Verbrennungsmotoren (eBook)

Privatdozent Dr.-Ing.habil. Eduard Köhler ist Leiter der Produktentwicklung der KS Aluminium-Technologie AG (Unternehmen der Kolbenschmidt Pierburg Gruppe). Er hat die Lehrberechtigung für das Fach "Konstruktion von Verbrennungsmotoren" an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg. Prof. Dr.-Ing Rudolf Flierl lehrt nach langjähriger Industrieerfahrung am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der TU Kaiserslautern.

Vorwort 6
Inhaltsverzeichnis 8
Formelzeichen 16
1 Vorbemerkung 30
2 Einleitung 32
2.1 Bedeutung der Berechnung im Entwicklungsprozess 32
2.2 Abgrenzung zwischen Mechanik und Thermodynamik 33
2.3 Anmerkungen zum ausgewählten Stoff und zur Vertiefung 33
3 Kriterien bei der Motorauslegung 36
3.1 Zur Veränderlichkeit von Motorkenndaten 36
3.2 Definition wichtiger Motorkenndaten 37
3.2.3 Spezifische Leistung 38
3.3 Festlegung der Hauptabmessungen in Verbindung mit der Triebwerksauslegung 38
3.4 Weitere Motorhauptabmessungen 54
3.5 Betrachtungen zum optimalen Pleuelstangenverhältnis 59
3.6 Betrachtungen zum Oberflächen-Volumen-Verhältnis des Brennraums 62
3.7 Zusätzliche Begriffe und Definitionen 64
3.8 Mittlerer effektiver Druck bzw. spezifische Arbeit 67
4 Berechnung und Auslegung von Bauteilen 69
4.1 Das Pleuel 69
4.2 Der Kolben 97
4.3 Die Kolbenringe 153
4.4 Die Kurbelwelle 176
4.5 Das Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) 199
4.6 Der Zylinderkopf (ZK) 265
4.7 Die Zylinderkopfdichtung 298
5 Berechnung und Auslegung von Baugruppen 303
5.1 Ladungswechsel 303
5.2 Der Kurbeltrieb 359
6 Motorgeräusch 431
6.1 Motorgeräusch und Fahrgeräusch – gesetzliche Vorschriften 431
6.2 Motorgeräusch – Teilschallquellen und Geräuschursachen 433
6.3 Indirekt erzeugtes Motorgeräusch – Entstehung, Übertragung und Abstrahlung 436
6.4 Zylinderdruckverlauf und resultierendes Zylinderdruckspektrum 443
6.5 Vorausberechnung des akustischen Verhaltens der Motorstruktur 445
6.6 Bemerkung zu weiteren Geräuschquellen am Motor 462
7 Zusammenfassung und Ausblick 463
Anhang 467
I Anmerkungen zu den Grundlagen der Finite- Element- Methode ( FEM) 467
II Zur Matrizen-Theorie der Statik – Verschiebungsmethode 470
III Lösung von Differenzialgleichungen mit Hilfe der FEM 476
IV Anmerkungen zur Finite-Differenzen-Methode (FDM) 481
V Anmerkungen zur Boundary-Element-Methode (BEM) 482
VI Anmerkungen zum „modalen Modell“ (Modal-Analyse) 483
Literaturverzeichnis 487
[A..] Einleitung, Abgrenzung Motor-Mechanik und Thermodynamik 487
[B..] Kriterien Motorauslegung 487
[C..] Pleuel und Kolben 488
[D..] Kolbenringe 490
[E..] Kurbelwelle 491
[F..] Zylinderkurbelgehäuse 492
[G..] Zylinderkopf 493
[H..] Zylinderkopfdichtung 495
[I..] Ventil, Ventiltrieb und Kurbeltrieb 495
[J..] Motorgeräusch 499
[K..] Zusammenfassung und Ausblick 501
[L..] Anhang: FEM, FDM, BEM, Modal-Analyse 501
Stichwortverzeichnis 503

2 Einleitung (S. 3-4)

2.1 Bedeutung der Berechnung im Entwicklungsprozess

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. Die Nutzung des Potenzials technischer Berechnungen erfolgt heute unter dem Überbegriff CAE (Computer Aided Engineering). Dahinter verbergen sich Produkt- und Verfahrensentwicklung unterstützende Programmpakete mit Zugang zu Datenbanken, die mit Hilfe einer selbsterklärenden und übersichtlichen Benutzeroberfläche möglichst mit Plausibilitätsprüfung der Daten genutzt werden können. Der Anwender muss nicht mehr notwendigerweise ein Berechnungsexperte sein.

Die einzelnen Bausteine eines CAESystems werden auch als „CAE-Tools", also als Werkzeuge, bezeichnet. Je nach Ausbaustufe, gespeichertem Erfahrungsumfang und dessen logischer Verknüpfung ist auch der Begriff „Expertensystem" eingeführt. Ziel des CAE ist es, dem Entwicklungsingenieur möglichst effiziente Mittel unter Nutzung eines produktspezifischen Erfahrungsschatzes an die Hand zu geben. CAE geht damit weit über die rechnergestützte technische Berechnung hinaus. CAE ist ein wichtiges Bindeglied im CAD/CAM-Verbund mit dem Fernziel CIM (Computer Integrated Manufacturing). Mittels CAD werden z. B. Geometriedaten erzeugt.

Diese werden über genormte Schnittstellen an ein CAE-System übergeben, das die Pro duktoptimierung vornimmt. Die optimierte Geometrie wird an das CAD-System zurückgegeben und dort für die CAD/CAM-Nutzung aufbereitet. Auf diese Weise entstehen CNC-Bearbeitungsprogramme, die, um an den einzelnen Bearbeitungsmaschinen Verwendung finden zu können, noch einem „Post-Processing" unterzogen werden müssen. Möglichst während des Fertigungsprozesses (SPC, Statistical Process Control), aber auch danach können Solldaten nochmals im Rahmen des CAQ (Computer Aided Quality Assurance, auch ein Bestandteil von CIM) für die Qualitätssicherung herangezogen werden. In diesem Zusammenhang soll nicht unerwähnt bleiben, dass das eigentliche Ziel der Qualitätsbemühungen nicht das der optimal überwachten, sondern das der beherrschten Prozesse ist, die innerhalb so enger Grenzen ablaufen, dass auf SPC verzichtet werden kann.