ANTRIEB + ANTRIEBSSTRANG
ANTRIEB + ANTRIEBSSTRANG Gebündelte Kompetenzen für Polizeifilter ND-AGR-Filter für Sechszylinder-Dieselmotor als Kooperationsprodukt von GKD und ElringKlinger Unverzichtbar für Niederdruck- Abgasrückführungen (ND-AGR) sind Filter, die Motor und Turbolader auf der Frischluftseite vor schädlichen Partikeln schützen. BMW setzt bei seinem Sechszylinder-Dieselmotor auf einen Filter, den GKD und ElringKlinger in einer Kooperation maßgeschneidert produzieren. Sie entwickelten ein Bauteil, das Spezialdichtung und Filter einbaufertig vereint. Zur Einhaltung der vorgeschriebenen Emissionsgrenzwerte gilt die Niederdruck-Abgasrückführung insbesondere bei hohen Belastungen als Schlüsseltechnologie. Dabei gilt es, den Druckverlust innerhalb des Abgasrückführungssystems so gering wie möglich zu halten, damit der Kraftstoffverbrauch nicht ansteigt. Um die Bauteile auf der Frischluftseite vor Beschädigung durch Partikel aus dem Verbrennungsprozess oder vorgeschalteten keramischen Abgasfiltern zu schützen, sind Niederdruck-Abgasfilter unverzichtbar. Durch seine spezifische 3D-Gewebebindung ist das Volumetric Gewebe von GKD deutlich dicker als beispielsweise Quadratmaschengewebe. So kombiniert es ein um 70 % höheres Gewebevolumen bei analogem Materialeinsatz mit einem geringeren Druckverlust sowie einem breiteren Partikelabscheidegrad. Zuverlässiger Bauteilschutz Als integriertes Bauteil aus dem Filtermedium und einer Spezialdichtung von ElringKlinger kommt der neue AGR-Filter in einem Baukastenmotoren von BMW zum Einsatz. Schon bei Erstellt aus Unterlagen von ElringKlinger und GKD Die integrierte Dichtungslösung in der spezifischen Einbausituation Bilder: GKD/ElringKlinger einem Vorgängermodell vertraute BMW auf Volumetric Gewebe von GKD. Die Leistungsfähigkeit des 3D-Gewebes als Polizeifilter vor dem Turbolader prädestinierte es deshalb auch für den Sechszylindermotor. Das in dieser Zusammenarbeit für den Dieselmotor entwickelte Dichtungs- und Filtersystem gewährleistet bei einem spezifischen Massenfluss von über 80 kg/h einen Druckverlust von weniger als sechs Millibar. Alle Partikel, die eine Größe von 200 μm überschreiten, werden vor dem AGR-Niederdruckstrang abgeschieden. Mit der dauerhaften Beständigkeit gegenüber Temperaturen von mindestens 800 °C, dieselsauren Kondensaten und den thermomechanischen Belastungen bei allen Betriebszuständen erfüllt das System die geforderte Langzeitrobustheit. Erfolgreiches Co-Engineering Auf dieser Basis legte die ElringKlinger AG eine auf die vorgegebene Bauraumgeometrie abgestimmte Dichtung aus. Neben der Definition der Abdichtungsart waren dafür auch intensive gemeinsame Überlegungen mit GKD zur Gegendruckoptimierung, besten Filtergeometrie und Herstellbarkeit erforderlich. GKD definierte für die konkrete Einbausituation Druckverlust, Rückhalterate und Stabilität des Volumetric Gewebes. In enger Zusammenarbeit mit GKD prüfte ElringKlinger, wie und in welchen Geometrien das geforderte Medium serientauglich in die Dichtung integriert werden konnte. Denn bei allen Betriebszuständen muss eine hohe Dichtheit gewährleistet sein – im kalten Zustand ebenso wie unter Volllast, bei den gegebenen thermodynamischen Belastungen von -40 bis +820 °C und den Frequenzbelastungen durch Motorschwingungen und Eigenschwingung des Bauteils. Basis für die Dichtung ist ein hochtemperaturstabiler Edelstahlträger mit entsprechender Beschichtung. Beide Werkstoffe sind zudem äußerst chemieresistent, sodass sie den dieselsauren Kondensaten mit pH-Wert 2, die beim Abkühlen der Abgasanlage bei der Stickoxidumwandlung durch die SCR entstehen, standhalten. Werkstoffeigenschaften, die das Volumetric Gewebe analog erfüllt. Für die spezifische Flanschgeometrie und Einbausituation des Motors konstruierte ElringKlinger eine Dichtungslösung, die das zur Funktion des Gesamtsystems definierte Volumetric Gewebe schlüssig mit der Dichtung in einem Bauteil verbindet. Möglich macht dies ein spezielles, hierfür entwickeltes Werkzeugverfahren. Starke Synergien Während der Projektdauer von 24 Monaten stimmte der Dichtungsspezialist in gemeinsamen Gesprächen mit dem OEM beispielsweise optimale Materialdicken, -auslegungen, Schraubenkräfte oder Abstände, aber auch ergänzende Anforderungen etwa zur Dauerhaltbarkeit nach den ersten Bauteiltests auf dem Motorenprüfstand ab. Bei allen Fragen zum Filtermedium stand ihm GKD zur Seite. Aktuell arbeiten die Partner bereits an ND-AGR-Applikationen, die die Funktionen Dichten und Filtern in einem Bauteil für Benzinmotoren realisieren. Synergien heben wollen die beide Unternehmen beispielsweise auch mit der Serienproduktion von Automatikgetriebeplatten mit integriertem Filtergewebe. GKD – Gebr. Kufferath AG Tel.: +49 0 2421 803-0 solidweave@gkd.de 40 AutomobilKonstruktion 2/2016
Vieles zum Guten gewandelt Clevere Kombinationen helfen bei Problemen mit Downsizing-Motoren Das Downsizing von Verbrennungsmotoren führt zu stärkeren Torsionsschwingungen. In Fahrzeugen mit Automatikgetrieben kann diese Problematik aber oft mit einem Drehmomentwandler als Anfahrelement ausgeglichen werden. Die Schaeffler-Marke LuK hat viel Erfahrung in der Entwicklung und Produktion dieser Produkte. Beispielsweise konnte bei einem Drehmomentwandler im Zeitraum zwischen 2005 und 2013 das Gewicht um 2,1 Kilogramm gesenkt werden, bei gleicher oder teilweise verbesserter Funktionalität. Das ist umso wichtiger, als der zur Verfügung stehende Bauraum immer kleiner wird. Die Torsionsschwingungen der Downsizing- Motoren dämpft Schaeffler mit dem bekannten Fliehkraftpendel (FKP), das direkt in den Drehmomentwandler integriert ist. Es ist laut Hersteller anderen Dämpfungskonzepten deutlich überlegen, da es ein Schließen der Überbrückungskupplung bei einer Motordrehzahl nahe der Leerlaufdrehzahl ermöglicht. Mit dem seit 2010 in Serie an einem Doppeldämpfer angebrachten FKP sind beispielsweise Überbrückungsdrehzahlen von weniger als 1000 Umdrehungen pro Minute realisierbar. Mehr Schwingwinkel und mehr Pendelmasse Mit einer weiteren Vergrößerung des Schwingwinkels und der Pendelmasse will LuK die Dämpfungsqualität noch weiter verbessern. Ein solches FKP der zweiten Generation hat bei Messungen die Torsionsschwingungen im Vergleich zur ersten Generation bereits halbiert. Und es bietet noch Optimierungspotenzial: So konzentriert sich LuK auf eine weitere Bahnoptimierung bei niedrigen Drehzahlen und ordnet dafür Druckfedern zwischen den Pendelmassen an. Erste Simulationen bestätigen diese Überlegungen. Für Motoren mit Zylinderabschaltung wird das FKP jeweils motorenspezifisch ausgelegt. Bei Der Autor: Jürgen Goroncy, freier Mitarbeiter der AutomobilKonstruktion Im Vergleich zu 2006 (links) ist der Drehmomentwandler deutlich kleiner geworden Achtzylindermotoren mit Zylinderabschaltung beispielsweise wird es auf den reduzierten Vierzylindermodus ausgelegt. Bei Sechs- oder Vierzylindermotoren kann die höhere Isolation des Fliehkraftpendels auch dann erforderlich sein, wenn alle Zylinder aktiviert sind. In diesem Fall können zwei Fliehkraftpendel installiert werden, von denen das eine für die Erregerordnung mit Zylinderdeaktivierung und das andere für die Erregerordnung des Vollmotors ausgelegt ist. Intelligent kombiniert heißt Bauraumbedarf reduziert Mit jeder neuen Motorengeneration wird der dem Drehmomentwandler zugestandene Bauraum immer geringer, die Erwartung an seine Torsionsschwingungsisolation aber immer höher. Mit einem kleiner konstruierten Torus lässt sich der verfügbare Raum für den Dämpfer wenigstens etwas vergrößern. Schaeffler hat mit dem neuen integrierten Drehmomentwandler (ITC, Integrated Torque Converter) einen weiteren Ansatz gewählt: die Kombination der Turbine mit dem Kolben der Überbrückungskupplung. Üblicherweise sind diese Bauteile separat. Schaeffler hat jetzt die Turbine – bei geringfügig größerem Platzbedarf – verstärkt, damit sie dem Betätigungsdruck der Überbrückungskupplung standhält. Dafür entfällt der Kolben, der üblicherweise sehr viel Bauraum beansprucht. Jetzt übernehmen die Turbine und die Pumpe auch die Funktion der Überbrückungskupplung. Bei einer Anfahrt ist die Turbine aktiv und leistet die erforderliche Drehmomenterhöhung. Bei höheren Fahrgeschwindigkeiten kann die Überbrückungskupplung schließen, sodass das Drehmoment ohne Umweg über den hydrodynamischen Kreislauf zur Verfügung steht. Sanfter und ökonomischer kuppeln Das Schließen der Überbrückungskupplung erfordert jedoch eine genauere Analyse des Turbinenschubs. Dieser entsteht durch unterschiedliche Ölgeschwindigkeiten auf den beiden Seiten der Turbine. Theoretische Überlegungen ließen vermuten, dass einerseits an der Reibfläche der Turbine eine hydrostatische Lagerung entsteht, die zu einem geringen Schleppmoment an der Überbrückungskupplung führt. Andererseits könnte durch eine Drehzahldifferenz zwischen der Turbine und dem Laufrad der Abstand zwischen den Reibflächen der Überbrückungskupplung geringer werden, was eine Vorstufe zur geschlossenen Überbrückungskupplung darstellen und ein sanftes Schließen ermöglichen würde. Messungen mit einem Prototyp dieses ITC und mit einer klassischen Variante an einem Prüfstand bestätigten diese theoretischen Betrachtungen. Wie erwartet, beginnt das Einkuppeln bei niedrigen Betätigungsdrücken, 2/2016 AutomobilKonstruktion 41
