Wenn du deine Hand erst senkrecht und dann waagrecht unter einen Wasserstrahl hältst, verstehst du, was Aerodynamik ist. Das Wasser fließt um deine Hand jedes Mal auf eine andere Art und Weise. Und jetzt stell dir vor, das Wasser wäre Luft. Das „Umfließen“ deiner Hand wird als Aerodynamik bezeichnet. In der Aerodynamik geht es nämlich hauptsächlich um das Umströmen von Körpern durch Luft. Je nachdem, wie groß der Körper ist, welche Form er hat oder wie die Oberfläche beschaffen ist, kann die Aerodynamik anders sein. Das zu untersuchen, kann hilfreich sein, wenn es um Schnelligkeit bei der Fortbewegung eines Körpers geht.

Aerodynamik ist spritsparend

Um spritsparende Autos zu bauen, ist die Aerodynamik für Automobilhersteller sehr wichtig. Im besten Fall haben Fahrzeuge eine liegende Regentropfenform. Kannst du dir das vorstellen? So könnten die Autos nämlich am effizientesten genutzt werden und würden am wenigsten CO2 ausstoßen. Dass so ein Auto nicht gerade praktisch wäre, kannst du dir vielleicht denken. Der Kofferraum wäre nämlich ganz spitz.

Die Aufgabe der Konstrukteure bei Daimler ist es, einen Kompromiss zwischen der Effektivität, dem Design und der Nutzbarkeit der Autos zu finden. Dafür ist eine Menge Forschung notwendig.

Hier geht’s stürmisch zu

Daimler testet die Aerodynamik seiner Autos in sogenannten Windkanälen. Dort kann der Luftwiderstand und der Strömungsverlauf optimal dargestellt werden. Zwischen einer leichten Brise und einem richtigen Orkan liegen im Daimler Windkanal nur wenige Augenblicke und Knopfdrücke. Cool, oder?

Das hat seine Vorteile: Ingenieure können neue Fahrzeuge mithilfe des Windkanals bereits in der Entwicklungsphase testen und optimieren. Hier wird schon früh geprüft, welche Kräfte auf den umströmten Körper wirken. Außerdem wird getestet, wie man die Kräfte durch kleine Änderungen an der Oberfläche der Autos optimieren kann.

Klassiker auf dem Prüfstand

Daimler testet in seinem Windkanal vor allem Autos, die noch entwickelt werden. Das macht auch Sinn, denn so kann auf die Entwicklung noch Einfluss genommen werden.

Messung im Windkanal.
Windkanalmessungen von Mercedes-Benz Klassikern

Historische Automobile sind eher seltene Gäste in Daimlers Klima-Windkanal, denn ihre Entwicklung ist schon lange abgeschlossen. Daimler hat interessehalber dennoch zwei alte Modelle im werkseigenen Kanal in Stuttgart Untertürkheim testen lassen. Die Aerodynamik von zwei Sportwagen aus dem Jahr 1952 und 1954 wurde verglichen mit der des sportlich-luxuriösen Reisewagen 300 S aus dem Jahr 1951. Die Testergebnisse zeigen, dass sich Ingenieure bereits vor über 70 Jahren Gedanken um Aerodynamik gemacht haben. Schon damals bemühten sie sich die sportlichen Autos möglichst windschnittig zu konstruieren.

Windschnittig ist cool

Viele Ingenieure haben sich in den vergangenen Jahren den Kopf darüber zerbrochen, wie Autos möglichst spritsparend gebaut werden können. Dabei gilt es stets drei wesentliche Punkte zu optimieren: Das Gewicht – denn je leichter das Fahrzeug, desto energiesparender und emissionsfreier fährt es. Der Rollwiderstand. Und der Luftwiderstand. Nachdem sich die Autobauer vor allem auf die ersten beiden Aspekte konzentriert haben, rückt nun die Aerodynamik wieder mehr in den Vordergrund.

Der Mercedes-Benz C250 AMG.
Ein besonders windschnittiges Auto von Daimler: Der C250 AMG

Gut für die Umwelt

Dass man sich überhaupt immer wieder bemüht den Luftwiderstand am Fahrzeug zu verringern, hat seine Gründe: Je windschnittiger das Auto, desto weniger Kraft muss der Motor zum Fahren aufbringen und desto geringer ist der Verbrauch und die CO2-Emission des Autos. Die Umwelt bedankt sich!

Bilder: Daimler AG

Den ersten Schritt machte Mercedes-Benz 1936 mit der Entwicklung eines Autos, das mit Diesel angetrieben wird. Die Vorteile von Diesel gegenüber Benzin sind ein geringerer Kraftstoff-Verbrauch und ein niedrigerer Preis. Der Motor eines dieselbetriebenen Autos funktioniert auch ein wenig anders als der eines mit Benzin betriebenen Autos. Bei beiden Motoren ist jedoch der Kolben ein entscheidender Bestandteil.

Aber was ist ein Kolben eigentlich? Und wo sitzt er im Auto?

Der Kolben ist ein bewegliches Teil, das in ein festes Gehäuse, den sogenannten Zylinder, eingelassen ist. Diese beiden Teile, der Zylinder und der Kolben, arbeiten eng zusammen. Durch die Bewegung des Kolbens im Zylinder verändert sich der Hohlraum zwischen Zylinder und Kolben. Wenn also beim Dieselmotor über die entsprechenden Ventile Luft in den Zylinder eingespritzt wird, wird diese zunächst angesaugt und dann durch eine Bewegung des Kolbens nach oben zusammengepresst. Der Hohlraum zwischen Zylinder und Kolben wird dadurch so klein, dass die Luft kaum noch Platz hat. Dabei erhitzt sich die Luft sehr stark, sie wird über 700 °C heiß! Das ist ungefähr so heiß wie das Feuer direkt am Docht einer Kerze.

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Die Prozesse im Dieselmotor: 1. Ansaugen der Luft 2. Zusammenpressen durch die Bewegung des Kolbens 3. Einspritzen des Diesels und Entzündung des Diesel-Luft-Gemischs 4. Ausstoß der Abgase

Wenn nun der Diesel in diese heiße Luft eingespritzt wird, dann entzündet er sich explosionsartig und drückt den Kolben nach unten. Die Energie von dieser Explosion wird also über den Kolben ans Getriebe und damit an den Motor weitergegeben. Meistens werden beim Dieselmotor vier solche Zylinder mit Kolben verwendet und in eine Reihe geschaltet. Man spricht dann von einem Vierzylinder-Dieselmotor. Der Prozess des Ansaugens, Verdichtens, Arbeitens und Ausstoßens läuft in diesem Motor zeitversetzt und regelmäßig in jedem der Zylinder ab. So erhält der Automotor die notwendige Energie, um zu fahren.

Stahl statt Aluminium für die Kolben

Bisher waren die Kolben wie der Zylinder aus Aluminium, denn Aluminium ist ein besonders leichtes Baumaterial und reduziert so das Gewicht des Autos. Somit braucht das Auto weniger Kraftstoff und ist umweltfreundlicher. Auch beim Fahrrad werden die beiden Werkstoffe Aluminium und Stahl eingesetzt. Du kannst mal überprüfen, ob die Felgen deines Fahrrads aus Stahl oder Aluminium sind.

Beim Auto werden die neuen Kolben nun auch aus hochmodernem Stahl gefertigt, denn Stahl ist zwar schwerer als Aluminium, hat aber einen entscheidenden Vorteil: es dehnt sich bei Hitze weniger aus. Die Vorteile der beiden Materialien Aluminium und Stahl nutzen Autohersteller, indem sie Stahlkolben mit Aluminiumzylindern kombinieren. Dabei sitzt der Stahlkolben eng in seinem Aluminiumgehäuse, denn Stahl dehnt sich bei Hitze weniger aus und braucht somit auch weniger Platz für die Ausdehnung.
Wenn der Kolben zu arbeiten beginnt und sie immer wieder dreht, wird er heiß. Der Aluminiumzylinder dehnt sich dann stark aus, der Stahlkolben dagegen nur ein wenig. Dadurch wird der Zwischenraum zwischen Stahlkolben und Aluminiumgehäuse größer und es entsteht weniger Reibung. Und weniger Reibung bedeutet, dass der Kolben besser arbeitet, denn durch die geringere Reibung geht viel weniger Energie verloren. Die verringerte Reibung soll zwei bis drei Prozent Kraftstoff einsparen.

Wie man auf dem Bild sieht, ist der Stahlkolben (rechts) auch deutlich kleiner als der Aluminiumkolben.

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Die Kolben im Vergleich: links der Aluminiumkolben, rechts der Stahlkolben

Trotzdem kann er aufgrund seiner Festigkeit größere mechanische Belastungen aushalten und auch mit höheren Temperaturen im Dieselmotor arbeiten. Das muss er auch, denn durch die geringere Wärmeleitfähigkeit von Stahl entstehen im Brennraum erhöhte Temperaturen. So kann sich der Diesel besser entzünden und muss nur kurz brennen. Das Ergebnis ist ein geringerer Verbrauch und außerdem ein geringerer Schadstoffausstoß.

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So sieht ein Dieselmotor aus – stolz präsentieren Andreas Jörg (Leiter Remanufacturing, rechts im Bild) mit seiner Mannschaft den sogenannten „Jubiläumsmotor“.

Autos mit Stahlkolben – Technologie der Zukunft?

Die neuen Stahlkolben sollen schon bald in den Vierzylinder-Dieselmotoren von Mercedes-Benz eingesetzt werden. Dafür soll Hightech-Stahl, also ein besonders hochwertiger und fester Stahl, verwendet werden. Die Technologie der Zukunft ist aber auch anspruchsvoller in der Fertigung. Erste Erfahrungswerte hat Daimler durch den Einsatz von Stahlkolben in der E-Klasse. Hier sank der Kohlenstoffdioxid-Ausstoß durch die neue Technologie erheblich.

Dennoch gibt es auch einige Herausforderungen, die der Hightech-Stahlkolben mit sich bringt.

Ein Problem ist beispielsweise die größere Geräuschbelastung, die durch das Einsetzen des Stahlkolbens in den Aluminiumzylinder entsteht. Die höheren Temperaturen, die durch das feste Material Stahl ermöglicht werden, fordern außerdem ein besserer Kühlsystem für die Kolben. Hierfür sind bereits verschiedene Lösungsansätze in Arbeit. Joachim Schommers, Leiter der Mercedes-Benz Grundmotorenentwicklung, ist optimistisch: „Wir gehen davon aus, dass sich Kolben aus Stahl in Zukunft auch in Pkw-Dieselmotoren durchsetzen werden.“