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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Die neuartige Stahlkolben bewähren sich auf dem Motorenteststand.
© MAHLE GmbH
Dieselmotoren
Projektinfo 14/2016

¾-Schnitt durch einen TopWeld Stahlkolben mit umlaufendem Kühlkanal (oben) und einem NaK-gefüllten Stahlkolben (unten)
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Position der Messstifte (Templugs) für die Temperaturmessung im Kolben
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Stahlkolben für effizientere Dieselmotoren

Mit einem neuen Kühlkonzept erweitert ein Zulieferer der Automobilindustrie das Einsatzspektrum von Stahlkolben in Dieselmotoren. Das Stuttgarter Unternehmen erprobt eine flüssige Legierung aus Natrium und Kalium, die die Wärme vom thermisch besonders belasteten Kolbenboden abführt. Dieses innovative Stahlkolbenkonzept soll bei PKW-Dieselmotoren noch weiter gesteigerte spezifische Leistungen ermöglichen. Bei langlaufenden Motoren für Industrieanwendungen und Nutzfahrzeuge wird die Bauteil- und Motorölbelastung signifikant verringert, die zu erwartende Betriebsdauer und Ölwechselintervalle verlängern sich.

Kleine und trotzdem PS-starke Motoren liegen im Trend der Automobilhersteller. Mit weniger Zylindern und kleineren Hubräumen sinken Reibung, Motorgewicht und bewegte Masse. In der Summe führt das Downsizing zu sparsameren Motoren, insbesondere im Teillastbereich. Die höhere thermische Belastung der Bauteile, speziell der Kolben, setzt dieser Entwicklung jedoch Grenzen. Aluminium-basierte Kolben sind aufgrund der geringeren Festigkeit für die angedachten hohen Zünddrücke nur bedingt geeignet. Die heute am Markt verfügbaren Stahlkolbenkonzepte mit konventioneller Ölkühlung weisen zwar ein höheres Festigkeitspotenzial auf, jedoch kann die deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit von Stahl bei dieser Kolbenbauart zu lokal auftretenden Temperaturspitzen führen. Besonders heiß wird der Kolbenboden insbesondere am Rand der Brennraummulde. In der Folge treten im Betrieb Risse auf, die den Ausfall des Kolbens bedeuten können.

Konventionelle Kolben werden zur Kühlung von unten mit Motoröl angespritzt. Wenn sie für sehr hohe Belastungen ausgelegt sind, verläuft in ihrem Inneren zusätzlich ein ringförmiger Kühlkanal, der über eine Einspritz- und zumindest eine Ablauföffnung von Motoröl durchflossen wird. Da dieser Hohlraum nur teilweise gefüllt ist, wird das Motoröl mit der Kolbenbewegung auf und ab geschüttelt. Dieser Shaker-Effekt sorgt für einen guten Wärmeübergang vom hochbelasteten Muldenrand zum ölgekühlten Kühlkanal. Entscheidend ist, dass das Öl im Kühlkanal nicht überhitzt. Andernfalls bilden sich isolierende Verkokungsrückstände schon nach kurzen Laufzeiten an den Kanalwänden. Der Kolben überhitzt dadurch und versagt vorzeitig, zum Beispiel durch Risse am Muldenrand.

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Flüssige Metalllegierung statt Öl im Kühlkanal

„Wir standen also vor dem Problem, die Wärme vom Kolben bei Temperaturen abzuführen, die höher sind, als sie das Motoröl verträgt“, erläutert Projektleiter Sascha Boczek die Ausgangssituation. „Deshalb suchten wir ein Medium, das selbst oberhalb von 500 °C noch temperaturstabil ist und keine Ölkohle oder sonstige Zerfallsprodukte im Öl bildet.“

Fündig wurden die Entwickler bei einer Flüssigmetalllegierung: „Wir nutzen die Alkalimetalle Natrium und Kalium. In geeignetem Mischungsverhältnis bilden sie ein Eutektikum, das schon unterhalb von Raumtemperatur flüssig ist. Es ist hochwärmeleitfähig und sogar leichter als Öl.“

Durch die besonderen Eigenschaften dieser flüssigen Metalllegierung gelingt es, die durch den Verbrennungsprozess von oben in den Kolben einfließende Wärme gleichmäßiger und großflächiger zu verteilen. So weist der Kühlkanal als abgeschlossener Hohlraum zur Wärmeübertragung zusätzlich noch vier Sacklochbohrungen entlang der Kolbenwand auf. Eine der Bohrungen ist durchgängig ausgeführt und dient dem Befüllen, bevor diese Öffnung dauerhaft verschlossen wird.

Als Ausgangspunkt für ihre Versuche modifizierten die Ingenieure einen neuentwickelten Serienstahlkolben mit Kühlkanal (TopWeld) für das Eutektikum. Sie vergrößerten den ringförmigen Kühlkanal, in den das Eutektikum eingebracht wird und reduzierten die Wandstärken in Richtung Brennraummulde. Dies verbessert die Wärmeabfuhr aus den thermisch hochbelasteten Bereichen des Muldenrands und Muldengrunds und führt insgesamt zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung im Kolben. Die Spritzdüse, die beim konventionellen Stahlkolben den Kühlkanal mit Motoröl versorgt, spritzt nun zur Kühlung lediglich in die Kolbeninnenform.

Temperaturen im laufenden Betrieb messen

Für die Temperaturmessungen an den Kolben im laufenden Motor nutzen die Ingenieure das Templug-Verfahren. „Templug“ setzt sich zusammen aus „Temperature“ und „Plug“ und bezeichnet einen zur Temperaturmessung verwendeten Messstift aus einer definierten Metalllegierung. Dieser Stift wird auf eine kalibrierte Härte eingestellt und an den Messpunkten im Kolben eingesetzt. Während des Versuchsprogramms verändert die Betriebstemperatur im Motor das Gefüge der Metalllegierung und reduziert dessen Härte. Aus der Resthärte können die Wissenschaftler nach Versuchsende auf die Temperatur zurückschließen.

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Merkzettel

Adressen

Projektleitung
MAHLE GmbH

Entwicklung von Wärmedämmschichten auf Kolbenoberseiten
Universität Stuttgart, IFKB

Entwicklung von Beschichtungssystemen auf Basis von Carbon Nanotubes (CNT)
Fraunhofer IGB

Service

BINE-Projektinfo 14/2016
(PDF, 4 Seiten, 344 kB)

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