Konstruktion und Gießtechnik des Aluminium-Kurbelgehäuses der ...

GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013) HEFT 3/4Konstruktion und Gießtechnik des Aluminium-Kurbelgehäuses der neuen Spitzenmotorisierungdes BMW M550xd unter Einsatzder anorganischen Sandkernfertigung *)The New Top Diesel Engine for the BMW M550xd:Design and Casting Technology of the Aluminum Crankcase by Application of anorganic Core Production.Dr.techn. Emmerich Weissenbek,Fachprojektleitung QualitätsmanagementAntrieb, BMW AG MünchenMitautoren:Bernhard Zabern und Johann Stastny,BMW Steyr, DieselmotorenentwicklungDr. Andreas Fent und Christian Högl, BMW Werk Landshut,LeichtmetallgießereiSchlüsselwörter: anorganische Sandkernfertigung, GießtechnikKurbelgehäuse, ZentralspeiserkonzeptKurzfassungWesentliche Ziele für die Entwicklung des Motors warenein Leistungs-, Drehmoment- und Komfortangebot mindestensauf Niveau von 8-Zylinder Wettbewerbern, jedochgleichzeitig einen für bisherige BMW 6-ZylinderDieselmotoren typisch niedrigen Kraftstoffverbrauch undniedriges Leistungsgewicht beizubehalten. Die Vision, dieBMW Strategie „EfficientDynamics“ im Bereich der Dieselmotorendurch Weiterentwicklung der BMW TwinPowerTurbo-Technologie mit drei Abgasturboladern auf einneues Niveau zu heben, führt natürlich auch für die triebwerksseitigeDarstellung der Dauerhaltbarkeit zur Notwendigkeit,neue Lösungsansätze zu entwickeln. DieKonstruktion des Kurbelgehäuses basiert auf dem 6-ZylinderBasismotor, optimiert mit einer Fülle von festigkeitssteigerndenMaßnahmen für 200 bar Spitzendruckund auf dem Einsatz eines Zugankerkonzeptes zur Vermeidungvon Direktverschraubungen im Aluminium.Die BMW Leichtmetallgießerei nutzt die Erkenntnisseder anorganischen Sandkernfertigung und löst die gestiegenenAnforderung im Bereich des Lagerstuhles und spezielldes Zylindersteges durch den Einsatz des neuartigenZentralspeiserkonzeptes. Es basiert auf den Vorteilen deranorganischen Sandkernfertigung und bringt massiveFunktions- und Kostenvorteile. Der neue Motor setzt erstmalsin den betont sportlichen BMW M-Performance-Automobilen der X5/X6- sowie der 5er und 7er-Baureiheein.1. EinleitungDie BMW Dieselmotoren sind ein fester Bestandteil derBMW Strategie „EfficientDynamics“ und stellen mit der*) Vorgetragen von E. Weissenbek auf der VDI-Tagung „Gießtechnikim Motorenbau – Potenziale für die nächste Generationvon Fahrzeugantrieben“, Magdeburg, 5./6. Februar 2013 (s.a,VDI-Berichte 2189, Rezension auf Seite 104 dieses Heftes)erstmaligen Einführung der Stufenaufladung aus demJahr 2004 den Benchmark im Wettbewerbsumfeld dar [1].Die konsequente Weiterentwicklung der TwinPower TurboTechnologie ermöglicht einerseits die Verbindung von8-zylindertypischer Leistung mit 6-zylindertypischemVerbrauch und Gewicht, stellt aber andererseits durch dienotwendige Erhöhung des Zünddruckes die Konstruktiondes Triebwerks und die Gießtechnologieentwicklungfür das Aluminium-Kurbelgehäuse vor neue Herausforderungen.Der Entwicklungsprozess der Motorkernbauteile Zylinderkopfund Kurbelgehäuse stand immer in enger Abstimmungzwischen der Bauteilkonstruktion und derGießprozessentwicklung. Die ursprünglich eher versuchsorientierteGeometrie- und Verfahrensoptimierungist heute einer fast vollständig numerischen Produkt- undProzessauslegung gewichen. Im Jahr 2005 wurden die bisdahin im Dieselmotor üblichen und teilweise heute nochverwendeten Graugusskurbelgehäuse von BMW erstmalsdurch deutlich leichtere Aluminiumbauteile aus derBMW Leichtmetallgießerei ersetzt [2, 3].Parallel zur leichtbauorientierten Produktentwicklunghat die BMW Leichtmetallgießerei 2006 begonnen, systematischund flächendeckend die Sandkernfertigung imKokillenguss auf anorganisch gebundene Sandkerne umzustellen.Diese nachhaltige („sustainable“) Prozessinnovationführte, passend zur BMW Philosophie „CleanProduction“,zu Vorteilen für Mitarbeiter und Umwelt sowiezur Qualitätsverbesserung und zur Kostenreduktion. Inder folgenden Dieselmotorgeneration [4] ist diese Prozess -innovation im (dem klassischen Gießprozess) vorgelagertenBereich der Sandkernfertigung erstmals auch die Basisfür gießtechnologische Neuerungen in der Kokillenauslegung.Produktseitig führt die anorganische Sandkernfertigungzur Verbesserung der Bauteilqualität undermöglicht Festigkeitssteigerungen der MotorkernbauteileZylinderkopf und Zylinderkurbelgehäuse. Die Umstellungder Sandkernfertigung in der BMW Leichtmetallgießereiauf nachhaltige Bindemitteltechnologie ist abgeschlossen.Der Schwerpunkt der aktuellen Kokillenwerkzeug-,Prozess- und Bauteilentwicklung liegt nun auf derNutzung der beschriebenen Vorteile des VorprozessesKernfertigung zur weiteren Hebung von Kosten- undLeichtbaupotentialen im Folgeprozess Gießen innerhalbdes Wertstromes Gießerei.2. Beschreibung MotorkonzeptZum weiteren Ausbau der Führungsposition im Premiumsegmentwurde als Dieselspitzenmotorisierung eineneue BMW TwinPower Turbo-Variante entwickelt. WesentlicheZiele waren ein Leistungs-, Drehmoment- undKomfortangebot mindestens auf Niveau von 8-ZylinderWettbewerbern, jedoch gleichzeitig ein für bisherige78

HEFT 3/4 GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013)Bild 1: Entwicklung der Leistungsdichtevon BMW Dieselmotoren[5].BMW 6-Zylinder Dieselmotoren typisch niedriger Kraftstoffverbauchund niedriges Leistungsgewicht.Aufladung, Einspritztechnik und die triebwerksseitigeDarstellbarkeit hoher Zylinderdrücke sind Schlüsseltechnologienzur Leistungssteigerung. Der neue BMW Twin-Power Turbo-Dieselantrieb basiert auf den Hauptabmessungender bisherigen 3.0 l 6-Zylinder Reihendieselmotoren[5]. Kernstück des neuen Motors ist ein 2-stufigesAufladesystem, bestehend aus drei Abgasturboladern.Erstmals wird ein Common Rail-Einspritzsystem mit2.200 bar Systemdruck eingesetzt. Das Triebwerk wurdefür einen maximalen Zylinderdruck von 200 bar ausgelegt;innovatives Merkmal ist ein Aluminium-Zylinderkurbelgehäusemit Zugankerverschraubung. Das Kühlsystembeinhaltet eine indirekte zweistufige Ladeluftkühlung[6].Der neue BMW 6-Zylinder TwinPower Turbo-Dieselmotorerreicht eine Nennleistung von 280 kW und einmaximales Drehmoment von 740 Nm. Mit einer spezifischenLeistung von 93,6 kW/l Hubraum nimmt er dieSpitzenposition unter Seriendieselmotoren ein. Durchumfangreiche Reibleistungsmaßnahmen wird trotz höhererZünddruckauslegung das Reibleistungsniveau bisherigerBMW 6-Zylinder Dieselantriebe erreicht. Der BMWX5 M50d erreicht in nur 5,4 s die 100 km/h-Marke undliegt mit einem Normverbrauch von 7,5 l/100km um mindestens18 % unter den Wettbewerbern. Der BMWM550d xDrive ist mit einer Beschleunigung 0 – 100 km/hin 4,7 s und einem Normverbrauch von 6,3 l/100 km inseiner Kategorie konkurrenzlos. In der BMW 5er-Baureihewird der neue Dieselantrieb ausschließlich mit der AbgasstufeEU6 angeboten, die Abgasanlage ist serienmäßigmit einem NOx-Speicherkatalysator ausgerüstet.2.1 Herausforderungen Bauteilfestigkeitdurch AufladungHohe Fahrdynamik verbunden mit niedrigem Kraftstoffverbrauchwar immer schon eine Domäne der BMW Dieselfahrzeuge.Mit diesen Eigenschaften stellen die Dieselantriebewichtige Bausteine der BMW Strategie Efficient-Dynamics dar. Neben einer Vielzahl direkter motorischerVerbrauchsmaßnahmen kommt dabei dem „Upgrading“der Zylinderleistung je Hubraum eine zentrale Bedeutungzu (siehe Bild 1). Dadurch können Fahrleistungen großvolumigerMotoren erreicht werden; gleichzeitig wird derVerbrauchs- und Gewichtsvorteil kleinvolumiger Motorenbewahrt. Mit der Einführung des ersten 2-stufig aufgeladenen6-Zylinder PKW-Seriendieselmotors durch BMWin 2004 wurde diesbezüglich ein neues Kapitel aufgeschlagen[1]. BMW hat diesen Weg in den Folgejahrenkonsequent fortgesetzt. In 2011 lief mit dem 640d bereitsdie vierte Generation der zweistufig aufgeladenen BMW6-Zylinder Dieselmotoren an [5].Mit steigenden Ladedrücken verschieben sich die Optimader Leistungsdichte zu höheren Zylinderdrücken.Gleichzeitig nimmt die Sensitivität der Leistungsdichteauf den maximalen Zylinderdruck deutlich zu (Bild 2).Bild 2: Hauptparameter zur Leistungssteigerung [5].79

GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013) HEFT 3/4Entsprechend dieser Zusammenhänge wurden dieSchlüsseltechnologien für den neuen Motor ausgewählt:• 2-stufige Aufladung im nahezu gesamten Motorkennfeldfür höchste Ladedrücke• Indirekte Ladeluftkühlung mit Zwischenkühlung zwischenNieder- und Hochdruckstufe• Druckgesteigertes Common Rail-Einspritzsystem• Triebwerksauslegung für erhöhte maximale Zylinderdrücke3. Grundmotor und konstruktive LösungKurbelgehäuseDas Triebwerk des neuen BMW 6-Zylinder TwinPowerTurbo-Dieselmotors basiert auf dem bekannten 2.0 l/3.0 lBMW Baukasten mit einem einheitlichen Zylindervolumenvon 499 cm 3 [5]. Der Hub von 90 mm, die Bohrungvon 84 mm und der Zylinderabstand von 91 mm sindidentisch [6], wodurch eine Integration in den existierendenBMW Fertigungsverbund mit minimalem Aufwanddarstellbar ist.3.1 ZylinderkurbelgehäuseBei der Gestaltung des Zylinderkurbelgehäuses musstenfolgende Zielkonflikte gelöst werden:• Darstellung in Voll-Aluminium-Bauweise bei Zünddruckvon 200 bar• Integration in Fertigungsverbund mit vorgegebenenHauptabmessungen• Übernahme der Anbauteile vom 6-Zylinder BasismotorUm das Voll-Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse unterden o.a. Randbedingungen zu ertüchtigen, wurde eineKombination aus Werkstoff- und Gestaltungsmaßnahmenumgesetzt. Analog zum BMW Basis 6-Zylindermotor wirdals Werkstoff AlSi7MgCu0,5 mit einer T6 Wärmebehandlungverwendet. Der Wärmebehandlung ist ein sogenannter„HIP-Prozess“ (HIP = Heiß-isostatisches-Pressen) vorgeschaltet.Dadurch kann die Bauteilfestigkeit um durchschnittlich12% gesteigert werden. Zusätzlich mussten dieVorspannkräfte der Zylinderkopf- und Hauptlagerschraubenerhöht werden. Um einen optimalen Kraftfluss zu erhaltenund weil eine Direktverschraubung im Aluminiumwerkstoffnicht mehr möglich war, wurde ein Schraubverbundmit einem im Al-Kurbelgehäuse eingepresstenZugankerbolzen aus Stahl entwickelt (siehe Bild 3).Für die Zylinderlaufbahn wurde die thermisch gefügteGG-Buchse mit 1 mm Wandstärkeübernommen. Um denStegbereich thermisch stabilzu halten bzw. eine ausreichendeWärmeabfuhr zu gewährleisten,wurde im Vergleichzum Basismotor einezweite Steg-Kühlungsbohrungeingebracht. Als festigkeitsoptimaleLösung wird die obereKühlungsbohrung mit geringeremDurchmesser ausgeführt.Diese konstruktive Lösungführt natürlich auch zu einergesteigerten Anforderung andie Dichtheit und damit andas Gefüge. Die Stegtemperaturenauf der Brennraumfläche80Bild 3: Zylinderkurbelgehäuse mit Zugankerkonzept [5].können damit um bis zu 27°C reduziert werden. Ausführungund Temperaturverteilung sind in Bild 4 dargestellt.4. Gießtechnik für Kurbelgehäuse4.1 Aluminium-Kurbelgehäuse der 1. GenerationIm Gegensatz zum Zylinderkopf, bei dem sich der Bereichschneller Erstarrung mit dem Bereich hoher Belastungim Brennraum beim Schwerkraftguss normalerweisedeckt, sind der funktionsorientierte Ansatz „Maximierungder Lagerstuhlfestigkeit“ und der prozessorientierteAnsatz „Anschnitt in den dicken Lagerstuhlbereichen“diametral gegenläufig. Beim in 2005 eingeführten Sechszylinder-DieselZylinderkurbelgehäuse im Kokillengusshat die Leichtmetallgießerei den Anschnitt an die wenigerbelastete Ölwanne („Schürzenanguss“) verlegt, die Erstarrungsrichtung(Niederdruckerstarrung) von oben nachunten aber beibehalten. Für das deutlich höher belasteteV8-Bauteil wurde bereits in 2004 die Erstarrungsrichtungumgedreht und das Gießverfahren „Niederdruckbefüllungmit Schwerkrafterstarrung“ eingesetzt. Die Umsetzungdieser Innovation im Kleinserien-Sandgussverfahren(wegen der deutlich geringeren Stückzahlen des V8-Diesels) war werkzeug- und anlagentechnisch leichtermöglich. Die Gewichtsentwicklung durch die Substitu -tion GG auf Aluminium ist in Bild 5 dargestellt [3].Bild 4: Vergleich Stegbohrung Basis- zu neuem TwinPower Turbo-Dieselmotor [5].

HEFT 3/4 GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013)Bild 5: EntwicklungBMW DieselKurbelgehäuse-GewichtundMotorleistungbis 2005 [3].4.2 Aluminium-Kurbelgehäuse der 2.GenerationIn der Gießkonzeptfestlegung der nachfolgenden Dieselmotorengenerationwurden diese Erkenntnisse hinsichtlichBauteilfestigkeit und Erstarrungsrichtung erstmals imKokillenguss umgesetzt [4, 7, 8]. Damit wurde die Basisfür höhere Bauteilfestigkeitswerte im Bereich des (dieZünddruck- und Leistungsentwicklung) limitierenden Lagerstuhlsgelegt. Die Verwendung einer Kokille ermöglichtauch in den anderen Bereichen des Bauteiles eineschnelle Erstarrung und damit gute Festigkeitswerte sowiegeringe Porositäten.Die „Niederdruckbefüllung mit Schwerkrafterstarrung“kombiniert die Vorteile des Niederdruckgusses und desSchwerkraftgusses (Bild 6):• die gesteuerte Füllung des Werkzeuges sowie• die Erstarrung von unten nach oben (Schwerkrafterstarrung)zum Brennraum hinund konnte auch in den damals neuen Fertigungsstrukturender Leichtmetallgießerei umgesetzt werden.Die Änderung der Erstarrungsrichtung und die neuenEntwicklungen im Bereich der Aufladung lassen zusätzlichden Zylindersteg in den Fokusder Motor- und Gießentwicklungtreten. Eine schnelle Erstarrungund ein geringer DAS im Lagerstuhlbereichführen zwangsweisezu einem höheren DAS imStegbereich (siehe auch Bild 10,1. Gen) und umgekehrt (2. Gen).Dieser dialektische Ansatz führtentweder zu nicht akzeptablenEinschränkungen der Motorenentwicklungoder der Substitutionvon Aluminium durch das dreimalschwerere Gusseisen, verbundenmit einer deutlichen Gewichtszunahmeim Motor und zusätzlichim Vorderwagen.Bild 6: Temperaturverteilung bei der Erstarrung des Zylinderkurbelgehäuses [4].4.3 Anorganische Sandkernfertigung:Zusammenfassungund VorteileDie Vorteile der anorganischenSandkernfertigung sind zwischenzeitlichumfangreich publiziert[7,8,9] und innerhalb der BMWAG nicht nur Teil der Gießereistrategie,sondern auch Teil der81

GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013) HEFT 3/4Konzernstrategie „CleanProduc tion“ (siehe auch Nachhaltigkeitsberichtder BMW AG [10]).Daher nur eine kurze Zusammenfassung:Bisher beruhte die Aushärtung von Sandkernen mithandelsüblichen organischen Bindersystemen auf katalytisch(Coldbox durch Amin) oder thermisch (Warmbox,Hotbox) eingeleiteten Vernetzungsreaktionen (Polymerisation).Die harzumhüllten Quarzsandkörner werdendurch kleberähnliche Binderbrücken bei der Sandkernfertigungmiteinander verbunden. Beim Gießen kommt eszum Kontakt mit der heißen Schmelze und daher zu Zersetzungsreaktionender organischen Binderanteile, ähnlicheiner Verbrennung unter Sauerstoffmangel mit entsprechenderRauchentwicklung.Die neuen wasserglasbasierten Silikatbinder sind vonihrer chemischen Struktur dem Quarzsand sehr ähnlich.Die Aushärtung des Kernes erfolgt über eine Polykondensationsreaktion,bei der Wasser abgespalten wird. DerKernsand muss also „nur“ durch das heiße Kernschießwerkzeugmit Heißluftspülung getrocknet werden [11].Die organische Rauch- und Kondensatentwicklung wirktsich negativ auf• die Arbeitsbedingungen der Mitarbeiter,• die Bauteilfestigkeit,• die Taktzeit,• die Anlagen- und Werkzeugverfügbarkeit sowie• die Abluftreinigung und den daraus resultierendenEnergieverbrauch aus.Der Wegfall dieser Verbrennungsprodukte führt zu vielenVorteilen, diese lassen sich in drei Gruppen zusammenfassen:• die Arbeitsbedingungen der Mitarbeiter• die Qualität und die Festigkeit der Bauteile• die KostenDie großen technologischen Anstrengungen mussten bisherim Feld der vorgelagerten Kernfertigung erbracht werden,um die Serieneinführung dieser anspruchsvollenTechnik überhaupt zu ermöglichen. Die Vorteile, basierendauf der neuen Bindertechnologie, haben sich im erstenAnsatz natürlich auch auf die nachfolgende Kokillengieß-und Werkzeugtechnologie ausgewirkt. Daher kurzdie Zusammenfassung der zu diesem frühen Zeitpunktbereits erzielten Optimierungspotenziale im Gießprozess,basierend auf dem Einsatz von anorganisch gebundenenSandkernen:• Taktzeit–15 Prozent• Produktivität+15 Prozent• Werkzeuginstandhaltung–50 Prozent• Werkzeugstandzeit+25 ProzentErst nach einer umfassenden Serienerfahrung über mehrereMillionen Bauteile sowie viele unterschiedliche Bauteil-und Werkzeugkonstruktionsstände (Kurbelgehäuse,Zylinderköpfe für Otto und Dieselmotoren, Fahrwerksteile)ist eine zusammenfassende Bewertung dieser Technologieund ihrer Potentiale möglich. Nun können auch alte,eingefahrene Grenzen der Werkzeug- und Gießkonzeptentwicklungneu bewertet und ggf. überfahren werden.5. Gießtechnik für Kurbelgehäuseder 3. GenerationDie bereits dargelegten Entwicklungen in der Motorentechnikhaben eine neue Betrachtung der Gießtechnik fürKurbelgehäuse erforderlich gemacht. Die strategische Ableitungeines Zielekataloges für ein neues Gieß- undWerkzeugkonzept führt zu folgenden Prämissen:1. Deutliche Steigerung der Festigkeit im Zylindersteg(Aufladung)2. Leichte Steigerung der Festigkeit im Lagerstuhl3. LDS-Tauglichkeit des Gefüges (Laufflächenbeschichtung)4. Absenkung der Taktzeit5. Reduktion des Kreislaufmaterials6. Hohe Dichtheitsanforderung nach Bearbeitung imZylindersteg/Zuganker7. Reduzierung des Kokillenverschleißes (Standzeit,Wartungskosten)8. Nutzung vorhandener Strukturen und WerkzeugkonzepteNach verschiedenen umfangreichen Konzeptuntersuchungenstellte sich nur eine Lösung als zielführend heraus:Die Basis ist die Speisung im thermischen Zentrum!Dies ist der Bereich, wo ohne massive Werkzeugbeeinflussungder Hotspot am Ende der Erstarrung entsteht.Das thermische Zentrum liegt in der Mitte des Zylindersegmentsim Bereich Lagerstuhl/unterer Totpunkt desKolbens. Alle bisherigen Lösungen waren durch die langenNachspeisewege (wegen der Bauhöhe) von oben nachunten oder von unten nach oben kompromissbehaftet.Speziell die Anforderung „Dichtheit der Zugankerbohrungen“führte immer wieder zu prozessualen Einschränkungen,wie lange Erstarrungszeiten oder beheizten Bereichendes Werkzeuges. Damit steigt natürlich der Verschleißund die Wartungsintensität der Gießkokillen. Erstdie umfangreiche Erfahrung im Kokillenguss mit anorganischgebundenen Sandkernen (z.B. Fahrwerksteile mitKernen und innenliegenden Speisern) und die konsequenteNutzung deren Vorteile, speziell• hohe thermische Stabilität• hohe chemische Stabilität• „Rauchfreiheit“ bzw. die sehr geringe Kondensatbildungzeigten diesen Weg als gangbar auf.5.1. Zentralspeiserkonzept:Technische UmsetzungBild 7 zeigt die Anordnung der Speiserkerne in der geöffnetenGießkokille. Die Einzelspeiser werden in einerhochautomatisierten Kernschießanlage mit Mehrfachwerkzeuggefertigt, anschließend manuell in die Kokilleeingelegt und sind im vergossenen Zustand nur 500 gschwer. Dieser fertigungstechnische Mehraufwand gehtnatürlich in die Gesamtbetrachtung des Systems ein.Bild 8 zeigt den nächsten Arbeitsschritt in der Kerneinlegereihenfolge.Das mit dem Wasserpumpenkern (FunktionsintegrationWasserpumpengehäuse ins Kurbelgehäuse)vormontierte Wassermantelkernpaket kann wegen desgeringen Gewichtes auch beim Sechszylindermotor manuellin die Kokille eingelegt werden. Aufwendige Kerneinlegevorrichtungen,die die Zugänglichkeit der Kokilleund die Platzsituation für den Mitarbeiter erschweren,müssen nicht eingesetzt werden. Die Kokille schließt, derKokillenhohlraum wird mit Aluminium gefüllt. Die an derStahlkokille anliegenden Bereiche erstarren zuerst, speziellgilt das für den Lagerstuhl, den Zylindersteg undauch den Zugankerbereich. Dies führt zu kurzen Erstarrungsintervallenund einem geringen Dendritenarmabstand(DAS). Natürlich kommt der Kokillenentlüftungeine entscheidende Rolle zu. Die erwärmte Luft aus dem82

HEFT 3/4 GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013)Bild 7: Speiserkerne in der Kokille.Kokillenhohlraum und die zwischen den anorganisch gebundenenSandkernen eingelagerte Luft muss entweichenkönnen. Das Risiko der Versottung der Entlüftungskanaleist jedoch durch die „Rauchfreiheit“ massiv reduziert.Der Erstarrungsstart an der Oberfläche der Stahlkokilleführt zu geringen Oberflächentemperaturen des Gießwerkzeugsund damit auch zu gesteigerten Wartungsintervallen,geringeren Wartungsaufwendungen und längererKokillenlebensdauer. Die Erstarrung von außen nachinnen führt ebenso zu einer „Halbierung der Speisungswege“– von oben zum Zentralspeiser und zeitgleich vonunten zum Zentralspeiser – und damit zu einer deutlichenAbsenkung der Erstarrungszeit. Die Bauteilkonstruktionist in weiten Bereichen vom Basismotor abgeleitet,auch die Kokillenkonstruktion kann trotz stark veränderterErstarrungsmorphologie vom Basismotor konzeptionellübernommen werden; die Anschlüsse undGestellmaße sind unverändert. Das neue Werkzeug- undErstarrungskonzept „Zentralspeiser“ kann also in bestehendeStrukturen integriert werden.Bild 8: Speiserkerne und Wassermantel-Wasserpumpenkernpaketin der Kokille.5.2. Zentralspeiserkonzept:Festigkeits- und KostenvorteileDie weit verbreitete, klassische Niederdruckerstarrung(von oben nach unten, vom Brennraum zur Ölwannenfläche)führt zu einem sehr guten DAS im Stegbereich, aberzu deutlich langsamerer Erstarrung im Lagerstuhl (sieheBild 9, Kokillenguss 1. Gen.). Die Drehung der Erstarrungsrichtung(Kokillenguss 2. Gen.) verbessert die Lageim Lagerstuhl drastisch, aber führt zu einem Ansteigendes DAS im Bereich des Zylindersteges. Das neue Zentralspeiserkonzeptverbindet die Vorteile der beiden undführt sowohl im Lagerstuhl, aber speziell im Zylindersteg,zu deutlich reduzierten DAS-Werten. Durch die konstruktivenEinschränkungen (Zylindersteg, Lagerbreite)hat die Motorkonstruktion in diesen Bereichen nur wenigSpielraum und ist daher auf ein extrem gutes Gussgefügeangewiesen.Die DAS Verteilung der drei Konzepte ist in Bild 10dargestellt (links oben 1. Generation, rechts oben 2. Generation,Mitte unten 3. Generation mit Zentralspeiser).Es ist erkennbar, dass das neue Zentralspeiserkonzept zuDAS Vorteilen in allen Bauteilbereichen führt. Diewärmste Stelle (thermisches Zentrum, Anbindung desSpeisers) und damit die Stelle mit dem lokal höchstenDAS liegt im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens,eine Stelle, die sowohl mechanisch als auch thermischnicht übermäßig belastest ist. Auch der Zugankerbereicherstarrt sehr schnell und kann von außen über dieKokille beeinflusst werden. Die Neigung zur Undichtheitnach der mechanischen Bearbeitung sinkt drastisch, dieAbdichtquoten sind verschwindend gering. Die Beschichtungstauglichkeit(LDS anlog neuer Vierzylinder-Ottomotor) wurde anhand von Schliffen und Stichversuchenbestätigt; auf eine Umsetzung innerhalb der aktuellenDieselmotorenfamilie wurde verzichtet.Die aus der strategischen Ableitung des Zielkatalogesstammenden Punkte können zusammenfassend positivbewertet werden:1. Deutliche Steigerung derFestigkeit im Zylindersteg (Aufladung) erledigt2. Leichte Steigerung der Festigkeit im Lagerstuhl erl.Bild 9: Vergleich des DAS in kritischen Bereichen des Kurbelgehäuses.3. LDS Tauglichkeit des Gefüges(Laufflächenbeschichtung)erl.4. Absenkung der Taktzeit -20%5. Reduktion des Kreislaufmaterials-85%6. Hohe DichtheitsanforderungZylindersteg/Zugankererl.7. Reduzierung Kokillenverschleißerl.8. Nutzung vorhandener StrukturenundWerkzeugkonzepte erl.83

GIESSEREI-RUNDSCHAU 60 (2013) HEFT 3/41. Generation 2. GenerationFestigkeitssteigerung spiegelt sich auch in deutlich abgesenktenErstarrungszeiten wieder und zeigt auch massiveKostenvorteile. Diese nachhaltige Technologie ist Teil desFertigungsbaukastens Kurbelgehäuse und wird in zukünftigenMotorgenerationen ausgerollt.3. GenerationBild 10: Vergleich des DAS im Querschnitt des Kurbelgehäuses.6. ZusammenfassungDer neue BMW Dieselantrieb hat eine Nennleistung von280 kW und ein maximales Drehmoment von 740 Nm.Durch umfangreiche Reibleistungsmaßnahmen wird trotzhöherer Zünddruckauslegung das Reibleistungsniveaubisheriger BMW 6-Zylinder Dieselantriebe erreicht unddamit die Basis für einen deutlichen Vorteil in der DisziplinKraftstoffverbrauch gegenüber Wettbewerbern imSegment „großer“ Dieselmotoren gelegt. Der neue BMW6-Zylinder TwinPower Turbo-Dieselantrieb ist durch seinhohes Maß an Sportlichkeit, kombiniert mit einem in diesemSegment bislang unerreicht niedrigen Kraftstoffverbrauch,ein weiteres Paradebeispiel für die BMW StrategieEfficientDynamics.Die nachhaltige Neuentwicklung der Gießtechnik fürKurbelgehäuse, basierend auf den Vorteilen der in derBMW Leichtmetallgießerei erstmals weltweit vollständigeingeführten anorganischen Sandkernfertigung, führt zuden für die Motorentwicklung notwendigen Festigkeitssteigerungenim Bereich Lagerstuhl und Zylindersteg. Die7. Literaturhinweise[1] Der neue BMW Sechszylinder-Dieselmotor mit Stufenaufladung,MTZ 66 (2005) Nr. 5, S. 334–344.[2] Neu überarbeitete Dieselmotoren für die BMW 7er Reihe,26. Internationales Wiener Motorensymposium 2005.[3] Die neuen Sechs- und Achtzylinder-Leichtbau-Dieselmotorenvon BMW mit Aluminium-Kurbelgehäuse, 14. AachenerKolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik 2005.[4] Anorganische Kernfertigung für hochbelastete Zylinderköpfeam Beispiel des neuen BMW Sechszylinder Dieselmotors,Magdeburger Symposium Gießtechnik im Motorenbau2009.[5] Die neuen BMW 4-/6-Zylinder Dieselmotoren mit 2-stufigerAufladung, 20. Aachen Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik2011.[6] Die neuen Diesel Spitzenmotorisierungen von BMW, 33. InternationalesWiener Motorensymposium 2012.[7] Nachhaltiger Leichtmetallkokillenguss durch AnorganischeSandkernfertigung, ATZ Produktion 3 (2010), Nr. 03/04,62–67.[8] Zylinderkopffertigung der Zukunft:, MTZ 72 (2011), Nr. 06,S. 484–489.[9] BMW Leichtmetallgießerei setzt auf anorganisch gebundeneKerne, Gießerei 95 (2008) Nr. 6, S. 30–33.[10] BMW Sustainable Value Report 2005/2006 ff.[11] Inotec bewährt sich in der Praxis, Gießerei 95 (2008) Nr. 1,S. 44–48.Kontaktadresse:Dipl.-Ing. Dr.techn. Emmerich WeissenbekBMW AG | Fachprojektleitung Qualitätsmanagement AntriebD-80788 München | Knorrstraße 144Tel.:+49 (0)89 382 15142Mobil: +49 (0)176 601 15142E-Mail: emmerich.weissenbek@bmw.dewww.bmwgroup.de84