Innovative Kolbentechnologie für Pkw und Nkw von KS Kolbenschmidt

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1 Innovative Kolbentechnologie für Pkw und Nkw von KS Kolbenschmidt Systemkompetenz rund um den Kolben

2 Einleitung Die Megatrends fortschrittlicher Verbrennungsmotoren wie Downsizing, Aufladung und Direkteinspritzung zur Einhaltung der geforderten Abgasgrenzwerte sowie zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO 2 -Emissionen stellen nach wie vor die Innovationstreiber für neue Kolbentechnologien dar. Für neuartige Kolbensysteme bedeutet dies gleichzeitig die Forderung nach reduzierter Reibung, geringem Gewicht und erhöhter Lebensdauer bei höchster Beanspruchung. Neue, nanoverstärkte Diesellegierung verbessert Pkw-Kolben Bereits im Jahr 2012 stellte die KS Kolbenschmidt GmbH eine Legierung für Dieselkolben in schwer belasteten Nutzfahrzeugmotoren vor. Sie wurde mit nanophasigen, intermetallischen Ausscheidungen verbessert und überzeugte durch die Ausbildung eines besonders feinen Gefüges und dadurch deutlich gesteigerten Festigkeiten. Zwischenzeitlich konnten die Erfahrungen mit dem neuen Werkstoff auf die Entwicklung einer Dieselkolbenlegierung für Pkw übertragen werden. Mit ihr setzt das Unternehmen seine Entwicklung von warmfesten Aluminiumwerkstoffen im Dieselkolbenbereich erfolgreich fort. Erste Serienentwicklungsprojekte sind bereits gestartet. Wesentliche Ziele bei der Entwicklung der an die spezifischen Randbedingungen von dieselmotorischen Anwendungen angepassten neuen Legierung waren eine Erhöhung der Thermoschockbeständigkeit (ThF = Thermal Fatigue) sowie der Dauerschwingfestigkeit (HCF = High Cycle Fatigue). Hierfür wurden nicht nur die Legierungszusammensetzung sondern auch das Werkzeugkonzept und die Prozessführung optimiert. Durch die Zugabe von speziellen Legierungselementen mit geringerer Löslichkeit in der Aluminiummatrix ist die Remelted cast KS 309 NDA 100 µm KS 309 NDA 400 nm HCF@T = 300 C [MPa] KS 1295 Material Composition (Micro elements) +28% HCF Grain Refinement due to HSDC +35% ThF ThF Cycles@T max = 350 C Abb. 1: Muldenrandumgeschmolzener Pkw Dieselkolben aus der neuen Hochleistungslegierung KS309 NDA Abb. 2: Dauerschwingfestigkeit als Funktion der Thermoschockbeständigkeit für die Standardlegierung KS 1295 und die neue Diesellegierung 2

3 Mikrostruktur der neuen Legierung (Abb. 1) im Vergleich zur bisherigen Standardlegierung KS 1295 durch eine höhere Anzahl an intermetallischen Nano-Phasen gekennzeichnet Abb. 2 zeigt für die neue Legierung und KS 1295 die Dauerschwingfestigkeit (HCF@ T = 300 C) als Funktion der Thermoschockbeständigkeit (ThF@T max = 350 C). Die Kombination aus Legierungsmodifikation, verbessertem Werkzeugkonzept und optimierter Prozessführung führt gleichzeitig zu einer signifikanten Verbesserung der ThF- (+35 %) und HCF-Werte (+28 %) im Vergleich zur Standardlegierung KS Die Ergebnisse der außermotorischen Prüfung haben sich bei der motorischen Erprobung bestätigt. Die Kolben aus der neuen Legierung erreichten eine um 50 Prozent höhere Laufzeit im Vergleich zu Kolben aus der Standardlegierung KS Prozent [%] Mittelwert 90 % 9000 Number of Cycle StdAbw N AD p Cast Remelted ,2 10 0,253 0,654 Lokales Muldenrandumschmelzen als maßgeschneiderte Lösung Neben dem Einsatz der neuen Pkw-Dieselkolbenlegierung überträgt KS Kolbenschmidt aktuell eine weitere Technologie, das Muldenrandumschmelzen, aus dem Nkw- in den Pkw-Bereich. Das Muldenrandumschmelzen ist für Nutzfahrzeug-Kolben bereits in Serie. Der Rissentstehungsmechanismus am Muldenrand ist im Wesentlichen auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der verschiedenen Gefügebestandteile einer Aluminiumgusslegierung zurückzuführen. Daher ist die erreichbare Gefügefeinheit von hoher Bedeutung. Das Gussgefüge ergibt sich aus den beim Gießen erreichbaren Erstarrungsgeschwindigkeiten. Trotz einer ständigen Weiterentwicklung der Werkstoff- und Gießtechnologie gibt es bei einer Gusslegierung dafür nur schwer unterschreitbare Grenzen ,395 0,282 Abb. 3: Steigerung der Thermoshock Festigkeit durch Muldenrandumschmelzung (T max = 350 C / T min = 175 C) Zur Lösung dieses Problems hat KS Kolbenschmidt ein auf den gegossenen Rohling anwendbares Umschmelzverfahren entwickelt. Dabei wird der hoch belastete Bereich am Kolbenboden kontrolliert umgeschmolzen und anschließend die Muldenkontur sowie Kompressionsfläche fertigbearbeitet. Die so entstandene feine, im Umschmelzbereich homogene Gefügestruktur verbessert die thermischen Ermüdungseigenschaften des kritischen Bereichs um bis zu 90 % (s. Abb. 3). Ein weiterer Vorteil ist die im Vergleich zum Gießen höhere Prozessstabilität. Das Umschmelzverfahren ist eine maßgeschneiderte Lösung, mit der sich Zuverlässigkeit und Qualität des Dieselkolbens deutlich erhöhen lassen. Ergebnisse aus Motorversuchen bei KS Kolbenschmidt und bei Kunden haben das Potenzial der Technologie bestätigt. 3

4 Top-Leistung und Verbrauchsreduzierung mit Pkw- Stahlkolben Für zukünftige, hoch aufgeladene Dieselmotoren mit spezifischen Motorleistungen über 100 Kilowatt pro Liter und Zünddrücken jenseits der 200 bar bieten moderne Stahlkolben eine robuste Lösung gegenüber Aluminiumkolben. Im Vordergrund für den Umstieg auf Stahl als Kolbenmaterial steht dabei nicht nur die Realisierung von Leistungssteigerungen, sondern insbesondere auch der verbesserte thermodynamische Wirkungsgrad durch den Stahlkolben sowie die reibungsreduzierenden Potenziale durch ein auf den Werkstoff Stahl angepasstes Kolbendesign. Kraftstoffverbrauchs- bzw. Emissionsvorteile summieren sich so je nach Applikation auf bis zu 5 %. Momentan erproben nahezu alle internationalen Automobilhersteller den Pkw-Stahlkolben in Dauerlauftests. KS Kolbenschmidt wurde kürzlich für die Serienentwicklung nominiert, deren Produktionsstart für 2014 geplant ist. Abb. 4: KS patentierter Pkw Stahlkolben für reduzierten Kraftstoffverbrauch und erhöhte Zuverlässigkeit Die von KS Kolbenschmidt patentierte Stahlkolbenkonstruktion besteht aus einem einteiligen Schmiedekolben mit abgestütztem Ringfeld, welches sich durch sehr geringe Nutverformungen auszeichnet (Abb. 4). Mit diesem Konzept können künftige, erhöhte Anforderungen an Gasdurchlassmenge sowie den Ölverbrauch sicher abgebildet werden. LITEKS -3 Leichtbau und Reibungsreduktion für Ottokolben Aus den Entwicklungsschwerpunkten moderner Ottomotoren leiten sich neben den bekannten kolbenspezifischen Grundanforderungen Entwicklungsthemen wie geringe Reibung, erhöhte mechanische und thermische Belastbarkeit bei reduziertem Kolbengewicht, optimierte Kolbensekundärbewegung sowie optimierte Gas- und Öldichtfunktionen ab. Durch konsequente Weiterentwicklung der LITEKS -Kolbenbauform in seiner nun dritten Generation ist es gelungen, Abb. 5: Neue Generation LiteKS Leichtbaukolben für Ottomotoren aus der Hochleistunglegierung KS309 4

5 den Gewichtsvorteil auf 28 % gegenüber dem herkömmlichen Kolbendesign auszubauen. Ermöglicht wurde dies durch den Einsatz der neuen Hochleistungslegierung KS 309 TM in Verbindung mit einer weiter optimierten Gießtechnologie und die konsequenten Adaption des Designs auf die daraus resultierenden materialspezifischen Vorteile. TS ATS TS ATS Zur Gewichtsreduzierung wurde eine Gießwerkzeugtechnologie zur Serienreife entwickelt, mit der erstmals Hinterschnitte in den Gewichtstaschen des Ringfeldes dargestellt werden können. Aufgesetzt auf dem aktuellen LITEKS - Design wurde diese Technologie erfolgreich in die Serienproduktion überführt (Abb. 5). Mittels der bei KS verfügbaren Floating-Liner-Messtechnik, wurde der Reibleistungsvorteil am Schaft am befeuerten Motor für dieses Kolbenkonzept verifiziert. Er beträgt bis zu 46 %! Ermöglicht wird dieses Potenzial durch ein gesamtheitliches Paket an reibungsreduzierenden Maßnahmen wie: belastungsgerechte, asymmetrische Definition der Kolbenschaftbreiten, reduzierte Bolzendesachsierung, vergrößertes Einbauspiel und funktionsgerechte, asymmetrische ballige Schaftfeingeometrien (Abb. 6) und der Einsatz der neuen NANOFRIKS Kolbenschaftbeschichtung. Auch das Kolbengeräuschverhalten wurde verifiziert und zeigte keine Nachteile im Vergleich zu den Vorgängerdesigns. NANOFRIKS Reduktion von Reibung und Verschleiß Moderne Motoren und aktuelle Kolbenkonstruktionen stellen eine Herausforderung an die tribologische Belastbarkeit des Kolbenschaftes dar. Die von KS Kolbenschmidt bezüglich Reibungs- und Verschleißminimierung entwickelte Schaftbeschichtung NANOFRIKS wird diesen Anforderungen in vollem Umfang gerecht. Erstmals wurden bei dieser Schaftbeschichtung die neuesten Erkenntnisse der Nanotechnologie angewandt. Abb. 6: LiteKS Konzept mit asym. balliger Schaftkontur auf Druck- und Gegendruckseite zur Reibungsreduzierung Friction Force Friction reduction NanofriKS vs. LofriKS Coating (Fired Engine) % -4 % -4 % -7 % -9 % Load low high rpm Load low high rpm Abb. 7: Floating Liner Messergebnisse der Schaftreibung von NanofriKS im Vergleich zu LofriKS 5

6 Tribometer-Untersuchungen belegen, dass die NANOFRIKS Beschichtung im Vergleich zu herkömmlichen Serienbeschichtungen sowohl den Trockenreibkoeffizienten als auch den Verschleiß um mehr als 50 % reduziert. Durch eine aufeinander abgestimmte Kombination von Nanopartikeln, Bindemittel, Festschmierstoff und Additiven setzt NANOFRIKS hierbei neue Maßstäbe. NANOFRIKS erfüllt somit nachhaltig das aktuelle Kundenanforderungsprofil in Hinblick auf Verbrauchsreduktion und hohe Zuverlässigkeit im motorischen Einsatz (Abb. 7). Die gelungene weltweite Serieneinführung von NANOFRIKS bei den führenden Automobilherstellern beweist die führende Rolle von KS Kolbenschmidt im Bereich der Kolbenbeschichtungstechnologien. STEELTEKS Nkw-Stahlkolben der zweiten Generation für geringste Kompressionshöhen Nirgendwo sind die Laufzeiten höher als im Truck- und Transportbereich. Neben der für diese Anforderung nötigen Zuverlässigkeit werden geringe Emissionen, hohe Wirtschaftlichkeit und damit niedriger Kraftstoffverbrauch angestrebt. Im Gegensatz zu reibgeschweißten Stahlkolben wird der von Kolbenschmidt patentierte STEELTEKS -Kolben aus nur einem einzigen Schmiedeteil gefertigt. Mit der Entwicklung dieses speziellen Designs hat Kolbenschmidt eine gänzlich neue Herstellungsweise von Monoblock-Stahlkolben verwirklichen können. Aktuell wird der STEELTEKS -Kolben zu einer zweiten, verbesserten Monoblock-Stahlkolbengeneration weiterentwickelt und momentan ausführlich getestet. Kontaktdruck und Verformung des Kolbenbolzens bei 370 Grad KW (max. Gaskraft) Oberseite in der Kolbennabe Unterseite im Pleuelauge Abb. 8: Kontaktdruckverteilung am Bolzen, Rotationsgeschwindigkeiten und Reibleistungsverlust in der Bolzenlagerung am Nkw-Stahlkolbenmodul bei /min, Volllast 6

7 Die in diesem Kolbendesign darstellbaren extrem niedrigen Kompressionshöhen betragen weniger als 50 % des Zylinderdurchmessers (Abb. 9). Analog zu den doppelt reibgeschweißten Kolben konnten auch in diesem Fall die Vorteile bezüglich Reibung, Gewicht, Verschleiß und Kavitation übertragen werden. KS Systemkompetenz reduziert Emissionen und Verbrauch In den vergangenen Jahren hat KS Kolbenschmidt konsequent die Kompetenz aufgebaut, systematisch optimierte Kolbensysteme auszulegen, zu entwickeln und zu produzieren. Für Pkw-Anwendungen wurde ein speziell dafür entwickelten Reibleistungsprüfstand, der nach dem Floating Liner Prinzip funktioniert, erfolgreich betrieben und die Ergebnisse u.a. in die Reibungssimulationen integriert. Im Nutzfahrzeugbereich entwickelt KS komplette Kolbensysteme bestehend aus Kolben, Kolbenringen, Zylindern, Bolzen und Pleueln, die reibungs- und damit verbrauchsoptimiert sind. Insgesamt zeichnet sich das von KS Kolbenschmidt optimierte Kolbensystem durch eine um bis zu 18 % reduzierte Reibung bei gleich bleibend niedrigem Ölverbrauch aus. Eine weitere Reibungskomponente im Kolbensystem stellt die Reibung am Kolbenbolzen dar. Daher hat KS Kolbenschmidt die Reibkoeffizienten zwischen Bolzen, Kolben und Pleuel für verschiedene leistungsfähige Werkstoffpaarungen ermittelt und in die Kolbendynamiksimulation integriert (Abb. 8). U.a. wurden Kolbenbolzen mit Diamond Like Carbon (DLC) beschichtet und untersucht. Abb. 10 zeigt die CO 2 -Einsparungspotenziale der Systemkomponenten an einem Pkw Dieselmotor auf. Durch den Einsatz eines Stahlkolben und der Optimierung weiterer Bauteile der Baugruppe lassen sich CO 2 -Einsparungen von bis zu 4,5% gegenüber heute üblichen Aluminium Kolbensystemen erzielen. Steel Piston DLC Pin PTWA Liner PVD Rings NanofriKS Total Savings -3,5% -0,2% -0,5% -0,3% 0,0% -4,5% Abb. 9: Monoblock Nkw-Stahlkolben-Design STEELTEKS ermöglicht kleinste Kompressionshöhen Abb. 10: Im Kundenprojekt entwickelte CO 2 -Einsparung am Pkw-Diesel-Motor 7

8 KS Kolbenschmidt GmbH Karl-Schmidt Str Neckarsulm Germany Tel Fax Änderungen vorbehalten. Gedruckt in Deutschland. KSPG AG 09/2013