD MERGLER ist Program Manager und Application Engineer bei Federal-Mogul in nürnberg.
STEIGENDE BELASTUNGEN FÜR KOLBENWERKSTOFFE
In dem Maße, in dem der Wirkungsgrad des Pkw-Dieselmotors besser wird, steigt auch die Kolbentemperatur im Brennraum. In Einzelfällen kann das herkömmliche Kolbenkonstruktionen aus Aluminium (Al) in den Grenzbereich der Materialfestigkeit bringen. Die Schwelle hierfür liegt bei rund 400 °C. Nahe dieser Temperatur, oder darüber, ist der Muldenrand einer derartigen Hitze ausgesetzt, dass sich dort Risse bilden können. Dieser Effekt ist sowohl ein Werkstoffthema, als auch eine Frage der Konstruktion. Durch Einsatz neuester Konstruktionsmerkmale hat Federal-Mogul vor Kurzem die Produktion und Auslieferung eines Al-Kolbens für einen sehr hoch aufgeladenen 3,0-l-Dieselmotor in Vollaluminium-Bauweise begonnen, der eine spezifische Leistung von 93 kW/l aufweist. Diese neue Kolbentechnik für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge (LVD) läuft derzeit in Anwendungen mit bis zu 420 °C. Auch wenn diese Al-Anwendung über das bisher für möglich gehaltene Maß hinaus geht, ist eindeutig, dass noch höhere Zünddrücke und höhere spezifische Leistungen Stahl als Kolbenmaterial notwendig machen werden. Beim Einsatz von Stahl für extrem belastete Pkw-Kolben muss dem Wärmemanagement allerdings genauso viel Aufmerksamkeit geschenkt werden wie beim Al-Kolben. In besonderem Maße gilt das für die Form und Position des Kühlkanals. Ein möglichst großer Kühlkanal, eine Kombination von unterschiedlichen Stählen für den Kolbenboden und das Hemd sowie Schutzbeschichtungen sind unter Umständen erforderlich, um überhöhte Kolbenbodentemperaturen zu vermeiden. Dies kann vor allem zu Oxidation/Verzunderung, thermisch induzierten Rissen oder auch zu überhöhter Ölbelastung (Cracken) führen. ALUMINIUMKOLBEN FÜR HOCHLEISTUNGS-DIESELMOTOREN
KLAUS SCHMIDT ist Leiter Engine Testing Facilities bei Federal-Mogul in nürnberg.
12I2012
73. Jahrgang
Besonders leistungsstarke, hoch aufgeladene Pkw-Dieselmotoren gelten häufig als Bewährungsprobe für Al-Kolben, weil die thermischen und mechanischen Kolbenbelastungen im Brennraum derart extrem sind, dass Motorenentwickler letztlich ein Versagen des Leichtbauwerkstoffs befürchten. Typischerweise ist es der Muldenrand, a
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