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7/24/2019 ko_pkw_diesel_d

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Neue Werkstoffe und Prozesse

fr Pkw-Dieselkolben

Kolbenschmidt Pierburg Group


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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


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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


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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


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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


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KS Kolbenschmidt GmbH Karl-Schmidt-Strae 74172 Neckarsulm

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