ASPEKTE DER KOLBENMATERIALWAHL BEI DIESELMOTOREN

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1 ASPEKTE DER KOLBENMATERIALWAHL BEI DIESELMOTOREN Ein neuer Aluminiumkolben von Federal-Mogul für einen dreifach aufgeladenen Dieselmotor mit 93 kw/l spezifischer Leistung zeigt, dass Aluminium weiterhin Entwicklungspotenzial als Kolbenwerkstoff bietet. Gleichzeitig erfordern Pkw-Motoren mit Zünddrücken von über 220 bar und mehr als 100 kw/l spezifischer Leistung Stahlkolben. Stahlkonstruktionen für derart extreme Einsatzbedingungen verlangen allerdings viel Augenmerk beim Wärmemanagement. Federal-Mogul erläutert im Folgenden verschiedene Entwicklungsaspekte bei Aluminiumund Stahlkolben. 964

2 AUTOREN ARND BABERG ist Chief Engineer Product Engineering bei Federal-Mogul in Nürnberg. MARCUS FREIDHAGER ist Program Manager und Application Engineer bei Federal-Mogul in Nürnberg. HARALD MERGLER ist Program Manager und Application Engineer bei Federal-Mogul in Nürnberg. STEIGENDE BELASTUNGEN FÜR KOLBENWERKSTOFFE In dem Maße, in dem der Wirkungsgrad des Pkw-Dieselmotors besser wird, steigt auch die Kolbentemperatur im Brennraum. In Einzelfällen kann das herkömmliche Kolbenkonstruktionen aus Aluminium (Al) in den Grenzbereich der Materialfestigkeit bringen. Die Schwelle hierfür liegt bei rund 400 C. Nahe dieser Temperatur, oder darüber, ist der Muldenrand einer derartigen Hitze ausgesetzt, dass sich dort Risse bilden können. Dieser Effekt ist sowohl ein Werkstoffthema, als auch eine Frage der Konstruktion. Durch Einsatz neuester Konstruktionsmerkmale hat Federal-Mogul vor Kurzem die Produktion und Auslieferung eines Al-Kolbens für einen sehr hoch aufgeladenen 3,0-l-Dieselmotor in Vollaluminium-Bauweise begonnen, der eine spezifische Leistung von 93 kw/l aufweist. Diese neue Kolbentechnik für Pkw und leichte Nutzfahrzeuge (LVD) läuft derzeit in Anwendungen mit bis zu 420 C. Auch wenn diese Al-Anwendung über das bisher für möglich gehaltene Maß hinaus geht, ist eindeutig, dass noch höhere Zünddrücke und höhere spezifische Leistungen Stahl als Kolbenmaterial notwendig machen werden. Beim Einsatz von Stahl für extrem belastete Pkw-Kolben muss dem Wärmemanagement allerdings genauso viel Aufmerksamkeit geschenkt werden wie beim Al-Kolben. In besonderem Maße gilt das für die Form und Position des Kühlkanals. Ein möglichst großer Kühlkanal, eine Kombination von unterschiedlichen Stählen für den Kolbenboden und das Hemd sowie Schutzbeschichtungen sind unter Umständen erforderlich, um überhöhte Kolbenbodentemperaturen zu vermeiden. Dies kann vor allem zu Oxidation/Verzunderung, thermisch induzierten Rissen oder auch zu überhöhter Ölbelastung (Cracken) führen. 12I Jahrgang KLAUS SCHMIDT ist Leiter Engine Testing Facilities bei Federal-Mogul in Nürnberg. ALUMINIUMKOLBEN FÜR HOCHLEISTUNGS-DIESELMOTOREN Besonders leistungsstarke, hoch aufgeladene Pkw-Dieselmotoren gelten häufig als Bewährungsprobe für Al-Kolben, weil die thermischen und mechanischen Kolbenbelastungen im Brennraum derart extrem sind, dass Motorenentwickler letztlich ein Versagen des Leichtbauwerkstoffs befürchten. Typischerweise ist es der Muldenrand, an dem die Rissbildung beginnt. Folglich ist es die erste logische Konsequenz, den Werkstoff in dieser Zone für die hohen Belastungen zu ertüchtigen. Die Lö - sung liegt im Material selbst: Auch wenn der Gießprozess in - zwischen konsequent dahingehend optimiert wurde, die Abkühlung in der Gussform so weit zu beschleunigen, wie die Qualitätsanforderungen an das Materialgefüge es erlauben, erfolgt die Abkühlung immer noch zu langsam, um dem Werkstoff am Muldenrand seine optimale Festigkeit zu geben. In einem hoch aufgeladenen Motor ist der Muldenrand einer so großen Hitzeeinwirkung ausgesetzt, dass die mittelfeine Körnung des Gussgefüges zum Ausgangspunkt für Risse werden kann. Sobald das passiert, bewirken die thermo-mechanische Ermüdung sowie die hohen Lastwechselfrequenzen eine Zunahme der Risslänge und -tiefe, ❶. Vor dem Hintergrund dieses Schadensmechanismus hat Federal-Mogul einen Prozess entwickelt, der das Legierungsgefüge im sensiblen Bereich des Muldenrands verändert. Dieser Vorgang heißt Durabowl und verweist damit namentlich auf die Wirkung einer lokalen Aufschmelzung des Muldenrands 965

3 Gusszustand lief der Durabowl-Kolben unter identischen Testbedingungen viermal so lang ohne Risseinleitung. Daher hat sich dieser Prozess schnell als bewährtes und weithin genutztes Element für die Optimierung von Al-Kolben für Dieselmotoren mit hoher Leistung etabliert. VERBESSERTER WÄRMETRANSPORT BEI ALUMINIUMKOLBEN ❶ Durch mikroplastische Verformung bewirkte thermomechanische Ermüdung nach Temperaturlastwechsel über seinen 360 -Umfang zur Steigerung der Materialfestigkeit. Der Energieeintrag für diesen Aufschmelzvorgang wird so genau gesteuert, dass er eine exakt begrenzte Schmelzzone des Aluminiums mit definierter Tiefe erzeugt. Während der Prozess über den kompletten Umfang der Mulde fortschreitet, erstarrt die lokale Schmelze wegen ihrer geringen Masse sehr schnell. Dabei entsteht eine sehr viel feinere Körnung im Gefüge der aufgeschmolzenen Bereiche, ❷. Umfangreiche Tests haben gezeigt, dass diese feine Körnung deutlich weniger zur Rissbildung neigt, ❸. Im direkten Vergleich mit einem herkömmlichen Muldenrand im ❷ Gefügevergleich zwischen Gussgefüge (unten links) und umgeschmolzenem Durabowl-Gefüge (unten rechts) 966 Da die Temperatur am Muldenrand so hoch ist, besteht eine zweite logische Schlussfolgerung darin, den Wärmeabtransport vom Kolbenboden und Muldenrand zu verbessern. Eine wirkungsvolle Methode ist es, den Kühlkanal hoch und damit dicht an den Muldenrand und den Kompressionsring zu positionieren. Die Kühlwirkung am Muldenrand und in der obersten Ringnut wird so um 10 % gesteigert, an der Bohrung für den Kolbenbolzen um etwa 5 %. Al - ternativ kann auch die Geometrie des Kühlkanals an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Konstruktiv ist das keine allzu große Herausforderung, für den Gießprozess dagegen schon: Es ist anspruchsvoll, den Gießvorgang so zu definieren, dass sich genügend Material in durchgängig guter, fehlstellenfreier Qualität zwischen der Mulde und dem Kühlkanal befindet, beziehungsweise zwischen dem Kühlkanal und dem eingegossenen Alfin-Ringträger. Die erste Serienanwendung des höher gelegten Kühlkanals hält die Kolbentemperatur deutlich unterhalb der zulässigen Schwelle von 400 C. Unter denselben Be dingungen ist die Muldenrandbelastung eines herkömmlichen Kolbens um 43 % höher und die Temperatur steigt auf bis zu 440 C. Dies liegt dicht am Schmelzpunkt erster metallischer Phasen in der Matrix. Je nach Anwendungsanforderungen lassen sich die optimale Kühlkanalposition und der Querschnitt flexibel einstellen. Da herkömmliche Prüfverfahren nicht dazu geeignet wären, um die Position möglicher Gefügedefekte im sensiblen Bereich zu bestimmen, wurde ein neues zweidimensionales (2D) Ultraschallprüfverfahren entwickelt. Diese zerstörungsfreie Methode erkennt präzise die Größe und Lage des Kühlkanals, des Alfin- Ringträgers sowie mögliche Gussfehler. Innerhalb von 30 s liefert die Prüfung Messungen in Punkten, um zuverlässig die Qualität der fertigen Prä-

4 Testdauer bis zur Brucheinleitung am Muldenrand [h] Serienguss Durabowl ❸ Motorlaufzeit von hochbelasteten Seriengusskolben bis zum Muldenrandriss (vier Testreihen, gelbe Balken) und von Durabowl-Kolben, die nach Untersuchungslaufzeit rissfrei sind (vier Testreihen, blaue Balken) zisionskomponente zu sichern. Zudem dienen diese 2D-Daten dazu, die Fertigung und wesentliche Prozessparameter weiter zu optimieren. ASPEKTE BEI STAHLKOLBEN Auf den ersten Blick liegt die Vermutung nahe, Stahl sei aufgrund seiner hohen Temperaturfestigkeit automatisch der überlegene Werkstoff für Kolben in Pkw- Dieselmotoren. Allerdings leitet Aluminium Wärme dreimal so gut wie Stahl, was dazu führt, dass Stahlkolben bei demselben Brennverfahren um 50 bis 100 K heißer werden können als Al-Kolben. Je nach Kalibrierung und Betriebsbedingungen kann diese Temperaturzunahme sogar noch höher ausfallen. Geht man von einer Brennraumtemperatur von 420 C als Referenz aus, so kann das höhere Temperaturniveau sogar vergüteten Stahl an die Grenze seiner Festigkeit bringen: Bei einem Niveau oberhalb von 520 C zeigt sich Verzunderung, die zur Rissbildung führen kann. Die höhere Temperatur hat natürlich außerdem zur Folge, dass auch der Kühlkanal heißer wird, was ein Cracken des Motorenöls verursachen kann. Ölkohle als Produkt dieses Vorgangs kann sich an den Kühlkanalwänden ablagern, wo der Schichtaufbau die Kühlwirkung verschlechtert. Berechnungen haben gezeigt, dass dieser Effekt die Muldentemperatur um 45 bis zu 80 K steigern kann. Um diese Herausforderungen zu lösen, nutzt Federal-Mogul seine sogenannte Monosteel-Kolbentechnik für Lkw, ❹, und passt sie an die speziellen Anforderungen extrem hochbelasteter Pkw- Anwendungen an. Eine Modifizierung besteht darin, die Geometrie des Kühlkanals zu maximieren, um einen ausreichenden Ölstrom zu sichern. ❺ zeigt eine Stahlkolbenkonstruktion mit höher gelegtem Kühlkanal und geringen Wandstärken zwischen Kolbenboden und Kühlkanal sowie zwischen Kühlkanal und Ringnuten. Bei Bedarf lässt sich dieses Konstruktionsmerkmal mit einem hybriden Aufbau des Kolbens aus unterschiedlichen Stahlqualitäten kombinieren. Dies wird durch einen geeigneten Schweißprozess ermöglicht. Für extrem hochbelastete Anwendungen kann so ein höherfester Stahl für den Kolbenboden eingesetzt werden, während eine gängige Stahlqualität für das Kolbenhemd verwendet wird. Mit Schutzbeschichtungen lässt sich die Temperaturfestigkeit weiter steigern: Auf einem Kolben aufgebracht, verringern sie das Ausmaß an Verzunderung deutlich. Aus Sicht der Thermodynamik ist das höhere Temperaturniveau von Stahlkolben ein potenzieller Vorteil. Hinzu kommt, dass ein Stahlkolben über eine geringere Bauhöhe verfügen kann, ❻. Dies lässt sich entweder dazu nutzen, Keep things moving Gleitlager ZOLLERN steht für modernste Gleitlagertechnik. Das Produktspektrum umfasst Gleitlager für große Dieselmotoren in Schiffen, Lokomotiven oder stationäre Anlagen, Gleitlager für Kompressoren, Turbinen, Getriebe, elektrische Maschinen und Sonderanwendungen. Mit mehr als Mitarbeitern ist ZOL- LERN in allen Industrieregionen der Welt vertreten. ZOLLERN BHW Gleitlager GmbH & Co. KG 12I Jahrgang Tel.: , info@zollern.de967

5 ❹ Monosteel-Kolben bieten hohe Strukturfestigkeit und gute Kühl wirkung mit der Möglichkeit, ein kostenoptimiertes Un terteil mit warmfestem Stahloberteil zu kombinieren ❺ Optimierte Monosteel-Konstruktion für Pkw und leichte Nfz mit guter Kühlwirkung und der Möglichkeit, verschiedene Stahlgüten für Ober- und Unterteil zu verwenden die Blockhöhe des Motors zu verringern, oder längere Pleuel einsetzen zu können, die geringere Seitenkräfte verursachen. Das Gewicht der Baugruppe kann auf dem Niveau vergleichbarer Baugruppen mit Aluminium liegen oder sogar noch darunter. Messungen haben ergeben, dass die Motorleistung bei gleicher Kalibrierung dank der genannten Vorteile um 2,5 % steigen kann. Dies lässt sich unmittelbar für eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs um 2,5 % nutzen, was wiederum einen um denselben Betrag verringerten CO 2 -Ausstoß bedeutet. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Aluminium und Stahl haben jeweils un - terschiedliche Vorteile für die Kolbenentwicklung zu bieten. Folglich sollte die Materialauswahl für jeden Motor und die zugehörige Kombination aus den Entwicklungsvorgaben heraus erfolgen. Die Kolbenkühlung beispielsweise ist für beide Systeme entscheidend und muss für jeden Einsatzfall gezielt optimiert und sichergestellt werden. Ein Al-Kolben in verbesserter Konstruktion, der aus einem optimierten Fertigungsprozess kommt, kann für dieselben thermischen und mechanischen Belastungen geeignet sein wie ein Stahlkolben. Dazu trägt die Technik der lokalen Gefügeverstärkung bei. Der von Federal-Mogul entwickelte und gefertigte Al-Kolben für einen hoch aufgeladenen Pkw-Dieselmotor mit 93 kw/l spezifischer Leistung zeigt, dass Aluminium weiterhin Potenzial hat. Dennoch wird Stahl unerlässlich sein, um Lösungen für noch höhere Zünddrücke zu schaffen. Wenn sich die Steigerung der Zünddrücke in Hochleistungsanwendungen fortsetzt, lassen sich die daraus folgenden Anforderungen an die strukturelle Festigkeit mit Stahl erfüllen. Federal-Mogul wird auch weiterhin die Kolbenentwicklung mit beiden Werkstoffen vorantreiben und dabei sowohl die jeweiligen Konstruk tionsmerkmale als auch die Prozesse weiter optimieren. 968 ❻ Kompakte Konstruktion mit reduzierter Kompressionshöhe unter Verwendung von Stahl (links) anstelle von Aluminium (rechts) ermöglicht eine bis zu 30 % geringere Kompressionshöhe DOWNLOAD DES BEITRAGS READ THE ENGLISH E-MAGAZINE order your test issue now: springervieweg-service@springer.com