Neue Kolbentechnologien

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1 Neue Kolbentechnologien Maybach Schule, März 2008

2 Leistungstrend von Verbrennungsmotoren 110 Spezifische Leistung [ kw/l ] 'Hauptstrom' der Entwicklung Ottomotoren 'Turbos' Ottomotoren Pkw - Diesel 10 Nkw - Diesel Produktionsstart [ Jahr ] KS Kolbenschmidt 2007 page - 2

3 Kolbentechnologie für Hochleistungs - Pkw - Ottomotoren

4 LiteKS - Lösung für konkurrierende Anforderungen Leichtbau Design Mechanische Belastung Thermische Belastung KS Kolbenschmidt 2007 page - 4

5 LiteKS Technologie

6 LiteKS - Idee und Realisierung verbessertes Bodenwiderstandsmoment verstärkte Abstützung der Bolzennabe Möglichkeit großer Freigüsse zur Gewichtseinsparung optimale Wandstärken für Gewicht und Deformation (Geräusch, Reibung, Fressschutz,...) angepasstes Bolzennabendesign für Trapezpleuel niedrige Spannungsniveaus, geringes Geräuschniveau, signifikante Gewichtsreduzierung KS Kolbenschmidt 2007 page - 6

7 KS Leichtbaukolben für Ottomotoren 0,65 k-faktor (normiertes Gewicht) [g/cm³] 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 Material-Substitution 55 kw/l Material Substitution 72 kw/l - 15% Standard "Turbo" Kolben ca. 75 kw/l LiteKS Kolben ca. 55 kw/l LiteKS "Turbo" Kolben ca. 75 kw/l Grenze für Leichtbau Aluminiumkolben 72 kw/l Standard Leichtbau Kolben ca.. 55 kw/l Grenze für Leichtbau Aluminiumkolben 55 kw/l 0,35 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 Kompressionshöhe / Zylinderdurchmesser [ - ] KS Kolbenschmidt 2007 page - 7

8 Prinzip: Gießwerkzeug-Technologie für LiteKS - Kolben KS Kolbenschmidt 2007 page - 8

9 LiteKS - Entwicklung des KS Kolbendesigns Basis - Konstruktion des Kolbens mit Freiguss im Ringfeld 55 kw/l, 8.5 MPa, F S = 5.5 kn Unzureichende Dauerfestigkeit im Freiguss! KS Kolbenschmidt 2007 page - 9

10 LiteKS - Entwicklung des KS Kolbendesigns Design mit zwei Rippen im Hinterschnitt. 55 kw/l, 8.5 MPa, F S = 5.5 kn Über 2.5-fache Verbesserung im Freiguss! KS Kolbenschmidt 2007 page - 10

11 Markterfolg LiteKS -Kolben KS Kolbenschmidt 2007 page - 11

12 LiteKS - Merkmale und Vorteile Merkmale: Gewichtoptimiertes Halbslipper Kolbendesign Optimale Wandstärken für Gewicht und Deformation Asymmetrischer Schaft Komplexe Formgebung der geneígten Kastenwände für maximale Bodenabstützung Seitenwandform erlaubt große Freigüsse zur Gewichtseinsparung hinter dem Ringfeld Innere Kernkontur folgt der Bodenform, optimierte Bodenstärke Kurzer Bolzen Trapez-Nabenabstützung Vorteile: Signifikante Gewichtseinsparung (k < 0.4 g/cm³), Optimaler Kompromiss zwischen Gewicht und Spannungsverteilung KS Kolbenschmidt 2007 page - 12

13 Kolbenlösungen für hohe Beanspruchungen

14 LiteKS - Kolben für V-Motor mit /min Kolben für GDI Motor 10.2 MPA Auslegungszünddruck Anodisierung mit äußerst glatter Oberfläche KS Kolbenschmidt 2007 page - 14

15 Leichtbau-Kolben mit Ringträger für DI-Turbomotor (Audi 1.8l TFSI) Vorentwicklung 1999 Kombination von LiteKS Leichtbau und leichtem Ringträger Serie KS Kolbenschmidt 2007 page - 15

16 Klopfschaden an Ringträgerkolben im Extremtest Vorzündung bis 10 rel. Serie Klopfregelung deaktiviert, 50 h Wechsellast T max /P max Ringträger KS Kolbenschmidt 2007 page - 16

17 Neue Kolbentechnologien - Wilhelm Maybach Schule Kühlkanalkolben für aufgeladenen Otto - DI Motor 98 kw/l KS Kolbenschmidt 2007 page

18 Neue Kolbentechnologien - Wilhelm Maybach Schule Kolben für BMW Hydrogen7 Wasserstoffmotor KS - Kühlkanal Aluminiumkolben BMW Motor Legierung KS 1295 FEA-optimierte ovale Bolzenbohrung Doppelte Wärmebehandlung KS-Ferrocoat - Beschichtung Anodisierte Ringnut Bivalenter 12-Zylindermotor 6l Hubraum 191 kw Max. Drehmoment 390 Nm KS Kolbenschmidt 2007 page

19 Kolben für Pkw-Dieselmotoren

20 Zylinderdrücke für Pkw Otto- und Dieselmotoren Dieselmotoren Spitzendruck [bar] Ottomotoren Spezifische Leistung [kw/l] KS Kolbenschmidt 2007 page - 20

21 Scheinbare Dichte (k-faktor) für Pkw Otto- und Dieselkolben Neue Entwicklungen 1.1 Scheinbare Dichte k [g/cm³] Ottokolben Dieselkolben Relative Kompressionshöhe [ - ] KS Kolbenschmidt 2007 page - 21

22 (Maximale) Kolbentemperaturen für Pkw-Dieselmotoren 450 Kolbentemperaturen (max.) [ C] ohne Kühlkanal Muldenrand Nut 1 Bolzennabe mit Standard-Kühlkanal Spezifische Leistung [kw/l] KS Kolbenschmidt 2007 page - 22

23 Kolbenkühlung bei Pkw-Dieselmotoren Specifische Leistung [kw/l] mit Kühlkanal ohne Kühlkanal Kolbendurchmesser [mm] KS Kolbenschmidt 2007 page - 23

24 Piston for Audi 2.5l V6 Diesel Engine KS Kolbenschmidt 2007 page - 24

25 PKW-Dieselkolben mit ContureKS Kühlkanal (DC OM 642) Erhöhte Kühlwirkung durch 15% größere Kanaloberfläche Optimale Formgebung vermeidet gefährliche Spannungsspitzen Emissionsvorteile durch höhere Lage der ersten Ringnut. In Serie seit 2004 Standard KK -10 C ContureKS -15 C Material: KS Temperatur MR Temperatur 1. Nut KS Kolbenschmidt 2007 page - 25

26 DynamiKS - Pump Cooling Gallery oil exit oil entrance Piston in TDC Piston in BDC wrl KS Kolbenschmidt 2007 page - 26

27 KS DynamiKS Simulationsergebnisse KS Kolbenschmidt 2007 page - 27

28 Temperaturreduktion mit verschiedenen Kühlkanaltypen Ohne Standard ContureKS DynamiKS Bowl rim: -25 C -35 C -50 C 1. Groove: -23 C -38 C -43 C Pin boss: -30 C -30 C -39 C KS Kolbenschmidt 2007 page - 28

29 Vermeidung von Oxiden

30 Muldenrandschaden durch Oxideinschluß Oxidgröße ist 0.3 x 0.3 mm entspricht Nachweisgrenze KS Kolbenschmidt 2007 page - 30

31 Wirbelstromprüfung am Muldenrand sensors KS Kolbenschmidt 2007 page - 31 MR_Pruef.tif

32 Magma Gießsimulation: Lufteinschlüsse im Anguß Filter / Sieb B Filter / Sieb A KS Kolbenschmidt 2007 page - 33

33 Kolben für Nkw-Dieselmotoren

34 Kolben für MAN 12.5 l HD-Dieselmotor, 31.7 kw/l KS Kolbenschmidt 2007 page - 36

35 KS Monoblock Stahlkolben (DAF MX) Material: 42CrMo4, heat treatment: quench and temper Friction welded two-piece rough forging Mn-phosphated piston surface Trumpet shaped pin bore Cooling of crown inner shape by oil feed holes from main gallery KS Kolbenschmidt 2007 page - 38 Removed inner and outer friction welding flashes Cooling gallery is optimized and closed by a metal sheet (opt.: labyrinth seal or welded) Circumferentially closed skirt reduced deformation optimized skirt guidance Long skirt concept optimum skirt guidance Asymmetrical skirt layout weight reduction LofriKS skirt screen printing

36 Vergleich Gesamtgewicht (Einschl. Bolzen) Al u. Stahl 3 Apparent Density k TOTAL [g/cm 3 ] Piston Type Aluminum Articulated All Steel AT + AS AL Relative Compression Height KH/DK [-] KS Kolbenschmidt 2007 page - 39

37 Großkolben mm PISTONS KS Kolbenschmidt 2007 page - 40