Ko Kombibrosch DT Low

Innovative Kolbentechnologie fr Pkw und Nkw von KS KolbenschmidtSystemkompetenz rund um den Kolben

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2KS 309 NDA

KS 309 NDA

Remelted cast

durch die Ausbildung eines besonders feinen Gefges und dadurch deutlich gesteigerten Festigkeiten. Zwischenzeitlich konnten die Erfahrungen mit dem neuen Werkstoff auf die Entwicklung einer Dieselkolbenlegierung fr Pkw bertragen werden. Mit ihr setzt das Unternehmen seine Entwicklung von warmfesten Aluminiumwerkstoffen im Dieselkolbenbe-reich erfolgreich fort. Erste Serienentwicklungsprojekte sind bereits gestartet.

Wesentliche Ziele bei der Entwicklung der an die spezifi -schen Randbedingungen von dieselmotorischen Anwen-dungen angepassten neuen Legierung waren eine Erhhung der Thermoschockbestndigkeit (ThF = Thermal Fatigue) so-wie der Dauerschwingfestigkeit (HCF = High Cycle Fatigue). Hierfr wurden nicht nur die Legierungszusammensetzung sondern auch das Werkzeugkonzept und die Prozessfhrung optimiert.

Durch die Zugabe von speziellen Legierungselementen mit geringerer Lslichkeit in der Aluminiummatrix ist die

Einleitung

Die Megatrends fortschrittlicher Verbrennungsmotoren wie Downsizing, Aufl adung und Direkteinspritzung zur Einhal-tung der geforderten Abgasgrenzwerte sowie zur Redu-zierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen stellen nach wie vor die Innovationstreiber fr neue Kolben-technologien dar. Fr neuartige Kolbensysteme bedeutet dies gleichzeitig die Forderung nach reduzierter Reibung, geringem Gewicht und erhhter Lebensdauer bei hchster Beanspruchung.

Neue, nanoverstrkte Diesellegierung verbessert Pkw-Kolben

Bereits im Jahr 2012 stellte die KS Kolbenschmidt GmbH eine Legierung fr Dieselkolben in schwer belasteten Nutz-fahrzeugmotoren vor. Sie wurde mit nanophasigen, inter-metallischen Ausscheidungen verbessert und berzeugte

Abb. 2: Dauerschwingfestigkeit als Funktion der Thermoschock-bestndigkeit fr die Standardlegierung KS 1295 und die neue Diesellegierung

Abb. 1: Muldenrandumgeschmolzener Pkw Dieselkolben aus der neuen Hochleistungslegierung KS309 NDA

HCF

@T

= 3

00

C [M

Pa]

KS 1295 ThF Cycles@Tmax = 350 C

Grain Refi nementdue to HSDC

+35% ThF

Material Composition(Micro elements)

+28% HCF

100 m

400 nm


31

90 %

Mikrostruktur der neuen Legierung (Abb. 1) im Vergleich zur bisherigen Standardlegierung KS 1295 durch eine hhere An-zahl an intermetallischen Nano-Phasen gekennzeichnet.

Abb. 2 zeigt fr die neue Legierung und KS 1295 die Dau-erschwingfestigkeit (HCF@ T = 300 C) als Funktion der Thermoschockbestndigkeit (ThF@Tmax = 350 C). Die Kom-bination aus Legierungsmodifikation, verbessertem Werk-zeugkonzept und optimierter Prozessfhrung fhrt gleich-zeitig zu einer signifikanten Verbesserung der ThF- (+35 %) und HCF-Werte (+28 %) im Vergleich zur Standardlegierung KS 1295.

Die Ergebnisse der auermotorischen Prfung haben sich bei der motorischen Erprobung besttigt. Die Kolben aus der neuen Legierung erreichten eine um 50 Prozent hhere Laufzeit im Vergleich zu Kolben aus der Standardlegierung KS 1295.

Lokales Muldenrandumschmelzen als mage-schneiderte Lsung

Neben dem Einsatz der neuen Pkw-Dieselkolbenlegierung bertrgt KS Kolbenschmidt aktuell eine weitere Technolo-gie, das Muldenrandumschmelzen, aus dem Nkw- in den Pkw-Bereich.

Das Muldenrandumschmelzen ist fr Nutzfahrzeug-Kolben bereits in Serie. Der Rissentstehungsmechanismus am Muldenrand ist im Wesentlichen auf die unterschiedlichen Wrmeausdehnungen der verschiedenen Gefgebestand-teile einer Aluminiumgusslegierung zurckzufhren. Daher ist die erreichbare Gefgefeinheit von hoher Bedeutung. Das Gussgefge ergibt sich aus den beim Gieen erreichbaren Erstarrungsgeschwindigkeiten. Trotz einer stndigen Wei-terentwicklung der Werkstoff- und Gietechnologie gibt es bei einer Gusslegierung dafr nur schwer unterschreitbare Grenzen.

Abb. 3: Steigerung der Thermoshock Festigkeit durch Mulden-randumschmelzung (Tmax= 350 C / Tmin= 175 C)

Zur Lsung dieses Problems hat KS Kolbenschmidt ein auf den gegossenen Rohling anwendbares Umschmelzverfah-ren entwickelt. Dabei wird der hoch belastete Bereich am Kolbenboden kontrolliert umgeschmolzen und anschlie-end die Muldenkontur sowie Kompressionsflche fertig-bearbeitet. Die so entstandene feine, im Umschmelzbereich homogene Gefgestruktur verbessert die thermischen Erm-dungseigenschaften des kritischen Bereichs um bis zu 90 % (s. Abb. 3). Ein weiterer Vorteil ist die im Vergleich zum Gie-en hhere Prozessstabilitt.

Das Umschmelzverfahren ist eine mageschneiderte L-sung, mit der sich Zuverlssigkeit und Qualitt des Diesel-kolbens deutlich erhhen lassen. Ergebnisse aus Motorver-suchen bei KS Kolbenschmidt und bei Kunden haben das Potenzial der Technologie besttigt.

Mittel-wert

StdAbw N AD p

6604 479,2 10 0,253 0,654

11446 1093 8 0,395 0,282

5000

6000

7000

8000

9000

1000

0

1100

0

1200

0

1300

0

1400

0

5

10

20

304050607080

90

95

99

Proz

ent [

%]

Number of Cycle

CastRemelted


4Top-Leistung und Verbrauchsreduzierung mit Pkw-Stahlkolben

Fr zuknftige, hoch aufgeladene Dieselmotoren mit spe-zifi schen Motorleistungen ber 100 Kilowatt pro Liter und Znddrcken jenseits der 200 bar bieten moderne Stahlkol-ben eine robuste Lsung gegenber Aluminiumkolben. Im Vordergrund fr den Umstieg auf Stahl als Kolbenmaterial steht dabei nicht nur die Realisierung von Leistungssteige-rungen, sondern insbesondere auch der verbesserte ther-modynamische Wirkungsgrad durch den Stahlkolben sowie die reibungsreduzierenden Potenziale durch ein auf den Werkstoff Stahl angepasstes Kolbendesign.

Kraftstoffverbrauchs- bzw. Emissionsvorteile summieren sichso je nach Applikation auf bis zu 5 %.

Momentan erproben nahezu alle internationalen Automo-bilhersteller den Pkw-Stahlkolben in Dauerlauftests. KS Kolbenschmidt wurde krzlich fr die Serienentwicklung nominiert, deren Produktionsstart fr 2014 geplant ist.

Die von KS Kolbenschmidt patentierte Stahlkolbenkonst-ruktion besteht aus einem einteiligen Schmiedekolben mit abgesttztem Ringfeld, welches sich durch sehr geringe Nutverformungen auszeichnet (Abb. 4). Mit diesem Konzept knnen knftige, erhhte Anforderungen an Gasdurchlass-menge sowie den lverbrauch sicher abgebildet werden.

LITEKS-3 Leichtbau und Reibungsreduktion fr Ottokolben

Aus den Entwicklungsschwerpunkten moderner Ottomoto-ren leiten sich neben den bekannten kolbenspezifi schen Grundanforderungen Entwicklungsthemen wie geringe Rei-bung, erhhte mechanische und thermische Belastbarkeit bei reduziertem Kolbengewicht, optimierte Kolbensekundr-bewegung sowie optimierte Gas- und ldichtfunktionen ab.

Durch konsequente Weiterentwicklung der LITEKS-Kolben-bauform in seiner nun dritten Generation ist es gelungen,

Abb. 4: KS patentierter Pkw Stahlkolben fr reduzierten Kraft-stoffverbrauch und erhhte Zuverlssigkeit

Abb. 5: Neue Generation LiteKS Leichtbaukolben fr Ottomoto-ren aus der Hochleistunglegierung KS309


5TS ATS

TS

ATS

den Gewichtsvorteil auf 28 % gegenber dem herkmm-lichen Kolbendesign auszubauen. Ermglicht wurde dies durch den Einsatz der neuen Hochleistungslegierung KS 309 TM in Verbindung mit einer weiter optimierten Gie-technologie und die konsequenten Adaption des Designs auf die daraus resultierenden materialspezifi schen Vorteile.

Zur Gewichtsreduzierung wurde eine Giewerkzeugtech-nologie zur Serienreife entwickelt, mit der erstmals Hinter-schnitte in den Gewichtstaschen des Ringfeldes dargestellt werden knnen. Aufgesetzt auf dem aktuellen LITEKS-Design wurde diese Technologie erfolgreich in die Serien-produktion berfhrt (Abb. 5).

Mittels der bei KS verfgbaren Floating-Liner-Messtechnik, wurde der Reibleistungsvorteil am Schaft am befeuerten Motor fr dieses Kolbenkonzept verifi ziert. Er betrgt bis zu 46 %! Ermglicht wird dieses Potenzial durch ein gesamt-heitliches Paket an reibungsreduzierenden Manahmen wie: belastungsgerechte, asymmetrische Defi nition der Kol-benschaftbreiten, reduzierte Bolzendesachsierung, vergr-ertes Einbauspiel und funktionsgerechte, asymmetrische ballige Schaftfeingeometrien (Abb. 6) und der Einsatz der neuen NANOFRIKS Kolbenschaftbeschichtung. Auch das Kolbengeruschverhalten wurde verifi ziert und zeigte keine Nachteile im Vergleich zu den Vorgngerdesigns.

NANOFRIKS Reduktion von Reibung und Verschlei

Moderne Motoren und aktuelle Kolbenkonstruktionen stel-len eine Herausforderung an die tribologische Belastbarkeit des Kolbenschaftes dar. Die von KS Kolbenschmidt bezglich Reibungs- und Verschleiminimierung entwickelte Schaftbe-schichtung NANOFRIKS wird diesen Anforderungen in vol-lem Umfang gerecht. Erstmals wurden bei dieser Schaftbe-schichtung die neuesten Erkenntnisse der Nanotechnologie angewandt.

Abb. 7: Floating Liner Messergebnisse der Schaftreibung von NanofriKS im Vergleich zu LofriKS

Abb. 6: LiteKS Konzept mit asym. balliger Schaftkontur auf Druck- und Gegendruckseite zur Reibungsreduzierung

40

35

30

25

20

15

10

5

0

-9 % -9 %-4 % -4 % -7 %

low high low high

1.500 rpm

Load Load

2.500 rpm

Fric

tion

For

ce

Friction reduction NanofriKS vs. LofriKS Coating (Fired Engine)


6Tribometer-Untersuchungen belegen, dass die NANOFRIKS

Beschichtung im Vergleich zu herkmmlichen Serienbe-schichtungen sowohl den Trockenreibkoeffizienten als auch den Verschlei um mehr als 50 % reduziert. Durch eine auf-einander abgestimmte Kombination von Nanopartikeln, Bin-demittel, Festschmierstoff und Additiven setzt NANOFRIKS hierbei neue Mastbe.

NANOFRIKS erfllt somit nachhaltig das aktuelle Kunden-anforderungsprofil in Hinblick auf Verbrauchsreduktion und hohe Zuverlssigkeit im motorischen Einsatz (Abb. 7). Die gelungene weltweite Serieneinfhrung von NANOFRIKS bei den fhrenden Automobilherstellern beweist die fhrende Rolle von KS Kolbenschmidt im Bereich der Kolbenbeschich-tungstechnologien.

STEELTEKS Nkw-Stahlkolben der zweiten Gene-ration fr geringste Kompressionshhen

Nirgendwo sind die Laufzeiten hher als im Truck- und Trans-portbereich. Neben der fr diese Anforderung ntigen Zu-verlssigkeit werden geringe Emissionen, hohe Wirtschaft-lichkeit und damit niedriger Kraftstoffverbrauch angestrebt.

Im Gegensatz zu reibgeschweiten Stahlkolben wird der von Kolbenschmidt patentierte STEELTEKS-Kolben aus nur einem einzigen Schmiedeteil gefertigt. Mit der Entwicklung dieses speziellen Designs hat Kolbenschmidt eine gnzlich neue Herstellungsweise von Monoblock-Stahlkolben ver-wirklichen knnen.

Aktuell wird der STEELTEKS-Kolben zu einer zweiten, ver-besserten Monoblock-Stahlkolbengeneration weiterentwi-ckelt und momentan ausfhrlich getestet.

Abb. 8: Kontaktdruckverteilung am Bolzen, Rotationsgeschwindigkeiten und Reibleistungsverlust in der Bolzenlagerung am Nkw-Stahl-kolbenmodul bei 1900 1/min, Volllast

Kontaktdruck und Verformung des Kolben-bolzens bei 370 Grad KW (max. Gaskraft)

Oberseitein der Kolbennabe

Unterseiteim Pleuelauge


7Abb. 10: Im Kundenprojekt entwickelte CO2-Einsparung am Pkw-Diesel-Motor

Die in diesem Kolbendesign darstellbaren extrem niedrigen Kompressionshhen betragen weniger als 50 % des Zylin-derdurchmessers (Abb. 9).

Analog zu den doppelt reibgeschweiten Kolben konnten auch in diesem Fall die Vorteile bezglich Reibung, Gewicht, Verschlei und Kavitation bertragen werden.

KS Systemkompetenz reduziert Emissionen und Verbrauch

In den vergangenen Jahren hat KS Kolbenschmidt konsequent die Kompetenz aufgebaut, systematisch optimierte Kolben-systeme auszulegen, zu entwickeln und zu produzieren.

Fr Pkw-Anwendungen wurde ein speziell dafr entwickelten Reibleistungsprfstand, der nach dem Floating Liner Prin-zip funktioniert, erfolgreich betrieben und die Ergebnisse u.a. in die Reibungssimulationen integriert.

Abb. 9: Monoblock Nkw-Stahlkolben-Design STEELTEKS ermglicht kleinste Kompressionshhen

Im Nutzfahrzeugbereich entwickelt KS komplette Kolbensys-teme bestehend aus Kolben, Kolbenringen, Zylindern, Bolzen und Pleueln, die reibungs- und damit verbrauchsoptimiert sind. Insgesamt zeichnet sich das von KS Kolbenschmidt op-timierte Kolbensystem durch eine um bis zu 18 % reduzierte Reibung bei gleich bleibend niedrigem lverbrauch aus.

Eine weitere Reibungskomponente im Kolbensystem stellt die Reibung am Kolbenbolzen dar. Daher hat KS Kolben-schmidt die Reibkoeffizienten zwischen Bolzen, Kolben und Pleuel fr verschiedene leistungsfhige Werkstoffpaarun-gen ermittelt und in die Kolbendynamiksimulation integ-riert (Abb. 8). U.a. wurden Kolbenbolzen mit Diamond Like Carbon (DLC) beschichtet und untersucht.

Abb. 10 zeigt die CO2-Einsparungspotenziale der System-komponenten an einem Pkw Dieselmotor auf. Durch den Einsatz eines Stahlkolben und der Optimierung weiterer Bauteile der Baugruppe lassen sich CO2-Einsparungen von bis zu 4,5% gegenber heute blichen Aluminium Kolben-systemen erzielen.

SteelPiston

DLCPin

PTWALiner

PVDRings

Nano-friKS

TotalSavings

-3,5% -0,2%

-0,5%-0,3% 0,0% -4,5%


nderungen vorbehalten. Gedruckt in Deutschland. KSPG AG 09/2013

KS Kolbenschmidt GmbH Karl-Schmidt Str. 74172 Neckarsulm Germany Tel. +49 7132 33-0 Fax +49 7132 33-27 96 www.kspg.com


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