Kolben für PKW-Dieselmotoren Aluminium oder Stahl? Vortrag von: Julien Macele Dennis Binder 1 von 29
Gliederung 1. Anforderungen an Motoren 2. Beanspruchungen an PKW-Dieselkolben 3. Aluminiumkolben 4. Stahlkolben 5. Ausblick 2 von 29
Anforderungen an Motoren Einhaltung der Schadstoffemissionen (ab 2021: 95g CO 2 /kg) CO 2 Ausstoß hängt direkt vom Kraftstoffverbrauch ab Was sind die Lösungsansätze? 3 von 29
Ansätze Mitteldruckerhöhung, mindert das Hubvolumen bei gleicher effektiver Leistung Downsizing, Verkleinerung des Motors führt zu geringerer Reibung Ladeluftkühlung Ladungswechseloptimierung 4 von 29
Folgen Durch die Optimierung nehmen sowohl die Mittel-, als auch die Spitzendrücke zu Dies führt zu einer stärkeren Belastung der Kolben, sowohl thermisch als auch mechanisch Die Leistungsdichte wird steigen wie kann also die Festigkeit der Kolben gesteigert werden? 5 von 29
Wichtige Randbedingungen Stahl besitzt eine höhere Steifigkeit und Festigkeit wenn die Zünddrücke zunehmen, gelten Stahlkolben als robust; Aluminiumkolben scheinen nach heutigem Wissen Grenzen gesetzt der Werkstoff Stahl hat eine wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium, was bei steigenden Leistungsdichten von Nachteil ist 6 von 29
Weitere Randbedingungen Beim Übergang zu Stahlkolben sind aufgrund eines anderen Wärmeausdehnungsverhaltens Geräuschemissionen möglich, was durch geeignete Spielgebung beeinflusst werden kann. Stahlkolben sind aufwändiger in der Herstellung. Der Unterschied relativiert sich allerdings, wenn am Aluminiumkolben tiefgreifende Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung notwendig werden. 7 von 29
Beanspruchungen an PKW-Dieselkolben Verbrennungsmulde Thermische Belastung (400-500 C) Mechanische Belastung (Gaskraft) 8 von 29
Beanspruchungen an PKW-Dieselkolben Verbrennungsmulde Thermische Belastung (400-500 C) Mechanische Belastung (Gaskraft) 9 von 29
Aluminiumkolben Starker Abfall der Festigkeit bei T > 300 C 3-4 mal so große Wärmeleitfähigkeit wie Stahl Dies bedeutet, die Wärme muss schnell aus dem Kolben abgeführt werden Deswegen ist Form und Lage des Kühlkanals für diese Kolben essentiell wichtig. Neuste Kühlkanäle sorgen für eine 35K niedrigere Temperatur am Muldenrand des Kolbens 10 von 29
Festigkeitssteigerung Aluminiumkolben Speziell für den Muldenrand: Gefüge Verfeinerung Faserverstärkung 11 von 29
Thermowechselbeanspruchung 12 von 29
Was bringt die Faserverstärkung? 13 von 29
Was bringt die Faserverstärkung? Zünddrücke > 200 bar Leistungsdichte am Motor ~ 100kW/Liter Folglich lassen sich hiermit die Vorteile des Aluminiums nutzen, ohne dass die mechanische Belastbarkeit im Hintergrund steht 14 von 29
Stahlkolben Kolbenmasse Bauhöhe Reibleistungsvorteil Thermodynamische Einflüsse 16 von 29
Stahlkolben Kolbenmasse Bauhöhe Reibleistungsvorteil Thermodynamische Einflüsse 17 von 29
Stahlkolben Kolbenmasse Bauhöhe Reibleistungsvorteil Thermodynamische Einflüsse 18 von 29
Stahlkolben Kolbenmasse Bauhöhe Reibleistungsvorteil Thermodynamische Einflüsse 19 von 29
Stahlkolben Kolbenmasse Bauhöhe Reibleistungsvorteil Thermodynamische Einflüsse 20 von 29
Stahlkolben Temperaturgrenze (~ 550 C) Kühlölversorgung Produktion 22 von 29
Stahlkolben Temperaturgrenze (~ 550 C) Kühlölversorgung Produktion 23 von 29
Stahlkolben Temperaturgrenze (~ 550 C) Kühlölversorgung Produktion 24 von 29
Stahlkolben Temperaturgrenze (~ 550 C) Kühlölversorgung Produktion 25 von 29
Stahlkolben Temperaturgrenze (~ 550 C) Kühlölversorgung Produktion 26 von 29
Stahlkolben Temperaturgrenze (~ 550 C) Kühlölversorgung Produktion 27 von 29
Ausblick - Aluminiumkolben Aluminiumkolben = hohe Wärmeleitfähigkeit Sowie hervorragende Wärmeverteilung In Kombination mit: -optimierter Kühlung - Faserverstärkung -Bronzebuchse Erreichen diese besonders gute Eigenschaften 28 von 29
Ausblick - Stahlkolben Niedrige Bauhöhe Reibleistungs- und thermodynamische Vorteile Produktion 29 von 29