Leichte SpracheHoLeKo: Wärmeübergang an Hochleistungs-Diesel-Kolben
links: Zeitlicher und lokaler Verlauf der Temperaturen von Aluminium- (FM-S2N) und Stahlkolben (SAE38MnSiVS5) (Quelle: Federal Mogul Nürnberg GmbH) rechts: FIB-Schnitt im Randbereich des Auftreffwinkels eines Pkw-Kolbens durch die sogenannte „Elefantenhaut“ (Quelle FAU Lehrstuhl Allgemeine Werkstoffeigenschaften)
Ziel war die Analyse der relevanten Schädigungsmechanismen, eine quantitative Beschreibung des Wandwärmeübergangs (lokal, zeitlich aufgelöst) zum Kolben, dessen Auswirkung im Kolbenmaterial sowie Rückwirkung der heißen Kolbenoberfläche auf die Gemischbildung, Zündung und wandnahe Verbrennung.
Das Projekt untersuchte die werkstoffwissenschaftlichen und motorischen Wirkzusammenhänge. Anhand der Materialuntersuchungen am AlSi-Kolbenwerkstoff konnte der dominierende Schädigungsmechanismus am Muldenrand identifiziert werden. Darauf aufbauend wurden weitere Materialsysteme untersucht. Belastungstests wurden sowohl im Labor wie am Vollmotor durchgeführt, auch Kolben aus Feldversuchen wurden herangezogen. Auf motorischer Seite wurden in Zusammenarbeit mit experimentellen Untersuchungen Verbrennungs- und FEM-Rechnungen durchgeführt, um die Wärmeübergänge am Kolben zeitlich und örtlich hochaufgelöst zu erfassen. Die thermisch geschädigte Schicht konnte als degradierte Cu-Al Mikrostruktur identifiziert werden, welche erosiv angegriffen war. Die ermittelte Einsatzgrenztemperatur von 440 °C stellt für Al-Legierungen ein oberes Limit dar. Für höchstbelastete Kolbenwerkstoffe zeigten Stähle mit hoher Zunderbeständigkeit die größten Potenziale. Schichtsysteme auf Al-Kolben sind zwar geeignet, deren Einsatzgrenzen zu erhöhen, thermodynamisch und kostentechnisch aber den Stahlkolben unterlegen.
Die Ergebnisse dienen als Grundlage für eine Modellierung der thermomechanischen Ermüdung unter Berücksichtigung der transienten Oberflächentemperaturen.
