Download - ko_pkw_diesel_d
-
7/24/2019 ko_pkw_diesel_d
1/8
Neue Werkstoffe und Prozesse
fr Pkw-Dieselkolben
Kolbenschmidt Pierburg Group
-
7/24/2019 ko_pkw_diesel_d
2/8
-
7/24/2019 ko_pkw_diesel_d
3/8
3
Einleitung
Dieselmotoren werden heute mit dem Ziel hoher Leistung
und hohen Drehmomentes bei gleichzeitig niedrigem Kraft-
stoffverbrauch entwickelt. Dabei sind auch hohe Ansprchean Gerusch und Fahrkomfort zu erfllen.
Die 2009 bzw. 2014 in Kraft tretenden europischen Ab-
gasnormen EURO 5 und EURO 6, werden die Entwicklung
leistungsfhiger Einspritz- und Abgas-Nachbehandlungssys-
teme weiter beschleunigen.
Um die daraus abgeleiteten knftigen Anforderungen erfl-
len zu knnen, hat die KS Kolbenschmidt GmbH eine neue
Generation von Aluminiumwerkstoffen fr Kolben sowie eine
neuartige Lasertechnologie zur lokalen Verbesserung der
thermischen Ermdungseigenschaften des Werkstoffs imVerbrennungsmuldenbereich entwickelt.
Die Weiterentwicklung der verwendeten Auslegungs- und
Berechnungsmethoden, verbesserte Kolbenkhlung und die
Reduzierung der Kolbenreibung kommen bei jeder neuen
Kolbenentwicklung zum Einsatz.
Thermische und mechanische Kolbenbelastung
Die beschriebenen Kundenanforderungen fhren zu hherer
mechanischer- und thermischer Belastung des Kolbens. Die
Forderung nach niedrigem Gewicht, gepaart mit geometri-schen Restriktionen (kleine Kompressionshhe, kleiner Bol-
zendurchmesser) fr Spitzendrcke von 200 bar, treiben die
konsequente Weiterentwicklung unserer Aluminiumwerk-
stoffe sowie die Suche nach neuen Designlsungen an.
Die Gestaltung der Bolzennabe, die Feingeometrie der Bol-
zenbohrung und die Bolzengeometrie sind die geometri-
schen Manahmen zur Erhhung der Nabenbelastbarkeit
allerdings mit Auswirkungen auf den Muldenrand, da in der
Regel die Steigerung der zulssigen Beanspruchung der
Nabe zu einer hheren Muldenrandbelastung fhrt. Deshalb
ist immer ein Kompromiss aus Naben- und Muldenbean-spruchung ntig. Um die grtmgliche Kontaktflche zwi-
schen Kolbenbolzen und Nabe zu erhalten, wird der Augen-
abstand durch Verwendung eines Trapezpleuels verringert.
Hohe Kontaktdrcke zwischen Bolzen und Pleuel sowie die
Gestaltfestigkeit des kleinen Pleuelauges setzen hier Gren-
zen. Sind alle geometrischen Mglichkeiten wie z. B. die
Abb. 1: Pkw-Dieselkolben ausgelegt fr hohe thermische und mechanische Belastung
-
7/24/2019 ko_pkw_diesel_d
4/8
4
gekrmmte Innenflche der Nabe ausgeschpft, ist der
Einsatz von Nabenbuchsen zur weiteren Belastbarkeits-
steigerung der Kolbennabe sinnvoll. Diese Lsung befindet
sich seit vielen Jahren im Serieneinsatz. Die Umstellung auf
bleifreie Buchsenwerkstoffe im Rahmen der EU-Altautover-ordnung ist weitgehend abgeschlossen.
Der zweite besonders kritische Bereich heutiger hochbelaste-
ter Dieselkolben ist die Verbrennungsmulde. Knftige spe-
zifische Motorleistungen von 70 kW/l und mehr, haben Mul-
denrandtemperaturen von deutlich ber 400 C (s. Abb. 2)
zur Folge.
Die Kombination aus thermischmechanischer Beanspru-
chung (TMF) und der aus der Gaskraft resultierenden hoch-
frequenten Beanspruchung (HCF) kann zu Rissbildung am
Muldenrand oder anderen hoch beanspruchten Partien derVerbrennungsmulde fhren. Dafr mssen die Werkstoffei-
genschaften verbessert werden.
Neue Werkstoffgeneration V4
Dieselkolben mit der neuen KS-Legierung V4 erfllen im Be-
sonderen die oben genannten Anforderungen. Die auf Alu-
minium basierende Legierung verlngert in Bereichen ober-halb von 300 C entscheidend die Produktlebensdauer. Eine
gezielt entwickelte Legierungszusammensetzung sowie eine
den spezifischen thermischen und mechanischen Kolben-
belastungen angepasste, prozessgesteuerte Gefgestruktur
(s. Abb. 3) machen dies mglich. Abb. 4 zeigt die damit im
Muldenrand-Thermoschocktest erzielten Verbesserungen.
Neue Lasertechnologie Lokales Muldenrand-umschmelzen
Fr besonders hohe rtliche thermische und mechanischeBelastungen am Muldenrand von Dieselkolben hat Kolben-
schmidt ein hybrides Umschmelzverfahren entwickelt. Da-
bei wird der hochbelastete Bereich mittels Lasertechnologie
kontrolliert umgeschmolzen (Abb. 5).
Abb. 2: Temperaturen im Pkw-Dieselkolben als Funktion der spezifischen Motorleistung
450
400
350
300
250
200
150
Kolbentemperaturen(max.)
[C]
25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
Spezifische Leistung [kW/l]
Muldenrand
Nut 1
Bolzennabe
mit Standard-Khlkanal
ohne Khlkanal
-
7/24/2019 ko_pkw_diesel_d
5/8
5
So entsteht ein optimiertes Gefge mit einer feinen, homo-
genen Mikrostruktur. Diese verbessert die thermischen Er-
mdungseigenschaften des kritischen Bereichs um bis zu
60 %. Weitere Vorteile sind die hhere Prozessstabilitt im
Vergleich zum Gieen und die verbesserte Oberflchenqua-litt in der Bearbeitung. Das Laserumschmelzverfahren ist
eine mageschneiderte Lsung, mit der sich Zuverlssigkeit
und Qualitt des Dieselkolbens deutlich erhhen lassen.
Kolbenkhlung DynamiKS Neue Kolbenkhlungskonzepte
Zur effektiven Absenkung der Temperaturen besitzen Kolben
einen ringfrmigen Khlhohlraum, der ber eine am Kurbel-
gehuse fest installierte Dse mit l gefllt wird. Das l
nimmt Wrme auf und transportiert sie beim Verlassen desHohlraums ab. Lage und vor allem Form des Khlkanals be-
einflussen das Temperaturfeld des Kolbens mageblich.
Aus diesem Grund entwickelt KS Kolbenschmidt seine Khl-
kanal-Bauformen stetig weiter. Standard bei KS Kolben-
schmidt ist heute der ContureKSKhlkanal mit seinem va-
riablem Querschnitt, der sich bereits millionenfach im Pkw-
und Nkw -Dieselkolben bewhrt hat.
Die neueste Entwicklung, der DynamiKS Pumpkhlkanal
(Abb. 6), nutzt die Dynamik der Kolbenbewegung zur Erzie-
lung eines erhhten ldurchsatzes. Die besondere, zum Pa-tent angemeldete gestufte Gestaltung, zwingt dem l wh-
rend der Oszillation eine Geschwindigkeitskomponente in
Umfangsrichtung auf. Die hhere Durchstrmgeschwindig-
keit erhht den Wrmeabtransport wesentlich. Im Vergleich
zum ContureKSwird am Muldenrand eine Temperaturabsen-
kung von bis zu 20 C erreicht.
Sowohl ContureKS als auch DynamiKS Khlkanle wer-
den mittels ber 40 Jahren bewhrter Salzkerntechnologie
wirtschaftlich hergestellt. Der DynamiKS Pumpkhlkanal
ist bereits in Serie erprobt und kommt fr hchste spezi-
fische Motorleistungen zum Einsatz.
Weitere Lsungsanstze zur Verbesserung der Kolbenkh-
lung sind bei KS Kolbenschmidt in der Vorentwicklung unter-
sucht worden. Dazu wurden fr unterschiedliche Khlkanal-
formen in Kombination mit einer und mit zwei Khlldsen
Kolbentemperaturen an einem typischen Pkw-Dieselmotor
gemessen und verglichen. Dabei zeigten insbesondere die
Zweidsenkonzepte nochmals eine deutliche Effizienzstei-
gerung der Khlung /1/.
Muldenrand-Thermoschocktest
Verbesserungen[%]
340 370 400
Max. Temperatur [C]
86 %
48 %
17 %
Abb. 3: Makrogefge V4 im Muldenrandbereich
Abb. 4:TMF-Ergebnisse V4
Abb. 5: Pkw-Dieselkolben mit umgeschmolzenen Muldenrand
-
7/24/2019 ko_pkw_diesel_d
6/8
6
Ausblick
Der Ringtrger im Kolben lsst sich dazu verwenden, einen
speziellen Khlkanal zu halten. Er besteht aus einem speziell
geformten Blech, das mit dem Ringtrger dicht verschweitwird. Diese Bauform eignet sich besonders fr Kolben, die
aufgrund ihrer hohen Belastung im Bereich der Kolbenmul-
de eine Verstrkung durch Keramikfasern FibreKS be-
ntigen. Der fr diese Kolben erforderliche Squeeze-Cast
Gieprozess erfordert weniger Eingussteile, allerdings muss
die Geometrie des Kanals fr die hohen Drcke dieses Pro-
zesses geeignet sein. Kolben dieser Bauart haben ihre Funk-
tionalitt bereits in vielen Motorlufen bewiesen.
Ein immer wieder diskutiertes Thema ist der Einsatz von
Stahlkolben im Pkw-Dieselmotor.
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
Khlung sowie wettbewerbsfhigem Preis.
Dass dies mglich ist, zeigen neueste Ergebnisse aus di-
versen Vorentwicklungsprojekten. Hier werden gezielt die
Grundlagen fr den Serieneinsatz dieser Technologie ge-
schaffen. Abb. 7 zeigt einen Schnitt durch einen bei KS
Kolbenschmidt entwickelten Pkw-Stahl-Dieselkolben mit ge-
ringer Kompressionshhe.
Als einer der fhrenden internationalen Kolbenhersteller
kann Kolbenschmidt Pierburg die Synergieeffekte zwischen
den Bereichen Grokolben, Nkw- und Pkw-Kolben zum Er-
folg jedes dieser Produktbereiche nutzen. Dabei stehen die
gesamten Erfahrungen aus den lokalen Entwicklungen in
den Entwicklungszentren und Fertigungssttten in Europa,
Nord- und Sdamerika sowie Asien weltweit zur Verfgung.
Literatur
(1) Thiel N., Weimar H.-J., Kamp H., Advanced Piston Cooling
Efficiency: A Comparison of Different New Gallery Cooling
Concepts, SAE- paper 2007-01-1441
Abb. 6: Pkw-Dieselkolben mit DynamiKSKhlkanal
Abb. 7: Stahl-Dieselkoben
-
7/24/2019 ko_pkw_diesel_d
7/8
-
7/24/2019 ko_pkw_diesel_d
8/8
nderungen vorbehalten. Gedruckt in Deutschland. A|IX|g
KS Kolbenschmidt GmbH Karl-Schmidt-Strae 74172 Neckarsulm
Tel. +49 7132 33-0 Fax +49 7132 33-2796 www.kspg.com