Verbrennungsmotoren

Dieses Buch befasst sich mit Berechnungsverfahren und der Auslegungspraxis im Bereich dessen, was heute als „Motor-Mechanik“ benannt wird. Im engeren Sinne beziehen sich die Ausführungen auf Kolbenmotoren mit innerer Verbrennung. Zur notwendigen Begrenzung des Gesamtumfangs sind thematische Einschränkungen nicht zu vermeiden. So werden primär schnell laufende Fahrzeugmotoren für Pkw und Nkw angesprochen — konkret Otto- und Diesel-Hubkolbenmotoren, die nach dem Viertaktverfahren arbeiten.

Konstruktion, Berechnung und Versuch stehen in einer gegenseitigen Abhängigkeit, wie sie z. B. in [A1] beschrieben wird. Die Entwicklungsbereiche, die im Wesentlichen in diese drei Organisationseinheiten unterteilt sind, sehen sich mehr und mehr dem Druck immer kürzerer Entwicklungszeiten ausgesetzt. Vorgehensweisen wie „Simultaneous Engineering“ o. Ä. gewinnen damit zunehmend an Bedeutung. Je leistungsfähiger die Beiträge der Berechnung sind, umso stärker kann sie in die Entwicklungsabläufe eingebunden werden. Entscheidend für die Wirksamkeit der Berechnung ist somit ihre Integration in den Entwicklungsprozess. Dies setzt bei anspruchsvollen Aufgaben problemorientierte Software, leistungsfähige Hardware und anwenderfreundliche Benutzeroberflächen voraus. Der eindeutige Vorteil der Berechnung (hier gleichzusetzen mit der Simulation) ist der, dass bereits lange vor der Verfügbarkeit von Prototypen eine Voroptimierung durchgeführt werden kann, wodurch sich die Anzahl der zu untersuchenden Versuchsvarianten auf ein Minimum reduziert. Somit ist ein erheblicher Einsparungs- und Beschleunigungseffekt zu verzeichnen. Insbesondere was die Parametervariation anbetrifft, kennt die Berechnung im Gegensatz zum Versuch keinerlei Einschränkungen, wenngleich auch bei der Erstellung von aufwändigen Rechenmodellen, wie schon erwähnt, die Wirtschaftlichkeit zu beachten ist. Die Berechnung leistet damit einen nicht zu unterschätzenden Beitrag zur Senkung der Entwicklungskosten. Berechnung und Versuch ergänzen sich auch dort, wo einspuriges Vorgehen in den Möglichkeiten begrenzt und damit nicht zielführend ist (z. B. unverhältnismäßig hoher Messaufwand). Die Berechnung hilft darüber hinaus bei der Interpretation von Messergebnissen. Die jeweiligen Schwächen von Berechnung und Versuch sind in [A1] gegenübergestellt.

Das Pleuel überträgt die auf den translatorisch bewegten Kolben wirkenden Gaskräfte und die oszillierenden Massenkräfte des Triebwerks auf den rotierenden Hubzapfen der Kurbelwelle. Daraus resultieren folgende Anforderungen an dieses Bauteil: Die Hauptabmessungen des Pleuels gehen aus Bild 4-1 hervor. Der Augenabstand ist die Pleuellänge l_pl. Der Durchmesser des großen Pleuelauges ist durch den Hubzapfendurchmesser unter Berücksichtigung der Lagerschalenwanddicke festgelegt. Der Durchmesser des kleinen Auges entspricht bei Klemmpleuel oder bei Entfall der Pleuelbuchse, was z. B. bei Ottomotoren zwecks Kosteneinsparung heute immer wieder versucht wird, dem Kolbenbolzendurchmesser. Im Normalfall ist auch hier die Pleuelbuchse zu berücksichtigen. Die Lagerbreite ergibt sich aus der zulässigen Flächenpressung, die heute Werte von 100 N/mm² und mehr betragen kann. Eine Übersicht über mögliche Lagerwerkstoffe ist z. B. bei [C1] zu finden. Um Bearbeitungskosten zu senken, ist es vorteilhaft, Pleuelkopf und Pleuelauge in gleicher Breite auszuführen. Dies widerspricht allerdings den zeitgemäßen Forderungen nach möglichst kleinem Augenabstand des Kolbens. Zur Steigerung der Gaskraftbelastbarkeit der Bolzennabe ohne Verlängerung des Kolbenbolzens müssen die Pleuelaugenbreite schmäler ausgeführt und hochwertige Lagerwerkstoffe für die Pleuelbuchse eingesetzt werden. Anhaltswerte für die Vordimensionierung sind z. B. bei [C2] zu finden. Da sich Hauptabmessungen, wie zu Anfang erklärt, mit dem Stand der Technik ändern, wird der Bezug auf ältere Quellen bewusst vermieden. Ein guter Überblick folgt stets aus dem Vergleich neuer ausgeführter Konstruktionen.

Der Ladungswechsel, d. h. das Ausschieben des Abgases und das Füllen des Zylinders mit Luft oder Frischgas (Bild 5-1), beeinflusst den Drehmomentverlauf über der Motordrehzahl an der Volllast, Verbrauch und Emissionen in der Teillast und die Leerlaufqualität des Motors entscheidend. Streng genommen umfasst der Ladungswechsel den Austausch der Zylinderfüllung. Da das Einströmen des Frischgases in den Zylinder die Gemischaufbereitung und das Strömungsfeld im Zylinder prägen und der Anteil von Abgas, der im Zylinder als so genanntes Restgas verbleibt, durch den Ladungswechsel gesteuert wird, beeinflusst der Ladungswechsel auch die Verbrennung und die Mengen an schädlichen Emissionen wesentlich. Dabei unterscheidet sich das Ausschieben von Abgas deutlich von den Einströmvorgängen.

Das Motorgeräusch ist nicht exakt vorausberechenbar. Diese Aussage muss diesem Abschnitt vorangestellt werden. Es ist dennoch auf halbempirischem Weg möglich, das Motorgeräusch nach erfolgter Kategorisierung innerhalb gewisser Genauigkeitsgrenzen vorherzusagen. Darüber hinaus gelingt es bereits ziemlich gut, relative Verbesserungen oder Verschlechterungen hinsichtlich eines veränderten Zylinderdruckverlaufs, strukturmechanischer Maßnahmen sowie Veränderungen am Ansaugtrakt und Abgasschalldämpfersystem zu berechnen.

Das vorliegende Buch befasst sich mit der Motor-Mechanik. Dabei stehen die Berechnung und zeitgemäße Auslegung von Motorkomponenten und Baugruppen für Pkw- und Nkw-Hubkolbenmotoren im Vordergrund. Diese fachliche Beschränkung dient der Begrenzung des Gesamtumfangs des Buches.