Skip to main content

Over Chromal, Biral, Ferral, Alusil en Nikasil
Hakse Straatsma

Bovenstaande namen zullen velen niet direct bekend in de oren klinken. Het zijn geen alcoholische mixdrankjes, maar het gaat hier over de cilinders van luchtgekoelde Porsche motoren. Het “al” in de benamingen slaat niet op alcohol maar op aluminium. Waar andere autobouwers in die tijd vrijwel alleen gietijzer als cilindermateriaal toepassen (ook in de aluminium motorblokken), past Porsche in de periode van 1948 tot 1980, die wij hier onder de loep nemen, naast gietijzer een groot aantal verschillende soorten aluminium cilinders toe. Bijvoorbeeld bij de 356 Chromal-, Biral- en Ferral cilinders, bij de 912 Biral en bij de 911 Biral, Nikasil en Alusil. Bij welk type Porsche welk cilindermateriaal wordt toegepast, is een vrij gecompliceerde zaak. Zo vinden wij bij de 356’s die tussen 1957 en 1965 gebouwd worden bij de 1600, 1600C en sommige 1600S motoren gietijzer cilinders. In het algemeen bezitten de 1600S motoren aluminiumcilinders met een hard chroom coating (Chromal), de S90 aluminium cilinders met een Ferral coating en de 1600SC de Biral cilinders. Bij elk type cilinder hoort ook een bijpassende zuiger met de bijbehorende speling tussen zuiger en cilinderwand waardoor zuigers en cilinders bij de verschillende motoren niet onderling verwisselbaar zijn!

Cilinders
De cilinders vormen het hart van de motor. De verbranding van het benzine/lucht mengsel vindt hierin plaats en daarbij is de cilinder tevens de (g)lijbaan voor de zuiger. De cilinderwand moet bestand zijn tegen hoge drukken en bovendien moet het grootste deel van de verbrandingswarmte via de cilinderwand worden afgevoerd. Bij watergekoelde motoren wordt de cilindermantel door koelwater omspoeld waarbij de watertemperatuur door een thermostaat wordt geregeld. Er treden, vrijwel onafhankelijk van het gevraagde vermogen en toerental, maar kleine temperatuurverschillen op in de cilinderwand.

Porsche 911 motor

Bij luchtgekoelde motoren met geforceerde koeling door een door de motor aangedreven ventilator, is de cilindertemperatuur alles behalve constant. De cilinder temperatuur stijgt met het toerental en het gevraagde vermogen maar zal doordat de koelwerking toeneemt met de derde macht van het toerental van de koelventilator boven een bepaald toerental weer wat dalen. De stroming van de koellucht rond de cilinder moet bijzonder goed geconstrueerd zijn om een gelijkmatige koeling rond de gehele cilinder te verkrijgen. Maar plaatselijke temperatuursverschillen zijn niet te vermijden waardoor de uitzetting van de cilinder plaatselijk zal verschillen. Bovendien zal bij luchtgekoelde motoren de cilindertemperatuur aan de voet van de cilinder (waar deze verbonden is met het krukashuis) wat lager zijn dan dicht bij de cilinderkop met alle gevolgen voor de cilinderdiameter. Daarbij moet er ook voor gezorgd worden dat de speling tussen de zuiger en cilinder onder alle omstandigheden zo klein mogelijk gehouden wordt. Als deze te groot wordt neemt het olieverbruik toe en zullen verbrandingsgassen langs de zuiger naar het carter ontsnappen en krijgt de zuiger neiging tot kiepen. Wordt de speling te klein dan ligt vastlopen op de loer. Als ook nog het materiaal van de zuiger (aluminiumlegering) en de cilinder verschilt (bijvoorbeeld gietijzer) en dus een verschillende uitzetting hebben, is het technisch lastig onder alle verschillende omstandigheden (bijv. motortemperatuur, -toerental en -vermogen) de speling tussen zuiger en cilinderwand zo constant mogelijk te houden. Een goede warmtegeleiding van de cilinder waardoor warmte snel aan de koellucht kan worden afgegeven waardoor de temperatuur van de cilinder niet te hoog oploopt, is dus van levensbelang voor een luchtgekoelde motor. Aan de cilinders wordt bovendien de eis gesteld dat de cilinderwand een zo laag mogelijke wrijving voor de zuiger veroorzaakt. Daarvoor dient de zuigerwand de motorolie zo goed mogelijke “vast te houden“. Aan de zuigers en zuigerveren worden ook een aantal eisen gesteld; zo moeten deze bestand zijn tegen een hoge belasting bij hoge temperaturen, daarbij een zo laag mogelijk gewicht hebben, een geringe wrijving veroorzaken maar toch zeer slijtvast zijn en temperatuuruitzetting hebben die zo veel mogelijk gelijk is aan die van de cilinder. Zuigers uit een aluminium/silicium legeren kunnen hieraan voldoen, veelal gegoten of voor zwaarbelaste motoren gesmeed. De zuiger worden vaak voorzien van ingegoten stalen delen om de uitzetting te regelen.

In de geschiedenis van de luchtgekoelde Porsche motoren zien wij dat aluminium legeringen worden toegepast als cilindermateriaal om te voorkomen dat bij thermisch hoger belaste motoren de temperatuur van de cilinders te hoog oploopt. Aluminium cilinders hebben een 3 tot 4x betere warmtegeleiding dan gietijzer waardoor bij aluminium cilinders de warmte veel sneller afgevoerd kan worden. Alleen bij de relatief laag belaste motoren kan gietijzer worden toegepast. Het grote probleem met aluminium en aluminiumlegeringen is echter dat het ongeschikt is als cilindermateriaal vanwege de zeer slechte glijeigenschappen en de daarmee gepaard gaande grote slijtage. De zoektocht naar aluminium cilinders die voldoen aan de wens naar steeds hogere motorvermogens met vooral goede glijeigenschappen en geringe slijtage levert in de loop van de tijd de Chromal, Ferral, Biral, Nikasil en Alusil cilinders op.

Gietijzer cilinders
De eerste Porsche 356’s tot 1951 hebben gegoten grijs gietijzer cilinders (gietijzer met ingesloten grafiet) zoals bij deze ook bij VW worden toegepast. Gietijzer is op zich een uitstekend en goedkoop materiaal om cilinders van te maken. Het materiaal is goed te gieten en te bewerken, sterk en stijf, slijtvast met goede glijeigenschappen en bovenal goedkoop. Vanaf 1951 worden de gietijzer exemplaren vervangen door aluminium cilinders. In 1957 worden de minst krachtige 1600 cc motoren weer van de goedkopere gietijzer cilinders voorzien evenals de Super B van 1962. Ook de 6 cilinder motor van de 911T van 1968 tot 1973 bezit gietijzer cilinders. Maar door de thermische beperkingen past Porsche bij de 911 deze cilinders toe tot een maximaal vermogen van 22 pk per cilinder.

Chromal
Met de komst van de 1.300 cc uitvoering van de Porsche 356 in 1951 worden voor het eerst aluminium cilinders gemonteerd met een hard verchroomde binnenzijde, gefabriceerd door de firma Mahle uit Bad Canstatt bij Stuttgart. Mahle noemt deze de Chromal cilinders. Doordat deze cilinders en zuigers vrijwel de zelfde temperatuuruitzetting hebben, kan de speling tussen zuiger en cilinder gehalveerd worden. Een bijkomend voordeel is dat het gewicht van de aluminium cilinder een stuk lager is dan van een gietijzer exemplaar. Een nadeel is de ca. drie maal hogere prijs.

Bij hard verchromen wordt galvanisch een veel dikkere chroomlaag (0,05 tot 0,08mm dikte) aangebracht dan bij een decoratieve chroomlaag. Bij de Chromal cilinders wordt eerst gebruik gemaakt van een poreuze chroomlaag die de olie goed vasthoudt. Later wordt de chroomlaag voorzien van ingeperste putjes om het vasthouden van de olie nog te verbeteren. Tegenwoordig wordt de chroomlaag meestal met diamant gehoond en daarna nageslepen. Een hardchroom laag heeft t.o.v. gietijzer een veel lagere wrijving, is veel harder, wordt minder snel chemisch aangetast en slijt minder snel. Een nadeel is dat de brosse chroomlaag soms afbrokkelt.

Hard verchroomde cilinders worden al geruime tijd toegepast in verbrandingsmotoren. Het eerste patent (USA 1936) staat op naam van de Nederlander Hendrik van der Horst die in de jaren 30 van de vorige eeuw een ingenieursbureau en verchroombedrijf “Lemet-Chronium” in Hilversum heeft en later in de USA een bloeiend bedrijf start waar onder meer cilinders voor schepen en treinen van een poreuze en slijtvaste hardchroom laag worden voorzien. Mahle begint al in 1923 met proeven met aluminium cilinders maar het lukt dan nog niet slijtvast cilinders te maken. In samenwerking met het FKFS (Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren) in Stuttgart ontwikkelt Mahle een methode om aluminium cilinders te voorzien van een hard chroom laag (toegepast in de BMW 801 vliegtuigmotor). Porsche past de aluminium cilinders met een poreuze chroomlaag veelvuldig toe bij viercilinders o.a. bij de 356A, 1600 Super, de eerste Super B, de Spyders en bij vele racemotoren. Ook bij de raceversie van de 6-cilinder 911 motor voor de Porsche 911R, de 906 en de eerste versie van de 12-cilinder motor voor de Porsche 917 worden Chromal cilinders toegepast. De twee liter 906 motoren zijn nog thermisch gezond met een vermogen van 38 pk per cilinder.

Chromal cilinders voor de Porsche 1600S, 906 en 908/917 (vlnr)

Ferral
In 1960 past Porsche voor het eerst de aluminium Ferral cilinder van Mahle toe bij de Super 90. Deze aluminium cilinders zijn aan de binnenzijde voorzien van een opgespoten molybdeen laag (dikte 0,02-0,03mm) met daar overheen een ijzerlaag met een dikte van 0,05 tot 0,09mm. Porsche heeft dit type cilinder maar korte tijd toegepast daar deze cilinders wat minder slijtvast blijken dan de Chromal uitvoering, Daarnaast treden er soms corrosieproblemen op of laat de coating los. Met modeljaar 1964 gaat Porsche over op de Biral cilinder.

Biral
Vanaf modeljaar 1964 past Porsche de Biral cilinder toe. Eerst bij de 356SC en daarna bij de eerste 911 en 912. Bij de ontwikkeling van de 911 motor heeft men ook motoren met gietijzer- en Ferral cilinders getest, maar voor de serieproductie heeft men voor de Biral cilinders gekozen. Bij de Biral cilinder tracht men de goede warmte geleiding van aluminium te combineren met de goede eigenschappen van gietijzer door rond een dunwandige gietijzerbus een aluminium cilinder met de koelribben te gieten. De warmte afvoer is wel wat slechter dan bij de Chromal cilinder waardoor Porsche het maximale vermogen per cilinder tot ca. 32 pk beperkt. De gietijzer voering van de 2.0 liter motor is dik genoeg om de boring nog te kunnen vergroten van 80 naar 84 mm waardoor het slagvolume van de motor tot 2,2 liter kan worden vergroot. Door het toepassen van een krukas met een grotere slag kan met dezelfde cilinder de cilinderinhoud tot 2,4 liter worden vergroot. De Biral cilinder wordt tot en met de 2,4 liter motor toegepast, in de E en S motoren.

Voor het vergroten van de cilinderinhoud tot 2,7 liter heeft de Biral cilinder niet voldoende wanddikte. Een oplossing zou zijn om over te gaan op aluminium Chromal cilinders, maar intussen is er een cilinder met een geheel nieuwe coating ontwikkeld; de Nikasil cilinder.

Nikasil
Met de komst van de 911 2,7 Carrera RS in 1973 introduceert Porsche een nieuwe cilinder variant die door Mahle ontwikkeld is. De cilinderboring van de uit een aluminium legering gegoten cilinder wordt voorzien van een galvanisch aangebrachte laag die uit een dunne laag nikkel bestaat met daarin zeer harde, kleine (<  2,5 µm) silicium-carbide deeltjes (bekend van ons schuurpapier). Na het honen met diamant ontstaat een (relatief) glad loopvlak met een dikte van ca 0,05mm die olie goed vasthoudt. De cilinders hebben geringe wrijvingsverliezen, geven een laag olie verbruik en zijn de meest slijtvaste Porsche cilinders. Mahle heeft de Nikasil methode in 1967 ontwikkeld voor wankelmotoren zoals toegepast in de NSU Ro80. De Nikasil cilinders zijn in 1970 voor het eerst toegepast in de 12 cilindermotoren voor de Porsche 917.
  
Bij de Nikasil cilinder kan met een dunnere cilinderwanddikte worden volstaan dan bij de Biral cilinders, waardoor de cilinderboring van de 911 motor kan worden vergroot zonder de cilinderafstand te vergroten. Daarbij kan dus het cilinderbout patroon gehandhaafd worden. In 1974 wordt de Nikasil cilinder weer vervangen door de goedkoper te vervaardigen Alusil cilinders, met uitzondering voor de 911 Carrera, Turbo, RS modellen die de Nikasil cilinders behouden. Ook de bijv. de latere GT2 en GT3 modellen hebben nog motoren met Nikasil coating.

Ook bijv. Audi, BMW, Jaguar en Ferrari passen in de jaren 90 Nikasil cilindercoating toe. Dan blijkt ook dat deze coating minder goed tegen benzine met een hoog zwavelgehalte kan waardoor o.a. Jaguar en BMW in de USA te maken krijgt met motorproblemen. Nikasil cilinders worden nog steeds voor luchtgekoelde twee- en viertaktmotoren toegepast evenals bijvoorbeeld bij watergekoelde racemotoren. Aftermarked leveranciers leveren voor vrijwel alle luchtgekoelde Porsche motoren cilinders met een Nikasil of vergelijkbare coating.

Alusil
In 1974 introduceert Porsche een goedkoper alternatief voor de Nikasil: de Alusil cilinder gemaakt bij de firma Kolbenschmidt (KS). In 1971 krijgt KS de licentie voor het vervaardigen van de Alusil cilinders De Alusil cilinder is gegoten uit een aluminiumlegering met een hoog silicium gehalte (zg hyper-eutectisch; meer dan 16% siliciumgehalte). Bij het stollen van de vloeibare aluminium legering ontstaan ontelbaar zeer kleine siliciumkristallen. Door het etsen van de cilinderboring wordt een gedeelte van het aluminium opgelost en worden de silicium kristallen blootgelegd; de kristallen steken dan 0,7 tot 1,5 µm boven het aluminium uit. Na het honen van de boring met diamant ontstaat een zeer hard loopvlak van silicium waarbij de “dalen” de olie goed vasthouden. Om te voorkomen dat de zuigers te snel slijten worden deze met ijzer gecoat (Ferrocoat). Op zich is de toepassing van dit soort aluminium legering met een hoog silicium gehalte voor KS niet nieuw.
  
Al in 1929 maakt KS reclame voor Alusil zuigers. Het materiaal is oorspronkelijk ontwikkeld in 1927 door de firma Schweizer & Fehrenbach uit Baden-Baden. Maar de toepassing van dit type legering waarbij de zuiger direct in een aluminium cilinder loopt die niet gecoat is of voorzien van een gietijzervoering is nieuw. GM is de eerste die in samenwerking met de firma Reynolds in de USA voor de Vega een aluminium motorblok ontwikkelt waarbij deze techniek wordt toegepast. De Vega krijgt in de USA om verschillende reden niet zo’n goede naam; een van de problemen is dat door het relatief hoge kopergehalte van de toegepaste Reynolds legering (390) er corrosie aan de cilinders ontstaat bij langere stilstand.

Porsche past deze Alusil cilinders toe bij de 2,7 en 3.0 liter motoren. Alusil motorblokken worden door Porsche toegepast bij de 928, 944 en 968 modellen. Ook andere merken als Audi, BMW en Mercedes passen dit type motorblok toe.

Een nadeel van motorblokken geheel uit Alusil is dat de bewerking hiervan door de harde silicium deeltjes moeilijk is. Een oplossing is het toepassen van ingegoten Alusil cilinderbussen in een aluminium motorblok uit een gemakkelijker te bewerken aluminiumlegering. Daarnaast is door KS een type cilinderbus ontwikkeld uit een poreus materiaal met een hoog siliciumgehalte (ca 25%) die in het motorblok wordt ingegoten. KS noemt de Lokasil uitvoering. Deze oplossing is gekozen voor de motorblokken van de watergekoelde Porsche Boxter en 911 motoren.

Porsche heeft het principe van de luchtkoeling volgehouden tot en met de 993. De vermogens van de motoren wordt steeds groter waardoor het benodigde ventilator vermogen nog verder moet toenemen met de bijbehorende geluidproductie en het extra benzineverbruik. Daarbij komt nog dat de nieuwe eisen voor uitlaatgasemissie met de luchtgekoelde motoren moeilijk zijn te realiseren zodat Porsche genoodzaakt is om over te gaan op waterkoeling. Waarbij jammer genoeg ook het echte 911 geluid verdwijnt.

Hakse Straatsma

Geraadpleegde literatuur:
- ATZ/MTZ Fachbuch,Zylinderkomponeten,Springer
- Mahle, Kleine Kolbenkunde,1964
- Porsche 911 engines 1965-1989, Wayne R.Dempsey, Motorbooks
- Porsche 911, Der Luftgekühlte Boxermotor, Tobias Aichele,Motorbuch Verlag
- Porsche 911, Tobias Aichel, Motorbuch Verlag