100 JAHRE KOLBENSCHMIDT PIERBURG
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100 JAHRE KOLBENSCHMIDT PIERBURG
www.MTZonline.de extra extra Pierburg Pierburg Pump Technology März 2010 | March 2010 KS Kolbenschmidt 58922 März 2010 | March 2010 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 JAHRE KOLBENSCHMIDT PIERBURG 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 spannenden Beiträgen von ausgewählten Experten bieten wir die führenden automobiltechnischen Fachmedien für die gesamte Branche. Und weil sich hier immer alles um den Fortschritt dreht, haben 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 JA, ICH MÖCHTE DIE ATZ JETZT TESTEN! Bitte senden Sie mir die beiden nächsten Ausgaben der ATZ – Automobiltechnische Zeitschrift zu. Möchte ich die Zeitschrift danach weiterlesen, brauche ich nichts weiter zu tun. Ich erhalte die Zeitschrift zum Preis von nur € 224,– zzgl. Versandkosten. Das Abonnement kann ich jederzeit nach Erhalt der letzten Ausgabe kündigen. Zuviel gezahlte Beiträge für nicht gelieferte Ausgaben werden erstattet. WIDERRUFSGARANTIE: Diese Vereinbarung kann innerhalb von 14 Tagen schriftlich widerrufen werden. Zur Fristwahrung genügt die rechtzeitige Absendung (Poststempel) an Springer Automotive Media, Leserservice PF 18, Abraham-Lincoln-Str. 46, 65189 Wiesbaden. Automotive Agenda – Wir denken schon mal vor Jetzt Vorzugsausgabe online bestellen: www.Automotive--Agenda.de oder per Fax an: 0611.7878 440 FIRMA STRASSE / NR. VORNAME / NAME PLZ / ORT FUNKTION Bitte schicken Sie mir regelmäßig ihren kostenlosen ATZonline-Newsletter: BRANCHE E-MAIL-ADRESSE Einfach Coupon ausfüllen und faxen an +49 (0)611.7878-407 oder online bestellen unter www.ATZonline.de 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 100 JAHRE KOLBENSCHMIDT PIERBURG 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 100 YEARS OF KOLBENSCHMIDT PIERBURG 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. 4 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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- 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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. ABGASMASSENSTROMSENSOR 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg I N T R O D UCTI O N 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 „NICHT MIT ERFINDUNGEN, SONDERN MIT VERBESSERUNGEN MACHT MAN EIN VERMÖGEN.“ Henry Ford (Gründer der Ford Motor Company) ATZproduktion. Lesen führt zu kurzem Prozess. Der entscheidende Wissensvorsprung für Produktionsmanager, Ingenieure und technische Einkäufer in der Automobilindustrie! 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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- 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg I N T R O D UCTI O N 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 16 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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- 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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] 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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. 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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. 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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. 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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. 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 MEHR POWER FÜRS STUDIUM ... ... mit den führenden Fachzeitschriften der Automobilbranche im günstigen Studentenabo! Profitieren Sie als Abonnent vom Online-Fachartikelarchiv, das nützliche Recherchetool mit kostenlosem Download der Fachbeiträge. Ein großer Vorteil bei der Vorbereitung auf Klausuren, Referate und Hausarbeiten. 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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 Pierburg AG in Neuss. . . 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] 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 35 ABGA S M E S S T E C H N IK 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 36 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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- 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 Engineering of Kolbenschmidt Pierburg AG in Neuss (Germany). 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 ABGA S M E S S T E C H N IK 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. 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 39 ABGA S M E S S T E C H N IK 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. <ja[`Ü?g]hc]ÜñÜJl]^YfÜ9j]m]jÜ©?jk_ª Emlr^Y`jr]m_l][`fac >jmf\dY_]fÜJqkl]e]ÜBgehgf]fl]f ÜngddklÜ1Z]jYjZÜ8myÜ ÜOOM@@@ÜÜJÜealÜÜ8ZZÜmÜÜKYZÜ ©8KQ¥DKQÜ=Y[`Zm[`ªÜ>]ZÜ<LIÜÜ @J9EÜ ¥¥ ¥¥ ;a]k]kÜ9m[`Ükl]ddlÜafÜ\]jÜJqkl]eYlacÜ]af]kÜ>jmf\dY_]f^Y[`Zm[`kÜYdd]Üo]k]flda[`]fÜ9YmYjl]fÜ9Ym¥ ^gje]fÜmf\ÜBgehgf]fl]fÜngjÜE]Z]fÜ>jmf\dY_]fÜrmÜBgfkljmclagfÜmf\Ü=]jla_mf_ÜngfÜIY`e]fÜmf\Ü8m^¥ ZYmÜrmÜ=Y`je][`YfacÜmf\ÜK`]jeg\qfYeacÜo]j\]fÜf]m]kl]Ü<floa[cdmf_]fÜmfl]jÜ9]j1[cka[`la_mf_Ü\]kÜ rmf]`e]f\]fÜ<afymkk]kÜ]d]cljgfak[`]jÜJqkl]e]ÜYm^Ü8flja]ZÜmf\Ü9j]ek]Ü\Yj_]kl]ddlÜ;a]Üngddklf\a_]Ü E]mZ]YjZ]almf_Ü\]jÜ=Y`j\qfYeacÜafkZ]kgf\]j]Ü\a]Ü\qfYeak[`]fÜN][`k]doajcmf_]fÜZ]aÜ\]jÜ8]jg\qfY¥ eacÜealÜa`j]fÜafklYlagfj]fÜBgehgf]fl]fÜc]ffr]a[`f]fÜ\a]Ü9]YjZ]almf_Ü;YkÜ9m[`ÜZa]l]lÜo]jlngdd]ÜÜ ?ad^]Ü^1jÜYdd]Ü@f_]fa]mj]ÜafÜGjYpakÜmf\ÜJlm\ameÜ\a]ÜfY[`Üme^Ykk]f\]jÜ@f^gjeYlagfÜkm[`]f óóóóÜÜ<p]ehdYj] Emlr^Y`jr]m_l][`facÜ @J9EÜ ¥¥ ¥¥Ü <LIÜ =YpÜ·©ª~~Ü Ü¥Ü =ajeYÜÜ JljYv]Ü©Zall]Üc]afÜGgkl^Y[`ªÜ GCQÜñÜFjl ;YlmeÜñÜLfl]jk[`ja^l >]k[`^lk^1`j]jÜ ;jÜIYd^Ü9ajc]dZY[`Ü8dZj][`lÜ=ÜJ[`ajeY[`]jÜ 8>ÜNa]kZY\]fÜ?I9Ü EYe]ÜMgjfYe]Ü ~Ü Ü f\]jmf_]fÜngjZ]`Ydl]fÜ<j`dlda[`ÜaeÜ9m[``Yf\]dÜ g\]jÜZ]aeÜM]jdY_Ürmr1_dÜM]jkYf\cgkl]f AYÜa[`ÜZ]kl]dd] E X H A U S T M E A S U R E M E N T T E C HNI Q UE 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 ABGA S M E S S T E C H N IK 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. 11 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg E X H A U S T M E A S U R E M E N T T E C HNI Q UE 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. IgZ]jlÜ9gk[`Ü>eZ?Ü©?jk_ª BjY^l^Y`jl][`fak[`]kÜ KYk[`]fZm[` ÜYclÜmÜ]j_Ü8myÜÜÜ ~~ÜJÜ9jÜ<LIÜÜ @J9EÜ ¥¥ ¥~ ¥ 8dkÜ`Yf\da[`]kÜEY[`k[`dY_]o]jcÜ ealÜcgehYcl]fÜ9]alj_]fÜZa]l]lÜ \a]k]kÜ9m[`Ü]af]fÜrmn]jdkka_]fÜ <afZda[cÜafÜ\]fÜYclm]dd]fÜJlYf\Ü \]jÜB^r¥K][`facÜ;]jÜJ[`o]jhmfclÜ aklÜ\a]ÜG]jkgf]f¥Ümf\ÜEmlrcjY^l¥ ^Y`jr]m_l][`facÜ@fÜ\a]k]jÜ8myY_]Ü kaf\ÜZ]kgf\]jkÜ\a]Üf]m]fÜ8Z¥ k[`fall]Ü1Z]jÜJ[`Y\klg^^eaf\]¥ jmf_ÜZ]aeÜ;a]k]deglgjÜ?qZja\Yf¥ lja]ZÜ8cland]fcmf_Ümf\ÜM]jf]l¥ rmf_ÜaeÜB^rÜ`]jngjrm`]Z]f =YpÜ·©ª~~Ü Ü¥Ü AYÜa[`ÜZ]kl]dd] óóóóÜ Ü<p]ehdYj] BjY^l^Y`jl][`fak[`]kÜKYk[`]fZm[`Ü @J9EÜ ¥¥ ¥~ ¥ Ü<LIÜ =ajeYÜÜ 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. 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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. 44 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 45 ALUM I N I U M G U S S 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 ALUM I N I U M G U S S 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) 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg A L U M I N U M C ASTI NG 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- 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 ALUM I N I U M G U S S 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg A L U M I N U M C ASTI NG 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 ALUM I N I U M G U S S 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 ?]ffaf_ÜNYdd]flgoalrÜñÜ8jf\lÜ=j]aYd\]f`gn]fÜñÜ@f_gÜFdk[`]okca K][`fgdg_a]lj]f\kÜmf\ÜDYjcl]floa[cdmf_]f ÜOÜÜJÜealÜÜ8ZZÜ©8KQ¥DKQÜ=Y[`Zm[`ªÜ9jÜ<LIÜÜ @J9EÜ ¥¥ ¥¥ !"# !$ f\]jmf_]fÜngjZ]`Ydl]fÜ <j`dlda[`ÜaeÜ9m[``Yf\]dÜg\]jÜZ]aeÜM]jdY_ JljYl]_a]fÜafÜ\]jÜ8mlgegZadaf\mklja] 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. 54 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 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. 64 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 Kolbenschmidt Pierburg AG 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 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 65 KOLB E N S Y S T E ME 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) 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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. 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 in Neckarsulm (Germany). DIPL.-ING. (FH) EMMERICH OTTLICZKY is Senior Manager Product Development Pistons (EU) at KS Kolbenschmidt GmbH in Neckarsulm (Germany). DIPL.-ING. WOLFGANG HANKE is Manager Piston Systems at Product Development Pistons of KS Kolbenschmidt GmbH in Neckarsulm (Germany). DR.-ING. HANS-JOACHIM WEIMAR is Senior Manager Base Engine and Tribology at Advanced Engineering of Kolbenschmidt Pierburg AG in Neckarsulm (Germany). 67 KOLB E N S Y S T E ME 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 68 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg P I S T O N S YSTEM S 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 KOLB E N S Y S T E ME 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg P I S T O N S YSTEM S 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 KOLB E N S Y S T E ME 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) 72 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg P I S T O N S YSTEM S 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 Fdan]jÜJ[`gdÜ©?jk_ª ;]jÜf]m]Ü8m\aÜH <floa[cdmf_Ümf\ÜK][`fac ÜO@OÜÜJÜealÜÜ8ZZÜmÜ~ÜKYZÜ©8KQ¤DKQ¥Kqh]fZm[`ªÜ >]ZÜ<LIÜÜ @J9EÜ ¥¥ ¥¥ AYÜa[`ÜZ]kl]dd] óóóóÜÜ<p]ehdYj] ;]jÜf]m]Ü8m\aÜH @J9EÜ ¥¥ ¥¥ ÜÜ <LIÜ =YpÜ·©ª~~ ¥ =ajeYÜÜ JljYv]Ü©Zall]Üc]afÜGgkl^Y[`ªÜ GCQÜñÜFjl ;YlmeÜñÜLfl]jk[`ja^l >]k[`^lk^1`j]jÜ ;jÜIYd^Ü9ajc]dZY[`Ü8dZj][`lÜ=ÜJ[`ajeY[`]jÜ 8>ÜNa]kZY\]fÜ?I9Ü 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg EYe]ÜMgjfYe]Ü ~Ü Ü f\]jmf_]fÜngjZ]`Ydl]fÜ<j`dlda[`ÜaeÜ9m[``Yf\]dÜ g\]jÜZ]aeÜM]jdY_Ürmr1_dÜM]jkYf\cgkl]f 73 KOLB E N S Y S T E ME " 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. 76 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 77 NU T Z FA H R Z E U G T ECH N IK 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 Engineering of Kolbenschmidt Pierburg AG in Neuss (Germany). 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 NU T Z FA H R Z E U G T ECH N IK 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg C O M M E R C I A L V E H I C L E T E C HNI Q UE 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- 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 NU T Z FA H R Z E U G T ECH N IK 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg C O M M E R C I A L V E H I C L E T E C HNI Q UE 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. 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 NU T Z FA H R Z E U G T ECH N IK 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg IM P R E S S U M | I MPR I N T www.MTZonline.com 100 JAHRE KOLBENSCHMIDT PIERBURG 100 YEARS OF KOLBENSCHMIDT PIERBURG März 2010 | March 2010 Springer Automotive Media | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH P. O. Box 15 46 · 65173 Wiesbaden · Germany | Abraham-Lincoln-Straße 46 · 65189 Wiesbaden · Germany Amtsgericht Wiesbaden, HRB 9754, USt-IdNr. 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Dietmar Goericke, Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V., Prof. Dr.-Ing. Uwe-Dieter Grebe, GM Powertrain, Dipl.-Ing. Thorsten Herdan, VDMA-Fachverband Motoren, und Systeme, Prof. Dr.-Ing. Heinz K. Junker, Mahle GmbH, Prof. Dr. Hans Peter Lenz, ÖVK, Prof. Dr. h. c. Helmut List, AVL List GmbH, Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, FEV Motorentechnik GmbH, Prof. Dr. Hans-Peter Schmalzl, APC – Advanced Propulsion Concepts Mannheim GmbH, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert, TU Braunschweig, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher, WKM Editorial Staff +49 611 7878-244 Reader's Service +49 611 7878-151 Advertising STELLVERTRETENDER CHEFREDAKTEUR | VICE-EDITOR-IN-CHIEF Dipl.-Ing. Michael Reichenbach (rei) phone +49 611 7878-341 · fax +49 611 7878-78462 [email protected] CHEFIN VOM DIENST | CHIEF-ON-DUTY Kirsten Beckmann M. A. 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Ulrich Spicher, WKM, Prof. Dr. rer. nat. Martin Winterkorn, YOUR HOTLINE TO MTZextra 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg ANZEIGENDISPOSITION | DISPLAY AD MANAGER Susanne Bretschneider phone +49 611 7878-153 · fax +49 611 7878-78443 [email protected] ANZEIGENPREISE | AD PRICES Anzeigenpreisliste Nr. 53 I Price List No. 53 (10/2009) MARKETING | MARKETING PRODUKTMANAGEMENT AUTOMEDIEN | PRODUCT MANAGEMENT AUTOMOTIVE MEDIA Sabrina Brokopp phone +49 611 7878-192 · fax +49 611 7878-78407 [email protected] PRODUKTION | PRODUCTION | LAYOUT Heiko Köllner phone +49 611 7878-177 · fax +49 611 7878-78464 [email protected] | PRINT / PROCESSING Kliemo, Eupen/Belgien. Printed in Europe. +49 611 7878-395 ABONNEMENTS | SUBSCRIPTIONS VVA-Zeitschriftenservice, Abt. D6 F6, MTZextra P. O. 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This applies particularly to duplications, translations, microfilming and storage and processing in electronic systems. © Springer Automotive Media / Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden 2010 Springer Automotive Media ist eine Marke von Springer Fachmedien. Springer Fachmedien ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. Springer Automotive Media is a brand of Springer Fachmedien. Springer Fachmedien is part of the specialist publishing group Springer Science+Business Media. 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 Pump Technology in Neuss. ist Technischer Experte Strömungsmechanik bei Pierburg Pump Technology in Neuss. ist Leiter Produktentwicklung elektrische Kühlmittelpumpen bei Pierburg Pump Technology in Neuss. 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 ist Leiter Produktentwicklung mechanische Kühlmittelpumpen bei Pierburg Pump Technology in Thionville (Frankreich). ist Leiter Produktentwicklung Ölpumpen bei Pierburg Pump Technology in Livorno (Italien). 100 J a h re Kol b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 Pierburg AG in Neuss. 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg AUTHORS DIPL.-ING. ACHIM BRÖMMEL is Vice President Engineering and Manufacturing Process at Pierburg Pump Technology in Neuss (Germany). DIPL.-ING. MICHAEL ROMBACH is Senior Manager Product 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 is Senior Manager Product Engineering Electric Water Pumps at Pierburg Pump Technology in Neuss (Germany). DIPL.-ING. JEAN-MICHEL DURAND is Senior Manager Product 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Yea rs of Ko l b en sc h m i d t Pi erb u rg 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 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 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 8;5,3)/-564765-5:-5 #?9:-4-!-897-2:1<-5 1,))./3#&-"-#0+%&-204 *(/##!! "$'#0$'&# )9)5,*;+0&-8*8-55;5/946:68-5:0D3: ;4.)99-5,-5.684):165-5F*-8 ::6;5, 1-9-346:68-55=199-59+0).:31+0)5 9+0);31+0-8;5,/3-1+0@-1:1/78)>198-3- <)5:-8684915,8;5,3)/-564765-5 :-5#?9:-4-;5,!-897-2:1<-5,)8/-9:-33: $0-68-:12-8;5,!8)2:12-80)*-5,1-E/ 31+02-1:91+0F*-8,-55-;-9:-5#:)5,,-8 6:68-5:-+0512@;15.6841-8-59/1*:-15 -1/-5-9)71:-3@;4?*81,)5:81-* Fax +49(0)611.7878-420 Ja, ich bestelle >-473)8Handbuch Verbrennungsmotor # %" 184) )4-&685)4- *:-13;5/ #:8)C-*1::-2-15!69:.)+0 !(A 8: VAKUUMPUMPEN ):;4A%5:-89+081.: Vakuumpumpen werden primär zur Unterdruckversorgung pneumatisch wirkender Bremskraftverstärker eingesetzt und stellen somit ein sicherheitsrelevantes Bauteil dar. Darüber hinaus dient die Pumpe -9+0D.:9.F08-88")3.182-3*)+03*8-+0:#+0184)+0-8 '1-9*),-5" #1-4E+0:-5<65;592-15-'-8*;5/ -80)3:-5'1,-8978-+0-5#1-01-8 =1,-8978;+0/=<.)+0<-83)/-,- B5,-8;5/-5<68*-0)3:-580D3:31+014;+00)5,-36,-8*-14&-83)/@;@F/31+0&-89)5,269:-5 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