100 Jahre KOLBeNSChMIDT PIerBUrG - KSPG AG

KS Kolbenschmidt Pierburg Pierburg Pump Technology 

KS Aluminium-Technologie KS Gleitlager Motor Service 

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 

extra 

März 2010 | March 2010 100 Jahre KOLBeNSChMIDT PIerBUrG 100 YEARS OF KOLBENSCHMIDT PIERBURG 

www.MTZonline.de 58922 

März 2010 | March 2010 

IDeeN für DaS NäChSTe JahrhUNDerT 

Ideas for Another 100 Years 

hISTOrIe History 

aBGaSMaSSeNSTrOMSeNSOr 

Exhaust Gas Mass Flow Sensor 

aLUMINIUMGUSS Cast Aluminum 

GLeITLaGer Plain Bearings 

KOLBeNSySTeMe Piston Systems 

NUTZfahrZeUGTeChNIK 

Commercial Vehicle Technique 

PUMPeN Pumps 

/// INTERVIEW 

Dr. Gerd Kleinert

Wohin fährt die Zukunft? 

12 Aufgaben für 

die Automobilindustrie 

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! 

12 AUFGABEN FÜR DIE 

AUTOMOBILINDUSTRIE DER ZUKUNFT 

Automotive Agenda – Wir denken schon mal vor 

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Bildquelle: Daimler AG 

ZUKUNFT LESEN 

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 automobil technischen 

Fach medien für die gesamte Branche. Und weil sich hier immer alles um den Fortschritt dreht, haben 

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DATUM / UNTERSCHRIFT

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. 

100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg 

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 

EDIToRIal 

EDIToRIal 

ChaNGe CreaTeS The fUTUre 

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 

1

INhalT 

eINführUNG 

4 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 

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 

rUBrIKeN 

1 Editorial 

85 Impressum 

2 

100 JahRE KolbENschMIDT PIERbuRG 

IDeeN für DaS 

NäChSTe JahrhUNDerT 

Dieses MTZextra wurde mit freundlicher finanzieller Unterstützung 

durch die Kolbenschmidt Pierburg AG realisiert. 

INTERVIEW 

28 „Große volkswirtschaftliche 

Fehler im Umgang mit Energie“ 

Gerd Kleinert 

100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg

100 YEaRs of KolbENschMIDT PIERbuRG 

IDeaS fOr 

aNOTher 100 yearS 

This MTZextra was realized with kind financial support 

of the Kolbenschmidt Pierburg AG. 

INTERVIEW 

31 “Major Economic Errors 

in Dealing with Energy“ 

Gerd Kleinert 

100 Years of Kolbenschmidt Pierburg 

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 

COMMerCIaL VehICLe TeChNIqUe 

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 

rUBrICS 

1 Editorial 

85 Imprint 

coNTENTs

EINfühRuNG 

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. 


EuRTEIluNG 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 CO 2 - 

Emissionen 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 Strom- 


sektor, in dem zwischen 2005 und 2030 

eine Einsparung von zirka 250 Millionen t 

CO 2 erzielt werden können [1]. 

Natürlich wird auch das Automobil in 

Zukunft einen deutlichen Beitrag zur weiteren 

CO 2 -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 CO 2 -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 

EINfühRuNG 

AUTOR 

DR. GERD KlEINERT 

ist seit 2001 Vorsitzender des 

Vorstandes der Kolbenschmidt 

Pierburg AG und Mitglied des 

Vorstandes der Rheinmetall AG. 

❶ AGR-Kühlermodul 

EGR cooler module 

5

EINfühRuNG 

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 

❷ Leichtbaukolben Liteks 

Lightweight piston Liteks 

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 

❸ Kolben aus Hochleistungslegierung 

KS 09 

Piston of high-performance 

KS 09 alloy 

einer weiteren konsequenten Orientierung 

auf die Themenkreise Verbrauchs- und 

Schadstoffreduzierung sowie Performance- 

Steigerung. 

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 


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 

CO 2 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 CO 2 could be achieved [1]. 

There can be no disputing that the 

automobile will continue to play a major 


role in CO 2 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 

CO 2 -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- 

INTRoDucTIoN 

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.

EINfühRuNG 

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. 

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 (NO X ), 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, ❶. Die gekühlte 

AGR gilt als bevorzugte Maßnahme 

zur Beherrschung der NO X -Problematik am 

Dieselmotor. Denn durch die Rückführung 

gekühlter Abgase können die NO X -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 

O 2 -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- 

❹ Ottokolben mit Nanofriks-Beschichtung 

Gasonline piston with 

Nanofriks coating 

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 AGR- 

Ventilen 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 

8 100 Jahre Kolbenschmidt Pierburg

wenig Gewicht und möglichst geringer Reibung. 

Genau für diese Anforderungen bietet 

KS Kolbenschmidt ein auf Leichtbau, 

❷, und reduzierte Reibung abgestimmtes 

Technologiepaket, das in verbrauchs- und 

CO 2 -optimierten Motorengenerationen 

zum Einsatz 

kommt. 

Auf der Werkstoffseite 

wird das konsequent aufgebauteTechnologiepaket 

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 reibungs- 

und gewichtsoptimierter 

Kolben wie sie 

in heutigen und zukünftigenMotorengenerationen 

zum Einsatz kommen 

werden. Zusätzlich 

wurde KS 309 mit einem besonderen Fokus 

auf die Gießbarkeit entwickelt, um 

auch innerhalb der Prozesstechnologie 

weitere Potenziale hinsichtlich der Themen 

Leichtbau und Gewichtsreduktion 

durch dünnwandigeren Aluminiumguss 

realisieren zu können, ❸. 

Die bereits 2008 erstmalig bei einem 

großen europäischen Kunden in Serie eingeführte 

Schaftbeschichtung Nanofriks 

spielt bei der Entwicklung moderner Ottokolben 

ebenfalls eine zentrale Rolle. Wie 

motorische Reibleistungsuntersuchungen 

bestätigten, weist diese Beschichtung im 

Vergleich zu bestehenden Kolbenbeschichtungen 

bis zu 10 % weniger Reibung und 

bis zu 50 % weniger Verschleiß auf. 

❺ Schwerkraft-Kippguss mit schichtend steigender Füllung 

Gravitity tilt casting for layered filling 


Zum Einsatz kommt diese Nanobeschichtung 

unter anderem im Leichtbaukolben 

Liteks 2, der heute in allen unseren 

aktuellen globalen Otto-Serienprojekten eine 

zentrale Rolle spielt. Das Konzept wird 

Johs. Förderer Söhne GmbH & Co. KG 

Produktion elektromechanischer Baugruppen 

Wilhelm-Jerger-Str. 3 · 78078 Niedereschach 

konsequent weiterentwickelt und ermöglicht 

aktuell noch größere Gewichtseinsparungen 

von insgesamt etwa 25 % bei konstant 

hoher Schaftreibungsreduktion von bis 

zu 50 % gegenüber Standard-Ottokolben, 

❹. Diesen Weg werden wir auch im Hinblick 

auf neue Gießverfahren, den Einsatz 

von Carbo-Nano-Partikeln sowie die Entwicklung 

von neuen Lackbeschichtungen 

weiter beschreiten. 

KoMPETENZ bEI KolbENsYsTEMEN 

Nachdem die Entwicklung tragfähiger Kolbensysteme 

traditionell von den Herstellern 

direkt betreut wurde, zeigt sich bei 

den OEMs seit einiger Zeit ein Trend, diese 

EINfühRuNG 

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 Aluminium- 

Technologie GmbH ihre Kompetenz be- 

9

EINfühRuNG 

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- 

❼ Motorblock in Closed-deck-Bauweise 

Closed deck engine block 

❻ 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 

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, ❺, das insbesondere 

den Anforderungen hoch beanspruchter 


The diesel engine illustrates the outstanding 

results obtained over the past 

good twenty years. If we compare a 

present-day efficient diesel engine with its 

predecessor from the 1980s, we find that 

during the elapsing period power has 

been upgraded by around 150 %, particulate 

emissions halved, and consumption 

has shrunk by 20 %. Engine-wise, also on 

the entire vehicle, much has been 

achieved. Nonetheless, in the interests of 

economic sustainability we still identify 

further improvement potentials. 

In those areas in which the Kolbenschmidt 

Pierburg Group is operating now 

and in future, such potentials are seen in 

improvements to gas exchange and combustion 

processes, efficiency rates; reducing 

friction, weight abatement in all areas, 

and ancillary component improvements. 

Gas exchange and combustion processes 

are closely related to our preoccupation 

with turbocharging, downsizing, direct injection, 

and lean engine operation. Variable 

gas exchange will be a predominant 

feature on tomorrow’s gasoline engines 

and Pierburg, with its experience in air 

management, is well-established in this 

sector. This is in addition to the wellknown 

and already traditional subject of 

residual-gas control through, e.g., external 

cooled exhaust gas recirculation. This latter 

is an area in which we command 

around 40 years of experience in working 

with both diesel and gasoline engines. 

coolED ExhausT-Gas 

REcIRculaTIoN 

Exhaust gas standards are becoming more 

stringent. Euro 5 has come into force only 

recently and starting from the end of 2014, 

we will be confronted with Euro 6. To meet 

the challenges posed by these standards 

we must repeatedly fine-tune our emission 

reduction strategies. On diesel engines, this 

applies in particular to another reduction 

in nitrogen oxide (NO X ) 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, ❶. 

Cooled recirculated exhaust gas is considered 

to be a preferred means of getting to 

grips with NO X 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 O 2 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 

INTRoDucTIoN 

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, ❷, 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-CO 2 engine generations. 

In terms of material ingredients, the 

modular technology package can be 

topped with the KS 309 alloy. This latter 

ensures 20 to 25 % higher piston strength 

in the critical 200 to 350 °C temperature 

range and hence this material ideally addresses 

the need for low-friction, lowweight 

pistons as used in present and future 

engine generations. KS 309 has also 

been developed for good casting properties 

and hence to allow within the process 

technology chain, further weight reduc- 

11

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ATZproduktion. Lesen führt zu kurzem Prozess.

tions thanks to the thin-walled aluminum 

castings, ❸. 

First rolled out in series production for 

a major European manufacturer in 2008, 

NanofriKS piston shaft coating is likewise 

playing a key role in the development of 

today’s gasoline pistons. As endorsed by 

friction analyses, in comparison to conventional 

piston coatings this undergoes 

up to 10 % less friction and up to 50 % 

less wear. 

Among the applications of nanocoating 

is the lightweight Liteks 2 piston which is 

an essential ingredient of all present-day 

series-produced gasoline engines. The 

concept is being rigorously pursued and 

meanwhile achieves weight savings of 

around 25 % for a consistently high shaft 

friction reduction of up to 50 % compared 

with standard gasoline engine pistons, ❹. 

We are continuing along this course also 

with respect to new casting techniques, 

the use of carbo-nanoparticles and the development 

of new coatings. 

PIsToN sYsTEM coMPETENcE 

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- 


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. 

PlaIN bEaRINGs foR sTaRT-sToP 

oPERaTIoN 

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- 

INTRoDucTIoN 

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, ❺. 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, ❻. 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, ❼. 

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. 

1

EINfühRuNG 

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, ❻. Derzeit 

laufen Entwicklungsprojekte mit Kunden 

und wir erwarten einen Serieneinsatz für 

den Zeitraum 2013 bis 2015. 

Guss-KoNZEPTE uND TEchNolo- 

GIEN 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, 

❼. 

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 

unter anderem zur Festigungssteigerung 

downgesizter Zylinderkurbelgehäuse und 

haben die Vorentwicklung eines Zylinderkurbelgehäuses 

für einen R4-Zylinder- 

DI-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 

❽ Mechanische Wasserpumpe 

mit Kupplung 

Mechanical water pump 

with clutch 

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, ❽. Diese 

Kühlmittel-, Öl- und Vakuumpumpen stellen 

einen weiteren entscheidenden Faktor 

zur Verbrauchsminderung und damit zur 

Senkung des CO 2 -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 Hybrid- 

Fahrzeugen 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. Treibhausgas- 

Emissionsszenarien bis zum Jahr 20 0, Umweltbundesamt 

2009 


The necessary boost in static and dynamic 

strength ratings is obtained from 

pressure-die castings with unlimited heat 

treatability through a mixture of measures 

such as optimum treatment of the molten 

metal, thorough die evacuation and an innovative 

die-cooling concept. The lowpore 

microstructure in the cylinder bore 

area also opens up the option of coating 

the wear surface. 

PuMPs 

Right now this product area is represented 

in the shape of very many modern pumps 

engineered for a variety of applications and 

it is involved in the development of such 

vehicle platforms. In conventional engine 

technology we observe a growing market 

for on-demand pumps, either mechanical 

or electric, ❽. These coolant, oil and vacuum 

pumps are another important factor in 

achieving fuel savings and hence a reduction 

in CO 2 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 

INTRoDucTIoN 

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 

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hIsToRIE 


100 Jahre „aUTOMOTIVePOWer“ 

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 tech- 

nische Spitzenprodukte auf der Höhe der Entwicklung anboten und damit zu etablierten Partnern der 

Automobilindustrie wurden. 

DIE aNfaNGsJahRE 

Die Jahre 1909 und 1910 lagen in einer 

Epoche des beginnenden wirtschaftlichen 

Aufschwungs in Deutschland. Die Automobilindustrie 

war in den ersten zehn 

Jahren des 20. Jahrhunderts weit vorangeschritten, 

immer mehr Deutsche legten 

sich ein Fahrzeug zu. Aber das Auto war 

noch längst kein Allgemeingut. In dieser 

Zeit gründete in Berlin Bernhard Pierburg 

1909 das Stahlhandelsunternehmen Gebr. 

Pierburg oHG. In Tempelhof handelte 

Pierburg mit hochwertigen Stählen und 

Eisen als Bauteilen für Automobile, Flugzeuge 

und Maschinen. In der Inflationszeit 

ergab sich für Bernhard Pierburg 

die einmalige Gelegenheit, die ebenfalls 

im Stahlhandel tätige Arthur Haendler 

GmbH zu erwerben. Diese besaß ein 

sehr wertvolles Aktivum: eine Lizenz 

zur Herstellung und zum Vertrieb von 

Solex-Vergasern, die international einen 

guten Ruf hatten. 

Nur eine spezielle Bedingung musste 

Pierburg gegenüber Solex erfüllen, um neben 

der Arthur Haendler auch die Lizenzrechte 

über den Vergaser zu erhalten: Er 

schickte seinen zweitältesten Sohn, den 

Ingenieursstudenten Alfred, zur Ausbildung 

nach Paris. Dank des technischen 

und kaufmännischen Geschicks Alfred 

Pierburgs gelang es in den Folgejahren 

trotz starker Konkurrenz quasi eine Monopolstellung 

bei Vergasern aufzubauen. 

Die großen Automobilhersteller dieser 

Zeit wurden Kunden bei Pierburg. Der 

erste Solex-Vergaser, der unter seiner 

Regie gefertigt wurde, fand 1928 seinen 

Platz im Motor des Hanomag P 2/10, dem 

berühmt gewordenen „Kommissbrot“. 

Bevor jedoch der Solex-Vergaser seinen 

Siegeszug durch die deutsche Automobillandschaft 

antreten konnte, musste die 


mittlerweile als Aktiengesellschaft firmierende 

Gebr. Pierburg AG die Weltwirtschaftskrise 

überstehen. Bernhard Pierburg 

gelang es, aus seiner in Konkurs gegangenen 

Firma die Vergaser-Lizenz zu 

retten. 1931 wurde eine neue Gesellschaft 

gegründet, die nur noch den Solex-Vergaser 

produzierte und vertrieb: Die Deutsche 

Vergaser Gesellschaft in Berlin. 

Zu fast gleicher Zeit wie Pierburg in 

Berlin wurden in Heilbronn am Neckar 

die Deutschen Ölfeuerungswerke durch 

Karl Schmidt, den Sohn des 1888 verstorbenen 

NSU-Gründers Christian Schmidt, 

aus der Taufe gehoben. Nachdem er sich 

als Konstrukteur bei Wilhelm Maybach 

und Gottlieb Daimler sowie in Birmingham 

bei Herbert Austin einen Namen gemacht 

hatte, übernahm er einen Direktorenposten 

bei NSU, wo unter seiner 

Leitung die ersten Motorenwagen konstruiert 

wurden. Danach aber verließ er 

vorübergehend die Automobilbranche, 

um sich dem Geschäft mit Leichtmetall 

und Leichtmetall-Legierungen zu widmen: 

Mit fünf Mitarbeitern baute er 1910 

ein Schmelzwerk auf, das schon bald so 

sehr wuchs, dass Schmidt bereits 1917 ein 

Freigelände neben der NSU in Neckarsulm 

erwarb. Dort errichtete er ein neues Werk 

zum Umschmelzen von Metallabfällen 

und -spänen, besonders von Aluminium 

und Al-Legierungen. Diese führten 

Schmidt sehr bald zum Automobilgeschäft 

zurück: In den ersten Jahrzehnten 

seit ihrer Erfindung fuhren die Autos auf 

Deutschlands Straßen durchgehend mit 

Kolben aus Grauguss. Aluminiumkolben, 

die ihres leichteren Gewichts wegen besonders 

im Rennsport beliebt waren, erhielten 

für den Straßenverkehr wegen ihrer 

scheinbar mangelnden Hitzebeständigkeit 

keine Zulassung. Als aber aufgrund 

positiver Rennsporterfahrungen die deut- 

hIsToRIE 

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 200 im Ruhestand. 

1

hIsToRIE 

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 

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 Rollen- 

und 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 yearS Of “aUTOMOTIVePOWer” 

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 20 th 

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 

hIsToRY 

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 200 he has 

been in retirement. 

19

hIsToRIE 

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 Niederdruck- 

Gussverfahren für Präzisionsgussteile. 

Auch die Fertigung und Weiterentwicklung 

von Gleitlagern wurde nach 1945 in Neckarsulm 

wieder aufgenommen. 

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- 

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 

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 

Pierburg waren Kraftstoffpumpen. General 

Motors als Eigentümer hatte Opel 1935 

die Einführung des GM-eigenen Carter- 

Vergasers 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 


ognized as a material suitable for the 

production of pistons. 

“Kolbenschmidt,” as the company was 

very soon popularly known, won many 

auto-industry customers in Germany and 

abroad with its aluminum pistons. Output 

accelerated to millions, the twelfth million 

piston being produced in 1937. To begin 

with, however, the Neckarsulm plant simply 

produced the blanks until in 1934, 

Kolbenschmidt set up its own machining 

facilities. The piston laboratory repeatedly 

developed metallurgical and design improvements 

to match rising customer demand. 

And, not only car engines were using 

these pistons; in 1923, Kolbenschmidt 

built its first large-bore (200 mm) piston 

for a diesel engine manufactured by the 

Cologne-based engine supplier Deutz. 

This was followed many years later in 

1940 by a piston with a diameter of over 

500 mm. Karl Schmidt, the company 

founder, by now played no role in these 

developments since starting from 1923, 

the company was successively taken over 

by Frankfurt-based Metallgesellschaft 

which then for about 70 years had the say 

at Neckarsulm. 

In 1927, the aluminum-copper alloy 

was replaced by a hypereutectic alloy 

supplied by Schweizer & Fehrenbach in 

Baden-Baden. This consisted of aluminum 

and around 16 to 18 % silicon. 

Once Kolbenschmidt had acquired the 

patents for this material, “Alusil”, as it 

became known, started its triumphal 

progress through the entire auto world. 

In contrast to the pistons, however, it 

took quite some time for aluminum to 

gain acceptance as a substitute for the 

traditional bronze that was being employed 

in the production of plain bearings. 

Despite the first patent application 

filed in 1924, Karl Schmidt GmbH only 

started making aluminum plain bearings 

for engine crankshafts in 1935. These 

were successfully tested during the development 

of the Volkswagen and made 

their debut in the Beetle. 

PosTWaR REcoNsTRucTIoN 

By the end of WWII, the Deutsche Vergaser 

Gesellschaft factory in Berlin had been 

laid waste and largely dismantled. At the 

close of the war, Alfred Pierburg and his 

family was residing in former Czechoslovakia. 

With the aid of the British he re- 


turned to the West since the military authorities 

needed a carburetor expert for 

their vehicles. His friendship with the proprietors 

of Société Solex in Paris had survived 

the war. Hence, Alfred Pierburg 

with the assistance of the French and British 

regained the carburetor license and rebuilt 

Deutsche Vergaser Gesellschaft in 

1947, this time not in Berlin but somewhere 

in the British Zone. The most attractive 

offer was submitted by the town 

of Neuss where amid the destroyed buildings 

of an old feed factory Pierburg set up 

a small production shop. Very soon, a 

roller dynamometer and several engine 

test rigs for carburetor adjustments, an 

after-service shop, and a cold chamber 

had been installed. The first of the carburetors, 

in contrast, were assembled at the 

Lower Rhine Nettetal-Lobberich plant of 

Robert Kahrmann, a business associate 

from prewar times. 

The existing capacities at the Neuss 

plant were quickly exhausted and so in 

1955, Pierburg set about building new facilities 

on the Düsseldorfer Strasse in Neuss, 

which operated under the name APG 

Alfred Pierburg Auto- und Luftfahrtgerätebau 

KG. Later this plant was to employ up 

to 3000 people including some 2000 foreign 

women in the piecework assembly of 

carburetors and fuel pumps. The Berlin 

plant, which was rebuilt after 1945, simply 

served as a branch operation that assembled, 

alongside the carburetors, in 

particular throttle bodies that are nowadays 

still part of the product range. 

Another factory severely damaged during 

the hostilities was that of Karl Schmidt 

in Neckarsulm. However, the threat of 

dismantling was averted and very soon 

thereafter the aluminum foundry was 

booking its first orders since the suffering 

population urgently needed such household 

items as pots or plates made of aluminum. 

Piston production also recommenced 

immediately after the war and 

with the advent of the Marshall Plan and 

the subsequent “Economic Miracle”, Kolbenschmidt 

began producing pistons for 

Germany's rapidly resurgent auto industry. 

The restored and newly constructed 

buildings in Neckarsulm employed a 

workforce of around 2000 at the start of 

the 1950s. 

After years of war-related stagnation, 

Kolbenschmidt re-attracted attention to itself 

in 1948 with an innovation consisting 

of a ring-belt piston for controlled expansion 

of the piston shaft at elevated temperatures. 

This was a feature soon to become 

standard in the automobile industry. Two 

years later it was followed by what was 

then the world’s biggest aluminum piston 

for 4-stroke diesel engines, with a diameter 

of 573 mm. As early as 1946, the nextdoor 

neighbor, NSU, received its first engine 

block and only a few years later Kolbenschmidt 

was busy producing such 

complex castings as cylinder heads. This 

was made possible through the acquisition 

of British know-how in low-pressure 

precision casting techniques. The post- 

1945 years also saw the recommencement 

of plain bearing development and manufacture 

at Neckarsulm. 

ENGINEERING DEVEloPMENT 

PRoGREss sINcE ThE 1960s 

hIsToRY 

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

hIsToRIE 

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- 

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 Janu- 


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 AVL- 

List GmbH, Graz, acquired a majority 

stake in this Pierburg business and then 

in 2004 became its sole owner. 

Until 1986, Pierburg had been a family 

company and the plans of its patriarch, 

Prof. Alfred Pierburg, had envisaged that 

his elder son Manfred would be his successor. 

When it became evident that Manfred 

was severely ill (he was to succumb 

to this illness in 1973), Alfred Pierburg 

sold a 20-% minority stake in his company 

to Robert Bosch GmbH in order to 

safeguard its survival. Alfred Pierburg, 

himself, died shortly after his son, on 

April 3, 1975. The younger son, Jürgen, 

then took over the company which within 


three years was given a new streamlined 

structure and a new name. Deutsche Vergaser 

Gesellschaft and APG became 

Pierburg. The carburetor found itself increasingly 

displaced by electronic injection 

but this was an area inaccessible to 

Pierburg due to a lack of expertise on the 

subject of electronics. Finally in 1986, Jürgen 

Pierburg sold the company to the 

Rheinmetall Group. 

Exhaust gas reduction was a subject 

that since the 1960s had also preoccupied 

Karl Schmidt GmbH in Neckarsulm where 

efforts focused on weight reduction, reduced 

engine components stress through 

decreased wear, and maximized performance. 

Also dating back to this period, in 

fact since 1963, were challenges such as 

lowering the temperature of the pistons, 

the engine’s most severely stressed components, 

and preventing them from overheating. 

Tests with sinterized coolant passages 

on diesel engine pistons soon reached their 

limits. One solution was to use, instead of 

the materials until then, a salt core which 

afterwards could be easily flushed out. 

The 1980s saw innovative approaches in 

the development of pistons and the use of 

special production techniques. This was a 

period in which development efforts also 

targeted lightweight, low-noise plateau 

pistons for car engines. Such pistons were 

tested by various automakers as were extremely 

low-built pistons. 

With the available space at Neckarsulm 

stretched to its limits, production of 

plain bearings was relocated to a newly 

built plant at St. Leon-Rot which was also 

the site of new R&D facilities to serve 

as the basis for developing new bearing 

materials and tribological solutions. This 

was followed only a few years later in 

1969 with an additional plain bearing 

plant at Papenburg. 

In 1971, Karl Schmidt GmbH extended 

its aluminum casting capabilities through 

the acquisition of US licenses for making 

monolithic aluminum engine blocks from 

a hypereutectic aluminum silicon alloy. 

The licenses also covered the pistons required 

for such engine blocks. 1973 saw 

the series production launch of air-cooled 

ribbed cylinders produced from this alloy 

in low-pressure die casting for the Porsche 

911. This was followed in 1977 by the series 

production of the 5.0-l V8 engine 

block for Mercedes-Benz, again with the 

same casting technique. A major step for- 

ward was to combine the Alusil alloy, 

which was difficult to cast, and the lowpressure 

die casting technique. In 1987, 

the V12 engine block for the new BMW 

750 was cast in this very wear-resistant 

aluminum. In 1990, Kolbenschmidt built a 

new foundry at Neckarsulm for the production 

of engine blocks and cylinder 

heads with the aid of the newest, optimized 

casting technologies. 

In 1984, Metallgesellschaft floated the 

first shares of the company, which was 

concurrently renamed Kolbenschmidt AG, 

on the stock exchange. Ten years later on, 

it parted altogether with Kolbenschmidt 

which, since 1997, has belonged to the 

Rheinmetall Group. In January 1998, 

Kolbenschmidt and Pierburg married to 

give birth to Kolbenschmidt Pierburg AG. 

INNoVaTIVE PRoDucTs 

foR ThE fuTuRE 

hIsToRY 

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 CO 2 

emissions is directly related to a lowering 

of fuel consumption. This is where Kol- 

2

hIsToRIE 

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 Stickstoffemissio- 

nen, 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 AGR- 

Ventile hinzu. Moderne Abgasrückführsysteme 

insbesondere für Dieselmotoren 

enthalten neben dem Ventil einen Kühler 

und ein Bypass-Ventil, um die Abgas- 

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 CO 2 -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 Pierburg- 

Produktpalette. 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 Hy- 

draulikventile 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 Einflügel- 

Vakuumpumpen 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 


enschmidt 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 

Symbiose 

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 

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 mid- 

60s 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). 

Bandstahl Bandstahl vergütet Elektroband Kaltband Bonderband Schmalband Profile 

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: info@cdw.de 

hIsToRY 

100 Years of Kolbenschmidt Pierburg 25

hIsToRIE 

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-Benz- 

Modells „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 

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 Zenith- 

Vergaser 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 Solex- 

Vergasern 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. 


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 Daimler- 

Benz “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 Basse- 

Ham, 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 

hIsToRY 

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 Aluminium- 

Technologie 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. 

2

100 JahRE KOLBENSCHMIDT PIERBURG 

„GrOSSe VOLKSWIrTSChafTLIChe fehLer 

IM UMGaNG MIT eNerGIe“ 

Der gebürtige Rüsselsheimer Dr. Gerd Kleinert

MTZ _ herr Dr. Kleinert

100 JahRE KOLBENSCHMIDT PIERBURG 

Gerd Kleinert sieht keinen Grund, 

das Entwicklungsbudget zu kürzen 

Gerd Kleinert sees no reason to cut the 

development budget 

Wagen sie doch einmal eine Vorhersage, 

wie wir uns in 10 oder 15 Jahren fort

“MaJOr eCONOMIC errOrS IN 

DeaLING WITh eNerGy“ 

It was almost inevitable that Dr. Gerd Kleinert

100 YEaRs OF KOLBENSCHMIDT PIERBURG 

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 t

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abGasMEssTEchNIK 

aBGaSMaSSeNSTrOMSeNSOr 

FüR PKw- UND NFz-ANwENDUNGEN 

Der Schlüssel zur maximalen Ausnutzung der etablierten externen Abgasrückführung zur Senkung 

motorischer Stickoxidemissionen liegt in der präzisen Bemessung der zurückgeführten Abgasmasse. 

Zu diesem Zweck hat Pierburg in Zusammenarbeit mit Heraeus Sensor Technologies einen auf 

Heißfilmanemometrie beruhenden Sensor entwickelt. Die keramisch ausgeführten Sensorelemente 

erlauben den Einsatz in motorischem Abgas. 


aNfoRDERuNGEN 

Die zunehmend restriktiven Emissionsvorschriften 

sowohl im Pkw- wie auch im 

Nutzfahrzeugbereich erfordern neben effizientenAbgasnachbehandlungsmaßnahmen 

vor allem eine stetige Optimierung 

der motorischen Rohemissionen. Im 

Hinblick auf die Senkung der Stickoxidemissionen 

bietet es sich insbesondere in 

dieselmotorischen Anwendungen an, das 

volle Potenzial der gekühlten Abgasrückführung 

auszuschöpfen. 

Im Pkw wie auch zunehmend im Nfz 

wird die Abgasrückführung als Unterstützung 

innermotorischer Maßnahmen in 

verschiedenen Konstellationen eingesetzt. 

Allen Ansätzen gemeinsam ist die Notwendigkeit, 

die zurückgeführte Abgasmasse 

unter Berücksichtigung brennverfahrenstechnischer 

Randbedingungen, 

hier insbesondere die Ruß- und NO X -Bildungsregimes, 

kontrolliert und betriebspunktgenau 

einzuregeln, ❶. 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 ❷ zwei Einbaupositionen im Falle eines 

Dual-Loop-AGR-Systems mit Hochdruck- 

und Niederdruck-AGR-Pfad dargestellt. 

KoNZEPT uND DEsIGN 

Der vorgestellte Sensor dient der Erfassung 

des Abgasmassenstroms in einem 

von heißem Abgas durchströmten Rohr. 

❸ 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. 

❹ zeigt schematisch die Funktionsweise 

des Messprinzips. Der Sensor verfügt 

über zwei Sensorelemente, von denen 

eines die Temperatur des strömenden Abgases 

(T a ) misst. Das zweite wird durch 

elektrische Beheizung auf eine erhöhte 

Temperatur (T h ) 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 m . = A ___ _______ 

(T – T ) h a 2 

· 2 c1 Q. 2 

Hierbei sind A der Strömungsquerschnitt 

des Messrohres sowie c 1 eine dimensions- 


AUTOREN 

DR. KaRsTEN GRIMM 

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 


DR. aNDREs TöNNEsMaNN 

ist Experte für Motorkomponenten 

und Thermodynamik in der Vorentwicklung 

der Kolbenschmidt 


hEINRIch DIsMoN 

Leitung Vorentwicklung der 

Kolbenschmidt Pierburg AG. 

❶ NO X - und Rußbildung in Abhängigkeit von lokaler Verbrennungstemperatur 

und lokalem Kraftstoff-/Luftverhältnis, nach [1] 

NO X and soot formation as a function of local combustion temperature 

and local fuel/air ratio, as given in [1] 

5


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 (T a ) und des Heizerelementes 

(T h ) lediglich die Wärmeverlustleistung 

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: 

: 

: 

: 

: 

❷ Mögliche Einbaupositionen 

Abgasmassenstromsensor (AGS) 

Possible exhaust gas mass flow 

sensor (EGS) installation 

hohe Abgastemperaturen 

starke Rußbelastung (insbesondere 

Diesel) 

Kondensatbeschlag 

Pulsationen. 

❸ 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) 

Diese besonderen Randbedingungen gelten 

zusätzlich zu den üblichen automotiven 

Anforderungen, wie chemische 

Beständigkeit, Rüttelfestigkeit oder Dauerhaltbarkeit. 

❺ 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 Wärmefluss 

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 

CO 2 . 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- 

❹ Funktionsprinzip Heißfilmanemometer 

Functional principle of the hot-film anemometer 


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 NO x , ❶. 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. ❷ shows two exemplary 

installation positions in a dual-loop exhaust 

gas recirculation system with high- 

and 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. ❸ 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. 

❹ 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 introduces 

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 m . = A ___ _______ 

(T – T ) h a 2 

· 2 c1 Q. 2 

Here, A denotes the flow cross section of 

the measuring pipe and c1 a proportional- 

ExhausT MEasuREMENT TEchNIquE 

ity constant expressing the geometric dimensions 

of the heating element and the 

physical properties of the measured gas. 

A detailed derivation of Eq. 1 is given in 

[2]. According to Eq. 1, all that is required 

to determine the exhaust gas mass flow is 

the heat dissipation Q . along with the temperatures 

of the exhaust gas (Ta) and the 

heating element (Th). The heat dissipation 

can be easily ascertained by measuring 

the electrical heating power. 

AUTHORS 

DR. KaRsTEN GRIMM 

is expert for Components and 

Thermodynamics at Advanced 

Engineering of Kolbenschmidt 

Pierburg AG in Neuss (Germany). 

sVEN NIGRIN 

is an electronics expert for Auxilliaries 

and Alternative Drives at Advanced 



DR. aNDREs TöNNEsMaNN 

is an expert for Components and 

Thermodynamics at Advanced Engineering 

of Kolbenschmidt Pierburg 

AG in Neuss (Germany). 

hEINRIch DIsMoN 

is Director Advanced Engineering at 

Kolbenschmidt Pierburg AG.


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 ΔT krit ≈ 

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 

8 

Motors verursachten Pulsationen. Diese führen 

ebenso wie eine gleichförmige Strömung 

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- 

❺ Messfühler 

Sensor head 

❻ Ermittelte Messwerttoleranzen 

von 

kalibrierten Abgasmassenstromsensoren 

Ascertained measurement 

value tolerances 

of calibrated exhaust 

gas mass flow sensors 

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 t 63 = 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 ❻ 

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. 


❼ Gemessener AGR-Massenstrom in einem Motorkennfeld. a zeigt Messwerte des Abgasmassenstromsensors und b Messwerte nach CO 2 -Bilanz als Referenz 

Measured exhaust gas mass flow in an engine mapping. a shows measured values of the exhaust gas mass flow sensor and b the measured values based on the CO 2 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 ❼ 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 

9


sENsoRs accuRacY 

Einbauposition war hier die Hochdruck- 

Abgasrückführstrecke 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 CO 2 -Gehalt in der Ansaugluft. 

Zu erkennen ist die sehr gute 

Korrelation der beiden Messwerte über 

den gesamten Applikationsbereich der 

AGR im Motorkennfeld. 

REsPoNsE 

TIME T63 usE IN sTRaTEGY 

“λ-PRobE” aMs EGs 

EGR Mass floW sENsoR % 0 ms no no yes 

aIR Mass sENsoR 2 % 15 ms no yes no 

λ-PRobE % O 2 00 ms yes yes yes 

NTc (T2) .5 % in R 5 s yes yes yes 

PREssuRE sENsoR (P2) 1.2 % final value 1 ms yes yes yes 

❽ Verwendete Sensoreigenschaften 

Properties of the sensor employed 

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- 

Lkw-Technik 

Blindtext, Blindtext, blinder 

systematisch 

blinder Text und Text Blind und 

und 

Blind 

praxisnah 

Blindtext, blinder Text und Blind 

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technik bewegt. 

hand eines O 2 -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-O 

2 -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 ❽). 

❾ zeigt die mit den drei Sensorkonzep ten 

ermittelten Emissionsstreuungen für Partikel 

und Stickoxide beispielhaft am Lastpunkt 

C100 (≈1500 U/min, ≈11 bar, AGR- 

Rate jeweils um 10 %). Beim AGS-Konzept 

wurde darüber hinaus noch die Sensorgenauigkeit 

zwischen 2 % und 4 % variiert. 

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www.viewegteubner.de 

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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. ❺ 

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 impair 

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 ΔT krit ≈ 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 t 63 = 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 ❻, with a relative accuracy of 

Δm . / m . ≤ 3 % in the characteristic diagram 

of air mass over air temperature. 

This is preceded by a calibration of all the 

sensors in a single calibration step at the 

nominal point (100 kg/h, 25 °C). Further 

potential can be tapped with additional 

calibration points, although these are unfavourable 

with regard to production cost. 

The mass flow sensor is calibrated either 

in a reference environment in the 

event of a plug connector solution for the 


sensor head, or in the actual installation 

environment, e.g. in an EGR pipe or cooler. 

This allows an off center installation of 

the sensor elements resulting in a minimized 

pressure loss in the exhaust flow path. 

The effects of the proximity of the wall 

are accounted for during the calibration 

process. Along with measurement accuracy 

itself, the sensor’s long-term performance 

is also of importance. Changing signal 

parameters find expression in sensor 

drift, resulting primarily from external disturbance 

factors such as soot formation, 

fuel additives or even particulate deposition 

and condensation. To assess these 

phenomena, extensive laboratory and engine 

tests were carried out. To solve the 

problem of soot, the already mentioned 

operating routines were developed in 

these tests. In addition, measures relating 

to the sensor mounting and sealing were 

taken on the basis of these findings. 

Along with the characterization of the 

EGS with purely physical parameters, it was 

also important to assess the sensor in a real 

engine environment in terms of operational 

performance. To this end, exhaust gas mass 

flow sensors were employed in a variety of 

configurations in different test engines to 

measure the exhaust gas recirculation rate 

for both pass cars and commercial vehicles. 

As an example, ❼ 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 CO 2 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. 

1


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 O 2 -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 ⑨ zeigen 

exemplarisch für das AGS- und das LMS- 

Konzept die aus den endlichen Sensorge- 

nauigkeiten resultierenden Emissionswert-Histogramme, 

aus denen die dargestellten 

normierten Streuungen entnommen 

wurden. Weitere simulierte Lastpunkte 

lieferten qualitativ die gleichen 

Streucharakteristiken entlang der NO X - 

Partikel-Tradeoff-Linie. 

Die Grundlage für die Pkw-Simulation 

bildete ein 2-l-EU5-Motor mit Hochdruck- 

AGR, 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- 

PRoPERTY uNIT quaNTITY 

TEMPERaTuRE MEDIuM °C 0 – 50 

Mass floW foR PIPE DIaMETER ø = 44 MM kg/ h 0 – 500 

REsPoNsE T 63 ms 0 

DIMENsIoNs of coNTRol ElEcTRoNIcs (l x b x h) mm 110 / 5 / 25 

Mass kg 0.5 

oPERaTING VolTaGE V 12 / 

TYPIcal PoWER coNsuMPTIoN W .5 

MaxIMuM PoWER coNsuMPTIoN W 8 

coMMuNIcaTIoN Analogue, Frequency or CAN 

DIaGNosIs Customized 

❿ Technische Daten Abgasmassenstromsensor A-Muster 

Technical data of exhaust gas mass flow sensor, A-sample 

2 

❾ Emissionsstreuungen 

verschiedener 

Sensorkonzepte 

Emission variance 

of different sensor 

strategies 

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 t 63 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 ❿ 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. 

SAE2001-01-0 55 

[2] Grimm, K.; Tönnesmann, A.; Nigrin, S.; Dismon, 

H.; Wienand, K.; Muziol, M.: Keramischer 

Heißfilmsensor zur Abgasmassenstrommessung in 

automotiven Anwendungen. 1 . Aachener 

Kolloquium, Band 2, s. 12 5-12 0 

[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 9 (2008) Nr. 11 


The emission variances achievable with 

the mass flow sensor were simulated on 

the basis of an O 2 control concept [4] in 

terms of stationary control accuracy and 

transient behavior, for both commercial 

vehicle and car use. The associated engine 

models are based on data from a commercial 

vehicle EU6 concept engine and a 

measured car EU5 engine. The results were 

compared for different sensor strategies. 

On the commercial vehicle engine (sixcylinder 

with high-pressure EGR and controlled 

supercharging), the sensor data relevant 

for measuring combustion chamber 

O 2 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 ❽). 

❾ 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 O 2 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 ⑨ 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 NO x /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 


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 simu lated 

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 ❿. 

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. 

REfERENcEs 

[1] Akihama, K. et. al.: Mechanism of the 

Smokeless Rich Diesel Combustion by Reducing 

Tem pera ture. SAE2001-01-0 55 

[2] Grimm, K.; Tönnesmann, A.; Nigrin, S.; 

Dismon, H.; Wienand, K.; Muziol, M.: Keramischer 

Heißfilmsensor zur Abgas-massenstrommessung 

in automotiven Anwendungen. 1 . Aachener 

Kolloquium, Band 2, s. 12 5-12 0 

[3] Hünnekes, E.V.: Untersuchungen zur katalytischen 

Oxidation von submikronen Kohlenwas serstoffpartikeln 

aus motorischen Abgasen. Dissertation, 

RWTH Aachen, 02/2002 

[4] Körfer, T., Ruhkamp, L., Herrmann, O., 

Adolph, D., Linssen, R.: “Verschärfte Anforderungen 

an die Luftpfadregelung bei HD-Motoren“. 

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aluMINIuMGuss 

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. 


ausGaNGssITuaTIoN 

Der Beschluss des EU-Ministerrats und 

des Europäischen Parlaments über die 

Einführung eines CO 2 -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 

CO 2 -Emissionsreduzierung [2], [3]. Nach 

[4] zeigt sich beispielsweise im NEFZ für 

ein Fahrzeug der Kompaktklasse die in ❶ 

dargestellte CO 2 -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. 


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, ❷. 

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 Premium- 

Bereich 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 ❸ 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 CO 2 /km 

weniger CO 2 -Ausstoß . 

Die Einschätzung des Downsizing-Effekts 

basiert auf einem klassentypischen 

1,8 l Ottomotor. Dessen derzeitiger durchschnittlicher 

CO 2 -Ausstoß hierzulande im 

TRacTIVE REsIsTaNcE shaRE [%] subToTal [%] 

a) Acceleration resistance .8 

b) Rolling resistance 2 .2 a) + b): 1.2! 

c) Aerodynamic drag 1. 

d) Idling .2 

❶ CO 2 -Relevanz im NEFZ eines Fahrzeugs der Kompaktklasse 

CO 2 relevance in NEDC for a compact class car 

UNTERTHEMA THEMA 

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 


DR.-ING. bERND soMMER 

ist Leiter Werkstoffe in der 

Vorentwicklung der Kolbenschmidt 


5

aluMINIuMGuss 

❷ Zunahme des durchschnittlichen Einsatzes von Aluminium in Pkw (EU) 

Increase in the average input of aluminum in cars (EU) 

subassEMblY 

Body, thereof body-in-white 

Body-in-white 

(multi-material) 

REPREsENTaTIVE 

Mass shaRE 1) [%] 

0 

Approx. 25 

Mass REDucTIoN 

PoTENTIal [%] 

0 (to 0) 

15 (to 25) 

Wheels/suspension/chassis 2 0 (to 5) /8 .5 

Engine/drive (gray cast iron 

cylinder block) 

Mass saVINGs 

[%]/[KG] 

❹ Hubraumabhängiger, gemittelter sowie mit 5 % Abschlag versehener CO 2 -Ausstoß von Pkw (EU); Einschätzung 

des „Downsizing“-Effekts bei kompensierter Leistung und unveränderter Fahrzeugmasse (Beispiel Kompaktklasse) 

The displacement-dependent, averaged and 5 %-reduced CO 2 output of cars (EU); assessment of the downsizing 

effect with upgraded performance and unchanged vehicle mass (taking the example of the compact class) 

/50 2) 

1 (to 9) 1/12.5 

Equipment 15 - - 

Electrics/electronics 5 - - 

Total 100 12/150 ) 

1) Manufacturer’s data (identical to VDA data) 2) Multi-material design; here body-in-white only ) Max. 21 % or 2 kg 

❸ Leichtbaupotenzial bei Werkstoffsubstitution durch Aluminium 

Lightweight construction potential involving substitution with aluminum 

NEFZ wurde mit 162 g/km ermittelt, ❹. 

Ein Abschlag von 5 % (154 g CO 2 /km) 

trägt in etwa der Kompaktklasse Rechnung. 

Downsizing (1,8-l-Sauger zu 1,4-l- 

ATL) gewährt zum Beispiel nach [5] einen 

Verbrauchsvorteil im NEFZ bis 11 % entsprechend 

17 g CO 2 /km, ein mit Blick auf 

den Kurvenverlauf in ④ wohl zu günstiger 

Wert. Eine vergleichbare Verringerung 

des CO 2 -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 CO 2 /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 CO 2 -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 

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 


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 

CO 2 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 CO 2 relevance shown in ❶ 

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, 

❷. 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 

aluMINuM casTING 

based on the data in columns 2 and 3 of ❸. 

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).

aluMINIuMGuss 

❺ Aluminium-Druckguss-Zylinderkurbelgehäuse: oben links: Smart R Diesel (ohne Bedplate dargestellt), 

oben rechts: Daimler R Otto, unten links: Volvo R5 Diesel mit Bedplate, unten rechts: Volvo R5 Otto (ohne Bedplate 

dargestellt) 

Aluminum die-cast cylinder block: Top left: Smart R diesel (shown without bedplate). Top right: Daimler R 

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 Aluminium- 

Strukturgusskomponenten im Karosserie- 

und Fahrwerksbereich. 

Der Anteil fertig bearbeiteter, montagefertiger 

Komponenten – mittlerweile 

8 

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- 

rungseigenschaften und maßgeschneiderter 

Wärmebehandlungen. Simultaneous 

Engineering fördert auf den Werkstoff 

abgestimmte, beanspruchungs- wie 

gießgerechte Konstruktionen. 

hoch bEaNsPRuchbaRE 

ZYlINDERKuRbElGEhäusE 

IM DRucKGuss 

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 

❻ Blick auf ein so genanntes “Waschbrett“ einer Druckgiessformhälfte (Anwendung bei Vakuumdruckguss 

View of the so-called “washboard” of a high-pressure casting die half (used for vacuum high-pressure 

die casting) 


about 0.53 l/100 km lower fuel consumption 

or a good 12 (gasoline) or 14 (diesel) g 

CO /km of less carbon dioxide output. 

2 

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, ❹. A reduction 

of 5 % (154 g CO /km) brings it 

2 

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 CO /km – evidently an 

2 

overambitious value when one looks at the 

curve in ④. 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 CO /km, can be definitely considered 

2 

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 CO limit even with a less 

2 

expensive gasoline engine in the foreseeable 

future. 

: This has already been achieved in isolated 

cases with the more expensive diesel 

engine alone. In this connection it is 

also of interest to see how the cost of 

lightweight construction compares with 

the extra cost of the diesel engine that is 

becoming increasingly elaborate to comply 

with Euro 6. 

PRoDucT DIVERsIfIcaTIoN 

This scenario also has a major impact on 

component suppliers to the automotive industry 

such as KS Aluminium-Technologie – 

market leader in the premium segment with 

aluminum cylinder blocks. Responding to 

the dramatic shrinkage in the market volume 

of large car engines, it has adapted its 

product strategy. The new approach is 

geared to product diversification, i.e. to the 


growing, widely scattered demand for highgrade 

aluminum castings: 

: Its core business is focused on the technical 

and economic challenges of the 

premium segment through to quality 

mass production, where the way has 

been recently paved for a partnership. 

The casting strategies are tailored to the 

market segment of small high-performance 

engines that is growing strongly 

with downsizing. 

: To reduce friction loss and as a response 

to the growing wear of cylinder 

surfaces (gasoline direct injection, 

regenerative fuels), PTWA coating technology 

is being adopted [6]. 

: At the Neckarsulm site, specialization in 

the cylinder head sector is concentrating 

on small, high-duty car DI diesel 

engines. The KPSNC joint venture, incidentally, 

is China’s biggest cylinder head 

producer. Another European production 

plant is envisaged in the longer term. 

: Along with cylinder heads, the production 

of die-cast transmission housings 

has been resumed in Neckarsulm. 

: A new, high-grade product field is opening 

up with cast aluminum components 

for the body, chassis and suspension. 

: The share of finish-machined, ready-forassembly 

components – now also a core 

competence – is steadily growing. 

The conquest of the car sector with cast 

aluminum has resulted in specialization. 

Highly developed casting processes and 

advanced tooling are facilitating the realization 

of specific local material properties. 

Along with problem-driven gate and cooling 

techniques, there is also a call for defined 

alloying properties and tailor-made 

heat treatments. Simultaneous engineering 

is promoting high-duty and casting-compatible 

designs attuned to the material. 

hIGh-DuTY DIE-casT 

cYlINDER blocKs 

Improvements in the specific performance 

of downsized engines increase component 

stressing considerably. Further optimization 

of both diesel engine combustion and 

direct-injection gasoline engines with either 

a turbocharger or compressor entails 

higher ignition pressures and thus, specifically, 

bearing bulk head burdens. 

Along with the feasible solution of cylinder 

surface problems, high bearing bulk 

head strength is consequently the primary 

goal on the aluminum cylinder block. Bear- 

ing bulk head strength is considered the acid 

test for the viability of lightweight construction 

based on aluminum. However, 

there is no real alternative in sight. The goal 

must therefore be to exploit existing potential 

[6]. 

However, while the requirements continue 

to rise, a reduced displacement and a 

lower number of cylinders will intensify 

the pressure on costs and call for exceptionally 

low-cost component concepts. This 

generates demand for small, light but nevertheless 

high-strength cylinder blocks that 

can be manufactured economically. 

Thanks to its short cycle time, high pressure 

die casting is ideal for inexpensive 

mass production, ❺. 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, ❻ 

an extremely innovative die cooling 

strategy, ❼. 

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 

9

aluMINIuMGuss 

prädestiniert, ❺. 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, 

❻, und 

: ein äußerst innovatives Formkühlungskonzept, 

❼, 

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 Al- 

SiMg- 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 schWERKRafT- 

KoKIllENGuss 

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 Al- 

SiMg-Primärlegierungen einer immer größeren 

Herausforderung bez. thermomechanischer 

Festigkeit (TMF) gegenüber. Lebensdauerforderungen 

können nur noch 

50 

❼ 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 R4- 

Pkw-DI-Dieselmotoren. Ein im Haus entwickeltes, 

innovatives Schwerkraft-Kippgießverfahren 

ist auf die Anforderungen 

hoch belasteter Motoren besonders zugeschnitten, 

❽. Bei Anschnitt auf der Nockenwellenseite 

ist die vom Kippvorgang 

begünstigte, schichtend steigende, dem Befüllen 

eines Weizenbierglases vergleichbare 

Füllung der Kokille dabei ganz entscheidend. 

Hinzu kommt eine höchst intensive 

Abschreckung des Brennraumbereichs auf 

der Feuerdeckseite. Der erzielbare geringe 


high-duty cylinder heads. Aluminum has 

meanwhile almost completely replaced 

gray cast iron on this component. Nonetheless, 

the preferably used AlSiMg primary 

alloys are confronted with the steadily 

growing challenge of thermomechanical 

strength (TMS). The demand for long 

service life can only be satisfied with an 

extremely fine microstructure on the fire 

deck side locally in the region of the combustion 

zone (valve bar and annular area 

around the injection nozzle). 

The task is therefore one of consolidating 

the weight advantage by exploring the 

opportunities offered by the material. Because 

of the conflict in goals between partially 

contradictory requirements, the only 

option is to seek the best-possible compromise. 

High static/dynamic hot strength and 

hardness after long engine operation, sufficient 

thermomechanical strength, high 

ductility (elongation at fracture), extremely 

good heat conductivity but also good casting 

properties and low susceptibility to 

thermal cracking are difficult to achieve on 

one and the same alloy. 

KS Aluminium-Technologie develops cylinder 

heads for small R3 and R4 car DI diesel 

engines. An internally developed, innovative 

gravity tilt casting process has been 

tailored specifically to the requirements of 

highly stressed engines, ❽. 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, ❾. 

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”, ❿. 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, ⓫. This therefore opens up a 

new product field that permits the sensible 


exploitation of existing unused low-pressure 

casting capacity. Furthermore, this reduces 

the dependence on the drive concept, 

an important long-term prospect. 


Sustainable mobility with fuel prices rising 

in the long term and finite resources are 

dictating current development focuses. 

Compliance with the CO 2 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? 1 . Aachener Kolloquium 

Fahrzeug- und Motorentechnik 200 

[2] Goede, M.: Karosserieleichtbau als Baustein 

einer CO 2 -Reduzierungsstrategie. 1 . Aachener 

Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 200 

[3] Friedrich, H.: Taugt das 1-Liter-Auto als Vorbild 

für die Massenmotorisierung? Energie Trialog Schweiz, 

1. Expertenmeeting 20. bis 22. Juni 200 

[4] Wiedemann, J.: Leichtbau bei Elektrofahrzeugen 

– Wie viel ist er uns noch wert? ATZ 0 /2009 

Jahrgang 111 

[5] Königstein, A.; Grebe, U.; Wu, K.J.; Larsson, 

P.-I.: Differenzierte Analyse von Downsizing- 

Konzepten. MTZ 9 (2008) Nr. 0 

[6] Beer, S.; Klimesch, C.; Köhler, E.; Niehues, J.; 

Sommer, B.: Leichtbau beim Zylinderkurbelgehäuse 

im Spiegel aktueller und zukünftiger Anforderungen. 

MTZ 0 (2009) Nr. 10 

[7] Beer, S.; Denndörfer, H.; Sommer, B.: Optimierter 

Druckguss für höchstbelastete T -/T - 

wärmebehandelte buchsenlose Aluminium-Motorblöcke. 

Gießtechnik im Motorenbau 2009, Magdeburg. 

VDI-Berichte 20 1 

51

aluMINIuMGuss 

❽ 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“, ❾. 

aluMINIuM-KaRossERIE sTRuKTuR- 

uND -fahRWERKKoMPoNENTEN 

Aluminiumguss, -strangpressprofile und 

-bleche bilden beim „Aluminium-Space- 

Frame“, 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. 

❾ 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, 

Korrosions beständigkeit, Stanznietbarkeit 

etc. Zum Einsatz kommen hauptsächlich 

spezielle warm aushärtende AlSiMnMg- 

Legierungen. Wo vertretbar, geht der 

Trend heute zu kalt aushärtenden AlSiMn- 

Legie rungen. 

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, ❿. 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 Aluminium- 

Technologie. 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 ausla- 


❿ Vakuum-Druckguss A-Säule Audi A8 (D ) 

(mit freundlicher Genehmigung der Audi AG) 

A-pillar of the Audi A8 (D ), a vacuum pressure die-casting 

(courtesy of Audi AG) 

dende Fahrschemel genannt, ⓫. 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 CO 2 -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- 

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. 


⓫ 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) 


[1] Dräger, K.: Premiumanspruch und nachhaltige 

Mobilität – Ein Widerspruch? 1 . Aachener Kolloquium 

Fahrzeug- und Motorentechnik 200 

[2] Goede, M.: Karosserieleichtbau als Baustein 

einer CO 2 -Reduzierungsstrategie. 1 . Aachener 

Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 200 

[3] Friedrich, H.: Taugt das 1-Liter-Auto als Vorbild 

für die Massenmotorisierung? Energie Trialog 

Schweiz, 1. Expertenmeeting 20. bis 22. Juni 200 

[4] Wiedemann, J.: Leichtbau bei Elektrofahrzeugen 

– Wie viel ist er uns noch wert? ATZ 0 /2009 

Jahrgang 111 

[5] Königstein, A.; Grebe, U.; Wu, K.J.; Larsson, 

P.-I.: Differenzierte Analyse von Downsizing-Konzepten. 

MTZ 9 (2008) Nr. 0 

[6] Beer, S.; Klimesch, C.; Köhler, E.; Niehues, J.; 

Sommer, B.: Leichtbau beim Zylinderkurbelgehäuse 

im Spiegel aktueller und zukünftiger Anforderungen. 

MTZ 0 (2009) Nr. 10 

[7] Beer, S.; Denndörfer, H.; Sommer, B.: Optimierter 

Druckguss für höchstbelastete T -/T - 

wärmebehandelte buchsenlose Aluminium-Motorblöcke. 

Gießtechnik im Motorenbau 2009, Magdeburg. 

VDI-Berichte 20 1 


Strategisch geplante Technologieentwicklung für den Automarkt 

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aluMINIuMGuss 

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GlEITlaGER 

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 stufen- 

weisen Nachweis für das Erreichen der gewünschten Eigenschaften. 


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. 


AUTOREN 

aNfoRDERuNGEN 

Da Gleitwerkstoffe grundsätzlich widersprüchliche Anforderungen 

erfüllen müssen, ❶, 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 

❶ Widersprüchliche Anforderungen an ein hydrodynamisches Gleitlager 

Conflicting demands for hydrodynamic bearings 

GlEITlaGER 

55

GlEITlaGER 

❷ Automobilgleitlager 

Bearings for automotive applications 

den Kurbelwellenlagern anliegenden 

statischen Kräfte aus Schwungradmasse 

und Riemen-/Kettenzug als zusätzlich 

Verschleiß fördernd angesehen werden. 

Nur speziell für diese Betriebsbedingun- 

❸ Lagerprüfstand im D-Modell ( a) und im 

Original ( b) 

Bearing test rig D-model ( a) and reality ( b) 

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. ❷ zeigt 

unterschiedliche Gleitlagerausführungen 

für den Einsatz im Automobil. 

ERPRobuNG MoToRIschER laGER 

IM Ks GlEITlaGERPRüfsTaND 

Für die Lagerfunktion sind die Fresssicherheit, 

die Dauerlauf- und die Verschleißfestigkeit 

am wichtigsten. Insbesondere bei 

der Entwicklung von bleifreien Werkstof- 

❹ Deformation von Prüfwelle und Modellpleuel unter Last 

Elastic deformation of shaft and connecting rod under load 

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 unter- 


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, 

❶, 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 

PlaIN bEaRINGs 

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). 

5

GlEITlaGER 

❺ 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. ❸ 

zeigt den neuen Lagerprüfstand im 3D- 

Modell (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 ❹ sind 

Deformationen von Prüfwelle und Modellpleuel 

dargestellt. 

Beim Fresstest in ❺ 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 

❻ Verschleiß in Abhängigkeit der Wellenrauheit im Start-Stopp-Versuch 

Wear behaviour in start-stop 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 10e 7 

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 Start- 

Stopp-Betrieb definiert. Hier erfahren die 

Lager bei jedem Start starke Mischreibung, 

die hauptsächlich durch die am 


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. ❷ 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. ❸ 

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. ❹ shows the deformation 

of the test shaft and model connecting 

rod. 

For the seizure test in ❺, 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 1×10e 7 into 

the fatigue limit. The state of the bearing 

after the test or after any sudden failure 

before the end of the test is then assessed. 

These tests serve as the main 

qualification tests of the material systems’ 

operational stability. The critical load conditions 

are also simulated with the test rig 

model in order to define the associated 

material limit values for the simulation. 

Another important parameter for plain 

bearing design is wear resistance. In this 

case, bearing wear is assessed with mixed 

friction. To this end, a test is performed 

under a gradually raised static load at an 


extremely low sliding speed (0.25 m/s) 

for 15 hours. Local wear after the test run 

is then assessed. 

The latest requirement that material 

systems have to satisfy is defined by the 

demanded start-stop operation. This is 

where, with each start-up, the bearings 

are exposed to pronounced mixed friction, 

which is mainly defined by the static forces 

acting on the engine when it is not running, 

such as flywheel weight and belt 

pull. The limiting bearing characteristic in 

this case is wear resistance. 

The developed test program simulates 

start-up from 0 to 300 rpm under a constantly 

applied static load. In ❻ 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 ❼ 

offers an ideal platform for testing the ap- 

59

GlEITlaGER 

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 ❻ 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 

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 ❼ 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 

❼ Hochleistungsgleitlagerprüfstand an der Universität Clausthal 

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- 

❽ Lagerrückentemperatur 

als Indikator für Gleitflächenversagen 

im Schmutzversuch 

Bearing temperature shows 

surface failure in particle test 


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. ❽ 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, ❾, 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. ❿ shows 

how wear on Material 2 stabilizes at 

20 µm after running-in (approximately 

2 h). The coefficient of friction and bearing 

back temperature have also stabilized 

after running-in. On Material 1, on the 

other hand, wear stabilizes after runningin 

for about 3 h and then rises steadily to 

40 µm after 20 h of running. The coefficient 

of friction and bearing back temperature 

are at a much higher level and 

show strong variation. 

To assess the relevance of the results 

of the described tests on specimens and 

bushings for the various applications, the 

latter have to be precisely analysed. This 

includes the assessment of the factors of 

housing, bearing seat, counterbody, lubricant 

and ambient conditions. The effect 

of the surface and material of the 

counterbody has grown in importance 

particularly as far as lead-free materials 

are concerned. By appropriately optimizing 

the counterbody, it is possible to significantly 

enhance the service life and 

coefficient of friction of lead-free bearing 

materials. 

For the analysis of bearing materials 

under application-simulated conditions, 

the KS Gleitlager test facility has special 

test rigs. It is here that the conditions predominant 

in the seat adjuster, belt tensioner 

and dual-mass flywheel can be accurately 

replicated. 

Seat adjusters require a bearing material 

that delivers a constant coefficient of 

friction throughout its service life coupled 


with high resistance to wear. These requirements 

are tested on the test rig with 

original seat adjuster components and the 

matching size of bushing lubricated with 

the appropriate grease. 

Plain bearings for belt tensioners and 

dual-mass flywheels have to display very 

high wear resistance and temperature stability 

in oscillatory motion. The findings 

from the tilting test rig serve as the basis 

for a shortlist of bearing materials for this 

application. For the controlled development 

of a suitable material, there is a new 

special test rig, ⓫. 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. ⓬ 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. 

1

GlEITlaGER 

❾ Zehn-Stationen-Buchsenprüfstand 

Bushing test rig (10 positions) 

systeme zeigen dabei unterschiedliche 

Sensibilität auf die Partikelkontamination 

des Öls. In ❽ ist die Lagerrückentemperatur 

als Indikator für das Schichtversagen 

zweier unterschiedlicher Werkstoffsysteme 

dargestellt. 

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. 

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, ❾, 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. ❿ zeigt, wie sich bei 

Werkstoff 2 nach dem Einlauf (zirka 2 h) 

der Verschleiß bei 20 µm stabilisiert. Reibwert 

und Lagerrückentemperatur haben 

❿ Verschleißbetrag, Lagertemperatur und errechneter Reibwert im Verschleißtest 

Wear, bearing temperature and calculated friction coefficient in wear test 

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. 


⓫ 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- 

⓬ Verschleißverhalten von Common-Rail-Pumpenlagern im Start-Stopp-Versuch 

Wear behaviour of common rail bearings in start-stop test 


verstellers und der zugehörigen Buchsenabmessung 

unter Einsatz des entsprechenden 

Fettes getestet. 

Gleitlager für Riemenspanner und Zweimassenschwungrad 

müssen unter oszil- 

lierender Bewegung eine sehr hohe Ver- 

GlEITlaGER 

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, 

⓫, 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-Stopp- 

Vorgängen 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. ⓬ zeigt das unterschiedliche 

Verschleißverhalten unter 

Start-Stopp-Bedingungen von PTFE- und 

PEEK-Verbund Lagerwerkstoffen. PTFE- 

Lager zeigen hohen Verschleiß und bis 

18.000 Zyklen keine eindeutige Stabilisierung. 

Im Vergleich dazu zeigen die PEEK- 

Lager einen deutlich niedrigeren Verschleiß, 

der sich zudem unter diesen 

Testbedingungen bereits bei zirka 12.000 

Zyklen stabilisiert.

KolbENsYsTEME 

INNOVaTIVe KOLBeNSySTeMLöSUNGeN 

FüR VERBRENNUNGSMOTOREN 

Die Einhaltung immer enger gehaltener Grenzwerte für Abgasemissionen sowie die Reduzierung des 

Kraftstoffverbrauchs und der klimaschädlichen CO -Emissionen sind die wesentlichen Innovations- 

2 

treiber 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. 


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“, ❶, 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 %, ❷, und 

die Systemmasse um 10 %, ❸, 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, ❹. Die Übertragbarkeit 

dieser Leistungsmerkmale wurde bei der 

Applikation in Motorenprogrammen für 

Euro 6 bestätigt. 

❶ Simulation des Kolbensystemverhaltens bezüglich Ringbewegung und Ölfilmdicke 

Simulation of piston system behaviour regarding ring motion and oil film thickness 

KolbENsYsTEME 

AUTOREN 

DIPl.-ING. Ralf buschbEcK 

Leitung Produktentwicklung Kolben 

bei der KS Kolbenschmidt GmbH 


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 


❷ Reibungsreduktion bei optimiertem Kolbensystem 

Friction reduction – optimised piston system 

5

KolbENsYsTEME 

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. 

❸ Kolbensystem für 

geringe oszillierende Masse 

Piston system for low 

oscillating mass 

lITEKs – lEIchTbau uND REIbuNGs- 

REDuKTIoN 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 

❹ Beispiel für integrierte Kolbensystem-Performance-Optimierung (Nkw) 

Example for integrated piston system performance optimisation (CV) 


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, ❶, 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 %, ❷, and 

system mass by 10 %, ❸. 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, ❹. The practicality of these 

performance features has been confirmed 

in engine programs for Euro 6. 

PIsToN sYsTEMs 

The specific characteristics of the piston 

system’s components are dictated by the 

technical and commercial requirement 

profiles of the particular engine. For severe 

mechanical stress environments, 

steel pistons are employed that can also 

have a laser-hardened first groove. They 

come in the Spinteks and KS Monobloc 

designs with and without an internal cooling 

gallery. The next lower duty engine 

series are equipped with ring carrier pistons 

made of aluminum alloy KS V4, 

which has such application related features 

as local bowl lip reinforcement, pin 

AUTHORS 

DIPl.-ING. Ralf buschbEcK 

is Director Product Development 

Pistons at KS Kolbenschmidt GmbH 


DIPl.-ING. (fh) 

EMMERIch oTTlIcZKY 

is Senior Manager Product 

Development Pistons (EU) 

at KS Kolbenschmidt GmbH 


DIPl.-ING. WolfGaNG haNKE 

is Manager Piston Systems at 

Product Development Pistons of KS 

Kolbenschmidt GmbH 


DR.-ING. haNs-JoachIM WEIMaR 

is Senior Manager Base Engine and 

Tribology at Advanced Engineering of 

Kolbenschmidt Pierburg AG 

in Neckarsulm (Germany).

KolbENsYsTEME 

einer zusätzlichen Reduktion der Schaftreibfläche. 

Außerdem erlaubt es eine geringere 

Bolzendesachsierung und erhöhtes 

Kolbeneinbauspiel, ohne Kompromisse 

beim Kolbengeräusch eingehen zu 

müssen. 

Der Reibleistungsvorteil dieses Liteks- 

2-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 %, ❺. 

NaNofRIKs – REDuKTIoN 

VoN REIbuNG uND VERschlEIss 

Moderne Motoren und aktuelle Kolbenkonstruktionen 

stellen eine Herausforderung 

an die tribologische Belastbarkeit 

8 

❺ Gewichts- und 

Reibungsvorteile der Liteks- 

Generationen 

Weight and friction benefits 

of Liteks generations 

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 Trockenreibkoeffi- 

zienten 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, ❻. 

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- 


❻ 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 Lofriks- 

2 and Nanofriks skirt 

coating system. Right 

hand: Reduction of skirt 

friction trough Nanofriks 

compared to Lofriks-2

ore 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, ❺. 

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, ❻. 

The high wear resistance of Nanofriks 

also enables higher maximum surface 

pressures on the piston skirt, thus allowing 

further reduction of hydrodynamic 

friction by piston design measures. This 

has been systematically and successfully 

exploited in the extreme low friction 

Liteks-2 piston design. 

hIGh TEMPERaTuRE aluMINuM 

casT alloY Ks 309 

The piston’s long-term durability requirement 

combined with low weight is not 

satisfied by novel piston design alone, but 

a high performance material and the 

associated production processes for the 

achievement of consistent product quality 

are also vital. This material is the new 

alloy KS 309. 

In the early phase of defining the alloy, 

complex microstructure simulations were 

performed to accelerate initial optimization 

and selection. The result is a micro-alloyed 

cast aluminum alloy whose outstanding 

properties are attributable to the presence 

of nano-scale precipitations forming hard 

phases, which strengthen the material even 

above temperatures where the effect of intermetallic 

compounds (e.g. Al2Cu) due to 

precipitation hardening, is no longer effective 

(> 250 °C). 

Extensive casting tests were carried out 

to check process capability, investigate 

the complete production process and define 

the process parameters using statistical 

methods ('6-σ'). 

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, ❼. 

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. 

9

KolbENsYsTEME 

❼ Optimierte Gießfähigkeit für dünnwandige 

Strukturen 

Optimised castability for thin-walled casting 

structures 

❽ Pkw-Dieselkolben mit Dynamiks-Kühlkanal 

Passanger car diesel piston with Dynamiks cooling 

gallery 

❾ Verbesserung von TMF: V im Vergleich 

zu KS 1295+ 

Improvement of TMF: V 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- 

0 

dungen (zum Beispiel Al 2 Cu) 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-σ') 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, ❼. 

KolbENTEchNoloGIEN 

füR DIEsElMoToREN 

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 ermög- 

licht. Weiteres Potenzial zur Reduzierung 

der Kolbenreibung bieten die bereits bei 

❿ Pkw-Dieselkolben mit 

umgeschmolzenem Muldenrand 

Passanger car diesel piston 

with remelted bowl edge 

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 


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, ❽, 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+, ❾. 

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, ❿, which improves the 

thermal fatigue properties of the critical 

area by up to 200 %, ⓫. 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 coM- 

MERcIal VEhIclE DIEsEl ENGINEs 

A current debate is the application of 

steel pistons in car diesel engines. It 


must be mentioned here that the advantages 

of the steel piston, such as a long 

service life and low assembly clearance, 

have to be combined with customer demands 

for low exhaust emissions, low 

weight, good cooling and competitive 

pricing. Against the background of 

downsizing, the adoption of a uniform 

block height in future diesel and gasoline 

engine families and the associated 

demand for compact engine dimensions, 

the steel piston benefits by enabling designs 

with extremely low compression 

height. 

Alternatively, the potential for realising 

low compression heights in existing engines 

can be exploited to increase connecting 

rod length thereby reducing lateral 

forces and hence friction. 

In initial engine tests at KS Kolbenschmidt, 

lightweight steel car pistons 

with low compression height, ⓬, 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, 

⓭ (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 

1

KolbENsYsTEME 

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 Dynamiks- 

Pumpkühlkanal, ❽, zwingt durch besondere 

Kühlkanalgestaltung dem Öl während 

⓫ Vergleich von Ergebnissen 

des Thermoschockversuchs 

am Muldenrand: Gussstruktur 

mit/ohne Umschmelzung 

Thermoschock test results of 

bowl rim with/without re-melting 

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- 

⓬ 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, ❾. 

loKalEs WERKsToff-ENGINEERING 

aM MulDENRaND 

Für den Rissentstehungsmechanismus am 

Muldenrand ist aufgrund der unterschied- 

⓭ 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) 

2 


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, ⓭ (m). The required 

quantity of cooling oil flows from the outer 

cooling gallery via connecting bores into 

the inner cooling chamber and is then 

discharg ed 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, ⓭ (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- 

Wie funktioniert der neue Audi Q5? 

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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, ⓮. During engine 

running-in, when the greatest wear is 

experienced, laser hardening yields a 

markedly reduced wear rate. 



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 200 -01-1 1, 200 



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technik bewegt. �� 

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KolbENsYsTEME 

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, 

❿, welches die thermischen Ermüdungseigenschaften 

des kritischen Bereichs 

um bis zu 200 % verbessert, ⓫. 

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 Pkw- 

Dieselmotor. Dabei ist zu beachten, dass 

die Vorteile des Stahlkolbens wie hohe 

Lebensdauer und kleines Einbauspiel zu 

⓮ Verringerung des 

Nutverschleißes durch 

Laserhärten 

Reduction of groove wear 

by laser-hardening 

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, ⓬, 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 Mono- 

block-Stahlkolben, ⓭ (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 Monoblock- 

Stahlkolben 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, 

⑬ (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 manganphospha- 


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, 

⑬ (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 Monoblock- 

Stahlkolben kommen heute zwei alter- 

Kolbenschmidt Pierburg – 

100 Jahre AutoMotivePower 

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, ⓮. 

Insbesondere beim Motoreinlauf, bei dem 

der größte Verschleiß auftritt, bewirkt 

die Laserhärtung eine deutlich reduzierte 

Verschleißrate. 

GROB-WERKE GmbH & Co. KG | www.grobgroup.com 


uND ausblIcK 

Wir gratulieren und 

sagen Danke 

KolbENsYsTEME 

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. 


[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 200 -01- 

1 1, 200 

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.

NuTZfahRZEuGTEchNIK 

KOMPeTeNZ UND KOMPONeNTeN 

RUND UM DEN NUTzFAHRzEUGMOTOR 

Eine wesentliche Entwicklungsaufgabe am Nutzfahrzeug (Nfz)-Dieselmotor ist nach wie vor die Darstel- 

lung geringster Stickoxid- und Partikelemissionen unter Beibehaltung höchster motorischer Wirkungs- 

grade. 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-Road- 

Bereich in der Business Unit Commercial Diesel Systems (CDS) zusammengeführt. 


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. 


AUTOREN 

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 Off- 

Road-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 NO X hauptsächlich thermisch 

gebildet [2]. Dieser Vorgang wird durch den Zeldovich-Mechanismus 

beschrieben, der unter einigen vereinfachenden Annahmen 

zu 

Gl. 1 d(nNO ) 

_____ 

dt ~ √ ___ 

_______ 

n n o2 N2 

√ __ 

V [ 1 ___ 

√ __ 

T exp ____ – E 

( R T m ) ] 

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 O und 2 

N im Abgas einzusetzen. Nach Gl. 1 stehen damit grundsätzlich 

2 

folgende Wege zur Absenkung der NO-Bildungsrate zur Verfügung: 

: 

: 

: 

: 


möglichst kleine Stoffmenge n O2 (im Abgas). Dies setzt eine 

Verbrennung mit geringem Luftüberschuss voraus (a) 

eine geringe Stoffmenge n N2 (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


zuwiderlaufen. Der Zylinder ist also vorzugsweise 

mit den Verbrennungsprodukten 

CO 2 und H 2 O 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 (λ = 1) wesentlich 

NO X -wirksamer als eine Abmagerung 

(λ ≥ 1) [2]. 

Praktisch müssen die Ziele (a), (d1) 

und (d2) durch Aufladung mit gekühltem 

Abgas bei geringem O 2 -Anteil erfüllt werden 

[3]. Da die Mengenanteile von N 2 in 

Luft und Abgas nahezu identisch sind, bedeutet 

jede Aufladung (auch durch AGR) 

eine Erhöhung der Stoffmenge n N2 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 ❶ definierte Zylinder-Luftverhältnis 

Gl. 2 λ = λ + x _____ λ – 1 

z R ( 1 – xR ) ( λL ______ st 

λL + 1 ) st 

dem üblichen, äußeren Wert λ vorgezogen 

werden (x R : AGR-Rate, L st : stöchiometrischer 

Luftbedarf). Die Formel ergibt 

sich aus den Basisstoffbilanzen und berücksichtigt, 

dass auch der O 2 -Anteil der 

AGR zur Oxidation genutzt werden kann. 

PRoZEssausWIRKuNGEN 

Eine bewusst einfache Kreisprozessrechnung 

soll demonstrieren, was die skizzierte 

NO X -Strategie motorisch auslöst. 

Ausgehend von einem Volllast-Punkt ohne 

❶ Definition Zylinder-Luftverhältnis 

Definition of the in-cylinder air fuel ratio 

AGR (Index o) wird die Rate der Hochdruck-AGR 

schrittweise angehoben. Mitteldruck, 

Luftverhältnis λ Z , Spitzendruck 

und ATL-Gesamtwirkungsgrad werden 

durch Anpassung von Ladedruck, Einspritzmenge, 

Verbrennungslage und Druck 

vor Turbine festgehalten. Für Ladeluft- 

und AGR-Temperatur stromab ihrer Kühler 

werden in allen Punkten 65 °C beziehungsweise 

150 °C angenommen. ❷ 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 

❷ Wirkung der Aufladung durch AGR 

Effect of supercharging by EGR 

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 eta i (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 NO X -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 NO X - 

Emissionen aus. Der AGR-Kühler muss in 

einem gegebenen Bauraum geringe Druck- 


CaPaBILITIeS aND COMPONeNTS 

FOR COMMERCIAL VEHICLE ENGINES 

One of the primary development tasks on the commercial diesel engine is to minimize NO x 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 

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. 


No x foRMaTIoN aND REDucTIoN 

During combustion NO x 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 ) 

_____ 

dt ~ √ ___ 

_______ 

n n o2 N2 

√ __ 

V [ 1 ___ 

√ __ 

T exp ____ – E 

( R T m ) ] 

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 O and N in the exhaust gas. 

2 2 

According to Eq. 1, the following ways for 

reducing NO formation are available: 

: reduced quantity of O (in the exhaust 

2 

gas). This presupposes combustion 

with a low AFR (a) 

: low quantity of N (in the exhaust gas) 

2 

(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 

coMMERcIal VEhIclE TEchNIquE 

products CO 2 and H 2 O. 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 (λ=1) has a 

much greater effect on NO x reduction than 

lean combustion (λ ≥ 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 O 2 [3]. Since the 

concentrations of N 2 in the air and the exhaust 

gas are almost identical, any charging 

(including that by EGR) increases the 

quantity of N 2 in the cylinder. However, 

this in terms of (b) counterproductive effect 

is more than offset by (d2). 

AUTHORS 

DR.-ING. MIchaEl bREuER 

is Senior Manager Components 

and Thermodynamics at Advanced 



DR.-ING. MaRTIN hoPP 

is Senior Manager in the 

Business Unit CDS at Pierburg 

GmbH in Neuss (Germany). 

DR.-ING. KaRl WübbEKE 

is Director of the Business 

Unit CDS at Pierburg GmbH 

in Neuss (Germany). 

9


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 AGR- 

Rate 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. 

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, ❸. 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 

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 

❹ Pierburg-AGR-Ventil für Nfz 

Pierburg EGR valve for commercial vehicles 

❸ Kennfeld Pierburg-Abgasturbolader 

Performance map of Pierburg 

turbochargers 

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 Drehzahl- 

und 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. 


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 ❶ 

Eq. 2 λ = λ + x _____ λ – 1 

z R ( 1 – xR ) ( λL ______ st 

λL + 1 ) st 

should be preferred over the conventional 

AFR value to describe the actual stoichiometry 

in the combustion chamber (x R : EGR 

rate, L st : stoichiometric AFR). The formula is 

derived from the equilibrium of substances 

and accounts for the fact that the share of 

O 2 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 ❷ 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 eta i (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 NO x 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 NO emissions. In a 

x 

given package, the EGR cooler has to reconcile 

low pressure losses and a high 

cooling performance – conflicting goals 

both in terms of design and flow mechanics. 

Moreover, the cooler has to perform 

even after two million kilometers in sootloaded 

exhaust gas. 

In addition to the limits identified 

above, the quantity of heat introduced into 

the cooling system may limit the EGR 

rate. Therefore it is widely accepted that 

exhaust gas after-treatment systems (DPF, 

SCR) must assist the measures on the 

combustion system to meet Euro 6. Given 

different degrees of after-treatment capacity 

utilization, the following charging strategies 

are feasible, possibly taking into account 

their engine braking effect: 

: single-stage charging with a fixed 

geometry turbocharger with or without 

a waste gate 

: single-stage charging with a VNT 

turbocharger 

: two-stage charging with fixed or variable 

geometry of the high-pressure turbine 

for maximum charging pressures 

and a multitude of control options. 

Once the charging system is defined, the 

feasible EGR rate depends on the performance 

of the EGR cooler, the EGR system, 

and the EGR valves. There is a fundamen- 


tal demand for low pressure losses. In addition, 

fast and accurate control of the 

EGR flow rate is crucial. 

PIERbuRG TuRbochaRGER 

Thanks to a modular design the Pierburg 

turbocharger family covers diesel engines 

for a wide variety of on- and off-road commercial 

applications and is suitable for 4 to 

18 l displacement per turbocharger, ❸. 

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


❺ 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 Aluminium- 

AGR-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, ❹. 

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- 

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-Duty- 

Bereich mit Betriebsdauern bis 8000 h. 

Die erprobten AGR-Rückschlagventile 

bieten die Möglichkeit, die Gasdynamik in 

Abgas- und Saugleitung zur Erhöhung der 

❻ Abgasmassenstromsensor (AGS) 

Exhaust gas mass flow sensor 

AGR-Rate zu nutzen, ❺. 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) 

Hohe Abgasrückführraten, gestiegene Anforderungen 

an die Regelgüte im dynamischen 

Betrieb sowie die Forderungen 

der OBD II waren die Motivation zur Entwicklung 

des Abgasmassenstromsensors 

(AGS), ❻. 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- 


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, ❹. 

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, ❺. 

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, ❻. 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 NO x 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. ❼ 

shows a typical design. 

The material’s outstanding conductivity 

and the production process permit the use 

of cooling fins that extend into the gas 

chamber and discharge the absorbed heat 

via its foot into the coolant. Fin height 

and width are adapted to the local heat 

flow density. For good reasons, fin length 

is limited in flow direction, yielding crosstalk 

windows. The length and position of 

these windows are optimized with regard 

to the following, in some cases conflicting 

demands: 

: avoidance of excessive boundary layer 

formation at the fins and the associated 

loss of heat transfer 

: creation of a large heat exchange 

surface. 

: high tolerance to imperfect flow uniformity 

on the hot side 

: minimization of pressure losses, particularly 

with respect to possible soot 

deposits. 


Each gas cassette is composed of two die 

castings with corresponding cooling fins. 

All shells are joined together by friction 

stir welding [8]. This creates a very compact 

and robust design. At the same time, 

aluminum’s good thermal conductivity is 

retained even across interfaces, with benefits 

for the thermal load and the cooling 

performance. Further significant benefits 

are yielded by the fin concept in actual, 

transient operation [9]. 

ThRoTTlE boDIEs aND ExhausT 

bacK PREssuRE ValVEs 

These established and proven components 

complete the product range. For details, 

please refer to [10]. 

suMMaRY 

To achieve low NO x 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 NO x 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. 

2 . 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 9 (2008) Nr. 11 

[4] Pischinger, S.: Verbrennungsmotoren I, II. 

Vorlesungsumdruck RWTH Aachen, 200 

[5] Adolph, D. et. al.: Modernes Dieselbrennverfahren: 

Günstige Rohemissionen bei verbessertem 

Verbrauchsverhalten. In: MTZ 9 (2008) Nr. 1 

[6] Tönnesmann, A. et. al.: Mechatronisches Abgasrückführventil 

für Nutzfahrzeug-Anwendungen. 

In: MTZ 9 (2008) Nr. 9 

[7] Grimm, K. et. al.: Keramischer Heißfilmsensor 

zur Abgasmassenstrommessung in automotiven Anwendungen. 

1 . Aachener Kolloquium Fahrzeug- 

und Motorentechnik, 2008 

[8] Krawinkel, U., Thomer, O.: Reibrührschweißen von 

Abgasrückführkühlern. In: ATZproduktion 0 -0 /2009 

[9] Breuer, M. et. al.: Transientes Verhalten von 

AGR-Kühlern. . VDI-Fachtagung Ventiltrieb und 

Zylinderkopf, Würzburg 2008 

[10] www.kspg.de 

8


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 NO X -Partikel-Zielgebiet 

liegt und so das volle Potenzial der AGR 

eröffnet [7]. Für die Kommunikation mit 

dem Motorsteuergerät stehen der CAN- 

Bus, 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. 

❼ 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]. 

❼ 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. 


Zur Darstellung niedriger NO X -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. 


[1] Ruhkamp, L. et. al.: Maßnahmen zur weiteren 

Senkung der Rohemissionen von Nfz-Dieselmotoren. 

2 . 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 9 (2008) Nr. 11 

[4] Pischinger, S.: Verbrennungsmotoren I, II. 

Vorlesungsumdruck RWTH Aachen, 200 

[5] Adolph, D. et. al.: Modernes Dieselbrennverfahren: 

Günstige Rohemissionen bei verbessertem 

Verbrauchsverhalten. In: MTZ 9 (2008) Nr. 1 

[6] Tönnesmann, A. et. al.: Mechatronisches Abgasrückführventil 

für Nutzfahrzeug-Anwendungen. 

In: MTZ 9 (2008) Nr. 9 

[7] Grimm, K. et. al.: Keramischer Heißfilmsensor 

zur Abgasmassenstrommessung in automotiven 

Anwendungen. 1 . Aachener Kolloquium Fahrzeug- 

und Motorentechnik, 2008 

[8] Krawinkel, U., Thomer, O.: Reibrührschweißen 

von Abgasrückführkühlern. In: ATZproduktion 0 - 

0 /2009 

[9] Breuer, M. et. al.: Transientes Verhalten von 

AGR-Kühlern. . VDI-Fachtagung Ventiltrieb und 

Zylinderkopf, Würzburg 2008 

[10] www.kspg.de 


IMPRESSUM | IMPRINT 

März 2010 | March 2010 

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WIssENschafTlIchER bEIRaT 

scIENTIfIc aDVIsoRY boaRD 

aTZ 

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München, Dr.-Ing. Peter Gutzmer, 

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Michael Paul, zF Friedrichshafen AG, 

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Volkswagen AG 

MTZ 

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Stuttgart, Prof. Dr. techn. Christian 

Beidl, TU Darmstadt, Dr.-Ing. Ulrich Dohle, 

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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 


hERausGEbER | EDIToRs-IN-chaRGE 

Dr.-Ing. E. h. Richard van Basshuysen 

wolfgang Siebenpfeiffer 

REDaKTIoN | EDIToRIal sTaff 

chEfREDaKTEuR | EDIToR-IN-chIEf 

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Elektrik, Elektronik I Electrics, Electronics 

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Gesamtleitung Produktion | Senior Production Christian Staral | Gesamtleitung Produktion | Sales Director Gabriel Göttlinger 

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PRoDuKTMaNaGEMENT auToMEDIEN 

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PuMPEN 

eLeKTrIfIZIerUNG 

TREIBT PUMPENINNOVATIONEN 

AUTOREN 

DIPl.-ING. achIM bRöMMEl 

Leitung Produktentwicklung und 

Fertigungsprozesse bei Pierburg 

Pump Technology in Neuss. 

DIPl.-ING. MIchaEl RoMbach 

ist Leiter Produktentwicklung 

Vakuumpumpen bei Pierburg 


DR.-ING. bERND WIcKERaTh 

ist Technischer Experte 

Strömungsmechanik bei Pierburg 


DIPl.-ING. ThoMas WIENEcKE 


elektrische Kühlmittelpumpen bei 

Pierburg Pump Technology 

in Neuss. 


DIPl.-ING. JEaN-MIchEl DuRaND 


mechanische Kühlmittelpumpen bei 

Pierburg Pump Technology in 

Thionville (Frankreich). 


DIPl.-ING. GIacoMo aRMENIo 


Ölpumpen bei Pierburg Pump 

Technology in Livorno 

(Italien). 

Pierburg Pump Technology (PPT) gilt als weltweit an- 

erkannter Spezialist für innovative und zukunftsweisen- 

de 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. Ph.D. 

RaffaElE squaRcINI 

ist Gruppenleiter Berechnung 

und Simulation bei Pierburg Pump 

Technology in Livorno (Italien). 

PuMPEN 

DIPl.-ING. ThoMas JoachIM GIbaT 

ist Leiter Elektronik in der Zentralen 

Entwicklung der Kolbenschmidt 


8

PuMPEN 

❶ 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 Geräusch- 

emissionen. 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 

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. 

❷ Kennfelder elektrischer Kühlmittelpumpen 

Hydraulic characteristic of electric coolant pumps 

Im Zuge der Abgasnormen Euro 5 und 

Euro 6 entwickelte PPT bereits verschiedene 

variable Kühlmittelpumpen, ❶. 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 Pkw- 

Bereich 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 


eLeCTrIfICaTION 

POwERS PUMP INNOVATION 

Pierburg Pump Technology (PPT) is a globally acknowledged specialist in innovative and futuristic pump tech- 

nology. 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 

PuMPs 

AUTHORS 

DIPl.-ING. achIM bRöMMEl 

is Vice President Engineering and 

Manufacturing Process at Pierburg 

Pump Technology in Neuss 

(Germany). 

DIPl.-ING. MIchaEl RoMbach 


Engineering Vacuum Pumps at 

Pierburg Pump Technology in Neuss 

(Germany). 

DR.-ING. bERND WIcKERaTh 

is Technical Expert Fluid Dynamics 

at Pierburg Pump Technology in 

Neuss (Germany). 

DIPl.-ING. ThoMas WIENEcKE 


Engineering Electric Water Pumps at 

Pierburg Pump Technology in Neuss 

(Germany). 

DIPl.-ING. JEaN-MIchEl DuRaND 


Engineering Mechanical Water 

Pumps at Pierburg Pump 

Technology in Thionville (France). 

DIPl.-ING. GIacoMo aRMENIo 

is Senior Manager Product Engineering 

Oil Pumps at Pierburg Pump 

Technology in Livorno (Italy). 

DIPl.-ING. Ph.D. RaffaElE squaRcINI 

is Group Manager Calculation 

and Simulation at Pierburg Pump 

Technology in Livorno (Italy). 

DIPl.-ING. ThoMas JoachIM GIbaT 

is Senior Manager Electronics 

within Central Engineering 

of Kolbenschmidt Pierburg AG 

in Neuss (Germany) 

89

PuMPEN 

❹ Elektronikmodul der elektrischen Kühlmittelpumpe CWA 00 

Electronic module of the electric coolant pump CWA 00 

❸ Schnittbild der elektrischen 

Kühlmittelpumpe CWA50 

Cross section model of the electric 

coolant pump CWA50 

❺ Variable mechanische Ölpumpe 

Variable mechanical oil pump 

zurzeit diese viel versprechende Technologie 

am Fahrzeug validiert. 

ElEKTRIschE KühlMITTElPuMPEN 

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 Antriebskon- 


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, ❶. 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, ❷. 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, ❸. The impeller that 

generates coolant flow in the cooling system 

is driven by a wet rotor. This eliminates 

all dynamic seals and keeps the system 

robust and leakage-free throughout 

its service life with an inexpensive design. 

The wet rotor and stator are separated by 

a containment shell and together make up 

the brushless EC motor. The electronics, 

❹, 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 

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, 

❺. 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 ❻. The pressure is limited 

here at low speeds and at temperatures 

91

PuMPEN 

zepte wie Hybrid-, Elektro- oder Brennstoffzellen-Fahrzeuge 

erweitern das Anwendungsgebiet 

der elektrischen Kühlmittelpumpen. 

So erfordern diese neuen Konzepte 

die Kühlung von Batterien, DC/DC- 

Wandlern, Leistungselektroniken und Antriebsmotoren 

sowie bei Bedarf die Abgabe 

der Wärme in die Fahrgastzelle. 

❻ Potenzial der Energieeinsparung 

der variablen 

Ölpumpen 

Potential energy conservation 

of variable oil pumps 

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, ❷. 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, ❸. 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, ❹, 

deren wesentliche Aufgabe darin besteht, 

die Kommutierung des bürstenlosen DC- 

Motors 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 

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 Syste- 


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, 

❼, 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, ❽ 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, ❾, 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 

PuMPs 

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, 

❿. 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, ⓫. 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. 

9

PuMPEN 

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, 

❺. 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 ❻ beispielhaft zeigt. 

Dabei erfolgt eine Druckbegrenzung bei 

niedrigen Drehzahlen und bei Temperaturen, 

welche nicht den üblichen Betriebs- 

temperaturen entsprechen. Je nach Strategie 

können gute Ergebnisse bereits mit 

❽ Elektrische Ölpumpe X20R 

Electric oil pump X20R 

❼ 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 NEFZ- 

Prüfzyklus 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. Mehrkörper- 

Analysen 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 CFD- 

Simulationen, ❼, ist von grundlegender 

Bedeutung für die Optimierung der Strömungsdynamik 

in der Pumpe und die 


❾ Temperaturverteilung in einer elektrischen Ölpumpe 

Temperature distribution in an electric oil pump 

Verringerung von Druckschwan kun gen, 

insbesondere wenn in dem zu fördernden 

Öl große Mengen Luft enthalten sind. 

Hierzu muss die Physik der Mehrphasenströmung 

in die Berechnungsmodelle integriert 

werden, wobei üblicher weise 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. 

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 hydrau lischen 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 Zuverläs- 


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. ❽ zeigt beispielhaft 

die auf einen 200 W Motor basierende 

und bereits in Serie befindliche Ölpumpe 

X20R. Je nach Anforderung kann die 

Elekt ronik, 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, ❾, sowie eines interdiszipli 

nären Expertenwissens, über das 

PPT seit vielen Jahren verfügt. 

VaKuuMPuMPEN 

Vakuumpumpen werden primär zur Unterdruckversorgung 

pneumatisch wirkender 

Bremskraftverstärker eingesetzt und 

stellen somit ein sicherheitsrelevantes Bauteil 

dar. Darüber hinaus dient die Pumpe 

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Die ganze Welt des 

Verbrennungsmotors 

- jetzt neu mit Hybridantrieb 

und Energiemanagement 

Richard van Basshuysen | 

Fred Schäfer (Hrsg.) 

Handbuch 

Verbrennungsmotor 

Grundlagen, Komponenten, 

Systeme, Perspektiven 

5., vollst. überarb. und erw. Aufl. 2010. 

XLVI, 1176 S. mit 1793 Abb. (ATZ/MTZ- 

Fachbuch) Geb. EUR 109,00 

ISBN 978-3-8348-0699-4 

Das Handbuch Verbrennungsmotor enthält 

umfassende Informationen über Otto- und 

Dieselmotoren. In wissenschaftlich anschaulicher 

und gleichzeitig praxisrelevanter 

Form sind Grundlagen, Komponenten, 

Systeme und Perspektiven dargestellt. 

Theoretiker und Praktiker haben die Möglichkeit, 

sich über den neuesten Stand der 

Motorentechnik zu informieren. Es gibt ein 

eigenes Kapitel zum Hybridantrieb. 

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Handbuch Verbrennungsmotor 

ISBN 978-3-8348-0699-4 

EUR 109,00 

Datum | Unterschrift 

Geschäftsführer: Dr. Ralf Birkelbach, Albrecht F. Schirmacher 

AG Wiesbaden HRB 9754 

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TECHNIK BEWEGT. 

321 09 568 

Änderungen vorbehalten. Erhältlich im Buchhandel oder beim Verlag, zuzüglich Versandkosten

PuMPEN 

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 

❿ Einflügelvakuumpumpe 

Single-vane vacuum pump 

Schwenkflügelvakuumpumpen entwickelte 

PPT im Zuge von Optimierungen 

eine Einflügelvakuumpumpe, ❿. 

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- 

⓫ Leistungsoptimierte Einflügelvakuumpumpe 

Increased power-rated single-vane 

vacuum pump 

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, ⓫. 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.

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