Profil 5/2003 f.r Internet - KSPG AG

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Foto: BMW Seite 10 Das aktuelle Thema Das Profil 5/2003 G Gepaart mit hoher Fahrdynamik, bereiten modernePkw-Dieselmotoren mit Direkteinspritzung (DI) dank geringemKraftstoffverbrauch Fahrspaß in doppelter Hinsicht. Gleichzeitig setzen Umweltanforderungen den Diesel im wahrsten Sinne des Wortes unter Druck. Leichte und dennoch stabile Zylinderkurbelgehäuse (Motorblöcke) werden heute als eine Voraussetzung für den weiteren Erfolg der Selbstzünder betrachtet – so Dr. Eduard Köhler, Leiter der Produktentwicklung bei der KS Aluminium-Technologie AG (ATAG) in Neckarsulm. Profil: Haben Sie den Erfolg von Aluminium beim Diesel erwartet? Köhler: Für mich persönlich kommt der Erfolg von Aluminium-Zylinderkurbelgehäusen (ZKG) bei Pkw-Die- Foto: Volkswagen selmotoren nicht ganz unerwartet. Fachleuten ist bekannt, dass bei Aluminium-ZKG für Ottomotoren das verfügbare Alu-Potenzial bisher kaum ausgeschöpft wird. Denn insbesondere die Baufestigkeit kann durch Optimierung von Legierung, Wärmebehandlung und Gießverfahren noch nennenswert gesteigert werden. Der augenblickliche Stand reicht zumindest aus, um die derzeitig geforderten Zünddrücke bis 180 bar sicher zu gewährleisten. Profil: Wie erklären Sie sich den Erfolg des Diesels? Köhler: Ich denke, es gibt keine bestimmte Technik, mit der der Durchbruch gelungen ist. Man ist vielmehr mit den Anforderungen gewachsen und hat versucht, Diesel-fähige Kon- zepte zu erstellen und mit den Kunden umzusetzen. Dabei wurde auch Lehrgeld bezahlt. Für den prinzipiell hoch belasteten Dieselmotor wurde Leichtbau lange Zeit mit einem Risiko in Verbindung gebracht. Mit dem Imagewandel vom braven Arbeitspferd zum zeitgemäßen Pkw-Antrieb hat der Durchbruch eher auf der Seite der noch vor einigen Jahren berechtigterweise konservativer denkender Diesel-Entwickler stattgefunden. So gesehen, sind auch mentale Barrieren durchbrochen worden. Profil: Wo sehen Sie Möglichkeiten, den Verbrauch zu optimieren? Köhler: Der Einsatz des Leichtmetalls Aluminium reduziert bekanntlich die Fahrzeuggesamtmasse, die wiederum den Kraftstoffverbrauch direkt beeinflusst. Ein weiterer Vorteil von Aluminium ist die sehr viel bessere Wärmeleitung, die zur thermischen Entlastung des Motors beiträgt. Angesichts stetig steigender Zünddrücke moderner Direkteinspritzer-Dieselmotoren und damit kontinuierlich steigender Bauteilbeanspruchung ist ein weiteres Abspecken beim Motorblock augenblicklich kaum zu erwarten. Ein langfristiger Ansatz ist aber darin zu sehen, die Leistungsverluste durch Reibung zwischen Kolben, Kolbenringen und Zylindern stetig zu reduzieren. Daran arbeiten wir konkret seit 1991, d.h. seit Bestehen der KS ATAG; unsere Kolben-Kollegen beschäftigen sich mit dieser Thematik schon sehr viel länger. Der Sachverhalt ist jedoch recht komplex: Der Zylinder muss ja auch nach Aufbringen der Schraubenkräfte der Zylinderkopfverschraubung, ungleichmäßiger Erwärmung im Motorbetrieb und sehr Den VW Touareg gibt es in der Dieselversion als Reihen-Fünfzylinder mit 2,5 Liter Hubraum. Das in diesem Motor eingesetzte und im Niederdruckkokillenguss hergestellte Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse stammt von Kolbenschmidt Pierburg. Der erwähnte Motor treibt übrigens auch den neuen VW-Transporter T5 Multivan an. langer Betriebszeit noch annähernd zylindrisch bleiben, um zum Beispiel in Verbindung mit optimiertenZylinderlaufflächen die Spannung der Kolbenringe immer weiter reduzieren zu können. Dr. Eduard Köhler Profil: Gibt es Entwicklungsschwerpunkte? Köhler: Wir arbeiten an der Optimierung unserer Legierungen und der Gießprozesse, um hinsichtlich der Festigkeit und der Zylinderlaufflächenqualität auch zukünftige Diesel- Anforderungen erfüllen zu können. Wir betrachten hier auch Alternativen. Wir arbeiten insbesondere daran, zukünftig auch in Pkw-Dieselmotoren „Das Profil“ sprach mit ATAG-Chefproduktentwickler Dr. Eduard Köhler Vom Arbeitspferd zum „Kult“-Antrieb monolithische Alusil-Gehäuse – also Voll-Aluminiumgehäuse aus sogenannter übereutektischer Aluminium- Silizium-Legierung – einsetzen zu können, die keine zusätzlichen Verschleißschutzmaßnahmen in den Zylinderbohrungen erfordern. Hier konnten wir mit entsprechenden Innovationen nachweisen, dass auch im rauen Dieselbetrieb eine ausreichende Verschleißfestigkeit gegeben ist. Profil: Wie hat der Markt reagiert? Köhler: Teilweise begegnen wir beim Dieselmotor noch gewissen Vorbehalten gegenüber Aluminium-Zylinderlaufflächen, finden jedoch zunehmend Akzeptanz durch überzeugende Vorentwicklungsergebnisse. Heute kommen noch meist Zylinderlaufbuchsen aus bewährtem Grauguss zum Einsatz, mittlerweile auch neuartige Beschichtungen. Insgesamt zählt das Thema Zylinderlauffläche traditionell zu unseren Entwicklungsschwerpunkten. Profil: Wie beurteilen Sie die Zukunft des Aluminiums beim Diesel? Köhler: Die Zukunft des Zylinderkurbelgehäuses aus Aluminium bei Pkw- DI-Dieselmotoren hängt von weiteren Zünddrucksteigerungen ab. Aluminium steht hier zunehmend im Wettbewerb mit Vermikulagrafitguss (GJV), einer speziellen Graugussspezifikation, bei der hohe Festigkeit und Werkstoffsteifigkeit mit geringen Wanddicken gepaart werden können. Das Massenreduzierungspotenzial von Aluminium ist jedoch deutlich größer: Beim Dieselmotor aus Aluminium werden 30 bis 40 Prozent erwartet, beim Aluguss-Ottomotor 40 bis im Einzelfall gut 50 Prozent. Es sieht ganz so aus, dass sich Aluminium beim Diesel einen Marktanteil sichern kann. Profil: Wo sehen Sie Absatzpotenziale? Köhler: Traditionell bedienen wir die Nische Aluminium-Gehäuse für Motoren in Fahrzeugen der Pkw-Oberklasse. Beim Diesel muss das nicht zwangsläufig die Oberklasse sein, wie das unsere aktuellen Produkte beweisen. Generell sieht die KS ATAG gute Chancen, bei Motoren ab fünf Zylindern wettbewerbsfähig zu sein. Dies wird auch weiterhin die Akquisitionsbemühungen bestimmen. dk Foto: Thomas Klink Kolbenschmidt Pierburg profitiert vom Dieselboom Viele zündende Ideen für die Selbstzünder (Fortsetzung von Seite 9) raturen“, beschreibt Kamp den Erfolg. Die Steigerung der Belastbarkeit der Kolben mit abnehmendem Gewicht ist dabei oberstes Entwicklungsziel. Und dient der Umwelt. Denn innermotorisch ist dem Schadstoffausstoß kaum noch beizukommen, wie Peter Klotzbach weiß: „Mit den meisten Dieselmotoren können schon heute die sehr anspruchsvollen Abgasnormen EU4 ohne aufwendige Abgasnachbehandlungssysteme erfüllt werden.“ Weiteres Potenzial gebe es beim Anheben der Pumpendrücke auf über 2000 bar sowie beim Einsatz von Einspritzdüsen mit elektrischer Piezo-Technik. Hinsichtlich der Einspritzung hat der 62-jährige Pierburg-Fachmann eine klare Meinung und fasst die derzeitige Diskussion so zusammen: „Common- Rail-Systeme bieten bessere und vor allem einfachere Möglichkeiten zur Anpassung an motorspezifische Gegebenheiten. Pumpe-Düse-Systeme mit hohem Integrationsaufwand im Zylinderkopf- und im Ventiltrieb erfordern schon sehr frühzeitig Berücksichtigung bei der Grundauslegung des Triebwerkes und gestatten deutlich weniger Flexibilität bei dessen Gestaltung.“ Dieser Bewertung pflichten Hersteller wie DaimlerChrysler bei. „Wir kamen zu dem Schluss, dass das Common-Rail-System für uns die beste Alternative darstellt“, sagt Mercedes- Benz-Sprecher Esser. Den Stuttgartern war vor allem ein „akzeptables Geräuschniveau“ wichtig. Doch braucht sich auch die Pumpe-Düse-Technik am Markt nicht zu verstecken. „Wir bei Volkswagen sehen in dieser Technologie die optimale Lösung in Sachen Diesel-Hochdruck-Einspritzung. Mit der Pumpe-Düse-Technik erreichen wir Drücke von über 2000 bar, was zu besseren Abgaswerten, niedrigerem Verbrauch und deutlich mehr Fahrspaß führt“, so Harthmuth Hoffmann, bei der Volkswagen Markenkommunikation zuständig für Produkt- und Technikkommunikation. Die richtige Einspritzung soll natürlich auch den Verbrauch optimieren. „Allerdings zeichnet sich ab, dass die Schritte zur Optimierung des Brennverfahrens als solches immer schwie- riger, aufwendiger und damit kleiner werden“, beschreibt Peter Klotzbach die technischen Realitäten. Darum setzt man bei Pierburg auf das Knowhow in Sachen Luft- und Abgastechnik: „Wir sehen im Bereich der Abgasrückführung mit immer höher werdenden Anforderungen bei der Präzision der Restgasbemessung einen wichtigen Ansatzpunkt“, schildert der Pierburg-Fachmann die Strategie: „Außerdem gewinnt die Kühlung der rückgeführten Abgase mehr und mehr an Bedeutung, wobei diese in naher Zukunft bei vielen Motoren spezifisch geregelt wird – je nach Betriebspunkt des Motors.“ Heute erledigen dies vorwiegend pneumatische, seit geraumer Zeit zunehmend auch elektrische Abgasrückführventile und Systeme von Pierburg, die teilweise bereits einen Abgaskühler beinhalten. Schadstoffexperte Klotzbach blickt in die Zukunft: „Ein weiteres Potenzial für Kraftstoffersparnis bietet sicherlich die Auslegung des Gesamtantriebes, also der Betrieb des Motors in weiten Bereichen im optimalen – sprich verbrauchsgünstigsten – Betriebsbereich. Leichtbau und Absenkung der Reibleistung durch den Einsatz bedarfsorientierter Systeme kommen hinzu. Hier sind zum Beispiel Nebenaggregate wie elektrische Wasserpumpen und elektrische Servolenkungen zu nennen.“ Auch bei den Kolben könnte sich einiges tun, vor allem hinsichtlich der Werkstoffe. Chefentwickler Kamp erläutert die Überlegungen der Ingenieu- Kolbentechnologie für Pkw-Dieselmotoren: gut gekühlt für höchste Belastungen. Auch der externen Abgasrückführung kommt beim Dieselmotor eine wesentliche Bedeutung zur Stickoxidminderung zu. Das neue Abgasrückführ-Ventil von Pierburg mit elektromotorischem Antrieb und berührungslos arbeitender Sensorik erfüllt sogar künftige Anforderungen. Die Entwicklungsschwerpunkte Verbesserung von Systemdynamik, Stellpräzision, Stellkräften und Lebensdauer konnten mit diesem innovativen Produkt nachhaltig realisiert werden. re: „Wenn auch aus Kostengründen heute noch die Verbesserung der Gusswerkstoffe und der Kühlung im Mittelpunkt steht, so sind die Technologien für die Zukunft schon auf der Schiene. Für höchste spezifische Leistungen ist die Faserverstärkung der nächste Kandidat und danach der Stahlkolben (MonoSteel). Wann ein solcher Kolben im Pkw zum Einsatz kommt, ist heute wegen der Fragen zu den Kosten und zum Gewicht schwer abzusehen. Die Technologie für den Stahlkolben wird aber bereits im Nutzfahrzeugbereich eingesetzt. Kolbenschmidt entwickelt Stahlkolben für Nutzfahrzeugmotoren mit Spitzendrücken von deutlich über 220 bar.“ Detlev Karg
Fotos(2): Historisches Archiv der MAN AG Fotos(7): VW, Renault, DaimlerChrysler, Opel, Audi, Lancia + Volvo. Das Profil 5/2003 Das aktuelle Thema Seite 11 D Der Dieselantrieb hat sich in den vergangenen Jahren auch im Bereich der gehobenen Klasse etabliert, die gleichzeitig auf elegante Fahrzeuge setzt. Ein gutes Beispiel für den Verkaufserfolg ist der schwedische Hersteller Volvo, der vom Boom wie viele andere überrascht wurde und dessen V70und S80-Limousinen auch hierzulande zum Straßenbild gehören. Der durchzugsstarke und komfortable D5-Motor der Schweden bietet beste Fahrkultur. „Profil“ sprach mit Jürgen Kühl, verantwortlich für dasProduct Management der Volvo Car Germany GmbH in Dietzenbach. Profil: Hätten Sie 1990 diesen Erfolg des Diesels bei Pkw erwartet? Kühl: Stärke und Geschwindigkeit des Diesel-Wachstums waren schon ein bisschen überraschend. Das kam 1990 sicherlich noch nicht so deutlich heraus. Profil: Welche Technik brachte nach Ihrer Einschätzung den Durchbruch? Kühl: Der TDI von Audi/Volkswagen, außerdem die Common-Rail- Technik und Pumpe-Düse als Dreingabe. Profil: Ihr Favorit? Kühl: Selbstverständlich die Common-Rail-Technik, so wie sie heute auch bei unseren Fabrikaten eingebaut ist. Profil: Wie rasant war der Absatz in Ihrem Unternehmen, gemessen in Vergleichszahlen? Von der Maschinenfabrik Augsburg (MAN) zwischen 1893 und 1895 gebauter Versuchs-Dieselmotor; das rund 110 Jahre alte Testsystem hatte einen Wirkungsgrad von 16,6 Prozent. Interview mit Volvo-Experte Jürgen Kühl zur Entwicklung beim Diesel Deutschland ist größter Absatzmarkt Kühl: Der Diesel-Anteil verkaufter Pkw stieg bei Volvo beispielsweise von 1990 bis 1991 um zehn Prozent. 1997 waren es schon 19 Prozent der Auslieferungen, und 2003 sind es nun 60 Prozent! Damit hat der Diesel- Absatz bei Pkw den der Benziner bei Volvo klar überholt. Profil: Welches ist der stärkste Diesel- Markt für Sie, wo liegt Deutschland? Kühl: Deutschland liegt weltweit an erster Stelle vor England und Italien. Profil: Könnten sich dank besserer Technik auch die USA zu einem boomenden Diesel-Markt entwickeln? Kühl: Persönlich könnte ich mir das sehr gut vorstellen, aber bis dahin sind sicher noch einige politische und psychologische Hürden zu meistern. Profil: Wo sehen Sie noch Widerstände gegenüber dem Diesel, etwa beim Image und bei den Umweltkritikern? Kühl: Trotz aller Widerstände zeigt die heutige Diesel-Technologie doch, dass der Verbraucher den Diesel in hohem Maße angenommen hat. Profil: Geht dieser Trend weiter? Kühl: Ja, durch ständige weitere Verbesserungen in der Technologie. Kommende Generationen der Common-Rail-Technologie etwa werden hier sicherlich weitere Meilensteine setzen. Profil: Woran wollen Sie weiter arbeiten? Kühl: Wir arbeiten natürlich sehr intensiv mit unseren Lieferanten an Rußpartikelfiltern, die die zur Zeit bestmögliche Abgasreinigung zulassen, also die Partikel noch einmal auf ein Minimum reduzieren. Profil: Was müsste beim Kraftstoff noch besser werden? Kühl: Deutschland hat heute an sich schon sehr gute Dieselkraftstoffe; der Schwefelanteil im Kraftstoff liegt auf einem sehr niedrigen Niveau. Die Forschung auf diesem Sektor wird uns sicherlich noch weitere Verbesserungen bringen. Profil: In welche Richtung werden sich Dieselfahrzeuge weiterentwickeln? Kühl: Wir werden sicherlich verstärkt leistungsgesteigerte Dieselmotoren sehen, die auch auf dem Verbrauchssektor weitere Fortschritte machen. Profil: Welche Rolle spielt Kolbenschmidt Pierburg bei Ihnen als Zulieferer? Kühl: Das Unternehmen ist seit Jahren ein sehr guter und zuverlässiger Lieferant. Ich denke, dass unsereVerkaufssteigerung bei Diesel-Pkw diese Aussage untermauert. dk Der Erfinder Rudolf Diesel hätte über den Siegeszug seines Motors nicht schlecht gestaunt Sparsamkeit – das war der „Antrieb“ zum Antrieb Paris/Augsburg. Wenn Rudolf Diesel das gewusst hätte: Sein Motorenprinzip ist auf dem besten Wege, den beliebten Ottomotor im Personenkraftwagen zu verdrängen, zumindest in Europa. Der Diesel ist chic und außerordentlich populär, er hat sein „altes“ Image als träges Lastentier in der Motorentechnik schon längst hinter sich gelassen. Populär und berühmt wurde sein Erfinder, der im Jahre 1858 geborene Rudolf Diesel, nicht, trotz seines Genies. Bereits mit zwölf Jahren erhielt der junge Tüftler ein erstes eigenes Patent. Seine Wärmekraftmaschine ohne eigene Zündanlage wurde schließlich 1892 patentiert – der Dieselmotor war geboren; 1897 stand bei MAN in Augsburg ein erstes funktionsfähiges Exemplar. Vielleicht wäre der heutige Erfolg in Kleinwagen ebenso wie in Limousinen der Luxusklasse dem in Paris geborenen, genialen Erfinder ein Trost. In seinen letzten Lebensjahren war er verarmt und litt unter Gemütsstörungen. Seit 1913 gilt er nach einer Überfahrt über den Ärmelkanal als vermisst. Autos, Lokomotiven, Schiffe und Fabriken werden seither mit Diesels Selbstzünder betrieben, denn er ist sparsam und gilt als Wärmekraftmaschine mit dem höchsten Wirkungsgrad. Mit einem Liter Diesel kann ein Auto im Durchschnitt bis zu 25 Prozent mehr Kilometer fahren als mit einem Liter Benzin. Sparsamkeit war auch die Grundidee Rudolf Diesels: Als Sohn eines armen Lederfabrikanten wollte er einen Antrieb für die kleinen Werkstätten jener industriellen Epoche bauen, die in Hinterhöfen ein karges Dasein fristeten. Die Dampfmaschine war nur für wenige erschwinglich, und ihr Wirkungsgrad vergleichsweise miserabel. 1890 kam dem jungen Ingenieur die Idee zu einem Motor, in dem Luft in einem Zylinder stark zusammengepresst werden sollte. Dadurch steigt die Temperatur auf etwa 600 Grad Celsius. Wird Kraftstoff eingespritzt, explodiert das Luft-Kraftstoff-Gemisch und treibt dadurch den Motor an. Schweres Öl konnte so entzündet werden, im Gegensatz zum hochraffinierten Benzin, das eine eigene Zündung braucht. Eine robuste Idee war geboren. Doch zunächst flogen Diesel seine Motoren um die Ohren, der Kompressionsdruck musste sehr hoch sein. Schließlich aber lief 1897 der erste Motor endlich zufriedenstellend. Sein Patent wurde Diesel dann von anderen Ingenieuren streitig gemacht, so dass Prozesse sein Leben durchzogen. Dennoch verkauften sich seine Motoren dort gut, wo viele PS gefragt waren: Das erste Schiff dieselte 1903 über das Kaspische Meer; 1913 wurde die erste Diesel-Lokomotive gebaut. 1923 gab es erste Diesel-Lastkraftwagen, ab 1936 dann auch Diesel-Personenautos. Freilich dauerte es dann länger als bei der Otto- Konkurrenz, bis der Diesel-Pkw nach dem Zweiten Weltkrieg zu dem komfortablen High-tech- Gefährt heutiger Rudolf Diesel Prägung mutierte. Wer erinnert sich nicht an rußende Wagen der Oberklasse, die laut nagelnd über deutsche Straßen schlichen und mit wenig PS oft sogar den Lastkraftwagen hinterher fuhren. Oder an erste Kleinwagen der achtziger Jahre, deren Lärmpegel im Innenraum eher an den Komfort von Traktoren gemahnte. Indes, lange Laufleistungen und Unver- Jürgen Kühl wüstlichkeit lockten erste Käufer an. „Cool“ wurde ein Diesel aber erst, als neue Motortechniken ihm den Weg zu „Otto-Normalfahrer“ so richtig ebneten. Technische Begriffe wurden zu Verkaufsargumenten: Turbodiesel, Pumpe-Düse, Common-Rail. Musste man früher noch geduldig vorglühen, was dem Chauffeur eines Diesel-Pkws das Feeling eines Maschinenführers vermittelte, registriert heute kaum ein Fahrer das verschämt kurze Aufleuchten des Glühdraht-Symbols irgendwo neben dem Tacho. War da was? Der Vorteil der direkteinspritzenden Dieselmotoren liegt in ihrer hohen Leistung und einem dennoch geringen Verbrauch. Außerdem erreichen die Motoren ein hohes Drehmoment schon bei niedrigen Drehzahlen. Höhere Drücke und unterschiedliche Einspritzformen sind nur zwei Ansatzpunkte, diese Technik künftig weiter zu verfeinern. Derzeit gewinnen Motoren mit Common-Rail-Einspritzsystemen immer mehr Einfluss, da mit dieser Technik eine hohe Flexibilität bei der Einspritzung erreicht werden kann. Die Erfolgsstory von Rudolf Diesel geht weiter. dk Rudolf Diesels Patent hat sich durchgesetzt: Die gleichnamigen Motoren treiben heute unter anderem (v.l.n.r.) VW Phaeton, Renault Vel Satis, Mercedes M-Klasse, Opel Signum, Audi A 8, Lancia Ypsilon und Volvo S 60 an. Dabei gehen Fahrspaß und Sparspaß Hand in Hand – das Bild vom ausschließlich „braven Arbeitspferd“ hat sich gewandelt, der Dieselantrieb gewissermaßen zum „Shooting star“ gemausert. Fotos (2): Volvo
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