Literaturrecherche zu Triebwerksdynamik und Konstruktionselementen von Verbrennungsmotoren

Inhaltsverzeichnis

I Kurzfassung

II Abkürzungen

III Formelzeichen

1 Einleitung

2 Begriffserklärung
2.1 Triebwerksdynamik
2.2 Konstruktionselemente des Verbrennungsmotors

3 Literaturerläuterung

4 Triebwerksdynamik
4.1 Kinematik des Hubkolbenmotors
4.1.1 Kolbenweg und Brennraumvolumen
4.1.2 Kolbengeschwindigkeit
4.1.3 Kolbenbeschleunigung
4.1.4 Desachsierter/geschränkter Kurbeltrieb
4.2 Kräfte und Momente im Triebwerk
4.2.1 Gaskräfte
4.2.2 Massenkräfte
4.3 Massenausgleich
4.3.1 Einzylinder-Triebwerk
4.3.2 Mehrzylindermotoren
4.4 Ungleichförmigkeitsgrad und Drehmomentausgleich

5 Konstruktionselemente des Verbrennungsmotors
5.1 Kolben
5.1.1 Kolbenringe
5.1.2 Kolbenbolzen
5.2 Pleuelstange
5.3 Kurbelwelle
5.4 Kurbelgehäuse
5.5 Zylinderrohr
5.6 Zylinderkopf und Zylinderkopfdichtung
5.7 Ventiltrieb
5.7.1 Ventil
5.7.2 Nockenwelle
5.7.3 Variabler Ventiltrieb
5.8 Lagerung in Verbrennungsmotoren

IV Zusammenfassung

V Literaturverzeichnis

VI Abbildungsverzeichnis

I. Kurzfassung

Die vorliegende Studienarbeit dient der grundlegenden Überarbeitung sowie der Erweiterung der beiden Kapitel Triebwerksdynamik und Konstruktionselemente des Skriptes Verbrennungsmotoren III.

Ziel ist die Erarbeitung eines in der Erscheinungsform modernen, thematisch aktuellen Vorlesungsmanuskriptes, welches durch moderne Abbildungen das geschriebene Wort optimal vermittelt.

Zu diesem Zweck stand zu Beginn der Arbeit eine Literaturrecherche unter Einbeziehung der wichtigsten Werke des Verbrennungsmotorenbaus und ein Abgleich mit zahlreichen Vorlesungsmanuskripten verschiedener Universitäten und Fachhochschulen, welcher maßgeblich der Erarbeitung andernorts viel gelehrter, jedoch im Vorlesungsmanuskript der Universität Stuttgart wenig beschriebener Themengebiete diente.

Nach gründlicher Studie der ausgewählten Literatur konnten zu erweiternde Umfänge definiert und nach geeigneten Grafiken gesucht werden. Eine erste Fassung der Studienarbeit umfasste darauf folgend alle Themengebiete sämtlicher Vorlesungsmanuskripte, die um Inhalte aus Fachbüchern zusätzlich ergänzt wurden. Im Zuge dieses Vorgehens konnten Fehler einzelner Skripte erkannt und verbessert werden.

Das Kapitel Triebwerksdynamik konnte nur wenig aktualisiert werden, da die dort beschriebenen kinematischen Gleichungen unveränderliche Grundlagen des Verbren­nungsmotorenbaus darstellen. Einzig das Unterkapitel Schränkung und Desachsierung wurde aufgrund der gestiegenen Bedeutung umfassender beschrieben.

Im Anschluss daran mussten die Inhalte der einzelnen Kapitel auf einen sinnvollen, im Rahmen einer vierstündigen Vorlesung vermittelbaren Umfang konzentriert werden.

Im Ergebnis liegt somit eine Studienarbeit vor, die eine sinnvolle Modernisierung und Erweiterung des aktuellen Manuskriptes der Vorlesung Verbrennungsmotoren III darstellt, ohne dabei einen vertretbaren Umfang zu überschreiten.

II. Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

III. Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Das automobile Kraftfahrzeug ist seit mehr als 100 Jahren der Inbegriff für Mobilität und Freiheit des Menschen. Rückblickend kann die Ent- und Weiterentwicklung des Kraftfahrzeugs als Schlüsseltechnologie des 20. Jahrhunderts bezeichnet werden. Große Entfernungen verloren ihren Schrecken, die Welt rückt näher zusammen.

Dem Verbrennungsmotor, als Herzstück des Kraftfahrzeugs, verdanken wir den Segen der mobilen Gesellschaft.

Durch den Siegeszug des Automobils, quer durch alle Länder und gesellschaftliche Schichten, resultieren bis heute jedoch ungelöste Probleme auf den Feldern der Kraftstoffversorgung und des Schadstoffausstoßes.

Die knapper werdenden Ölressourcen zwingen den Verbrennungsmotor zu extremer Sparsamkeit, um auch in Zukunft Zugpferd unserer Volkswirtschaft bleiben zu können. Auch auf dem Gebiet des Schadstoffausstoßes herrscht aktuell großes Entwicklungspotenzial vor. Die Diskussionen um Feinstaub und C02- Emission nehmen kein Ende.

Die Europäische Union reagierte jüngst mit neuen EU- Grenzwerten für Automobile auf die Anforderungen bezüglich des Umweltschutzes.

Alle OEM´s haben sich aufgemacht dem Verbrennungsmotor zu neuer Sparsamkeit zu verhelfen und entwickeln diesen in schnellen Schritten weiter.

An der Universität Stuttgart, als wichtige Ausbildungsschmiede des deutschen Ingenieursnachwuchses reagierte man auf Weiterentwicklungen in diesen Bereichen und überarbeitet auf Grund dessen das Vorlesungsskript Verbrennungsmotoren grundlegend um den Studenten die neuesten Methoden und Entwicklungsschwerpunkte anschaulich zu vermitteln.

Diese Arbeit soll es ermöglichen, das Vorlesungsmanuskript um neue Erkenntnisse zu erweitern und darüber hinaus bereits bestehende Kapitel alternativ auszudrücken.

2 Begriffserklärung

Die beiden zu überarbeitenden Kapitel des Vorlesungsmanuskriptes lauten Triebwerksdynamik und Konstruktionselemente des Verbrennungsmotors. An dieser Stelle sollen beide Begriffe kurz erläutert und abgegrenzt werden.

2.1 Triebwerksdynamik

Im aktuellen Vorlesungsmanuskript gliedert sich die Triebwerksdynamik in die Unterkapitel

- Kinematik des Hubkolbenmotors,
- Kräfte und Momente im Triebwerk,
- Massenausgleich und
- Ungleichförmigkeitsgrad/ Drehmomentausgleich.

Die Dynamik (von griechisch dynamis= Kraft) ist das Teilgebiet der Mechanik, das sich mit der Wirkung von Kräften befasst. Die Dynamik wird in der Technischen Mechanik weiter untergliedert in die Statik, die sich mit dem Kräftegleichgewicht an unbeschleunigten Körpern befasst, und die Kinetik, die den Zusammenhang zwischen Bewegungen und Kräften erfasst. In der Physik wird unter Dynamik die Beschreibung der Bewegung von Körpern unter Einfluss von Kräften verstanden, im allgemeinen Sinn auch das Zeitverhalten eines Systems und die zu seiner Beschreibung verwendeten Bewegungsgleichungen.

Die Kinematik (von griechisch kinema= Bewegung) ist die Lehre der Bewegung von Punkten und Körpern im Raum, beschrieben durch die Größen Weg s (Änderung der Ortskoordinate), Geschwindigkeit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Beschleunigung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, ohne die Ursachen einer Bewegung (Kräfte) zu betrachten. Die Kinematik beinhaltet Begriffe zur mathematischen Beschreibung der Bewegung durch Bewegungsgleichungen. Dynamische Ursachen wie Masse oder Kraft spielen in der Kinematik keine Rolle.

Der Massenausgleich beschreibt den Ausgleich von Kräften und Momenten, die durch die Bewegung des Kurbeltriebes hervorgerufen werden.

Der Ungleichförmigkeitsgrad beschreibt die Drehzahlschwankung bei periodischen Bewegungen. Er drückt die Schwankung der Winkelgeschwindigkeit des Antriebes während eines Arbeitszyklus aus.

2.2 Konstruktionselemente des Verbrennungsmotors

Der Begriff Konstruktionselement ist ein Fachbegriff, der funktionsmäßig nicht mehr weiter zerlegbare Bestandteile einer Maschinenkonstruktion beschreibt. Im Verbrennungsmotorenbau werden darunter innere Bauteile des Verbrennungsmotors, ohne keine Anbauteile verstanden.

3 Literaturerläuterung

Gemäß Aufgabenstellung soll für das überarbeitete Vorlesungsmanuskript ein Abgleich über die wichtigste Literatur für Verbrennungsmotoren mit verschiedenen Skripten anderer Hochschulen erfolgen.

Als wichtigstes Werk der Recherche im Zuge dieser Studienarbeit ist das Handbuch Verbrennungsmotoren von Richard van Basshuysen zu nennen. Es wurde bei der Literaturrecherche festgestellt, dass sich Inhalte verschiedener Bücher und Vorlesungsmanuskripte häufig in Abbildungen und Wortlaut gleichen. Inhalte aus van Basshuysens Buch finden sich in fast allen verwendeten Büchern wieder, was der Literaturangabe der jeweiligen Bücher zu entnehmen ist.

Ein Abgleich verschiedener Vorlesungsmanuskripte offenbarte ähnliches. Inhalte gleichen sich häufig in Wort und Bild. Daher ist es ausreichend, nur wenige Manuskripte für die Recherche heran zu ziehen. Neben den Unterlagen zur Vorlesung der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen waren dies, Skripte der Technischen Universität München, der Technischen Hochschule Karlsruhe, der Fachhochschule Koblenz sowie der Technischen Universitäten Braunschweig, Berlin und Darmstadt.

4 Triebwerksdynamik

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.1: Bauarten des Hubkolbenmotors [11]

Verbrennungsmotoren sind Kolbenmaschinen, die je nach Ausbildung des Brennraums, der Kolbengeometrie und der damit einhergehenden Kolbenbewegung in Hub- und Rotationskolbenmotoren unterteilt werden.

Heute werden Verbrennungsmotoren fast ausschließlich als Hubkolbenmotoren mit Tauchkolbenbauweise ausgeführt. Abb. 4.1 zeigt verschiedene Ausführungen des Hubkolbenmotors. Das Triebwerk besteht aus Kolben, Pleuelstange (Schubstange) und Kurbelwelle. [11]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.1 Kinematik des Hubkolbenmotors

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.2: Kurbeltrieb (Schema) [15]

Der Kurbeltrieb bietet auf relativ einfache Weise die Möglichkeit, eine translatorische Bewegung in eine rotatorische umzuwandeln und umgekehrt. Die Kinematik ermittelt den Weg, die Geschwindigkeit und die Beschleunigung des Kolbens bei konstanter Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle.

Die augenblickliche Entfernung des Kolbens von seiner Lage im oberen Totpunkt (OT) wird als Kolbenweg sa bezeichnet. Dieser Iässt sich entsprechend Abb. 4.2 als Funktion des Kurbelwinkels a ausdrücken, wobei a = 0° für die OT-Stellung des Kolbens gilt. [11]

4.1.1 Kolbenweg und Brennraumvolumen

Es gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zwischen dem Kurbelwinkel a und dem Pleuelschwenkwinkel b (Pleuelwinkel) besteht der Zusammenhang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ; d. h. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit Berücksichtigung der trigonometrischen Funktion

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten; d. h. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und Einführung des Schubstangenverhältnisses

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

erhält man für den Kolbenweg die Beziehung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

bzw.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mit f(a) - Hubfunktion. [10]

Das Schubstangenverhältnis lS liegt bei Motoren üblicherweise im Bereich von 0,23 bis 0,33. Mit steigendem Verhältnis erhöhen sich die Seitenkräfte auf den Kolben, mit sinkendem Verhältnis steigt die Bauhöhe des Motors. Mit der Formel für den Kolbenweg Iässt sich schwierig rechnen, vor allem dann, wenn die Kolbengeschwindigkeit oder die Kolbenbeschleunigung zu ermitteln ist. Meistens kann vereinfachend eine Näherungsformel benutzt werden, in der der Wurzelausdruck nach einer Potenzreihe entwickelt wird: [15]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch die kleinen Werte von lS kann bereits das 3. Glied vernachlässigt werden, sodass:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

gesetzt werden kann.

Die entsprechende Näherungsformel für den Kolbenweg lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit der Beziehung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ergibt sich dann für den Kolbenweg sa:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für das augenblickliche Brennraumvolumen Va folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit

VcAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten - Kompressionsvolumen

AKAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten - Kolbenfläche

Damit ergibt sich:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.3: Relativer Verlauf des Kolbenweges [10]

Abb. 4.3 zeigt den relativierten Verlauf der Werte des Kolbenweges als Funktion des Kurbelwinkels für lS= 0,3. Zur Verdeutlichung des Einflusses der Pleuellänge (kann nicht beliebig lang gewählt werden) ist der Kurvenverlauf für lS= 0 zusätzlich eingezeichnet. [10]

4.1.2 Kolbegeschwindigkeit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.4: Relativer Verlauf der Kolbengeschwindigkeit. [10]

Die Kolbengeschwindigkeit ergibt sich aus der zeitlichen Differenziation des Kolbenweges:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit der vereinfachenden Annahme, dass die Winkelgeschwindigkeit w= const. ist, folgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und durch Differenziation der Näherungsformel für sa die Kolbengeschwindigkeit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Differenziation der exakten Formel wäre aufwendig und ergibt keine nennenswerte Abweichung. Abb. 4.4 zeigt den relativierten Verlauf der Kolbengeschwindigkeit als Funktion des Kurbelwinkels. Die Kolbengeschwindigkeit erreicht etwa in der Hälfte des Kolbenhubs ihr Maximum. [10]

4.1.3 Kolbenbeschleunigung

Analog zur Bestimmung der Kolbengeschwindigkeit erhält man für die Kolbenbeschleunigung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und somit:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.5: Relativer Verlauf der Kolbenbeschleunigung [10]

Abb. 4.5 zeigt den relativen Verlauf der Kolbenbeschleunigung. Die größten Werte ergeben sich im Bereich der OT-Stellung des Kolbens, d. h. durch die endliche Pleuellänge wird die Wirkung der Harmonischen 2. Ordnung verstärkt. In der Kurbelstellung UT ergeben sich geringere Kolbenbeschleunigungswerte. [10]

4.1.4 Geschränkter /desachsierter Kurbeltrieb

Durch Schränkung bzw. Desachsierung des Kurbeltriebes, d. h. Verschieben der Anlenkpunkte des Pleuels an Kolben und Kurbelzapfen aus der Zylinderachse um einen Betrag y kann der Bewegungsablauf des Kurbeltriebs im jeweils gewünschten Sinn verändert werden (Abb. 4.6). Die Gründe können in der Akustik, Reibung, mechanischen Belastung und geometrischen Anordnung liegen. [16]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.6: Schränkung und Desachsierung [13]

Durch das Schränken wird der Bewegungsablauf so verändert, dass die Strecklagen des Triebwerks nicht mehr in der Zylinderachse liegen, der Kolbenweg nicht mehr symmetrisch zum UT ist und die Kolbengeschwindigkeiten für Hin- und Rückhub unterschiedliche Werte annehmen. Kolbenweg, -geschwindigkeit und -beschleunigung des geschränkten Kurbeltriebs ergeben sich mit der auf die Pleuellänge bezogenen Schränkung y:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

als modifizierte Gleichung für den Kolbenweg

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

die Kolbengeschwindigkeit

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und die Kolbenbeschleunigung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. [13]

4.2 Kräfte und Momente im Triebwerk

Als Kräfte wirken am Kurbeltriebwerk zum einen Gaskräfte und zum anderen Massenkräfte, unabhängig davon, ob es sich um eine Kraft- oder Arbeitsmaschine handelt.

4.2.1 Gaskräfte

Durch den Druck eines Gases auf eine Fläche entstehen Gaskräfte.

Im Verbrennungsmotor entsteht der Druck durch die Verbrennung und wirkt auf den Kolben, der sich infolge der Gaskraft bewegt. Die Gaskraft auf den Kolben beträgt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit

AK =Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten - Kolbenfläche

pG - Gasdruck (kurbelwinkelabhängig) [16]

Höhe und Verlauf des Gasdruckes und damit der Gaskraft hängen unter anderem vom Arbeitsverfahren und der Motorauslegung ab. Durch die Wirkung der Gaskraft treten sowohl innere, als auch äußere Kräfte und Momente im Triebwerk auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.7: Wirkung der Gaskraft am Triebwerk [15]

Im Kolbenbolzen wird die Gaskraft zerlegt in eine Kraft, die im Pleuel wirkt und eine Kraft senkrecht zur Zylinderachse. Die im Pleuel wirkende Kraft ist die Pleuelkraft FSG, die senkrecht zur Zylinderachse wirkende Kraft ist die ,,Gleitbahnkraft" oder ,,Normalkraft" FNG.

Die Pleuelkraft ergibt sich zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und die Gleitbahnkraft zu

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Im Pleuellager Iässt sich die Pleuelkraft FSG weiter zerlegen in eine Tangentialkraft FTG senkrecht zur Kurbel und eine Radialkraft FRG in Kurbelrichtung. Für diese gelten die Beziehungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das durch die Gaskraft erzeugte Drehmoment an der Kurbelwelle ist dann:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das Drehmoment MdG resultiert aus der mit dem Hebelarm r (Kurbelradius) an der Kurbelwelle angreifenden Tangentialkraft FTG. [10]

Einen typischen Verlauf der Tangentialkraft (Drehkraft) zeigt Abb. 4.8.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.8: Gas-Tangentialkraft (4-Takt-Motor) [15]

Die Kräfte und Momente durch den Gasdruck am Triebwerk und am Gehäuse eines Einzylindermotors zeigt zusammengefasst Abb. 4.9. Im Triebwerk ist das Drehmoment MdG das Reaktionsmoment zu dem Moment des Kräftepaares FNG und F‘NG (Kippmoment). In der Motorlagerung des Gehäuses ist dieses Moment aufzufangen. Die Kräfte in den Motorlagern (FLG1 und FLG2) erzeugen das Gegenmoment zum Kippmoment bzw. zum Wellendrehmoment MdG. Der Kraftfluss der Gaskraft FG schließt sich im Gehäuse durch Wirkung der Gegenkraft im Kurbelwellenlager. Nach außen bleibt nur die Wirkung von Kipp- und Wellendrehmoment. [15]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.9: Kräfte und Momente durch Gasdruck (links: Triebwerk; rechts: Gehäuse) [14]

Kippmoment: Aufnahme in der Motorlagerung

Wellendrehmoment: Antriebsmoment an der Kurbelwelle

4.2.2 Massenkräfte

Massenkräfte F treten bei ungleichförmiger Bewegung von Massen auf. Allgemein gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mit a- Beschleunigung

Beim Verbrennungsmotor führt der Kolben eine oszillierende, die Kurbel eine rotierende und das Pleuel eine zusammengesetzte (rotierend und oszillierend) Bewegung aus. Zur Berechnung der Massenwirkung des Triebwerks wird ein Ersatzsystem einer Zylindereinheit gewählt. Die Massenwirkung kann in guter Näherung durch zwei Ersatzmassen, der oszillierenden Masse ms und der rotierenden Masse ms dargestellt werden. Abb. 4.10 zeigt das Ersatzsystem für eine Zylindereinheit.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.10: Ersatzsystem für Massenwirkung am Kurbeltrieb [15]

mit

S - Schwerpunkt des jeweiligen Bauteils

r - Schwerpunktabstand der rotierenden Masse von der Drehachse

l - Schwerpunktabstand der Massen vom Bauteilschwerpunkt

ms - rotierende Masse, zusammengesetzt aus Kurbelzapfen, Kurbelwangen und dem rotierenden Anteil der Pleuelstange

ms - oszillierender Teil des Pleuels

Die Pleuelmasse ms kann aufgeteilt werden in:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ferner gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die gesamte Pleuelmasse und die Lage des Schwerpunktes bleiben bei der Betrachtung erhalten. Im Allgemeinen weicht das rechnerische Massenträgheitsmoment des Ersatzsystems um den Schwerpunkt vom Massenträgheitsmoment des Pleuels ab. Für die praktische Anwendung im Motor kann der sich ergebende Fehler meistens vernachlässigt werden.

Für die mit dem Kolben hin- und hergehende Masse mosz gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mK- gesamte Kolbenmasse (incl. Ringe, etc.)

Der Kolben führt eine oszillierende Bewegung aus, erzeugt also eine oszillierende Massenkraft Fm osz K , die der Kolbenbewegung entgegenwirkt.

Die Kurbelwelle bewirkt durch ihre Drehbewegung eine rotierende Massenkraft, während das Pleuel infolge der Schwingbewegung sowohl einen rotierenden, als auch einen oszillierenden Massenkraftanteil bildet.

Die rotierende Massenkraft Fm ergibt sich zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Häufig wird rS = r = Kurbelradius gewählt, d. h. die rotierende Masse wird im Kurbelzapfenlager (Pleuellager) angenommen. Für diesen Fall ist die Masse der Kurbelwange auf den Kurbelradius r zu beziehen. Rotierende Pleuelmasse und Masse des Kurbelzapfens wirken direkt an dieser Stelle.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten mKW - Kurbelwangenmasse

Die rotierende Massenkraft ergibt sich somit zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten m- Kurbelzapfenmasse

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

und die oszillierende Massenkraft zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit Fm1 - Massenkraft 1. Ordnung

Fm2 - Massenkraft 2. Ordnung

Die Massenkraft 1. Ordnung ändert sich im Rhythmus der Kurbelwellenumdrehung (cosa); die Massenkraft 2. Ordnung hängt vom doppelten Kurbelwinkel (cos2a) ab. Insgesamt wachsen die Massenkräfte mit dem Quadrat der Winkelgeschwindigkeit bzw. der Motordrehzahl.

Die rotierende Massenkraft Iässt sich sehr einfach durch ein umlaufendes Gegengewicht (Abb. 4.10) vollkommen ausgleichen.

Auch die oszillierende Massenkraft erzeugt eine Tangentialkraft im Pleuel FTosz sowie eine Normalkraft FNosz. Dadurch ergibt sich entsprechend der Wirkung der Gaskraft im Triebwerk die Beziehung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Tangentialkräfte aus Gasdruck im Zylinder und aus oszillierender Massenkraft überlagern sich, wobei die Wirkungsrichtungen der Kräfte zu berücksichtigen sind. Für das insgesamt an der Kurbelwelle wirkende Drehmoment (Drehmomentverlauf) gilt dann:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.11: Tangentialkraftverlauf (4-Takt-Motor) [1]

Abb. 4.11 zeigt den aus Gas- und Massenkraft resultierenden Drehkraftverlauf eines 4-Takt-Motors über dem KurbeIwinkel. Da sich die Tangentialkraft (das Drehmoment) einer Kolbenmaschine in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel dauernd ändert, treten notwendigerweise Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle auf. Diese können durch ein entsprechend dimensioniertes Schwungrad auf ein Minimum reduziert werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.12: Kräfte und Momente durch oszillierende Massen

(links: Triebwerk; rechts: Gehäuse [14]

Die oszillierende Massenkraft im Kurbeltrieb wirkt über die Lager bzw. die Zylinderwand wie die Gaskraft auf das Gehäuse (Abb. 4.12). Wie bei den Gaskräften ist das Drehmoment durch die oszillierende Massenkraft F, das Reaktionsmoment zu dem Moment aus der Wirkung der Normalkraft FNosz. Der oszillierenden Massenkraft wirkt jedoch am Gehäuse keine Gegenkraft entgegen, sodass diese zylinderaxiale Kraft zusammen mit dem Kippmoment des Normalkraftpaares (FNosz×x) am Gehäuse von der Lagerung durch die Lagerkräfte FL1 und FL2 aufgenommen werden müssen. Dies gilt bei starrer Motorlagerung, bei elastischer Aufhängung werden die Kräfte teilweise durch die Massenkräfte der Bewegung des Motors kompensiert.

Bei Mehrzylindermotoren sind die Kraftwirkungen im Inneren und nach außen im Wesentlichen beeinflusst durch:

- Zylinderzahl z
- Zylinderanordnung, z. B. Reihen- oder V-Motor
- Kröpfungsfolge der Kurbelwelle (wegen Zündfolge)
- Einzelzylinderparameter entsprechend dargestellten Verhältnissen [10]

4.3 Massenausgleich

Da die Massenkräfte Schwingungen erzeugen und sich somit nachteilig auf die Motorlagerung auswirken, sollten sie weitgehend ausgeglichen werden. Die rotierende Massenkraft kann, wie bereits erwähnt, durch ein entsprechendes Gegengewicht an der Kurbelwange ausgeglichen werden. Die Gegengewichte sind so zu dimensionieren, dass der Schwerpunkt der Gesamtanordnung in der Drehachse liegt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit mG rot - Masse des Gegengewichts

rG rot - Schwerpunktsabstand des Gegengewichts

Für die Masse des Gegengewichts gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.13: Vektordarstellung für oszillierende Massenkräfte [10]

Die oszillierende Massenkraft wirkt nur in Richtung der Zylinderachse. Weil zusätzlich die Anteile 1. Ordnung und 2. Ordnung harmonisch sind, können die Massenkräfte 1. und 2. Ordnung durch je zwei gegenläufig rotierende Kraftvektoren (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten für die Massenkraft 1. Ordnung und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten für die Massenkraft 2. Ordnung) dargestellt werden (Abb. 4.13).

Der Kraftvektor 1. Ordnung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Iäuft synchron mit der Kurbel, der gegensinnig umlaufende Vektor Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten steht immer symmetrisch zum Vektor Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Die Vektoren Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten drehen sich entsprechend mit doppelter Kurbelwellendrehzahl.

Für die Massenkraftvektoren 1. und 2. Ordnung gelten folgende Vektorgleichungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für die Beträge der Vektoren gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Abb. 4.13 sind die Vektoren beider Ordnungen mit gleicher Länge gezeichnet, der Maßstab für beide Diagramme ist daher unterschiedlich. [1]

4.3.1 Einzylinder-Triebwerk

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.14: Massenausgleich 1. und 2. Ordnung durch

rotierende Massen [10]

Beim Einzylinder-Triebwerk ist ein vollständiger Ausgleich der Massenkräfte nur möglich durch zwei Paare rotierender Ausgleichsmassen, die so angeordnet werden, dass die resultierenden harmonischen Wechselkräfte F1 und F2 in der Zylindermittellinie x wirken und entgegengesetzt gleich den Massenkräften Fm1 und Fm2 sind (Abb. 4.14). Ein solcher Massenausgleich ist aufwendig und nur selten ausgeführt.

Häufig wird nur die Massenkraft 1. Ordnung durch ein zusätzliches Gegengewicht an der Kurbelwange teilweise ausgeglichen.

Für die zusätzliche Gegengewichtsmasse gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.15: Ausgleich der Massenkraft 1. Ordnung [5]

Es dient jedoch nur die senkrechte Komponente der Gegengewichtskraft zum Massenausgleich. Die Horizontalkomponente der Gegengewichtskraft ist eine unerwünschte ,,Querkraft". Damit diese Querkraft nicht zu groß wird, gleicht man durch das Gegengewicht meistens nur 50 % der Massenkraft 1. Ordnung aus (Abb. 4.15). So ergibt sich folgender Zusammenhang:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Massenkraft 2. Ordnung ist nicht durch Gegengewichte an der Kurbelwelle ausgleichbar, da sie mit einer Frequenz, die der doppelten Kurbelwellendrehzahl entspricht, auftritt. [1]

4.3.2 Mehrzylindermotoren

Bei Mehrzylindermotoren ist die Gesamtmassenkraft aus der Summe der Massenkräfte der einzelnen Zylinder zu ermitteln. Durch die Wirkung der Massenkräfte in den einzelnen Zylindermittelachsen können Massenmomente entstehen.

Bei Reihenmotoren, die durch parallele Zylinderanordnung gekennzeichnet sind, ist es ausreichend, die umlaufenden Vektoren der einzelnen Zylinder zu betrachten. Für jede Ordnung können sie direkt zu den resultierenden umlaufenden Vektoren Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten bzw. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten zusammengesetzt werden (Projektion auf x-Achse).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten z = Zylinderzahl

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.16: Massenkräfte 1. und 2. Ordnung am 2- und 4-Zylinder-Motor [15]

Abb. 4.16 zeigt die Aufteilung der Massenkräfte der einzelnen Zylinder eines 2- und 4-Zylinder-Motors. Die Pfeile 1 kennzeichnen die Kräfte 1. Ordnung, die Pfeile 2 die mit doppelter Drehzahl umlaufenden Vektoren 2. Ordnung.

Für die 2-Zylinder-Anordnung gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Massenkräfte 1. Ordnung ausgeglichen)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Massenkräfte 2. Ordnung nicht aus- geglichen)

Für die 4-Zylinder-Anordnung gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Massenkräfte 1. Ordnung ausgeglichen)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Massenkräfte 2. Ordnung nicht aus- geglichen)

Zur Ermittlung der Massenmomente sind die Wirkungen der Massenkräfte um die Motormittelachse (Kurbelwellenschwerpunkt) zu betrachten.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten- jeweiliger Abstandsvektor zum Kurbelwellenschwerpunkt

Für die Gesamtmassenmomente gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Massenmomente beim 2-Zylindermotor ergeben sich zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ; Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Massenmoment 1. Ordnung nicht aus-

geglichen)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Massenmoment 2. Ordnung ausgeglichen)

Für den 4-Zylindermotor gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ; Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Massenmoment 1. Ordnung ausgeglichen)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Massenmoment 2. Ordnung ausgeglichen)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.17: Massenkräfte und -momente

beim 2-Zylinder-90°-V-Motor [15]

Bei Motoren mit nicht nur parallelen Zylindern, wie z. B. V-Motoren, oder Motoren mit von 180° abweichenden Kurbelkröpfungen (z. B. bei ungeraden Zylinderzahlen) ist die Betrachtung mittels Kurbelstern (Abb. 4.14) sinnvoll bzw. erforderlich.

Abb. 4.17 zeigt als Beispiel die Ermittlung der Massenkräfte und Massenmomente für einen 2-Zylinder-V-Motor mit 90° V-Winkel. Die resultierende Massenkraft 1. Ordnung Iäuft mit w um und Iässt sich daher durch Gegengewichte an der Kurbelwelle ausgleichen.

Die Massenkraft 2. Ordnung wirkt oszillierend in y-Richtung (Summe gleich großer zueinander im Gegensinn rotierender Kräfte). Die Massenmomente 1. Ordnung rotieren im Gegensinn zur Kurbelwelle, die Massenmomente 2. Ordnung oszillieren in y-Richtung. [15]

4.4 Ungleichförmigkeitsgrad und Drehmomentausgleich

Gas- und Massenkraft erzeugen die Drehkraft (Tangentialkraft), die am Kurbelzapfen jedes einzelnen Zylinders wirksam ist. Da sich diese Kräfte bei einer Kolbenmaschine entsprechend der ungleichförmigen Bewegung des Kurbeltriebs in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel dauernd ändern (Abb. 4.8), treten notwendigerweise auch Schwankungen des Drehmomentes und der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der Regel erfordert ein von einem Motor angetriebenes Gerät (z. B. Kraftfahrzeug, Generator, Kreiselpumpe) ein konstantes Drehmoment, sodass bei Überschreiten des geforderten Drehmomentmittelwertes eine Beschleunigung im Triebwerk und bei Unterschreiten eine Verzögerung im Triebwerk erzeugt wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4.18: Arbeitsüberschuss bei einem

2-Zylinder-Motor (ungleichmäßige Zündfolge [15]

Ma > Mi Þ Winkelgeschwindigkeit w steigt

Ma < Mi Þ Winkelgeschwindigkeit w sinkt

Abb. 4.18 zeigt als Beispiel den Arbeitsüberschuss bei einem 2-Zylinder-Motor mit ungleichmäßiger Zündfolge.

Dargestellt ist oben die Drehkraft FTa über dem abgewickelten Kurbelkreis. Die Linie für Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten stellt die für das geforderte konstante Drehmoment über dem gesamten Arbeitsspiel notwendige konstante Drehkraft dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ist die tatsächliche Drehkraft FTa größer als Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, ist die vom Motor abgegebene Energie größer als der Energiebedarf der angetriebenen Einheit. Das bedeutet, dass positive Energie (Fläche +) zur Verfügung steht: Die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle nimmt zu.

Bei kleinerer Drehkraft FTa gegenüber Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ist die vom Motor abgegebene Energie entsprechend kleiner (negative Energie: Fläche -), die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle nimmt ab.

Insgesamt schwankt die Winkelgeschwindigkeit während der beiden Arbeitsspiele (je Zylinder ein Arbeitsspiel) zwischen wmax und wmin (Abb. 4.18 Bildmitte).

Die mittlere Winkelgeschwindigkeit wm, ergibt sich zu:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Daraus ergibt sich für die indizierte Motorleistung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

bzw. die abgegebene effektive Motorleistung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit w = wm

M = Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten hm - mechanischer Wirkungsgrad

Für die Beschleunigung eines Körpers von der Winkelgeschwindigkeit w1 auf die Winkelgeschwindigkeit w2 aufzuwendende Arbeit ist:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten J - polares Massenträgheitsmoment

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Mit Einführung des Ungleichförmigkeitsgrades d

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Ungleichförmigkeit ist die auf das mittlere w bezogene Schwankungsbreite von w) ergibt sich für die Arbeit (Überschuss):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Damit Iässt sich der Ungleichförmigkeitsgrad aus der mittleren Winkelgeschwindigkeit, dem Arbeitsüberschuss und dem polaren Massenträgheitsmoment berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Ungleichförmigkeitsgrad der Kurbelwellenwinkelgeschwindigkeit darf bestimmte Werte nicht überschreiten. Für den Antrieb von Kraftfahrzeugen gilt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten bezogen auf Höchstdrehzahl

Hieraus Iässt sich das erforderliche Mindest-Massenträgheitsmoment berechnen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ist das Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle nicht groß genug, so muss durch ein Schwungrad für ein ausreichend großes Massenträgheitsmoment Jerf gesorgt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten bzw. Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit

JKW - Massenträgheitsmoment der Kurbelwelle (einschließlich Anbauteile)

Js - Massenträgheitsmoment der Schwungscheibe

Bei mehrzylindrigen Motoren wird oft schon mit dem JKW-Wert ein für die Laufruhe ausreichend kleiner Ungleichförmigkeitsgrad erreicht.

Für die Überschussarbeit WS ist die maximale Differenz der vektoriellen Summe aus den einzelnen Anteilen Wi zu berücksichtigen (Abb. 4.18 Unten). Für den vorliegenden Fall ergibt sich:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten oder

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten [15]

5 Konstruktionselemente des Verbrennungsmotors

Vor Beginn der konstruktiven Entwicklung eines neuen Motors oder einer neuen Motorbaureihe sind bereits wichtige Vorentscheidungen zu treffen (Lastenheft als Grundlage), die das Baukonzept erheblich beeinflussen. Neben der Realisierung der geplanten Leistungsdaten und der Erfüllung gesetzlicher Vorschriften (Schadstoff- und Geräuschemissionen) betreffen solche Forderungen z. B.:

- Spezifischer Kraftstoffverbrauch (CO2-Emissionen)
- Drehmomentcharakteristik
- Kaltstartverhalten
- Leistungsgewicht
- Lebensdauer
- Wartungsansprüche
- Vibrationsniveau
- Motorabmessungen (verfügbarer Einbauraum)

Nach Festlegung der das Gesamtkonzept beschreibenden Merkmale beginnt die Konstruktionsphase mit der Erarbeitung von Entwürfen für den Gesamtaufbau des Motors und mit den dazu erforderlichen Einzeluntersuchungen über die Ausführung des Triebwerks, der Zylinder, der Kolben, des Zylinderkopfes, der Ventilsteuerung usw. Dabei muss jede einzelne Konstruktion folgende Forderungen erfüllen:

- funktionsgerecht
- beanspruchungsgerecht
- fertigungsgerecht
- montagegerecht
- wartungs- und reparaturgerecht

Darüber hinaus verlangt der Konstruktionsprozess die intensive Zusammenarbeit mit Zulieferern von Hilfsaggregaten, wie z. B.:

- Kraftstoffeinspritzanlagen
- Zündanlagen
- Kolben mit Zubehör
- Ventile mit Zubehör
- Lagerschalen und Dichtungen
- Wärmetauscher
- Aufladeeinrichtungen
- Abgasanlagen (Katalysatoren, Partikelfilter usw.)

Da alle Bauelemente und Baugruppen ständig weiterentwickelt werden, sind genaue Kenntnisse über den aktuellen Stand der Technik und über Entwicklungstendenzen zur Realisierung eines fortschrittlichen Motorkonzeptes unerlässlich.

Motoren werden häufig zunächst als Einzylindervariante konstruiert und gefertigt. Anschließend werden dann in der Versuchsabteilung umfangreiche verfahrenstechnische Experimente (Brennverfahrensuntersuchungen) durchgeführt. In der Vollmotorenkonstruktion werden dann die Ergebnisse der Einzylinderuntersuchungen berücksichtigt. [1]

5.1 Kolben

Der Kolben ist das erste Glied in der Kette der kraftübertragenden Teile eines Verbrennungsmotors. Er ist eines der thermisch und mechanisch am höchsten beanspruchten Bauelemente des Verbrennungsmotors. Zusammen mit den Kolbenringen und dem Kolbenbolzen hat er folgende Hauptaufgaben zu erfüllen:

- Übertragung der Gaskraft auf die Pleuelstange. Die Gaskraft erreicht heute bei aufgeladenen Nutzfahrzeugdieselmotoren Werte im Bereich von 170.000 Newton.
- Abdichtung des Brennraums (zusammen mit Kolbenringen). Dabei muss einerseits das Überströmen von Verbrennungsgas in das Kurbelgehäuse verhindert werden (erhöhtes Durchblasen heißer Verbrennungsgase führt zu Überhitzung des Kolben- und Kolbenringwerkstoffs und zur Störung der Kolbenschmierung), andererseits ist ein zu hoher Schmieröleintritt in den Brennraum zu vermeiden (Schadstoffemissionen ‑ HC).
- Kinematische Führung des Kurbeltriebs. Diese Aufgabe übernimmt der Kolbenschaft, wobei dieser: durch die Seitenkräfte (bei Fahrzeugmotoren maximal ca. 15.000 Newton) belastet wird.
- Begrenzung und Gestaltung des Brennraums. Durch geometrische Auslegung der Kolbenbodenform kann gezielt Einfluss auf die Brennrauminnenströmung und damit auf den Verbrennungsablauf genommen werden.
- Abführung der vom Verbrennungsgas auf den Kolben übertragenen Wärme. Das Kolbentemperaturniveau darf nicht zu hoch sein (lokale Spitzenwerte bis ca. 400°C). Die Wärmeübertragung erfolgt zum größten Teil über die Kolbenringe an das Zylinderrohr und anschließend an das Kühlmedium.
Aus diesem Aufgabenkatalog resultieren folgende Anforderungen an die Kolbenkonstruktion bzw. an den Kolbenwerkstoff:
- Hohe statische und dynamische Warmfestigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit (z. B. Aluminiumlegierungen AISi)
- Gute Gleiteigenschaften und hohe Verschleißfestigkeit
- Geringe Unterschiede in der Wärmeausdehnung zur Zylinderlaufbüchse (oft aus Gusseisen)
- Geringe plastische Verformung
- Hohe Flächenpressung in den Nabenbohrungen
- Geringes (spez.) Gewicht
- Gute Notlaufeigenschaften (geringe Neigung zum Fressen)
- Geräuscharmut (geringes Kolbenkippen), insbesondere bei kaltem Motor

Aufbau und Abmessungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5.1: Wichtige Begriffe des Kolbens [1]

Abb. 5.1 zeigt wichtige Begriffe und Bezeichnungen des Kolbens. Die wesentlichen Bereiche sind der Kolbenboden, die Ringpartie mit dem Feuersteg, die Bolzennabe und der Schaft. Die Kolbenbauart wird durch zusätzliche Funktionselemente wie Regelglieder (zur Verringerung der Wärmeausdehnung) und Ringträger gekennzeichnet. [1]

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