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2019 | Book

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Verbrennungsmotoren

Motormechanik, Berechnung und Auslegung des Hubkolbenmotors

Authors: Prof. Dr. Eduard Köhler, Prof. Dr. Rudolf Flierl

Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden

Book Series : ATZ / MTZ-Fachbuch

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

Table of Contents

About this book

Die bewegten und unbewegten Bauteile eines Kolbenmotors sind statischen und dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt, die den Gesetzen der Mechanik folgen. In diesem Buch werden die einzelnen Motorkomponenten und -baugruppen mit den dazugehörenden Berechnungsverfahren vorgestellt. Neben zahlreichen praktischen Auslegungshinweisen erläutert das Buch Werkstoffe und Herstellungsverfahren und stellt deren Einfluss auf die konstruktive Auslegung dar. Dabei werden sowohl traditionelle Werkstoffe wie Grauguss und Aluminium als auch neue Verbundwerkstoffe wie Magnesium-Aluminium- Verbundwerkstoff für Kurbelgehäuse betrachtet. Die Auslegung und Bedeutung des Ladungswechsels auf Kraftstoffverbrauch und Emissionen des Verbrennungsmotors unter Berücksichtigung von variablen und vollvariablen Ventiltrieben werden ausführlich behandelt. Die Ausführungen wurden zuletzt in der 6. Auflage um den Ladungswechsel von Turbomotoren erweitert. Mit der 7. Auflage wird zunächst dem aktuellen Stand der Motorentwicklung Rechnung getragen. Ventilhubumschaltung und Zylinderabschaltung wird in vielen Serienanwendungen eingesetzt, um den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Erste Motoren mit variabler Kompression sind in Serienproduktion. Die Potentiale und die Technologien der variablen und vollvariablen Verdichtung werden dargestellt.

Frontmatter

1. Vorbemerkung

Zusammenfassung

Dieses Buch befasst sich mit Berechnungsverfahren und der Auslegungspraxis im Bereich „Motor-Mechanik“. Die Ausführungen beziehen sich auf Hubkolbenmotoren mit innerer Verbrennung. Thematische Einschränkungen sind dabei nicht zu vermeiden. So werden primär schnell laufende Fahrzeugmotoren für Pkw und Nkw angesprochen – konkret Otto- und Dieselmotoren, die nach dem Viertaktverfahren arbeiten.

Auch wenn die direkte Interaktion zwischen Mechanik und Thermodynamik das Prinzip des Kolbenmotors ausmacht, ist es sinnvoll, beide Gebiete getrennt voneinander zu behandeln. So liegt der Schwerpunkt hier auf der Motormechanik. Bei der Festlegung eines geeigneten Motorkonzepts wird zunächst von einfachen Abschätzungen ausgegangen. Im Entwurfsstadium kommen dann umfangreiche Berechnungen zur Voroptimierung der Motorkonstruktion hinzu. Von großer Bedeutung ist heute der Begriff „Simulation“, für den es aber keine feststehende Definition gibt. So ist die Grenze zwischen „konventioneller Berechnung“ und „Simulationsrechnung“ zwangsläufig fließend.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl

2. Einleitung

Zusammenfassung

Konstruktion, Berechnung und Versuch stehen in einer gegenseitigen Abhängigkeit. Die entsprechend organisierten Entwicklungsbereiche sehen sich dem stetig zunehmenden Druck immer kürzerer Entwicklungszeiten ausgesetzt. Vorgehensweisen, wie das „Simultaneous Engineering“, gewinnen damit zunehmend an Bedeutung. Die Anwendung moderner Berechnungsmethoden (heute gleichzusetzen mit der Simulation) erlaubt zudem lange vor der Verfügbarkeit von Prototypen eine Voroptimierung des Motors. So kann die Anzahl der zu untersuchenden Versuchsvarianten auf ein Minimum reduziert und dadurch ein erheblicher Kosteneinsparungseffekt sowie eine Verkürzung der Entwicklungszeit erzielt werden.

Dieses Kapitel geht zunächst noch etwas näher auf die Bedeutung der Berechnung im Entwicklungsprozess ein. Weitere Ausführungen betreffen die Abgrenzung zwischen Mechanik und Thermodynamik mit Anmerkungen zum ausgewählten Stoff und dessen Vertiefung. Schließlich werden noch die Ziele bei der Neu- und Weiterentwicklung eines Motors den folgenden Kapiteln vorangestellt.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl

3. Kriterien bei der Motorauslegung

Zusammenfassung

Bei der Auslegung eines Motors erfordert bereits der erste Entwurf eine Anzahl wesentlicher Festlegungen, die Einfluss auf die Motorcharakteristik nehmen. Der an einer Auslegung erkennbare technische Fortschritt drückt sich nicht zuletzt auch in der Dimensionierung des Motors bzw. seiner Komponenten aus. Wichtige Motorhauptabmessungen ergeben sich dabei direkt aus der Triebwerksauslegung, der somit elementare Bedeutung zukommt. Hier gilt es, eine Anzahl maßgeblicher Gesichtspunkte zu beachten, deren physikalischer Hintergrund weltweit in Fachbüchern und Veröffentlichungen erörtert wird.

Im Mittelpunkt dieses Kapitels steht neben der Festlegung der Hauptabmessungen die Definition wichtiger Motorkenndaten. Gerade auch Letztere kennzeichnen den technischen Fortschritt der Motorenentwicklung unter den jeweils gegebenen und sich mit der Zeit verändernden Rahmenbedingungen. Sie ermöglichen zudem den direkten Vergleich ausgeführter Motoren.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl

4. Berechnung und Auslegung von Bauteilen

Zusammenfassung

Gegenstand der Erörterung sind die mechanischen Kernkomponenten des Hubkolbenmotors. Auf Funktion, Anforderungen, Beanspruchung und daraus resultierender konstruktiver Gestaltung der Motorkomponenten wird jeweils ausführlich eingegangen. Die Bauteilberechnung beruht einerseits auf analytischen Ansätzen für die überschlägige Auslegung, andererseits auf in ihren Grundzügen vorgestellten modernen Berechnungsmethoden.

Das Pleuel, Bindeglied im Hubkolbentriebwerk, überträgt die auf den translatorisch bewegten Kolben wirkende Gaskraft und die oszillierende Massenkraft auf einen rotierenden Hubzapfen der Kurbelwelle.

Der Kolben ist die zentrale Komponente des Hubkolbenmotors. Die Ausführungen konzentrieren sich auf Tauchkolben. Der Kolben begrenzt den mit der Hubbewegung veränderlichen Zylinderraum und dichtet diesen im Zusammenwirken mit den Kolbenringen gegen den Kurbelraum ab. Mit der Form des Kolbenbodens nimmt er Einfluss auf die Gestalt des Brennraums. Der Kolben wird dabei thermisch durch heiße Verbrennungsgase und mechanisch durch Gas-, Massen- und Seitenkraft stark beansprucht. Bei Dieselmotoren werden Aluminium-Kolbenlegierungen aufgrund grenzwertiger Temperatur des Muldenrands der Brennraummulde im Kolbenboden „top down“ zunehmend durch Stahl substituiert.

Die Kolbenringe werden nach Funktionsgesichtspunkten ausgewählt und im Motorversuch erprobt. Kriterien sind die Minimierung von Ölverbrauch, Gasdurchlass („Blow-by“) und Reibungsverlusten. Erstere reagieren sehr sensibel auch auf kleine konstruktive und technologisch bedingte Merkmale der Kolbenringe und der Kolbenringnuten. Die Berechnung dieser primär funktionsrelevanten Größen gelingt allerdings aufgrund hoher Komplexität des Systems quantitativ noch nicht voll befriedigend.

Die Anforderungen an die Kurbelwelle ergeben sich aus ihrer zentralen Funktion, der Umsetzung der translatorischen Hubbewegung in eine Drehbewegung. Dies setzt eine „gekröpfte“ Bauweise voraus. Auf die Kurbel einer Kröpfung wirkt senkrecht die Tangentialkraft, eine Richtungskomponente der Pleuelstangenkraft. Erstere erzeugt mit dem Radius der Kurbel das anteilige Drehmoment. Die Kurbelwelle unterliegt im Betrieb einer vielfältigen dynamischen Beanspruchung. Dies erfordert unter Festigkeitsgesichtspunkten spezielle Maßnahmen im Zapfen-Wangen-Übergang. Die Kurbelwelle trägt auch die Gegengewichte für den Massenausgleich 1. Ordnung.

Der Motorblock, in der Fachsprache das Zylinderkurbelgehäuse, ist die zentrale Motorgehäuseeinheit. Im Pkw-Bereich und für spezielle Anwendungen kann Grauguss durch geeignete Aluminium-, noch selten Magnesiumlegierungen, substituiert werden. Neben monolithischer Gehäusebauweise kommen Zylinderlaufbuchsen unterschiedlicher Werkstoffe und Ausführung sowie spezielle Zylinderlaufflächentechnologien zur Anwendung. Die Zylinder werden vom Verbrennungsdruck beaufschlagt. In der Lagergasse des Zylinderkurbelgehäuses ist die Kurbelwelle gelagert, wobei sich die Kurbeltriebkräfte in den Kurbelwellenhauptlagern abstützen. Dies erfordert zylinderkopf- und hauptlagerseitig funktionssichere Verschraubungen. Auch die Schmierölverteilung im Rahmen der Druckumlaufschmierung, der drucklose Ölrücklauf und die optional interne Gehäuseentlüftung sind in dieses komplexe Bauteil integriert.

Der Zylinderkopf, zweiter wesentlicher Bestanteil des Motorgehäuses, ist in konstruktivgestalterischer Hinsicht sehr anspruchsvoll. Er beinhaltet die zunehmend komplexen Steuerorgane des Ladungswechsels. Auch über die Gestaltung der Ladungswechselkanäle und seine an das Brennverfahren angepasste Brennraumform nimmt er Einfluss auf die Güte der Verbrennung.

Die Zylinderkopf-Dichtungstechnik hat sich durch Einführung der Mehrlagen-Stahl-Dichtung enorm weiterentwickelt. Ihr kommt im Hinblick auf eine sichere und dauerhafte Motorfunktion bei unterschiedlichen, mitunter ungünstigen Betriebsbedingungen größte Bedeutung zu. Sie hat primär die Aufgaben, die Brennräume, den Kühlmittel- und den Schmierölbereich sicher abzudichten.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl

5. Berechnung und Auslegung von Baugruppen

Zusammenfassung

Der Abschn. 5.1 befasst sich mit dem Ladungswechsel, dem Ausschieben des Abgases und dem Füllen des Zylinders mit Luft oder Frischgas und somit dem Austausch der Zylinderfüllung. Beide Vorgänge unterscheiden sich deutlich. Das Einströmen des Frischgases prägt die Gemischbildung und das Strömungsfeld im Zylinder. Zudem steuert der Ladungswechsel den im Zylinder verbleibenden Abgasanteil, das so genannte Restgas. Der Ladungswechsel beeinflusst so entscheidend die Verbrennung, daraus resultierend insbesondere den Drehmomentverlauf über der Motordrehzahl an der Volllast, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen in der Teillast sowie die Leerlaufqualität des Motors.

Einführend wird die eindimensionale Simulation des Ladungswechsels vorgestellt. Ausgehend vom Ladungswechsel mit herkömmlichem starrem Ventiltrieb werden die Vorzüge variabler Steuerzeiten erörtert und es wird auf entsprechende Ausführungsformen des Ventiltriebs eingegangen.

Um vorhandene, d. h. hier konkret im Ladungswechsel des Hubkolben-Verbrennungsmotors versteckte Potenziale, auszuschöpfen, bedarf es auch der Variabilität des Ventilhubs. In einfachster Ausprägung entspricht dem die variable Ventilhubumschaltung. Ein großer Schritt bedeutet schließlich der voll variable Ventiltrieb, der auch den kontinuierlich variablen Ventilhub beinhaltet. Dieser ermöglicht die drosselfreie Laststeuerung mit erheblicher Kraftstoffverbrauchseinsparung bei niedriger Last und Drehzahl. Ergänzend wird auch auf die Besonderheiten des Ladungswechsels von Turbomotoren eingegangen. Neben ausführlicher Diskussion des Ladungswechsels findet zudem die Berechnung des dynamischen Verhaltens von Ventiltrieben Berücksichtigung.

Vor dem Hintergrund rückläufiger Absatzzahlen bei Pkw-Dieselmotoren bestand für die Automobilhersteller zwecks Erreichung der CO₂-Flottenemissionsziele, d. h. Vermeidung von Strafzahlungen, die Notwendigkeit, Ottomotoren mit neuen Technologien auszurüsten. So wurden bei einzelnen Vierzylindermotoren u. a. die Zylinderabschaltung, das Miller-Verfahren und die variable Verdichtung eingeführt. Auf Erstere geht der Abschn. 5.1 ebenfalls ein. Mit Letzterer befasst sich der Abschn. 5.3.

Beim Massenausgleich des Hubkolbenmotors, Abschn. 5.2, geht es darum, die Einleitung von niederfrequenten Schwingungen über die Motoraufhängung in die Karosserie durch primäre Maßnahmen am Motor selbst zu minimieren. Dies setzt eine günstige Auslegung des Triebwerks hinsichtlich seiner freien Massenwirkungen voraus. Dabei ist zwischen dem Ausgleich rotierender und oszillierender Massenkräfte und -momente zu unterscheiden. Oszillierende Massenkräfte und -momente weisen auch höhere Ordnungen auf, von denen jedoch lediglich noch die 2. Ordnung von praktischer Bedeutung ist.

Einführend wird der Massenkraftausgleich 1. Ordnung des Einzylinder-Triebwerks mittels Gegengewichten an der Kurbelwelle erläutert, darauf basierend der der Reihenmotoren und des V2-Triebwerks. Der Massenmomentausgleich 1. Ordnung mittels Gegengewichten wird am Beispiel des so genannten Längskippmoment-Ausgleichs erklärt. Nicht längssymmetrische Kurbelwellen stehen dabei im Fokus. Bei einigen gebräuchlichen Kröpfungsanordnungen kann das Massenmoment 1. Ordnung durch den so genannten „Normalausgleich“ (Ausgleich von 100 % der rotierenden und 50% der oszillierenden Massenkräfte) zumindest halbiert oder sogar gänzlich ausgeglichen werden.

Aufgrund gestiegener Komfortansprüche werden mittels Gegengewichten an der Kurbelwelle nicht ausgleichbare oszillierende Restkräfte 2. Ordnung bzw. rotierende -momente 1. Ordnung mit zwei gegensinnig rotierenden Ausgleichswellen bzw. einer gegen die Drehrichtung der Kurbelwelle rotierende Ausgleichswelle vollständig kompensiert.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl

6. Motorgeräusch

Zusammenfassung

Störende höherfrequente Geräusche und tieferfrequente Schwingungen eines Fahrzeugs werden heute unter dem Überbegriff NVH (noise, vibration, harshness) zusammengefasst. Der akustische Fahrkomfort ist ein Wettbewerbskriterium. Vom Gesetzgeber wird aus Umweltschutzgründen auch die Geräuschemission immer stärker limitiert. Das anteilige Motorgeräusch ist nicht exakt vorausberechenbar. Es ist dennoch auf halbempirischem Weg möglich, das Motorgeräusch innerhalb gewisser Genauigkeitsgrenzen vorherzusagen. Darüber hinaus gelingt es bereits ziemlich gut, relative Verbesserungen oder Verschlechterungen z.B. hinsichtlich eines veränderten Zylinderdruckverlaufs, strukturmechanischer Maßnahmen sowie Veränderungen am Ansaugtrakt und Abgasschalldämpfersystem zu berechnen.

Einführend wird auf aktuelle und zukünftige Grenzwerte gemäß der EU-Richtlinie 540/2014 eingegangen, das neue Vorbeifahrtgeräusch-Messverfahren nach DIN ISO 362-1 kurz vorgestellt sowie die zum Fahrgeräusch beitragenden Teilschallquellen und deren Geräuschursachen eingegangen. Beim Motorgeräusch sind indirekte und direkte Geräuschanregung, Verbrennungs- und mechanisches Geräusch, innerer und äußerer Körperaschallleitweg zu unterscheiden. Die Ausführungen betreffen hierbei die Entstehung, Übertragung und Luftschallabstrahlung des Motorgeräuschs auch mit Bezug auf die theoretischen Zusammenhänge. Ein kurzer Abschnitt streift die digitale Signalverarbeitung im Rahmen moderner Geräuschmesstechnik. Die akustischen Charakteristika des Zylinderdruckverlaufs und deren unterschiedliche Ausprägung werden dargestellt. Schließlich werden noch Phänomene des akustischen Verhaltens der Motorgehäusestruktur sowie des nicht-linearen Schmierfilms in den Kurbelwellenhauptlagern erklärt.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl

7. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Eine Zusammenfassung des in einem Fachbuch ausgebreiteten Wissens in wenigen Sätzen ist angesichts unzähliger Fakten und Zusammenhänge stets schwierig bis unmöglich. So werden hier nur einige wenige Sachverhalte beispielhaft herausgegriffen. Des Weiteren verlieren die Autoren einige Gedanken zu Möglichkeiten und Grenzen moderner Berechnungs- bzw. Simulationsmethoden im Bereich der Motorentechnik.

Das vorliegende Buch befasst sich bekanntlich primär mit der Motor-Mechanik. Dabei stehen die Berechnung und zeitgemäße Auslegung von Kernkomponenten und Baugruppen für Pkw- und Nkw-Hubkolben-Verbrennungsmotoren im Vordergrund. Im Einzelnen sind dies Kolben, Kolbenringe, Kurbelwelle, Zylinderkurbelgehäuse, Zylinderkopf und Zylinderkopfdichtung. Die Betrachtung der mechanischen Baugruppen konzentriert sich auf den Ventiltrieb, der den Ladungswechsel steuert, und den Kurbeltrieb. Zudem findet die Motor-Akustik Berücksichtigung. Schließlich werden noch die Grundlagen moderner Berechnungsmethoden gestreift.

Ausgehend von elementaren Ansätzen wird jeweils versucht, den Bogen zu mehr oder weniger anspruchsvollen, rechnergestützten Berechnungsmethoden zu spannen. Unübersehbar verlieren herkömmliche (analytische) Berechnungsverfahren an Bedeutung. Sie erleichtern jedoch den Zugang zu komplexeren Berechnungsansätzen. Die in Zeiten der proklamierten Verkehrswende nochmals anspruchsvolleren Anforderungen an zukünftige Motoren machen die simultane Vorhersage und Voroptimierung der Funktion und Qualität des gesamten Motors bereits in einer frühen Phase der Entwicklung erforderlich. Dabei wurden mittlerweile große Fortschritte erzielt. Das, was unter dem Begriff „Advanced Simulation Software“ zusammengefasst werden kann, deckt heute alle Aspekte eines Motors ab. Dem „virtuellen Motor“ kommt man damit bereits sehr nahe, ohne betreffende Software hier im Detail zu charakterisieren. Es bedarf keiner prophetischen Gabe um festzustellen, dass die Simulationsmöglichkeiten immer weiter perfektioniert werden.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl

8. Anhang

Zusammenfassung

Im letzten Kapitel werden noch im Sinne einer Ergänzung für den entsprechend interessierten, Leser die Grundlagen moderner Berechnungsmethoden im Ingenieurwesen gestreift. Es sei darauf hingewiesen, dass die Ausführungen ohne mathematische Strenge erfolgen. Außerdem bedarf die praktische Anwendung sicherlich noch einer Vertiefung dieser Materie.

Voran stehen die „Anmerkungen zu den Grundlagen der Finite-Elemente-Methode (FEM)“. Mit der FEM steht dem Ingenieur ein mächtiges Hilfsmittel zur Verfügung. Immer leistungsfähigere Rechner bei zweitrangigen Hardware-Kosten in Verbindung mit immer anwendungsfreundlicher Software haben dieser Berechnungsmethode schon lange den Weg in die Anwendungspraxis geebnet.

Die „klassische“ Problemstellung der FEM betrifft die Verformung von Komponenten bis komplexen Strukturen unter äußeren Kräften und Momenten und die resultierende Spannungsverteilung. Ein Abschnitt zur Matrizen-Theorie der Statik bzw. der Verschiebungsmethode gibt hierzu einen Einblick.

Andere Problemstellungen haben einen komplexeren theoretischen Hintergrund, der die explizite numerische Lösung einer Differenzialgleichung (DGL) z. B. mittels der FEM unumgänglich macht. Der prinzipielle Lösungsgang wird in seinen Grundzügen vorgestellt.

Bezüglich der Lösung von DGL konkurriert die FEM mit anderen Methoden, wie z. B. der Finite-Differenzen-Methode (FDM). Auch dieser ist ein kurzer einführender Abschnitt gewidmet.

Daneben kann die Boundary-Element-Methode (BEM) u. U. eine wirtschaftlichere Alternative zur FEM sein. Sie wird auch als Integralgleichungs-Methode bezeichnet, wobei sie sich nur auf den Randbereich des betrachteten Körpers bezieht. Ein kurzer Abschnitt dient der Charakterisierung auch dieser Methode.

Ein letzter Abschnitt stellt das „modale Modell“ bzw. die rechnerische Modal-Analyse vor.

Die die Bewegung von Strukturen mit vielen Freiheitsgraden beschreibenden und miteinander gekoppelten Gleichungen erschweren deren Lösung erheblich. Das „modale Modell“ schwingender Strukturen beruht auf einem mathematischen Transformationsansatz zur Entkopplung der Gleichungen, die dann voneinander unabhängig auf einfache Weise lösbar sind.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl

Backmatter

Title: Verbrennungsmotoren
Authors: Prof. Dr. Eduard Köhler
Prof. Dr. Rudolf Flierl
Publisher: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-24541-2
Print ISBN: 978-3-658-24540-5
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-24541-2