100 JAHRE KOLBENSCHMIDT PIERBURG

Transcrição

www.MTZonline.de
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extra
Pierburg
Pierburg Pump Technology
März 2010 | March 2010
KS Kolbenschmidt
58922
IDEEN FÜR DAS NÄCHSTE JAHRHUNDERT
Ideas for Another 100 Years
100 JAH R E KO L B EN SC H M ID T P IER BURG
HISTORIE History
ABGASMASSENSTROMSENSOR
Exhaust Gas Mass Flow Sensor
ALUMINIUMGUSS Cast Aluminum
GLEITLAGER Plain Bearings
1 0 0 Y E A RS OF K OLBE NS CHMI DT P I E RBURG
KOLBENSYSTEME Piston Systems
NUTZFAHRZEUGTECHNIK
Commercial Vehicle Technique
PUMPEN Pumps
/// INTERVIEW
Dr. Gerd Kleinert
KS Aluminium-Technologie
KS Gleitlager
Motor Service
Kolbenschmidt Pierburg AG
An mehr als 30 Fertigungsstandorten in Europa, Nord- und Südamerika,
Japan, Indien und China entwickeln und produzieren die Unternehmen
der Kolbenschmidt Pierburg Gruppe innovative Komponenten, Module
und Systeme für die aktuelle und die künftige Motorentechnik.
www.kspg.com
100 YEARS OF KOLBENSCHMIDT PIERBURG
Wohin fährt die Zukunft?
12 Aufgaben für
die Automobilindustrie
ZUKUNFT LESEN
Automotive Agenda 04
JACQUES ASCHENBROICH // WALTER EICHENDORF // ROBERT FISCHER // JOCHEN
FLASBARTH // HERBERT W. FRANKE // FRITZ GAIRING // MURAT GÜNAK // FRANK KRAUSE
JEFFREY LIKER // CHRISTIAN MALORNY // MANUEL VERMEER // ENGELBERT WESTKÄMPER
MANFRED WITTENSTEIN
DEZEMBER 2009
ISSN 1867-495X
Augen auf!
Bildquelle: Daimler AG
SEIT 1898 DIE NUMMER 1
IN SACHEN AUTOMOBILTECHNIK
Mit den neuesten Ergebnissen aus der internationalen Forschung, Entwicklung und Produktion sowie
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auch wir einen Schritt nach vorn gemacht: Die ATZ-Medien im neuen Design sind jetzt noch lesefreundlicher, noch klarer strukturiert und noch ansprechender. www.ATZonline.de
12 AUFGABEN FÜR DIE
AUTOMOBILINDUSTRIE DER ZUKUNFT
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DATUM / UNTERSCHRIFT
EDITORIAL
E D ITO R I AL
CHANGE CREATES THE FUTURE
WANDEL SCHAFFT
ZUKUNFT
Liebe Leserin, lieber Leser,
Veränderung erleben viele Menschen als
Bedrohung, erst recht, wenn es sich um
Umbrüche handelt, wie wir sie in der
Automobilindustrie in den letzten Jahren
erleben. Globalisierung, Elektromobilität,
verändertes Kundenverhalten, immer
strengere Abgas- und Verbrauchsvorschriften, dann auch noch eine Weltwirtschaftskrise. Wie schön, wie beruhigend
wäre es, wenn alles beim Alten bliebe.
Oder doch nicht?
Es liegt im Wesen des Menschen, dass er
sich verbessern möchte. Und mancher
will sogar dazu beitragen, die Welt zu verändern. Anders als Tiere ist der Mensch
nicht auf allmähliche evolutionäre Veränderung angewiesen, sondern kann mit seinem Denken und Handeln die Zeitläufte
beeinflussen. Wer sich da ins Abseits stellt
und darauf beharrt, dass alles bleibt, wie
es ist, fällt zurück.
Dass man auch dramatische Umbrüche
erfolgreich bewältigen kann, zeigt mir die
Geschichte von Kolbenschmidt Pierburg.
Hervorgegangen aus einer Stahlhandelsgesellschaft und einem Altmetall-Schmelzwerk, sind zwei Autozulieferer entstanden, die sich erfolgreich am Weltmarkt
behauptet haben. Trotz der technischen
Umbrüche, die manches Stammprodukt
wie den Vergaser ins Aus befördert hat.
Die Geschichte des Zulieferers zeigt auch,
dass es in Zeiten des Wandels einen guten
Schritt darstellen kann, wenn man sich
zusammentut. Denn entgegen landläufiger Meinung ist ein Zusammenwachsen
zweier Unternehmen möglich.
Mit dieser Sonderausgabe der MTZ gratulieren wir Kolbenschmidt Pierburg
zum 100. Jubiläum. Dabei schauen wir
nicht nur zurück, sondern widmen kommenden Innovationen in Bereichen wie
Kolben, Kurbelgehäuse oder Abgasrückführung ausführlichen Raum. Denn die
Veränderungsgeschwindigkeit nimmt
eher zu als ab.
Eine anregende Lektüre wünscht Ihnen
JOHANNES WINTERHAGEN, Chefredakteur
Stuttgart, 20. Januar 2010
Dear Reader,
Many people perceive change as a
threat, especially when it comes as an
upheaval like the one we have been
experiencing in the automotive industry in recent years. Globalisation, electromobility, changes in customer behaviour, increasingly strict emissions
and fuel consumption legislation – and
to make matters worse, a global financial crisis. How nice, how comforting it
would be if everything stayed the
same. Or perhaps not?
It is in the nature of human beings
to want to better themselves. And
some even want to help change the
world. Unlike animals, humans are not
dependent on gradual evolutionary
change but are able to influence the
course of events by their thoughts and
their actions. Those who stand back
and insist that everything stays as it
was will be left behind.
The history of Kolbenschmidt
Pierburg clearly demonstrates that it is
possible to cope with even the most
dramatic changes. A former steel-trading company and a scrap metal remelting factory developed into two automotive suppliers that became successfully
established on the world market. In
spite of the technical upheavals that
put an end to some mainstay products
such as the carburettor.
The history of the supplier also
shows that, in times of change, it is
sometimes a good idea to join forces.
Contrary to popular opinion, it is possible for two companies to grow together.
With this special issue of MTZ, we
would like to congratulate Kolbenschmidt Pierburg on their 100th anniversary. We not only look back to the
past but also focus on future innovations in areas such as pistons, crankcases or exhaust gas recirculation. After all, the pace of change will not slow
down but will continue to accelerate.
I hope you enjoy reading this special
issue.
JOHANNES WINTERHAGEN, Editor-in-Chief
Stuttgart, 20 January 2010
100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg
1
I NH A LT
EINFÜHRUNG
4 Ideen für das nächste Jahrhundert
IDEEN FÜR DAS
NÄCHSTE JAHRHUNDERT
Gerd Kleinert
HISTORIE
16 100 Jahre „AutoMotivePower“
Christian Leitzbach, Peter Klotzbach
ABGASMESSTECHNIK
34 Abgasmassenstromsensor
für Pkw- und Nfz-Anwendungen
Karsten Grimm, Sven Nigrin,
Andres Tönnesmann, Heinrich Dismon
ALUMINIUMGUSS
44 Leichtbau und Downsizing –
Einsatzmöglichkeiten von Aluminiumguss
im Fahrzeug
Eduard Köhler, Stephan Beer, Christian Klimesch,
Jürgen Niehues, Bernd Sommer
GLEITLAGER
54 Gleitlagererprobung anhand der Forderungen
des Automobilmarkts
Klaus Damm, Athanassios Skiadas, Mario Witt, Hubert Schwarze
KOLBENSYSTEME
64 Innovative Kolbensystemlösungen
für Verbrennungsmotoren
Ralf Buschbeck, Emmerich Ottliczky,
Wolfgang Hanke, Hans-Joachim Weimar
NUTZFAHRZEUGTECHNIK
Dieses MTZextra wurde mit freundlicher finanzieller Unterstützung
durch die Kolbenschmidt Pierburg AG realisiert.
76 Kompetenz und Komponenten rund
um den Nutzfahrzeugmotor
Michael Breuer, Martin Hopp, Karl Wübbeke
PUMPEN
86 Elektrifizierung treibt Pumpeninnovationen
Achim Brömmel, Michael Rombach, Bernd Wickerath,
Thomas Wienecke, Jean-Michel Durand, Giacomo Armenio,
Raffaele Squarcini, Thomas Joachim Gibat
INTERVIEW
RUBRIKEN
1 Editorial
85 Impressum
2
28 „Große volkswirtschaftliche
Fehler im Umgang mit Energie“
Gerd Kleinert
100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg
C O NTENTS
IDEAS FOR
ANOTHER 100 YEARS
INTRODUCTION
7 Ideas for Another 100 Years
Gerd Kleinert
HISTORY
19 100 Years of “AutoMotivePower”
Christian Leitzbach, Peter Klotzbach
EXHAUST MEASUREMENT TECHNIQUE
37 Exhaust Gas Mass Flow Sensor
for Car and Commercial Vehicle Applications
Karsten Grimm, Sven Nigrin,
Andres Tönnesmann, Heinrich Dismon
ALUMINUM CASTING
47 Lightweight Construction and Downsizing –
A Broad Range of Applications for Cast Aluminum
in Vehicles
Eduard Köhler, Stephan Beer, Christian Klimesch,
Jürgen Niehues, Bernd Sommer
PLAIN BEARINGS
57 Plain Bearing Testing According to
Automotive Market Demands
Klaus Damm, Athanassios Skiadas, Mario Witt, Hubert Schwarze
PISTON SYSTEMS
67 Innovative Pistion System Solutions
for Internal Combustion Engines
Ralf Buschbeck, Emmerich Ottliczky,
Wolfgang Hanke, Hans-Joachim Weimar
This MTZextra was realized with kind financial support
COMMERCIAL VEHICLE TECHNIQUE
of the Kolbenschmidt Pierburg AG.
79 Capabilities and Components
for Commercial Vehicle Engines
Michael Breuer, Martin Hopp, Karl Wübbeke
PUMPS
89 Electrification Powers Pump Innovation
Achim Brömmel, Michael Rombach, Bernd Wickerath,
Thomas Wienecke, Jean-Michel Durand, Giacomo Armenio,
Raffaele Squarcini, Thomas Joachim Gibat
INTERVIEW
31 “Major Economic Errors
in Dealing with Energy“
Gerd Kleinert
100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg
RUBRICS
1 Editorial
85 Imprint
3
EI N F Ü H R U N G
IDEEN FÜR DAS NÄCHSTE JAHRHUNDERT
Der hundertste Geburtstag eines Unternehmens ist ohne Frage ein besonderer Moment.
Als „Jubilar-Unternehmen“ ist man für einen Moment geneigt, sich nur noch mit der eigenen Historie,
dem Wirken der Gründerväter und der zugegebenermaßen spannenden und wechselvollen
Entwicklung der eigenen Firma auseinanderzusetzen.
4
E I N F ÜHR UNG
BEURTEILUNG KÜNFTIGER
HERAUSFORDERUNGEN
Aber eine zukunftsorientierte Unternehmensführung fordert von uns, den Blick
nach vorn und in die Zukunft zu richten,
um künftige Entwicklungen frühzeitig
auszumachen und auf ihre Bedeutung für
das Unternehmen und die daraus entstehenden Aufgabenstellungen zu prüfen.
Unsere wichtigste Frage angesichts des Jubiläums ist daher nicht, wie war das alles
vor einhundert Jahren, sondern vielmehr,
wie werden wir bei unserem 125-jährigen
Jubiläum aufgestellt sein? Was müssen
wir unternehmen, um auch dann noch
ein Key-Player in unserer Branche zu sein,
der seine Marktposition gegenüber dem
Status quo entwickelt und verbessert hat?
Hinter dieser Fragestellung steckt heute
mehr denn je eine technologische Abschätzung der künftigen Entwicklung in
der Motorentechnik. Mit ihr verbunden
sind Punkte wie das Taxieren der Verlässlichkeit von Prognosen der einschlägigen
Marktforschungsinstitute und – noch
schwieriger – die Einschätzung der Entwicklung künftiger politischer und gesellschaftlicher Rahmenbedingungen; und
das weltweit.
Nicht zuletzt angetrieben durch die globale Klimadiskussion ist das Thema „Elektromobilität“ nicht erst seit der Internationalen Automobilausstellung im Herbst
2009 in aller Munde. Sie wird kommen,
das ist sicher. Was noch abzuwarten bleibt,
ist die Intensität ihrer Verbreitung. Und die
hängt in erster Linie, da sind sich die Experten einig, von der künftigen Entwicklung der Speichertechnik ab. Solange sich
kein Quantensprung bei den Themen Batteriegewicht, Ladezyklus, Speicherkapazität und Lebensdauer abzeichnet, wird das
Elektroauto mittelfristig auf leicht definierbare Einsatzfelder, zum Beispiel im urbanen Pendlerverkehr, beschränkt bleiben.
Indes verlagert sich die aktuell sehr polemisch geführte Debatte um die CO2Emissionen wieder stärker auf eine sachliche Ebene. Eine für die Gesamtthematik
förderliche Entwicklung. So kommt beispielsweise jüngst in einer vom Umweltbundesamt beauftragten Studie ein Forschungskonsortium um das Öko-Institut
zu dem Ergebnis, dass Deutschland bis
2020 43 % seiner Treibhausgasemissionen
im Vergleich zu 1990 einsparen kann.
Zugpferd sei dabei vor allem der Strom100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg
sektor, in dem zwischen 2005 und 2030
eine Einsparung von zirka 250 Millionen t
CO2 erzielt werden können [1].
Natürlich wird auch das Automobil in
Zukunft einen deutlichen Beitrag zur weiteren CO2-Verminderung leisten, aber es
kann die Gesamtproblematik nicht alleine
beheben. Hier sind andere Bereiche gefragt, beispielsweise durch einen künftig
höheren Anteil erneuerbarer Quellen bei
der Gewinnung elektrischer Energie oder
zumindest durch den Einsatz CO2-optimierter Gewinnungsverfahren. Auch in
der Realisierung des sehr großen Potenzials bei der Wärmeisolierung sowohl in
Wohnhäusern wie auch in produktiven
Bereichen liegen für Gesellschaft und Industrie weitere anspruchsvolle Aufgaben.
Dennoch gilt, dass nach dem heutigen
Stand der Technik und den auf absehbare
Zeit herrschenden, künftigen Rahmenbedingungen Kraftstoffe aus fossilen Rohstoffen
die am besten für den Individualverkehr geeigneten Energieträger sind und bleiben.
Die zurzeit erkannten Rohölquellen (und
die möglicherweise noch nicht erforschten
beziehungsweise künftig mit veränderter
Technologie förderbaren weiteren Vorkommen) müssen deshalb sinnvollerweise bevorzugt Verwendung im Individualverkehr
finden. Dank ihrer Energiedichte, ihres vergleichsweise unproblematischen Handlings
und der vorhandenen Infrastruktur sind sie
nicht zuletzt aus volkswirtschaftlichen
Überlegungen für den mobilen Einsatz prädestiniert. Dies gilt in gleicher Weise für
die fossilen Gasvorkommen.
Demgegenüber steht die stationäre Energiegewinnung. Hier sind für die Zukunft
AUTOR
DR. GERD KLEINERT
ist seit 2001 Vorsitzender des
Vorstandes der Kolbenschmidt
Pierburg AG und Mitglied des
Vorstandes der Rheinmetall AG.
AGR-Kühlermodul
EGR cooler module
5
EI N F Ü H R U N G
Leichtbaukolben Liteks
Lightweight piston Liteks
durchaus neue Formen der Energieerzeugung denkbar. Die Bandbreite möglicher
Ansätze reicht dabei von kleinen dezentralen Blockheizkraftwerken bis zum Einsatz von stationären Brennstoffzellen zur
Gewinnung elektrischer Energie.
Als möglichem Energiespeicher der Zukunft kommt Wasserstoff aus meiner Sicht
eine besondere Rolle zu, immer vorausgesetzt, er wird per Elektrolyse mit Hilfe erneuerbarer Energien, also Wasser, Wind
oder Sonne, gewonnen. Wasserstoff kann
solchermaßen nicht nur in stationären Aggregaten eingesetzt werden. Er kann darüber hinaus seinen Einsatz beispielsweise
auch ohne den „Umweg“ über die Brennstoffzelle finden. So ist auch eine direkte
Verbrennung in Motoren ein probates Mittel, um die Abhängigkeit von fossilen
Rohstoffen zu begrenzen. Hinzu kommt,
dass der Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur zum Betanken weniger kostenintensiv sein dürfte als bei anderen neuen
Energien. Und schließlich könnte für die
Zukunft durchaus auch ein Wasserstoffantrieb für Flugzeuge denkbar sein, denn
die Raumfahrt macht uns das ja jetzt
schon vor.
Darüber hinaus bieten alternative Kraftstoffe eine weitere Chance, die Abhängigkeit von den vorhandenen Rohstoffquellen zu verringern. Hier hat in den zurückliegenden Jahren ein Lernprozess stattgefunden, der uns heute davon ausgehen
lässt, dass beispielsweise Biokraftstoffe
grundsätzlich nur aus Biomaterial außerhalb der menschlichen Nahrungskette gewonnen werden dürfen.
Eingedenk dieser Vorüberlegungen zur
künftigen Energiesituation haben wir den
6
eingangs geschilderten umfangreichen Fragenkatalog in unserem Unternehmen für
einen definierten Planungszeitraum beantwortet. Wir gehen danach davon aus, dass
in diesem festgesetzten Zeitrahmen trotz
der zunehmenden „Elektrifizierung“ der
Mobilität auf absehbare Zeit der nach wie
vor größte Teil der auf den Markt kommenden Fahrzeuge konventionell angetrieben
werden wird. Sei dies durch einen reinen
Verbrennungsmotor oder durch die bereits
existierenden Grade und Formen der Hybridisierung. Hiermit einher geht die Fortführung des bereits seit den 1980er-Jahren
festzustellenden Trends zu höherer spezifischer Leistung. Daraus folgt, dass Kolbenschmidt Pierburg seinen Entwicklungsschwerpunkt auch in den nächsten Jahren
auf die Verbesserung der konventionellen
Motorentechnik legen wird, verbunden mit
einer weiteren konsequenten Orientierung
auf die Themenkreise Verbrauchs- und
Schadstoffreduzierung sowie PerformanceSteigerung.
Ein Beispiel aus der Dieseltechnologie
zeigt die hervorragenden Ergebnisse der
Motorenentwicklung der letzten gut 20
Jahre. Wenn wir einen heutigen leistungsfähigen Dieselmotor mit seinem Vorgänger aus den 1980er-Jahren vergleichen, so
wurde in diesem Zeitraum die Leistung
um rund 150 % gesteigert, der Partikelausstoß halbiert und der Verbrauch um
20 % gesenkt. Es ist also motorentechnisch und im Gesamtfahrzeug bereits viel
erreicht worden, aber wir sehen nicht zuletzt im Sinne einer Nachhaltigkeit des
Wirtschaftens durchaus noch weiteres Potenzial für Verbesserungen.
In den Geschäftsfeldern, in denen die
Kolbenschmidt Pierburg Gruppe heute
und in Zukunft aktiv sein wird, betrifft
dies beispielsweise Themenbereiche wie
die Optimierung von Ladungswechsel und
Brennverfahren, verbesserte Wirkungsgrade, die Reibungsminimierung, den
Leichtbau in allen Bereichen sowie die
Verbesserung von Nebenaggregaten.
Der Themenkreis Optimierung von Ladungswechsel und Brennverfahren betrifft
uns beispielsweise über die motorischen
Maßnahmen Turboaufladung, „Downsizing“, Direkteinspritzung oder Magerbetrieb. Insbesondere der Ottomotor der Zukunft wird stark geprägt sein von einer Variabilisierung im Bereich Ladungswechsel.
Dies ist ein Produktsegment, in dem sich
Pierburg als Spezialist für Luftversorgung
Kolben aus Hochleistungslegierung KS 309
Piston of high-performance
KS 309 alloy
I N T R O D UCTI O N
IDEAS FOR ANOTHER 100 YEARS
A company’s centennial is unarguably a special occasion. In such a situation we might be tempted to focus
attention on our history, the heritage of the founding fathers and the, admittedly exciting and eventful, growth of
our company.
EVALUATION OF FUTURE
CHALLENGES
More than ever before, this question implies an assessment of the future of engine technology. Related are such issues
as exactly how precise are the predictions
on the part of the established market research institutes and – even more complex – a forecast of future political and societal parameters, throughout the world.
Fueled not least of all by the global climate debate, the issue of “electrically
powered mobility” has even prior to the
Frankfurt Motor Show (IAA) in September
2009 gained momentum as a popular talking-point. There’s no disputing that this
mode of mobility will come. Uncertain at
the moment is its rate of proliferation.
And, here the pundits agree, this will depend on the development of electricity
storage systems.
As long as we do not have a quantum
leap in such matters as battery weight, recharging cycles, storage capacity, and life
cycle, battery-powered cars will in the medium term be confined to clearly defined
scenarios such as urban commuter traffic.
The present highly polemical debate regarding CO2 emissions has meanwhile become less emotional and this is an encouraging overall trend. A recent study conducted by an Öko-Institut-related consortium
and commissioned by Germany’s Federal
Ministry for the Environment, reached the
conclusion that Germany by 2020 can save
up to 43 % of its greenhouse emissions
compared with 1990. The driving factor
would be the electricity sector where, between 2005 and 2030, savings of around
250 million t CO2 could be achieved [1].
There can be no disputing that the
automobile will continue to play a major
role in CO2 reduction but it cannot resolve
the entire problem alone. Other contributions are required, too, such as a higher
share of renewable resources in the generation of electricity and, at least, the use of
CO2-minimizing energy-generation techniques. Other vast potentials for society
and industry in this context are the savings achievable through heat insulation
both in residential buildings and in production. Still, according to present technology and the parameters predictable for
the foreseeable future, fossil fuels will remain the source of energy best suited for
private transport.
The crude oil resources presently identified (and those not yet discovered or only
accessible with the aid of modified technologies) must therefore enjoy priority in
private transport. Thanks to their density,
their relative ease of handling and the already existing infrastructure, these resources are, not least of all in the interests
of the national economy, best suited for
mobile applications. The same applies to
fossil gas resources.
In contrast, we have stationary energy
where, in future, new forms of energy
production are quite conceivable. The
spectrum of possible applications ranges
from small local combined heat-power
plants to stationary fuel cells for generating electricity.
As I see it, among the possible future
energy storage systems a special role will
be played by hydrogen, always assuming
this is produced by electrolysis with the
aid of renewables – water, wind or sun.
Hydrogen as such can be used not only in
stationary applications. And, it can also
be employed without the “detour” of a
fuel cell. Direct combustion in engines is
a proven technique for limiting our reli-
ance on fossil resources. Added to this is
the fact that the setting-up of the corresponding refueling infrastructure is likely
to be less costly compared with other new
forms of energy. And, finally, hydrogen
propulsion for aircraft is already conceivable as demonstrated by space travel.
Alternative fuels represent a further opportunity for reducing our reliance on existing resources. Over recent years we’ve
seen a learning process in this respect according to which present-day opinion is
that, for example, biofuels should only be
produced from sources outside the human
food chain.
On the basis of these upstream considerations of the future energy situation we have
come up with answers for a defined planning period to the initially outlined extensive question catalogue. We assume that
within this period and despite the increasing “electrification” of mobility, the majority
of road vehicles arriving on the market will
still be conventionally powered, either purely by internal combustion engines or the already existing grades and forms of hybrid
propulsion. This will be accompanied by
the trend toward higher specific power or
power density which has been observable
since the 1980s. As a consequence, Kolbenschmidt Pierburg will over the years ahead
continue to direct its development efforts at
improving conventional engines, specifically
in terms of fuel efficiency, emission reduction, and performance enhancement.
AUTHOR
DR. GERD KLEINERT
since 2001, CEO of Kolbenschmidt
Pierburg AG and Executive Board
Member at Rheinmetall AG.
7
EI N F Ü H R U N G
weiter etablieren wird. Dies zusätzlich zum
bereits bekannten und fast schon traditionellen Thema der Restgassteuerung, beispielsweise der externen gekühlten Abgasrückführung. Bei letzterer verfügen wir
über eine rund 40-jährige Erfahrung sowohl bei Diesel- als auch bei Ottomotoren.
Ottokolben mit Nanofriks-Beschichtung
Gasonline piston with
Nanofriks coating
GEKÜHLTE ABGASRÜCKFÜHRUNG
Die Abgasvorschriften werden strenger:
seit kurzem gilt Euro 5 und ab Ende 2014
bereits Euro 6. Um diese Vorgaben zukünftig erfüllen zu können, müssen die
Strategien zur Schadstoffreduzierung stetig verbessert werden. Beim Dieselmotor
gilt dies insbesondere für die weitere Reduzierung der Stickoxide (NOX), die für
Euro 5 nur 0,18 g/km und für Euro 6 sogar 0,08 g/km betragen dürfen.
Pierburg hat dazu ein Modul zur gekühlten Abgasrückführung entwickelt, das eine
Regelung sowohl der AGR-Masse als auch
der AGR-Temperatur erlaubt, . Die gekühlte AGR gilt als bevorzugte Maßnahme
zur Beherrschung der NOX-Problematik am
Dieselmotor. Denn durch die Rückführung
gekühlter Abgase können die NOX-Emissionen betriebspunktabhängig um mehr als
70 % abgesenkt werden.
Anders als am stöchiometrisch betriebenen Ottomotor wirkt die AGR am Dieselmotor jedoch nicht durch die Erhöhung
der Ladungsmasse, sondern über die reduzierte O2-Konzentration der Zylinderladung. Wird das Abgas vor der Wiedereinleitung zusätzlich gekühlt, so wird das
Temperaturniveau der Zylinderladung
weiter abgesenkt. Außerdem nimmt das
gekühlte Abgas ein kleineres Volumen
ein, so dass der Motor bei gleichem Ladedruck mehr Luftmasse ansaugen kann.
Die hierdurch bewirkte Erhöhung des
Luftverhältnisses wirkt sich sowohl auf
die Partikelemissionen als auch auf den
Verbrauch positiv aus.
Das Modul wird überwiegend aus Aluminium-Druckgussteilen aufgebaut und
besteht aus einem elektromotorischen
AGR-Ventil, einem kühlmitteldurchströmten AGR-Kühler mit integriertem Bypass
und einer Klappe, die bedarfsgerecht zwischen Kühler- und Bypassbetrieb umschaltet.
Temporär werden hohe Abgastemperaturen zur Reinigung der abgasführenden
Komponenten benötigt. Dabei werden jedoch alle Bauteile, insbesondere die elek-
8
trische Aktuatorik und Sensorik, starken
Belastungen ausgesetzt. Um im Zusammenspiel mit der hohen Wärmeleitfähigkeit
von Aluminium auch die peripheren Bereiche durch das Kühlwasser effektiv zu erfassen, wurde schon zu Beginn der Konstruktionsphase mit FEM-Simulationen gearbeitet. Dadurch kann immer dann auf
heiße AGR umgeschaltet werden, wenn hohe Abgastemperaturen verlangt werden –
wie zum Beispiel zur Regeneration von Filtersystemen im Abgasstrang.
NIEDERDRUCK-AGR
Um die zur Erfüllung der Abgasvorschrift
Euro 6 notwendigen höheren Abgasrückführ-Raten zu erzielen, wird künftig bei
turboaufgeladenen Motoren neben der beschriebenen Hochdruck-Abgasrückführung
(HD-AGR) zunehmend die so genannte
Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR)
genutzt werden. Wesentliche Vorteile der
Niederdruck-Abgasrückführung, bei der
die Entnahme von sauberem, rußfreien
Abgas nach dem Dieselpartikelfilter erfolgt,
sind ein vermindertes Stickoxidemissionsverhalten des Motors und ein gleichzeitig
optimiertes Betriebs- und Wirkungsgradverhalten des Abgasturboladers.
Neu entwickelt wurde für diese Anwendung ein elektromotorisch betriebenes
HighFlow ND-AGR-Ventil, das den Druckverlust gegenüber konventionellen AGRVentilen ohne Verzicht auf interne Dichtheit
um bis zu 50 % reduziert. Das Ventil weist
einen berührungslosen rotatorischen Positionssensor auf, der es erlaubt, das Abgasrückführventil durch die Motorsteuerung
betriebspunktgenau einzuregeln.
Sofern das Druckgefälle nicht ausreicht,
um die notwendige ND-AGR-Rate darzustellen, können Drosselorgane wie beispielsweise Drosselklappen zur Anhebung
der Druckdifferenz verwendet werden.
Die AGR-Rate wird dabei sowohl durch
die Kombination von Einzelkomponenten
als auch durch integrierte Lösungen, so
genannte Kombiventile, geregelt. Kombiventile vereinen als 3/2-Wege-Ventile die
Funktionalität von AGR-Ventilen und
Stauklappen in einer Komponente und
können heißseitig oder kaltseitig eingesetzt werden.
Die mit der Verschärfung der Emissionsgesetzgebung einher gehenden erhöhten Anforderungen an die Motor- beziehungsweise AGR-Regelung erfordern zukünftig neue
Sensorkonzepte. Speziell für den Bereich
der Abgasrückführung bietet Pierburg deshalb einen neuartigen Abgasmassenstromsensor auf Basis der Heißfilmanemometrie
an. Sein Messfühler auf Keramikbasis ist
eigens für den Einsatz in motorischem Abgas entwickelt worden und erlaubt somit
erstmals die Erfassung der Abgasmasse als
direkte Mess- und Regelgröße.
TECHNOLOGIEPAKET FÜR
OTTOKOLBEN
Downsizing, Aufladung, Direkteinspritzung und höhere Leistungsdichten sind
die wesentlichen Trends, wenn es um moderne Ottomotoren geht. Für die Motorkomponente Kolben heißt das: Hohe Festigkeit und Zuverlässigkeit bei möglichst
E I N F ÜHR UNG
wenig Gewicht und möglichst geringer ReiZum Einsatz kommt diese Nanobebung. Genau für diese Anforderungen bieschichtung unter anderem im Leichtbautet KS Kolbenschmidt ein auf Leichtbau,
kolben Liteks 2, der heute in allen unseren
, und reduzierte Reibung abgestimmtes
aktuellen globalen Otto-Serienprojekten eiTechnologiepaket, das in verbrauchs- und
ne zentrale Rolle spielt. Das Konzept wird
CO2-optimierten Motorengenerationen zum Einsatz kommt.
Auf der Werkstoffseite
wird das konsequent aufgebaute Technologiepaket durch die Legierung
KS 309 komplettiert. Sie
erzielt eine um 20 bis
25 % höhere Kolbenfestigkeit im relevanten
Temperaturbereich von
200 bis 350 °C. Damit
unterstützt sie optimal
die Anforderungen rei'$ !"" '" %$ bungs- und gewichtsop! ""
" ' '" #&"
timierter Kolben wie sie
'"
"&"$ "!"" ' '
in heutigen und zukünftigen Motorengenerationen zum Einsatz kommen werden. Zusätzlich
konsequent weiterentwickelt und ermögliwurde KS 309 mit einem besonderen Focht aktuell noch größere Gewichtseinspakus auf die Gießbarkeit entwickelt, um
rungen von insgesamt etwa 25 % bei konsauch innerhalb der Prozesstechnologie
tant hoher Schaftreibungsreduktion von bis
weitere Potenziale hinsichtlich der Thezu 50 % gegenüber Standard-Ottokolben,
men Leichtbau und Gewichtsreduktion
. Diesen Weg werden wir auch im Hindurch dünnwandigeren Aluminiumguss
blick auf neue Gießverfahren, den Einsatz
realisieren zu können, .
Die bereits 2008 erstmalig bei einem
von Carbo-Nano-Partikeln sowie die Entgroßen europäischen Kunden in Serie einwicklung von neuen Lackbeschichtungen
geführte Schaftbeschichtung Nanofriks
weiter beschreiten.
spielt bei der Entwicklung moderner Ottokolben ebenfalls eine zentrale Rolle. Wie
KOMPETENZ BEI KOLBENSYSTEMEN
motorische Reibleistungsuntersuchungen
Nachdem die Entwicklung tragfähiger Kolbestätigten, weist diese Beschichtung im
bensysteme traditionell von den HerstelVergleich zu bestehenden Kolbenbeschichlern direkt betreut wurde, zeigt sich bei
tungen bis zu 10 % weniger Reibung und
den OEMs seit einiger Zeit ein Trend, diese
bis zu 50 % weniger Verschleiß auf.
Aufgaben an Zulieferer mit langjähriger
Entwicklungskompetenz zu übertragen. In
der Praxis hat die Erfahrung der letzten
Jahre gezeigt, dass Kunden zunehmend ein
definiertes Integrations- und Projektmanagement nachfragen und
gezielt in ihren eigenen
Entwicklungsprozess einbeziehen. Als unabhängiger Systemintegrator ist
KS Kolbenschmidt in der
Lage, genau diejenigen
Komponenten etablierter
Hersteller auszuwählen
und zu einem System zu
integrieren, die technologisch und wirtschaftlich
am Besten zu den jeweiligen Anforderungen des
Kunden passen. Wir übernehmen hierbei das Prozess- und Schnittstellenmanagement zwischen
Kunden und Komponentenanbietern.
Um sowohl technisch
als auch logistisch innerhalb des Projektmanagements die besten Ergebnisse zu
erzielen, arbeitet KS Kolbenschmidt bevorzugt mit ausgewählten Partnern im
Rahmen globaler Allianzen zusammen.
So besteht beispielsweise mit Nippon Piston Ring Co. als renommiertem japanischen Hersteller von Kolbenringen seit
2007 eine Kooperation, in der wir gemeinsam Kolbensysteme für die Pkw- und
Nutzfahrzeugmärkte entwickeln. Zusätzlich werden unter Nutzung der globalen
Entwicklungskapazitäten beider Partner
zukunftsweisende Vorentwicklungsprojekte durchgeführt.
Hierbei bringt auch die KS AluminiumTechnologie GmbH ihre Kompetenz be-
Schwerkraft-Kippguss mit schichtend steigender Füllung
Gravitity tilt casting for layered filling
9
EI N F Ü H R U N G
züglich der Laufflächentechnologie von
Aluminium-Kurbelgehäusen innerhalb des
Kolbensystems ein. Durch gemeinsame
Entwicklungs- und Kundenprojekte, koordiniert und durchgeführt am Stammsitz
beider Kolbenschmidt Pierburg Geschäftsbereiche in Neckarsulm, können die
Reibleistungs- und Gewichtspotenziale
moderner Pkw-Motoren konzentriert und
erfolgreich erschlossen werden.
Ein weiterer Baustein der Systemkompetenz ist die Partnerschaft mit Metaldyne, weltweiter Marktführer im Segment
von pulvermetallurgisch hergestellten
Pkw-Pleueln. Mit Metaldyne besteht eine
strategische Partnerschaft zur gemeinsamen Entwicklung und Vermarktung von
gewichtsoptimierten Kolben-Pleuel-Modulen. Zum Tragen kommt in diesem Zusammenhang auch das Schwesterunternehmen KS Gleitlager GmbH, welches als
Spezialist für hochpräzise Gleitelemente
des Kolbensystems Gleitlager und Gleitbuchsen für das große und kleine Pleuelauge liefert.
GLEITLAGER FÜR
START-STOPP-BETRIEB
Das automatische Abschalten des Motors
beim Fahrzeugstopp soll zukünftig von al-
PTWA-Zylinderlaufschicht
PTWA cylinder working
surface
len Fahrzeugherstellern als Maßnahme
zur Verbrauchs- und damit Emissionsreduzierung eingeführt werden. Die damit
deutlich erhöhte Anzahl der Startvorgänge
birgt zusätzliche Anforderungen an die
Gleitlager. Bei jedem Start des Motors
durchläuft der Kontakt zwischen Welle
und Gleitlager immer den Mischreibungsbereich, bevor sich Hydrodynamik aufbauen kann. Im normalen Fahrzeugleben
mit einer vergleichsweise geringen Anzahl
an Startvorgängen ist der systembedingte
Verschleiß infolge Mischreibung vernach-
lässigbar. Die große Anzahl von Warmstarts im Start-Stopp-Betrieb verlangt jedoch nach Lagern, die selbst unter solch
verschärften Bedingungen einen minimalen Verschleiß über die Motorlebensdauer
aufweisen. Vor diesem Hintergrund entwickelt die KS Gleitlager GmbH optimierte
Hochleistungswerkstoffe und beschreitet
dabei neue Wege bei deren Auslegung
und Prüfung. Zudem machen neue Kraftstoffe und Schmierstoffe eine Anpassung
der Gleitwerkstoffe an die erhöhten Anforderungen notwendig.
LEICHTBAU
Motorblock in Closed-deck-Bauweise
Closed deck engine block
10
Mit dem Einsatz von Leichtmetallen bei
Zylinderkurbelgehäusen und zusätzlich
auch bei Strukturbauteilen oder Fahrwerkskomponenten versuchen die Automobilhersteller in Verbindung mit zukunftsweisenden bionischen Konstruktionsformen das Gesamtgewicht moderner
Fahrzeuge zu reduzieren und setzen dabei
verstärkt auf die Kompetenz der Zulieferer
bezüglich optimierter Gießverfahren bei
der Verwendung des Werkstoffes Aluminium. Wir entsprechen diesem Trend durch
unsere breite Palette von einsetzbaren
Gießverfahren und die weitere Perfektionierung der Laufflächenkompetenz sowohl in der Fertigbearbeitung als auch bei
Beschichtungssystemen.
So setzt KS Aluminium-Technologie,
zurzeit größter Produzent von Zylinderköpfen in China, beispielsweise in seiner
europäischen Zylinderkopfproduktion seit
neuestem ein selbst entwickeltes Kippgießverfahren ein, , das insbesondere
den Anforderungen hoch beanspruchter
The diesel engine illustrates the outstanding results obtained over the past
good twenty years. If we compare a
present-day efficient diesel engine with its
predecessor from the 1980s, we find that
during the elapsing period power has
been upgraded by around 150 %, particulate emissions halved, and consumption
has shrunk by 20 %. Engine-wise, also on
the entire vehicle, much has been
achieved. Nonetheless, in the interests of
economic sustainability we still identify
further improvement potentials.
In those areas in which the Kolbenschmidt Pierburg Group is operating now
and in future, such potentials are seen in
improvements to gas exchange and combustion processes, efficiency rates; reducing friction, weight abatement in all areas,
and ancillary component improvements.
Gas exchange and combustion processes are closely related to our preoccupation
with turbocharging, downsizing, direct injection, and lean engine operation. Variable gas exchange will be a predominant
feature on tomorrow’s gasoline engines
and Pierburg, with its experience in air
management, is well-established in this
sector. This is in addition to the wellknown and already traditional subject of
residual-gas control through, e.g., external
cooled exhaust gas recirculation. This latter is an area in which we command
around 40 years of experience in working
with both diesel and gasoline engines.
COOLED EXHAUST-GAS
RECIRCULATION
Exhaust gas standards are becoming more
stringent. Euro 5 has come into force only
recently and starting from the end of 2014,
we will be confronted with Euro 6. To meet
the challenges posed by these standards
we must repeatedly fine-tune our emission
reduction strategies. On diesel engines, this
applies in particular to another reduction
in nitrogen oxide (NOX) for which Euro 5
sets a limit as low as 0.18 g/km and Euro 6
as low as 0.08 g/km.
To this end, Pierburg has developed its
cooled EGR module that allows a control
of both the mass flow and the temperature of the recirculated exhaust gases, .
Cooled recirculated exhaust gas is considered to be a preferred means of getting to
grips with NOX problems on diesel engines and, depending on the engine's op-
erating mode, allows a reduction of over
70 %.
Unlike on the stoichiometric gasoline
engine, EGR on a diesel engine works not
by raising the charge mass but through reducing the O2 concentration in the cylinder charge. And, if before its reintroduction into the system, the exhaust gas is
additionally cooled, this results in another
decrease in the cylinder charge temperature. The cooler exhaust gas, moreover,
has a lower volume which, in turn, enables the engine for the same charge pressure to take in more air. The accompanying higher proportion of air has a beneficial effect on both particulate emissions
and fuel consumption.
The module itself is chiefly built from
aluminum castings and consists of an
EGR valve (electric motor actuated), an
EGR cooler (through which the coolant
flows) with an integrated bypass valve
and a flap that alternates between cooler
and bypass operation, depending on requirements.
There are times when high exhaust gas
temperatures are needed for cleaning the
components that route the exhaust gases.
Under these conditions, all the components, especially the actuators and sensors, are exposed to severe punishment.
So that the cooling water also effectively
acts on the peripheral areas in combination with the high conductivity of the aluminum, FEM simulations were conducted
right from the start. These make sure the
system always reverts to hot recirculated
exhaust gases whenever high exhaust gas
temperatures are required as when regenerating the exhaust system filters.
LOW-PRESSURE EGR
In order to attain the higher recirculation
rates required for Euro 6 compliance, future
turbocharged engines will, in addition to
high-pressure EGR, increasingly use the
low-pressure variety. On this, the clean,
sootless exhaust gases are extracted downstream of the diesel particulate filter. The
benefits of this: reduced nitrogen oxides
combined with improved (exhaust-gas driven) turbocharger operation and efficiency.
Newly developed for these conditions is
an electric motor-actuated high-flow, lowpressure EGR valve that, compared with
conventional such valves and with no
compromise in leakage proofness, reduces
pressure by up to 50 %. The valve has a
contactless rotating position sensor that
allows the engine controller to regulate
the EGR valve with spot-on precision.
To the extent that pressure difference is
inadequate for achieving the necessary
low-pressure EGR rate, various throttling
elements and flaps can be used for widening the pressure difference. The EGR rate
is then regulated through a combination
of individual components as well as with
the aid of combined valves. Of 3/2-way
design, the combined valves merged the
functions of EGR valves and sensor flaps
within a single component and can be
mounted upstream or downstream.
EXHAUST-GAS MASS-FLOW SENSOR
The tighter emission standards pose tougher
challenges for the engine and EGR systems,
challenges that call for new sensor strategies. Specifically for EGR, Pierburg therefore
offers a new type of exhaust-gas mass-flow
sensor based on hot-film anemometry. This
ceramic-based sensor has specifically been
developed for engine exhaust gases and, for
the first time, allows exhaust-gas masses to
be directly determined as a measuring and
controlling variable.
TECHNOLOGY PACKAGE FOR
GASOLINE ENGINES
Downsizing, turbocharging, direct injection, and increased power density – these
are the essential trends in today’s gasoline
engine technology. For the engine’s pistons, this means: high strength and dependability combined with as little weight
as possible, , and friction that is as low
as possible. Specifically for these requirements, KS Kolbenschmidt offers a lightweight, reduced-friction technology package for installation in low-consumption,
reduced-CO2 engine generations.
In terms of material ingredients, the
modular technology package can be
topped with the KS 309 alloy. This latter
ensures 20 to 25 % higher piston strength
in the critical 200 to 350 °C temperature
range and hence this material ideally addresses the need for low-friction, lowweight pistons as used in present and future engine generations. KS 309 has also
been developed for good casting properties and hence to allow within the process
technology chain, further weight reduc-
11
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SONDERN MIT VERBESSERUNGEN
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tions thanks to the thin-walled aluminum
castings, .
First rolled out in series production for
a major European manufacturer in 2008,
NanofriKS piston shaft coating is likewise
playing a key role in the development of
today’s gasoline pistons. As endorsed by
friction analyses, in comparison to conventional piston coatings this undergoes
up to 10 % less friction and up to 50 %
less wear.
Among the applications of nanocoating
is the lightweight Liteks 2 piston which is
an essential ingredient of all present-day
series-produced gasoline engines. The
concept is being rigorously pursued and
meanwhile achieves weight savings of
around 25 % for a consistently high shaft
friction reduction of up to 50 % compared
with standard gasoline engine pistons, .
We are continuing along this course also
with respect to new casting techniques,
the use of carbo-nanoparticles and the development of new coatings.
neering capacities to work on visionary
predevelopment projects.
Another piston-assembly contributor is
KS Aluminium-Technologie GmbH with
its expertise in the cylinder wear surfaces
of aluminum engine blocks. Shared R&D
and customer projects coordinated and
executed at the Neckarsulm headquarters
of both these Kolbenschmidt Pierburg divisions allow friction-reduction and
weight-saving potentials inherent in today’s car engines to be successfully exploited within a concentrated and concerted effort.
Another example of systems competence is our partnership with Metaldyne, a
global leader in powder-metallurgy connecting rods. Together, we’ve entered into
a strategic partnership for developing and
marketing low-weight pistons/con-rod
modules. Also involved is the affiliate KS
Gleitlager GmbH in its capacity as a specialist in high-precision plain bearings and
bushings for both ends of the con-rod.
PISTON SYSTEM COMPETENCE
PLAIN BEARINGS FOR START-STOP
OPERATION
Traditionally the OEMs have applied their
in-house resources to the development of
piston systems and assemblies but for
some time now the trend has been to
transfer this task to suppliers with longstanding engineering development capabilities. Recent years’ experience has
shown that customers are increasingly
looking for defined integration and project
management skills that can be interlinked
with their own inhouse development efforts. As an independent first-tier supplier,
KS Kolbenschmidt is in a position to select components from established sources
and assemble them into a system that
best addresses, both in engineering and
economic aspects, the OEM's requirements. What we do is take over processes
and interface management between customers and component suppliers.
KS Kolbenschmidt prefers to work together with chosen partners within a global alliance. This is the best way to ensure
the best results both in engineering and
logistic terms. A case in point: since 2007
one such agreement has existed with Nippon Piston Ring Co., a renowned Japanese manufacturer of piston rings. Together, we develop piston assemblies for the
auto and truck markets. At the same time,
the two partners unite their global engi-
It seems that automatic engine shutoff
when the vehicle comes to a halt is to be
generally employed as a means of reducing
fuel consumption and hence emissions.
The accompanying much larger number of
engine restarts inevitably takes its toll on
the engine bearings. Whenever the engine
restarts, contact between shaft and plain
bearings undergoes a mixed or semifluid
friction phase before the hydrodynamics
build up. Under normal conditions with a
relatively low number of restarts during
engine life, such type of bearing wear is
negligible. However, the much larger
number of warm starts under start-stop
condition calls for bearings that even under these more punishing environments
suffer minimum wear in the course of the
engine life. For such conditions, KS Gleitlager GmbH has come up with fine-tuned
high-duty materials and ventured into new
terrain regarding their design, composition,
and testing. Moreover, new fuels and lubricants require corresponding modifications
in the sliding materials.
LOSING WEIGHT
The use of aluminum for engine blocks as
well as for the structural and chassis/sus-
pension components of the vehicle combined with advanced bionic designs is an
attempt by automakers to reduce the overall weight of today’s cars. In adopting
these approaches, they are increasingly relying on supplier capabilities in the best
possible casting of aluminum parts and
components. We are addressing this trend
with a broad array of casting techniques
and by perfecting wear-surface properties
both at the net-machining phases and
through the application of coatings.
KS Aluminium-Technologie, presently
China’s biggest producer of cylinder
heads, has since recently in its European
cylinder head production used its self-developed tilt-casting technique with special
advantages in addressing the requirements of highly stressed engines, . In
addition, a new form of plasma transfer
wire arc (PTWA) technology serves to
supplement the cylinder surface portfolio.
A thin top coating, for example iron
based, is applied to the cylinder bore. In
the process, the monolithic character of
the engine block remains virtually unchanged while offering extra potential for
friction reduction, . Developments pursued together with customers are now underway and we expect series production
in the period 2013 to 2015.
CASTING TECHNIQUES AND
TECHNOLOGIES FOR DOWNSIZING
Downsizing, and the accompanying advance in specific power or power density
to make up for displacement decrease, entails a dramatic increase in engine component stress. This, in turn, generates a need
for very economically manufactured,
small, lightweight yet high-strength engine blocks, .
A further optimization of diesel engine
combustion and, in the case of gasoline
engines, direct injection with exhaust-gas
turbocharging or else a compressor –
these are trends that lead to a rise in ignition pressure and hence, especially, bearing-block load. Our modular pressure-die
casting program embraces solutions for
enhancing the strength of downsized engine blocks and includes the successful
predevelopment of an inline fourcylinder
diesel engine with an ignition pressure
that exceeds the “sound barrier” of
200 bar. Series production is presently being prepared together with the customer.
13
EI N F Ü H R U N G
Mechanische Wasserpumpe mit Kupplung
Mechanical water pump
with clutch
Motoren gerecht wird. Mit einer neuartigen PTWA-Technologie (Plasma Transferred Wire Arc) ergänzt sie zudem ihr
Zylinderlaufflächenportfolio. Bei diesem
Verfahren wird eine dünne Laufschicht
beispielsweise auf Eisenbasis in der Zylinderbohrung appliziert, wobei der monolithische Charakter des Zylinderkurbelgehäuses quasi erhalten bleibt. Das Verfahren weist zusätzliches Potenzial zur Reduzierung der Reibleistung auf, . Derzeit
laufen Entwicklungsprojekte mit Kunden
und wir erwarten einen Serieneinsatz für
den Zeitraum 2013 bis 2015.
GUSS-KONZEPTE UND TECHNOLOGIEN IM DIENSTE DES DOWNSIZING
Downsizing und die damit einhergehende
Leistungskompensation durch eine Steigerung der spezifischen Leistung zieht eine
drastische Erhöhung der Bauteilbeanspruchung im Motor nach sich. Dies generiert
einen Bedarf an vor allem sehr wirtschaftlich herstellbaren, kleinen, leichten und
dennoch hochfesten Zylinderkurbelgehäusen, .
Die weitere Optimierung der dieselmotorischen Verbrennung, aber auch die
Benzindirekteinspritzung mit Abgasturboaufladung oder Kompressor beim Ottomotor lassen die Zünddrücke und damit
speziell die Lagerstuhlbeanspruchung
weiter steigen. Mit unserem modularen
Druckgusskonzept bieten wir Lösungen
14
unter anderem zur Festigungssteigerung
downgesizter Zylinderkurbelgehäuse und
haben die Vorentwicklung eines Zylinderkurbelgehäuses für einen R4-ZylinderDI-Dieselmotor, dessen Zünddruck die
„Schallmauer" von 200 bar durchbricht,
erfolgreich abgeschlossen. Serienentwicklungsprojekte werden aktuell mit
Kunden bearbeitet.
Die erforderliche statische und dynamische Festigkeitssteigerung basiert dabei
auf uneingeschränkt wärmebehandelbarem Druckguss. Dieser beinhaltet neben
zahlreichen Einzelmaßnahmen eine optimal behandelte Schmelze, eine stark evakuierte Druckgießform und ein innovatives Formkühlungskonzept. Das porenarme Gussgefüge im Zylinderbohrungsbereich eröffnet zudem die Option einer
Laufflächenbeschichtung.
PUMPEN
Bereits heute sind wir in diesem Produktbereich mit einer Vielzahl von Anwendungen in modernen Antriebskonzepten
vertreten und an der Entwicklung solcher
Fahrzeug-Plattformen beteiligt. In der
konventionellen Motorentechnik stellen
wir darüber hinaus eine konstant wachsende Nachfrage nach bedarfsgesteuerten
Aggregaten fest, seien sie nun mechanisch
oder elektrisch angetrieben, . Diese
Kühlmittel-, Öl- und Vakuumpumpen stellen einen weiteren entscheidenden Faktor
zur Verbrauchsminderung und damit zur
Senkung des CO2-Ausstoßes dar.
Seit einiger Zeit arbeitet Pierburg
Pump Technology daher zusätzlich zu
dem bekannten Produktportfolio der
konventionellen mechanischen Kühlmittelpumpen auch an der Entwicklung vollvariabler mechanischer Varianten. Im
Vergleich zu den konventionellen Pumpen bieten sie den Vorteil, dass sie unabhängig von der Motordrehzahl für jeden
Betriebspunkt des Motors genau die tatsächlich benötigte Kühlleistung zur Verfügung stellen können. Dabei wird mittels eines Aktuators der Kühlmittel-Volumenstrom zum Beispiel in Anhängigkeit
der Motortemperatur auf die Erfordernisse des Motors angepasst. In Kombination mit einer intelligenten Pumpenansteuerung ermöglicht dieses Konzept Verbrauchseinsparungen sowohl in weiten
Bereichen des Motorkennfeldes als auch
in bestimmten Betriebsphasen wie Kaltstart und Warmlauf.
NEUE ANWENDUNGSGEBIETE
Neue Einsatzgebiete elektrischer Kühlmittelpumpen bestehen für Pierburg Pump
Technology bei Hybrid- und Elektroantrieben zur Kühlung der Leistungselektronik
und der DC-DC-Konverter. Bei HybridFahrzeugen befinden sich elektrische
Kühlmittelpumpen bereits in Serie. Sie
werden zur Batteriekühlung und zur Nutzung der Abwärme für die Innenraumheizung verwendet. Auch durch das Downsizing und Aufladen neuer Ottomotorengenerationen ergeben sich zusätzliche Kühlungsaufgaben, wie beispielsweise bei
aufgeladenen Motoren, die eine hoch leistungsfähige indirekte Ladeluftkühlung benötigen. Darüber hinaus wird 2010 ein
erstes Kundenprojekt realisiert, bei dem
unsere elektrischen Kühlmittelpumpen die
Ölkühlung eines leistungsoptimierten Hinterachsgetriebes übernehmen. Des Weiteren sind wir bereits seit Jahren in die
Entwicklung von Brennstoffzellen-Fahrzeugen involviert, in denen unsere Aggregate die Temperierung des Brennstoffzellensystems übernehmen und die momentan im Feldversuch erprobt werden.
LITERATURHINWEIS
[1] Politikszenarien für den Klimaschutz V – auf
dem Weg zum Strukturwandel. TreibhausgasEmissionsszenarien bis zum Jahr 2030, Umweltbundesamt 2009
The necessary boost in static and dynamic strength ratings is obtained from
pressure-die castings with unlimited heat
treatability through a mixture of measures
such as optimum treatment of the molten
metal, thorough die evacuation and an innovative die-cooling concept. The lowpore microstructure in the cylinder bore
area also opens up the option of coating
the wear surface.
PUMPS
Right now this product area is represented
in the shape of very many modern pumps
engineered for a variety of applications and
it is involved in the development of such
vehicle platforms. In conventional engine
technology we observe a growing market
for on-demand pumps, either mechanical
or electric, . These coolant, oil and vacuum pumps are another important factor in
achieving fuel savings and hence a reduction in CO2 emissions. Hence, for some
time now Pierburg Pump Technology has,
in addition to the well-known line-up of
conventional mechanical coolant pumps,
been developing fully variable mechanical
pumps. In comparison with the conventional variety, these have the advantage
that, irrespective of engine speed, their
output (cooling performance) is always
precisely adapted to the actual cooling requirement of the engine. With the aid of an
actuator, the coolant volume can be adapted to engine requirements in accordance
with such variables as engine temperature.
Combined with smart pump actuation, this
allows fuel savings across a broad range of
engine operating conditions including cold
and hot start-ups.
NEW APPLICATIONS
New coolant pump applications for
Pierburg Pump Technology are to be
found in hybrid and electric propulsion
systems for cooling the power electronics
and DC/DC converters. Electric coolant
pumps for hybrid-drive vehicles are already in series production – for cooling
the battery and using the residual heat
from the car interior heating. Downsizing
and turbochargers on new generations of
gasoline engines provide additional cooling applications, specifically on turbocharged engines requiring efficient indirect charge-air cooling. 2010 will see the
launch of the first OEM project in which
our electric coolant pumps handle the oil
cooling on a high-performance rear-axle
differential. For some years now, we have
also been involved in developing fuel-cell
vehicles in which our pumps are required
for temperature control of the fuel-cell
system. These applications are presently
undergoing field testing.
REFERENCE
[1] Political scenarios for climate protection V –
on the path to structural change. Propellant
scenarios, Umweltbundesamt 2009
15
HI ST O R I E
16
H ISTO R I E
100 JAHRE „ A UTO M OTIVE POWER“
Kolbenschmidt und Pierburg – zwei bedeutende Unternehmen der deutschen Zulieferindustrie werden
in den Jahren 2009 und 2010 jeweils 100 Jahre alt. Seit 1998 unter dem Namen Kolbenschmidt
Pierburg vereint, blicken beide „Jubilare“ auf bewegte Zeiten zurück, in denen sie immer wieder technische Spitzenprodukte auf der Höhe der Entwicklung anboten und damit zu etablierten Partnern der
Automobilindustrie wurden.
DIE ANFANGSJAHRE
Die Jahre 1909 und 1910 lagen in einer
Epoche des beginnenden wirtschaftlichen
Aufschwungs in Deutschland. Die Automobilindustrie war in den ersten zehn
Jahren des 20. Jahrhunderts weit vorangeschritten, immer mehr Deutsche legten
sich ein Fahrzeug zu. Aber das Auto war
noch längst kein Allgemeingut. In dieser
Zeit gründete in Berlin Bernhard Pierburg
1909 das Stahlhandelsunternehmen Gebr.
Pierburg oHG. In Tempelhof handelte
Pierburg mit hochwertigen Stählen und
Eisen als Bauteilen für Automobile, Flugzeuge und Maschinen. In der Inflationszeit ergab sich für Bernhard Pierburg
die einmalige Gelegenheit, die ebenfalls
im Stahlhandel tätige Arthur Haendler
GmbH zu erwerben. Diese besaß ein
sehr wertvolles Aktivum: eine Lizenz
zur Herstellung und zum Vertrieb von
Solex-Vergasern, die international einen
guten Ruf hatten.
Nur eine spezielle Bedingung musste
Pierburg gegenüber Solex erfüllen, um neben der Arthur Haendler auch die Lizenzrechte über den Vergaser zu erhalten: Er
schickte seinen zweitältesten Sohn, den
Ingenieursstudenten Alfred, zur Ausbildung nach Paris. Dank des technischen
und kaufmännischen Geschicks Alfred
Pierburgs gelang es in den Folgejahren
trotz starker Konkurrenz quasi eine Monopolstellung bei Vergasern aufzubauen.
Die großen Automobilhersteller dieser
Zeit wurden Kunden bei Pierburg. Der
erste Solex-Vergaser, der unter seiner
Regie gefertigt wurde, fand 1928 seinen
Platz im Motor des Hanomag P 2/10, dem
berühmt gewordenen „Kommissbrot“.
Bevor jedoch der Solex-Vergaser seinen
Siegeszug durch die deutsche Automobillandschaft antreten konnte, musste die
mittlerweile als Aktiengesellschaft firmierende Gebr. Pierburg AG die Weltwirtschaftskrise überstehen. Bernhard Pierburg gelang es, aus seiner in Konkurs gegangenen Firma die Vergaser-Lizenz zu
retten. 1931 wurde eine neue Gesellschaft
gegründet, die nur noch den Solex-Vergaser produzierte und vertrieb: Die Deutsche Vergaser Gesellschaft in Berlin.
Zu fast gleicher Zeit wie Pierburg in
Berlin wurden in Heilbronn am Neckar
die Deutschen Ölfeuerungswerke durch
Karl Schmidt, den Sohn des 1888 verstorbenen NSU-Gründers Christian Schmidt,
aus der Taufe gehoben. Nachdem er sich
als Konstrukteur bei Wilhelm Maybach
und Gottlieb Daimler sowie in Birmingham bei Herbert Austin einen Namen gemacht hatte, übernahm er einen Direktorenposten bei NSU, wo unter seiner
Leitung die ersten Motorenwagen konstruiert wurden. Danach aber verließ er
vorübergehend die Automobilbranche,
um sich dem Geschäft mit Leichtmetall
und Leichtmetall-Legierungen zu widmen: Mit fünf Mitarbeitern baute er 1910
ein Schmelzwerk auf, das schon bald so
sehr wuchs, dass Schmidt bereits 1917 ein
Freigelände neben der NSU in Neckarsulm
erwarb. Dort errichtete er ein neues Werk
zum Umschmelzen von Metallabfällen
und -spänen, besonders von Aluminium
und Al-Legierungen. Diese führten
Schmidt sehr bald zum Automobilgeschäft zurück: In den ersten Jahrzehnten
seit ihrer Erfindung fuhren die Autos auf
Deutschlands Straßen durchgehend mit
Kolben aus Grauguss. Aluminiumkolben,
die ihres leichteren Gewichts wegen besonders im Rennsport beliebt waren, erhielten für den Straßenverkehr wegen ihrer scheinbar mangelnden Hitzebeständigkeit keine Zulassung. Als aber aufgrund
positiver Rennsporterfahrungen die deut-
AUTOREN
DR. CHRISTIAN LEITZBACH
ist freiberuflicher Historiker und betreut seit 1992 das Konzernarchiv
der Rheinmetall AG in Düsseldorf.
DIPL.-ING. PETER KLOTZBACH
war mehr als ein Jahrzehnt Leiter
der Hauptabteilung Entwicklung
Schadstoffreduzierung und zuletzt
Leiter der Vorentwicklung der
Pierburg GmbH,
seit 2007 im Ruhestand.
17
HI ST O R I E
schen Behörden nach 1918 diese Entscheidung revidierten, entschied sich Karl
Schmidt, versuchsweise Kolben aus Aluminium herzustellen. 1920 entstand der
erste Kolben aus einer Aluminium-Legierung mit einem Anteil von 15 % Kupfer.
Damit nahm Schmidt 1921 an einem Wettbewerb teil, den das Reichsverkehrsministerium ausgeschrieben hatte, um die für
Kolben am besten geeigneten Leichtmetall-Legierungen zu finden. Durch das Erringen des zweiten Platzes hinter einem
Magnesium-Kupfer-Kolben gewann Aluminium die offizielle Anerkennung als
Kolbenwerkstoff.
„Kolbenschmidt“ – wie die Firma bald
im Volksmund hieß – gewann mit dem
Leichtmetallkolben zahlreiche Kunden aus
der deutschen und internationalen Fahrzeugindustrie. Die Stückzahlen erreichten
sehr schnell Millionenhöhen: 1937 wurde
bereits der zwölfmillionste Kolben gefertigt. Anfänglich verließen jedoch nur Rohlinge das Werk in Neckarsulm, bis Kolbenschmidt 1934 eine eigene Kolbenbearbeitung einrichtete. Im Kolbenlaboratorium
wurden immer neue metallurgische und
konstruktive Verbesserungen erarbeitet,
um den stetig wachsenden Anforderungen
an den Kolben gerecht zu werden. Und
nicht nur Pkw wurden mit diesem Bauteil
ausgestattet: Für den Kölner Motorenhersteller Deutz baute Kolbenschmidt 1923
den ersten Großkolben mit über 200 mm
Durchmesser für Diesel-Motoren, 1940
folgte ein weiterer mit über 500 mm. Karl
Schmidt, der Firmengründer, hatte an diesen Erfolgen allerdings schon bald keinen
Anteil mehr, denn von 1923 an wurde das
Unternehmen sukzessive von der Frankfurter Metallgesellschaft übernommen, die
fortan über fast sieben Jahrzehnte in
Neckarsulm das Sagen hatte.
1927 wurde die Aluminium-Kupfer-Legierung durch eine übereutektische Legierung der Gesellschaft Schweizer & Fehrenbach in Baden-Baden, bestehend aus Aluminium und etwa 16 bis 18 % Silizium
abgelöst. Nach dem Erwerb der Patente
durch Kolbenschmidt konnte der Werkstoff „Alusil“ seinen Siegeszug durch die
automobile Welt beginnen. Anders als
beim Kolben dauerte es jedoch eine beträchtliche Zeit, bis sich Aluminium auch
für die Herstellung von Gleitlagern gegen
die bewährte Bronze durchsetzen konnte.
Trotz einer ersten Patentanmeldung 1924
produzierte die Karl Schmidt GmbH die
18
1909 gründet Bernhard Pierburg in Berlin
ein Stahlhandelsunternehmen
Bernhard Pierburg founded a steel trading
company in Berlin in 1909
Aluminium-Gleitlager erst 1935, um Kurbelwellen in Verbrennungsmotoren zu
lagern. Während der Entwicklung des
Volkswagens wurden sie erfolgreich getestet und kamen erstmals im Käfermotor
zum Einsatz.
WIEDERAUFBAU NACH
DEM ZWEITEN WELTKRIEG
Nach dem Zweiten Weltkrieg war das
Werk der Deutschen Vergaser Gesellschaft
in Berlin zerstört und in weiten Teilen
demontiert. Alfred Pierburg erlebte mit
seiner Familie das Kriegsende in der
Tschechei. Mit Hilfe der Briten wurde er
in den Westen gebracht, denn deren Militärbehörde brauchte einen Vergaserfachmann für ihre Fahrzeuge. Die Freundschaft mit den Eigentümern der Société
Solex in Paris hatte den Krieg überdauert.
So gelang es Alfred Pierburg, mit Unterstützung von Franzosen und Briten wieder in den Besitz der Vergaserlizenz zu
gelangen und 1947 die Deutsche Vergaser
Gesellschaft neu aufzubauen – diesmal
aber nicht in Berlin, sondern in der britischen Zone. Die günstigsten Bedingungen bot ihm die Stadt Neuss. In den
zerstörten Gebäuden einer alten Futtermühle errichtete Pierburg einen kleinen
Betrieb. Hier gab es bald einen Rollenund mehrere Motorprüfstände zur Einregulierung von Vergasern, eine Kundendienstwerkstatt sowie eine Kältekammer.
Die ersten Vergaser wurden dagegen in
Nettetal-Lobberich am Niederrhein bei
Robert Kahrmann gefertigt, einem Geschäftspartner aus der Vorkriegszeit.
Die vorhandenen Kapazitäten im Neusser Werk waren schnell erschöpft, so
dass Pierburg 1955 mit dem Bau neuer
Werksanlagen an der Düsseldorfer Straße
begann, die unter der APG Alfred Pierburg Auto- und Luftfahrtgerätebau KG firmierten. Hier wurden später bis zu 3 000
Mitarbeiter beschäftigt, darunter etwa
2 000 ausländische Frauen, die Vergaser
und Kraftstoffpumpen im Akkord montierten. Das Werk in Berlin war nach 1945
wieder aufgebaut worden, fungierte jedoch nur noch als Zweigwerk: Hier wurden neben Vergasern vor allem Drosselklappenstutzen gefertigt, die auch heute
noch zum Programm gehören.
Auch das Karl-Schmidt-Werk in Neckarsulm wurde während des Zweiten Weltkriegs stark zerstört. Die drohende Demontage konnte jedoch abgewendet werden,
und schon bald erhielt die Aluminiumgießerei erste Aufträge: Denn die Not leidende
Bevölkerung benötigte dringend Haushaltsgeschirr wie Kochtöpfe oder Teller aus Aluminium. Auch die Kolbenfertigung wurde
in der unmittelbaren Nachkriegszeit wieder aufgenommen. Mit Wirksamwerden
des Marshallplanes und dem anschließenden „Wirtschaftswunder“ stattete Kolbenschmidt auch wieder Neuwagen der
schnell wachsenden deutschen Automobilindustrie aus. In den wieder aufgebauten
oder neu errichteten Gebäuden in Neckarsulm waren zu Anfang der 1950er-Jahre
rund 2 000 Mitarbeiter beschäftigt.
Im Bereich der Kolbenentwicklung
machte Kolbenschmidt 1948 nach Jahren
der kriegsbedingten Stagnation erstmals
wieder mit einer Innovation auf sich aufmerksam. Zur kontrollierten Wärmeausdehnung des Kolbenschaftes bei hohen
Betriebstemperaturen wurde der Ringstreifenkolben entwickelt, der bald Standard
in der Automobilindustrie werden sollte.
Zwei Jahre später folgte der bis dahin
größte Aluminiumkolben der Welt für
Viertakt-Dieselmotoren mit einem Durchmesser von 573 mm. Bereits 1946 erhielt
HI STO RY
100 YEARS OF “ A UTO M OTIVE POWER”
Kolbenschmidt and Pierburg – two big names in the history of German auto-industry suppliers – celebrate their
centenaries in 2009 and 2010. Since 1998, merged as Kolbenschmidt Pierburg, they look back on eventful eras
during which they repeatedly created state-of-the-art products, thus evolving into established first-tier
auto-industry suppliers and partners.
THE EARLY YEARS
The years 1909 and 1910 coincided with
the birth of Germany’s economic boom.
In fact, during this first decade of the 20th
century, the auto industry was making
great strides and more and more Germans
were affording themselves the luxury of a
car. But far from everyone owned a motor
vehicle in those early years. At that time,
Bernhard Pierburg founded in Berlin in
1909 the steel trading firm Gebr. Pierburg
oHG which in Tempelhof traded in highgrade iron and steel used in the production of auto, aircraft and machinery parts
and components. During the inflation
period, Bernhard Pierburg perceived a
unique opportunity to acquire Arthur
Haendler GmbH, another steel trader possessing one extremely valuable asset: the
license to manufacture and market Solex
carburetors which enjoyed an outstanding
international reputation.
If Pierburg were to acquire in addition
to the Arthur Haendler company, the license for these carburetors, a specific condition had to be fulfilled. So, Bernhard
Pierburg sent his second-eldest son, engineering graduate Alfred, to Paris for training. Thanks to Alfred’s engineering and
commercial skills, and despite tough competition, the company in the years that
followed acquired a virtual monopoly in
the carburetor market. The major carmakers of the era were customers of Pierburg.
In 1928, the first Solex carburetor manufactured under Alfred Pierburg’s auspices
was built into the Hanomag P2/10, a mo-
tor vehicle that was to become the famous Kommissbrot (army loaf).
But before the Solex carburetor was to
launch out on its triumphant march
through Germany's auto landscape, the
company, meanwhile a stock corporation
under the name of Gebr. Pierburg AG, had
to survive the Great Depression. From his
bankrupt company, Bernhard Pierburg
managed to salvage the carburetor license. In 1931 he founded a new firm
solely for manufacturing and marketing
Solex carburetors: Deutsche Vergaser Gesellschaft, in Berlin.
At the same time as all this was happening in Berlin, Karl Schmidt, son of
the founder of NSU, Christian Schmidt,
who had died in 1888, gave birth to
Deutsche Ölfeuerungswerke in Heilbronn
am Neckar. Having made a name for
himself as a design engineer at such German companies as Wilhelm Maybach,
Gottlieb Daimler, and in the UK at Herbert Austin, he took on a position as director at NSU where, under his management the first motorized vehicles were
built. Thereafter and for a brief period of
time he quit the auto industry in order to
devote his attention to aluminum and
aluminum alloys. With a staff of five, he
set up an aluminum refinery in 1910 that
then branched out at such a rate that as
early as 1917 he acquired a site next door
to NSU in Neckarsulm where he established a new factory for remelting metallic scrap and chips, especially from aluminum and aluminum alloys. This was a
step that brought Schmidt very quickly
back to his auto industry roots. In the
early decades after their invention, the
cars running on Germany’s roads all featured pistons made from gray cast iron.
The aluminum pistons, popular in car
racing for their lighter weight, were not
allowed for road use because of the
seemingly insufficient heat resistance of
this metal. But then when, on account of
the race-track successes, the German authorities decided to revoke their decision
after 1918, Karl Schmidt resolved by way
of trial to manufacture his first aluminum pistons. 1920 saw the first such piston in aluminum alloy with 15 percent
copper. Then in 1921, Schmidt entered a
competition staged by the German Transport Ministry for the purpose of finding
an aluminum alloy best suited for piston
production. His magnesium-copper piston was runner-up and hence from that
day onward aluminum was officially rec-
AUTHORS
DR. CHRISTIAN LEITZBACH
is a free-lance historian; since 1992
he has been attending to Rheinmetall AG’s corporate archives in
Düsseldorf (Germany).
DIPL.-ING. PETER KLOTZBACH
was for over a decade Head of
Corporate Development, Emission
Reduction, and most recently, in
charge of Advanced Engineering at
Pierburg GmbH; since 2007 he has
been in retirement.
19
HI ST O R I E
Erste Werbeanzeigen für den Stahlhandel der
Gebr. Pierburg zielen bereits auf die Automobilindustrie
The very first advertisements for Gebr. Pierburg’s
steel trading company already targeting the auto
industry
der Nachbar NSU den ersten Motorblock.
Wenige Jahre später war Kolbenschmidt in
der Lage, noch kompliziertere Gussteile,
wie Zylinderköpfe, zu fertigen. Möglich
wurde dies durch den Erwerb von englischem Know-how für das NiederdruckGussverfahren für Präzisionsgussteile.
Auch die Fertigung und Weiterentwicklung
von Gleitlagern wurde nach 1945 in Neckarsulm wieder aufgenommen.
schaffen. Eine Kundendienstschule gehörte ebenso dazu: Hier wurden Mitarbeiter
von Reparaturwerkstätten regelmäßig in
neuester Vergasertechnik weitergebildet.
Mit der Entwicklung der neuen Vergaser-Generation mit den Typen 4A, 1B, 2B
und 2E wurde die Forderung der Automobilindustrie erfüllt, statt einer Typenvielfalt an Vergasern solche in Modulbauweise zu erhalten, die ohne komplizierte bauliche Veränderungen in unterschiedlichste
Motorentypen eingebaut werden konnten.
Ein Teil dieser Vergaser war bereits für die
Aufnahme elektronischer Regelkreise ausgelegt, denn ab 1979 wurde gemeinsam
mit Bosch der elektronische Vergaser
Ecotronic entwickelt, der die herkömmliche mechanische Gemischbildung in das
Elektronikzeitalter hinüberführen sollte.
War der mechanische Vergaser als Gemischbildner über viele Jahre konkurrenzlos, drehte sich seit den 1980er-Jahren das
Verhältnis: Vergaser wurden komplizierter
und teurer, Einspritzsysteme einfacher
und preiswerter. Mit der 1989 getroffenen
Entscheidung der EG-Umweltminister, ab
Ende 1992 alle neu in der EG zugelassenen Pkw mit einem geregelten Drei-Wege-Katalysator – und damit in der Regel
mit einer elektronischen Einspritzung –
auszurüsten, kam schließlich das – zu
diesem Zeitpunkt überraschend schnelle –
Ende des Vergasers.
Eine über viele Jahrzehnte neben dem
Vergaser bedeutende Produktgruppe von
Pierburg waren Kraftstoffpumpen. General
Motors als Eigentümer hatte Opel 1935
die Einführung des GM-eigenen CarterVergasers verordnet. Der amerikanische
Konzern bot Alfred Pierburg zur Kompensation die Lizenz der ebenfalls GM gehörenden A/C-Kraftstoffpumpe an. Diese
wurde in den 1960er Jahren durch eine
Entwicklung der amerikanischen Firma
Bendix abgelöst. Diese Pumpe wurde immer wichtiger, je mehr sich die Einspritzung gegenüber dem Vergaser durchsetzte, und damit war sie eines der Produkte, die nach dem Ende des Vergasers
das Überleben des angeschlagenen Unternehmens sicherten. 2003 trennte sich
Pierburg jedoch von diesem Geschäft.
Seit Einführung der gesetzlichen Vorschriften zur Schadstoffreduzierung wurden spezielle Abgasmessgeräte notwendig. Die DVG entwickelte sich auf diesem
Gebiet zu einem technischen Pionier:
Komplette Messsysteme für Otto- als
auch Dieselmotoren ermöglichten Tests
gemäß allen weltweit gültigen Abgasvorschriften. Zu Beginn des Jahres 2002 beteiligte sich die AVL-List GmbH in Graz
mehrheitlich an diesem Pierburg-Geschäftsbereich und übernahm 2004 die
alleinige Verantwortung.
Bis 1986 war Pierburg eine reine Familiengesellschaft. Die vorausschauenden Planungen des Firmenpatriarchen Prof. Alfred Pierburg sahen in der Nachfolge seinen ältesten Sohn Manfred vor. Als sich
FORTSCHRITTE IN DER
TECHNISCHEN ENTWICKLUNG
SEIT DEN 1960ER-JAHREN
Spätestens mit der „California“-Gesetzgebung in den 1960er-Jahren musste sich
die Automobilindustrie mit dem Thema
Reduzierung von Schadstoffemissionen
aus dem Motorabgas befassen. Dies stellte auch die DVG vor neue Herausforderungen. Zur Erfüllung der neuen technischen Aufgaben rund um den Vergaser
wurde Ende der 1960er-Jahre in Neuss ein
Forschungs- und Entwicklungszentrum
errichtet, das als das modernste in Europa
galt. Mit hochspezialisierten Motor- und
Rollenprüfständen, Fließbänken und einer
Klimakammer wurden die Voraussetzungen für eine erfolgreiche Bearbeitung aktueller Probleme der Abgasentgiftung ge-
20
Hanomag rüstet 1928 sein
Modell P2/10, „Kommissbrot“,
als erster Kunde von Pierburg mit
handgefertigten Vergasern aus
Berliner Produktion aus
As Pierburg’s first customer,
Hanomag equipped its P2/10
“army loaf” (Kommissbrot) with
hand-made carburetors from
Pierburg’s Berlin factory
HI STO RY
ognized as a material suitable for the
production of pistons.
“Kolbenschmidt,” as the company was
very soon popularly known, won many
auto-industry customers in Germany and
abroad with its aluminum pistons. Output
accelerated to millions, the twelfth million
piston being produced in 1937. To begin
with, however, the Neckarsulm plant simply produced the blanks until in 1934,
Kolbenschmidt set up its own machining
facilities. The piston laboratory repeatedly
developed metallurgical and design improvements to match rising customer demand. And, not only car engines were using these pistons; in 1923, Kolbenschmidt
built its first large-bore (200 mm) piston
for a diesel engine manufactured by the
Cologne-based engine supplier Deutz.
This was followed many years later in
1940 by a piston with a diameter of over
500 mm. Karl Schmidt, the company
founder, by now played no role in these
developments since starting from 1923,
the company was successively taken over
by Frankfurt-based Metallgesellschaft
which then for about 70 years had the say
at Neckarsulm.
In 1927, the aluminum-copper alloy
was replaced by a hypereutectic alloy
supplied by Schweizer & Fehrenbach in
Baden-Baden. This consisted of aluminum and around 16 to 18 % silicon.
Once Kolbenschmidt had acquired the
patents for this material, “Alusil”, as it
became known, started its triumphal
progress through the entire auto world.
In contrast to the pistons, however, it
took quite some time for aluminum to
gain acceptance as a substitute for the
traditional bronze that was being employed in the production of plain bearings. Despite the first patent application
filed in 1924, Karl Schmidt GmbH only
started making aluminum plain bearings
for engine crankshafts in 1935. These
were successfully tested during the development of the Volkswagen and made
their debut in the Beetle.
POSTWAR RECONSTRUCTION
By the end of WWII, the Deutsche Vergaser Gesellschaft factory in Berlin had been
laid waste and largely dismantled. At the
close of the war, Alfred Pierburg and his
family was residing in former Czechoslovakia. With the aid of the British he re-
turned to the West since the military authorities needed a carburetor expert for
their vehicles. His friendship with the proprietors of Société Solex in Paris had survived the war. Hence, Alfred Pierburg
with the assistance of the French and British regained the carburetor license and rebuilt Deutsche Vergaser Gesellschaft in
1947, this time not in Berlin but somewhere in the British Zone. The most attractive offer was submitted by the town
of Neuss where amid the destroyed buildings of an old feed factory Pierburg set up
a small production shop. Very soon, a
roller dynamometer and several engine
test rigs for carburetor adjustments, an
after-service shop, and a cold chamber
had been installed. The first of the carburetors, in contrast, were assembled at the
Lower Rhine Nettetal-Lobberich plant of
Robert Kahrmann, a business associate
from prewar times.
The existing capacities at the Neuss
plant were quickly exhausted and so in
1955, Pierburg set about building new facilities on the Düsseldorfer Strasse in Neuss, which operated under the name APG
Alfred Pierburg Auto- und Luftfahrtgerätebau KG. Later this plant was to employ up
to 3000 people including some 2000 foreign women in the piecework assembly of
carburetors and fuel pumps. The Berlin
plant, which was rebuilt after 1945, simply served as a branch operation that assembled, alongside the carburetors, in
particular throttle bodies that are nowadays still part of the product range.
Another factory severely damaged during the hostilities was that of Karl Schmidt
in Neckarsulm. However, the threat of
dismantling was averted and very soon
thereafter the aluminum foundry was
booking its first orders since the suffering
population urgently needed such household items as pots or plates made of aluminum. Piston production also recommenced immediately after the war and
with the advent of the Marshall Plan and
the subsequent “Economic Miracle”, Kolbenschmidt began producing pistons for
Germany's rapidly resurgent auto industry. The restored and newly constructed
buildings in Neckarsulm employed a
workforce of around 2000 at the start of
the 1950s.
After years of war-related stagnation,
Kolbenschmidt re-attracted attention to itself in 1948 with an innovation consisting
of a ring-belt piston for controlled expansion of the piston shaft at elevated temperatures. This was a feature soon to become
standard in the automobile industry. Two
years later it was followed by what was
then the world’s biggest aluminum piston
for 4-stroke diesel engines, with a diameter of 573 mm. As early as 1946, the nextdoor neighbor, NSU, received its first engine block and only a few years later Kolbenschmidt was busy producing such
complex castings as cylinder heads. This
was made possible through the acquisition of British know-how in low-pressure
precision casting techniques. The post1945 years also saw the recommencement
of plain bearing development and manufacture at Neckarsulm.
ENGINEERING DEVELOPMENT
PROGRESS SINCE THE 1960S
At the very latest with the advent of California legislation in the 1960s the auto industry had found itself confronted with
such issues as a reduction in the harmful
emissions contained in engine exhaust
gases. This also posed new challenges for
DVG. To meet such challenges associated
with the carburetor and its functions, an
R&D Center was established in Neuss at
the end of the 1960s. At the time, it was
regarded as Europe's most modern facility
of its kind. With the aid of highly specialized engine test rigs and roller dynamometers, flow benches, and a climatic chamber, the preconditions were laid for successfully coping with current problems of
exhaust gas detoxification. Among the facilities was also a school where service
mechanics were regularly familiarized
with the latest carburetor technology developments.
The launch of a new generation of carburetors that included the models 4A, 1B,
2B, and 2E met the auto industry’s demand for modular carburetors that, without any complex structural modifications,
could be installed into a variety of engines. These replaced the widely differing
array of models built until then. Some of
these carburetors had already been designed for use with electronic control circuits since, starting from 1979 and together with Bosch, the Ecotronic carburetor
had been developed, a step into the electronic era into which the conventional
mechanical mode of mixture formation
21
HI ST O R I E
Ein hoher Anteil manueller Montageschritte kennzeichnet die frühe Serienfertigung von Vergasern
Series production of carburetors in those early years was largely manual
eine schwere Krankheit seines Sohnes abzeichnete, an der dieser 1973 verstarb,
verkaufte Alfred Pierburg einen Minderheitsanteil von 20 % an die Robert Bosch
GmbH, um die Zukunft seines Unternehmens zu sichern. Nur kurze Zeit nach seinem Sohn Manfred verstarb auch Alfred
Pierburg am 3. April 1975. Sein jüngerer
Sohn Jürgen übernahm die Firma. Innerhalb von drei Jahren gab er ihr eine neue,
straffere Struktur und einen neuen Namen: Aus der Deutschen Vergaser Gesellschaft und der APG wurde Pierburg. Der
Vergaser wurde mehr und mehr von der
Einspritzung verdrängt, aber dieser neue
Markt war für Pierburg wegen des fehlenden Know-hows in der Elektronik versperrt. 1986 schließlich verkaufte Jürgen
Pierburg das Unternehmen an den Rheinmetall Konzern.
Mit dem Thema Abgasreduzierung beschäftigte sich seit den 1960er-Jahren
auch die Karl Schmidt GmbH in Neckarsulm. Hier standen besonders die Gewichtsreduzierung von Fahrzeugen sowie
eine Entlastung der Motorenbauteile
durch Verschleißminimierung bei gleichzeitiger Leistungsmaximierung im Vordergrund. Gerade die Kühlung von Kolben,
die im Motor am stärksten belastet sind
und deren Überhitzung ein ernst zu neh-
22
mendes Problem war, wurde seit 1963 erfolgreich angefasst. Kühlkanal-Versuche
bei Kolben für Dieselmotoren mit der Sintertechnik stießen bald an ihre Grenzen.
Karl Schmidt, Firmengründer und Namensgeber
des Neckarsulmer Unternehmens
Karl Schmidt, founder of the Neckarsulm company
to whom it owed its name
Die Lösung bestand darin, statt der bisherigen Materialien einen Kern aus Salz zu
verwenden, der sich hinterher problemlos
ausspülen ließ. Auch in den 1980er-Jahren wurden in der Kolbenentwicklung
und der Anwendung von Produktionsverfahren innovative Wege beschritten. Zu
jener Zeit befanden sich u. a. leichte und
geräuscharme Plateaukolben für Pkw in
der Entwicklung, die von verschiedenen
Automobilherstellern ebenso getestet wurden wie extrem niedriggebaute Kolben.
Mangels räumlicher Kapazitäten in Neckarsulm wurde der Produktbereich Gleitlager 1963 in das neuerrichtete Werk St.
Leon-Rot verlegt. Hier entstanden zudem
Forschungseinrichtungen, mit denen die
Voraussetzungen zur Entwicklung neuer
Werkstoffe und tribologischer Lösungen
geschaffen wurden. Wenige Jahre später,
1969, kam mit dem Gleitlagerwerk in
Papenburg eine weitere Produktionsstätte
hinzu.
Ihre Kompetenz auf dem Gebiet des
Aluminiumgusses erweiterte die Karl
Schmidt GmbH 1971 mit dem Erwerb von
amerikanischen Lizenzen für Verfahren
zur Herstellung von monolithischen Aluminiummotorblöcken aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung
sowie der hierfür benötigten Kolben. 1973
begann die Serienproduktion von im Niederdruck-Kokillenguss gefertigten luftgekühlten Rippenzylindern für den Porsche
911 aus dieser Alusil-Legierung. 1977
folgte der Serienanlauf des 5,0-l-V8-Motorblocks von Mercedes-Benz mit dem
gleichen Gussverfahren. Ein bedeutender
Fortschritt auf diesem Gebiet wurde mit
der Verbindung der schwierig zu gießenden Alusil-Legierung und dem Niederdruck-Kokillengussverfahren erzielt. So
erhielt zum Beispiel 1987 der damals
neue BMW 750 einen im Niederdruckguss
produzierten Block aus diesem besonders
verschleißfesten Aluminiumwerkstoff für
den V12-Motor. 1990 errichtete Kolbenschmidt eine neue Gießerei in Neckarsulm
und begann dort mit der Herstellung von
Motorblöcken und Zylinderköpfen in modernen, optimierten Gießverfahren.
1984 brachte die Metallgesellschaft erste Anteile des Unternehmens, das gleichzeitig in Kolbenschmidt AG umbenannt
wurde, an die Börse. Zehn Jahre später
trennte sie sich komplett von Kolbenschmidt. Seit 1997 gehört das Unternehmen zum Rheinmetall Konzern. Im Janu100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg
HI STO RY
was moving. Whereas mechanical carburetors had been unrivalled for many years,
the situation reversed starting from the
1980s: carburetors were becoming more
complex and more costly, fuel-injection
systems simpler. The decision adopted by
the EC Environment Ministers that starting from 1992, all newly registered cars in
the member countries had to be fitted
with a 3-way catalytic converter and
hence as a rule with electronic fuel injection meant, at the time surprisingly quickly, the demise of the carburetor.
For many decades, fuel pumps had represented a significant family of products
at Pierburg alongside the carburetors. In
1935, General Motors, as the owner of the
Opel company, had insisted that the latter
used GM’s own Carter carburetors. As a
form of compensation, GM offered Alfred
Pierburg the license for the A/C fuel
pump, which it also owned. This was later superseded in the 1960s by a pump developed by the US company Bendix. In
fact, the fuel pump within the product
lineup grew in importance the more the
carburetor was losing out to fuel injection
and turned into a product, which following the phase-out of the carburetor, was
to secure the survival of the weakened
company. Later in 2003, Pierburg quit the
fuel pump business.
With the introduction of emission-reduction legislation some form of specialized exhaust gas measuring device was
required. This proved to be an area in
which DVG evolved into an engineering
pioneer. Complete measuring systems for
both gasoline and diesel engines allowed
tests to be conducted according to any
emission standards worldwide. At the
start of 2002, the Austrian company AVLList GmbH, Graz, acquired a majority
stake in this Pierburg business and then
in 2004 became its sole owner.
Until 1986, Pierburg had been a family
company and the plans of its patriarch,
Prof. Alfred Pierburg, had envisaged that
his elder son Manfred would be his successor. When it became evident that Manfred was severely ill (he was to succumb
to this illness in 1973), Alfred Pierburg
sold a 20-% minority stake in his company to Robert Bosch GmbH in order to
safeguard its survival. Alfred Pierburg,
himself, died shortly after his son, on
April 3, 1975. The younger son, Jürgen,
then took over the company which within
three years was given a new streamlined
structure and a new name. Deutsche Vergaser Gesellschaft and APG became
Pierburg. The carburetor found itself increasingly displaced by electronic injection but this was an area inaccessible to
Pierburg due to a lack of expertise on the
subject of electronics. Finally in 1986, Jürgen Pierburg sold the company to the
Rheinmetall Group.
Exhaust gas reduction was a subject
that since the 1960s had also preoccupied
Karl Schmidt GmbH in Neckarsulm where
efforts focused on weight reduction, reduced engine components stress through
decreased wear, and maximized performance. Also dating back to this period, in
fact since 1963, were challenges such as
lowering the temperature of the pistons,
the engine’s most severely stressed components, and preventing them from overheating. Tests with sinterized coolant passages
on diesel engine pistons soon reached their
limits. One solution was to use, instead of
the materials until then, a salt core which
afterwards could be easily flushed out.
The 1980s saw innovative approaches in
the development of pistons and the use of
special production techniques. This was a
period in which development efforts also
targeted lightweight, low-noise plateau
pistons for car engines. Such pistons were
tested by various automakers as were extremely low-built pistons.
With the available space at Neckarsulm stretched to its limits, production of
plain bearings was relocated to a newly
built plant at St. Leon-Rot which was also the site of new R&D facilities to serve
as the basis for developing new bearing
materials and tribological solutions. This
was followed only a few years later in
1969 with an additional plain bearing
plant at Papenburg.
In 1971, Karl Schmidt GmbH extended
its aluminum casting capabilities through
the acquisition of US licenses for making
monolithic aluminum engine blocks from
a hypereutectic aluminum silicon alloy.
The licenses also covered the pistons required for such engine blocks. 1973 saw
the series production launch of air-cooled
ribbed cylinders produced from this alloy
in low-pressure die casting for the Porsche
911. This was followed in 1977 by the series production of the 5.0-l V8 engine
block for Mercedes-Benz, again with the
same casting technique. A major step for-
ward was to combine the Alusil alloy,
which was difficult to cast, and the lowpressure die casting technique. In 1987,
the V12 engine block for the new BMW
750 was cast in this very wear-resistant
aluminum. In 1990, Kolbenschmidt built a
new foundry at Neckarsulm for the production of engine blocks and cylinder
heads with the aid of the newest, optimized casting technologies.
In 1984, Metallgesellschaft floated the
first shares of the company, which was
concurrently renamed Kolbenschmidt AG,
on the stock exchange. Ten years later on,
it parted altogether with Kolbenschmidt
which, since 1997, has belonged to the
Rheinmetall Group. In January 1998,
Kolbenschmidt and Pierburg married to
give birth to Kolbenschmidt Pierburg AG.
INNOVATIVE PRODUCTS
FOR THE FUTURE
A central issue concerning Kolbenschmidt
Pierburg nowadays continues to be that of
emission reduction. Since the introduction
of the strict emission standards in the
USA in the 1960s, Pierburg had been
closely concerned with the development
and manufacture of the engine components required for pneumatic exhaust gas
recirculation (EGR). Until the introduction
of the three-way catalytic converter, EGR
had been a proven means of lowering nitrogen emissions, then, however, had lost
its significance and now – in the light of
the tighter emission legislation – is enjoying a renaissance. Over 30 million pneumatic EGR valves have been shipped out,
added to which have been the electric
version since 1996. Today’s EGR systems,
especially those for diesel engines, feature
alongside the valve itself, a cooler and a
bypass valve for optimum routing of the
exhaust gases. Also contributing toward
emission reduction since 1993 has been a
secondary air system. Channeling the secondary air into the hot exhaust air results
in an exothermal oxidation of unburned
hydrocarbons. The outcome is a decrease
in carbon monoxide and hydrocarbons
during the cold-start and warm-up phases
of the gasoline engine.
The present-day global climate debate
has lent added emphasis to the subject
of emission control. A reduction in CO2
emissions is directly related to a lowering
of fuel consumption. This is where Kol-
23
HI ST O R I E
Qualitätssicherung bei Großkolben in früheren Jahrzehnten mit einer selbstentwickelten Schiebelehre
Quality assurance on large-bore pistons in the early decades of the century using a self-developed
caliper gauge
ar 1998 wurden Kolbenschmidt und Pierburg in der Kolbenschmidt Pierburg AG
zusammengefasst.
INNOVATIVE PRODUKTE
FÜR DIE ZUKUNFT
Ein zentrales Thema, mit dem sich Kolbenschmidt Pierburg heute auseinandersetzt, ist nach wie vor die Schadstoffreduzierung. Seit der Einführung der strengen
Abgas-Gesetzgebung in den USA in den
1960er-Jahren hatte sich Pierburg mit der
Entwicklung und Herstellung entsprechender Motorkomponenten, wie zum
Beispiel der pneumatischen Abgasrückführung (AGR), diesem Thema intensiv
gewidmet. Die Abgasrückführung beim
Ottomotor war bis zur Einführung des
Dreiwegekatalysators ein probates Mittel
zur Reduzierung der Stickstoffemissionen, verlor danach an Bedeutung und erlebt heute – bedingt durch eine weitere
Verschärfung der Abgasgesetzgebung –
eine erneute Renaissance. Nach mehr als
30 Millionen gefertigten pneumatischen
kommen seit 1996 auch elektrische AGRVentile hinzu. Moderne Abgasrückführsysteme insbesondere für Dieselmotoren
enthalten neben dem Ventil einen Kühler
und ein Bypass-Ventil, um die Abgas-
24
rückführung optimal zu steuern. Ebenfalls zur Schadstoffreduzierung tragen
seit 1993 Sekundärluftsysteme (SLS) bei.
Die Sekundärluftzuführung in die heißen
Abgase bewirkt eine exotherme Oxidation
unverbrannter Kohlenwasserstoffe, so
dass Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe in der Kaltstart- beziehungsweise
Warmlaufphase des Ottomotors verringert werden.
Durch die aktuelle Klimadiskussion hat
das Thema Schadstoffreduzierung eine
zusätzliche Bedeutung bekommen. Eine
Begrenzung der CO2-Emission geht einher
mit der Senkung des Kraftstoffverbrauchs.
Hierzu leistet Kolbenschmidt Pierburg sowohl durch den Einsatz von leichten und
reibungsarmen Materialien als auch durch
bedarfsgesteuerte Systeme einen wertvollen Beitrag. Hier sind u.a. Saugrohranlagen zu nennen, die durch verbesserte
Drehmomentcharakteristika und den Einsatz von Leichtmetall wie Aluminium und
Magnesium beziehungsweise Polyamid
deutlich zur Gewichtsreduzierung und damit zur Kraftstoffersparnis beitrugen. Eine
der jüngsten Entwicklungen war ein Saugrohrmodul mit hochintegrierter Abgasrückführung und -kühlung – Pierburg präsentierte es als weltweit erster Anbieter
auf der IAA 2001.
Auch Drosselklappenstutzen sind seit
1958 ein wesentlicher Teil der PierburgProduktpalette. Drosselklappen waren
beim Vergaser ohnehin ein wichtiger Bestandteil zur Luftregulierung des Ottomotors und sind es ebenso beim Einspritzer.
Aber auch im Dieselmotor sind sie heute
als Bauteile in Verbindung mit der Abgasrückführung zur Emissionsreduzierung
unumgänglich. Mechanische Drosselklappenstutzen sind längst durch elektronisch
gesteuerte Module abgelöst. Das heutige
Produktportfolio wird ergänzt durch elektrische Steller, die pneumatische Stellelemente für motorische Funktionen sukzessive ersetzen.
Elektrisch gesteuerte Ventile (Magnetventile) für unterschiedlichste Aufgaben
im Fahrzeug werden seit Jahrzehnten bei
Pierburg gefertigt; das Unternehmen zählt
mittlerweile zu den Weltmarktführern.
Schubumluftventile (seit 2006) oder Hydraulikventile zur Regelung variabler Ölpumpen (seit 2007) sind weitere bedeutende Entwicklungsschritte.
Zu den Traditionsprodukten der Pierburg GmbH gehören seit 1965 auch Vakuumpumpen. Ersten Membran-Vakuumpumpen für Dieselmotoren folgten Kolben-und Schwenkflügel-Vakuumpumpen,
die schließlich ab 1997 durch EinflügelVakuumpumpen abgelöst wurden. Auch
moderne, wirtschaftliche Ottomotoren,
die über einen nicht ausreichenden Saugrohrunterdruck verfügen, werden seit
Mitte der achtziger Jahre mit Vakuumpumpen von Pierburg ausgerüstet. 1997
übernahm Pierburg das Programm der
mechanischen Öl- und Wasserpumpen
von Kolbenschmidt. Mittlerweile ist das
Unternehmen zu einem europäischen
Marktführer in diesem Produktbereich
aufgestiegen. Heute leistet Pierburg mit
bedarfsgesteuerten elektrischen Wasserpumpen und variablen Ölpumpen einen
bedeutenden Beitrag zur Senkung des
Kraftstoffverbrauchs. 2007 wurde dieser
frühere Pierburg-Produktbereich in eine
separate Firma, die Pierburg Pump Technology (PPT), ausgegliedert. Pierburg
verfügt über vier inländische Standorte,
von denen sich der jüngste in Hartha befindet. Dieser Betrieb, zur Zeit der DDR
Teil eines Elektromotoren-Kombinats und
nach der Wende von Pierburg erworben,
gehört heute zur PPT.
Hohe Leistungsfähigkeit, möglichst geringe Lautstärke, stärkere Belastbarkeit
HI STO RY
benschmidt Pierburg plays an important
part with its lightweight, low-friction
materials and its on-demand systems.
Meriting mention in this context are such
components as the intake manifolds that,
through improved torque characteristics
and the use of such light metals as aluminum and magnesium or polyamide,
achieve a significant weight reduction
and hence fuel savings. Among more recent developments is a highly integrated
exhaust gas recirculation and cooling
assembly that Pierburg premiered as a
world first at the Frankfurt Motor Show
(IAA) in 2001.
Another permanent fixture of the
Pierburg product range since 1958 has
been the throttle body. This component
had already formed an important air-regulating function on the carburetor gasoline
engine and now also on its fuel-injection
version. Meanwhile, these throttle bodies
Bandstahl
Bandstahl vergütet
have also proven indispensible on diesel
engines in conjunction with exhaust gas
recirculation for emission reduction. The
mechanical throttle bodies have long been
replaced by electronically controlled modules. Today’s product lineup is supplemented by electric actuators that have
successively and successfully ousted their
hydraulic cousins and are used for a variety of engine functions.
For a number of decades Pierburg has
been manufacturing electrically controlled
(solenoid) valves that perform a wide variety of functions on a motor vehicle. In
fact, Pierburg meanwhile ranks among
the leaders on the world solenoid market.
Other important more recent developments include the divert-air valves (since
2006) and the hydraulic valves for regulating variable-flow pumps (since 2007).
Among Pierburg GmbH’s traditional
products, in fact since 1965, have been
Elektroband
Kaltband
Bonderband
vacuum pumps. The first diaphragm vacuum pumps for diesel engines were followed by piston and swinging-vane vacuum pumps then finally superseded, as
from 1997, by the single-vane vacuum
pump. Modern, fuel-efficient gasoline
engines lacking the necessary intake
manifold vacuum, have since the mid60s also featured vacuum pumps from
Pierburg. In 1997, Pierburg took over
from Kolbenschmidt the lineup of mechanical oil and water pumps and has
meanwhile advanced to one of Europe’s
market leaders in this area and nowadays, with its on-demand electric water
pumps and variable-flow oil pumps,
plays an important role in fuel consumption reduction on the part of automakers.
In 2007, this former Pierburg product
area was spun off to constitute a separate
company under the name of Pierburg
Pump Technology (PPT).
Schmalband
Profile
Symbiose
Entscheidende Wettbewerbsvorteile zu sichern – das ist Ziel unserer täglichen Arbeit. Enge Entwicklungspartnerschaften
mit unseren Kunden, ausgefeilte Logistikkonzepte und über 30.000 Werkstofftypen sind unsere Antwort auf die wachsenden
Herausforderungen der internationalen Märkte.
Mit einer Jahresproduktion von über einer halben Million Tonnen hochwertiger Stahlbänder und -profile und Standorten in
Europa, Asien und Amerika sind wir eines der führenden Unternehmen der Kaltwalzindustrie. Und für unsere Kunden seit über
180 Jahren ein zuverlässiger Partner.
C.D. Wälzholz KG . Feldmühlenstr. 55 . 58093 Hagen . Internet: www.cdw.de . E-Mail: [email protected]
25
HI ST O R I E
und immer wieder die Kolbenkühlung –
das waren die Herausforderungen, die die
Ingenieure bei Kolbenschmidt zu bewältigen hatten. Eines der Ergebnisse war der
Pressgusskolben mit örtlicher Faserverstärkung. Der Bereich Großkolben gewann 1994 als Kunden einen bedeutenden Motorenhersteller aus den USA,
der die amerikanische Marine belieferte.
Und für die Modernisierung der Lokomotiven der früheren DDR-Reichsbahn wurden ebenfalls Großkolben aus Neckarsulm
ausgewählt. 1997 schließlich erhielt Kolbenschmidt den Entwicklungs- und Serienauftrag sowohl für den Otto- als auch
für den Dieselmotor des Daimler-BenzModells „Smart“: Es entstand der bis
dahin kleinste Pkw-Kolben der Welt.
Der seit 1991 als KS Aluminium-Technologie rechtlich selbständige Geschäftsbereich Aluminiumguss konzentrierte sich
fortan auf die Produktion von Niederdruckguss- und Druckguss-Motorblöcken.
Mit dem Squeeze-Casting-Verfahren wurde eine neue Produktionstechnik möglich.
Die Fertigung von Zylinderköpfen und
Einspritzpumpengehäusen wurde dagegen aufgegeben. Ein Meilenstein war der
Serienanlauf der gegossenen Zylinderkurbelgehäusehälften mit innovativen Lokasil-Zylinderlaufflächen für die Porsche Boxermotoren-Generation ab 1996. 2004
folgte schließlich der Einstieg in die Fertigbearbeitung von Motorblöcken für den
Porsche Cayenne.
Die langjährigen Aftermarket-Aktivitäten von Kolbenschmidt und Pierburg
wurden im Jahre 2000 in einer gemeinsamen Gesellschaft gebündelt. Am Standort Dormagen unterhält MS Motor Service
Schulungseinrichtungen, wo in Lehrgängen und Seminaren Servicepartner unter
anderem in Europäischer On-Board-Diagnose (EOBD) ausgebildet werden. Am
neuen Firmensitz Neuenstadt ist zusätzlich zur Verwaltung ein modernes Logistikzentrum beheimatet. Daneben unterhält Motor Service ein weltweites Vertriebsnetz.
WELTWEIT AUF ERFOLGSKURS
Vergleichsweise bescheiden startete das
Auslandsgeschäft der Gruppe vor zirka
50 Jahren, als die Karl Schmidt GmbH ein
gemeinsames Kolbengeschäft mit dem
deutschen Konkurrenten Mahle in Frankreich betrieb. Für Pierburg dagegen war
26
der internationale Vergaser-Markt aufgrund der Verträge mit dem Lizenzinhaber Solex weitgehend verschlossen. Erst
1970 gründete die damalige DVG ein Unternehmen in Frankreich, um den eigenen Vergaser „Zenith“ zu vermarkten.
Während Kolbenschmidt 1989 mit einer
Öl- und Wasserpumpen-Fertigung in
Basse-Ham tätig wurde, baute Pierburg
erst 1994 eine Fertigung in Frankreich
auf. Seit der Übernahme des Pumpengeschäftes von Kolbenschmidt in Frankreich
und Italien konzentriert sich die Pierburg
Pump Technology in Frankreich auf den
Standort in Basse-Ham und ist heute
Marktführer bei Vakuumpumpen für Dieselfahrzeuge. Damit eng verbunden ist
das ebenfalls seit 1989 bestehende Pumpengeschäft in Italien mit den Standorten
Lanciano und Livorno, wo sich das Pierburg-Entwicklungszentrum für Ölpumpen
befindet.
Die in Frankreich vertriebenen ZenithVergaser wurden viele Jahre in Spanien
produziert. Hier besaß Pierburg seit 1976
eine Beteiligung an der Carbureibar S.A.
in Abadiano. Die heutige Pierburg S.A. ist
seit 1992 im Vollbesitz des Unternehmens.
In Ústí nad Labem, Tschechien, ist KS
Kolbenschmidt seit 1994 mit der Herstellung von Kolben aktiv. 2002 entstand an
diesem Standort eine zusätzliche Pierburg-Fertigungsstätte für Magnetventile,
Sekundärluftsysteme, Abgasklappen,
Aktuatoren sowie AGR-Systeme.
Der südamerikanische Markt war der
erste außerhalb Europas, auf dem Kolbenschmidt und Pierburg Fuß fassen konnten. Dies begann 1958 mit der Beteiligung
Alfred Pierburgs an der Gründung einer
Vergaserfabrik in São Paulo und setzte
sich 1968 mit dem Aufbau eines Kolbenwerkes ebenfalls in São Paulo durch Kolbenschmidt fort. Die brasilianische Tochtergesellschaft verlegte ihr Werk bis 1991
an den Standort Nova Odessa, der sich
seitdem stark ausgeweitet hat. Heute besteht dort neben der Kolbenfertigung seit
1997 eine Fertigung von KS Gleitlager und
seit 2000 die Öl- und Wasserpumpenfertigung der PPT.
In Mexiko, wo Alfred Pierburg ebenfalls
bereits seit 1964 Vergaser auf Lizenzbasis
vor allem für den VW-Standort in Puebla
fertigen ließ, ist auch Kolbenschmidt seit
2006 durch den Erwerb eines Standortes
in Celaya mit einer eigenen Kolbenfertigung präsent.
Auch in den USA fertigt die Gruppe
seit 1978 Kolben für Pkw und Großkolben
in Marinette/WI, Gleitlager, Drosselklappenstutzen sowie Öl- und Wasserpumpen
in Fountain Inn/SC. Seit 2008 besteht zudem in Auburn Hills/MI das North American Technical Center, das für alle in den
USA präsenten KSPG-Gesellschaften als
modernes Entwicklungszentrum zur
Verfügung steht.
Der jüngste Markt, auf dem Kolbenschmidt Pierburg tätig ist, ist der Ferne
Osten. Kontakte nach Japan bestanden
bereits in den 1960er-Jahren, als selbst
das Toyota-Modell, das James Bond in
„Man lebt nur zweimal“ fuhr, mit SolexVergasern aus japanischer Fertigung ausgestattet war. Neben den Vertriebsaktivitäten aller Gesellschaften ist heute der
Kolbenbereich in Japan mit einer eigenen Produktion vor Ort, die KS Kolbenschmidt 2003 von Mazda übernommen
hatte. Darüber hinaus besteht seit 2007
eine Entwicklungs- und Vertriebs-Kooperation mit dem japanischen Unternehmen Nippon Piston Rings.
In China existieren zwei Joint Ventures
mit der SAIC Shanghai Automotive Industry Corporation: Mit dem früheren
Lizenznehmer Shanghai Piston Works
gründete Kolbenschmidt 1997 ein Gemeinschaftsunternehmen, um den wachsenden Automobilkolbenmarkt zu bedienen. Bei der 2001 ins Leben gerufenen
Kolbenschmidt Pierburg Shanghai Nonferrous Components werden seitdem
Saugmodule, Zylinderköpfe und Lenkungsteile sowie komplette Öl- und
Wasserpumpen entwickelt, hergestellt
und vertrieben.
Im aufstrebenden Wachstumsmarkt Indien errichtete Pierburg bei Pune ein neues Werk, das in diesen Tagen mit der Fertigung von Abgasrückführventilen sowie
Vakuum-, Öl- und Wasserpumpen gestartet ist. Parallel dazu ist Kolbenschmidt an
dem indischen Kolbenhersteller Shriram
Pistons & Rings Ltd. beteiligt, und die KS
Aluminium-Technologie betreibt seit 2007
ein Joint Venture mit Jaya Hind zur Entwicklung und Produktion von Zylinderköpfen, Zylinderkurbelgehäusen, Motorblockteilen und anderen Gussteilen. Damit ist die Gruppe erfolgreich in einem
Land vertreten, das nach Ansicht von
Wirtschaftsexperten in einigen Jahren zu
den fünf größten Automobilmärkten der
Welt gehören wird.
HI STO RY
Pierburg has four locations in Germany,
the newest in Hartha, eastern Germany.
This operation, in the GDR era part of the
electric motor combine under state ownership, was acquired by Pierburg after the fall
of the Berlin Wall, and now belongs to PPT.
Higher performances, as little noise as
possible, greater resilience and, repeatedly, piston cooling, these were the chief
challenges confronting Kolbenschmidt
engineers. One outcome of these development efforts was the press-cast piston
with localized fiber reinforcement. The
Large-bore piston unit booked a contract
in 1994 awarded by a major US manufacturer of engines for the US navy. Largebore pistons from Neckarsulm were also
used for revamping the locomotives of the
former GDR state railways. And, in 1997,
Kolbenschmidt was awarded the contract
for developing and building the gasoline
and diesel engine pistons for the DaimlerBenz “Smart”. The result: the smallestever car engine pistons.
Spun off in 1991 to constitute legally
independent KS Aluminium-Technologie,
the former Aluminum Castings unit
thenceforth focused on the production of
low-pressure and high-pressure cast engine
blocks. The introduction of squeeze-casting opened new production techniques.
The casting of cylinder heads and injection
pump housings was discontinued. A milestone in this period was the series-production start-up of cast engine block halves
containing innovative Lokasil cylinder surfaces for the generation of Porsche Boxer
engines as from 1996. This culminated in
2004 with the assumption of net-machining work on engine blocks destined for the
Porsche Cayenne.
In 2000, the longstanding aftermarket
operations of Kolbenschmidt and Pierburg
were merged into a single company. At its
Dormagen location, MS Motor Service
runs courses and seminars for aftermarket
retailer employees on subjects covering
such matters as European On-Board Diagnosis (EOBD). The new headquarters at
Neuenstadt also have, alongside the administration offices, a modern logistic
center. Motor Service operates through a
global distribution network.
SQUARELY ON TRACK WORLDWIDE
Relatively modest were the origins of the
Group’s international business around 50
years ago when Karl Schmidt GmbH
teamed up with its German rival, Mahle,
to launch and operate a piston business in
France. For Pierburg, in contrast, the contracts concluded with licensor Solex largely prevented access to the international
carburetor markets. In fact, it was only in
1970 that the then DVG formed a company in France for the purpose of marketing
its own Zenith carburetors. Whereas Kolbenschmidt back in 1989 had begun
building oil and water pumps in BasseHam, it was only in 1994 that Pierburg set
up its own production facility in France.
Since taking over Kolbenschmidt’s pump
business in France and Italy, Pierburg
Pump Technology has in France focused
its operations at Basse-Ham and is nowadays leader in the world market for dieselengine vacuum pumps. The Italian pump
business, in existence since 1989, is closely linked with the locations at Lanciano
and Livorno, the home of Pierburg's oil
pump R&D center.
For many years, the Zenith carburetors
marketed in France had been produced in
Spain where since 1976, Pierburg had
held a stake in Carbureibar S.A. in Abadiano. Today’s Pierburg S.A. has been
wholly owned by Pierburg since 1992.
The Czech Republic (in Ústí nad
Labem) is another country in which KS
Kolbenschmidt has since 1994 had a piston production plant. This was joined by
a Pierburg production facility in 2002 for
assembling solenoid valves, secondary air
systems, exhaust gas flaps, actuators, and
EGR systems.
South America was the first non-European market in which Kolbenschmidt and
Pierburg gained a footing. This was back
in 1958 with a stake held by Alfred
Pierburg in a carburetor factory in São
Paulo, to be continued in 1968 with the
establishment of a piston plant by Kolbenschmidt, again in São Paulo. By 1991, the
Brazilian subsidiary had relocated its
plant to Nova Odessa and since then has
expanded appreciably. Nowadays and in
addition to the piston plant this has been
since 1997 a manufacturing facility for
Plain Bearings and since 2000, for PPT's
oil and water pump production.
As early as 1964, Alfred Pierburg had
been manufacturing under license carburetors chiefly for the Volkswagen location in Puebla in Mexico; since 2006,
Kolbenschmidt, too, has maintained a
presence in Mexico through the acquisition of a piston production location in
Celaya.
The Group has been manufacturing in
the USA since 1978: car pistons and largebore pistons in Marinette, WI; plain bearings, throttle bodies and oil and water
pumps at Fountain Inn, SC. Since 2008,
Auburn Hills, MI, has been the home of
the North American Technical Center
which serves as a modern R&D facility for
all the KSPG companies in the USA.
The most recent market in which Kolbenschmidt Pierburg has established a
presence is the Far East. Since the 1960s it
has had contacts with Japan when even
the Toyota model driven by James Bond
in the movie “You Only Live Twice” was
fitted out with Solex carburetors sourced
from Japanese manufacture. Besides the
marketing activities on behalf of all the
companies, the Group’s Piston division
nowadays has its own production facility
in Japan taken over from Mazda by KS
Kolbenschmidt in 2003. Since 2007 there
has also existed a development and marketing agreement with the Japanese company Nippon Piston Rings.
In China, the Group has entered into
two joint ventures with SAIC Shanghai
Automotive Industry Corporation. With its
former licensee, Shanghai Piston Works,
Kolbenschmidt set up in 1997 a joint venture for the purpose of serving the growing auto piston market. The venture, Kolbenschmidt Pierburg Shanghai Nonferrous Components, established in 2001,
has since then been developing, producing and marketing intake modules, cylinder heads and steering gear units as well
as complete oil and water pumps.
In the burgeoning Indian market,
Pierburg has set up near Pune a new
plant that has just started manufacturing
exhaust gas recirculation valves as well as
vacuum, oil, and water pumps. Concurrently, Kolbenschmidt holds a stake in the
Indian piston manufacturer Shriram Pistons & Rings Ltd. while KS AluminiumTechnologie has since 2007 entered a joint
venture with Jaya Hind for the purpose of
developing and producing cylinder heads,
engine blocks, engine block components
and other castings. Hence, the Group is
successfully represented in a nation that,
say the economic experts, will in a few
years from now rank among the world’s
five biggest car markets.
27
100 J A H R E K O L BE N S CH MI DT PI E R BU R G
Trotz aller Freude über das Jubiläum:
Auch Kolbenschmidt Pierburg schippert derzeit
durch raue Gewässer. Unternehmenslenker
Gerd Kleinert schildert im Interview, wie er
dennoch die Übersicht behalten möchte, um
bei Aufklaren der wirtschaftlichen Lage wieder
unter vollen Segeln fahren zu können.
„GROSSE VOLKSWIRTSCHAFTLICHE FEHLER
IM UMGANG MIT ENERGIE“
Der gebürtige Rüsselsheimer Dr. Gerd Kleinert (61) ist fast zwangsläufig in das Auto- und Motorengeschäft hineingewachsen: Zu ersten Basteleien unter fachkundiger Aufsicht an den elterlichen DKW
Meisterklasse und Brezelkäfer kam es schon im Vorschulalter, später folgte er dann den Spuren der Eltern – beide Opelaner – und
absolvierte eine Werkzeugmacherlehre beim Rüsselsheimer Hersteller. Anschließend Studium des Maschinenbaus an der Ingenieurschule Rüsselsheim sowie an der Universität Kaiserslautern
(Fachrichtung Kraft- und Arbeitsmaschinen), wo er auch promo-
28
vierte. 1980 erfolgte der Wechsel in die Industrie zu VDO. Den
Sinn für kaufmännisches Handeln verdankt er seinem dortigen
Chef, mit dem er in den späteren Jahren zusammenarbeitete und
mit dem er heute noch freundschaftlich verbunden ist. 1992 der
Wechsel vom Familienunternehmen VDO zum weltweit agierenden
US-Konzern TRW, wo er zuletzt als Vice President und General
Manager Automotive Electronics tätig war. 2001 dann der Einstieg
in den Rheinmetall-Konzern und Übernahme des Vorstandsvorsitzes der Kolbenschmidt Pierburg AG.
MTZ _ Herr Dr. Kleinert, denken Sie
manchmal „Mensch, hätten die Herren
Schmidt und Pierburg ihre Firmengründung
nicht zwei Jahre vorverlegen können“?
_ Natürlich wünscht man sich
für ein Jubiläum andere Zeiten als die, die
wir heute haben. Dass eine der schlimmsten Wirtschaftskrisen mit dem 100. Jubiläum von Kolbenschmidt Pierburg zusammenfällt, ist natürlich nicht schön. Andere
Unternehmen, die ein bißchen schneller
dran waren, haben das Glück gehabt,
noch vor der Krise feiern zu können.
Nichtsdestotrotz werden wir in einem
angemessenen Rahmen die Jubiläen für
beide Firmengründungen – Pierburg
wurde 1909 gegründet, Kolbenschmidt
1910 – mit einer Festveranstaltung begehen. Auch in der Hoffnung, dass wir in
absehbarer Zeit den Tiefpunkt der Krise
überwunden haben.
KLEINERT
Was tun Sie dafür, um diesen Tiefpunkt so
schnell wie möglich zu durchschreiten?
Wir haben sehr schnell reagiert und
bereits im Oktober 2008 einen Investitionsstopp ausgesprochen. Dazu haben wir
unsere Beschäftigtenzahl bis heute weltweit um etwa 2500 Mitarbeiter reduziert.
Inwieweit leiden Forschung und Entwicklung
unter den Einsparungen?
Wir haben bis jetzt, zumindest was die
Personalkapazität angeht, in der Entwicklung keine Abstriche gemacht. Ganz im
Gegenteil: Wir haben sehr viele neue
Produkte, die im Zusammenhang mit
EU5 stehen. Hier brauchen wir unsere
volle Entwicklungskapazität, um diese
Produkte zeitgerecht marktreif zu haben.
Wir sehen im Moment keine Veranlassung, in der Entwicklung Kürzungen
vorzunehmen.
„Ich kann mir vorstellen,
dass wir künftig mehr gasförmige
Kraftstoffe verbrennen werden.“
Wie hoch ist gegenwärtig Ihr Anteil der
FuE-Investitionen am Umsatz?
Wir sind bei etwa fünf bis sechs Prozent.
Ab dem letzten Quartal 2008 ist dieser
Wert etwas in die Höhe geschnellt, was
aber natürlich daran liegt, dass uns der
Umsatz weggebrochen ist. Absolut bleiben
wir konstant. Das müssen wir auch, sonst
können wir das neugebuchte Geschäft mit
neuen Produkten, die wir in allen Bereichen haben, gar nicht realisieren.
Belastet Sie das?
Wir versuchen natürlich, das Ganze so
sozialverträglich wie möglich vorzunehmen. Ob uns das immer gelingt, müssen
andere einmal beurteilen. Aber wenn
ich nichts tue, riskiere ich ganz andere
Konsequenzen.
Wie gehen Sie dabei vor?
Zum einen haben wir die Leiharbeitskräfte weltweit praktisch auf null reduziert. Zum anderen haben wir in verschiedenen Regionen der Welt auch die
Stammbelegschaft reduziert, auch in
Europa. Darüber hinaus haben wir seit
Anfang vergangenen Jahres 6000 Mitarbeiter in Kurzarbeit, wobei das sehr unterschiedlich abläuft: Wir haben Bereiche
mit sehr viel Kurzarbeit, andere Bereiche,
Gott sei Dank, sehen deutlich besser aus;
geholfen hat die Abwrackprämie in manchen Werken, in denen wir für kleine
Ottomotoren die Kolben machen. Hier
konnten wir die Kurzarbeit komplett
beenden. Dazu haben wir ein Fixkostenabsenkungsprogramm über 50 Millionen
Euro aufgelegt, das wir nicht nur erreicht,
sondern sogar noch übertroffen haben.
Ein neues Geschäft generiert sich für Sie
aus dem Downsizing. Überwiegen für Sie die
Vorteile der erforderlichen Neuentwicklungen
oder die Nachteile, wenn eine C-Klasse in
Zukunft drei Zylinder haben wird …
… oder eine S-Klasse vier Zylinder? Das
ist ja durchaus möglich. In bestimmten
Bereichen wird das Downsizing dazu füh-
ren, dass weniger Teile gebraucht werden.
Für einen Sechszylindermotor brauchen
Sie sechs Kolben, für einen Vierzylinder
eben nur vier. Hier wird sich die Stückzahl reduzieren, genauso wie bei den
Gleitlagern. Das gilt aber nicht für Drosselklappenstutzen oder Abgasrückführventile, von denen Sie an jedem Motor
eins oder sogar zwei brauchen. Unabhängig davon hat ein downgesizter Motor
ganz andere Belastungen auszuhalten. Es
werden viel höhere Anforderungen an die
einzelnen Komponenten dieses Motors
gestellt, die nur mit höherwertigeren Produkten erfüllt werden. Von daher ist dies
für uns eine sehr interessante Herausforderung. Aber abgesehen davon werden
große Motoren mit sechs, acht, zehn oder
zwölf Zylindern nicht aussterben, sie
werden nur in geringerer Stückzahl produziert werden …
… wenn diese dann noch gebraucht werden.
Werden Sie sie brauchen?
Ich gebe zu, ich fahre gern große
Motoren. Das muss aber nicht heißen,
dass dies für mich immer gelten muss. Ich
bin auch schon turboaufgeladene DieselFahrzeuge gefahren mit rund zwei Liter
Hubraum in einer gehobenen Mittelklasse,
die fast schon Oberklasse ist. Ich muss
sagen, diese Autos haben eine hervorragende Performance, da braucht man
eigentlich keinen Sechs- oder Achtzylinder mehr. Und das bei Verbrauchswerten
eines kleinvolumigen Motors, wenn man
verhalten fährt. Insofern würde ich von
mir nicht behaupten, dass ich für alle
Zeiten große Motoren fahren muss.
Mit Gerd Kleinert sprach MTZ-Redakteur Moritz-York von Hohenthal
Gerd Kleinert spoke to Moritz-York von Hohenthal, editor of MTZ
29
100 J A H R E K O L BE N S CH MI DT PI E R BU R G
Gerd Kleinert sieht keinen Grund,
das Entwicklungsbudget zu kürzen
Gerd Kleinert sees no reason to cut the
development budget
dem nur gefahren wird, ohne Licht, ohne
Heizung, ohne Infotainment, ohne Navigationsanlage, also ohne all das, was
man so in einem Auto noch hat. Dann
wird eine Reichweite berechnet, die mit
der Reichweite eines normalen Autos
kaum noch etwas zu tun hat.
Also kein stilles Kämmerlein bei Kolbenschmidt Pierburg, in das Sie sich mit ihren
engsten Mitarbeitern regelmäßig einschließen,
um auf ein Leben nach dem Verbrennungsmotor vorbereitet zu sein?
Natürlich beobachten wir den Markt sehr
genau. Aber wir haben kein Vorentwicklungsteam für diesen Bereich. Wir sind fest
davon überzeugt, dass der Verbrennungsmotor noch eine sehr lange Lebensdauer
haben wird. Irgendwann werden variable
Ventiltriebe Standard, die Brennverfahren
für Otto- und Dieselmotoren werden sich
ändern, ebenso die Kraftstoffe. Ich kann
mir vorstellen, dass man mehr gasförmige
Kraftstoffe verbrennt, von denen ja auch
noch große Vorräte vorhanden sind.
War das auch Gegenstand Ihrer Dissertation?
Wagen Sie doch einmal eine Vorhersage,
wie wir uns in 10 oder 15 Jahren fortbewegen
werden.
Es wird nach wie vor eine große Dominanz des Verbrennungsmotors vorherrschen, er hat noch jede Menge Potenzial
im Wirkungsgrad und in den Emissio-
„Es gibt noch eine ganze Reihe
von Problemen der Speicherung
und der Infrastruktur der
elektrischen Energie zu lösen.“
nen. Und wenn Sie auf den Elektroantrieb anspielen: Es gibt ja Planungen, bis
2020 eine Million Elektrofahrzeuge in
Deutschland zu betreiben. Gut, eine Million ist ein Anteil, aber doch ein relativ
geringer Anteil. Es gibt noch eine ganze
Reihe von Problemen der Speicherung
und der Infrastruktur der elektrischen
Energie zu lösen. Heute findet man in
Artikeln, in denen über Reichweite
gesprochen wird, irgendeinen Zyklus, in
30
Nein, ich habe über MethanolbenzinMischkraftstoffe promoviert. Es war gerade
die erste Energiekrise Anfang der 70er
Jahre, und alles hat nach alternativen
Kraftstoffen gerufen. Damals hieß es, wir
haben noch Ölvorräte für 40 Jahre. Zehn
Jahre später hieß es, wir haben noch
Ölvorräte für 40 Jahre. Und so hat man alle
10 Jahre gesehen, dass die Ölvorräte noch
für 40 Jahre reichen. Ich glaube, das wird
auch noch eine ganze Zeitlang so bleiben.
Wie sollte man denn mit den – ich nenne
sie trotzdem so – verbliebenen fossilen
Energiequellen umgehen, und wie mit den
gerade für die Allgemeinheit entdeckten
regenerativen Energieträgern?
An diesem Punkt werden meiner Ansicht
nach große volkswirtschaftliche Fehler
gemacht. Man sollte die fossilen Energieträger, die für den Individualverkehr sehr
gut nutzbar sind, so lange wie möglich für
diesen aufheben und alles andere für stationäre Anwendungen verwenden. Mit
Solarzellen auf dem Autodach kommen sie
nicht weit, aber mit Solarzellen in Energieparks elektrische Energie zu erzeugen, ist
eine sehr sinnvolle Sache. Das gilt auch für
Windenergieparks, um private Haushalte
mit Strom zu versorgen. Elektrische Energie ist zwar die edelste Energieform, und
früher war es fast ein Frevel, damit zu heizen. Aber wenn Sie sie quasi umsonst
bekommen und immer wieder, ist dies
auch sinnvoll im stationären Bereich. Im
„Es ist unser größtes Bestreben,
die Wirkungsgrade
der Motoren zu verbessern.“
Individualverkehr, wo ich Reichweite brauche, spricht dagegen alles für die fossilen
Energien, und zwar wohlgemerkt sowohl
für flüssige als auch für gasförmige.
Zur Zeit sind eine Menge Publikationen
im Umlauf, in denen „grüne“ Unternehmen
dargestellt werden. Welches Potenzial hat
Kolbenschmidt Pierburg, grün zu werden?
Es ist interessant, dass Sie das ansprechen.
Wir haben schon auf der IAA 2003 einen
grünen Stand gehabt, auf dem zwischen
Wasserfällen an den Wänden und Pflanzen
unsere Produkte ausgestellt wurden. Wir
wollten damit zeigen, welchen Beitrag wir
mit unseren Produkten leisten, den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Ob Sie jetzt an
neue Werkstoffe in Gleitlagern oder an Kolbenbeschichtungen denken, die die Reibung
reduzieren oder die Abgasrückführung beim
Ottomotor, die ja auch den Verbrauch senkt:
Es ist unser größtes Bestreben, die Wirkungsgrade der Motoren zu verbessern, und
je besser der Wirkungsgrad ist, desto geringer ist der Kraftstoffverbrauch, denn ich will
mich mit dem Auto ja fortbewegen und
nicht die Umwelt aufheizen. Ich schätze,
dass weit über 90 Prozent unserer Produkte
darauf ausgerichtet sind, den Wirkungsgrad
der Motoren zu verbessern, damit den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und selbstverständlich auch die Schadstoffemissionen.
Herr Dr. Kleinert, wir danken Ihnen für dieses
Gespräch.
INTERVIEW: Moritz-York von Hohenthal
1 0 0 Y E A R S O F K O LB E N S C H M I D T P I ER B UR G
“MAJOR ECONOMIC ERRORS IN
DEALING WITH ENERGY“
It was almost inevitable that Dr. Gerd Kleinert (61), who was born in Rüsselsheim, was to have a
career in the automotive and engine industry. Even before he started school, he was already tinkering with his parents’ DKW and VW Beetle cars under their expert supervision – both his parents
worked at Opel – before following in their footsteps and completing an apprenticeship as a toolmaker at the Rüsselsheim car manufacturer. He then went on to study mechanical engineering
at the Academy of Engineering in Rüsselsheim and the University of Kaiserslautern (faculty of engines and machines), where he completed his doctorate and worked as a research assistant. In
1980, he entered industry at VDO. He owes many of his business skills to his former boss, with
whom he worked together in his VDO years. The two men are still linked by a close friendship. In
1992, he moved from the family-owned company VDO to the internationally active US corporation
TRW, ultimately becoming Vice President and General Manager Automotive Electronics. In 2001,
he joined the Rheinmetall Group and was appointed chairman of Kolbenschmidt Pierburg AG.
MTZ _ Dr. Kleinert, do you sometimes think:
“If only Messrs. Schmidt and Pierburg could
have founded their company two years earlier”?
KLEINERT _ Of course, we would have
liked to have had better times than these
for our anniversary. The fact that the
100th anniversary of Kolbenschmidt
Pierburg coincides with one of the worst
economic crises in memory is not particularly pleasant. Other companies that were
founded a little earlier had the good fortune to be able to celebrate before the crisis. Nevertheless, we will mark the anniversaries of both companies – Pierburg
was founded in 1909, Kolbenschmidt in
1910 – in an appropriate manner with a
commemorative event. Also in the hope
that we will have overcome the worst of
the crisis in the foreseeable future.
What measures are you taking to overcome
this crisis as quickly as possible?
We reacted very promptly and halted
investment as early as October 2008. We
have also reduced our workforce worldwide to around 2500 employees.
Does that cause you concern?
Naturally, we have tried to carry out these
job cuts in a manner that is as socially
acceptable as possible. It is up to others to
judge whether we have succeeded in
every case. But if I fail to act, I risk being
faced with completely different consequences later.
How have you been able to reduce your
workforce?
Firstly, we have cut the number of agency
workers virtually to zero. Secondly, we
have also reduced the core workforce in
various regions of the world, including
Europe. In addition, we introduced shorttime working for 6000 employees at the
beginning of the year, although it has
“Our main priority is to improve
the efficiency of engines.”
been applied in varying degrees. We have
some areas with a lot of short-time working and others where, thankfully, the
situation is much better. The vehicle
scrappage scheme has helped in some
factories where we produce pistons for
small petrol engines. In these factories,
we were able to completely end shorttime working. We also introduced a 50
million euro programme to reduce overheads, which we not only achieved but
also exceeded.
To what extent will research and development
be affected by the cost savings?
Kleinert So far, we have not made any
cuts in development, at least as far as personnel capacity is concerned. On the contrary, we have very many new products
related to EU5. We need our full development capacity to ensure that these products are ready for the market on time. At
the moment, we see no reason to reduce
development capacity.
What proportion of overall sales is currently
reserved for R&D investment?
The current figure is between five and six
percent. The percentage figure rose from the
last quarter of 2008, but this was due, of
course, to the fall in sales. In absolute terms,
we have remained at a constant level. And
we have to do this, because otherwise we
would not be able to supply the orders for
new products that we have in all areas.
New business is being generated for you by
the process of downsizing. Do the advantages
of the new developments outweigh the disadvantages for you, for example when a future
C-Class has three cylinders…
… or an S-Class has four cylinders? That
is certainly possible. In certain areas,
downsizing will mean that fewer parts are
31
100 Y E A R S O F K O L B E N S CH MI D T PI E RB U R G
required. Clearly, for a six-cylinder engine
you only need six pistons and for a fourcylinder engine only four. This means a
reduction in production volumes, and the
same is true for the number of plain bearings required. But it does not apply to
throttle valve assemblies or exhaust gas
recirculation valves, as every engine
needs one or even two. Apart from that, a
downsized engine has to withstand quite
different loads. Much higher demands are
made on the individual components in
such engines, and these can only be met
with higher quality products. Therefore,
this is a very interesting challenge for us.
But not only that, large engines with six,
eight or ten cylinders will not die out
completely, they will merely be produced
in smaller numbers…
… if there is still a need for them. Do you
still need such an engine?
I must admit that I like driving cars with big
engines. But that doesn‘t mean that it will
always be the case. I have driven upper
mid-range cars with a two-litre turbocharged diesel engine that were almost luxury cars. I must say that these cars have
excellent performance and you don‘t really
need a six- or eight-cylinder engine any
longer. And they offer the fuel efficiency of
a small-displacement engine if you drive in
a restrained manner. So I wouldn‘t say that I
will always want to drive cars with big
engines.
Can you predict what cars will be like in 10
or 15 years’ time?
The internal combustion engine will still
be dominant, as it still offers a great deal
of potential with regard to efficiency and
emissions. And if you are referring to electric powertrains: there are, of course, plans
to have one million electric vehicles on the
road in Germany by 2020. Admittedly, one
million is a market share, but it is a relatively small one. There are still many problems that have to be solved regarding the
storage and infrastructure of electric
energy. Publications that discuss the operating range of electric vehicles usually
describe driving cycles that are driven
without lights, without heating, without
infotainment, without a navigation system
– in other words, without all those things
that a modern car has. Then, an operating
range is calculated that has hardly anything to do with the range of a normal car.
32
So there is no secret room at Kolbenschmidt
Pierburg where you meet with your closest
employees to discuss life after the internal
combustion engine?
Of course we observe the market very
closely. But we do not have a pre-development team for this area. We are firmly convinced that the internal combustion engine
still has a very long life expectancy. At
some point, variable valve timing will
become the standard, the combustion
processes for petrol and diesel engines will
change and there will also be different
fuels. I can imagine more use being made
of gaseous fuels, as there are still large
reserves of these fuels available.
Was that also the subject of your dissertation?
No, I did my Ph.D. on methanol/petrol
fuel mixes. It was during the time of the
first energy crisis in the early 1970s, and
everyone was calling for alternative fuels.
At the time, it was claimed that our oil
reserves would last for 40 years. Since
then, we have seen every 10 years that
our oil reserves will last for another 40
years. I think that it will continue like that
for some time to come.
So how should we make use of – if I may call
it that – the remaining fossil energy resources,
and what about regenerative sources of
energy, which are now increasingly the focus
of attention?
speaks in favour of fossil fuels – not only
liquid but also gaseous ones.
A lot of publications are now being circulated
in which „green“ companies are presented.
What potential does Kolbenschmidt Pierburg
have of becoming green?
It‘s interesting that you mention that. We
already had a green stand at the IAA
2003, were our products were displayed
amongst plants and waterfalls on the
walls. Our aim was to show how our
products help to reduce fuel consumption.
Whether you think of new materials in
bearings or piston coatings that reduce
friction or of exhaust gas recirculation in
petrol engines, which also improves fuel
economy: it has always been our primary
aim to improve the efficiency of engines,
and the more efficient an engine is, the
less fuel it consumes. After all, I want to
use my car for transportation and not to
heat up the environment. I estimate that
well over 90 percent of our products are
designed to improve engine efficiency in
order to reduce fuel consumption and, of
course, emissions.
Mr. Kleinert, thank you very much for this
interview.
I believe that major economic errors have
been made in this respect. One should conserve those fossil energy resources that are
“I can imagine using
more gaseous fuels in engines
in the future.”
best suited for individual mobility as long
as possible and use everything else for stationary applications. You are not going to
get very far with solar panels on the roof of
a car, but it makes good sense to generate
electric energy from solar panels in an
energy park. That also applies to wind
energy parks that supply electric power to
households. Electric energy is the highest
form of energy and it is almost an outrage
to use it for heating homes, but if you can
generate it almost for nothing, it also
makes sense to use it for stationary applications. For individual transportation,
where range is important, everything
INTERVIEW: Moritz-York von Hohenthal
1 0 0 Ye a r s o f K o l b e n s c h m i d t P i e r b u r g
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ABGA S M E S S T E C H N IK
FÜR PKW- UND NFZ-ANWENDUNGEN
Der Schlüssel zur maximalen Ausnutzung der etablierten externen Abgasrückführung zur Senkung
motorischer Stickoxidemissionen liegt in der präzisen Bemessung der zurückgeführten Abgasmasse.
Zu diesem Zweck hat Pierburg in Zusammenarbeit mit Heraeus Sensor Technologies einen auf
Heißfilmanemometrie beruhenden Sensor entwickelt. Die keramisch ausgeführten Sensorelemente
erlauben den Einsatz in motorischem Abgas.
34
A B G A S M E S S T E CHNI K
ANFORDERUNGEN
Die zunehmend restriktiven Emissionsvorschriften sowohl im Pkw- wie auch im
Nutzfahrzeugbereich erfordern neben effizienten Abgasnachbehandlungsmaßnahmen vor allem eine stetige Optimierung der motorischen Rohemissionen. Im
Hinblick auf die Senkung der Stickoxidemissionen bietet es sich insbesondere in
dieselmotorischen Anwendungen an, das
volle Potenzial der gekühlten Abgasrückführung auszuschöpfen.
Im Pkw wie auch zunehmend im Nfz
wird die Abgasrückführung als Unterstützung innermotorischer Maßnahmen in
verschiedenen Konstellationen eingesetzt.
Allen Ansätzen gemeinsam ist die Notwendigkeit, die zurückgeführte Abgasmasse unter Berücksichtigung brennverfahrenstechnischer Randbedingungen,
hier insbesondere die Ruß- und NOX-Bildungsregimes, kontrolliert und betriebspunktgenau einzuregeln, . In den bislang am Markt verfügbaren Motorkonzepten erfolgt die Erfassung des zurückgeführten Abgasmassenstroms in Ermangelung einer direkten Sensorik meist über
indirekte Informationen, wie etwa beim
Pkw über die angesaugte Luftmasse beziehungsweise die zugrundeliegende Motorschlucklinie. Die Kombination verschiedener Sensorsignale und berechneter
Kenngrößen sowie deren Toleranzen erlaubt es leider nur, die Abgasrückführung
mit begrenzter Genauigkeit und damit
begrenztem Potenzial einzustellen. Der
nachfolgend beschriebene Abgasmassenstromsensor (AGS) kann dagegen unmittelbar in den Abgasrückführstrang integ-
riert werden und liefert somit eine Information von erster Stelle. Beispielhaft sind
in zwei Einbaupositionen im Falle eines
Dual-Loop-AGR-Systems mit Hochdruckund Niederdruck-AGR-Pfad dargestellt.
AUTOREN
KONZEPT UND DESIGN
DR. KARSTEN GRIMM
Der vorgestellte Sensor dient der Erfassung des Abgasmassenstroms in einem
von heißem Abgas durchströmten Rohr.
zeigt ein vollständiges Sensorsystem.
Das gewählte physikalische Messprinzip
ist das der Heißfilmanemometrie, das sich
auch im Bereich der Luftmassensensorik
für den Luftansaugtrakt durchgesetzt hat.
Vorzüge des Prinzips sind in erster Linie
seine hohe Messgenauigkeit, eine ausgeprägte Robustheit sowie die kostengünstige
Darstellbarkeit.
zeigt schematisch die Funktionsweise des Messprinzips. Der Sensor verfügt
über zwei Sensorelemente, von denen
eines die Temperatur des strömenden Abgases (Ta) misst. Das zweite wird durch
elektrische Beheizung auf eine erhöhte
Temperatur (Th) gebracht, wodurch sich
.
ein Wärmestrom Q von diesem Sensorelement in das Abgas einstellt. Dieser Wärmestrom ist stark abhängig von der Geschwindigkeit des vorbeiströmenden
Gases und somit ein gutes Maß für den
Gasmassenstrom. In guter Näherung gilt:
Gl. 1
ist Experte für Motorkomponenten
und Thermodynamik in der Vorentwicklung der Kolbenschmidt
Pierburg AG in Neuss.
SVEN NIGRIN
ist Elektronikexperte für Nebenaggregate und Alternative Antriebe in
der Vorentwicklung der Kolbenschmidt Pierburg AG in Neuss.
DR. ANDRES TÖNNESMANN
ist Experte für Motorkomponenten
und Thermodynamik in der Vorentwicklung der Kolbenschmidt
.
.
Q2
A · _______
m = ___
2
2
c1
(Th – Ta)
HEINRICH DISMON
Hierbei sind A der Strömungsquerschnitt
des Messrohres sowie c1 eine dimensions-
Leitung Vorentwicklung der
Kolbenschmidt Pierburg AG.
NOX- und Rußbildung in Abhängigkeit von lokaler Verbrennungstemperatur und lokalem Kraftstoff-/Luftverhältnis, nach [1]
NOX and soot formation as a function of local combustion temperature
and local fuel/air ratio, as given in [1]
35
Mögliche Einbaupositionen
Abgasmassenstromsensor (AGS)
Possible exhaust gas mass flow
sensor (EGS) installation
behaftete Proportionalitätskonstante, die
die geometrischen Abmessungen des Heizerelements sowie die phys. Eigenschaften
des Messgases beinhaltet. Eine detaillierte
Herleitung von Gl. 1 ist in [2] dargestellt.
Nach Gl. 1 wird zur Bestimmung des
Abgasmassenstromes neben den Temperaturen des Abgases (Ta) und des Heizerelementes (Th) lediglich die Wärmeverlust.
leistung Q benötigt. Diese kann leicht
durch Messung der elektrischen Heizleistung bestimmt werden.
RANDBEDINGUNGEN
FÜR DEN EINSATZ AM MOTOR
Durch den Einsatz des Massenstromsensors im Abgas ergeben sich mehrere anspruchsvolle Randbedingungen. Zu diesen
zählen:
: hohe Abgastemperaturen
: starke Rußbelastung (insbesondere
Diesel)
: Kondensatbeschlag
: Pulsationen.
Diese besonderen Randbedingungen gelten zusätzlich zu den üblichen automotiven Anforderungen, wie chemische
Beständigkeit, Rüttelfestigkeit oder Dauerhaltbarkeit. zeigt den unter diesen Gesichtspunkten optimierten Messfühler. Zu
erkennen sind die beiden keramisch ausgeführten Sensorelemente, die von einem
Metallbügel, der als Transport- und Einbauschutz dient, eingefasst sind.
Die Wahl von temperaturbeständigen
Keramiksensorelementen erlaubt hohe Einsatztemperaturen von bis zu 650 °C, was
ein weites Feld an Einsatzorten im Motorabgasstrang eröffnet. Die Notwendigkeit
von temperaturfesten Sensorelementen ergibt sich zudem aus der Rußbelastung im
Abgas. Ein Rußbelag des Heizerelements
beeinträchtigt in hohem Maße den Wärme.
fluss Q, der gleichzeitig die zentrale Messgröße des Sensors darstellt. Somit muss für
einen störungsfreien Betrieb eine Belegung
der Keramiken unbedingt vermieden werden. Dies geschieht mittels zyklischen Abheizens der Sensorelemente bei über
600 °C. Bei diesen Temperaturen verbrennen eventuell angelagerte Russpartikel zu
CO2. Zusätzlich zu dieser Abbrennprozedur ist die Betriebsstrategie des Heizerelements so ausgelegt, dass es stets auf einer Mindesttemperatur von 250 °C gehalten wird. Thermophoretische Effekte sorgen in diesem Fall dafür, dass eine Verrußung des Heizers bereits während des Betriebs weitgehend verhindert wird [3].
Durch die gleichzeitige Verwendung dieser beiden Gegenmaßnahmen gelingt es,
die Keramiken rußfrei zu halten und einen
störungsfreien Betrieb des Sensors über Le-
Pierburg Abgasmassenstromsensor – System bestehend aus Elektronik und Messfühler
in einem AGR-Rohr (D = 25 mm)
Pierburg exhaust gas mass flow sensor system consisting of electronics and sensor head
mounted to an EGR pipe (D = 25 mm)
Funktionsprinzip Heißfilmanemometer
Functional principle of the hot-film anemometer
36
E X H A U S T M E A S U R E M E N T T E C HNI Q UE
EXHAUST GAS MASS FLOW SENSOR
FOR CAR AND COMMERCIAL VEHICLE
APPLICATIONS
The established external exhaust gas recirculation can only be fully exploited to reduce the engine’s nitrogen
oxide emissions if the recirculated mass of exhaust gas is precisely controlled. To this end, Pierburg has
cooperated with Heraeus Sensor Technologies in developing a sensor based on the principle of hot-film
anemometry. The ceramic sensor elements are suitable for use in engine exhaust gas.
REQUIREMENTS
The increasingly restrictive emission regulations in both the car and the commercial vehicle sector call for not only efficient exhaust gas after-treatment, but also
a constant optimization of the engine’s
raw emissions. With a view to reducing
nitrogen oxide emissions, it is desirable to
exploit the full potential of cooled exhaust
gas recirculation particularly in diesel engine applications. In pass cars as well as
increasingly in commercial vehicles, exhaust gas recirculation is being employed
in a variety of configurations.
Common to all approaches is the necessity to accurately regulate the recirculated
exhaust gas mass taking account of technical boundary consitions for the combustion process, especially the formation regimes of soot and NOx, . In the engine
strategies so far available on the market,
the recirculated exhaust gas mass flow,
for want of direct sensors, is usually
measured indirectly, e.g. via the intake air
mass or the engines suction characteristics. Unfortunately, because of the combination of various sensor signals and calculated parameters and their tolerances, it
is only possible to regulate exhaust gas
recirculation with limited accuracy and
hence with limited potential. The exhaust
gas mass flow sensor (EGS) described in
the following, on the other hand, is integrated directly in the exhaust gas recirculation line and thus supplies information
from the source. shows two exemplary
installation positions in a dual-loop exhaust gas recirculation system with highand low-pressure EGR.
STRATEGY AND DESIGN
The presented sensor is designed to measure the exhaust gas mass flow in a pipe
carrying hot exhaust gas. shows a complete sensor system. The selected physical
measuring principle is that of hot-film anemometry, which has become established
for mass flow measurement in the air intake line. The main advantages of the
principle are its high measurement accuracy, exceptional robustness and low cost.
shows schematically how the measuring principle works. The sensor has two
sensor elements, one of which measures
the temperature of the flowing exhaust
gas (Ta). The second is electrically heated
to an elevated temperature (Th), as a result of which the sensor element intro.
duces a heat flow Q into the exhaust gas.
This heat flow strongly depends on the
speed of the flowing gas and is thus an
accurate measure of gas mass flow. The
following holds as a good approximation:
Eq. 1
.
.
Q2
A · _______
m = ___
2
2
c1
(Th – Ta)
Here, A denotes the flow cross section of
the measuring pipe and c1 a proportional-
ity constant expressing the geometric dimensions of the heating element and the
physical properties of the measured gas.
A detailed derivation of Eq. 1 is given in
[2]. According to Eq. 1, all that is required
to determine the exhaust gas mass flow is
.
the heat dissipation Q along with the temperatures of the exhaust gas (Ta) and the
heating element (Th). The heat dissipation can be easily ascertained by measuring the electrical heating power.
AUTHORS
DR. KARSTEN GRIMM
is expert for Components and
Thermodynamics at Advanced
Engineering of Kolbenschmidt
Pierburg AG in Neuss (Germany).
SVEN NIGRIN
is an electronics expert for Auxilliaries
and Alternative Drives at Advanced
DR. ANDRES TÖNNESMANN
is an expert for Components and
Thermodynamics at Advanced Engineering of Kolbenschmidt Pierburg
AG in Neuss (Germany).
HEINRICH DISMON
is Director Advanced Engineering at
Kolbenschmidt Pierburg AG.
37
benszeit zu gewährleisten. Eine weitere
Einschränkung der Betriebstemperatur ergibt sich aus einem möglichen Kondensatbeschlag im Abgasstrang. Überschreitet die
Temperaturdifferenz zwischen Heizerkeramik und auftreffendem Kondensattropfen
einen kritischen Wert, kann es durch die
entstehenden thermischen Spannungen zu
Keramikbrüchen kommen. In umfangreichen Messungen wurde diese kritische
Übertemperatur für das Heizerelement bestimmt. Der ermittelte Wert von ΔTkrit ≈
300 °C lässt ausreichend Spielraum für eine geeignete Betriebsstrategie, da der Sensor bereits mit Übertemperaturen von
50 °C einen sehr guten Signalhub liefert.
Dementsprechend wurde die Betriebstemperatur des Heizers beschränkt, so dass
kritische Zustände hinsichtlich Kondensatbeschlags vermieden werden.
Eine weitere Herausforderung sind die
durch die Ladungswechselvorgänge des
Motors verursachten Pulsationen. Diese führen ebenso wie eine gleichförmige Strö.
mung zu einer Wärmedissipation Q am Heizerelement, ohne dass ein entsprechender
Massenstrom zugrunde liegt. Um Pulsationen detektieren zu können, ist das Heizerelement mit zwei Temperatursensoren ausgestattet, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Im Falle reiner
Pulsation zeigen die beiden Sensoren auf
Grund der Symmetrie der Strömung die gleiche Temperatur an, wohingegen sich bei
gleichförmiger Strömung eine deutliche
Temperaturdifferenz einstellt. Somit ermöglicht die zusätzliche Auswertung dieser
Temperaturdifferenz eine Kompensation der
Querempfindlichkeit zu Pulsationen.
VERSUCHSERGEBNISSE
Im Rahmen der Entwicklung galt es, neben konzeptionellen Kriterien auch ver-
Messfühler
Sensor head
Ermittelte Messwerttoleranzen von
kalibrierten Abgasmassenstromsensoren
Ascertained measurement value tolerances
of calibrated exhaust
gas mass flow sensors
38
suchstechnische Erfahrungen zu berücksichtigen. Der AGS wurde sowohl umfangreichen Labortests wie auch motorischen Untersuchungen unterzogen, in
denen er bezüglich seiner grundlegenden
Eigenschaften charakterisiert wurde.
Eine wichtige Kenngröße des Sensors
ist das Betriebsverhalten unter instationären Bedingungen wozu der Abgasmassenstromsensor bezüglich seines Dynamikverhaltens untersucht wurde. Die dabei
ermittelte typische Ansprechzeit des AGS
liegt bei t63 = 60 ms. Im Rahmen von Simulationen, die unten noch eingehend erläutert werden, zeigte sich, dass diese Dynamik zur Unterstützung von typischen
AGR-Regelkreisen ausreichend ist.
Die Messgenauigkeit ist ebenfalls ein
wichtiges Kriterium zur Beurteilung der
Qualität des Sensors und kann, wie zeigt, mit einer relativen Genauigkeit von
. .
Δm / m ≤ 3 % im Kennfeld Luftmasse
über Lufttemperatur angegeben werden.
Dem geht eine Kalibrierung der kompletten Sensoren mit lediglich einem Kalibrierschritt im Nominalpunkt (100 kg/h,
25 °C) voraus. Weiteres Potenzial lässt sich
mit zusätzlichen Kalibrierpunkten erschließen, welche jedoch derzeit aus Gründen
der Minimierung von Aufwand und Kosten nicht in Betracht gezogen werden.
Die Kalibrierung des AGS erfolgt entweder in einer Referenzumgebung im Falle einer Stecklösung für den Sensorkopf oder in
der tatsächlichen Einbauumgebung, wie
zum Beispiel einem AGR-Rohr oder einem
AGR-Kühler. Diese Maßnahme erlaubt es,
den sensitiven Bereich des Sensors außermittig und damit druckverlustarm im Strömungspfad der Abgasrückführung einzubauen. Die Einflüsse wandnaher Effekte
werden kalibriertechnisch kompensiert. Parallel zur tatsächlichen Messgenauigkeit ist
auch das Langzeitverhalten von Wichtigkeit.
Sich verändernde Kennwerte des Signals äußern sich in einer Sensordrift, die vor allem
durch von außen aufgeprägte Störeinflüsse
wie etwa Verrußung, Kraftstoffadditive oder
gar Partikel- beziehungsweise Kondensatbeschlag entstehen. Um diese Effekte bewerten zu können, erfolgten umfassende labortechnische aber auch motorische Versuche.
Zur Lösung der Verrußungsproblematik
wurden in diesen Tests die bereits erwähnten Betriebsroutinen entwickelt. Zusätzlich wurden aus diesen Erfahrungen
auch Maßnahmen bezüglich der Sensoreinfassung und Sensorabdichtung abgeleitet.
A B G A S M E S S T E CHNI K
Gemessener AGR-Massenstrom in einem Motorkennfeld. 7a zeigt Messwerte des Abgasmassenstromsensors und 7b Messwerte nach CO2-Bilanz als Referenz
Measured exhaust gas mass flow in an engine mapping. 7a shows measured values of the exhaust gas mass flow sensor and 7b the measured values based on the CO2 balance
as reference.
Neben der Charakterisierung des AGS
durch rein physikalische Kennwerte, galt
es ebenso, den Sensor im realen Motorumfeld bezüglich des Betriebsverhaltens
und des Vertrauensbereiches bei der Er-
fassung von Messwerten zu beurteilen.
Zu diesem Zweck wurden an verschiedenen Versuchsmotoren sowohl für Pkw
wie auch für Nfz Abgasmassenstromsensoren in unterschiedlichen Konfigurati-
onen zur Bemessung der Abgasrückführrate eingesetzt. Exemplarisch ist in das
Ergebnis einer Kennfeldvermessung dargestellt, die in Kundenzusammenarbeit
durchgeführt wurde.
Unbegrenzte Einsatzmöglichkeiten von innovativen Salzkernen für
Kokillen-, Niederdruck- und Druckguss
Bei der Herstellung von Gussteilen werden als Hohlraumplatzhalter beim Giessen im allgemeinen Sandkerne eingesetzt. Daneben werden im Niederdruck-Kokillenguss seit
vielen Jahren verlorene Kerne auf Kochsalzbasis verwendet.
Hauptmotiv ist die leichte und rückstandsfreie Entfernung
dieser wasserlöslichen Kerne aus dem Gussteil.
Insbesondere im Kolbenbereich haben sich über die Jahre die
verlorenen Kerne von einfachen, rotationsgeometrischen
Formen hin zu komplizierten Designs entwickelt. Diese
„filigranen Freiformen“ sind aufgrund der hohen Belastung
eines modernen Dieselkolbens immer weiter in Richtung
Brennkammer gewandert, um dort die nötige Kühlung zu
gewährleisten.
Diese Anwendungen sind mittlerweile etabliert und die Kerne werden im Großserienmaßstab produziert
und eingesetzt. So haben die zur CeramTec-Gruppe gehörende Emil Müller GmbH sowie die CeramTec
AG alleine im vergangenen Jahr über 30 Millionen Salzkerne an die Gießereiindustrie geliefert.
Heute sucht der Salzkern neue Herausforderungen im Druckguss für Anwendungen im Kurbelgehäuse
sowie bei Strukturbauteilen. Hierbei bietet der Salzkern innovative Lösungen für technische Herausforderungen.
Emil Müller GmbH
Dürrnbucher Straße 10 · 91452 Wilhermsdorf
Telefon: 09102/9935-0
www.ceramtec.de
39
SENSORS
ACCURACY
USE IN STRATEGY
RESPONSE
TIME T 63
“M-PROBE”
AMS
EGS
EGR MASS FLOW SENSOR
4%
60 ms
no
no
yes
AIR MASS SENSOR
2%
15 ms
no
yes
no
4 % O2
300 ms
yes
yes
yes
3.5 % in R
5s
yes
yes
yes
1.2 % final value
1 ms
yes
yes
yes
M-PROBE
NTC (T2)
PRESSURE SENSOR (P2)
Verwendete Sensoreigenschaften
Properties of the sensor employed
Einbauposition war hier die HochdruckAbgasrückführstrecke nach AGR-Kühler in
einem Sechszylinder-Pkw-Dieselmotor.
Bild 7a zeigt den ermittelten Abgasmassenstrom des AGS, und Bild 7b zeigt demgegenüber im selben Kennfeld eine Messung der Abgasmasse mittels einer Bilanzierung über den CO2-Gehalt in der Ansaugluft. Zu erkennen ist die sehr gute
Korrelation der beiden Messwerte über
den gesamten Applikationsbereich der
AGR im Motorkennfeld.
VERBESSERTE LUFTPFADREGELUNG
Der Abgasmassenstromsensor trägt zur
Reduzierung der Motorrohemissionen bei,
indem der neu zugängliche Messwert bei
der Motorregelung verarbeitet wird. Eine
hohe Regelgüte ist dabei gleichbedeutend
mit einer geringen Streubreite der einzelnen Emissionswerte, die für die Einhaltung
von Grenzwerten mitentscheidend ist.
Die unter Verwendung des AGS erreichbaren Emissionsstreuungen wurden an-
hand eines O2-Regelungskonzepts [4] hinsichtlich der stationären Regelgenauigkeit
und des transienten Verhaltens simuliert,
sowohl für eine Nutzfahrzeug- als auch
für eine Pkw-Anwendung. Die entsprechenden Motormodelle basieren auf Daten eines Nfz-EU6-Konzeptmotors sowie
eines vermessenen Pkw-EU5-Motors. Die
Ergebnisse wurden mit verschiedenen
Sensorkonzepten verglichen.
Beim Nutzfahrzeug-Motor (Sechszylinder mit Hochdruck-AGR und geregelter
Aufladung) umfassten die für die Brennraum-O2-Bestimmung relevanten Sensordaten neben Ladedruck und Saugrohrtemperatur das Signal einer Breitband-Lambdasonde sowie optional die Messwerte
eines hypothetischen Luftmassensensors
oder des AGS (siehe Kenndaten in ).
zeigt die mit den drei Sensorkonzepten
ermittelten Emissionsstreuungen für Partikel und Stickoxide beispielhaft am Lastpunkt C100 (≈1500 U/min, ≈11 bar, AGRRate jeweils um 10 %). Beim AGS-Konzept
wurde darüber hinaus noch die Sensorgenauigkeit zwischen 2 % und 4 % variiert.
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AYÜa[`ÜZ]kl]dd]
REQUIREMENTS
FOR USE IN ENGINES
The use of a mass flow sensor whithin the
exhaust gas implies several challenging
ambient conditions. These include:
: high exhaust gas temperatures
: strong soot formation (particularly in
diesel engines)
: condensation
: pulsation.
These special ambient conditions apply in
addition to the usual automotive requirements such as chemical resistance, vibration durability and longterm stability. shows the sensor head optimized in these
respects. The two ceramic sensor elements
can be seen enclosed by a metal cage that
serves as protection during handling and
installation. The choice of temperature-stable ceramic sensor elements permits high
gas temperatures of up to 650 °C, thus
opening up a broad range of application locations in the engine exhaust gas line. The
need for temperature-resistant sensor elements also arises because of soot contamination of the exhaust gas. A coating of soot
on the heating element would strongly im.
pair the heat flow Q, which is also the sensor’s key measurement variable. For trouble-free operation, it is therefore imperative
that the ceramics remain free of deposits.
This is achieved by a periodical procedure,
where the sensor elements are heated to
temperatures exceeding 600 °C. At these
temperatures, any deposited soot particles
are burnt off. In addition to this burn-off
procedure, the heating element’s operating
strategy is designed for a constant minimum temperature of 250 °C. Thermophoresis in this case ensures that soot contamination of the heater is largely prevented during operation [3].
With the simultaneous application of
these two countermeasures the ceramics
are kept free of soot and trouble-free sensor operation is maintained throughout its
service life. A further limitation arises from
the possibility of condensation in the exhaust gas line If the temperature difference
between the heater ceramics and impacting droplets of condensation exceeds a critical value, the ceramics may fracture due to
the resultant thermal shock. This critical
excess temperature for the heater element
has been identified in extensive measurements. The obtained value of ΔTkrit ≈ 300 °C
permits sufficient scope for a suitable oper-
ating strategy, as the sensor supplies a very
good signal deviation already at excess
temperatures as low as 50 °C. The heater’s
operating temperature has therefore been
limited to prevent the occurrence of condensation-related critical states.
Another challenge is the pulsation
caused by the engine’s gas exchange processes. Like a uniform flow, this results in
.
heat dissipation Q at the heater element
even without this being based on a net
mass flow. To detect pulsation, the heater
element is equipped with two temperature
sensors arranged in series in the direction
of flow. In the event of pure pulsation, the
two sensors indicate the same temperature because of the symmetry of the flow.
In the case of a uniform flow, on the other
hand, a considerable temperature difference is indicated. The additional evaluation of this temperature difference thus
permits compensation for the cross-sensitivity to pulsations.
EXPERIMENTAL RESULTS
Next to concept-related considerations experimental experience was taken into account for the development of the sensor.
The EGS was subjected to extensive laboratory tests as well as engine investigations in which its fundamental properties
were identified.
An important feature of the sensor is its
operating behavior in transient conditions,
for which purpose the dynamic behavior
of the exhaust gas mass flow sensor was
investigated. The typical response time of
the EGS was found to be t63 = 60 ms. In
the course of simulations explained in
greater detail below, it was found that this
dynamic response is sufficient to support
typical exhaust gas recirculation control
circuits. Measurement accuracy is another
important criterion for an assessment of
sensor quality and can be given, as
shown in , with a relative accuracy of
. .
Δm / m ≤ 3 % in the characteristic diagram of air mass over air temperature.
This is preceded by a calibration of all the
sensors in a single calibration step at the
nominal point (100 kg/h, 25 °C). Further
potential can be tapped with additional
calibration points, although these are unfavourable with regard to production cost.
The mass flow sensor is calibrated either in a reference environment in the
event of a plug connector solution for the
sensor head, or in the actual installation
environment, e.g. in an EGR pipe or cooler. This allows an off center installation of
the sensor elements resulting in a minimized pressure loss in the exhaust flow path.
The effects of the proximity of the wall
are accounted for during the calibration
process. Along with measurement accuracy itself, the sensor’s long-term performance is also of importance. Changing signal parameters find expression in sensor
drift, resulting primarily from external disturbance factors such as soot formation,
fuel additives or even particulate deposition and condensation. To assess these
phenomena, extensive laboratory and engine tests were carried out. To solve the
problem of soot, the already mentioned
operating routines were developed in
these tests. In addition, measures relating
to the sensor mounting and sealing were
taken on the basis of these findings.
Along with the characterization of the
EGS with purely physical parameters, it was
also important to assess the sensor in a real
engine environment in terms of operational
performance. To this end, exhaust gas mass
flow sensors were employed in a variety of
configurations in different test engines to
measure the exhaust gas recirculation rate
for both pass cars and commercial vehicles.
As an example, shows the results of a
performance measurement conducted in cooperation with a customer.
In this case, the installation position was
the high-pressure exhaust gas recirculation
line downstream of the EGR cooler in a sixcylinder car diesel engine. Figure 7a shows
the exhaust gas mass flow measured by the
EGS, and Figure 7b, by comparison, a measurement of the exhaust gas mass in the
same characteristic diagram obtained by
balancing the CO2 in the intake air. Clearly
discernible is the very good correlation between the two measured values over the entire application range.
IMPROVED AIR MANAGEMENT
The exhaust gas mass flow sensor helps
to reduce engine raw emissions by providing a newly accessible information which
is further processed by the engine management. In this context, a high control
quality means low variance of emission
values which has a large bearing on compliance with the coming emission limit
values.
41
Emissionsstreuungen
verschiedener
Sensorkonzepte
Emission variance
of different sensor
strategies
Ausgehend von einer Version ohne Massenstromsensor profitiert die Regelung offensichtlich in besonderem Maße von der
Einbeziehung des AGS, selbst wenn ein
Luftmassensensor eine höhere nominelle
Messgenauigkeit aufweisen würde. Die gewählte Messgenauigkeit des AGS schlägt
sich vergleichsweise wenig nieder. Prinzipbedingt wird durch die Abgasmassenstromerfassung die O2-Konzentration im
Brennraum im Zusammenspiel mit dem
Luftaufwandsmodell besser bestimmt, so
dass der Motor mit dem AGS in einem
deutlich kleineren Emissionstoleranzfenster betrieben werden kann.
Die kleinen Diagramme in 8 zeigen
exemplarisch für das AGS- und das LMSKonzept die aus den endlichen Sensorge-
PROPERTY
nauigkeiten resultierenden Emissionswert-Histogramme, aus denen die dargestellten normierten Streuungen entnommen wurden. Weitere simulierte Lastpunkte lieferten qualitativ die gleichen
Streucharakteristiken entlang der NOXPartikel-Tradeoff-Linie.
Die Grundlage für die Pkw-Simulation
bildete ein 2-l-EU5-Motor mit HochdruckAGR, VTG, Common-Rail und einstufiger
Aufladung. Die durchgeführte Untersuchung am Lastpunkt n = 2000 U/min,
pme = 6 bar lieferte das gleiche Bild wie
beim Nfz: Die Emissionsstreuung unter
Verwendung des AGS ist nur etwa halb
so groß wie beim Luftmassensensor. Statt
der reinen Lambdasondenregelung wurde
beim Pkw noch ein weiteres Konzept un-
UNIT
QUANTITY
°C
0 – 650
kg/ h
0 – 500
RESPONSE T63
ms
60
DIMENSIONS OF CONTROL ELECTRONICS (L X B X H)
TEMPERATURE MEDIUM
MASS FLOW FOR PIPE DIAMETER Ø = 44 MM
mm
110 / 65 / 25
MASS
kg
0.5
OPERATING VOLTAGE
V
12 / 6
TYPICAL POWER CONSUMPTION
W
3.5
W
8
MAXIMUM POWER CONSUMPTION
COMMUNICATION
DIAGNOSIS
Technische Daten Abgasmassenstromsensor A-Muster
Technical data of exhaust gas mass flow sensor, A-sample
42
Analogue, Frequency or CAN
Customized
tersucht, bei dem beide Massenstromsensoren, AGS und LMS, verwendet wurden.
Hier konnten die Streubreiten gegenüber
dem Fall mit alleinigem AGS um zirka ein
weiteres Drittel reduziert werden.
Bezüglich ihrer dynamischen Qualitäten
unterscheiden sich die Regelungen mit AGS
und LMS kaum; beide zeigen bei den untersuchten Fällen (Lastsprünge von A25
nach A100 und C25 nach C100 beim Nutzfahrzeug, FTP75-Zyklus für den Pkw) ein
gutes Regelverhalten. Lediglich das allein
auf der relativ langsamen Breitband-Lambdasonde basierende Nutzfahrzeug-Konzept
fällt hier mit erheblichen Stickoxid-Überschwingern zurück. Die Ansprechzeit des
AGS, die aufgrund der größeren thermischen Trägheit höher ausfällt, als bei typischen Dünnfilm-Luftmassensensoren,
ist dagegen ausreichend gering. Nennenswerte Emissionsnachteile zeigten sich erst
bei simulierten Ansprechzeiten t63 oberhalb von 100 ms.
ZUSAMMENFASSUNG
UND AUSBLICK
Der vorgestellte Abgasmassenstromsensor
eröffnet bei zukünftigen Konzepten von
Verbrennungsmotoren die direkte Ermittlung von Heißgasmassenströmen, beispielsweise im Abgasrückführsystem, und
trägt somit zu einer präziseren Einregelung emissionsarmer Motorbetriebspunkte
bei. Die charakteristischen Sensoreigenschaften sind nochmals in zusammengefasst. Der Systemaufbau mit eigenständiger Auswerteelektronik erlaubt eine
leichte Adaption als Plug-in-System und
garantiert einen zuverlässigen Betrieb des
Sensors bei gleichzeitig kundenspezifisch
konfigurierbarer Kommunikation mit dem
Motorsteuergerät.
LITERATURHINWEISE
[1] Akihama, K. et. al.: Mechanism of the Smokeless Rich Diesel Combustion by Reducing Temperature. SAE2001-01-0655
[2] Grimm, K.; Tönnesmann, A.; Nigrin, S.; Dismon, H.; Wienand, K.; Muziol, M.: Keramischer
Heißfilmsensor zur Abgasmassenstrommessung in
automotiven Anwendungen. 17. Aachener
Kolloquium, Band 2, s. 1245-1270
[3] Hünnekes, E.V.: Untersuchungen zur katalytischen Oxidation von submikronen Kohlenwasserstoffpartikeln aus motorischen Abgasen. Dissertation, RWTH Aachen, 02/2002
[4] Körfer, T., Ruhkamp, L., Herrmann, O.,
Adolph, D., Linssen, R.: “Verschärfte Anforderungen an die Luftpfadregelung bei HD-Motoren“.
In: MTZ 69 (2008) Nr. 11
vehicle. When the EGS is used the emission variance is only half as large as with
the air mass sensor. Instead of control
solely with a lambda probe, another concept was investigated on the car in which
both the EGS and AMS were employed.
Variance was reduced by roughly a further
third over the version with the EGS alone.
As to their dynamic qualities, the controls with the EGR mass flow sensor and
air mass sensor hardly differ; both show
good control behavior in the investigated
cases ( load steps from A25 to A100 and
C25 to C100 on the commercial vehicle,
FTP75 cycle for the car). The only exception is the commercial vehicle strategy
based solely on the relatively slow broadband lambda probe. Here, considerable
nitrogen oxide overshooting was observed.
The response time of the EGS, which is
greater than that of typical thin-film air
mass sensors because of its larger thermal
inertia, is sufficiently low. Appreciable drawbacks for emissions only occur at simulated
response times of t63 above 100 ms.
SUMMARY AND OUTLOOK
For internal combustion engine strategies
of the future, the presented exhaust gas
mass flow sensor paves the way for the
direct measurement of hot gas mass
flows, for example in the exhaust gas recirculation system, and thus contributes
to a more accurate control of low-emission engines . The characteristic sensor
properties are summarized again in .
The system design with its autonomous
evaluation electronics permits easy adaptation as a plug-in system and ensures
reliable sensor operation combined with
customer-configured communication
with the engine control unit.
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REFERENCES
[1] Akihama, K. et. al.: Mechanism of the
Smokeless Rich Diesel Combustion by Reducing
Tem pera ture. SAE2001-01-0655
[2] Grimm, K.; Tönnesmann, A.; Nigrin, S.;
Dismon, H.; Wienand, K.; Muziol, M.: Keramischer
Heißfilmsensor zur Abgas-massenstrommessung
in automotiven Anwendungen. 17. Aachener
Kolloquium, Band 2, s. 1245-1270
[3] Hünnekes, E.V.: Untersuchungen zur katalytischen Oxidation von submikronen Kohlenwas serstoffpartikeln aus motorischen Abgasen. Dissertation, RWTH Aachen, 02/2002
[4] Körfer, T., Ruhkamp, L., Herrmann, O.,
Adolph, D., Linssen, R.: “Verschärfte Anforderungen an die Luftpfadregelung bei HD-Motoren“.
In: MTZ 69 (2008) Nr. 11
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The emission variances achievable with
the mass flow sensor were simulated on
the basis of an O2 control concept [4] in
terms of stationary control accuracy and
transient behavior, for both commercial
vehicle and car use. The associated engine
models are based on data from a commercial vehicle EU6 concept engine and a
measured car EU5 engine. The results were
compared for different sensor strategies.
On the commercial vehicle engine (sixcylinder with high-pressure EGR and controlled supercharging), the sensor data relevant for measuring combustion chamber
O2 comprised not only charge pressure and
intake pipe temperature, but also the signal from a broadband lambda probe and,
optionally, the readings from a hypothetical air mass sensor or from the EGR mass
flow sensor (see characteristics in ).
shows the emission scattering for
particulate and nitrogen oxides obtained
with the three sensor strategies, taking the
example of load point C100 (≈1500 rpm,
≈11 bar, EGR rate in each case about
10 %). With the ”EGS” concept, sensor
accuracy was furthermore varied between
2 % and 4 %.
Starting with the “lambda probe” concept without any mass flow sensor, the
control evidently benefited to a large degree from the integration of the EGR mass
flow sensor, even if an air mass sensor
shows higher nominal measurement accuracy. The selected measurement accuracy
of the EGR mass flow sensor has relatively little impact. Owing to the principle,
the O2 concentration in the combustion
chamber is determined better by measurement of the EGR mass flow in interaction
with the air consumption model. As a
result the engine equipped with the EGS
can be operated within a much smaller
emission tolerance window.
For the ”EGS” and ”AMS” strategies,
the small diagrams in 8 show the emission histograms resulting from the finite
sensor accuracies and from which the represented standardized variances were
taken. Other simulated load points yielded qualitatively the same variance characteristics along the NOx/particulate tradeoff line. The car simulation was based on
a 21-EU5 engine with high-pressure EGR,
VTG, common rail and single-stage supercharging. The test carried out at load
point n = 2000 rpm, pme = 6 bar yielded the same picture as on the commercial
43
ALUM I N I U M G U S S
LEICHTBAU UND DOWNSIZING
EINSATZMÖGLICHKEITEN VON
ALUMINIUMGUSS IM FAHRZEUG
Künftige Emissionsgrenzwerte stellen hohe Ansprüche an den Fahrzeug- und
Motorenbau. Downsizing ist zur Verbesserung des Wirkungsgrads ein effektiver Ansatz. Der erforderliche Leichtbaugrad ist nicht unumstritten, verliert er
doch durch effiziente Energierekuperation und kostengünstiger umzusetzende
Aerodynamik-Verbesserungen an Bedeutung. Umso größer ist die Herausforderung für zukunftsfähige Werkstoffkonzepte.
44
U N T E RT H E M A THEM A
AUSGANGSSITUATION
Der Beschluss des EU-Ministerrats und
des Europäischen Parlaments über die
Einführung eines CO2-Flottengrenzwerts
bei Pkw von 130 g/km ab Januar 2012
bewirkt umfangreiches Downsizing und
Downspeeding. Kleinerer Hubraum mit
optional verringerter Zylinderzahl kompensiert durch Aufladung stellt auch
beim Ottomotor ein geeignetes Konzept
dar. Die dabei erreichbare günstige Lastpunktverschiebung ermöglicht Verbrauchsvorteile bei ähnlichen Fahrleistungen. Unterstützt wird Downsizing
durch motorische Wirkungsgradsteigerung (Optimierung der Brennverfahren,
Reduzierung der Reibleistungs- und parasitären Verluste), Energiemanagement,
Hybridisierung/Teilelektrifizierung und
optimierte Getriebe sowie längere Gesamtübersetzung. Hinzu kommt eine
deutliche Reduzierung aller Fahrwiderstände einschließlich des Luftwiderstands [1].
Die der Fahrzeugmasse proportionalen
Fahrwiderstände beim Rollen, Beschleunigen und bei Bergauffahrt können nur
durch Leichtbau reduziert werden. Dieser
ist somit wichtiger Bestandteil aktueller
Strategien der Automobilindustrie zur
CO2-Emissionsreduzierung [2], [3]. Nach
[4] zeigt sich beispielsweise im NEFZ für
ein Fahrzeug der Kompaktklasse die in dargestellte CO2-Relevanz.
Komfort und passive Sicherheit, aber
auch Interieur, Qualität und Gesetzgebung haben die Masse von Pkw in den
letzten drei Dekaden um 25 bis 40 %
nach oben getrieben. Leichtbau tut daher Not. Automobilhersteller wie Zulieferer stellen sich dem Handlungsdruck. Leichtbaukonzepte auf Aluminiumbasis nutzen dabei beides, geringe
Dichte und außergewöhnlich hohe „spezifische Steifigkeit“ (E-Modul/Dichte)
des Werkstoffs.
TRACTIVE RESISTANCE
SHARE [%]
a) Acceleration resistance
36.8
b) Rolling resistance
24.2
c) Aerodynamic drag
31.6
d) Idling
7.2
LEICHTBAUPOTENZIALE
DURCH WERKSTOFFSUBSTITUTION
MIT ALUMINIUM
Den Erwartungen an Leichtbau sind die
erschließbaren Potenziale gegenüberzustellen. Etwa 70 % der Pkw-Masse stecken in den drei Baugruppen Motor/Antrieb, Karosserie und Räder/Fahrwerk.
Der durchschnittliche Einsatz von Aluminium, 1978 noch 32 kg, wird nach einer
GDA-Prognose 2010 auf 160 kg, der Gussanteil von 28 auf 88 kg ansteigen, .
Auch wenn jahresbezogene Angaben differieren, zeigt der Aluminiumeinsatz beim
Motor/Antrieb nach langjährigem starken Wachstum seit 2000 eine Sättigung,
während er im Bereich Räder/Fahrwerk
kontinuierlich wächst. Einen enormen
Aufschwung verzeichnet Aluminium in
den letzten zehn Jahren bei der Karosserie. Aluminium-Karosserien im PremiumBereich waren hier zwar Vorreiter; immer
mehr ins Gewicht fallen aber aufkommende Mischbauweisen einschließlich
der Substitution bei Kotflügeln, Türen,
Hauben sowie beim Vorderwagen.
Einer pauschalen Abschätzung des
Leichtbaupotenzials bei Werkstoffsubstitution durch Aluminium beim Gesamtfahrzeug
liegt die Datenbasis der Spalten zwei und
drei in zugrunde. Für die bereits erwähnte Kompaktklasse – eine Fahrzeugmasse
von 1250 kg unterstellt – geht die erzielbare
Gewichtseinsparung dann bei vorsichtigen
Annahmen aus Spalte vier hervor.
Der Kraftstoffverbrauch sinkt im NEFZ
pro 100 kg Mindergewicht um zirka
0,35 l/100 km. Eingesparte 150 kg bedeuten somit zirka 0,53 l/100 km weniger
Kraftstoffverbrauch oder gut 12 (Otto)
beziehungsweise 14 (Diesel) g CO2/km
weniger CO2-Ausstoß .
Die Einschätzung des Downsizing-Effekts basiert auf einem klassentypischen
1,8 l Ottomotor. Dessen derzeitiger durchschnittlicher CO2-Ausstoß hierzulande im
AUTOREN
HONORARPROFESSOR DR.-ING.
EDUARD KÖHLER
Fachbereichsleitung Forschung und
Technologie bei der Kolbenschmidt
Pierburg AG in Neckarsulm.
DR.-ING. STEPHAN BEER
ist Leiter Technische Kundenberatung Fertigungsprozesse bei der
KS Aluminium-Technologie GmbH
in Neckarsulm.
DR.-ING. CHRISTIAN KLIMESCH
Leitung Produktentwicklung Guss
bei der KS Aluminium-Technologie
GmbH in Neckarsulm.
DIPL.-ING. JÜRGEN NIEHUES
ist Referent Triebwerk und Tribologie
in der Vorentwicklung der Kolbenschmidt Pierburg AG in Neckarsulm.
DR.-ING. BERND SOMMER
ist Leiter Werkstoffe in der
Vorentwicklung der Kolbenschmidt
Pierburg AG in Neckarsulm.
SUBTOTAL [%]
a) + b): 61.2!
CO2-Relevanz im NEFZ eines Fahrzeugs der Kompaktklasse
CO2 relevance in NEDC for a compact class car
45
Zunahme des durchschnittlichen Einsatzes von Aluminium in Pkw (EU)
Increase in the average input of aluminum in cars (EU)
SUBASSEMBLY
REPRESENTATIVE
MASS SHARE1) [%]
MASS REDUCTION
POTENTIAL [%]
MASS SAVINGS
[%]/[KG]
Body, thereof body-in-white
Body-in-white
(multi-material)
40
Approx. 25
30 (to 40)
15 (to 25)
4/50 2)
Wheels/suspension/chassis
24
30 (to 35)
7/87.5
Engine/drive (gray cast iron
cylinder block)
16
6 (to 9)
1/12.5
Equipment
15
-
-
Electrics/electronics
5
-
-
Total
100
1) Manufacturer’s data (identical to VDA data)
12/1503)
2) Multi-material design; here body-in-white only
3) Max. 21 % or 263 kg
Leichtbaupotenzial bei Werkstoffsubstitution durch Aluminium
Lightweight construction potential involving substitution with aluminum
NEFZ wurde mit 162 g/km ermittelt, .
Ein Abschlag von 5 % (154 g CO2/km)
trägt in etwa der Kompaktklasse Rechnung. Downsizing (1,8-l-Sauger zu 1,4-lATL) gewährt zum Beispiel nach [5] einen
Verbrauchsvorteil im NEFZ bis 11 % entsprechend 17 g CO2/km, ein mit Blick auf
den Kurvenverlauf in 3 wohl zu günstiger Wert. Eine vergleichbare Verringerung
des CO2-Ausstoßes bei reiner Hubraumverkleinerung von 1,8 auf 1,4 l beruht
dort nicht nur auf niedrigerer Leistung,
sondern korreliert auch noch mit geringerem Fahrzeuggewicht, während bei
Downsizing diese Parameter konstant anzunehmen sind. Zwei Drittel dieses Werts,
11 g CO2/km, werden jedenfalls als erreichbar erachtet.
Folgende Schlüsse lassen sich ziehen:
: „Bezahlbarer Leichtbau mit Augenmaß“ und Downsizing können Beiträge ähnlicher Größenordnung leisten.
: Leichtbau – nicht nur zur Massenkompensation – muss für einen zählbaren
Erfolg alle masseintensiven Baugruppen ausreichend einbeziehen.
: Mit Downsizing und Leichtbau könnte
die große Masse der Pkw auch mit
kostengünstigerem Ottomotor den
Grenzwert des CO2-Ausstoßes in
absehbarer Zeit unterschreiten.
: Mit dem teureren Dieselmotor allein
gelingt das im Einzelfall bereits heute.
Insofern ist auch von Interesse, wie
sich Leichtbaukosten gegenüber den
Mehrkosten des mit Blick auf Euro 6
immer aufwändigeren Dieselmotors
darstellen.
PRODUKTDIVERSIFIZIERUNG
Hubraumabhängiger, gemittelter sowie mit 5 % Abschlag versehener CO2-Ausstoß von Pkw (EU); Einschätzung
des „Downsizing“-Effekts bei kompensierter Leistung und unveränderter Fahrzeugmasse (Beispiel Kompaktklasse)
The displacement-dependent, averaged and 5 %-reduced CO2 output of cars (EU); assessment of the downsizing
effect with upgraded performance and unchanged vehicle mass (taking the example of the compact class)
46
Das Szenario hat einschneidende Auswirkungen auch für Zulieferer der Automobilindustrie wie die KS Aluminium-Technologie – Marktführer im Premium-Segment
bei Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen.
Auf das dramatisch schrumpfende Marktvolumen großer Pkw-Motoren wurde reagiert und die Produktstrategie angepasst.
Die Neuausrichtung stützt sich auf Produktdiversifizierung, das heißt den steigenden, breit gestreuten Bedarf an hochwertigen Aluminium-Gussteilen:
: Das Kerngeschäft stellt sich den technischen wie wirtschaftlichen Herausforderungen von „Premium“ bis zur
anspruchsvollen Massenfertigung,
wozu jüngst auch eine Partnerschaft
A L U M I N U M C ASTI NG
LIGHTWEIGHT CONSTRUCTION
AND DOWNSIZING
A BROAD RANGE OF APPLICATIONS FOR
CAST ALUMINUM IN VEHICLES
Future emission limits demand a great deal of vehicle and engine construction. Downsizing is an effective
approach of efficiency improvement. The challenge for future materials is even greater because the required
grade of lightweight design still is disputed since it pales in comparison with efficient energy recuperation
and the cheaper aerodynamic optimization.
INITIAL SITUATION
The decision of the EU Council of Ministers
and the European Parliament to introduce a
CO2 limit for the car fleet of 130 g/km from
January 2012 is encouraging downsizing
and downspeeding on a broad front. In the
gasoline engine, a smaller displacement
with an optionally reduced number of cylinders offset by charging is a viable approach.
The favorable shift in the load point achievable in this way cuts fuel consumption
while keeping performance about the same.
Downsizing is supported by improvements
in engine efficiency (optimization of the
combustion process, reduction in friction-induced and parasitic losses), energy management, hybridization/partial electrification,
optimized gearing and longer overall gear
ratios. All this is joined by a significant reduction in tractive resistance including aerodynamic drag [1].
The tractive resistance proportional to
vehicle mass during vehicle roll, acceleration and hill-climbing can only be reduced
with lightweight construction methods.
The latter is thus an important aspect of
current strategies of the automotive industry to cut carbon emissions [2], [3]. According to [4], a vehicle of the compact
class shows the CO2 relevance shown in in the NEDC, for instance.
Comfort and passive safety as well as
the interior, quality and legislation have
pushed up car mass by 25 to 40 % in the
last three decades. Lightweight construc-
tion is urgently needed. Car manufacturers
and component suppliers are responding to
this pressure to take action. Lightweight
construction strategies based on aluminum
exploit both the material’s low density and
exceptionally high “specific stiffness”
(Young’s modulus (E)/density).
POTENTIAL FOR LIGHTWEIGHT
CONSTRUCTION BY SUBSTITUTING
MATERIALS WITH ALUMINUM
The expectations associated with lightweight
construction have to be analyzed in terms of
the exploitable potential. Three subassemblies – engine/drive, body and wheels/suspension/chassis – account for about 70 % of
the car’s mass. The average contribution of
aluminum, only 32 kg in 1978, will rise according to a GDA forecast to 160 kg in 2010,
and the share of castings from 28 to 88 kg,
. Even if the year-related data differ, the input of aluminum in the engine/drive
reached saturation point in about 2000 after
many years of strong growth, while on the
wheels/ suspension/chassis growth has continued. Aluminum has experienced a boom
on the car body over the last ten years, a
trend pioneered by bodies in the premium
segment. However, emerging multi-material
construction methods are now coming to
the fore, inclusive of substitution on the
fenders, doors, hoods and front section.
An overall estimate of the lightweight
construction potential involving substitution
with aluminum on the overall vehicle is
based on the data in columns 2 and 3 of .
For the compact class already mentioned –
assuming a vehicle mass of 1250 kg – the
achievable weight savings are given in column 4 based on cautious assumptions.
Fuel consumption in the NEDC falls by
about 0.35 l/100 km per 100 kg of reduced
weight. Savings of 150 kg thus convert into
AUTHORS
HONORARY PROFESSOR DR.-ING.
EDUARD KÖHLER
is Vice President Research and Technology at Kolbenschmidt Pierburg AG
in Neckarsulm (Germany).
DR.-ING. STEPHAN BEER
is Manager Customer Consulting at
KS Aluminium-Technologie GmbH
in Neckarsulm (Germany)
DR.-ING. CHRISTIAN KLIMESCH
is Director Product Development
Castings at KS Aluminium-Technologie
GmbH in Neckarsulm (Germany).
DIPL.-ING. JÜRGEN NIEHUES
is Manager Base Engine and Tribology at Advanced Engineering of
Kolbenschmidt Pierburg AG in Neckarsulm (Germany).
DR.-ING. BERND SOMMER
is Senior Manager Engineering
Materials at Advanced Engineering
of Kolbenschmidt Pierburg AG in
Neckarsulm (Germany).
47
rungseigenschaften und maßgeschneiderter Wärmebehandlungen. Simultaneous Engineering fördert auf den Werkstoff abgestimmte, beanspruchungs- wie
gießgerechte Konstruktionen.
HOCH BEANSPRUCHBARE
ZYLINDERKURBELGEHÄUSE
IM DRUCKGUSS
Aluminium-Druckguss-Zylinderkurbelgehäuse: oben links: Smart R3 Diesel (ohne Bedplate dargestellt),
oben rechts: Daimler R4 Otto, unten links: Volvo R5 Diesel mit Bedplate, unten rechts: Volvo R5 Otto (ohne Bedplate
dargestellt)
Aluminum die-cast cylinder block: Top left: Smart R3 diesel (shown without bedplate). Top right: Daimler R4
gasoline. Bottom left: Volvo R5 diesel with a bedplate. Top right: Volvo R5 gasoline (shown without bedplate)
:
:
:
:
:
angebahnt wurde. Die Gießkonzepte
sind zugeschnitten auf das mit „Downsizing“ stark wachsende Marktsegment
kleiner Hochleistungsmotoren.
Zwecks Reibleistungsminderung und
als Antwort auf die zunehmende Verschleißbeanspruchung von Zylinderlaufflächen (Benzin-Direkteinspritzung, regenerative Kraftstoffe) wird
die PTWA-Beschichtungstechnologie
verfolgt [6].
Am Standort Neckarsulm konzentriert
sich die Spezialisierung bei Zylinderköpfen auf kleine, hoch beanspruchte
Pkw-DI-Dieselmotoren. Das Joint Venture KPSNC ist beiläufig größter Zylinderkopfproduzent in China. Ein weiterer europäischer Produktionsstandort
ist Teil längerfristiger Planung.
Neben Zylinderköpfen wurde auch die
Fertigung von Druckguss-Getriebegehäusen in Neckarsulm wieder
aufgenommen.
Ein neues, anspruchsvolles Produktfeld eröffnet sich mit AluminiumStrukturgusskomponenten im Karosserie- und Fahrwerksbereich.
Der Anteil fertig bearbeiteter, montagefertiger Komponenten – mittlerweile
48
auch eine Kernkompetenz – wächst
sukzessive.
Die Eroberung des Pkw-Fahrzeugsektors
durch Aluminiumguss hat eine Spezialisierung bewirkt. Der Realisierung spezifischer lokaler Werkstoffeigenschaften dienen hoch entwickelte Gießverfahren und
fortschrittlichste Werkzeugtechnik. Neben
problemorientierter Anschnitt- und Kühltechnik bedarf es auch definierter Legie-
Spezifische Leistungssteigerung bei
Downsizing erhöht die Bauteilbeanspruchung erheblich. Weitere Optimierung des
DI-Diesel-Brennverfahrens, aber auch
Benzindirekteinspritzung mit Abgasturboaufladung (ATL) oder Kompressor beim
Ottomotor lassen die Zünddrücke und damit speziell die Lagerstuhlbeanspruchung
weiter steigen.
Eine hohe Lagerstuhlfestigkeit ist folglich neben der beherrschbaren Lösung der
Zylinderlaufflächenproblematik das primäre Ziel beim Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse. Das Kriterium Lagerstuhlfestigkeit gilt als Prüfstein für die Zukunftsfähigkeit eines auf Aluminium basierenden
Leichtbaus. Allerdings ist hier keine wirkliche Alternative greifbar. Daher gilt es,
vorhandene Potenziale zu heben [6].
Dennoch, während die Anforderungen
kontinuierlich steigen, verstärkt die Reduzierung von Hubraum und Zylinderzahl
den Kostendruck und verlangt möglichst
kostengünstige Bauteilkonzepte. Dies generiert einen Bedarf an sehr wirtschaftlich
herstellbaren, kleinen, leichten, aber dennoch hochfesten Zylinderkurbelgehäusen.
Druckguss ist aufgrund kurzer Taktzeit
für eine kostengünstige Massenfertigung
Blick auf ein so genanntes “Waschbrett“ einer Druckgiessformhälfte (Anwendung bei Vakuumdruckguss
View of the so-called “washboard” of a high-pressure casting die half (used for vacuum high-pressure
die casting)
about 0.53 l/100 km lower fuel consumption or a good 12 (gasoline) or 14 (diesel) g
CO2/km of less carbon dioxide output.
The estimate of the downsizing effect is
based on a 1.8-liter (L) gasoline engine
typical of its class. Its current average carbon output in Germany in the NEDC has
been calculated to be 162 g/km, . A reduction of 5 % (154 g CO2/km) brings it
down to compact class level. According to
[5], downsizing (1.8 l naturally aspirated
engine to 1.4 l exhaust gas turbocharger)
yields, for instance, an up to 11 % reduction in fuel consumption in the NEDC,
equivalent to 17 g CO2/km – evidently an
overambitious value when one looks at the
curve in 3. A comparable reduction in CO2
output simply with a reduction in displacement from 1.8 to 1.4 l is not only due to reduced power but also correlates with lower
vehicle weight, while in the event of downsizing these parameters can be assumed to
be constant. Two-thirds of this value,
11 g CO2/km, can be definitely considered
achievable. The following conclusions can
be drawn:
: “Affordable and realistic lightweight construction” and downsizing are capable
of making contributions of a similar
magnitude.
: Lightweight construction – not only as a
compensation for mass – has to sufficiently include all the high-mass subassemblies if it is to pay off.
: With downsizing and lightweight construction, the majority of cars could fall
below the CO2 limit even with a less
expensive gasoline engine in the foreseeable future.
: This has already been achieved in isolated cases with the more expensive diesel engine alone. In this connection it is
also of interest to see how the cost of
lightweight construction compares with
the extra cost of the diesel engine that is
becoming increasingly elaborate to comply with Euro 6.
PRODUCT DIVERSIFICATION
This scenario also has a major impact on
component suppliers to the automotive industry such as KS Aluminium-Technologie –
market leader in the premium segment with
aluminum cylinder blocks. Responding to
the dramatic shrinkage in the market volume of large car engines, it has adapted its
product strategy. The new approach is
geared to product diversification, i.e. to the
growing, widely scattered demand for highgrade aluminum castings:
: Its core business is focused on the technical and economic challenges of the
premium segment through to quality
mass production, where the way has
been recently paved for a partnership.
The casting strategies are tailored to the
market segment of small high-performance engines that is growing strongly
with downsizing.
: To reduce friction loss and as a response to the growing wear of cylinder
surfaces (gasoline direct injection,
regenerative fuels), PTWA coating technology is being adopted [6].
: At the Neckarsulm site, specialization in
the cylinder head sector is concentrating
on small, high-duty car DI diesel
engines. The KPSNC joint venture, incidentally, is China’s biggest cylinder head
producer. Another European production
plant is envisaged in the longer term.
: Along with cylinder heads, the production of die-cast transmission housings
has been resumed in Neckarsulm.
: A new, high-grade product field is opening up with cast aluminum components
for the body, chassis and suspension.
: The share of finish-machined, ready-forassembly components – now also a core
competence – is steadily growing.
The conquest of the car sector with cast
aluminum has resulted in specialization.
Highly developed casting processes and
advanced tooling are facilitating the realization of specific local material properties.
Along with problem-driven gate and cooling techniques, there is also a call for defined alloying properties and tailor-made
heat treatments. Simultaneous engineering
is promoting high-duty and casting-compatible designs attuned to the material.
HIGH-DUTY DIE-CAST
CYLINDER BLOCKS
Improvements in the specific performance
of downsized engines increase component
stressing considerably. Further optimization of both diesel engine combustion and
direct-injection gasoline engines with either a turbocharger or compressor entails
higher ignition pressures and thus, specifically, bearing bulk head burdens.
Along with the feasible solution of cylinder surface problems, high bearing bulk
head strength is consequently the primary
goal on the aluminum cylinder block. Bear-
ing bulk head strength is considered the acid test for the viability of lightweight construction based on aluminum. However,
there is no real alternative in sight. The goal
must therefore be to exploit existing potential [6].
However, while the requirements continue to rise, a reduced displacement and a
lower number of cylinders will intensify
the pressure on costs and call for exceptionally low-cost component concepts. This
generates demand for small, light but nevertheless high-strength cylinder blocks that
can be manufactured economically.
Thanks to its short cycle time, high pressure die casting is ideal for inexpensive
mass production, . All the same, conventional die casting no longer delivers the requisite component quality. With its “strength
enhancement” module of its “modular diecasting concept” [6, 7], KS Aluminium-Technologie is developing cylinder blocks for DI
diesel engines that in certain cases surpass
the magical figure of 200 bar. The required
boost to static and dynamic strength is rooted in die castings that will withstand unlimited heat treatment (T6/T7). Along with numerous accompanying measures (see also
4.2), the keys to success are:
: an optimally treated (degassed) melt
: a highly evacuated die, : an extremely innovative die cooling
strategy, .
Minimal quantities of trapped gas, i.e. a
low degree of porosity on the permanent
mold level, are the basic requirement for
high strength and its further enhancement
by heat treatment. Low porosity in the
cylinder bore area also opens up the option of coating the cylinder surface. In certain circumstances, there is an extension
of the range of alloys (e.g. more ductile,
hot-hardening AlSiMg instead of the usual
AlSiCu secondary alloys) that can be sensibly used for die casting.
Where extremely high strength is aspired to, extremely fast but directional solidification is indispensable in the bearing
bulk head area. This is something that die
casting is incapable of achieving on principle. We refer to [6] for an example of a
suitable casting strategy.
SMALL, HIGH-DUTY CYLINDER HEADS IN
GRAVITY PERMANENT-MOLD CASTING
Downsizing and the further optimization
of the diesel engine combustion process
presuppose thermally and mechanically
49
prädestiniert, . Herkömmlicher Druckguss liefert jedoch nicht mehr die erforderliche Bauteilqualität. Mit dem Baustein
„Festigkeitssteigerung“ des „Modularen
Druckgusskonzepts“ [6, 7] entwickelt die
KS Aluminium-Technologie Zylinderkurbelgehäuse für DI-Dieselmotoren, die im
Einzelfall die „Schallmauer“ von 200 bar
durchbrechen. Die erforderliche statische
und dynamische Festigkeitssteigerung
basiert auf uneingeschränkt wärmebehandelbarem (T6/T7) Druckguss. Neben
zahlreichen begleitenden Maßnahmen
(siehe unten) sind eine
: optimal behandelte (entgaste)
Schmelze,
: eine stark evakuierte Druckgießform,
, und
: ein äußerst innovatives Formkühlungskonzept, ,
der Schlüssel zum Erfolg. Geringe Gaseinschlüsse, das heißt ein niedriger Porositätsgrad auf Kokillengussniveau, ist die
Grundvoraussetzung für hohe Festigkeit
und deren weitere Steigerung durch
Wärmebehandlung. Geringe Porosität im
Zylinderbohrungsbereich eröffnet zudem
die Laufflächenbeschichtungsoption. Unter genannten Voraussetzungen erweitert
sich auch die Palette sinnvoll im Druckguss einsetzbarer Legierungen (zum Beispiel duktilere, warm aushärtende AlSiMg- anstelle üblicher AlSiCu-Sekundärlegierungen).
Bei höchsten Festigkeitsansprüchen ist
eine möglichst rasche, jedoch gerichtete
Erstarrung im Lagerstuhlbereich unerlässlich. Dies kann vom Druckguss prinzipiell
nicht geleistet werden. Bez. eines entsprechenden Gießkonzepts wird zum Beispiel
auf [6] verwiesen.
KLEINE, HOCH BEANSPRUCHBARE
ZYLINDERKÖPFE IM SCHWERKRAFTKOKILLENGUSS
Downsizing wie auch die weitere Optimierung des dieselmotorischen Brennverfahrens setzen auch thermisch wie mechanisch hoch beanspruchbare Zylinderköpfe
voraus. Die Substitution von Grauguss
durch Aluminium ist bei diesem Bauteil
zwar nahezu vollzogen; andererseits sehen
sich die hier vorzugsweise eingesetzten AlSiMg-Primärlegierungen einer immer größeren Herausforderung bez. thermomechanischer Festigkeit (TMF) gegenüber. Lebensdauerforderungen können nur noch
50
Druckgussschieber in „Maskenbauweise“, innovatives Konturkühlsystem (eine Entwicklung von Heck + Becker,
Dautphetal)
Core slide in a “masked design”, an innovative contour cooling system (developed by Heck + Becker,
Dautphetal)
mit äußerst feinem Gussgefüge auf der
Feuerdeckseite lokal im Brennraumbereich
(Ventilstege und ringförmiger Bereich um
die Einspritzdüse) erfüllt werden.
Folglich geht es darum, den Gewichtsvorteil durch Ausreizen der werkstofflichen Möglichkeit zu wahren. Ein Zielkonflikt zwischen teilweise widersprüchlichen Anforderungen zwingt zum bestmöglichen Kompromiss. Hohe statische/
dynamische Warmfestigkeit und Härte
nach langem Motorbetrieb, ausreichende
thermomechanische Festigkeit, hohe Duktilität (Bruchdehnung), sehr gute Wärmeleitfähigkeit, aber auch gute Gießbarkeit
und geringe Warmrissanfälligkeit sind mit
ein und derselben Legierung nur schwer
zu vereinbaren.
Die KS Aluminium-Technologie entwickelt Zylinderköpfe für kleine R3- und R4Pkw-DI-Dieselmotoren. Ein im Haus entwickeltes, innovatives Schwerkraft-Kippgießverfahren ist auf die Anforderungen
hoch belasteter Motoren besonders zugeschnitten, . Bei Anschnitt auf der Nockenwellenseite ist die vom Kippvorgang
begünstigte, schichtend steigende, dem Befüllen eines Weizenbierglases vergleichbare
Füllung der Kokille dabei ganz entscheidend. Hinzu kommt eine höchst intensive
Abschreckung des Brennraumbereichs auf
der Feuerdeckseite. Der erzielbare geringe
high-duty cylinder heads. Aluminum has
meanwhile almost completely replaced
gray cast iron on this component. Nonetheless, the preferably used AlSiMg primary alloys are confronted with the steadily
growing challenge of thermomechanical
strength (TMS). The demand for long
service life can only be satisfied with an
extremely fine microstructure on the fire
deck side locally in the region of the combustion zone (valve bar and annular area
around the injection nozzle).
The task is therefore one of consolidating the weight advantage by exploring the
opportunities offered by the material. Because of the conflict in goals between partially contradictory requirements, the only
option is to seek the best-possible compromise. High static/dynamic hot strength and
hardness after long engine operation, sufficient thermomechanical strength, high
ductility (elongation at fracture), extremely
good heat conductivity but also good casting properties and low susceptibility to
thermal cracking are difficult to achieve on
one and the same alloy.
KS Aluminium-Technologie develops cylinder heads for small R3 and R4 car DI diesel engines. An internally developed, innovative gravity tilt casting process has been
tailored specifically to the requirements of
highly stressed engines, . With a gate on
the camshaft side, the rising, layer-by-layer
filling of the permanent mold promoted by
the tilting process, much like the filling of a
beer glass, is absolutely decisive here. This
is coupled with the highly intense chilling
of the combustion zone on the fire deck
side. The achievable low dendrite arm
spacing (DAS), a measure of microstructure fineness, achieves absolute benchmark standard at 16 to 17 μm, .
ALUMINUM BODY STRUCTURE AND
CHASSIS/SUSPENSION COMPONENTS
The body-in-white of the Aluminum Space
Frame or ASF for short is made up of aluminum castings, extruded sections and
sheet/plate form. This is supplemented by
the front section, floor, roof, doors and
flaps. The body not only has to be light,
but also, despite aluminum’s drawback,
rigid, expressed as lightweight construction
quality = mass / (torsional stiffness x contact area). Strict crash requirements (large
deformation energy absorption) call for
cast aluminum with a very high elongation
at fracture (10 % to 16 %) and a sufficient-
ly high elongation limit. Other important
demands include high dimensional accuracy (even after heat treatment), weldability,
corrosion resistance, compatibility with
self-pierce rivets etc. Special hot-hardening
AlSiMnMg alloys are mainly used. Where
acceptable, there is a trend today towards
cold-hardening AlSiMn alloys.
Vacuum high-pressure die casting permits very light, low-gas and thus readily
weldable castings of near-net-shape quality that are heat-treatable to achieve the
mechanical properties. It also ensures the
demanded productivity. However, its elongation at fracture is very sensitive to micropores and trapped oxides. The requisite casting quality therefore calls for,
among other things,
: highly advanced infrastructure (suitable smelting and casting furnaces, diecasting machine with a high clamping
force, tool with “washboard” vacuum
casting technology)
: elaborate melt treatment, suitable
lubricants, spraying and release agent
: specific process expertise, meticulously
precise process control.
Large components with increasingly
complex designs are replacing initially simple "cast nodes”, . This is an advantage
in terms of stressing, saves weight, reduces
the number of individual components and
prevents the loss of strength due to welding as well as eliminating additional work
steps. The share of cast aluminum on the
Audi A8 (D3), for example, is 34 %. This
amounts to a respectable 74 kg (in the
structure alone). However, mass production requires lower-cost lightweight construction strategies. The trend here is moving towards multi-material design with a
larger proportion of steel sheet and a lower
proportion of aluminum castings [2].
The erosion in the price of vacuum highpressure die-cast components has significantly hampered fully fledged series supplies. Another trend, however, is affecting
one of KS-Aluminium-Technologie’s specific competences. Very large, extremely complex structural cast components with hollow cross sections (“hollow castings”) rely
on lost cores and, in accordance with the
state of technology, are therefore ideal for
low-pressure permanent-mold casting. Examples of these on the body structure are
frame rails at the rear of the vehicle, and
on the chassis and suspension, projecting
subframes, . This therefore opens up a
new product field that permits the sensible
exploitation of existing unused low-pressure casting capacity. Furthermore, this reduces the dependence on the drive concept, an important long-term prospect.
SUMMARY AND OUTLOOK
Sustainable mobility with fuel prices rising
in the long term and finite resources are
dictating current development focuses.
Compliance with the CO2 fleet limit value is
relying heavily on downsizing and lightweight construction. Cast aluminum is
making an effective contribution here. Although downsizing puts pressure on aluminum as a lightweight construction material
in the cylinder block and cylinder head,
technological progress is capable – as illustrated by the examples listed – of satisfying
the increasingly tough requirements accompanied by growing pressure on costs. Even
if the efficiency of lightweight construction
with good energy recuperation will eventually dwindle in the face of increasingly costeffective aerodynamics [4], vehicles will
have to become permanently lighter. In
mass production, multi-material body concepts and aluminum chassis/suspension
systems are capable of implementation.
This will result in technological changes in
vehicle engineering with high investment.
The future will thus probably belong to an
intelligent mix of materials (St, Al, Mg and
plastics/composites). The debate on the
necessary degree of lightweight construction will continue in view of the cost. At
the same time, new opportunities for automotive component suppliers are emerging.
REFERENCES
[1] Dräger, K.: Premiumanspruch und nachhaltige
Mobilität – Ein Widerspruch? 16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2007
[2] Goede, M.: Karosserieleichtbau als Baustein
einer CO 2-Reduzierungsstrategie. 16. Aachener
Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2007
[3] Friedrich, H.: Taugt das 1-Liter-Auto als Vorbild
für die Massenmotorisierung? Energie Trialog Schweiz, 1. Expertenmeeting 20. bis 22. Juni 2007
[4] Wiedemann, J.: Leichtbau bei Elektrofahrzeugen – Wie viel ist er uns noch wert? ATZ 06/2009
Jahrgang 111
[5] Königstein, A.; Grebe, U.; Wu, K.J.; Larsson,
P.-I.: Differenzierte Analyse von DownsizingKonzepten. MTZ 69 (2008) Nr. 06
[6] Beer, S.; Klimesch, C.; Köhler, E.; Niehues, J.;
Sommer, B.: Leichtbau beim Zylinderkurbelgehäuse im Spiegel aktueller und zukünftiger Anforderungen. MTZ 70 (2009) Nr. 10
[7] Beer, S.; Denndörfer, H.; Sommer, B.: Optimierter Druckguss für höchstbelastete T6-/T7wärmebehandelte buchsenlose Aluminium-Motorblöcke. Gießtechnik im Motorenbau 2009, Magdeburg. VDI-Berichte 2061
51
Oben: Prinzip des Schwerkraft-Kippgießverfahrens, Kippwinkel 90°; unten: Momentaufnahme der schichtend
steigenden Füllung der Kokille (Gießsimulation)
Top: Principle of gravity tilt casting, tilt angle 90°; bottom: Snapshot of the layer-by-layer filling of the permanent
mold (simulation of the casting process)
Dendritenarmabstand (DAS), Maß für die
Gefügefeinheit, erreicht mit 16 bis 17 μm
absolutes „Benchmark-Niveau“, .
ALUMINIUM-KAROSSERIE STRUKTURUND -FAHRWERKKOMPONENTEN
Aluminiumguss, -strangpressprofile und
-bleche bilden beim „Aluminium-SpaceFrame“, kurz ASF, die Rohkarosserie. Diese
ergänzen Vorderwagen, Boden, „Hut“ sowie
Türen und Klappen. Die Karosserie muss
nicht nur leicht, sondern trotz des Defizits
an Aluminium auch steif sein, ausgedrückt
durch die Leichtbaugüte = Masse / (Torsionssteifigkeit x Aufstandsfläche). Strenge
Crash-Anforderungen (große Verformungsenergieaufnahme) erfordern Aluminiumguss mit sehr hoher Bruchdehnung (10 bis
16 %) bei ausreichend hoher Dehngrenze.
Schnitt durch Schwerkraftkippguss-Zylinderkopf mit Abstufung der Feinheit des Gussgefüges
Section through the gravity-tilt-cast cylinder head with graduated microstructure
52
Weitere wichtige Forderungen sind unter
anderem hohe Maßhaltigkeit (auch nach
Wärmebehandlung), Schweißbarkeit,
Korrosionsbeständigkeit, Stanznietbarkeit
etc. Zum Einsatz kommen hauptsächlich
spezielle warm aushärtende AlSiMnMgLegierungen. Wo vertretbar, geht der
Trend heute zu kalt aushärtenden AlSiMnLegierungen.
Vakuum-Druckguss ermöglicht sehr
leichte, gasarme, somit gut schweißbare,
zur Erzielung der mechanischen Eigenschaften wärmebehandelbare Gussteile in
„near-net-shape“-Qualität. Er garantiert
zudem die erforderliche Produktivität.
Die Bruchdehnung reagiert allerdings
sehr empfindlich auf kleine Poren und
Oxideinschlüsse. Die erforderliche Gussqualität erfordert daher unter anderem:
: modernste Infrastruktur (geeigneter
Schmelz- und Gießofen, Druckgießmaschine mit hoher Schließkraft, Werkzeug
mit „Waschbrett“-Vakuumgießtechnik)
: aufwändige Schmelzebehandlung,
geeignete Schmierstoffe, Sprüh- und
Trennmittel
: spezifisches Prozess-Know-how und
eine äußerst exakte Prozessführung.
Anfänglich einfache „Gussknoten“ werden durch große, immer komplexer gestaltete Bauteile ersetzt, . Dies ist günstiger
bez. Beanspruchung, spart Gewicht, reduziert die Einzelteilanzahl und vermeidet
Festigkeitseinbußen infolge Schweißens
wie auch zusätzliche Arbeitsschritte. Der
Aluminiumgussanteil beträgt zum Beispiel
beim Audi A8 (D3) 34 %. Das entspricht
respektablen 74 kg (allein in der Struktur). Die Massenfertigung benötigt aber
kostengünstigere Leichtbau-Konzepte.
Der Trend zeigt hier in Richtung Mischbauweise mit größerem Stahlblech-, aber
geringerem Aluminiumgussanteil („Multi
Material Design“) [2].
Der Preisverfall bei Vakuum-Druckgusskomponenten hat den Einstieg in Serienbelieferungen deutlich erschwert. Ein anderer Trend trifft jedoch genau eine spezifische Kompetenz der KS AluminiumTechnologie. Sehr große, äußerst komplexe Strukturgusskomponenten mit Hohlquerschnitten („Hohlguss“) sind auf verlorene Kerne angewiesen und nach Stand
der Technik daher sehr gut für den Niederdruck-Kokillenguss geeignet. Im Karosseriestrukturbereich seien zum Beispiel
Längsträger im Hinterwagenbereich, im
Fahrwerksbereich zum Beispiel ausla100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg
A L U M I N I UM G USS
Vakuum-Druckguss A-Säule Audi A8 (D3)
(mit freundlicher Genehmigung der Audi AG)
A-pillar of the Audi A8 (D3), a vacuum pressure die-casting
(courtesy of Audi AG)
dende Fahrschemel genannt, . Damit
eröffnet sich ein neues Produktfeld, das
erlaubt, vorhandene freie Niederdruckguss-Kapazitäten sinnvoll zu nutzen. Dies
verringert darüber hinaus die Abhängigkeit vom Antriebskonzept, eine wichtige
langfristige Perspektive.
ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
Nachhaltige Mobilität bei langfristig steigenden Kraftstoffpreisen und endlichen
Ressourcen bestimmen die derzeitigen
Entwicklungsschwerpunkte. Die Einhaltung des CO2-Flottengrenzwerts stützt sich
stark auf Downsizing und Leichtbau. Aluminiumguss leistet dabei einen effizienten
Beitrag. Downsizing setzt beim Zylinderkurbelgehäuse wie Zylinderkopf den
Leichtbauwerkstoff Aluminium zwar un-
Im Niederuck-Kokillenguss mit ausladendem Sandkern gegossener
Aluminium-Fahrschemel (Gießsimulation)
Aluminum subframe as a low-pressure die casting with projecting
sand core (simulation of the casting process)
ter Druck. Technologischer Fortschritt hält
aber – wie beispielhaft aufgezeigt – steigenden Anforderungen bei wachsendem
Kostendruck stand. Auch wenn die Effizienz des Leichtbaus bei guter Energierekuperation gegenüber kostengünstigerer
Aerodynamik dereinst schwindet [4],
müssen Fahrzeuge nachhaltig leichter
werden. In der Massenfertigung sind Karosserie-Mischbau-Konzepte und Aluminium-Fahrwerke umsetzbar. Dies bringt
technologische Veränderungen im Fahrzeugbau mit hohen Investitionen mit sich.
So gehört vermutlich einem intelligenten
„Werkstoffmix“ (St, Al, Mg und Kunststoffe/Verbundwerkstoffe) die Zukunft. Die
Diskussion um den notwendigen Leichtbaugrad wird angesichts der Kosten anhalten. Zugleich eröffnen sich neue Chancen für Automobilzulieferer.
LITERATURHINWEISE
[1] Dräger, K.: Premiumanspruch und nachhaltige
Mobilität – Ein Widerspruch? 16. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2007
[2] Goede, M.: Karosserieleichtbau als Baustein
einer CO 2-Reduzierungsstrategie. 16. Aachener
Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2007
[3] Friedrich, H.: Taugt das 1-Liter-Auto als Vorbild
für die Massenmotorisierung? Energie Trialog
Schweiz, 1. Expertenmeeting 20. bis 22. Juni 2007
[4] Wiedemann, J.: Leichtbau bei Elektrofahrzeugen – Wie viel ist er uns noch wert? ATZ 06/2009
Jahrgang 111
[5] Königstein, A.; Grebe, U.; Wu, K.J.; Larsson,
P.-I.: Differenzierte Analyse von Downsizing-Konzepten. MTZ 69 (2008) Nr. 06
[6] Beer, S.; Klimesch, C.; Köhler, E.; Niehues, J.;
Sommer, B.: Leichtbau beim Zylinderkurbelgehäuse
im Spiegel aktueller und zukünftiger Anforderungen.
MTZ 70 (2009) Nr. 10
[7] Beer, S.; Denndörfer, H.; Sommer, B.: Optimierter Druckguss für höchstbelastete T6-/T7wärmebehandelte buchsenlose Aluminium-Motorblöcke. Gießtechnik im Motorenbau 2009, Magdeburg. VDI-Berichte 2061
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GLEI T L A G E R
GLEITLAGERERPROBUNG
ANHAND DER FORDERUNGEN
DES AUTOMOBILMARKTS
Der Entwicklungsprozess neuer Gleitwerkstoffe beziehungsweise neuer Gleitlager beinhaltet umfangreiche
Tests: Angefangen von Standard-Werkstoffkennwertermittlungen bis hin zu ausgeklügelten Produkttests
unter weitestgehend die Applikation abbildenden Parametern, bildet das Versuchsprogramm den stufenweisen Nachweis für das Erreichen der gewünschten Eigenschaften.
54
G L E I T LAG ER
AUTOREN
DR.-ING. KLAUS DAMM
Leitung Anwendungstechnik und
Produktkonstruktion bei
KS Gleitlager in St. Leon-Rot.
DIPL.-ING. ATHANASSIOS SKIADAS
ist Leiter Anwendungstechnik
motorische Gleitlager, Berechnung
und Simulation bei KS Gleitlager in
St. Leon-Rot.
DIPL.-ING. MARIO WITT
ist Leiter Prüffeld bei KS Gleitlager in
St. Leon-Rot.
PROF. DR.-ING. HUBERT SCHWARZE
ist Leiter des Instituts für
Tribologie und Energiewandlungsmaschinen der Technischen
Universität Clausthal.
ANFORDERUNGEN
Da Gleitwerkstoffe grundsätzlich widersprüchliche Anforderungen erfüllen müssen, , zielen die Tests zunächst auf den
Nachweis einer isolierten Eigenschaft beziehungsweise Ausprägung. Mit fortschreitendem Erkenntnisgewinn werden mehr und
mehr Parameter einbezogen, um schließlich das Eigenschaftsoptimum herauszuarbeiten und nachzuweisen.
Mit dem Verbot von Blei in Gleitlagern für automobile Anwendungen durch die EU geht ein deutlicher Verlust an Robustheit
tribologischer Performance insbesondere in kritischen Anwendungen einher. Stellte doch das Element Blei den wesentlichen
Beitrag zur Erfüllung der widersprüchlichen Anforderungen an
Gleitlager dar. Als Konsequenz aus dem Bleiverbot entwickeln
die Gleitlagerhersteller eine breite Palette neuer Gleitwerkstoffe.
Jeder einzelne ist dabei in der Lage, nur ein begrenztes Eigenschaftsspektrum optimal abzudecken. Es gibt ohne Blei nicht
mehr den tribologischen Universalwerkstoff als Alleskönner.
Zusätzlich zu der gesetzlichen Vorgabe, die unmittelbar die
Gleitwerkstoffzusammensetzung beeinflusst, nehmen Trends der
Automobiltechnik mittelbar Einfluss auf das Gleitlager.
Verbrauchs-/emissionsreduzierte Verbrennungsmotoren benötigen mechanisch hochbelastbare Haupt- und Pleuellager. Hohe
Verbrennungsdrücke und gleichzeitig reduzierte Aggregateabmessungen führen zu hohen spezifischen Gleitlagerbeanspruchungen. Tribologisch besonders kritisch sind sie durch die Tatsache, dass sowohl moderne Dieselmotoren als auch Ottomotoren über Aufladung hohe Drehmomente bereits bei niedrigen
Drehzahlen abgeben, also bei limitierter hydrodynamischer Tragfähigkeit der Motorenlager.
Die zu dem in modernen Motoren zum Einsatz kommenden
Öle mit geringen Viskositäten zur Reduzierung der Reibung erhöhen obendrein die tribologische Brisanz der motorischen Gleitlagerungen, denn alle Bedingungen gemeinsam führen zu erhöhter
Gefahr von Mischreibung.
Vermehrter Mischreibung unterliegen auch alle Gleitlager in
Fahrzeugmotoren mit so genannter Start-Stopp-Option. Wesentlich häufiger als im konventionellen Betrieb finden Start- und
Stoppvorgänge statt, bei denen grundsätzlich der Bereich der
Hydrodynamik verlassen wird und bis zum Stillstand das Gebiet
der Mischreibung durchlaufen wird. Dieser für den Gleitlagerverschleiß grundsätzlich kritische Zustand muss aufgrund der an
Widersprüchliche Anforderungen an ein hydrodynamisches Gleitlager
Conflicting demands for hydrodynamic bearings
55
GLEI T L A G E R
Automobilgleitlager
Deformation von Prüfwelle und Modellpleuel unter Last
Bearings for automotive applications
Elastic deformation of shaft and connecting rod under load
den Kurbelwellenlagern anliegenden
statischen Kräfte aus Schwungradmasse
und Riemen-/Kettenzug als zusätzlich
Verschleiß fördernd angesehen werden.
Nur speziell für diese Betriebsbedingun-
gen optimierte Gleitschichtsysteme zeigen
die für den störungssicheren Motorlauf
erforderliche Verschleißresistenz.
Aber nicht nur die innenmotorischen,
ölgeschmierten Gleitlager erfahren Veränderungen aufgrund gesetzlicher Vorgaben
oder Markttrends: Gewichtsminimierung,
erhöhte Sicherheit und Komfortsteigerung
wirken in besonderem Maße auch auf
Lagerungen in Fahrwerk, Lenkung, Innenraum und Türen, sowie in den Motornebenaggregaten wie Kraftstoffpumpen,
Kompressoren, Öl- und Wasserpumpen.
Bauraumminimierung einerseits und
vermehrter Einsatz von elektrischen Betätigungen andererseits, erfordern hohe spezifische Tragfähigkeit verbunden mit Reibwertkonstanz über die gesamte Nutzungsdauer. Applikationsspezifisch entwickelte
Gleitwerkstoffe und Gleitlager führen damit zwangsweise zu einer Ausweitung des
Werkstoff- und Produktportfolios beim
Gleitlagerhersteller. Für die in diesen Anwendungen überwiegend eingesetzten
Metall-Kunststoff-Verbundgleitlagern ist
die über die gesamte Lebensdauer erwartete tribologische Performance ohne Blei
deutlich schwieriger darstellbar. zeigt
unterschiedliche Gleitlagerausführungen
für den Einsatz im Automobil.
ERPROBUNG MOTORISCHER LAGER
IM KS GLEITLAGERPRÜFSTAND
Lagerprüfstand im 3D-Modell (3a) und im
Original (3b)
Bearing test rig 3D-model (3a) and reality (3b)
56
Für die Lagerfunktion sind die Fresssicherheit, die Dauerlauf- und die Verschleißfestigkeit am wichtigsten. Insbesondere bei
der Entwicklung von bleifreien Werkstof-
fen hat die Untersuchung des Fressverhaltens bei hohen Gleitgeschwindigkeiten an
Bedeutung gewonnen. Diese Eigenschaften gilt es bei der Entwicklung und vor
der Freigabe von neuen Werkstoffsystemen zu testen und abzusichern.
Zur Bestimmung der Werkstoffeinsatzgrenzen wird bei KS Gleitlager ein speziell
entwickeltes Lagerprüfstandskonzept eingesetzt, das motornahe Tests ermöglicht. Es
besteht aus einer nicht gekröpften Welle,
die durch zwei Stützlager geführt wird und
einem Prüfpleuel, das über einen elektromechanischen Hochfrequenz-Pulsator belastet wird. Dieses Konzept erlaubt eine hohe Belastungsfrequenz, die die Prüfzeiten
bei Dauerlauftests signifikant reduziert.
Die Anforderungen an die Lagerwerkstoffe sind in den letzten Jahren durch die
neuen bleifreien Werkstoffe und durch die
Erhöhung der spezifischen Drücke gewachsen. Dadurch wurde es nötig, den
existierenden Lagerprüfstandsaufbau, der
aus einem Motorblocksegment und einem
Serienpleuel bestand, zu erweitern.
Dieser Aufbau war durch die Betriebsfestigkeitsgrenzen des Blocksegments und
des Pleuels begrenzt. Aus diesem Grund
wurden im neuen Konzept ein Modellpleuel und Modellstützlager realisiert. Dadurch
können höhere spezifische Drücke gefahren
werden. Schon im alten Aufbau war eine
getrennte Ölzuführung für Haupt- beziehungsweise Stützlager und Pleuel mit Zuführdruck und Durchflussmessung sowie
Temperaturaufnehmer am Pleuel und
Hauptlager implementiert. Das neue Konzept bietet zusätzlich Lagerung für unter100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg
P L A I N B E A R I NG S
PLAIN BEARING TESTING
ACCORDING TO AUTOMOTIVE
MARKET DEMANDS
The development process for new plain bearings and plain bearing materials involves extensive testing. Starting
with the determination of the characteristics for standard materials and ending with inventive product tests
under parameters largely replicating application conditions, the program of tests verifies the achievement of the
desired properties in a step-by-step process.
REQUIREMENTS
Since plain bearing materials have to meet
fundamentally contradictory requirements,
, the tests aim initially to verify an isolated property or its degree of manifestation. As knowledge is accumulated, more
and more parameters are included so that
the optimum constellation of properties is
ultimately obtained and verified.
The EU’s prohibition of lead in plain
bearings for automotive applications has
been accompanied by a significant decline
in the robustness of tribological performance particularly in critical applications.
The element lead in fact goes farthest towards realizing the contradictory requirements that plain bearings have to meet.
As a consequence of the ban on lead,
plain bearings manufacturers have been
developing a broad range of new plain
bearing materials. Each one of them is only capable of effectively covering a limited
spectrum of properties. Nothing can replace lead as a universal tribological material. Along with the provisions of the
law that have had a direct impact on the
composition of plain bearing materials,
trends in automotive engineering are having an indirect effect on plain bearings.
Fuel-efficient and emission-reduced internal combustion engines need mechanically high-duty main and connecting rod
bearings. High combustion pressures combined with reduced subassembly dimensions yield high specific plain bearing load-
ing. This loading is highly critical from the
tribological point of view due to the fact
that, as a result of charging, both modern
diesel engines and gasoline engines generate high torque at low engine speeds, i.e.
when the engine bearings’ hydrodynamic
load-bearing capacity is limited.
To make matters worse, the low-viscosity oils employed in modern engines to reduce friction additionally exacerbate the
critical tribological state of engine plain
bearings, as these combined conditions
increase the risk of mixed-film friction.
All plain bearings in vehicle engines
with the option of stop-and-go operation
are also subject to augmented mixed-film
friction. Stop-and-go processes departing
from the hydrodynamic range and undergoing mixed-film friction through to standstill take place much more frequently than
in conventional operation. This fundamentally critical state for plain bearing wear
has to be regarded as encouraging further
wear because of the static forces from the
flywheel mass and belt/chain pull acting
on the crankshaft bearings. Only sliding
surface systems optimized specifically for
these operating conditions show the wear
resistance required for trouble-free engine
running.
However, it is not only the oil-lubricated
plain bearings in the engine that are subject to change due to the law or market
trends. Weight minimization, enhanced
safety and increased comfort are also having a marked effect on bearings in the
chassis/suspension system, steering, passenger compartment and doors as well as
in the ancillary engine units such as fuel
pumps, compressors and oil and water
pumps.
The ever diminishing installation space
on the one hand and the growing use of
electrical actuators on the other demand a
high specific load-bearing capacity combined with a constant coefficient of friction
for the entire service life. Plain bearings
and materials designed for specific applications thus inevitably result in an extension
AUTHORS
DR.-ING. KLAUS DAMM
is in charge of Application Engineering and Product Design at KS Gleitlager in St. Leon-Rot (Germany).
DIPL.-ING. ATHANASSIOS SKIADAS
is the Head of Applications
Technology Engine Plain Bearings
and Simulation at KS Gleitlager in
St. Leon-Rot (Germany).
DIPL.-ING. MARIO WITT
is in charge of the test facility at KS
Gleitlager in St. Leon-Rot (Germany).
PROF. DR.-ING. HUBERT SCHWARZE
is Head of the Institute of Tribology
and Energy Conversion Machines at
the Technical University of Clausthal
(Germany).
57
GLEI T L A G E R
Öldurchfluss, Lagertemperatur und Drehmoment im Fresstest
Oil flow, bearing temperature and torque in seizure test
schiedliche Pleuelabmessungen, variable
Lagerbohrungen für Pleuel und Hauptlager,
sowie die Möglichkeit, den Hauptlagerabstand zu variieren.
Der neue Prüfaufbau wurde bereits in
der Konstruktion mittels Simulation abgesichert. Dabei wurden nicht nur die Bauteilfestigkeit durch statische FE-Rechnung,
sondern auch die hydrodynamischen Eigenschaften des Pleuels durch EHD (Elasto-Hydrodynamische) Rechnungen optimiert. Durch das EHD Modell des neuen
Prüfstandaufbaus wurde die Pleuelgeometrie so optimiert, dass das Kantentragverhalten des Modellpleuels dem des Originalpleuels entspricht. Dadurch sind die
Ergebnisse der Prüfstandsläufe des alten
und des neuen Aufbaus vergleichbar. zeigt den neuen Lagerprüfstand im 3DModell (3a) und im Original (3b).
Das neue Konzept erlaubt Drehzahlen
von 0 bis 7500 U/min, spezifische Drücke
von 250 MPa statisch und 200 MPa dynamisch im KS Standardprüflager, eine Ölzuführtemperatur von bis zu 150 °C und
einen maximalen Zuführdruck von 10 bar.
Neben diesen Parametern werden sowohl
der Öldurchfluss als auch die entsprechenden Lagerrückentemperaturen separat für
Pleuel- und Hauptlager erfasst. In sind
Deformationen von Prüfwelle und Modellpleuel dargestellt.
58
Beim Fresstest in wird eine statische
Last bei konstanter Drehzahl erhöht bis
zum Fressen des Werkstoffsystems. Das
Ausfallkriterium ist hier der sprunghafte
Anstieg des Drehmoments. Über die zeitliche Veränderung des Durchflusses, der
vom Spiel abhängt, hat man zusätzlich
ein Maß für den Lagerverschleiß beziehungsweise die Lageranpassung. Der Test
wird für mehrere Gleitgeschwindigkeiten
durchgeführt. Zusätzliche Parameter sind
das Ausgangslagerspiel, die Wellenrauigkeit und der Wellenwerkstoff.
Der Dauerlauftest entspricht einem Einstufentest in dem nach einem Einlauf eine
dynamische maximale Lagerlast gefahren
wird. Hierbei wird nach der Anpassung von
einem hydrodynamischen Belastungszustand ausgegangen. Die Schwingspielzahl
geht bis über den Bereich von 1 x 10e7
in die Dauerfestigkeit. Bewertet wird der
Lagerzustand nach dem Test, oder ein
eventueller spontaner Ausfall vor Testende. Diese Tests dienen als Hauptqualifizierung der Werkstoffsysteme für die
Betriebsfestigkeit. Die kritischen Belastungszustände werden auch mit dem
Prüfstandsmodell simuliert, um die entsprechenden Materialgrenzwerte für die
Simulation festzulegen.
Ein wichtiger Parameter für die Gleitlagerauslegung ist auch die Verschleißfestigkeit. Hier wird der Lagerverschleiß bei
Mischreibung bewertet. Dazu wird ein
Test unter stufenweise gesteigerter statischer Last bei extrem niedriger Gleitgeschwindigkeit (0,25 m/sec) für 15 h gefahren. Ausgewertet wird der lokale Verschleiß nach dem Testlauf.
Die neueste Anforderung an Werkstoffsysteme wird durch den geforderten StartStopp-Betrieb definiert. Hier erfahren die
Lager bei jedem Start starke Mischreibung, die hauptsächlich durch die am
Verschleiß in Abhängigkeit der Wellenrauheit im Start-Stopp-Versuch
Wear behaviour in start-stop test
P L A I N B E AR I NG S
of the plain bearing manufacturer’s spectrum of materials and products. For the
metal-plastic composite bearings mainly
used in these applications, the tribological
performance expected throughout their
service life is much more difficult to
achieve without lead. shows different
plain bearing designs for use in cars.
TESTING OF ENGINE BEARINGS ON
THE KS PLAIN BEARING TEST RIG
The key factors for bearing function are
anti-seize properties, endurance and wear
resistance. The investigation of seizure
behavior at elevated sliding speeds has
grown in importance particularly in the
development of lead-free materials. It is
essential to test and consolidate these
properties during development and before
the approval of new material systems.
To determine the limits to material use,
KS Gleitlager has adopted a specially developed bearing test rig strategy that permits tests in engine-replicating conditions.
It consists of an uncrimped shaft mounted
in two support bearings and a test connecting rod which is loaded via an electromechanical high-frequency pulsator.
This approach permits a high loading frequency that significantly reduces the duration of endurance test runs.
The performance expectations of bearing materials have risen over the last few
years as a result of the ban on lead and
the increase in specific pressures. This has
made it necessary to extend the existing
bearing test rig setup consisting of an engine block segment and a series-production connecting rod.
The existing setup was restricted by the
limits to the operational stability of the
block segment and connecting rod. For this
reason, models of the connecting rod and
support bearing were realized under the
new strategy in order to permit testing at
higher specific pressures. The existing setup already had oil feed for the main and
support bearings and connecting rod with
feed pressure and flow rate measurement
plus temperature pickups on the connecting rod and main bearing. The new strategy additionally envisages a mounting for
different connecting rod dimensions, variable bearing bores for the connecting rod
and main bearing, and the possibility of
varying the distance between the main
bearings.
The new test setup was consolidated at
the design stage by simulation. Component strength was optimized by static FE
analysis, and the hydrodynamic properties
of the connecting rod by EHD (elasto-hydrodynamic) analysis. With the EHD
model of the new test rig setup, the connecting rod geometry has been optimized
to such an extent that edge-bearing behavior of the model connecting rod
matches that of the original, thus ensuring the comparability of the results of the
test rig runs of the old and new setups. shows the new bearing test rig as a 3D
model (3a) and in real life (3b).
The new approach permits speeds of 0
to 7,500 rpm, specific pressures of 250 MPa
(static) and 200 MPa (dynamic) in the KS
standard test bearing, an oil feed temperature of up to 150 °C and a maximum feed
pressure of 10 bar. In addition to these parameters, both the oil flow rate and associated bearing back temperatures are separately recorded for the connecting rod
and main bearings. shows the deformation of the test shaft and model connecting rod.
For the seizure test in , a static load at
a constant rotational speed is raised until
seizure of the material system. The failure
criterion here is the abrupt increase in
torque. The change in flow rate over time,
which depends on the clearance, gives us
an additional measure of bearing wear
and bearing adaptation. The test is performed for several sliding speeds. Other
parameters are initial bearing clearance,
shaft roughness and shaft material.
The endurance test run is a single-stage
test in which a dynamic maximum bearing load is applied after running-in. After
adaptation, a hydrodynamic load condition can be assumed. The number of load
cycles transcends the range of 1×10e7 into the fatigue limit. The state of the bearing after the test or after any sudden failure before the end of the test is then assessed. These tests serve as the main
qualification tests of the material systems’
operational stability. The critical load conditions are also simulated with the test rig
model in order to define the associated
material limit values for the simulation.
Another important parameter for plain
bearing design is wear resistance. In this
case, bearing wear is assessed with mixed
friction. To this end, a test is performed
under a gradually raised static load at an
extremely low sliding speed (0.25 m/s)
for 15 hours. Local wear after the test run
is then assessed.
The latest requirement that material
systems have to satisfy is defined by the
demanded start-stop operation. This is
where, with each start-up, the bearings
are exposed to pronounced mixed friction,
which is mainly defined by the static forces acting on the engine when it is not running, such as flywheel weight and belt
pull. The limiting bearing characteristic in
this case is wear resistance.
The developed test program simulates
start-up from 0 to 300 rpm under a constantly applied static load. In we can
see the wear values of two bimetal bearings as a function of shaft roughness. At
low roughness, the rates of wear are of
similar magnitude. If the roughness is
high, the two materials show markedly
different wear.
EXTERNAL TESTS OF PARTICLE
COMPATIBILITY
In cooperation with the ITR (Institute of
Tribology and Energy Conversion Machines at the Technical University of
Clausthal) over the last few years, KS
Gleitlager has been working industriously
on high-duty engine plain bearings.
In a variety of projects, they have exhaustively investigated the effects of particles and chips in order to make combinations of bearing materials even better suited for high-duty service in vehicle engines. Such factors as particle size, hardness, material and concentration are represented and analysed together with the
oil characteristics and the hardness of the
shaft and bearing shell in relation to abrasive effects.
Other factors impacting the stability of
plain bearings tested with particle-laden
oil are adhesion phenomena due to the
formation and separation of boundary layers, surface destruction due to fatigue and
cracking, and tribochemical reactions of
the shaft, bearing, lubricant and particle
materials. The tests have shown various
effects on embedding and erosion behavior on shaft and bearing surfaces in relation to the hardness of the shafts and
bearing shells employed.
In this connection, the high-performance plain bearing test rig of the ITR in offers an ideal platform for testing the ap-
59
GLEI T L A G E R
stehenden Motor wirkenden statischen
Kräften wie Schwungradgewicht und Riemenzug definiert wird. Der begrenzende
Lagerkennwert ist hier die Verschleißfestigkeit.
Das entwickelte Prüfprogramm simuliert
einen Anlauf von 0 bis 300 U/min unter
einer konstant anliegenden statischen
Last. In sieht man die Verschleißwerte
von zwei Zweistofflagern in Abhängigkeit
von der Wellenrauheit. Bei niedriger Rauheit liegen die Verschleißraten in ähnlicher
Größenordnung. Bei großer Wellenrauheit
zeigen die beiden Werkstoffe deutlich unterschiedliche Verschleißbeträge.
EXTERNE TESTS ZUR
PARTIKELVERTRÄGLICHKEIT
Hochleistungsgleitlagerprüfstand an der Universität Clausthal
Die KS Gleitlager GmbH hat in den letzten
Jahren gemeinsam mit dem ITR (Institut
für Tribologie und Energiewandlungsmaschinen der TU Clausthal) intensiv an
hoch belastbaren motorischen Gleitlagern
gearbeitet.
In diversen Projekten wurden Einflüsse
von Partikeln und Spänen umfassend untersucht, um Lagerwerkstoffpaarungen für
den Einsatz in Fahrzeugmotoren noch
robuster zu machen. Einflussgrößen wie
Partikelgröße, Partikelhärte, Partikelmaterial und Partikelkonzentration wurden zusammen mit den Ölkennwerten sowie der
Härte der Welle und Lagerschale in Relation zu abrasiven Effekten dargestellt und
analysiert.
Weitere untersuchte Einflussgrößen auf
die Standfestigkeit der mit partikelhaltigem
Öl geprüften Gleitlager sind Adhäsionseffekte durch Ausbilden und Trennen von
Grenzflächen, Oberflächenzerrüttung durch
Ermüdung und Rissbildung sowie tribochemische Reaktionen von Wellen-, Lager-, Schmierstoff- und Partikelmaterial.
Als Ergebnis zeigten sich verschiedene
Einflüsse auf Einbettungs- oder Erosionsverhalten an Wellen- und Lageroberflächen in Abhängigkeit von der Härte der
verwendeten Wellen und Lagerschalen.
Der Hochleistungsgleitlagerprüfstand
des ITR in bietet in diesem Zusammenhang eine ideale Testgrundlage für anwendungsnahe Umgebungsvariablen der Gleitlager in Verbrennungskraftmaschinen. Auf
ihm können haupt- und pleuellagerspezifische „synthetische“ Lastkollektive beliebiger Verbrennungsmotoren gefahren werden. Extreme Belastungen bis in Bereiche
60
Servo hydraulic bearing test rig (at University of Clausthal)
oberhalb der üblichen Betriebszustände eines Motors können simuliert werden. Gleichzeitig erlauben die hydrostatisch getragenen Wellenstützlager eine Messung der
Reibungsverluste im Prüflager. Das Prüföl
kann je nach Untersuchungsziel beheizt,
gefiltert und auf Partikelverteilung untersucht werden.
Aktuelle Versuche mit KS-Gleitlagern
befassen sich mit dem Versuchsziel, Lagerwerkstoffe so zu optimieren, dass sie
auch bei Anwesenheit größerer Späne,
wie sie beispielsweise durch die Fertigung
(Urschmutz) in die Motoren gelangen
können, ein resistentes Verhalten zeigen.
Die Versuche werden im Drehzahlbereich 2000 bis 4000 U/min bei wellensynchroner Lastpulsfrequenz durchgeführt.
Die Lagerbelastung wird in Abhängigkeit
der Randbedingungen so eingestellt, dass
sich ein minimaler Spalt von 1 bis 2 μm
einstellt. Es werden gezielt St 52 Späne
der Größe zirka 1000 x 300 x 45 μm eingebracht. Unterschiedliche Lagerwerkstoff-
Lagerrückentemperatur
als Indikator für Gleitflächenversagen im Schmutzversuch
Bearing temperature shows
surface failure in particle test
P L A I N B E AR I NG S
plication-replicating environmental variables of plain bearings in internal combustion engines. It can be used for testing the
“synthetic” collective loads specific to the
main and connecting rod bearings of any
internal combustion engine. It is possible
to simulate extreme loads extending into
ranges beyond an engine’s usual operating conditions. At the same time, the hydrostatically borne shaft support bearings
allow the measurement of friction loss in
the test bearing. Depending on what is
being investigated, the test oil can be
heated, filtered and analysed for particle
distribution.
Current experiments with KS plain
bearings are pursuing the test goal of optimizing bearing materials so that they display resistance even to relatively large
chips, as may find their way into engines
during production.
The tests are carried out in the 2000 to
4000 rpm range with a wave-synchronized load pulse frequency. The bearing
load is set in relation to the ambient conditions to create a minimum gap of 1 to
2 μm. St 52 chips measuring roughly 1000
× 300 × 45 μm are introduced in a controlled manner. Different bearing material
systems show different sensitivities to the
oil’s particle contamination. shows the
bearing back temperature as an indicator
of the surface failure of two different material systems.
TESTING OF NON-ENGINE BEARING
MATERIALS
Non-engine bearings are expected to function with rotational, oscillatory, axial or
superimposed motion. A distinction is
made between dry-running and lubricated
applications. To satisfy the demands of
different applications and accelerate development, a variety of test rigs are operated at the KS Gleitlager test facility.
Wear and the coefficient of friction are
determined for specimens with the sphere/
prism, sphere/plate and cylinder/plate test
systems. In this way it is possible to make
a swift preliminary selection of bearing
materials for oscillatory and rotational
motion. At the same time, it is also relatively easy to assess the effect of different
lubricant media on wear and the coefficient of friction.
For the investigation of bearing materials in the form of bushings, the KS Gleit-
lager test facility has rotational, tilting
and axial test rigs at its disposal. To
standardize bushing production, bushings of the same dimensions are employed on the test rigs. To record the scatter of wear for the same bearing materials, ten bushings, , are simultaneously
tested on the rotational test rig, five bushings on the tilting test rig and four bushings on the axial test rig in accordance
with standardized test programs. The test
programs run with a relatively high load
and sliding speed so that different bearing materials can be assessed in tests lasting a maximum of 20 h. To assess the individual effect of bearing load and sliding
speed, test programs are conducted with
the same PV factor but with different ratios of P to V. Along with wear, the coefficient of friction and bearing back temperature are continuously measured for the
entire duration of each test. shows
how wear on Material 2 stabilizes at
20 μm after running-in (approximately
2 h). The coefficient of friction and bearing back temperature have also stabilized
after running-in. On Material 1, on the
other hand, wear stabilizes after runningin for about 3 h and then rises steadily to
40 μm after 20 h of running. The coefficient of friction and bearing back temperature are at a much higher level and
show strong variation.
To assess the relevance of the results
of the described tests on specimens and
bushings for the various applications, the
latter have to be precisely analysed. This
includes the assessment of the factors of
housing, bearing seat, counterbody, lubricant and ambient conditions. The effect of the surface and material of the
counterbody has grown in importance
particularly as far as lead-free materials
are concerned. By appropriately optimizing the counterbody, it is possible to significantly enhance the service life and
coefficient of friction of lead-free bearing
materials.
For the analysis of bearing materials
under application-simulated conditions,
the KS Gleitlager test facility has special
test rigs. It is here that the conditions predominant in the seat adjuster, belt tensioner and dual-mass flywheel can be accurately replicated.
Seat adjusters require a bearing material that delivers a constant coefficient of
friction throughout its service life coupled
with high resistance to wear. These requirements are tested on the test rig with
original seat adjuster components and the
matching size of bushing lubricated with
the appropriate grease.
Plain bearings for belt tensioners and
dual-mass flywheels have to display very
high wear resistance and temperature stability in oscillatory motion. The findings
from the tilting test rig serve as the basis
for a shortlist of bearing materials for this
application. For the controlled development of a suitable material, there is a new
special test rig, . It is here that bearing
materials can be tested in oscillatory and
superimposed oscillatory motion at high
frequencies (30 Hz) and loads (10 kN).
The size of bushing can be adapted to the
application, and the ambient temperature
can be raised with a heating jacket to up
to 250 °C.
The smooth functioning of shock absorbers is conducive to vehicle safety,
travel comfort and service life. This means
that the bearing material enclosing the
tube has to meet the conflicting requirements of a very low coefficient of friction
and very high wear resistance. On the basis of the results on the axial test rig, a
number of highly promising bearing materials can be tested on the shock absorber
test rig where they are exposed to all the
stresses specific to shock absorbers. These
include particularly the high flow speeds
of the oil and rapid alternation of load direction with cavitation.
On the pump test rig, bearing materials
in common rail pumps are tested under a
variety of operating conditions. These
have been joined most recently by the requirement for tests with frequent stopand-go processes. For these operating conditions, a test has been developed that is
modeled on the system tests of leading
pump manufacturers. The test simulates
repeated pump start-ups (0 to 800 rpm)
interspersed with periods of stoppage. A
static load is applied at the same time to
the end of the pump shaft for the entire
test duration. shows the differences in
wear behavior of PTFE and PEEK composite bearing materials under stop-andgo conditions. PTFE bearings show high
wear and no clear stabilization up to
18,000 cycles. By comparison, PEEK bearings show much lower wear, with stabilization under these test conditions at only
12,000 cycles.
61
GLEI T L A G E R
Zehn-Stationen-Buchsenprüfstand
Bushing test rig (10 positions)
systeme zeigen dabei unterschiedliche
Sensibilität auf die Partikelkontamination
des Öls. In ist die Lagerrückentemperatur als Indikator für das Schichtversagen
zweier unterschiedlicher Werkstoffsysteme dargestellt.
Zur Untersuchung von Lagerwerkstoffen als Buchsen stehen im KS Gleitlager
Prüffeld Rotations-, Schwenk- und Axialprüfstände zur Verfügung. Zur Standardisierung der Buchsenherstellung werden
bei den Prüfständen jeweils gleiche Buchsenabmessungen eingesetzt. Um die Streuung des Verschleißes bei gleichem Lagerwerkstoff zu erfassen, werden am Rotationsprüfstand zehn Buchsen, , am
Schwenkprüfstand fünf Buchsen und am
Axialprüfstand vier Buchsen parallel nach
standardisierten Prüfprogrammen getestet. Die Prüfprogramme laufen mit relativ
hoher Belastung und Gleitgeschwindigkeit, um mit Prüfdauern von maximal
20 h eine Bewertung verschiedener Lagerwerkstoffe vornehmen zu können. Um
den Einzeleinfluss von Lagerbelastung
und Gleitgeschwindigkeit bewerten zu
können, werden Prüfprogramme mit gleichem pv-Faktor aber unterschiedlichem
Verhältnis von p zu v durchgeführt. Neben dem Verschleiß werden bei allen Prüfungen der Reibwert und die Lagerrückentemperatur kontinuierlich über die gesamte Prüfdauer erfasst. zeigt, wie sich bei
Werkstoff 2 nach dem Einlauf (zirka 2 h)
der Verschleiß bei 20 μm stabilisiert. Reibwert und Lagerrückentemperatur haben
sich nach dem Einlauf ebenfalls stabilisiert. Bei Werkstoff 1 dagegen stabilisiert
sich der Verschleiß nach dem Einlauf für
zirka 3 h und steigt danach kontinuierlich
bis auf 40 μm nach 20 h Laufzeit an. Reibwert und Lagerrückentemperatur liegen
auf deutlich höherem Niveau und weisen
größere Schwankungen auf.
Zur Übertragung der Ergebnisse der beschriebenen Prüfungen an Flachproben
und Buchsen auf die unterschiedlichen
Anwendungen ist eine genaue Analyse
letzterer notwendig. Dazu gehört die Bewertung der Einflussgrößen Gehäuse, Lageraufnahme, Gegenkörper, Schmierstoff
und Umgebungsbedingungen. Insbesondere bei bleifreien Werkstoffen hat der
Einfluss der Oberfläche und des Materials
des Gegenkörpers an Bedeutung gewonnen. Durch entsprechende Optimierung
der Gegenkörper können Lebensdauer
und Reibwert der bleifreien Lagerwerkstoffe deutlich verbessert werden.
Zur applikationsnahen Untersuchung
von Lagerwerkstoffen verfügt das KS Gleitlager Prüffeld über Sonderprüfstände. An
diesen können Bedingungen, wie sie im
Sitzversteller, Riemenspanner oder Zweimassenschwungrad herrschen, gezielt
nachgestellt werden.
ERPROBUNG NICHTMOTORISCHER
LAGERWERKSTOFFE
An nichtmotorische Lagerwerkstoffe
wird der Anspruch gestellt, bei rotierender, oszillierender, axialer oder in überlagerter Bewegungsart zu funktionieren.
Es wird zwischen trocken laufenden und
mediengeschmierten Anwendungen unterschieden.
Um den unterschiedlichen Ansprüchen
der Anwendungen gerecht zu werden und
Entwicklungszeiträume zu verkürzen,
werden im KS Gleitlager Prüffeld unterschiedliche Prüfstände betrieben.
An Flachproben werden mit den Prüfsystemen Kugel/Prisma, Kugel/Platte und
Zylinder/Platte Verschleiß und Reibwert
bestimmt. Dadurch kann eine schnelle
Vorauswahl von Lagerwerkstoffen für
oszillierende und rotierende Bewegung
erfolgen. Zusätzlich kann relativ einfach
der Einfluss verschiedener Schmiermedien auf Verschleiß und Reibwert bewertet werden.
62
Verschleißbetrag, Lagertemperatur und errechneter Reibwert im Verschleißtest
Wear, bearing temperature and calculated friction coefficient in wear test
G L E I TLAG ER
Gleitlager-Sonderprüfstand
Bushing test rig for special applications
Sitzversteller stellen an den Lagerwerkstoff die Forderung eines konstanten Reibwertes über die gesamte Lebensdauer bei
gleichzeitig hoher Verschleißfestigkeit.
Diese Anforderungen werden am Prüfstand mit Originalkomponenten des Sitz-
verstellers und der zugehörigen Buchsenabmessung unter Einsatz des entsprechenden Fettes getestet.
Gleitlager für Riemenspanner und Zweimassenschwungrad müssen unter oszillierender Bewegung eine sehr hohe Ver-
Verschleißverhalten von Common-Rail-Pumpenlagern im Start-Stopp-Versuch
Wear behaviour of common rail bearings in start-stop test
schleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit aufweisen. Die Ergebnisse des
Schwenkprüfstandes sind die Grundlage für die Vorauswahl von Lagerwerkstoffen für diese Anwendung. Zur gezielten Entwicklung eines geeigneten
Werkstoffes wird ein neuer Sonderprüfstand, , betrieben. An diesem können
Lagerwerkstoffe unter oszillierender und
überlagerter oszillierender Bewegung bei
hohen Frequenzen (30 Hz) und Belastungen (10 kN) getestet werden. Die Buchsenabmessung kann der Anwendung
entsprechend angepasst werden und auch
die Umgebungstemperatur kann durch eine Heizmanschette auf bis zu 250 °C erhöht werden.
Die zuverlässige Funktion der Stoßdämpfer beeinflusst die Fahrzeugsicherheit, den
Fahrkomfort sowie die Lebensdauer. Dadurch werden an den Lagerwerkstoff der
Stangendurchführung die beiden gegensätzlichen Forderungen eines sehr geringen Reibwertes bei gleichzeitig hoher Verschleißfestigkeit gestellt. Auf Basis der Ergebnisse vom Axialprüfstand können am
Stoßdämpfer-Prüfstand gezielt einige besonders aussichtsreiche Lagerwerkstoffe
unter allen speziell im Stoßdämpfer auftretenden Beanspruchungen getestet werden. Dazu gehören insbesondere die hohen Strömungsgeschwindigkeiten des Öls
und die schnellen Lastrichtungswechsel
mit Kavitation.
Am Pumpenprüfstand werden Lagerwerkstoffe in Common-Rail-Pumpen unter verschiedensten Betriebsbedingungen
getestet. In jüngster Zeit ist die Anforderung nach Tests mit häufigen Start-StoppVorgängen hinzugekommen. Für diese
Betriebsbedingung wurde ein Test entwickelt, welcher sich an Systemtests namhafter Pumpenhersteller orientiert. Der
Test simuliert wiederholte Pumpenanläufe (0 bis 800 U/min) mit Stillstandsphasen. Gleichzeitig liegt über die gesamte
Testdauer eine statische Last am Ende der
Pumpenwelle an. zeigt das unterschiedliche Verschleißverhalten unter
Start-Stopp-Bedingungen von PTFE- und
PEEK-Verbund Lagerwerkstoffen. PTFELager zeigen hohen Verschleiß und bis
18.000 Zyklen keine eindeutige Stabilisierung. Im Vergleich dazu zeigen die PEEKLager einen deutlich niedrigeren Verschleiß, der sich zudem unter diesen
Testbedingungen bereits bei zirka 12.000
Zyklen stabilisiert.
63
KOLB E N S Y S T E ME
INNOVATIVE KOLBENSYSTEMLÖSUNGEN
FÜR VERBRENNUNGSMOTOREN
Die Einhaltung immer enger gehaltener Grenzwerte für Abgasemissionen sowie die Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs und der klimaschädlichen CO2-Emissionen sind die wesentlichen Innovationstreiber moderner Verbrennungsmotoren. Diese Entwicklungsziele gehen einher mit der Forderung nach
steigenden Leistungsdichten und Drehmomenten sowie geringem Geräusch und hohem Fahrkomfort.
Die Entwicklungsfortschritte der Kolbenbaugruppe – bestehend aus Kolben, Kolbenringen, Kolbenbolzen,
Pleuel und den Lagern – tragen wesentlich zur Erreichung dieser Ziele bei.
64
K O L B E N S Y STEM E
VORAUSSETZUNGEN
Fortschritte in diesem Bereich sind nur
durch stetige Innovationen auf den Gebieten
der Auslegungs-, Berechnungs- und Testmethoden, des Bauteildesigns, neuer Materialien und Beschichtungen sowie Fertigungsverfahren zu erreichen. KS Kolbenschmidt
arbeitet als Entwicklungspartner der Fahrzeugindustrie intensiv mit den Experten der
KS Aluminium-Technologie (Laufbahn), KS
Gleitlager (Lager) und den Allianzpartnern
von Nippon Piston Rings (Kolbenringe) und
Metaldyne (Pleuel) an der Entwicklung reibungsarmer Kolbensysteme.
SYSTEMINTEGRATION VON
KOLBEN, KOLBENRINGEN,
ZYLINDERLAUFBAHN UND PLEUEL
In den vergangenen Jahren hat KS Kolbenschmidt seine Fähigkeiten zur Entwicklung von Kolbensystemen signifikant
gestärkt. Bereits im Designstadium werden unter anderem die Simulations-Methoden „Ringdynamik“, , bei der Optimierung von Durchblasemenge und Ölverbrauch und „Kolbendynamik“ zur
Reibungsminderung, Geräuschanalyse
und zur Vermeidung von Kavitation bei
nassen Zylindern eingesetzt.
Über diese eigenen Anstrengungen bei
Kolben und Systemen hinaus verbessert
die Kooperation mit den Allianzpartnern
das Entwicklungspotenzial durch frühzeitige Integration des Systems unter Nutzung
der global vorhandenen Entwicklungseinrichtungen. Die Integration dieser Partner
in das KS Projektmanagementsystem ist eine Schlüsselfunktion für die erfolgreiche
Entwicklung der Motorenprogramme.
Bei den Ottomotoren liegt der Entwicklungsschwerpunkt auf leichten, reibungs-
armen Kolbensystemen. Das KS-Otto-Technologiepaket [1] besteht aus dem Kolben
der neu entwickelten Liteks-2-Bauform,
der innovativen Nanofriks-Schaftbeschichtung, der neuen Hochleistungslegierung
KS 309, einem reibungsarmen Kolbenringpaket, einem leichten, buchsenlosen
sintergeschmiedeten Pleuel und einem
DLC-beschichteten Kolbenbolzen. Hiermit
wird die Systemreibung um 32 %, , und
die Systemmasse um 10 %, , reduziert.
Gleichzeitig wird die Dauerfestigkeit verbessert und ein sehr guter Kompromiss
zwischen Geräuschanregung und Fresssicherheit umgesetzt. Mit dem neuen
Hochleistungswerkstoff KS 309 auf Aluminiumbasis steht ein Kolbenmaterial zur
Verfügung, welches zukünftig noch weitere Leichtbaupotenziale erschließen wird.
Bei modernen Dieselmotoren für die
Emissionsstufen Euro 5 und Euro 6 liegt
der Entwicklungsschwerpunkt von Kolbensystemen auf Reibungsreduktion und
niedrigsten Emissionen aus Ölverbrauch
und Durchblasemenge bei gleichzeitig geringem Gewicht ohne Kompromisse bei
der Zuverlässigkeit eingehen zu müssen.
In umfangreichen Optimierungen hat KS
Kolbenschmidt Referenz-Kolbensysteme
entwickelt, die auf den jeweiligen Anwendungsfall appliziert werden. Diese zeichnen sich durch frühzeitig hohen Reifegrad
mit dadurch reduzierten Entwicklungszeiten aus. Für Nkw-Dieselmotoren mit
KS Monoblock-Stahlkolben, ölverbrauchsoptimierten Ringen und gleitgehonten Zylindern konnte eine Reduzierung des Ölverbrauchs um 55% und der Durchblasmenge um 38 % innerhalb kürzester Zeit
erreicht werden, . Die Übertragbarkeit
dieser Leistungsmerkmale wurde bei der
Applikation in Motorenprogrammen für
Euro 6 bestätigt.
AUTOREN
DIPL.-ING. RALF BUSCHBECK
Leitung Produktentwicklung Kolben
bei der KS Kolbenschmidt GmbH
in Neckarsulm.
DIPL.-ING. (FH)
EMMERICH OTTLICZKY
ist Leiter Poduktentwicklung Kolben
(EU) bei der KS Kolbenschmidt
GmbH in Neckarsulm.
DIPL.-ING. WOLFGANG HANKE
ist Leiter Kolbensysteme in der Produktentwicklung Kolben der KS
Kolbenschmidt GmbH in Neckarsulm.
DR.-ING. HANS-JOACHIM WEIMAR
ist Leiter Triebwerk und Tribologie
in der Vorentwicklung der
in Neckarsulm.
Simulation des Kolbensystemverhaltens bezüglich Ringbewegung und Ölfilmdicke
Reibungsreduktion bei optimiertem Kolbensystem
Simulation of piston system behaviour regarding ring motion and oil film thickness
Friction reduction – optimised piston system
65
Kolbensystem für
geringe oszillierende Masse
Piston system for low
oscillating mass
Die Merkmalsausprägung der Komponenten des Kolbensystems wird durch
das technische und kommerzielle Anforderungsprofil des jeweiligen Motors bestimmt. Bei höchster mechanischer Belastung werden Stahlkolben eingesetzt, die
auch eine lasergehärtete erste Nut aufweisen können. Sie sind in den Bauformen Spinteks und KS Monoblock mit
und ohne Innen-Kühlraum ausgeführt.
Die nächst niedriger belasteten Motorenbaureihen werden mit Ringträger-Kolben
aus der Aluminium-Legierung KS V4 ausgestattet, die anwendungsbezogene Merkmale wie lokale Muldenrandverstärkung,
Nabenbuchse und die Kühlkanalkonzepte
Contureks oder Dynamiks aufweisen. Bei
Kolbenringen für hoch belastete Motoren
präferiert KS Kolbenschmidt Stahlringe
mit auf das Tribosystem angepassten
Oberflächenbeschichtungen und Konturierungen. Zylinder werden für Spitzenanforderungen aus hoch verschleißbeständigem Material mit ölverbrauchsgünstiger Gleithonung eingesetzt. KS Kolbenschmidt bietet damit gezielt auf Emissionsreduzierung ausgerichtete Kolbensysteme für aktuelle und zukünftige Verbrennungsmotoren an.
66
LITEKS – LEICHTBAU UND REIBUNGSREDUKTION IM OTTOMOTOR
Durch konsequente Weiterentwicklung der
Liteks-Bauform, die in ihrer ursprünglichen
Form auf der IAA 2003 der Öffentlichkeit
vorgestellt wurde, ist es gelungen, den Gewichtsvorteil gegenüber traditionellen Kolbenkonstruktionen auf 25 % auszubauen.
Die Liteks-2-Kolben werden charakterisiert durch große Ringfeldhinterschnitte
mit Rippenabstützungen sowie durch
stark nach innen geneigte, unterhalb der
Bodenplatte konkave Kastenwände und
gewölbte Nabenstirnflächen. Hierdurch
werden das Bodenwiderstandsmoment
und damit die ertragbaren Belastungen
am Kolbenboden sowie die kritischen
Druckspannungen im Bereich des Ringfeld-Hinterschnitts positiv beeinflusst.
Durch das Verschmelzen der Nabenstirnfläche mit den Kastenwänden wird die
Nabenabstützung trotz verringerten Materialeinsatzes verbessert und durch die gekrümmte Form bei Trapezpleuel-Applikationen der zusätzliche Augenabstandsbedarf infolge des ausschwenkenden Pleuels vermieden. Die für einteilige Gießkerne geeignete Innenform eröffnet maximale Freiheitsgrade in der Steuerung des
Gießprozesses. Dies führt zu verbesserten
Werkstoffeigenschaften, damit zu weiter
gesteigerter Nabenbelastbarkeit und letztlich zu Gewichtsreduktion.
Der Liteks-2-Kolben wurde mit asymmetrischen Schaftbreiten auf Druck- und
Gegendruckseite realisiert. Die Gegendruckseite ist dabei schmaler ausgeführt,
was die hydrodynamische Reibung deutlich reduziert. Die breitere Druckseite ist
elastisch abgestützt, was die Kontaktdruckverteilung und Geräuschanregung
positiv beeinflusst. Kombiniert werden
diese Merkmale mit einem weiter optimierten asymmetrisch balligen Schaftprofil. Dieses verbessert den hydrodynamischen Schmierfilmaufbau und führt zu
Beispiel für integrierte Kolbensystem-Performance-Optimierung (Nkw)
Example for integrated piston system performance optimisation (CV)
P I S T O N S YSTEM S
INNOVATIVE PISTON SYSTEM SOLUTIONS
FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
The need to comply with increasingly stringent exhaust gas emission limits and reduce fuel consumption
and climate damaging carbon emissions is the driving force behind innovation in modern internal combustion
engines. These development goals are accompanied by the demand for higher power densities and torque
combined with low noise and high travel comfort. Development progress with the piston module, consisting of
the piston, piston ring, piston pin, connecting rod and bearings, goes a long way towards achieving these goals.
REQUIREMENTS
Development progress in this area can only
be accomplished with continuous innovation in design, analysis and test methods,
component design, new materials and
coatings, and production processes. As a
tier one development partner to the vehicle
industry, KS Kolbenschmidt works closely
with the experts of KS Aluminium-Technologie (cylinder surfaces), KS Gleitlager
(bearings) and with its alliance partners at
Nippon Piston Rings (piston rings) and
Metaldyne (connecting rods) in the development of low friction piston systems.
SYSTEM INTEGRATION OF PISTONS,
PISTON RINGS, CYLINDER SURFACE
AND CONNECTING ROD
In the last few years, KS Kolbenschmidt has
bolstered its development capability for piston systems considerably. Right at the design stage, the “ring dynamics” simulation
method, , is employed for the optimization of blowby and oil consumption and
“piston dynamics” simulation for friction reduction, noise analysis and the prevention
of cavitation on wet cylinder liners. Over
and above our own efforts concerned with
pistons and systems, cooperation with our
alliance partners improves development potential by exploiting the globally available
development resources for system integration at an early stage. The involvement of
these partners in the KS project management system is a key to the successful development of the engine programs.
In the gasoline engine sector, develop-
ment is focused on lightweight, low
friction piston systems. The KS gasoline
engine technology package [1] consists of
the newly developed Liteks-2 piston design, the innovative Nanofriks coating,
the new high performance alloy KS 309,
a low friction piston ring pack, a light,
bushless sinter-forged connecting rod and
a DLC-coated piston pin. This package
reduces system friction by 32 %, , and
system mass by 10 %, . At the same
time, fatigue strength is improved and a
very good compromise is achieved between noise and scuff resistance properties. The new, high performance aluminum based material KS 309 is a piston
material which will enable further lightweight design potential.
On modern diesel engines for the Euro
5 and Euro 6 emission categories, the development focus for piston systems is on
friction reduction and minimum emissions from oil consumption and blowby
whilst maintaining low weight and without compromising on reliability. In extensive optimization work, KS Kolbenschmidt has developed reference piston
systems that can be adapted to a particular application. These demonstrate a high
degree of maturity at an early stage, thus
cutting development time. For commercial
vehicle diesel engines with KS monobloc
steel pistons, rings with optimized oil
consumption and slide-honed cylinders,
oil consumption has been reduced by
55 % and blowby by 38 % within a very
short time, . The practicality of these
performance features has been confirmed
in engine programs for Euro 6.
The specific characteristics of the piston
system’s components are dictated by the
technical and commercial requirement
profiles of the particular engine. For severe mechanical stress environments,
steel pistons are employed that can also
have a laser-hardened first groove. They
come in the Spinteks and KS Monobloc
designs with and without an internal cooling gallery. The next lower duty engine
series are equipped with ring carrier pistons made of aluminum alloy KS V4,
which has such application related features as local bowl lip reinforcement, pin
AUTHORS
DIPL.-ING. RALF BUSCHBECK
is Director Product Development
Pistons at KS Kolbenschmidt GmbH
DIPL.-ING. (FH)
EMMERICH OTTLICZKY
is Senior Manager Product
Development Pistons (EU)
at KS Kolbenschmidt GmbH
DIPL.-ING. WOLFGANG HANKE
is Manager Piston Systems at
Product Development Pistons of KS
Kolbenschmidt GmbH
DR.-ING. HANS-JOACHIM WEIMAR
is Senior Manager Base Engine and
Tribology at Advanced Engineering of
67
Gewichts- und
Reibungsvorteile der LiteksGenerationen
Weight and friction benefits
of Liteks generations
einer zusätzlichen Reduktion der Schaftreibfläche. Außerdem erlaubt es eine geringere Bolzendesachsierung und erhöhtes Kolbeneinbauspiel, ohne Kompromisse beim Kolbengeräusch eingehen zu
müssen.
Der Reibleistungsvorteil dieses Liteks2-Kolbens wurde am gefeuerten Einzylindermotor mittels der so genannten Floating-Liner-Messtechnik verifiziert und
übertraf die Erwartungen: erreicht wurde
eine Reduktion der Schaftreibung von bis
zu 46 %, .
NANOFRIKS – REDUKTION
VON REIBUNG UND VERSCHLEISS
Moderne Motoren und aktuelle Kolbenkonstruktionen stellen eine Herausforderung an die tribologische Belastbarkeit
des Kolbenschaftes dar. Die von KS Kolbenschmidt bezüglich Reibungs- und
Verschleißminimierung entwickelte
Schaftbeschichtung Nanofriks wird diesen
Anforderungen in vollem Umfang gerecht.
Erstmals wurden bei dieser Schaftbeschichtung die neuesten Erkenntnisse
der Nanotechnologie angewandt. Durch
die genau aufeinander abgestimmte Kombination von Nanopartikeln, Bindemittel,
Festschmierstoff und Additiven setzt
Nanofriks neue Maßstäbe.
Tribometer-Untersuchungen belegten,
dass die Nanofriks Beschichtung im Vergleich zu herkömmlichen Serienbeschichtungen sowohl den Trockenreibkoeffizienten als auch den Verschleiß um mehr
als 50 % reduziert. An dem genannten
Floating-Liner-Einzylindermotor konnte
der Reibleistungsvorteil auch im moto-
rischen Betrieb bestätigt werden. Gegenüber der Standardbeschichtung Lofriks-2
ergeben sich deutliche Vorteile in der
Mischreibung nahe den Umkehrpunkten,
insbesondere im Bereich des maximalen
Zylinderdrucks. Je nach Betriebszustand
konnte eine Reduzierung der Reibung von
4 bis 9 % erreicht werden, .
Die hohe Verschleißbeständigkeit von
Nanofriks ermöglicht darüber hinaus höhere maximale Flächenpressungen am
Kolbenschaft und erweitert damit die
Spielräume beim Kolbendesign im Hinblick auf eine Reduktion der hydrodynamischen Reibung. Dies wurde bei der
Konstruktion des besonders reibungsarmen Liteks-2-Kolbens konsequent und
mit Erfolg ausgenutzt.
HOCHWARMFESTE ALUMINIUMGUSSLEGIERUNG KS 309
Die unabdingbare Dauerhaltbarkeit eines
Kolbens in Verbindung mit geringem Gewicht beruht nicht nur auf einem neuartigen Kolbendesign sondern ergibt sich
erst aus der Kombination mit einem
Hochleistungswerkstoff und den zugehörigen Fertigungsprozessen zur Erzielung
gleichbleibender Produktqualität. Dieser
Werkstoff ist die neue Legierung KS 309.
In der frühen Phase der Legierungsdefinition kamen komplexe Mikrostruktursimulationen zur Verkürzung der ersten
Optimierungs- und Selektionsschleifen
zum Einsatz. Das Ergebnis ist eine mikrolegierte Aluminiumgusslegierung, deren
herausragende Eigenschaften auf das Vor-
Links: Vergleich der
Reibung (Floating Liner)
der Schaftbeschichtungen Lofriks-2 und
Nanofriks. Rechts: Reduktion der Schaftreibung von Nanofriks im
Vergleich zu Lofriks-2
Left hand: Comparison
of friction values (floating liner) of the Lofriks2 and Nanofriks skirt
coating system. Right
hand: Reduction of skirt
friction trough Nanofriks
compared to Lofriks-2
68
bore bush and the Contureks and Dynamiks cooling gallery concepts. For high
duty engines, KS Kolbenschmidt prefers
steel piston rings with surface coatings
and contouring adapted to the tribological
system. Cylinders for extreme requirements are made of highly wear resistant
materials with slide-honing for low oil
consumption. KS Kolbenschmidt thus
supplies piston systems geared to emissions reduction for current and future internal combustion engines.
LITEKS – LIGHTWEIGHT
DESIGN AND FRICTION REDUCTION
IN GASOLINE ENGINES
With consistent further development of
the Liteks design, which was presented in
its original form at IAA 2003, the weight
advantage over traditional piston configurations has been extended to 25 %.
Liteks-2 pistons are characterized by
large ring zone undercuts with rib supports, steeply inclined skirt side-walls
with concave curvature beneath the
crown on the outside, and smoothly
domed boss side-faces on the inner side.
All this has a positive effect on the crown
section modulus and hence on the loads
tolerated by the piston crown, as well as
on the critical compressive stresses in the
region of the ring zone undercuts. The
smooth merging of the boss inner sideface with the skirt side-walls enables improved boss support despite reduced material. The curved inner boss face also
means that with wedge small end connecting rods, the pin boss span requirement is not increased due to rod angulation. The internal shape is suitable for a
single-piece casting core, which enables
optimum control of the casting process.
This yields improved material properties
and hence further enhanced boss load
bearing capacity and ultimately weight
reduction.
The Liteks-2 pistons have been designed with asymmetric piston skirt
widths on the thrust and anti-thrust sides.
The anti-thrust side is narrower, thus significantly reducing hydrodynamic friction.
The broader thrust side has an elastic
support, which has a positive effect on
contact pressure distribution and noise excitation. These features are combined
with a further optimized, asymmetric barrel skirt profile. This improves hydrody-
namic lubricant film formation and yields
an additional reduction in the skirt friction surface. It also permits a lower pin
offset and increased piston assembly
clearance without compromising on piston noise.
The friction benefits of this Liteks-2 piston have been verified on a fired single
cylinder engine, using the floating liner
measurement technique. Predictions were
on the whole exceeded, with a reduction
in skirt friction of up to 46 % being
achieved, .
NANOFRIKS – REDUCING
FRICTION AND WEAR
Modern engines and current piston designs seriously challenge the piston skirt’s
tribological loading capacity. The Nanofriks skirt coating developed by KS Kolbenschmidt to reduce friction and wear fully
satisfies these requirements. This is the
first skirt coating to utilise the latest
nanotechnology findings. With its precisely matched combination of nanoparticles,
binder, solid lubricant and additives,
Nanofriks sets new standards.
Tribometer studies have demonstrated
that the Nanofriks coating reduces the dry
friction coefficient and wear rate by over
50 % compared with conventional production coatings. The improved friction has also been confirmed in engine operation on
the floating liner, single cylinder engine
mentioned above. There are marked advantages in mixed friction close to the reversal points, particularly in the region of
maximum cylinder pressure, compared
with the standard Lofriks-2 coating.
Depending on the operating condition,
4 to 9 % reduction in friction has been
achieved, .
The high wear resistance of Nanofriks
also enables higher maximum surface
pressures on the piston skirt, thus allowing further reduction of hydrodynamic
friction by piston design measures. This
has been systematically and successfully
exploited in the extreme low friction
Liteks-2 piston design.
HIGH TEMPERATURE ALUMINUM
CAST ALLOY KS 309
The piston’s long-term durability requirement combined with low weight is not
satisfied by novel piston design alone, but
a high performance material and the
associated production processes for the
achievement of consistent product quality
are also vital. This material is the new
alloy KS 309.
In the early phase of defining the alloy,
complex microstructure simulations were
performed to accelerate initial optimization
and selection. The result is a micro-alloyed
cast aluminum alloy whose outstanding
properties are attributable to the presence
of nano-scale precipitations forming hard
phases, which strengthen the material even
above temperatures where the effect of intermetallic compounds (e.g. Al2Cu) due to
precipitation hardening, is no longer effective (> 250 °C).
Extensive casting tests were carried out
to check process capability, investigate
the complete production process and define the process parameters using statistical methods ('6-T').
With the new high performance alloy
KS 309, KS Kolbenschmidt offers its customers an innovative materials solution
featuring up to 25 % higher strength in
the relevant temperature range of future
gasoline engines (250 to 350 °C). In addition, flow properties were improved
and excellent castability achieved, which
simplifies the casting of very thin walls,
thus accessing new lightweight design
potential, .
PISTON TECHNOLOGIES
FOR DIESEL ENGINES
The astounding rise of the diesel engine
over the last 20 years – in both cars and
commercial vehicles – has called for constant innovation in the fields of component design, materials technology and
production processes for the piston.
Along with the primary goals of strength
and reliability, measures to reduce friction have come increasingly to the fore.
The piston skirt is provided with a Lofriks coating to give sufficient scuff resistance for the high surface pressures typical of diesel engines, as well as minimum wear and low friction. Further potential for reducing piston friction is delivered by the Nanofriks coating already
successfully introduced in gasoline engines, and by DLC coated piston pins.
These measures are combined with design solutions such as reduced skirt surfaces and an asymmetric skirt profile.
69
Optimierte Gießfähigkeit für dünnwandige
Strukturen
Optimised castability for thin-walled casting
structures
dungen (zum Beispiel Al2Cu) durch die
Ausscheidungshärtung infolge der hohen
Temperaturen (> 250 °C) nicht mehr gegeben ist.
Durch umfangreiche Gießversuche wurde die Prozessfähigkeit abgeprüft, der
komplette Fertigungsprozess untersucht
und das Prozessfenster mit Hilfe von statistischen Methoden ('6-T') definiert.
Mit der neuen Hochleistungslegierung
KS 309 bietet KS Kolbenschmidt seinen
Kunden eine innovative Werkstofflösung,
die sich durch eine bis zu 25 % höhere
Festigkeit im relevanten Temperaturbereich zukünftiger Ottomotoren (250 bis
350 °C) auszeichnet. Außerdem wurden
eine Verbesserung der Fließeigenschaften
und eine hervorragende Gießfähigkeit erreicht, die das Gießen besonders dünner
Wandstärken und die Erschließung neuer
Leichtbaupotenziale ermöglichen, .
KOLBENTECHNOLOGIEN
FÜR DIESELMOTOREN
Pkw-Dieselkolben mit Dynamiks-Kühlkanal
Passanger car diesel piston with Dynamiks cooling
gallery
Die erstaunliche Aufwärtsentwicklung des
Dieselmotors in den letzten 20 Jahren –
sowohl für Pkw als auch für Nkw – erforderte auch für den Kolben stetige Innovationen auf den Gebieten des Bauteildesigns, der Werkstofftechnik und der Herstellungsprozesse. Neben den primären
Zielen wie Festigkeit und Zuverlässigkeit
rücken Maßnahmen zur Reduzierung von
Reibung zunehmend in den Vordergrund.
Der Kolbenschaft wird mit einer Lofriks
Beschichtung versehen, die auch bei dieseltypischen hohen Flächenpressungen
ausreichende Fresssicherheit, minimalen
Verschleiß und geringe Reibung ermöglicht. Weiteres Potenzial zur Reduzierung
der Kolbenreibung bieten die bereits bei
Ottomotoren erfolgreich eingeführte
Nanofriks Beschichtung sowie DLC beschichtete Kolbenbolzen. Kombiniert
werden diese Maßnahmen mit Designlösungen, wie zum Beispiel reduzierten
Schaftflächen und asymmetrischen Schaftprofilen.
ALUMINIUMKOLBEN FÜR
PKW- UND NKW-DIESELMOTOREN
Ein besonders kritischer Bereich hoch belasteter Aluminiumkolben, insbesondere bei
geringer Kompressionshöhe und kleinem
Bolzendurchmesser, ist der Muldenrand mit
lokalen Temperaturen deutlich über 400 °C.
Die Kombination aus thermisch-mechanischer Beanspruchung (TMF) und der aus
der Gaskraft resultierenden hochfrequenten
Beanspruchung (HCF) kann zu Rissbildung
am Muldenrand oder anderen hoch beanspruchten Partien der Verbrennungsmulde
führen. Neue Konzepte zur Verbesserung
der Kolbenkühlung und die konsequente
Optimierung der Werkstoffeigenschaften
sind die Antwort von KS Kolbenschmidt auf
diese Beanspruchungen.
KOLBENKÜHLKONZEPTE
CONTUREKS UND DYNAMIKS
Zur effizienten Absenkung der Kolbentemperaturen besitzen Kolben einen ringförmigen Kühlhohlraum, der über eine am
Kurbelgehäuse fest installierte Düse mit Öl
gefüllt wird. Das Öl nimmt die Wärme am
Kolben auf und transportiert sie beim Verlassen des Hohlraums ab. Lage und vor
allem Form des Kühlkanals beeinflussen
das Temperaturfeld des Kolbens maßgeblich. KS Kolbenschmidt verwendet für die
Kolbenauslegung modernste Verfahren zur
Verbesserung von TMF: V4 im Vergleich
zu KS 1295+
Improvement of TMF: V4 in comparison
to KS 1295+
handensein hartphasenbildender nanoskaliger Ausscheidungen zurückzuführen
ist. Diese verfestigen den Werkstoff auch
dann noch, wenn die festigkeitssteigernde
Wirkung der intermetallischen Verbin-
70
Pkw-Dieselkolben mit
umgeschmolzenem Muldenrand
Passanger car diesel piston
with remelted bowl edge
ALUMINUM PISTONS FOR
CAR AND COMMERIAL VEHICLE
DIESEL ENGINES
A particularly critical area of high-duty
aluminum pistons, especially with low
compression height and small pin diameter, is the bowl lip with local temperatures well over 400 °C. The combination
of thermo-mechanical fatigue (TMF) and
high-cycle fatigue (HCF) resulting from
gas load, can cause cracking of the bowl
lip or other highly stressed areas of the
combustion bowl. KS Kolbenschmidt is
responding to this with new concepts for
improving piston cooling and the consistent optimization of materials properties.
THE CONTUREKS AND DYNAMIKS
PISTON COOLING CONCEPTS
To efficiently lower piston temperatures,
pistons have an annular cooling gallery
filled with oil from a nozzle mounted in
the crankshaft housing. The oil absorbs
heat from the piston and then flows from
the gallery. The position and, more importantly, the shape of the cooling gallery
have a major effect on the piston’s temperature field.
KS Kolbenschmidt uses advanced structural analysis methods (FEA) and computational fluid dynamics (CFD) to simulate
the filling of the cooling gallery and fluid
motion in its interior for optimized piston
design. The complex process of heat
transfer to the oil can thus be calculated
and optimized. The values obtained define the necessary boundary conditions
for a highly accurate prediction of the
temperature distribution in the piston.
The Contureks cooling gallery with variable cross section is KS Kolbenschmidt’s
current standard design. To improve the
cooling of the bowl lip, the cooling cross
section on the thrust and anti-thrust sides
is larger than in the stress critical region
above the pin axis.
The Dynamiks pump cooling gallery
concept, , is a further development offering enhanced cooling potential. The
special gallery design imposes a directional velocity component circumferentially
on the oil during the piston’s reciprocating motion, thus considerably enhancing
heat removal. Compared to Contureks, a
temperature reduction of up to 20 °C is
achieved at the bowl lip. Further potential
for improving piston cooling is provided
by combination of the cooling gallery
shapes described and two cooling oil
nozzles [2].
HIGH TEMPERATURE ALUMINUM
CAST ALLOY V4
Growing power densities with rising thermal and mechanical loading require an
extension of the application range for aluminum pistons. To this end, KS Kolbenschmidt has introduced the aluminum alloy V4 into series production in recent
years. In particular, it satisfies higher requirements regarding thermo-mechanical
fatigue (TMF). The specifically developed
alloy composition combined with an optimized casting process has resulted in a
microstructure with enhanced high temperature strength and higher thermal
shock resistance. At typical bowl lip temperatures of 400 °C, the alloy V4 has extended service life by 86 % over the proven alloy KS 1295+, .
LOCAL MATERIALS ENGINEERING
ON THE BOWL LIP
Microstructure fineness is a key factor in
the crack initiation process on the bowl
lip, owing to the differences in thermal
expansion of the various microstructure
components of the aluminum alloy. KS
Kolbenschmidt has therefore cooperated
with process technology specialists in developing through to series production a
hybrid remelting process for especially
high local thermal and mechanical loading at the bowl lip. This process gives rise
to an optimized, fine and homogeneous
microstructure, , which improves the
thermal fatigue properties of the critical
area by up to 200 %, . Results of engine
tests at KS Kolbenschmidt and customer
sites have confirmed the technology’s potential. Furthermore, for pistons exposed
to severe thermal shock loading with thermal cracking at the bowl lip, hard anodizing the piston crown inhibits crack initiation and has been an effective way of preventing cracking for many years.
STEEL PISTONS FOR CAR AND COMMERCIAL VEHICLE DIESEL ENGINES
A current debate is the application of
steel pistons in car diesel engines. It
must be mentioned here that the advantages of the steel piston, such as a long
service life and low assembly clearance,
have to be combined with customer demands for low exhaust emissions, low
weight, good cooling and competitive
pricing. Against the background of
downsizing, the adoption of a uniform
block height in future diesel and gasoline engine families and the associated
demand for compact engine dimensions,
the steel piston benefits by enabling designs with extremely low compression
height.
Alternatively, the potential for realising
low compression heights in existing engines can be exploited to increase connecting rod length thereby reducing lateral forces and hence friction.
In initial engine tests at KS Kolbenschmidt, lightweight steel car pistons
with low compression height, , have
demonstrated their suitability for highly
charged engines with specific outputs of
over 90 kW/l and peak cylinder pressures well over 200 bar. The production
technology necessary for this was developed together with partners. The first
customer projects are already underway.
With various American and European
vehicle and engine manufacturers, KS
Kolbenschmidt has been developing
steel pistons for the commercial vehicle
market with great success over recent
years.
KS MONOBLOC STEEL PISTONS
FOR COMMERCIAL VEHICLES
Compared to aluminum pistons, the compression height of KS Monobloc steel pistons, ! (l), can amount to less than 55 %
of cylinder diameter, given a suitably flat
combustion bowl. With low piston
weight, good guidance is achieved by a
package of features consisting of long
skirt, asymmetric wall thicknesses, asymmetric skirt profile, optimized skirt roughness, Lofriks skirt coating and assembly
clearance less than that required by aluminum pistons.
In the design of KS Monobloc steel
pistons, the piston cooling layout is of
particular importance. The key parameters here are the required short distance
to the bowl lip and the thermal screening of the first ring groove. The large
height (shaker effect) and surface area
71
Vergleich von Ergebnissen
des Thermoschockversuchs
am Muldenrand: Gussstruktur
mit/ohne Umschmelzung
Thermoschock test results of
bowl rim with/without re-melting
Strukturanalyse (FEA) und Computational
Fluid Dynamics (CFD) zur Simulation der
Füllung des Kühlhohlraums und Flüssigkeitsbewegung in seinem Inneren. Die
komplexen Vorgänge des Wärmeübergangs
an das Öl sind somit für Optimierungen
zugänglich. Die ermittelten Werte liefern
notwendige Randbedingungen für die
möglichst exakte Vorhersage der Temperaturverteilung im Kolben.
Standard bei KS Kolbenschmidt ist heute
der Contureks-Kühlkanal mit variablem
Kühlquerschnitt. Zur verbesserten Kühlung
des Muldenrands ist der Kühlquerschnitt
auf Druck- und Gegendruckseite größer
ausgeführt als im spannungskritischen Bereich oberhalb der Bolzenachse.
Eine Weiterentwicklung, der DynamiksPumpkühlkanal, , zwingt durch besondere Kühlkanalgestaltung dem Öl während
der oszillierenden Kolbenbewegung eine
gerichtete Geschwindigkeitskomponente in
Umfangsrichtung auf, wodurch der Wärmeabtransport wesentlich gesteigert werden kann. Im Vergleich zum Contureks
wird hierdurch am Muldenrand eine Temperaturabsenkung von bis zu 20 °C erreicht. Weiteres Potenzial zur Verbesserung
der Kolbenkühlung bieten Kombinationen
aus den beschriebenen Kühlkanalformen
und zwei Kühlöldüsen [2].
HOCHWARMFESTE
ALUMINIUMGUSSLEGIERUNG V4
Wachsende Leistungsdichten mit steigenden thermischen und mechanischen
Belastungen erfordern eine Erweiterung
des Einsatzbereichs für Aluminiumkolben.
KS Kolbenschmidt hat hierzu in den ver-
Stahlkolben für Pkw-Dieselmotor
Steel piston for passenger car diesel application
gangenen Jahren die Aluminium-Legierung
V4 zum Serieneinsatz gebracht. Sie erfüllt
im Besonderen die Forderung nach höherer thermomechanischer Belastbarkeit
(TMF). Die gezielt entwickelte Legierungszusammensetzung in Kombination mit
einem optimierten Gießprozess führt zu
einem Gefüge mit gesteigerter Warmfestigkeit und höherer Thermoschockbeständigkeit. Bei motortypischen Muldenrandtemperaturen von 400 °C konnte mit der Legierung V4 im Vergleich zur bewährten
Legierung KS 1295+ die Lebensdauer um
86 % gesteigert werden, .
LOKALES WERKSTOFF-ENGINEERING
AM MULDENRAND
Für den Rissentstehungsmechanismus am
Muldenrand ist aufgrund der unterschied-
! KS Monoblock-Stahlkolben für Nkw-Dieselmotor (l), KS Monoblock-Stahlkolben mit Innenkühlraum für hochbelasteten Nkw-Dieselmotor (m), KS Spinteks-Kolben für
Nkw-Dieselmotor mit extrem niedriger Kompressionshöhe (r)
KS Monoblock steel piston for truck diesel application (l), KS Monoblock steel piston with inner cooling gallery for high loaded truck diesel application (m), KS Spinteks
piston for truck diesel application with extrem low compression height (r)
72
of the cooling gallery permit high heat
flows. Steel’s low thermal conductivity
in comparison with that of aluminum,
and the resulting higher piston crown
surface temperatures, require increased
oil supply, good quality of the cooling
oil jet, and minimum wall thicknesses
between the cooling gallery and combustion bowl.
Peak cylinder pressures of over 230 bar
combined with experience from advanced
and series development, have led to the
development of the KS Monobloc steel piston with internal cooling gallery. A second
cooling chamber has been created beneath
the combustion bowl by introducing an intermediate floor, ! (m). The required
quantity of cooling oil flows from the outer cooling gallery via connecting bores into the inner cooling chamber and is then
discharged via drainage bores above the
connecting rod, thus ensuring a controlled
supply of oil to the connecting rod small
end. A reduction in the combustion bowl
surface temperature of about 25 °C is a
significant advantage. The connection of
the ring zone to the skirt not only improves the piston’s structural rigidity, but
also permits a further temperature reduction at the bowl lip of about 20 °C as a result of the optimized shaping of the outer
cooling gallery. KS Monobloc steel pistons
are manganese phosphated, which permits the use of uncoated steel pins and also protects the piston from corrosion.
KS SPINTEKS FOR
COMMERCIAL VEHICLES
In developing the Spinteks piston, ! (r),
KS Kolbenschmidt has realized a completely new production method for
Monobloc steel pistons. The patented solution consists of only one forged part
whose ring zone is reshaped after premachining, by “spin bending” at raised
temperature to yield a closed cooling gallery. The ring zone and skirt are welded
together. Alongside applications in the
United States, this solution is also used
in European products for extremely low
compression heights.
STEEL MATERIALS
In the production of KS Monobloc steel pistons, a choice of two materials is currently
available. Heat treated steel 42CrMo4 is
considered an excellent compromise for
this application in terms of malleability,
machinability, strength, scaling resistance
and cost. For applications with a thermally
and mechanically limited load micro-alloyed steels are used by economic reasons.
LOCAL MATERIALS ENGINEERING
ON THE RING GROOVE
For extreme heavy-duty engine operating
conditions, wear resistance requirements
are very high. An effective way of reduc-
ing top ring groove wear is to laser-harden
the lower edge. Hardened grooves show
significantly lower rates of wear in radionuclide tracer measurements than their
unhardened counterparts, ". During engine running-in, when the greatest wear is
experienced, laser hardening yields a
markedly reduced wear rate.
SUMMARY AND OUTLOOK
Over the last 100 years, pistons have been
subject to ever tougher requirements.
During this period, KS Kolbenschmidt
has consistently responded to these challenges and developed optimized solutions
for higher thermal and mechanical loadings, whilst at the same time achieving
lower weight designs. Future development
work in the automotive industry is focused on engines with further reduced exhaust emissions and improved fuel economy. KS Kolbenschmidt will continue to
address all the issues and requirements
with competent strategies and innovative,
market driven products.
REFERENCES
[1] Hanke W., Buschbeck R., Letourneau S.,
Sinclair D., Skiadas A., Urabe M., Takiguchi M.:
Power Cylinder System Friction and Weight
Optimization in High Performance Gasoline
Engines, SAE 2009-01-1958, 2009
[2] Thiel N., Weimar H.-J., Kamp H.: Advanced
Piston Cooling Efficiency: A Comparison of
Different New Gallery Cooling Concepts,
SAE 2007-01-1441, 2007
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g\]jÜZ]aeÜM]jdY_Ürmr1_dÜM]jkYf\cgkl]f
73
" Verringerung des
Nutverschleißes durch
Laserhärten
Reduction of groove wear
by laser-hardening
lichen Wärmeausdehnung der verschiedenen Gefügebestandteile einer Aluminium-Legierung die Gefügefeinheit von hoher Bedeutung. KS Kolbenschmidt hat
daher gemeinsam mit Spezialisten der
Verfahrenstechnik für besonders hohe örtliche thermische und mechanische Belastungen am Muldenrand von Dieselkolben
ein hybrides Umschmelzverfahren zur
Serienreife entwickelt. Infolge dieses
Prozesses entsteht ein optimiertes Gefüge
mit einer feinen, homogenen Mikrostruktur, , welches die thermischen Ermüdungseigenschaften des kritischen Bereichs um bis zu 200 % verbessert, .
Ergebnisse aus Motorversuchen bei KS
Kolbenschmidt und bei Kunden haben
das Potenzial der Technologie bestätigt.
Außerdem ist für Kolben mit extrem hoher Thermoschockbelastung bei Auftreten
von thermischen Rissen am Muldenrand
die anrissverzögernde Wirkung einer
Hartanodisierung des Kolbenbodens eine
seit vielen Jahren wirkungsvolle Maßnahme zur Rissvermeidung.
STAHLKOLBEN FÜR
PKW- UND NKW-DIESELMOTOREN
Ein aktuell diskutiertes Thema ist der
Einsatz von Stahlkolben auch im PkwDieselmotor. Dabei ist zu beachten, dass
die Vorteile des Stahlkolbens wie hohe
Lebensdauer und kleines Einbauspiel zu
74
verbinden sind mit den Kundenforderungen nach niedrigen Emissionswerten,
geringem Gewicht, guter Kühlung sowie
wettbewerbsfähigem Preis. Insbesondere
unter dem Gesichtspunkt von Downsizing beziehungsweise der Verwendung
einer einheitlichen Blockhöhe zukünftiger Diesel- und Ottomotorenfamilien
und der damit verbundenen Forderung
nach kompakten Motorabmessungen
kann der Stahlkolben aufgrund der Darstellbarkeit von extrem geringen Kompressionshöhen einen Vorteil erzielen.
Alternativ hierzu kann die Möglichkeit
der Realisierung geringer Kompressionshöhen in bestehenden Motoren dazu genutzt werden, die Pleuellänge zu erhöhen und somit die Seitenkräfte und damit die Reibung zu verringern.
Leichte Pkw-Stahlkolben mit geringer
Kompressionshöhe, , zeigten in ersten
Motortests bei KS Kolbenschmidt deren
Eignung für hoch aufgeladene Motoren
mit spezifischen Leistungen über 90 kW/l
und Zünddrücken deutlich größer als
200 bar. Die dazu erforderliche Fertigungstechnik wurde im Verbund mit
Partnerfirmen entwickelt. Erste Kundenprojekte wurden bereits gestartet.
Mit verschiedenen amerikanischen und
europäischen Fahrzeug- und Motorenherstellern hat KS Kolbenschmidt in den letzten Jahren mit großem Erfolg Stahlkolben
für den Nutzfahrzeug-Markt entwickelt.
KS MONOBLOCK-STAHLKOLBEN
FÜR NKW
Im Vergleich zu Aluminiumkolben kann
die Kompressionshöhe von KS Monoblock-Stahlkolben, ! (l), bei entsprechend flacher Verbrennungsmulde weniger als 55 % des Zylinderdurchmessers
betragen. Bei geringem Kolbengewicht
wird eine gute Geradführung durch ein
Paket bestehend aus langem Schaft, asymmetrischen Wandstärken, asymmetrischem Schaftprofil, optimierter
Schaftrauheit, der Schaftbeschichtung Lofriks sowie dem gegenüber Aluminiumkolben reduzierten Einbauspiel erreicht.
Bei der Auslegung von KS MonoblockStahlkolben kommt der Gestaltung der
Kolbenkühlung eine wesentliche Bedeutung zu. Schlüsselgrößen sind hierbei die
notwendige geringe Distanz zum Muldenrand und die thermische Abschirmung
der ersten Ringnut. Eine große Höhe
(Shakereffekt) und Oberfläche des Kühlraums ermöglichen hohe Wärmeströme.
Die im Vergleich zum Aluminium schlechtere Wärmeleitung des Stahls und die damit verbundenen höheren Oberflächentemperaturen am Kolbenboden erfordern
ein höheres Ölangebot, gute Qualität des
Kühlölstrahls sowie möglichst kleine
Wandstärken zwischen Kühlkanal und
Brennraummulde.
Auslegungszünddrücke über 230 bar
kombiniert mit Erfahrungen aus Vor- und
Serienentwicklung haben zur Entwicklung
des KS Monoblock-Stahlkolbens mit Innenkühlkanal geführt. Hierbei wurde durch einen Zwischenboden ein zweiter Kühlhohlraum unterhalb der Brennraummulde geschaffen, < (m). Über Verbindungsbohrungen gelangt die zur Kühlung notwendige Ölmenge vom äußeren Kühlkanal in
den Innenkühlraum und wird dann über
Ablaufbohrungen oberhalb des Pleuels abgeführt, was eine gezielte Ölversorgung
des kleinen Pleuelauges ermöglicht. Ein signifikanter Vorteil besteht in einer deutlichen Absenkung der Oberflächentemperatur der Verbrennungsmulde um zirka
25 °C. Durch die Anbindung des Ringfeldes an den Schaft wird nicht nur die
Struktursteifigkeit des Kolbens verbessert,
sondern auch, durch die optimierte Ausformung des äußeren Kühlraums, eine weitere Temperaturabsenkung am Muldenrand
von rund 20 °C ermöglicht. KS Monoblock-Stahlkolben sind manganphospha100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg
K O L B E N S YSTEM E
tiert, was den Einsatz von unbeschichteten Stahlbolzen erlaubt und gleichzeitig
den Kolben vor Korrosion schützt.
KS SPINTEKS FÜR NKW
Mit der Entwicklung des Spinteks-Kolbens, < (r), hat KS Kolbenschmidt eine
völlig neuartige Herstellungsweise von
Monoblock-Stahlkolben verwirklicht. Die
patentierte Lösung besteht aus nur einem
Schmiedeteil, dessen Ringfeldzone nach
der Vorbearbeitung unter Erwärmung
durch Anwendung des Wälzdrückverfahrens so umgeformt wird, dass ein geschlossener Kühlkanal entsteht. Die Verbindung von Ringfeld und Schaft wird
durch Schweißen erreicht. Neben Anwendungen in den USA kommt diese Lösung
für extrem niedrige Kompressionshöhen
auch in europäischen Entwicklungen zum
Einsatz.
STAHL-WERKSTOFFE
Bei der Herstellung von KS MonoblockStahlkolben kommen heute zwei alter-
native Werkstoffe zum Einsatz. Der
Vergütungsstahl 42CrMo4 gilt für diese
Anwendung als sehr guter Kompromiss
in Bezug auf Umformbarkeit, Bearbeitbarkeit, Festigkeit, Zunderbeständigkeit
und Kosten. Mikrolegierte Stähle kommen aus wirtschaftlichen Gründen in
thermisch und mechanisch niedrig belasteten Anwendungsfällen zum Einsatz.
LOKALES WERKSTOFF-ENGINEERING
AN DER RINGNUT
Bei besonders schweren Einsatzbedingungen des Motors werden hohe Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit
der Ringnuten gestellt. Als effektive Maßnahme zur Reduzierung des Nutverschleißes der ersten Ringnut wird die Unterflanke mittels Laserstrahl gehärtet. Radio Nuklid Tracer Messungen zeigen signifikant
geringere Verschleißraten bei gehärteter
im Vergleich zu nicht gehärteter Nut, ".
Insbesondere beim Motoreinlauf, bei dem
der größte Verschleiß auftritt, bewirkt
die Laserhärtung eine deutlich reduzierte
Verschleißrate.
Kolbenschmidt Pierburg –
100 Jahre AutoMotivePower
ZUSAMMENFASSUNG
UND AUSBLICK
In den vergangenen 100 Jahren haben
sich die Anforderungen an den Kolben
stetig erhöht. In dieser Zeit hat sich KS
Kolbenschmidt ständig diesen Veränderungen gestellt und optimierte Lösungen
für höhere thermische und mechanische
Belastungen bei gleichzeitig höherem
Leichtbaugrad entwickelt. Künftige Entwicklungen in der Automobilindustrie haben noch schadstoffärmere Motoren mit
reduziertem Kraftstoffverbrauch im Fokus.
KS Kolbenschmidt wird auch in der Zukunft auf alle gestellten Fragen und Anforderungen kompetente Antworten und innovative, marktgerechte Produkte liefern.
LITERATURHINWEISE
[1] Hanke W., Buschbeck R., Letourneau S., Sinclair D., Skiadas A., Urabe M., Takiguchi M.: Power
Cylinder System Friction and Weight Optimization
in High Performance Gasoline Engines, SAE 200901-1958, 2009
[2] Thiel N., Weimar H.-J., Kamp H.: Advanced
Piston Cooling Efficiency: A Comparison of Different New Gallery Cooling Concepts, SAE 2007-011441, 2007
Wir gratulieren und
sagen Danke
Die Kolbenschmidt Pierburg AG ist seit 100 Jahren
nicht nur eine feste Größe, sondern auch Motor in der
Automobilindustrie. Dazu gratulieren wir herzlich!
Gleichzeitig bedanken wir uns bei unseren Partnern
von Kolbenschmidt Pierburg für das Vertrauen, das
Sie seit 10 Jahren in unser Know-how und unsere
Produkte setzen.
GROB-WERKE GmbH & Co. KG | www.grobgroup.com
NU T Z FA H R Z E U G T ECH N IK
KOMPETENZ UND KOMPONENTEN
RUND UM DEN NUTZFAHRZEUGMOTOR
Eine wesentliche Entwicklungsaufgabe am Nutzfahrzeug (Nfz)-Dieselmotor ist nach wie vor die Darstellung geringster Stickoxid- und Partikelemissionen unter Beibehaltung höchster motorischer Wirkungsgrade. Aufgrund der zahlreichen Interaktionen von Motor, Turboaufladung und Abgasrückführung kann
nur ein Luft- und Abgasmanagement „aus einem Guss“ erfolgreich sein. Dieser Erkenntnis Rechnung
tragend hat Pierburg 2009 alle Aktivitäten und Komponenten für den Nfz- beziehungsweise Off-RoadBereich in der Business Unit Commercial Diesel Systems (CDS) zusammengeführt.
76
N U T Z FA H R Z E U G T ECHNI K
AUTOREN
DR.-ING. MICHAEL BREUER
ist Leiter Motorkomponenten und
Thermodynamik in der Vorentwicklung
der Kolbenschmidt Pierburg AG
in Neuss.
DR.-ING. MARTIN HOPP
ist Abteilungsleiter in der
Business Unit CDS bei der
Pierburg GmbH in Neuss.
DR.-ING. KARL WÜBBEKE
Leitung Business Unit CDS
bei der Pierburg GmbH in Neuss.
KOMPONENTEN UND SYSTEME
Die zukünftige Entwicklung des Nfz-Dieselmotors wird geprägt
durch die Einhaltung der anspruchsvollen Schadstoffgrenzwerte
gemäß US2010 und Euro 6 beziehungsweise Tier 4 Final im OffRoad-Bereich. Dem Luft- und AGR-Pfad kommt hierbei eine entscheidende Rolle zu [1].
Pierburg kann seine Kunden bei diesen anspruchsvollen Aufgaben aufgrund der langjährigen Erfahrungen auf dem Gebiet
des Luft- und Abgasmanagements unterstützen. Das Angebot
umfasst die bewährten Produkte der Luftversorgung wie Ansaugsysteme und Drosselklappen, Produkte zur Schadstoffreduzierung wie Abgasrückführventile, Abgaskühler, Rückschlagventile und Sekundärluftsysteme, sowie Magnetventile und
elektrische Aktuatoren als Stell- und Regelelemente. Der neue
Pierburg-Abgasturbolader komplettiert das Angebot rund um
den Ladungswechsel.
Alle Komponenten werden sowohl einzeln als auch in Form integrierter Module angeboten und eingesetzt. Die Systeme haben
den Vorteil, dass der Kunde nicht selbst die Einzelkomponenten
aus dem Marktangebot konfigurieren muss, sondern ein System
mit erprobten und aufeinander abgestimmten Komponenten erhält. Mitentscheidend für den Entwicklungserfolg sind hierbei
das Verständnis der Wechselwirkungen der Komponenten und
die Rückwirkungen auf den motorischen Prozess.
NO X -BILDUNG UND -REDUKTION
Bei der Verbrennung im Motor wird NOX hauptsächlich thermisch gebildet [2]. Dieser Vorgang wird durch den Zeldovich-Mechanismus beschrieben, der unter einigen vereinfachenden Annahmen zu
___
Gl. 1
[
( )]
d(nNO)
√no2 nN2 ___
1__ exp ____
–E
_____
~ _______
__
dt
RmT
√T
√V
verdichtet werden kann. Aufgrund der endlichen Reaktionsgeschwindigkeit wird der überwiegende Teil der NO-Moleküle nicht
in der heißeren Flammenfront, sondern im Verbrannten gebildet.
Dementsprechend sind in Gl. 1 eher die Stoffmengen von O2 und
N2 im Abgas einzusetzen. Nach Gl. 1 stehen damit grundsätzlich
folgende Wege zur Absenkung der NO-Bildungsrate zur Verfügung:
: möglichst kleine Stoffmenge nO2 (im Abgas). Dies setzt eine
Verbrennung mit geringem Luftüberschuss voraus (a)
: eine geringe Stoffmenge nN2 (im Verbrannten) (b)
: ein hohes Zylindervolumen V während der Verbrennung (c)
: eine möglichst niedrige (Abgas-) Temperatur T (d). Diese aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit sehr wirksame Maßnahme kann erreicht werden durch eine intensive Kühlung
der Zylinderfrischladung, um das Temperaturniveau bei
Brennbeginn abzusenken (d1), eine hohe Zylinderfüllung,
um den verbrennungsbedingten Temperaturanstieg zu
begrenzen (d2) und durch eine spät eingeleitete, verzögerte
Verbrennung (d3).
Die Möglichkeiten (c) und (d3) scheiden aus Wirkungsgradgründen aus. Die Maßnahme (d2) darf der Forderung (a) nicht
77
zuwiderlaufen. Der Zylinder ist also vorzugsweise mit den Verbrennungsprodukten CO2 und H2O aufzuladen, zumal der
gegenüber Luft kleinere Isentropenexponent der Abgasmoleküle die Temperatur
zusätzlich absenkt. Diese Schlussfolgerungen werden belegt durch den gedrosselten, homogenen Ottomotor. Bei gleicher, quantitativer Ladungsverdünnung
ist hier eine AGR (M = 1) wesentlich
NOX-wirksamer als eine Abmagerung
(M ≥ 1) [2].
Praktisch müssen die Ziele (a), (d1)
und (d2) durch Aufladung mit gekühltem
Abgas bei geringem O2-Anteil erfüllt werden [3]. Da die Mengenanteile von N2 in
Luft und Abgas nahezu identisch sind, bedeutet jede Aufladung (auch durch AGR)
eine Erhöhung der Stoffmenge nN2 im Zylinder. Dieser nach (b) eigentlich kontraproduktive Effekt wird aber durch (d2)
mehr als überkompensiert.
Während die Forderungen (d1) und
(d2) durch das Gaswechselsystem zu erfüllen sind, muss (a) durch das Brennverfahren adressiert werden. Beide Ziele unterstützen sich durchaus gegenseitig. Der
geringe Sauerstoffanteil der AGR entlastet
die Rückführstrecke sowohl hinsichtlich
Durchfluss, als auch in den Kühlungsaufgaben. Andererseits kann die Absenkung
der Prozesstemperaturen helfen, das für
die Rußbildung kritische Fenster im Luftverhältnis-Temperatur-Diagramm [4] zu
umgehen.
Eine abschließende Bemerkung: Sobald
im Abgas noch ungenutzter Sauerstoff
vorliegt, sollte zur Beschreibung der tatsächlichen Stöchiometrie im Brennraum
das in definierte Zylinder-Luftverhältnis
Gl. 2
(
) (M
MLst
M – 1 ______
Mz = M + xR _____
1–x
R
Lst + 1
)
Definition Zylinder-Luftverhältnis
Definition of the in-cylinder air fuel ratio
AGR (Index o) wird die Rate der Hochdruck-AGR schrittweise angehoben. Mitteldruck, Luftverhältnis MZ, Spitzendruck
und ATL-Gesamtwirkungsgrad werden
durch Anpassung von Ladedruck, Einspritzmenge, Verbrennungslage und Druck
vor Turbine festgehalten. Für Ladeluftund AGR-Temperatur stromab ihrer Kühler werden in allen Punkten 65 °C beziehungsweise 150 °C angenommen. stellt
die Ergebnisse über der Abnahme (Tmax,
o-Tmax) der Spitzentemperatur dar.
Die zunehmende Füllung lässt die maximale Prozesstemperatur Tmax erwartungsgemäß stark abfallen. Voraussetzung
ist, dass der Ladedruck MAP deutlich gesteigert werden kann (a). Der größere,
verdichterseitige Leistungsbedarf erfordert
einen höheren Druck vor Turbine. Er wird
durch einen reduzierten Turbinenquerschnitt AT erzwungen (b). Die Ladungswechselschleife verschiebt sich bei nur
leicht vergrößerter Fläche PMEP zu höheren Drücken (c).
Da sich das Druckgefälle zwischen Abgas- und Saugseite kaum vergrößert, muss
der effektive Strömungsquerschnitt As der
AGR-Anlage für höhere Raten deutlich zunehmen (d). Die ansteigende Abgasdichte
kann diese Forderung nur leicht abschwächen. Leider reduziert die AGR jedoch den
inneren Wirkungsgrad etai (e). Dies ist zurückzuführen auf die etwas größere Ladungswechselarbeit, auf den vom Spitzendruck diktierten, späteren Umsatzschwerpunkt, insbesondere aber auf die reduzierte Isentropenkonstante, ausgelöst
durch den höheren Abgasanteil vor und
während der Verbrennung. Zusammenfassend bleibt die Forderung nach einer möglichst hohen und kalten Füllung des Brennraums. Der aus NOX-Sicht eigentlich anzustrebende, minimale Luftüberschuss ist
aber aus (Ruß- und) Verbrauchsgründen
begrenzt [5].
EINIGE SYSTEMANFORDERUNGEN
Ladeluft- und AGR-Kühlung wirken sich
aufgrund der thermischen Entdrosselung
und der geringeren Starttemperatur der
Hochdruckphase zweifach auf die NOXEmissionen aus. Der AGR-Kühler muss in
einem gegebenen Bauraum geringe Druck-
dem üblichen, äußeren Wert M vorgezogen werden (xR: AGR-Rate, Lst: stöchiometrischer Luftbedarf). Die Formel ergibt
sich aus den Basisstoffbilanzen und berücksichtigt, dass auch der O2-Anteil der
AGR zur Oxidation genutzt werden kann.
PROZESSAUSWIRKUNGEN
Eine bewusst einfache Kreisprozessrechnung soll demonstrieren, was die skizzierte NOX-Strategie motorisch auslöst.
Ausgehend von einem Volllast-Punkt ohne
78
Wirkung der Aufladung durch AGR
Effect of supercharging by EGR
C O M M E R C I A L V E H I C L E T E C HNI Q UE
CAPABILITIES AND COMPONENTS
FOR COMMERCIAL VEHICLE ENGINES
One of the primary development tasks on the commercial diesel engine is to minimize NOx and PM emissions
without compromising the engine efficiency. Because of the complex interaction of combustion engine, turbocharger
(T / C) and exhaust gas recirculation (EGR), the layout of air and EGR management systems calls for a highly
integrated approach. To allow for this, Pierburg merged all its activities and components for the commercial vehicle
and off-road sector in its Business Unit Commercial Diesel Systems (CDS) in 2009.
COMPONENTS AND SYSTEMS
NO X FORMATION AND REDUCTION
The future development of the commercial
diesel engine will be dominated by the
need to comply with the challenging emission targets US2010 and Euro 6 for on-road
applications, and Tier 4 Final in the offroad sector. The air and EGR management
system plays a key role here [1]. Thanks to
its broad experience in the field of intake
and EGR systems Pierburg is able to support its customers in meeting these challenging targets. Pierburg offers tried-andtested charge management products such
as intake manifolds and throttle bodies,
products for emission control such as EGR
valves, EGR coolers, reed valves and secondary air systems as well as solenoid
valves and electric actuators as positioning
and control elements. The new Pierburg
turbocharger rounds off the products associated with the gas exchange system.
All the components are available and
put to use individually or in integrated
modules. The modules gain the advantage
that the customer does not have to configure the individual components from those
available on the market, but is receiving a
system with tested and tuned components. For the success of such development tasks it is crucial to have an understanding of the component interactions
and the effects on the engine process.
Accordingly, the first part of this article
recapitulates the main thermodynamic interactions between the combustion engine, EGR system and turbocharger. From
these interactions, component targets are
then derived in the second part.
During combustion NOx is mainly formed
at high temperatures [2]. This chain reaction is described by the Zeldovich mechanism which, under certain assumptions,
can be restated and simplified to Eq. 1.
___
Eq. 1
[
( )]
d(nNO) _______
√no2 nN2 ___
1__ exp ____
–E
_____
~
__
dt
RmT
√T
√V
Due to the finite reaction rate, the majority
of the NO molecules are borne not in the
hotter flame front, but in the burned gas.
Consequently, Eq. 1 mostly refers to the
amount of O2 and N2 in the exhaust gas.
According to Eq. 1, the following ways for
reducing NO formation are available:
: reduced quantity of O2 (in the exhaust
gas). This presupposes combustion
with a low AFR (a)
: low quantity of N2 (in the exhaust gas)
(b)
: high cylinder volume V during combustion (c)
: low (exhaust gas) temperature T (d). This
highly effective measure in view of the
exponential dependency can be achieved
by intensive cooling of the fresh cylinder
charge in order to lower the temperature
at the start of combustion (d1), a high
cylinder load reducing the combustionrelated temperature gradient (d2) and late
combustion timing (d3)
Options (c) and (d3) have to be ruled out
for efficiency reasons. (d2) must not counteract item (a). Hence, the cylinder must
be charged preferably with the combustion
products CO2 and H2O. In addition, as the
ratio of the specific heats is lower for the
larger exhaust molecules, introducing EGR
slightly reduces the temperature gradients
during compression and combustion.
These conclusions are underpinned by the
behavior of the throttled, homogeneous
gasoline engine. For an identical, quantitative charge dilution, EGR (M=1) has a
much greater effect on NOx reduction than
lean combustion (M ≥ 1) [2].
In practice, goals (a), (d1) and (d2)
have to be achieved by charging the cylinder with cooled EGR gas with a low, but
still sufficient amount of O2 [3]. Since the
concentrations of N2 in the air and the exhaust gas are almost identical, any charging (including that by EGR) increases the
quantity of N2 in the cylinder. However,
this in terms of (b) counterproductive effect is more than offset by (d2).
AUTHORS
DR.-ING. MICHAEL BREUER
is Senior Manager Components
and Thermodynamics at Advanced
DR.-ING. MARTIN HOPP
is Senior Manager in the
Business Unit CDS at Pierburg
GmbH in Neuss (Germany).
DR.-ING. KARL WÜBBEKE
is Director of the Business
Unit CDS at Pierburg GmbH
in Neuss (Germany).
79
verluste und hohe Kühlleistungen vereinbaren, ein sowohl geometrischer als auch
strömungsmechanischer Zielkonflikt. Zusätzlich müssen die Kennwerte auch noch
nach zwei Millionen Kilometern im rußhaltigen Abgas erreicht werden.
Neben den bereits herausgearbeiteten
Grenzen kann auch die in das Kühlwasser eingetragene Wärmemenge die AGRRate limitieren. Es wird daher allgemein
akzeptiert, dass für Euro 6 eine Abgasnachbehandlung (DPF, SCR) die innermotorischen Strategien ergänzt. Bei unterschiedlichem Nutzungsgrad der Nachbehandlung kommen folgende Aufladekonzepte in Frage, gegebenenfalls unter
Berücksichtigung ihrer Wirksamkeit im
Motorbremsbetrieb:
: Einstufige Aufladung über starren ATL
mit oder ohne Waste-Gate
: Einstufige Aufladung über ATL mit
VTG
: Zweistufige Aufladung mit fester oder
variabler Geometrie der Hochdruckturbine für höchste Ladedrücke und vielfache Regelungsmöglichkeiten.
Bei definiertem Aufladesystem hängt die
realisierbare AGR-Rate schließlich von der
Leistungsfähigkeit der Komponenten Abgaskühler, Abgasrückführstrecke sowie
dem AGR- beziehungsweise Rückschlagventil ab. Grundsätzlich stellt sich die Forderung nach geringen Druckverlusten. Eine entscheidende Bedeutung kommt auch
der schnellen und präzisen Steuerung der
AGR-Menge zu.
Kennfeld Pierburg-Abgasturbolader
Performance map of Pierburg
turbochargers
Verdichterrad und Turbine werden anwendungsabhängig variiert.
Zweistufige Aufladesysteme können
durch Kombinationen der Baureihen aufgebaut werden. Die spezifischen Belange
dieser Systeme, wie Beanspruchung von
Hoch- und Niederdruckstufe, turbinenseitige Strömungsführung und Anpassung an
die Einbauverhältnisse, wurden von Anfang an berücksichtigt.
Der Pierburg ATL bietet ein dem anspruchsvollen Wettbewerbsumfeld ebenbürtiges Wirkungsgradverhalten. Der maximale Gesamtwirkungsgrad konnte sogar
um 5 % erhöht werden. Gleichzeitig sind
zahlreiche Detailverbesserungen zur Erhöhung der Qualität und Ausfallsicherheit
eingeflossen. So wurden die Lagerungen,
die Abdichtungen und das aerodynamische Design der Laufräder höheren Druckverhältnissen angepasst. Die Eigenfrequenzen auf Verdichter- und Turbinenseite wurden angehoben, um die Drehzahlund Schwingfestigkeit zu steigern.
Das Gehäusedesign trägt neben den
Dauerhaltbarkeitsanforderungen einem
günstigen Wärmeübergang durch gezielte
Gestaltung der Wärmeleitwege Rechnung.
Aus Montage- und Wartungsgründen werden die Gehäusehälften über Spannbänder verbunden. Mit Schubumluftventil
und Waste-Gate kommen die abgestimmten Regelungskomponenten ebenfalls aus
dem Pierburg Produktportfolio.
PIERBURG-ABGASTURBOLADER
Die Produktfamilie der Pierburg Abgasturbolader deckt durch ein Baukastensystem
die Einsatzgebiete der Nutzfahrzeuge,
Bau- und Landmaschinen sowie der Industrie- und Marinemotoren ab und ist für
4,0 bis 18,0 l Motorhubraum je Turbolader geeignet, . Die Bezeichnung der einzelnen Baureihen (P08 bis P14) leitet sich
aus den Durchmessern der Lagerung ab
und erleichtert die Übersicht.
Das Baukastensystem erlaubt für die
einzelnen Baureihen eine hohe Anzahl
von gleichen oder generischen Teilen und
ermöglicht damit ein kostengünstiges Variantenmanagement. Die Standardgehäuse
der Pierburg-Turbolader sind luftgekühlt.
Für thermisch hoch beanspruchte Gasmotoren werden wassergekühlte Lagergehäuse eingesetzt. Design und Material von
80
Pierburg-AGR-Ventil für Nfz
Pierburg EGR valve for commercial vehicles
While demands (d1) and (d2) can be
achieved by the gas exchange system, (a)
has to be addressed by tuning the combustion process. However, both goals may
be mutually supportive. The lower share
of oxygen in the EGR relieves the EGR
system both in terms of pressure loss and
cooling tasks. On the other hand, the reduction of process temperatures may help
to bypass the window in the AFR/temperature diagram [4], this being critical
for soot formation.
A final remark: As soon as there is excessive oxygen in the exhaust gas, the incylinder AFR defined by Eq. 2
(
) (M
MLst
M – 1 ______
Mz = M + xR _____
1–x
R
Lst + 1
)
should be preferred over the conventional
AFR value to describe the actual stoichiometry in the combustion chamber (xR: EGR
rate, Lst: stoichiometric AFR). The formula is
derived from the equilibrium of substances
and accounts for the fact that the share of
O2 in the recirculated exhaust gas can be reused for the combustion process.
PROCESS IMPLICATIONS
A simple simulation of the working cycle
is used to demonstrate the effects of the
outlined NO strategy. Starting at a full
load point without EGR (index 0), the rate
of high-pressure EGR is increased step by
step. The mean effective pressure, the incylinder AFR, the combustion peak pressure and the T/C net efficiency are kept
constant by adjusting the boost pressure,
the injection quantity, the start of combustion, and the exhaust back pressure
upstream of the turbine. Charge and EGR
temperatures downstream of their coolers
are assumed to be constant (65 °C and
150 °C, respectively). In the results are
plotted vs. the decrease (Tmax, o-Tmax)
in peak temperature.
As expected, higher charging causes the
maximum combustion temperature Tmax
to drop sharply. This requires that the boost
pressure MAP can be sharply increased (a).
The larger power demand on the compressor side calls for higher pressure upstream
of the turbine. This is caused by reducing
the turbine throat AT (b). The gas exchange
loop shifts towards a higher pressure level,
while the gas exchange work (PMEP) is
slightly increased (c).
Since the pressure gradient between the
exhaust and intake sides almost stays constant, the effective flow area As of the
EGR system has to increase significantly
for higher EGR rates (d). The elevating
exhaust gas density can weaken this requirement only to a small extent.
Unfortunately, EGR reduces the internal
efficiency etai (e). This is due to the
slightly higher gas exchange work, the later combustion timing dictated by the peak
pressure, but mainly to the reduced ratio
of the specific heats, triggered by the
higher exhaust gas share before and during combustion.
Summing up, the cylinder should be
charged to the utmost extent while keeping
the charge temperature as low as possible.
The reduction of the AFR, although beneficial for NOx reduction, is limited due to
soot and fuel-efficiency drawbacks [5].
SYSTEM REQUIREMENTS
Because of thermal dethrottling and the
lower starting temperature of the highpressure cycle, charge air and EGR cooling
have a dual effect on NOx emissions. In a
given package, the EGR cooler has to reconcile low pressure losses and a high
cooling performance – conflicting goals
both in terms of design and flow mechanics. Moreover, the cooler has to perform
even after two million kilometers in sootloaded exhaust gas.
In addition to the limits identified
above, the quantity of heat introduced into the cooling system may limit the EGR
rate. Therefore it is widely accepted that
exhaust gas after-treatment systems (DPF,
SCR) must assist the measures on the
combustion system to meet Euro 6. Given
different degrees of after-treatment capacity utilization, the following charging strategies are feasible, possibly taking into account their engine braking effect:
: single-stage charging with a fixed
geometry turbocharger with or without
a waste gate
: single-stage charging with a VNT
turbocharger
: two-stage charging with fixed or variable geometry of the high-pressure turbine for maximum charging pressures
and a multitude of control options.
Once the charging system is defined, the
feasible EGR rate depends on the performance of the EGR cooler, the EGR system,
and the EGR valves. There is a fundamen-
tal demand for low pressure losses. In addition, fast and accurate control of the
EGR flow rate is crucial.
PIERBURG TURBOCHARGER
Thanks to a modular design the Pierburg
turbocharger family covers diesel engines
for a wide variety of on- and off-road commercial applications and is suitable for 4 to
18 l displacement per turbocharger, .
For the sake of simplicity, the designations of the individual types (P08 to P14)
refer to the inner bearing diameters. The
modular system includes a large number
of common and/or generic components
allowing a lean management of varying
configurations. The standard housing is
air cooled; however, for high-temperature
applications water cooled housings are
available. The design and material of the
compressor and turbine impeller vary according to the actual application.
Dual-stage charging systems can be set
up by combining two Pierburg turbochargers. Right from the drawing board
stage, account was taken of the specific
requirements of systems such as mechanical loads of high- and low- pressure stages, streamlined design of the turbine joint
and specific package conditions.
The Pierburg turbocharger delivers efficiency specifications that hold their own
in a challenging competitive environment.
Maximum efficiency has even been improved by 5 %. At the same time, numerous details have been refined to enhance
quality and durability. Bearings, seals and
impeller aerodynamics have been designed for higher pressure conditions. The
natural frequency on the compressor and
turbine side has been raised in order to
boost mechanical integrity at high speeds.
The housing design not only takes account of the demands for long-term service, but also provides for a favorable heat
distribution by shaping the thermal conductivity routes accordingly. To facilitate
assembly and maintenance the housing
halves are held together by tensioning
straps. The turbo control components, including the dump valve and waste gate,
are also taken from the standard Pierburg
product portfolio.
EGR COMPONENTS
Pierburg supplies components to control
the EGR rate (EGR valve and reed valve),
81
AGR-Rate zu nutzen, . Das wirkungsgradschädliche Drosseln der Abgas- oder
Saugseite zur Erhöhung der AGR-Rate
kann hiermit vermieden beziehungsweise
vermindert werden. Mit einer Betriebstemperatur von bis zu 180 °C ist das Ventil für die Temperaturen stromab Kühler
kennfeldweit gerüstet.
ABGASMASSENSTROMSENSOR (AGS)
AGR-Rückschlagventil
EGR reed valve
AGR-KOMPONENTEN
Pierburg bietet mit AGR-Ventilen und den
bekannten Rückschlagventilen Komponenten zur Steuerung der AGR-Menge, einen
neuartigen Sensor zur direkten Erfassung
der AGR-Rate sowie, mit dem AluminiumAGR-Kühler, eine Komponente zur Beherrschung der AGR-Temperatur an.
AGR-VENTILE FÜR NFZ-MOTOREN
Basierend auf den langjährigen Erfahrungen im Bereich der Abgassteuerung
hat Pierburg 2008 eine Familie modular
aufgebauter AGR-Ventile für den Nfz-Bereich vorgestellt [6]. Kennzeichnend sind
die druckausgeglichene Klappe und der
Antrieb über einen wartungsfreien, leistungsstarken EC-Motor, .
Aufgrund der Klappenkontur und der
ausgeführten Kinematik konnten hohe
Dichtigkeitswerte mit guter Kleinmengenregelbarkeit und großen Durchsätzen vereinbart werden. Für unterschiedliche
Durchsatzanforderungen stehen ein- oder
zweiflutige Ausführungen in verschiedenen Abmessungen zur Verfügung. Das
Ventil ist für den Einsatz auf der heißen
Seite konzipiert und erschließt damit die
bekannten Vorteile geringer Schadvolumina, verminderter Wärmedissipation sowie
guter Regelbarkeit. Der Aktuator ist in
12V- oder 24V-Ausführung lieferbar und
kommuniziert mit der EDC über CAN-Bus
oder PWM-Signal. Er kann auch für ande-
82
re Steuerungs- oder Positionieraufgaben
verwendet werden, zum Beispiel im Umfeld des Aufladesystems.
Ergänzend wird für kleinere Durchflussanforderungen ein Hubtellerventil angeboten, das auf der bei Pierburg bewährten
Pkw-Technologie aufbaut und für Nfz-Anwendungen modifiziert wurde. Dieses Ventil bedient den Light- und Medium-DutyBereich mit Betriebsdauern bis 8000 h.
Die erprobten AGR-Rückschlagventile
bieten die Möglichkeit, die Gasdynamik in
Abgas- und Saugleitung zur Erhöhung der
Hohe Abgasrückführraten, gestiegene Anforderungen an die Regelgüte im dynamischen Betrieb sowie die Forderungen
der OBD II waren die Motivation zur Entwicklung des Abgasmassenstromsensors
(AGS), . Der AGS basiert auf dem Messprinzip der Heißfilmanemometrie [7] und
erfüllt die besonderen Anforderungen im
Nfz-Bereich:
: hohe Abgastemperaturen am Sensor
bis zu 300 °C, optional bis 650 °C
zulässig
: hohe Toleranz gegen Ruß
: Unempfindlichkeit gegen Kondensatbeschlag und chemische Angriffe
: hohe Dauerhaltbarkeit und
Schwingfestigkeit
: Pulsationserkennung.
Neben dem Massenstrom erfasst der AGS
auch die AGR-Temperatur. Der Massenstrom-Messfehler bleibt im relevanten
Kennfeldbereich unter 4 %. Die Ansprechzeit beträgt 60 ms. Diese Kennwerte ermöglichen eine schnelle und präzise Re-
Abgasmassenstromsensor (AGS)
Exhaust gas mass flow sensor
a novel sensor for direct measurement of
the EGR rate and its all-aluminum EGR
cooler – a component for managing EGR
temperature.
EGR VALVES FOR COMMERCIAL
DIESEL ENGINES
Based on its long experience in the field
of EGR management, Pierburg launched a
family of modular EGR valves for commercial diesel engines in 2008 [6]. It is
characterized by using a pressure-balanced flap and a maintenance-free, powerful
EC motor, .
As a result of the flap shape and sophisticated drive train, high-tightness specifications have been combined with good
controllability of low flow rates and high
flow performance. For different flow capacity requirements, single- and dual-flap
options are available in a variety of sizes.
The EGR valve is designed for hot-side installation and thus exploits the familiar
advantages of low parasitic volumes, reduced heat dissipation and good controllability.
The actuator is available in 12 and 24 V
versions and communicates with the EDC
via CAN bus or PWM signal. The actuator
can also be used for other control and positioning tasks, e.g. in the charging system
environment.
In addition, for lower flow capacity demands a poppet valve is available, derived
from Pierburg’s well-established passenger car technology and refined for commercial vehicle applications. This valve
family serves the light- and medium-duty
range with a lifetime of up to 8000 h.
The tried-and-tested EGR reed valves
make use of the wave action in the exhaust
and intake system to push the EGR rate, .
Thus, either-side throttling with the aim of
boosting EGR flow can be reduced or even
eliminated, gaining fuel economy advantages. With temperatures up to 180 °C the
valve is able to cover the temperatures
downstream of the EGR cooler right across
the engine operating range.
EXHAUST GAS MASS FLOW SENSOR
(EGS)
High volumes of recirculated exhaust gas,
the need for reduced transient EGR excursions and the requirements of OBD II
prompted the development of the Pierburg
exhaust gas mass flow sensor, . The EGR
sensor is based on the principle of hot-film
anemometry [7] and satisfies the special
needs of the commercial diesel engine sector:
: high exhaust-gas temperature compatibility of up to 300 °C (optionally up to
650 °C)
: high soot tolerance
: high robustness to droplet impact and
chemical aggression
: high vibration fatigue resistance and
durability
: pulsation recognition.
Along with the mass flow signal, the flow
sensor also monitors the EGR temperature. The mass flow measurement error
remains below 4 % within the engine performance range. The response time is
60 ms. These characteristics permit fast
and accurate control and monitoring of
the recirculated exhaust gases. The improved quality of control, the inherent
compensation of component tolerances in
the EGR path and the high long-term stability allow for applications closer to the
border line in NOx particulate matter
trade-off, thus opening up the full potential of the EGR [7]. For communication
with the EDC a CAN bus, a PWM interface or an analog signal are available.
ALL-ALUMINUM EGR COOLER
The Pierburg EGR cooler is composed entirely of aluminum die castings. The favorable heat conductivity of aluminum, five
times superior to steel, is fully utilized. shows a typical design.
The material’s outstanding conductivity
and the production process permit the use
of cooling fins that extend into the gas
chamber and discharge the absorbed heat
via its foot into the coolant. Fin height
and width are adapted to the local heat
flow density. For good reasons, fin length
is limited in flow direction, yielding crosstalk windows. The length and position of
these windows are optimized with regard
to the following, in some cases conflicting
demands:
: avoidance of excessive boundary layer
formation at the fins and the associated loss of heat transfer
: creation of a large heat exchange
surface.
: high tolerance to imperfect flow uniformity on the hot side
: minimization of pressure losses, particularly with respect to possible soot
deposits.
Each gas cassette is composed of two die
castings with corresponding cooling fins.
All shells are joined together by friction
stir welding [8]. This creates a very compact and robust design. At the same time,
aluminum’s good thermal conductivity is
retained even across interfaces, with benefits for the thermal load and the cooling
performance. Further significant benefits
are yielded by the fin concept in actual,
transient operation [9].
THROTTLE BODIES AND EXHAUST
BACK PRESSURE VALVES
These established and proven components
complete the product range. For details,
please refer to [10].
SUMMARY
To achieve low NOx raw emissions, maximum charge and a low charge temperature (at inlet valve closing) are desirable.
This strategy calls for extremely high
boosting levels, effective cooling of charge
and EGR combined with the minimization
of pressure losses, and an accurate engine
control also during transients. As the EGR
amount is limited by soot and efficiency
drawbacks, exhaust gas after-treatment
with DPF and SCR must be applied for
further NOx reductions. With balanced gas
exchange components, Pierburg supports
engine manufacturers in the performance
of this challenging optimization task.
REFERENCES
[1] Ruhkamp, L. et. al.: Maßnahmen zur weiteren
Senkung der Rohemissionen von Nfz-Dieselmotoren. 26. Wiener Motorensymposium, 2005
[2] Heywood, J. B.: Internal Combustion Engine
Fundamentals McGraw-Hill Book Company, 1988
[3] Körfer, T. et. al.: Verschärfte Anforderungen an
die Luftpfadregelung bei Nutzfahrzeugmotoren. In:
MTZ 69 (2008) Nr. 11
[4] Pischinger, S.: Verbrennungsmotoren I, II.
Vorlesungsumdruck RWTH Aachen, 2006
[5] Adolph, D. et. al.: Modernes Dieselbrennverfahren: Günstige Rohemissionen bei verbessertem
Verbrauchsverhalten. In: MTZ 69 (2008) Nr. 1
[6] Tönnesmann, A. et. al.: Mechatronisches Abgasrückführventil für Nutzfahrzeug-Anwendungen.
In: MTZ 69 (2008) Nr. 9
[7] Grimm, K. et. al.: Keramischer Heißfilmsensor
zur Abgasmassenstrommessung in automotiven Anwendungen. 17. Aachener Kolloquium Fahrzeugund Motorentechnik, 2008
[8] Krawinkel, U., Thomer, O.: Reibrührschweißen von
Abgasrückführkühlern. In: ATZproduktion 03-04/2009
[9] Breuer, M. et. al.: Transientes Verhalten von
AGR-Kühlern. 3. VDI-Fachtagung Ventiltrieb und
Zylinderkopf, Würzburg 2008
[10] www.kspg.de
83
gelung und Überwachung der AGR. Die
verbesserte Regelgüte, der konzeptimmanente Ausgleich der Bauteiltoleranzen im
AGR-Pfad und die hohe Langzeitstabilität
erlauben eine Applikation, die näher an
den Grenzen im NOX-Partikel-Zielgebiet
liegt und so das volle Potenzial der AGR
eröffnet [7]. Für die Kommunikation mit
dem Motorsteuergerät stehen der CANBus, eine PWM-Schnittstelle oder ein analoges Signal zur Verfügung.
ALUMINIUM AGR-KÜHLER
Der Pierburg-AGR-Kühler wird komplett
aus Aluminium-Druckgussteilen aufgebaut. Die gegenüber Stahl um den Faktor
fünf höhere Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffs wird dabei konsequent ausgenutzt.
zeigt einen typischen Aufbau.
Die hervorragende Wärmeleitfähigkeit
und das Produktionsverfahren erlauben
die Verwendung von Kühlrippen, die in
den Gasraum ragen und die hier aufgenommene Wärme über ihren Fuß in das
Kühlwasser ableiten. Höhe und Breite der
Rippen werden der lokalen Wärmestromdichte angepasst.
In Strömungsrichtung wird die Länge
der Rippen bewusst begrenzt. Hierdurch
ergeben sich periodisch rippenfreie Quergassen, deren Lage und Anzahl unter Berücksichtigung der folgenden, zum Teil gegenläufigen Forderungen optimiert wird:
: Vermeidung eines übermäßigen Grenzschichtaufbaus an den Rippen und des
damit verbundenen Verlustes an
Wärmeübergang
: Darstellung einer möglichst großen
Wärmeaustausch-Fläche
: hohe Toleranz gegenüber Fehlanströmung auf der heißen Seite
: Minimierung der Druckverluste, auch
und besonders unter Berücksichtigung
möglicher Rußablagerungen.
Eine Gaskassette wird jeweils durch zwei
Druckgussteile mit korrespondierenden Kühlrippen gebildet. Alle Druckgussteile werden
durch Reibrührschweißen miteinander verbunden [8]. Hierdurch ergibt sich zum einen
ein sehr kompaktes und robustes Design.
Zum anderen bleibt mit Vorteilen in thermischer Bauteilebelastung und Kühlwirkung
die gute Wärmeableitung des Aluminiums
auch über Schnittstellen hinaus erhalten.
Weitere, deutliche Vorteile ergeben sich
durch das Kühlrippen-Konzept im tatsächlichen, transienten Betrieb [9].
84
Aluminium-AGR-Kühler
Aluminum EGR cooler
DROSSEL-UND ABGASKLAPPEN
Diese bekannten und bewährten Komponenten runden das Produktportfolio geeignet ab. Für Einzelheiten wird auf [10] verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG
Zur Darstellung niedriger NOX-Rohemissionen sind möglichst geringe Ladungstemperaturen (bei Einlassende) und eine maximale Zylinderfüllung anzustreben. Diese
Strategie verlangt höchste Aufladegrade,
eine effektive Kühlung von Ladeluft und
AGR bei gleichzeitig minimalen Druckverlusten und eine hochgenaue Prozessführung auch unter transienten Bedingungen.
Begrenzt wird die sinnvolle AGR-Rate
durch Ruß- und Wirkungsgradnachteile.
Hier setzt die Abgasnachbehandlung mittels DPF und SCR ein. Mit abgestimmten
Ladungswechselkomponenten unterstützt
Pierburg den Motorenhersteller bei der
Lösung dieser anspruchsvollen Optimierungsaufgabe.
[3] Körfer, T. et. al.: Verschärfte Anforderungen an
die Luftpfadregelung bei Nutzfahrzeugmotoren. In:
MTZ 69 (2008) Nr. 11
[4] Pischinger, S.: Verbrennungsmotoren I, II.
Vorlesungsumdruck RWTH Aachen, 2006
[5] Adolph, D. et. al.: Modernes Dieselbrennverfahren: Günstige Rohemissionen bei verbessertem
Verbrauchsverhalten. In: MTZ 69 (2008) Nr. 1
[6] Tönnesmann, A. et. al.: Mechatronisches Abgasrückführventil für Nutzfahrzeug-Anwendungen.
In: MTZ 69 (2008) Nr. 9
[7] Grimm, K. et. al.: Keramischer Heißfilmsensor
zur Abgasmassenstrommessung in automotiven
Anwendungen. 17. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2008
[8] Krawinkel, U., Thomer, O.: Reibrührschweißen
von Abgasrückführkühlern. In: ATZproduktion 0304/2009
[9] Breuer, M. et. al.: Transientes Verhalten von
AGR-Kühlern. 3. VDI-Fachtagung Ventiltrieb und
Zylinderkopf, Würzburg 2008
[10] www.kspg.de
LITERATURHINWEISE
[1] Ruhkamp, L. et. al.: Maßnahmen zur weiteren
Senkung der Rohemissionen von Nfz-Dieselmotoren. 26. Wiener Motorensymposium, 2005
[2] Heywood, J. B.: Internal Combustion Engine
Fundamentals McGraw-Hill Book Company, 1988
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PU M P E N
ELEKTRIFIZIERUNG
TREIBT PUMPENINNOVATIONEN
AUTOREN
86
DIPL.-ING. ACHIM BRÖMMEL
DIPL.-ING. MICHAEL ROMBACH
DR.-ING. BERND WICKERATH
DIPL.-ING. THOMAS WIENECKE
Leitung Produktentwicklung und
Fertigungsprozesse bei Pierburg
Pump Technology in Neuss.
ist Leiter Produktentwicklung
Vakuumpumpen bei Pierburg
ist Technischer Experte
Strömungsmechanik bei Pierburg
elektrische Kühlmittelpumpen bei
Pierburg Pump Technology
in Neuss.
PUM PEN
Pierburg Pump Technology (PPT) gilt als weltweit anerkannter Spezialist für innovative und zukunftsweisende Pumpentechnologie. Das Produktportfolio umfasst
mechanische und elektrische Kühlmittel-, Öl- und
Vakuumpumpen sowie Wasserumwälzpumpen für
Personenkraft- und Nutzfahrzeuge. Das international
aufgestellte Unternehmen ist seit vielen Jahren ein
führender Hersteller von Pumpen im Verbrennungsmotorenbereich und Vorreiter bei technologischen
Neuentwicklungen und Innovationen.
TECHNOLOGIETRENDS IN DER PUMPENAUSLEGUNG
Die rasant wachsenden Anforderungen in der Motorenentwicklung im Hinblick auf Verbrauchs- und Emissionswerte erfordern
neben der Optimierung der Energiebilanz des Motors gleichfalls
eine Reduktion der Leistungsaufnahme der Nebenaggregate. Für
die Entwicklung neuer Pumpen bedeutet dies neben einer nachhaltigen Optimierung des Wirkungsgrads die konsequente Nutzung weiterer Einsparpotenziale wie die Variabilisierung der
Pumpe, das heißt die Anpassung der Pumpenleistung an die Erfordernisse des jeweiligen Betriebszustands.
PPT hat diesen Trend bereits vor Jahren erkannt und mit der
Entwicklung elektrischer Kühlmittelpumpen sowie variabler mechanischer Wasser- und Ölpumpen vorangetrieben. Mittlerweile
finden sich solche Produkte bei verschiedenen OEM von Personenkraft- und Nutzfahrzeugen in Serienproduktion oder kurz vor
Serienanlauf.
Aktuelle Entwicklungen befassen sich mit der weiteren Variabilisierung mechanischer Wasserpumpen, ausgehend von einfachen
abschaltbaren bis hin zu vollvariablen Pumpen mit Drosselregelung.
Im Bereich der variablen mechanischen Ölpumpen tragen verbesserte kennfeldgesteuerte Regelsysteme mit Hilfe elektrifizierter Aktuatorik zur Erschließung zusätzlicher Einsparpotenziale bei. Angesichts zukünftiger Antriebskonzepte wie Hybrid-, Elektro- oder
Brennstoffzellen-Fahrzeugen forciert PPT ebenfalls die Entwicklung
elektrischer Vakuumpumpen und elektrischer Ölpumpen, letztere
für eine erweiterte Funktionalität neuer Getriebekonzepte.
DIPL.-ING. JEAN-MICHEL DURAND
DIPL.-ING. GIACOMO ARMENIO
mechanische Kühlmittelpumpen bei
Pierburg Pump Technology in
Thionville (Frankreich).
Ölpumpen bei Pierburg Pump
Technology in Livorno
(Italien).
DIPL.-ING. PH.D.
RAFFAELE SQUARCINI
ist Gruppenleiter Berechnung
und Simulation bei Pierburg Pump
Technology in Livorno (Italien).
DIPL.-ING. THOMAS JOACHIM GIBAT
ist Leiter Elektronik in der Zentralen
Entwicklung der Kolbenschmidt
87
PU M P E N
Entwicklung mechanischer Kühlmittelpumpen
Development of mechanical coolant pumps
MECHANISCHE KÜHLMITTELPUMPEN
Lange lag der Fokus bei der Entwicklung
von Kühlmittelpumpen auf einer Verbesserung des Wirkungsgrades und der Haltbarkeit sowie einer Reduzierung der Geräuschemissionen. In dieser Zeit hat sich der Aufbau dieser Pumpen nicht wesentlich geändert. Die in den letzten Jahren stetig gestiegenen Anforderungen hinsichtlich Kraftstoffeinsparung und Emissionsreduzierung
machen jedoch die Einführung flexibler
Systeme unumgänglich und führen so zu
einem grundlegenden Wandel in der Pumpenentwicklung. Die Optimierung des Kaltstarts des Verbrennungsmotors und die Reduzierung der Leistungsaufnahme der
Pumpe sind die zentralen Gründe für diese
Flexibilisierung der Kühlmittelpumpe. In
den ersten Minuten nach einem Kaltstart
des Verbrennungsmotors sollte die Pumpe
keine Kühlleistung bereitstellen, da mittels
einer verkürzten Aufwärmphase des Motors die Abgasemissionen reduziert werden. Diese Funktionalität kann mit Hilfe einer abschaltbaren Kühlmittelpumpe, einer
so genannten On/Off-Pumpe, abgebildet
werden. Des Weiteren wird die Hydraulik
der Kühlmittelpumpe für die ungünstigste
thermische Belastung des Motors ausgelegt. Als Folge dieser Auslegungsvorschrift
und des festen Übersetzungsverhältnisses
zwischen Motor und Pumpe wird dem Motor in den meisten Betriebspunkten eine zu
große Kühlmittelmenge zugeführt. Eine
bessere Anpassung der Kühlleistung an
88
den Bedarf des Motors kann sowohl über
kontinuierliche als auch über diskrete Verstellmechanismen erzielt werden. In beiden Fällen wird die Variabilität der Pumpe
mittels eines elektrischen Aktuators erreicht. Dabei ist ein störungssicheres System (Fail-Safe-System) zu gewährleisten,
das heißt, bei einem Ausfall der Steuereinheit muss die variable Pumpe die Funktionalität einer konventionellen Pumpe aufweisen.
Im Zuge der Abgasnormen Euro 5 und
Euro 6 entwickelte PPT bereits verschiedene variable Kühlmittelpumpen, . Für
Nutzfahrzeuge wurde zunächst eine Pumpe mit einem schaltbaren Übersetzungsverhältnis realisiert. Hierzu integrierte
PPT eine elektromagnetische Kupplung in
die Pumpe, welche zwei verschiedene
Übersetzungsverhältnisse zwischen Riemenscheibe und Pumpenlaufrad und somit zwei unterschiedliche Laufraddrehzahlen ermöglicht. Der Serienanlauf dieser Applikation war im Juni 2009. Die
zweite Anwendung, welche für den PkwBereich entwickelt wurde, beinhaltet
ebenfalls eine elektromagnetische Kupplung. Im Unterschied zur ersten Anwendung wird mit Hilfe der Kupplung jedoch
keine zweite Drehzahl realisiert, sondern
der Kraftschluss bei eingeschaltetem Aktuator unterbrochen und somit eine Nullförderung ermöglicht. Die entwickelten
Prototypen haben bereits umfangreiche
Dauerversuche erfolgreich überstanden.
Eine weitere Entwicklung für Nutzfahrzeuge basiert auf einer kontinuierlichen
Anpassung des Strömungsquerschnittes
am Austritt der Pumpe. Dabei werden
über einen elektrischen Aktuator die Leitschaufeln verstellt und somit der Kühlmassenstrom den Erfordernissen des Motors angepasst. Nach erfolgreichen Versuchen auf Komponentenprüfständen wird
Kennfelder elektrischer Kühlmittelpumpen
Hydraulic characteristic of electric coolant pumps
PUM PS
ELECTRIFICATION
POWERS PUMP INNOVATION
Pierburg Pump Technology (PPT) is a globally acknowledged specialist in innovative and futuristic pump technology. The product portfolio comprises mechanical and electric coolant, oil and vacuum pumps as well as water
circulation pumps for cars and commercial vehicles. The globally oriented company has been a market-leading
producer of pumps for internal combustion engines for many years and has always been a pioneer of novel
technical developments and innovations.
TECHNOLOGICAL TRENDS
IN PUMP DESIGN
The rapidly growing requirements in engine development in terms of fuel consumption and emission values call not only for the optimization of the engine’s energy balance but also a reduction in the
power consumption of the accessories.
For the development of new pumps this
means, along with a sustained optimization of efficiency, the consistent exploitation of further potential for savings such
as pump variability, i.e., the adaptation of
pump output to the requirements of the
particular operating point.
PPT identified this trend years ago and
has pushed ahead with the development
of electric coolant pumps and variable
mechanical water and oil pumps. In the
meantime, such products are already in,
or on the verge of, mass production at a
variety of OEM of cars and commercial
vehicles.
Current development work is concerned
with further improvements in the variability of mechanical water pumps, be they
simple On/Off or fully variable pumps
with throttle control. In the field of variable mechanical oil pumps, improved
characteristic-driven control systems help
to exploit extra conservation potential by
using electrified actuators. In view of the
drive concepts of the future such as hybrid, electric and fuel-cell vehicles, PPT is
also advancing the development of electric vacuum pumps and electric oil
pumps, the latter to extend the functionality of new transmission strategies.
MECHANICAL COOLANT PUMPS
The focus in the development of coolant
pumps was for a long time on improving
efficiency and durability and reducing
noise emissions. In essence, pump design
remained unchanged throughout this period. However, increasingly tough requirements in terms of fuel economy and emission reduction over the last few years
have made the introduction of flexible
systems imperative and are thus encouraging a fundamental rethink in pump development. The optimization of the cold
starting of the internal combustion engine
and the reduction in pump power consumption are the key reasons for developing coolant pumps with greater flexibility.
In the first few minutes after cold starting,
the pump should not cool the internal
combustion engine, as exhaust gas emissions can be reduced by shortening the
engine’s warm-up phase. This functionality can be achieved with the aid of an On/
Off coolant pump. Moreover, the hydraulics of the coolant pump is designed for
the engine’s least favorable thermal loading. As a consequence of this design requirement and the fixed transmission ratio between the engine and pump, the engine is oversupplied with coolant at most
operating points. A better adaptation of
cooling performance to the needs of the
engine can be achieved with both continuous and discrete adjustment mechanisms. In both cases, pump variability is
realized with an electric actuator. Fail-safe
operation must be ensured here, i.e. in the
event of a failure of the control unit, the
AUTHORS
DIPL.-ING. ACHIM BRÖMMEL
is Vice President Engineering and
Manufacturing Process at Pierburg
Pump Technology in Neuss
(Germany).
DIPL.-ING. MICHAEL ROMBACH
Engineering Vacuum Pumps at
Pierburg Pump Technology in Neuss
(Germany).
DR.-ING. BERND WICKERATH
is Technical Expert Fluid Dynamics
at Pierburg Pump Technology in
Neuss (Germany).
DIPL.-ING. THOMAS WIENECKE
Engineering Electric Water Pumps at
Pierburg Pump Technology in Neuss
(Germany).
DIPL.-ING. JEAN-MICHEL DURAND
Engineering Mechanical Water
Pumps at Pierburg Pump
Technology in Thionville (France).
DIPL.-ING. GIACOMO ARMENIO
is Senior Manager Product Engineering Oil Pumps at Pierburg Pump
Technology in Livorno (Italy).
DIPL.-ING. PH.D. RAFFAELE SQUARCINI
is Group Manager Calculation
and Simulation at Pierburg Pump
Technology in Livorno (Italy).
DIPL.-ING. THOMAS JOACHIM GIBAT
is Senior Manager Electronics
within Central Engineering
of Kolbenschmidt Pierburg AG
in Neuss (Germany)
89
PU M P E N
Schnittbild der elektrischen
Kühlmittelpumpe CWA50
Cross section model of the electric
coolant pump CWA50
zurzeit diese viel versprechende Technologie am Fahrzeug validiert.
ELEKTRISCHE KÜHLMITTELPUMPEN
Elektronikmodul der elektrischen Kühlmittelpumpe CWA400
Electronic module of the electric coolant pump CWA400
Variable mechanische Ölpumpe
Variable mechanical oil pump
90
Um den wachsenden Kühlungsbedarf und
gestiegenen Anforderungen moderner Motorengenerationen gerecht zu werden, ist
heute der Einsatz elektrischer Kühlmittelpumpen unumgänglich. Bereits vor Jahren erkannte Pierburg diesen Trend und
entwickelte die erste in Großserie gefertigte elektrische Kühlmittelpumpe. Die treibende Kraft war damals primär die Kraftstoffeinsparung und eine Reduzierung der
Abgasemissionen. Darüber hinaus konnte
der Komfort im Fahrgastinnenraum durch
eine verbesserte Klimatisierung erhöht
werden. Seitdem ist im Fahrzeug die Zahl
der Kühlungsaufgaben kontinuierlich gestiegen. Beispielsweise wird heute die
standardmäßig eingesetzte Abgasrückführung mittels einer zusätzlichen Wasserkühlung optimiert. Auch der aktuelle
Trend in der Motorenentwicklung zum
Downsizing und zur Verringerung des
Hubraumes bei steigender Motorleistung
durch Aufladung führt zu einem erweiterten Kühlungsbedarf. Denn aufgeladene
Motoren mit hohen Ladedrücken sind nur
in Verbindung mit einer hochleistungsfähigen indirekten Ladeluftkühlung effizient. Des Weiteren benötigt auch der Abgasturbolader für eine einwandfreie Funktion und lange Lebensdauer eine Wasserkühlung mit Nachlauffunktion.
Die Unabhängigkeit des Kühlvolumenstroms von der Drehzahl des Verbrennungsmotors macht die elektrische Pumpe für Kraftfahrzeuge unverzichtbar. Insbesondere die Nachlauffunktionalität verdeutlicht diesen entscheidenden Vorteil
gegenüber konventionellen Pumpen. Mit
einer elektrischen Kühlmittelpumpe lassen sich wegen der bedarfsgerechten
Kühlmittelversorgung Verbrauchseinsparungen von zwei bis drei Prozent erzielen.
In besonderen Situationen, wie zum Beispiel beim Kaltstart, kann die Pumpe
gänzlich abgeschaltet werden und bewirkt
durch die schnellere Motoraufheizung eine Verminderung der Schadstoffemissionen. Die Nachwärmenutzung und Verfügbarkeit der Pumpe auch nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors sind gerade vor dem Hintergrund zunehmender
Aggregate mit Start-Stopp-Automatik von
Bedeutung. Auch zukünftige Antriebskon100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg
PUM PS
variable pump has to perform the functions of a conventional pump.
In connection with the Euro 5 and Euro
6 exhaust gas standards, PPT has already
developed a number of variable coolant
pumps, . For commercial vehicles, a
pump has initially been realized with a
switchable transmission ratio. To this end,
PPT has integrated an electromagnetic
clutch in the pump which permits two different transmission ratios between the pulley and pump impeller and thus two different impeller speeds. Series launch for this
application took place in June 2009. The
second application, developed for the car
sector, also involves an electromagnetic
clutch. However, in this case the clutch is
not used for realizing a second speed, and
instead the frictional connection is disengaged with the actuator switched on, thus
facilitating zero coolant supply. The developed prototypes have already successfully
negotiated extensive endurance test runs.
Another development for commercial vehicles is based on the continuous adjustment
of the flow cross section at pump outlet.
By means of an electric actuator, the impeller blades are adjusted, thus adapting coolant mass flow to the engine’s needs. After
successful tests on component test rigs,
this highly promising technology is currently undergoing validation in the vehicle.
ELECTRIC COOLANT PUMPS
To satisfy the growing need for cooling and
the tougher requirements of modern generations of engines, the use of electric coolant
pumps is absolutely essential today. Years
back, Pierburg spotted this tend and developed the first electric coolant pump to be
produced on a commercial scale. The prime
motivation at the time was fuel efficiency
and reducing exhaust gas emissions. In addition, comfort in the passenger compartment was also enhanced with improved air
conditioning. Since then, the number of
cooling tasks in the vehicle has been steadily rising. For example, the exhaust gas recirculation employed as standard is optimized
today with additional water cooling. And
the current trend in engine development toward downsizing and smaller displacements while boosting engine performance
with turbocharging has also increased the
need for cooling. This is because charged
engines with high charge pressures are only
efficient in harness with high-performance
indirect charge air cooling. Furthermore, the
exhaust gas turbocharger needs water cooling with a run-on function for trouble-free
function and a long service life.
So that the coolant flow rate is independent of the speed of the internal combustion
engine, the electric pump is indispensable
for motor vehicles. The run-on function in
particular highlights this decisive advantage
over conventional pumps. With an electric
coolant pump, fuel savings of two to three
percent are possible thanks to the demanddriven coolant supply. In special situations,
e.g. when cold starting, the pump can be
switched off entirely and thus reduces pollutant emissions by accelerating engine
warm-up. The exploitation of residual heat
and pump availability even after the internal combustion engine has been switched
off are of importance particularly in view of
the growing number of units with automatic start-stop functions. The drive strategies
of the future such as hybrid, electric and
fuel-cell vehicles will extend the applicational spectrum of electric coolant pumps.
These new strategies demand the cooling of
batteries, DC/DC converters, power electronics and drive engines as well as, on demand, the discharge of heat into the passenger compartment.
To perform these varied cooling tasks,
PPT has been developing electric coolant
pumps in different performance brackets
for many years. The product portfolio in
series production today covers the output
range of 15 to 200 W and is broken down
into three performance classes, . The
bottom performance range is covered by
water circulation pumps (WUP). For the
middle range from 50 to 100 W, the
CWA50/100 is available, while the top
range is served by the CWA200. Current
trends are stimulating an extension of the
pump portfolio. Along with the development of the CWA400, a 400 W high-performance coolant pump of the third generation, a performance-enhanced WUP is
also in the pipeline. Both pumps are
based on the proven design of the predecessor models, although their hydraulic
performance has been more than doubled
with unchanged dimensions. To satisfy
the large number of applications, there is
a modular system for all performance
classes that permits the use of standardized parts and uniform production lines.
The pumps’ underlying principle is in
all cases the same, . The impeller that
generates coolant flow in the cooling system is driven by a wet rotor. This eliminates all dynamic seals and keeps the system robust and leakage-free throughout
its service life with an inexpensive design.
The wet rotor and stator are separated by
a containment shell and together make up
the brushless EC motor. The electronics,
, whose main task is to ensure the sensorless commutation of the brushless DC
motor, is always integrated in the pump
and thus permits an extremely compact
design. As a result of ongoing standardization, a high level of identical parts is
achieved both among the engine components and in the hardware modules of the
engine control electronics. In view of the
complexity of electric coolant pumps, a
gate-based development process is indispensable with the consistent application
of such methods as FMEA, DOE and Automotive SPICE, thus upholding the high
quality of Pierburg products.
MECHANICAL OIL PUMPS
Mechanical oil pumps, like mechanical
coolant pumps, have been undergoing a
generation change in the last few years. As
a result of the demand for improved efficiencies to reduce emissions, conventional
gear pumps controlled with dissipative systems are being increasingly superseded by
new pumps that control the flow rate and
pressure without energy losses. The advantage of vane pumps is that they can be simply and continuously controlled over a large
adjustment range with constant efficiency.
What’s more, they can be positioned both
on the crankshaft and in the oil pan. The
solution chosen by PPT permits the use of
various passive and active forms of control,
. With the control system employed, a
precise and constant pressure setting can be
achieved even at a high speed and with a
large quantity of air dissolved in the oil. The
eccentricity of the rotor and hence its displacement are modified by means of the
pressure difference between the two limiting chambers. This modification is effected
by means of a hydraulic valve and can be
corrected for adaptation to the temperature
or numerous other operating parameters by
means of a thermostat or electric valve. To
achieve an optimal result, variable pressure
control is necessary, as the NEDC shows by
way of example in . The pressure is limited here at low speeds and at temperatures
91
PU M P E N
zepte wie Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellen-Fahrzeuge erweitern das Anwendungsgebiet der elektrischen Kühlmittelpumpen. So erfordern diese neuen Konzepte die Kühlung von Batterien, DC/DCWandlern, Leistungselektroniken und Antriebsmotoren sowie bei Bedarf die Abgabe der Wärme in die Fahrgastzelle.
Zur Verwirklichung dieser vielfältigen
Kühlungsaufgaben entwickelt PPT bereits
seit vielen Jahren elektrische Kühlmittelpumpen unterschiedlicher Leistungsstärke. Das in Serie befindliche Produktportfolio umfasst heute den Leistungsbereich
von 15 bis 200 W und gliedert sich in drei
Leistungsklassen, . Der untere Leistungs-
bereich wird durch die Wasserumwälzpumpen (WUP) abgedeckt. Für den mittleren Leistungsbereich von 50 bis 100 W
steht die CWA50/100 zur Verfügung und
der obere Leistungsbereich wird von der
CWA200 bedient. Die aktuellen Entwicklungen treiben den Ausbau des Pumpenportfolios weiter voran. Neben der Entwicklung der CWA400, einer 400 Watt leistungsstarken Kühlmittelpumpe der dritten
Generation, wird auch eine leistungsgesteigerte WUP realisiert. Beide Pumpen
setzen dabei auf dem bewährten Design
des jeweiligen Vorgängers auf, wobei die
hydraulische Leistung bei gleicher Abmessung mehr als verdoppelt wird. Um der
hohen Anzahl an Applikationen gerecht
zu werden, gibt es für alle Leistungsklassen einen Baukasten, der die Verwendung
von Gleichteilen und einheitlichen Produktionslinien ermöglicht.
Das Grundprinzip der Pumpen ist dabei
immer gleich, . Das Laufrad, welches
den Volumenstrom im Kühlsystem erzeugt,
wird von einem Nassläufer angetrieben.
Dadurch entfallen alle dynamischen Dichtungen und halten das System bei gleichzeitig kostengünstigem Design über die
Laufzeit robust und leckagefrei. Nassläufer und Stator werden von einem Spalttopf getrennt und bilden zusammen den
bürstenlosen EC-Motor. Die Elektronik, ,
deren wesentliche Aufgabe darin besteht,
die Kommutierung des bürstenlosen DCMotors sensorlos zu gewährleisten, ist
stets in die Pumpe integriert und ermöglicht somit eine äußerst kompakte Bauweise. Durch fortlaufende Standardisierung wird ein hoher Gleichteileanteil sowohl bei den Motorkomponenten als auch
bei den Hardware-Modulen der Motoransteuerelektronik erreicht. Angesichts der
Komplexität der elektrischen Kühlmittelpumpen ist ein „Gate“-basierter Entwicklungsprozess bei konsequentem Methodeneinsatz, wie FMEA, DOE, Automotive
SPICE, unverzichtbar und garantiert die
hohe Qualität der Pierburg-Produkte.
MECHANISCHE ÖLPUMPEN
Potenzial der Energieeinsparung der variablen
Ölpumpen
Potential energy conservation
of variable oil pumps
92
Wie bei den mechanischen Kühlmittelpumpen erleben wir auch bei den mechanischen Ölpumpen in den letzten
Jahren einen Generationswechsel. Durch
die Forderung verbesserter Wirkungsgrade zur Schadstoffreduzierung werden
konventionelle, mit dissipativen Syste100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg
PUM PS
differing from the usual operating temperatures. Depending on the strategy, good results can be achieved with an electronic
control over two different pressure stages.
Going beyond this, continuous pressure
control permits a further improvement in
the results even outside the test cycle. By referring to the NEDC, the oil pump’s power
consumption can be reduced by up to 70 %
by using this technology. This result is
achieved by using an electrohydraulic control element coupled with a control strategy
that supplies the engine with the minimal
oil pressure necessary for function and longterm service. In terms of computer capacity
and simulation, PPT has invested considerable resources in the development of this
technology.
PPT’s design department has highly advanced design and simulation tools as well
as extensive expertise in the structural
analysis of finite elements (static, modal,
spectral and fatigue), computational fluid
dynamics (CFD) and multi-body simulation. Multi-body analyses were introduced
to obtain precise information on the factors
affecting moving components. This is because such phenomena as wear and sudden failure due to the jamming of components can only be interpreted with an understanding of the system’s kinematic and
dynamic properties. Multi-body simulation
here makes it possible to ascertain the dynamic loading of the component during
operation. Moreover, with simulations it is
possible to analyse the effect of the drive in
terms of the engine’s dynamic conditions,
such as the torsional vibration of the
crank- and camshaft. To assess the hydraulic interaction between the pump and lubrication system, PPT has developed a simulation model based on a systems analysis
platform that replicates the specific properties of the pumps with the aid of a one-dimensional model. The use of CFD simulations, , is of fundamental importance for
optimizing the flow dynamics in the pump
and diminishing the pressure fluctuations,
particularly when large quantities of air are
present in the oil being pumped. This is
where the physics of multi-phase flow has
to be integrated in the computational model, these phases usually being oil, air and
oil vapor. The key results of these simulations are the magnitude, intensity and location of the arising pressure peaks as well
as the percentage share of air and oil vapor
in the various regions of the pump. PPT’s
outstanding expertise in this field is the
outcome of close cooperation with highly
reputed research institutions and universities. The many years of cooperation with
university institutes helps us to define research focuses, energetically pursue new
development projects, and achieve an optimal transfer of knowledge and technology.
ELECTRIC OIL PUMPS
For hybrid drives and engines with automatic start-stop, the use of electric gear
oil pumps is indispensable if hydraulic
pressure has to be maintained in the subsystems after the internal combustion engine has been switched off. For the development of new oil pumps, PPT exploits
synergies with the electric water pumps
and thus cuts costs and development time
while at the same time boosting reliability. By integrating the electric motor and
hydraulics, installation size, weight and
complexity have been reduced. This way,
PPT is able to realize integrated electric
oil pumps based on 50 to over 400 W motors. By way of example, shows the
X20R oil pump based on a 200 W motor
and already in mass production. Depending on the requirements, the electronics,
which primarily ensures the sensorless
commutation of the brushless DC motor,
can be implemented in a separate control
unit or integrated in the pump housing.
Like sensorless rotor position detection,
the generation of the engine control signals is performed by the software in the
ASIC (user-specific IC) developed inhouse. Since actual rated engine currents
can be as high as 40 A, the design of the
semiconductor output stages requires special attention as regards electromagnetic
compatibility and cooling. This is where
an early forecast of the pump’s thermal
behavior is required, , as well as the
interdisciplinary expert knowledge that
PPT has accumulated over many years.
VACUUM PUMPS
Vacuum pumps are mainly used to generate the vacuum needed by pneumatic
brake power boosters, which makes them
safety-relevant components. In addition,
the pump generates the vacuum for the engine control actuators in diesel and petrol
engines. These vacuum-controlled valves
regulate exhaust gas recirculation and the
turbocharger which, as systems affecting
the exhaust gas, are monitored with OBD.
On the basis of its many years of experience with piston, diaphragm and pivot-vane
vacuum pumps, PPT has developed a single-vane pump in the course of optimization, . The pump comes in modular sizes
of 130, 190, 210 and 260 ccm with increasing suction power. A vane driven on an eccentrically arranged rotor travels in a nearly
elliptical path in the housing. At both ends
of the vane there are sliding shoes attachments that permit the generation of a good
lubrication film and help to ensure very low
wear with low power consumption. To seal
the internal gap, discharge heat and lubricate the friction partners, the single-vane
vacuum pump needs lubricating oil which
is supplied by the engine for pressure or
spray lubrication.
Since the oil contributes to hydraulic performance and thus to the pump’s power
consumption, current development work is
concerned with reducing the required
quantity of oil. Along with the general pressure on costs, vacuum pumps are also subject to technical requirements in terms of
efficiency and power consumption. The
challenge, therefore, is to create efficient oil
management in the pump that delivers the
lubricating oil to the specific places where
it is needed. In addition, materials technology has gained in importance, as the
pump’s power consumption is reduced further by minimizing friction and cutting the
weight of the rotating parts, . Against the
background of future drive strategies such
as hybrid, electric and fuel-cell vehicles,
PPT is also developing electric vacuum
pumps. In doing so, it can resort to its own
electronics development capability with
many years of experience in the field of DC
and EC motor technology.
The design and production of vacuum
pumps calls for exceptionally high quality
in order to achieve exacting standards of
safety, dependability and service life. The
long-term fatigue strength of the components plays an important part in this. For
this reason, PPT makes use of the latest
computational design methods such as
FEM, internal stress analysis and multibody simulation, which are constantly
checked by means of tests. With test rigs
for environmental simulation, a chemistry
and materials laboratory, and vibration
and engine test rigs, an extensive array of
validation methods is available on site.
93
PU M P E N
men geregelte Zahnradpumpen zunehmend verdrängt und durch neue Pumpen
ersetzt, welche Fördermenge und Druck
ohne Energieverluste regeln. Der Vorteil
von Flügelzellenpumpen besteht darin,
dass sie einfach und kontinuierlich über
einen großen Verstellbereich mit konstantem Wirkungsgrad geregelt werden können. Zudem können sie sowohl auf der
Kurbelwelle als auch in der Ölwanne positioniert werden. Die von PPT gewählte
Lösung erlaubt den Einsatz verschiedener passiver und aktiver Regelungsarten, . Mit dem verwendeten Regelsystem kann eine präzise und konstante
Druckeinstellung auch bei hoher Drehzahl und einer großen im Öl gelösten
Luftmenge erreicht werden. Über die
Druckdifferenz zwischen den beiden begrenzenden Kammern wird die Exzentrizität des Rotors und damit deren Hubraum geändert. Diese Verstellung wird
über ein Hydraulikventil erreicht und
kann zur Anpassung an die Temperatur
oder zahlreiche andere Betriebsparameter mittels eines Thermostat- oder Elektroventils korrigiert werden. Um ein optimales Ergebnis zu erzielen, ist eine variable Druckregelung notwendig, wie der
NEFZ-Prüfzyklus in beispielhaft zeigt.
Dabei erfolgt eine Druckbegrenzung bei
niedrigen Drehzahlen und bei Temperaturen, welche nicht den üblichen Betriebstemperaturen entsprechen. Je nach Strategie können gute Ergebnisse bereits mit
Elektrische Ölpumpe X20R
Electric oil pump X20R
94
CFD-Simulation einer Ölpumpe
CFD simulation of an oil pump
einer elektronischen Regelung über zwei
verschiedene Druckstufen erlangt werden. Eine kontinuierliche Druckregelung
erlaubt darüber hinaus eine weitere Verbesserung der Ergebnisse auch außerhalb
des Prüfzyklus. Legt man den NEFZPrüfzyklus zu Grunde, so kann mit dieser Technik die Leistungsaufnahme der
Ölpumpe um bis zu 70 % verringert werden. Erreicht wird dieses Ergebnis durch
die Verwendung eines elektrohydraulischen Steuerglieds gekoppelt mit einer
Regelstrategie, die den Motor mit einem
minimalen, für die Funktion und Dauerhaltbarkeit notwendigen Öldruck ver-
sorgt. Für die Entwicklung dieser Technologie hat PPT erhebliche Mittel in Rechenleistung und Simulation investiert.
Die Berechnungsabteilung der PPT verfügt über modernste Berechnungs- und
Simulationswerkzeuge sowie umfangreiche Fachkompetenz in den Bereichen
Strukturanalyse finiter Elemente (statisch,
modal, spektral und Ermüdung), computergestützte Strömungssimulation (CFD)
und Mehrkörpersimulation. MehrkörperAnalysen wurden eingeführt, um präzise
Angaben zu den Einflussfaktoren der beweglichen Bauteile zu liefern. Denn Erscheinungen wie Verschleiß und plötzliche Ausfälle durch das Verklemmen von
Bauteilen können nur über die kinematischen und dynamischen Eigenschaften
des Systems verstanden und interpretiert
werden. Die Mehrkörpersimulation ermöglicht hier die Bestimmung der dynamischen Belastungen der Bauteile während des Betriebs. Des Weiteren kann mit
Hilfe der Simulation der Einfluss des Antriebs hinsichtlich motordynamischer
Randbedingungen, wie Torsionsschwingungen von Kurbel- und Nockenwelle,
analysiert werden. Zur Beurteilung der
hydraulischen Wechselwirkung zwischen
Pumpe und Schmierstoffsystem hat PPT
ein Simulationsmodell auf Basis einer
Systemanalyseplattform entwickelt, welches die spezifischen Eigenschaften der
Pumpen mittels eines eindimensionalen
Modells abbildet. Der Einsatz von CFDSimulationen, , ist von grundlegender
Bedeutung für die Optimierung der Strömungsdynamik in der Pumpe und die
Temperaturverteilung in einer elektrischen Ölpumpe
Temperature distribution in an electric oil pump
"1+0)8,<)5)990;?9-5A
8-,#+0D.-889/
ELEKTRISCHE ÖLPUMPEN
Für Hybridantriebe und Motoren mit
einer Start-Stopp-Automatik ist der Einsatz elektrischer Getriebeölpumpen unverzichtbar, wenn auch nach Abschalten
des Verbrennungsmotors die Verfügbarkeit des hydraulischen Drucks in den
Subsystemen zu gewährleisten ist. Für
die Entwicklung neuer Ölpumpen nutzt
PPT Synergien mit dem Bereich elektrische Wasserpumpen und reduziert somit die Kosten und Entwicklungszeiten
bei gleichzeitiger Erhöhung der Zuverläs100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg
sigkeit. Durch die Integration von Elektromotor und Hydraulik werden Einbaugröße, Gewicht und Komplexität verringert. Auf diese Weise ist es PPT möglich, integrierte elektrische Ölpumpen
auf der Basis von 50 bis über 400 W Motoren zu realisieren. zeigt beispielhaft
die auf einen 200 W Motor basierende
und bereits in Serie befindliche Ölpumpe
X20R. Je nach Anforderung kann die
Elektronik, welche primär die sensorlose
Kommutierung des bürstenlosen DC-Motors gewährleistet, separat in einem Steuergerät ausgeführt oder in das Pumpengehäuse integriert werden. Die Generierung der Motoransteuersignale erfolgt
ebenso wie die sensorlose Rotorlagenerkennung durch die Software im eigens
entwickelten ASIC (anwenderspezifisches
IC). Da die auftretenden Motor-Nennströme bis zu 40 A betragen, erfordert die
Auslegung der Halbleiter-Ausgangsstufen
besondere Aufmerksamkeit hinsichtlich
elektromagnetischer Verträglichkeit und
Kühlung. Hierzu bedarf es einer frühzeitigen Voraussage des thermischen Verhaltens der Pumpe, , sowie eines interdisziplinären Expertenwissens, über das
PPT seit vielen Jahren verfügt.
Handbuch
Verbrennungsmotor
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VAKUUMPUMPEN
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Vakuumpumpen werden primär zur Unterdruckversorgung pneumatisch wirkender Bremskraftverstärker eingesetzt und
stellen somit ein sicherheitsrelevantes Bauteil dar. Darüber hinaus dient die Pumpe
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Verringerung von Druckschwankungen,
insbesondere wenn in dem zu fördernden
Öl große Mengen Luft enthalten sind.
Hierzu muss die Physik der Mehrphasenströmung in die Berechnungsmodelle integriert werden, wobei üblicherweise die
drei Phasen Öl, Luft und Öldampf berücksichtigt werden. Als wesentliche Ergebnisse dieser Simulation zeigen sich
Größe, Intensität und Ort der auftretenden Druckspitzen sowie der prozentuale Anteil der Luft und des Öldampfes in
den verschiedenen Pumpenbereichen.
Das Know-how der PPT auf diesem Gebiet ist das Ergebnis enger Zusammenarbeit mit renommierten Forschungseinrichtungen und Universitäten. Durch
langjährige Kooperationen mit Hochschulinstituten werden Forschungsschwerpunkte gesetzt und somit Neuentwicklungen vorangetrieben sowie ein optimaler
Wissens- und Technologietransfer erzielt.
PU M P E N
Einflügelvakuumpumpe
Single-vane vacuum pump
bei Diesel- und Ottomotoren zur Unterdruckversorgung der Aktuatoren für die
Motorsteuerung. Diese unterdruckgesteuerten Ventile regulieren beispielsweise die
Abgasrückführung oder den Turbolader,
welche als abgasbeeinflussende Systeme
mittels OBD überwacht werden.
Basierend auf den langjährigen Erfahrungen mit Kolben-, Membran- und
Schwenkflügelvakuumpumpen entwickelte PPT im Zuge von Optimierungen eine Einflügelvakuumpumpe, .
Die Pumpe ist in einem Baukastensystem
in den Baugrößen 130, 190, 210 und
260 ccm bei steigender Absaugleistung
ausgeführt. In dem Gehäuse mit einer
annähernd elliptischen Laufbahn rotiert
ein Flügel, der in einem exzentrisch an-
Leistungsoptimierte Einflügelvakuumpumpe
Increased power-rated single-vane
vacuum pump
96
geordneten Rotor geführt wird. An den
beiden Enden des Flügels sind schwenkbar gelagerte Gleitschuhe angebracht, die
einen guten Schmierfilmaufbau bewirken
und zur Erreichung sehr niedriger Verschleißraten bei geringer Leistungsaufnahme beitragen. Zur Abdichtung der internen Spalte, zur Wärmeabfuhr und zur
Schmierung der Reibpartner benötigt die
Einflügelvakuumpumpe Schmieröl, welches vom Motor als Druck- oder Spritzbeölung zugeführt wird.
Da das Öl zur hydraulischen Leistung
und somit zur Leistungsaufnahme der
Pumpe beiträgt, befassen sich aktuelle
Entwicklungen mit der Reduzierung der
benötigten Ölmenge. Denn neben dem
allgemeinen Kostendruck steigen auch für
die Vakuumpumpen die technischen Anforderungen hinsichtlich Wirkungsgrad
und Leistungsaufnahme. Es besteht daher
die Herausforderung, einen effizienten
Ölhaushalt in der Pumpe zu schaffen, der
das Schmieröl gezielt an die erforderlichen Stellen führt. Darüber hinaus nimmt
die Materialtechnologie einen hohen Stellenwert ein, da die Leistungsaufnahme
der Pumpe durch eine Minimierung der
Reibung sowie eine Gewichtsreduktion
rotierender Bauteile weiter verringert
wird, . Vor dem Hintergrund zukünftiger Antriebskonzepte wie Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellen-Fahrzeugen
entwickelt PPT zudem elektrische Vakuumpumpen. Dabei kann auf eine eigene
Elektronik-Entwicklung zurückgegriffen
werden, die über langjährige Erfahrung
auf dem Gebiet der DC- und EC-Motorentechnologie verfügt.
Auslegung, Konstruktion und Fertigung
der Vakuumpumpen erfordern allerhöchste Qualitätsstandards, um den hohen Anforderungen hinsichtlich Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer gerecht zu
werden. Die dynamische Dauerfestigkeit
der Bauteile spielt dabei eine entscheidende Rolle. Aus diesem Grund verwendet PPT modernste Berechnungsmethoden wie FEM, Eigenspannungsanalyse
und Mehrkörpersimulation, welche fortwährend mittels Versuchen abgeglichen
werden. Mit Prüfständen zur Umweltsimulation, einem Chemie- und Materiallabor sowie Schwingungs- und Motorenprüfständen stehen hierzu umfangreiche
hausinterne Validierungsmöglichkeiten
zur Verfügung.

100 JAHRE KOLBENSCHMIDT PIERBURG

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