Pkw-Stahlkolben: Reduzierter Verbrauch und verbessertes Geräuschverhalten

Von Aluminium zu Stahl – der Umstieg von einem Kolbenmaterial auf das andere bringt eine gesteigerte Leistung und einen verbesserten thermodynamischen Wirkungsgrad. In Verbindung mit einer Minderung der Reibleistungsverluste durch ein angepasstes Kolbendesign – ein wichtiges Entwicklungsziel - brauchen Motoren mit Stahlkolben je nach Applikation bis zu vier Prozent weniger Kraftstoff. 2014 wird der von KS Kolbenschmidt entwickelte Pkw-Kolben aus Stahl bei einem namhaften OEM in Serie gehen.

Neben der Verbesserung der Reibleistungsvorteile lag der Entwicklungsschwerpunkt auch im Erreichen eines guten Geräuschverhaltens. Hierfür hat der Hersteller umfangreiche NVH - Untersuchungen zur Optimierung des Stahlkolbendesigns durchgeführt.

Ein Vorteil des Werkstoffs Stahl ist seine geringere Wärmeausdehnung und daraus resultierend die Möglichkeit ein signifikant kleineres Einbauspiel zwischen Kolbenschaft und Zylinderbohrung auszulegen. Als Folge davon verbessert sich im Betriebspunkt "Leerlauf, kalt" deutlich das Geräuschverhalten, welches durch den Anlagewechsel des Kolbens im Kurbelwinkelbereich ZOT bestimmt wird. Die Ergebnisse der Kolbendynamiksimulation ergaben im Vergleich zum Aluminiumkolben eine Reduzierung des Anregungspegels als integrales Maß für die Schwingungsanregung der Zylinderwand um mehr als 5 Dezibel (siehe Abbildung 1 links).

Speziell bei Motoren mit Kurbelgehäusen aus Aluminium erfordern die ungünstigeren Spielverhältnisse im Betriebspunkt "Teillast, warm" eine sorgfältige geräuschliche Abstimmung. Mittels strukturoptimierter Schaftsteifigkeit in Kombination mit einer geeigneten Kolbenbolzendesachsierung und numerisch optimiertem Kolbenschaftprofil kann auch in diesem Fall ein gleichwertiges Anregungsniveau des Stahlkolbens im Vergleich zum Aluminiumkolben erreicht werden (siehe Abbildung 1 rechts).

Tests auf dem Akustikprüfstand

In den vergangenen Monaten wurden zudem umfangreiche Messungen zur Untersuchung des dynamischen Geräuschverhaltens durchgeführt. Auf dem hauseigenen Akkustikprüfstand konnten die Ergebnisse der Simulation verifiziert werden.

Unter anderem wurden Drehzahlhochläufe mit geringer Last und kaltem Motor gefahren und die Anregung der Zylinderwand auf Druck- und Gegendruckseite untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass in dem für Kolbengeräusche relevanten Frequenzbereich von 1-5 Kiloherz keine strukturelle Anregung des Kurbelgehäuses durch den Stahlkolben erfolgt. Besonders auf der Druckseite ist erkennbar, dass der Stahlkolben in diesem Fall sogar einen Vorteil gegenüber dem Aluminiumkolben aufweist (Abbildung 2). Die Messergebnisse für den Drehzahlhochlauf bei warmem Motor und Teillast bestätigten ebenfalls die erfolgreiche Designoptimierung des Stahlkolbens, da hier die Geräuschanregung durch den Stahlkolben verglichen mit dem Aluminiumkolben auf gleichem Niveau liegt (Abbildung 3).

Durch weitere, umfangreiche Validierungstests konnten außerdem die Dauerfestigkeit des stählernen Kolbens sowie die Einhaltung der geforderten Funktionswerte für Gasdurchlass und Ölverbrauch nachgewiesen werden.

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