Neue Kolbentechnologien Maybach Schule, März 2008
Leistungstrend von Verbrennungsmotoren 110 Spezifische Leistung [ kw/l ] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 'Hauptstrom' der Entwicklung Ottomotoren 'Turbos' Ottomotoren Pkw - Diesel 10 Nkw - Diesel 0 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Produktionsstart [ Jahr ] www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 2
Kolbentechnologie für Hochleistungs - Pkw - Ottomotoren
LiteKS - Lösung für konkurrierende Anforderungen Leichtbau Design Mechanische Belastung 1998 2002 2005 Thermische Belastung www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 4
LiteKS Technologie
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 www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 6
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 [ - ] www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 7
Prinzip: Gießwerkzeug-Technologie für LiteKS - Kolben www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 8
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! www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 9
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! www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 10
Markterfolg LiteKS -Kolben www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 11
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 www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 12
Kolbenlösungen für hohe Beanspruchungen
LiteKS - Kolben für V-Motor mit 72 kw/l @ 7400 1/min Kolben für GDI Motor 10.2 MPA Auslegungszünddruck Anodisierung mit äußerst glatter Oberfläche www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 14
Leichtbau-Kolben mit Ringträger für DI-Turbomotor (Audi 1.8l TFSI) Vorentwicklung 1999 Kombination von LiteKS Leichtbau und leichtem Ringträger Serie 2006 www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 15
Klopfschaden an Ringträgerkolben im Extremtest Vorzündung bis 10 rel. Serie Klopfregelung deaktiviert, 50 h Wechsellast T max /P max Ringträger www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 16
Neue Kolbentechnologien - Wilhelm Maybach Schule Kühlkanalkolben für aufgeladenen Otto - DI Motor 98 kw/l www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 17 17
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 www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 18 18
Kolben für Pkw-Dieselmotoren
Zylinderdrücke für Pkw Otto- und Dieselmotoren 220 200 Dieselmotoren Spitzendruck [bar] 180 160 140 120 100 Ottomotoren 80 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 Spezifische Leistung [kw/l] www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 20
Scheinbare Dichte (k-faktor) für Pkw Otto- und Dieselkolben Neue Entwicklungen 1.1 Scheinbare Dichte k [g/cm³] 1 0.9 0.8 0.7 0.6 Ottokolben Dieselkolben 0.5 0.4 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 Relative Kompressionshöhe [ - ] www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 21
(Maximale) Kolbentemperaturen für Pkw-Dieselmotoren 450 Kolbentemperaturen (max.) [ C] 400 350 300 250 200 ohne Kühlkanal Muldenrand Nut 1 Bolzennabe mit Standard-Kühlkanal 150 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Spezifische Leistung [kw/l] www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 22
Kolbenkühlung bei Pkw-Dieselmotoren Specifische Leistung [kw/l] 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 mit Kühlkanal ohne Kühlkanal 15 70 75 80 85 90 Kolbendurchmesser [mm] www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 23
Piston for Audi 2.5l V6 Diesel Engine www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 24
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 1295+ Temperatur MR Temperatur 1. Nut www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 25
DynamiKS - Pump Cooling Gallery oil exit oil entrance Piston in TDC Piston in BDC wrl www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 26
KS DynamiKS Simulationsergebnisse www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 27
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 1967 2002 2005 www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 28
Vermeidung von Oxiden
Muldenrandschaden durch Oxideinschluß Oxidgröße ist 0.3 x 0.3 mm entspricht Nachweisgrenze www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 30
Wirbelstromprüfung am Muldenrand sensors www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 31 MR_Pruef.tif
Magma Gießsimulation: Lufteinschlüsse im Anguß Filter / Sieb B Filter / Sieb A www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 33
Kolben für Nkw-Dieselmotoren
Kolben für MAN 12.5 l HD-Dieselmotor, 31.7 kw/l www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 36
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 www.kspg.com 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
Vergleich Gesamtgewicht (Einschl. Bolzen) Al u. Stahl 3 Apparent Density k TOTAL [g/cm 3 ] 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 Piston Type Aluminum Articulated All Steel AT + AS AL 1.2 1 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 Relative Compression Height KH/DK [-] www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 39
Großkolben 160 640 mm PISTONS www.kspg.com KS Kolbenschmidt 2007 page - 40