Kolben Neue Kolbenentwicklungen reduzieren Emissionen und Kraftstoffverbrauch

Kolbentechnologien von Federal-Mogul Powertrain Division unterstützen Hersteller von Nutzfahrzeugdieselmotoren beim Rduzieren des Kraftstoffverbrauchs sowie der Umsetzung der Euro-6-Norm.

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Dazu setzt das Unternehmen für seine Stahl- und Aluminiumkolben auf modernste Kolbenarchitekturen, Fertigungsprozesse, Werkstoffe und Verarbeitungsmethoden, die die Lebensdauer der Komponenten erhöhen können und die Reibung reduzieren.

„Die Steigerung der Verbrennungseffizienz bringt höhere Zylinderspitzendrücke mit sich. Nur eine fortschrittliche Kolbentechnologie führt auch unter erhöhten thermischen und mechanischen Belastungen zu langlebigen und zuverlässigen Lösungen“, erklärt Norbert Schneider, Director, Piston Application Engineering, Federal-Mogul. „Im Zuge einer effizienteren Verbrennung tragen unsere Kolben zur weiteren Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen bei gleichzeitig verminderter Reibung bei.”

Die Anwendung bestimmt die Wahl

Aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften eignen sich Kolben aus Aluminium oder Stahl für unterschiedliche Anforderungen. Aluminium ist leichter und verfügt über eine bessere Wärmeleitfähigkeit. Demgegenüber ist Stahl mit seiner höheren Festigkeit für sehr hohe Zylinderspitzendrücke besser geeignet. Aluminium ist weiterhin die erste Wahl für kleinere Bohrungsgrößen von bis zu 120 mm. Stahl hat sich hingegen bei Lkw-Anwendungen mit Bohrungsgrößen von 130 mm und mehr etabliert. Der Trend im Bereich mittelgroßer Bohrungen geht ebenfalls hin zu Stahlkolben, insbesondere für Zylinderspitzendrücke von über 220 Bar.

„Federal-Mogul ist der weltweit größte Zulieferer von Stahlkolben für schwere Lkw. Wir verfügen gleichzeitig über eine umfassende Bandbreite eigener Technologien für Aluminiumkolben und können unseren Kunden auch für Zylinderspitzendrücke unter 220 Bar eine zugeschnittene Produktlösung anbieten“, ergänzt Arnd Baberg, Chief Engineer, Piston Product Engineering, Federal-Mogul.

Aluminiumkolbentechnologie

Durch eine verbesserte Kühlung konnte Federal-Mogul die Leistung der Aluminiumkolben erweitern. Ausschlaggebend dafür ist eine moderne Kolbenarchitektur, in der der Kühlkanal näher an die kritische heiße Region der Verbrennungsmulde herangebracht wird. Modernste 2D-Ultraschallprüfungstechniken stellen eine durchgehende Gussqualität der Kolben sicher.

Die maximal erreichbaren Temperaturen und Drücke sind abhängig von der Festigkeit der Verbrennungsmulde und des Muldenrandes des Dieselkolbens. Denn Ermüdungsrisse, die sich zunächst an primären Siliziumpartikeln im Aluminium bilden, können an Muldenrand und -boden auftreten. Im Dura-Bowl-Prozess von Federal-Mogul kommt es zu einem kontrollierten Umschmelzen des Muldenrands, wodurch die Korngröße des Siliziums auf in etwa ein Zehntel der ursprünglichen Größe verfeinert wird. Somit erhöht sich die Ermüdungsbeständigkeit des Gusskolbens deutlich.

Federal-Moguls’s Eco-Tough-Beschichtung reduziert die Reibung zwischen Kolbenschaft und Zylinderoberfläche um bis zu 13 Prozent verglichen mit herkömmlichen Graphitbeschichtungen und verbessert somit die Motoreffizienz. Um eine niedrigere Reibung, höhere Abriebfestigkeit und verbesserte Verschleißfestigkeit zu erreichen, verwendet EcoTough Diesel Festschmierstoffe und eine kohlenstofffaserverstärkte Polymerbasis.

Stahlkolbentechnologie

Die reibgeschweißte Architektur der Monosteel-Stahlkolben von Federal-Mogul erlaubt höchste Kühlungseffizienz bei minimalem Gewicht und höchster Strukturfestigkeit. Die Kolben sind bei Zylinderspitzendrücken von bis zu 300 Bar getestet. Seit ihrer Produkteinführung 2003 hat Federal-Mogul über acht Millionen Monosteel-Kolben gefertigt und optimiert die Technologie stetig weiter.

Die Kolbenbolzenlagerung ist in modernen Nutzfahrzeugmotoren hohen Belastungen ausgesetzt. Deshalb muss die Bolzenbohrung möglichst präzise sein, um ohne Laufbuchsen auskommen zu können. Mit einem speziell von Federal-Mogul entwickelten Prozess, dem sogenannten High Precision Electro-Erosion Machining (HPEEM), lässt sich Material genauestens abtragen. Auf diese Weise wird die Kolbenbolzenbohrung präzise geformt, sodass die Belastung optimal verteilt und eine zuverlässige Langlebigkeit erreicht wird.

Monosteel-Stahlkolben sind ebenfalls mit der reibungsmindernden Eco-Tough Diesel Beschichtung erhältlich. Zusätzlich hat Federal-Mogul eine Schutzbeschichtung für die Mulde entwickelt, die Nanodiamanten in einer Chromschicht enthält. Sie reflektiert die Wärme und reduziert sowohl Ablagerungen sowie Erosionen am Muldenrand.

„Als einer der Technologieführer bei Stahl- und Aluminiumkolben für Nutzfahrzeugdieselmotoren können wir jedem Kunden eine optimale Lösung für seine spezifischen Anforderungen anbieten, ohne Kompromisse eingehen zu müssen“, ergänzt Schneider. (jv)

IAA Nutzfahrzeuge 2014: Halle 13, Stand C28

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