Kolbenschmidt Pierburg Group

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Laura Schuster
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1 Kolbenschmidt Pierburg Group Neue Werkstoffe und Prozesse für Pkw-Dieselkolben

Einleitung Dieselmotoren werden heute mit dem Ziel hoher Leistung und hohen Drehmomentes bei gleichzeitig niedrigem Kraftstoffverbrauch entwickelt.

3 Einleitung Dieselmotoren werden heute mit dem Ziel hoher Leistung und hohen Drehmomentes bei gleichzeitig niedrigem Kraftstoffverbrauch entwickelt. Dabei sind auch hohe Ansprüche an Geräusch und Fahrkomfort zu erfüllen. Die 2009 bzw in Kraft tretenden europäischen Abgasnormen EURO 5 und EURO 6, werden die Entwicklung leistungsfähiger Einspritz- und Abgas-Nachbehandlungssysteme weiter beschleunigen. Um die daraus abgeleiteten künftigen Anforderungen erfüllen zu können, hat die KS Kolbenschmidt GmbH eine neue Generation von Aluminiumwerkstoffen für Kolben sowie eine neuartige Lasertechnologie zur lokalen Verbesserung der thermischen Ermüdungseigenschaften des Werkstoffs im Verbrennungsmuldenbereich entwickelt. Die Weiterentwicklung der verwendeten Auslegungs- und Berechnungsmethoden, verbesserte Kolbenkühlung und die Reduzierung der Kolbenreibung kommen bei jeder neuen Kolbenentwicklung zum Einsatz. Thermische und mechanische Kolbenbelastung Die beschriebenen Kundenanforderungen führen zu höherer mechanischer- und thermischer Belastung des Kolbens. Die Forderung nach niedrigem Gewicht, gepaart mit geometrischen Restriktionen (kleine Kompressionshöhe, kleiner Bolzendurchmesser) für Spitzendrücke von 200 bar, treiben die konsequente Weiterentwicklung unserer Aluminiumwerkstoffe sowie die Suche nach neuen Designlösungen an. Die Gestaltung der Bolzennabe, die Feingeometrie der Bolzenbohrung und die Bolzengeometrie sind die geometrischen Maßnahmen zur Erhöhung der Nabenbelastbarkeit allerdings mit Auswirkungen auf den Muldenrand, da in der Regel die Steigerung der zulässigen Beanspruchung der Nabe zu einer höheren Muldenrandbelastung führt. Deshalb ist immer ein Kompromiss aus Naben- und Muldenbeanspruchung nötig. Um die größtmögliche Kontaktfläche zwischen Kolbenbolzen und Nabe zu erhalten, wird der Augenabstand durch Verwendung eines Trapezpleuels verringert. Hohe Kontaktdrücke zwischen Bolzen und Pleuel sowie die Gestaltfestigkeit des kleinen Pleuelauges setzen hier Grenzen. Sind alle geometrischen Möglichkeiten wie z. B. die Abb. 1: Pkw-Dieselkolben ausgelegt für hohe thermische und mechanische Belastung 3

4 gekrümmte Innenfläche der Nabe ausgeschöpft, ist der Einsatz von Nabenbuchsen zur weiteren Belastbarkeitssteigerung der Kolbennabe sinnvoll. Diese Lösung befindet sich seit vielen Jahren im Serieneinsatz. Die Umstellung auf bleifreie Buchsenwerkstoffe im Rahmen der EU-Altautoverordnung ist weitgehend abgeschlossen. Der zweite besonders kritische Bereich heutiger hochbelasteter Dieselkolben ist die Verbrennungsmulde. Künftige spezifische Motorleistungen von 70 kw/l und mehr, haben Muldenrandtemperaturen von deutlich über 400 C (s. Abb. 2) zur Folge. Die Kombination aus thermischmechanischer Beanspruchung (TMF) und der aus der Gaskraft resultierenden hochfrequenten Beanspruchung (HCF) kann zu Rissbildung am Muldenrand oder anderen hoch beanspruchten Partien der Verbrennungsmulde führen. Dafür müssen die Werkstoffeigenschaften verbessert werden. Neue Werkstoffgeneration V4 Dieselkolben mit der neuen KS-Legierung V4 erfüllen im Besonderen die oben genannten Anforderungen. Die auf Aluminium basierende Legierung verlängert in Bereichen oberhalb von 300 C entscheidend die Produktlebensdauer. Eine gezielt entwickelte Legierungszusammensetzung sowie eine den spezifischen thermischen und mechanischen Kolbenbelastungen angepasste, prozessgesteuerte Gefügestruktur (s. Abb. 3) machen dies möglich. Abb. 4 zeigt die damit im Muldenrand-Thermoschocktest erzielten Verbesserungen. Neue Lasertechnologie Lokales Muldenrandumschmelzen Für besonders hohe örtliche thermische und mechanische Belastungen am Muldenrand von Dieselkolben hat Kolbenschmidt ein hybrides Umschmelzverfahren entwickelt. Dabei wird der hochbelastete Bereich mittels Lasertechnologie kontrolliert umgeschmolzen (Abb. 5). 450 ohne Kühlkanal 400 Muldenrand Kolbentemperaturen (max.) [ C] Nut 1 Bolzennabe Spezifische Leistung [kw/l] mit Standard-Kühlkanal Abb. 2: Temperaturen im Pkw-Dieselkolben als Funktion der spezifischen Motorleistung 4

So entsteht ein optimiertes Gefüge mit einer feinen, homogenen Mikrostruktur. Diese verbessert die thermischen Ermüdungseigenschaften des kritischen Bereichs um bis zu 60 %.

5 So entsteht ein optimiertes Gefüge mit einer feinen, homogenen Mikrostruktur. Diese verbessert die thermischen Ermüdungseigenschaften des kritischen Bereichs um bis zu 60 %. Weitere Vorteile sind die höhere Prozessstabilität im Vergleich zum Gießen und die verbesserte Oberflächenqualität in der Bearbeitung. Das Laserumschmelzverfahren ist eine maßgeschneiderte Lösung, mit der sich Zuverlässigkeit und Qualität des Dieselkolbens deutlich erhöhen lassen. Kolbenkühlung DynamiKS Neue Kolbenkühlungskonzepte Zur effektiven Absenkung der Temperaturen besitzen Kolben einen ringförmigen Kühlhohlraum, der über eine am Kurbelgehäuse fest installierte Düse mit Öl gefüllt wird. Das Öl nimmt Wärme auf und transportiert sie beim Verlassen des Hohlraums ab. Lage und vor allem Form des Kühlkanals beeinflussen das Temperaturfeld des Kolbens maßgeblich. Aus diesem Grund entwickelt KS Kolbenschmidt seine Kühlkanal-Bauformen stetig weiter. Standard bei KS Kolbenschmidt ist heute der ContureKS Kühlkanal mit seinem variablem Querschnitt, der sich bereits millionenfach im Pkwund Nkw -Dieselkolben bewährt hat. Die neueste Entwicklung, der DynamiKS Pumpkühlkanal (Abb. 6), nutzt die Dynamik der Kolbenbewegung zur Erzielung eines erhöhten Öldurchsatzes. Die besondere, zum Patent angemeldete gestufte Gestaltung, zwingt dem Öl während der Oszillation eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung auf. Die höhere Durchströmgeschwindigkeit erhöht den Wärmeabtransport wesentlich. Im Vergleich zum ContureKS wird am Muldenrand eine Temperaturabsenkung von bis zu 20 C erreicht. Sowohl ContureKS als auch DynamiKS Kühlkanäle werden mittels über 40 Jahren bewährter Salzkerntechnologie wirtschaftlich hergestellt. Der DynamiKS Pumpkühlkanal ist bereits in Serie erprobt und kommt für höchste spezifische Motorleistungen zum Einsatz. Abb. 3: Makrogefüge V4 im Muldenrandbereich Verbesserungen [%] Muldenrand-Thermoschocktest 17 % 48 % 86 % Max. Temperatur [ C] Abb. 4: TMF-Ergebnisse V4 Weitere Lösungsansätze zur Verbesserung der Kolbenkühlung sind bei KS Kolbenschmidt in der Vorentwicklung untersucht worden. Dazu wurden für unterschiedliche Kühlkanalformen in Kombination mit einer und mit zwei Kühlöldüsen Kolbentemperaturen an einem typischen Pkw-Dieselmotor gemessen und verglichen. Dabei zeigten insbesondere die Zweidüsenkonzepte nochmals eine deutliche Effizienzsteigerung der Kühlung /1/. Abb. 5: Pkw-Dieselkolben mit umgeschmolzenen Muldenrand 5

Ausblick Der Ringträger im Kolben lässt sich dazu verwenden, einen speziellen Kühlkanal zu halten. Er besteht aus einem speziell geformten Blech, das mit dem Ringträger dicht verschweißt wird.

6 Ausblick Der Ringträger im Kolben lässt sich dazu verwenden, einen speziellen Kühlkanal zu halten. Er besteht aus einem speziell geformten Blech, das mit dem Ringträger dicht verschweißt wird. Diese Bauform eignet sich besonders für Kolben, die aufgrund ihrer hohen Belastung im Bereich der Kolbenmulde eine Verstärkung durch Keramikfasern FibreKS benötigen. Der für diese Kolben erforderliche Squeeze-Cast Gießprozess erfordert weniger Eingussteile, allerdings muss die Geometrie des Kanals für die hohen Drücke dieses Prozesses geeignet sein. Kolben dieser Bauart haben ihre Funktionalität bereits in vielen Motorläufen bewiesen. Ein immer wieder diskutiertes Thema ist der Einsatz von Stahlkolben im Pkw-Dieselmotor. Abb. 6: Pkw-Dieselkolben mit DynamiKS Kühlkanal Dabei ist zu beachten, dass die Vorteile des Stahlkolbens wie geringes Einbauspiel, niedrige Verbrauchswerte, hohe Lebensdauer zu verbinden sind mit den Kundenforderungen nach niedrigen Emissionswerten, geringem Gewicht, guter Kühlung sowie wettbewerbsfähigem Preis. Dass dies möglich ist, zeigen neueste Ergebnisse aus diversen Vorentwicklungsprojekten. Hier werden gezielt die Grundlagen für den Serieneinsatz dieser Technologie geschaffen. Abb. 7 zeigt einen Schnitt durch einen bei KS Kolbenschmidt entwickelten Pkw-Stahl-Dieselkolben mit geringer Kompressionshöhe. Abb. 7: Stahl-Dieselkoben Als einer der führenden internationalen Kolbenhersteller kann Kolbenschmidt Pierburg die Synergieeffekte zwischen den Bereichen Großkolben, Nkw- und Pkw-Kolben zum Erfolg jedes dieser Produktbereiche nutzen. Dabei stehen die gesamten Erfahrungen aus den lokalen Entwicklungen in den Entwicklungszentren und Fertigungsstätten in Europa, Nord- und Südamerika sowie Asien weltweit zur Verfügung. Literatur (1) Thiel N., Weimar H.-J., Kamp H., Advanced Piston Cooling Efficiency: A Comparison of Different New Gallery Cooling Concepts, SAE- paper

8 KS Kolbenschmidt GmbH Karl-Schmidt-Straße Neckarsulm Tel Fax Änderungen vorbehalten. Gedruckt in Deutschland. A IX g

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