Mercedes-Benz

Stahl und Aluminium unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich. Links der Alukolben, rechts der neue Stahlkolben von Mercedes. Bild: Daimler

Die neuen Stahlkolben kommen erstmals im V6-Dieselmotor des Mercedes-Benz E 350 BlueTEC zum Einsatz. Unter anderem dadurch soll die 258 PS starke Limousine nur noch rund fünf Liter Dieselkraftstoff auf 100 Kilometer verbrauchen ? dabei liegt der durch den Stahlkolben bedingte Spareffekt bei rund drei Prozent.

Stahlkolben sind heute schon bei Nutzfahrzeug-Motoren in Kombination mit schweren Graugusskurbelgehäusen weit verbreitet, während sich bei Pkw-Dieselmotoren Aluminium-Kolben über die Jahre zum Standard entwickelt haben. Die nun von Mercedes-Benz völlig neu entwickelten Hightech-Stahlkolben sollen perfekt mit den modernen, sehr viel leichteren Aluminium-Motorgehäusen von Mercedes entwickelten NANOSLIDE Zylinderlaufbahntechnologie harmonisieren.

Materialvorteile nutzen

Stahl und Aluminium unterscheiden sich in ihren Eigenschaften deutlich: Stahl dehnt sich bei Hitze weniger aus als Aluminium, leitet die Wärme schlechter und ist zunächst einmal schwerer. Das lässt die Kombination von Alugehäuse und Stahlkolben auf den ersten Blick schwierig erscheinen. Dennoch entdeckten die Mercedes-Ingenieure darin Zukunftschancen, indem sie die offensichtlichen Unterschiede in den Materialeigenschaften besonders vorteilhaft einsetzten.
Dass sich ein Stahlkolben bei Wärme nur etwa ein Viertel so weit ausdehnt wie sein Pendant aus Aluminium, nutzten sie, um den Stahlkolben im Alugehäuse knapper zu bemessen, sodass er zunächst sehr eng in der Zylinderlaufbahn sitzt. Steigt allerdings beim Betrieb die Temperatur, dehnt sich das Alugehäuse mehr aus als der Stahlkolben ? die Folge ist eine größere Toleranz des Kolbens im Zylinder und damit geringere Reibung. Da allein die Kolben-/ Laufbahngruppe zwischen 40 bis 50 Prozent der mechanischen Reibung verursacht, habe sich hier ein wichtiges Effizienzpotenzial ergeben.

Mercedes-E-Klasse

Im Mercedes E 350 BlueTEC sollen die neuen Stahlkolben erstmals zum Einsatz kommen. Bild: Daimler

Fester, kleiner, leicht

Die früher verwendeten Stahlkolben waren für eine Kombination mit Motorgehäusen aus Aluminium allerdings wenig geeignet. Mercedes musste die Kolben deshalb völlig neu konzipieren. Die moderne Ausführung der Stahlkolben sind Hightech-Ausführungen, die aus hochwertigem, besonders festem Stahl geschmiedet sind. Das bedeutet eine große Herausforderung für die Kolbenlieferanten, denn die neuen, extrem festen Stähle sind ebenso anspruchsvoll in der Fertigung.

Doch Mercedes ist überzeugt, dass sich der Aufwand lohnt wird. Denn die höhere Festigkeit des modernen Stahls erlaube eine kompakte Bauweise der Kolben. Damit kann auch die etwa dreifach größere Werkstoffdichte nahezu kompensiert werden. Tatsächlich sind die innovativen Stahlkolben, die künftig in den sechs Brennräumen des schwäbischen V6-Diesels arbeiten, um bis zu 13 Millimeter niedriger als ihre bislang benutzten Alu-Pendants – Alukolben im V6-Diesel ca. 71,6 Millimeter hoch, Stahlkolben nur noch ca. 58,6 Millimeter. Durch die veränderte Geometrie und eine intelligente Konstruktion liegt das Gewicht von Kolben, Kolbenbolzen und Kolbenringen als Einheit auf dem Niveau der Ausführung mit Aluminium-Kolben. Damit konnte Mercedes den Gewichtsnachteil von Stahl fast kompensieren und sogar noch Festigkeitsreserven für zukünftig steigende Spitzendrücke bereitstellen.

Höherer Wirkungsgrad, weniger Verbrauch

Auch der Wirkungsgrad verbessere sich durch den Einsatz von Stahlkolben. Denn durch die geringere Wärmeleitfähigkeit von Stahl gegenüber Alu entstehen im Brennraum erhöhte Temperaturen. Damit steigt die Zündwilligkeit und die Brenndauer wird reduziert. Ergebnis ist ein geringerer Verbrauch und Schadstoffausstoß. Der geringeren Wärmeleitfähigkeit von Stahl trug Mercedes durch konstruktive Anpassungen wie zum Beispiel modifizierte Kühlkanäle in den Kolben Rechnung.
Die Praxis beweist, dass die Stahlkolben das thermodynamische Verhalten optimieren und gleichzeitig die Reibung maßgeblich reduzieren. Messungen verzeichneten, dass vor allem in dem im Alltag wichtigen unteren und mittleren Drehzahlbereich deutliche Verbrauchsvorteile zu Buche stehen.

Die neuen Kolben sollen bald auch in den Vierzylinder-Dieselmotoren von Mercedes-Benz zum Einsatz kommen. Joachim Schommers, Leiter der Mercedes-Benz Grundmotorenentwicklung: “Wir gehen davon aus, dass sich Kolben aus Stahl in Zukunft auch in Pkw-Dieselmotoren breit durchsetzen werden.”

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Daimler / Gabriel Pankow