Variable Verdichtung beim Ottomotor

Studienarbeit , 2002 , 62 Seiten , Note: 1,9

Ingenieurwissenschaften - Maschinenbau

Im Rahmen dieser Studienarbeit wurden Möglichkeiten zur Realisierung einer variablen Verdichtung in PKW Motoren erarbeitet.
Zunächst fand dazu eine Einarbeitung in Form einer Grundrecherche über bestehende Konzepte statt. Aufbauend auf einer Internetrecherche, einem Patentkatalog der Firma Rücker, der im Rahmen einer vorangegangenen Diplomarbeit erstellt wurde, und der Patentdatenbank des Deutschen Patent- und Markenamtes konnte eine Einteilung der verschiedenen Konzepte in die 3 Klassen „Variation der kinematischen Längen“, „Variation der Lagerpositionen“ und „Freigabe/Verdrängen von Zusatzvolumina“ vorgenommen werden.
Ausgehend davon wurde im Team nach mindestens einem neuen Konzept je Klasse gesucht. Ergebnis waren 6 neuartige Konzepte, zu denen jeder Student eine Prinzipskizze zur konstruktiven Umsetzung anfertigte. Von den 6 Konzepten wurden jeweils 2 zur weiteren Bearbeitung einem Studenten zugewiesen. Die im Vorfeld erstellten Skizzen wurden hinsichtlich ihrer Realisierbarkeit von den einzelnen Studenten bewertet. Der erfolgversprechendste Lösungsansatz für ein Konzept bildete die Grundlage für die weitere iterative Ausarbeitung.
Dabei wurden von den einzelnen Studenten Lösungsvorschläge in Form von Handskizzen und 2D-CAD-Zeichnungen für ihre Konzepte gemacht, die im Team diskutiert wurden. Schwerpunkt der Diskussion war es, Schwachpunkte aufzudecken und entsprechende Lösungsalternativen aufzuzeigen. Diese wurden dann vom jeweiligen Studenten in die weitere Ausarbeitung des Konzeptes eingebunden. Bei der Lösungsfindung wurde nur in Detailfragen auf Fremdarbeiten bzgl. der Thematik der Studienarbeit zurückgegriffen. Standardwerke des Maschinenbaus lieferten die Grundlagen für überschlägige Berechnungen wichtiger Komponenten der Konzepte.
Ergebnis der Studienarbeit ist ein ausgearbeitetes Konzept je Student. Dazu liegen 3D-CAD-Modelle sowie 2D-CAD-Zeichnungen vor. Aufgrund des knappen Zeitrahmens erheben die ausgearbeiteten Konzepte keinen Anspruch auf sofortige Umsetzbarkeit. In der Dokumentation sind folglich alle erkannten, aber noch nicht geklärten Probleme, sowie dazugehörige prinzipielle Lösungsideen vermerkt. Für eine objektive Beurteilung der Konzepte hinsichtlich ihres energetischen und wirtschaftlichen Nutzens sowie ihrer Standfestigkeit im motorischen Betrieb sind weitere Untersuchungen und FE-Simulationen nötig.
In dieser Arbeit wurden die Konzepte „Knickpleuel ohne Anlenkstange“ und „Zylinderkopfmembran“ bearbeitet.

Inhaltsverzeichnis

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0.1 Inhaltsverzeichnis
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0.2 Abbildungsverzeichnis
0.3 Tabellenverzeichnis
0.4 Verwendete Formelzeichen
0.5 Abkürzungsverzeichnis

1 Grundlagen
1.1 Einleitung
1.2 Motivation
1.3 Verdichtungsverhältnis
1.4 Variables Verdichtungsverhältnis

2 Patentrecherche

3 Konzeptfindung
3.1 Grundkonzepte
3.1.1 Zylinderkopfmembran
3.1.2 Schraubkolben
3.1.3 Knickpleuel ohne Anlenkstange
3.1.4 Kurbelwelle mit verschiebbarer Kurbelwange
3.1.5 Kolben mit absenkbarem Kolbenboden
3.1.6 Axial verschiebbarer Zylinderkopf
3.2 Ausarbeitung der Konzepte

4 Ausarbeitung Knickpleuel ohne Anlenkstange
4.1 Allgemeines
4.2 Bewertung der Varianten
4.2.1 Variante Nagel
4.2.2 Variante Keilhoff
4.2.3 Variante Schweizer
4.3 Fazit

5 Ausarbeitung Zylinderkopfmembran
5.1 Bewertung der Varianten
5.1.1 Ursprüngliche Idee: Zylinderkopfmembran
5.1.2 Variante Schweizer: Schlauchförmige Membran
5.1.3 Variante Keilhoff: Verschiebbare Platten
5.1.4 Variante Schweizer II: Halbkreisförmige Segmente
5.1.5 Variante Nagel: Verschiebbarer Ring
5.1.6 Weiteres Vorgehen
5.2 Detaillierungsphase
5.3 Auslegung des Rings
5.3.1 Ovaler Ring
5.3.2 Dimensionierung des ovalen Rings
5.3.3 Ansteuerung des Rings
5.3.4 Direkte Ansteuerung durch Öl
5.3.5 Ringbetätigung mit Exzenterwelle
5.3.6 Ansteuerung des Rings durch Stangen
5.3.7 Kühlung des Rings
5.3.8 Absicherung gegen Verkanten des Rings
5.4 Aufbau des Zylinderkopfs Institut für
5.4.1 Stangenführungen
5.4.2 Abdichtung des Hydraulikraums zur Ringstangenführung
5.4.3 Kühlung des Zylinderkopfs
5.4.4 Zündkerze
5.4.5 Ventiltrieb
5.4.6 Kolben
5.4.7 Gemischaufbereitung
5.4.8 Montage
5.5 Ausblick

6 Anhang
6.1 Literaturverzeichnis
6.2 Patentliste
6.3 Patentbeschreibungen
6.3.1 Patentschrift: DE 33 09 714 A1
6.3.2 Patentschrift: DE 40 40 274 C2
6.3.3 Patentschrift: DE 42 10 029 C2
6.3.4 Patentschrift: DE 43 09 576 A1
6.3.5 Patentschrift: DE 44 08 646 A1
6.3.6 Patentschrift: DE 100 19 959 A1 Institut für

0.2 Abbildungsverzeichnis

Abbildung 01: Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Verdichtungsverhältnis[01]]

Abbildung 02: Brennraumvolumen im oberen und unteren Totpunkt

Abbildung 03: Konzept Zylinderkopfmembran

Abbildung 04: Konzept Schraubkolben

Abbildung 05: Konzept Knickpleuel

Abbildung 06: Kurbelwelle mit verschiebbarer Kurbelwange

Abbildung 07: Konzept Kolben mit absenkbarem Kolbenboden

Abbildung 08: Axial verschiebbarer Zylinderkopf

Abbildung 09: Knickpleuel, Variante Nagel

Abbildung 10: Knickpleuel, Variante Keilhoff

Abbildung 11: Kräfte am Knickpleuel

Abbildung 12: Knickpleuel, Variante Schweizer

Abbildung 13: Zylinderkopfmembran, ursprüngliche Idee

Abbildung 14: Zylinderkopfmembran, Variante Schweizer

Abbildung 15: Zylinderkopfmembran, Variante Keilhoff

Abbildung 16: Zylinderkopfmembran, Variante Schweizer

Abbildung 17: Zylinderkopfmembran, Variante Nagel: Verschiebbarer Ring

Abbildung 18: Gesparte Baulänge durch ovalen Ring

Abbildung 19: Kräftegleichgewicht

Abbildung 20: Ringbetätigung durch Exzenterwelle

Abbildung 21: Auslegung der Exzenterwelle

Abbildung 22: Torsionsmoment am Exzenter

Abbildung 23: Biegemoment am Exzenter

Abbildung 24: Ring mit Hydraulikkolben

Abbildung 25: Schnitt durch den Ring mit gekipptem Ölkanal

Abbildung 26: Ölkühlung des Rings

Abbildung 27: Verschiedene Ebenen im Zylinderkopf

Abbildung 28: Wasserrraum mit Ein und Auslasskanälen

Abbildung 29: Zündkerzenhülse Institut für Universität Stuttgart Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen

0.3 Tabellenverzeichnis

Tabelle 01: Erforderlicher Unterdruck bei verschiedenen Materialien

Tabelle 02: Materialkennwerte

Tabelle 03: Patentliste Institut für

0.4 Verwendete Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Grundlagen

1.1 Einleitung

Thema dieser konstruktiven Studienarbeit ist die variable Verdichtung beim Ottomotor. Trotz einer Vielzahl von Bemühungen und Erfindungen ist die variable Verdichtung bisher in noch keinem Serienmotor zu finden.

Die stetig wachsenden Anforderungen nach sparsamen KFZ Antrieben können nur durch immer aufwendigere technische Konstruktionen erfüllt werden. Daher werden auch die Potentiale, welche die variable Verdichtung bietet, in Zukunft bei neuen Motoren genutzt werden müssen.

Dieses Thema wurde in Gruppenarbeit bestehend aus drei Studenten, Daniel Keilhoff, Florian Nagel und Patrick Schweizer bearbeitet. Als Betreuer aus der Industrie fungierte Herr Kehn von der Firma Rücker. Von Seiten des Instituts für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen war Herr Reich für die Betreuung zuständig.

Die Studienarbeit besteht aus drei Hauptteilen. Nach einer Einführung in das Thema werden bestehende Patente untersucht und bewertet. Dabei wurde auf eine bestehende Patentsammlung der Firma Rücker zurückgegriffen. Im Anschluss wird nach eigenen, noch nicht patentierten Lösungen gesucht. Davon werden pro Student jeweils zwei detaillierter ausgearbeitet.

1.2 Motivation

Der thermische Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors steigt mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis an (vgl. Abbildung 01). Während die Höhe des maximalen Verdichtungsverhältnisses beim Dieselmotor durch die mechanische Belastbarkeit der Bauteile begrenzt wird, ist sie beim Ottomotor durch die Klopfgrenze vorgegeben. Diese ist neben der Kraftstoffqualität unter anderem abhängig vom Betriebspunkt. Bei Teillast liegt die Klopfgrenze bei gleichen Bedingungen höher als unter Volllast.

Hieraus folgt, das Ziel einen Otto Motor zu entwerfen, dessen Verdichtungsverhältnis so eingestellt wird, dass er immer gerade unter der Klopfgrenze arbeitet.

Steigende Kraftstoffpreise, gesetzliche Vorschriften und nicht zuletzt ein gesteigertes Umweltbewusstsein der Bevölkerung stellen die Industrie vor die Herausforderung möglichst sparsame KFZ Antriebe zu entwickeln.

Dazu kann unter anderem die Verstellung der Verdichtung im Betrieb einen lohnenden Ansatz darstellen.

Dieses Konzept kommt insbesondere bei grossen aufgeladenen Otto Motoren zu tragen. Deren Verdichtungsverhältnis wird nach der Volllast ausgerichtet. Es liegt in der Regel bei 0=8. Diese Motoren werden jedochüberwiegend im Teillastbereich betrieben. Hierbei kann durch eine Erhöhung der Verdichtung eine Wirkungsgradsteigerung erreicht werden. Der nichtlineare Verlauf der Abhängigkeit zwischen Verdichtungsverhältnis und Wirkungsgrad lässt bei einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses von 8 auf 12 eine nennenswerte Wirkungsgradsteigerung erwarten.

Damit ist es möglich leistungsstarke grossvolumige Motoren mit geringerem Kraftstoffverbrauch zu konstruieren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 01: Wirkungsgrad in Abhängigkeit vom Verdichtungsverhältnis[01]

1.3 Verdichtungsverhältnis

Bei einem Motor nach Bauart einer Kolbenverbrennungsmaschine wird ein Kolben während eines Arbeitsspiels axial verschoben. Damitändert sich das Volumen im Zylinder. Es existieren zwei Extremstellungen des Kolbens. Diese werden mit oberem und unterem Totpunkt bezeichnet. Setzt man die an diesen Stellen vorhandenen Volumina zueinander ins Verhältnis so erhält man das Verdichtungsverhältnis oder kurz die Verdichtung des Motors:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 02: Brennraumvolumen im oberen und unteren Totpunkt

1.4 Variables Verdichtungsverhältnis

Unter einem Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis im Sinne unserer Studienarbeit wird eine Kolbenmaschine verstanden, welche während des Betriebs durch eine geeignete Vorrichtung ihre Verdichtung verändern kann.

Dazu gibt es grundsätzlich drei Möglichkeiten:

- Variation der kinematisch wirksamen Längen
- Verschieben der Angriffspunkte (Lager)
- Hinzufügen bzw. Wegnehmen von Volumen zu bzw. vom Brennraum.

2 Patentrecherche

Am Anfang unserer Arbeit galt es einenÜberblicküber den Stand der Technik zu verschaffen. Dazu führten wir unter anderem eine Patentrecherche durch. Wir konnten auf eine bereits existierende Datensammlung der Firma Rücker zum Thema variable Verdichtung zurückgreifen. Sie war auf dem zeitlichen Stand von Mitte 2001.

Die Patente waren sowohl in Orginalfassung wie auch in einer kurzen Beschreibung vorhanden. Darin war die Funktionsweise des Patents, eine kurze Bewertung und ein bis zwei aussagekräftige Zeichnungen zusätzlich zu den Anmeldedaten, wie Zeitpunkt der Anmeldung, Anmelder und Verwaltungsnummer auf zwei DIN A 4 Seiten zusammengefasst.

Unsere erste Aufgabe bestand nun darin die Datenbank zu aktualisieren. Dazu führten wir sowohl Recherchen im Internet[02]wie auch im Haus der Wirtschaft[03] durch.

Patente werden nach der internationale Patentklassifikation (IPC)[04]eingeteilt. Für die variable Verdichtung sind vor allem die folgenden Klassen interessant:

- F02B75/04: Allgemeine Verbrennungskraftmaschinen, allgemein mit variablem Abstand zwischen Zylinderkopf und oberem Totpunkt.
- F02B75/02: Allgemeine Verbrennungskraftmaschinen, nach Anzahl der Takte charakterisiert.
- F02D15/00: Verbrennungskraftmaschinen mit variabler Verdichtung

Zuerst stellten wir alle relevanten Patente in einer Liste zusammen (siehe Anhang). Hierbei ist auffallend, dass sich darunter auch Patente von vor Mitte 2001 befinden. Diese waren noch nicht im Archiv der Firma Rücker erfasst.

Die Patente wurden gleichmässig unter den bearbeitenden Studenten aufgeteilt um sie nach oben erwähntem Verfahren zusammenzufassen und zu bewerten. Im folgenden sollen die einzelnen Elemente einer derartigen Bewertung diskutiert werden.

Am Anfang erfolgte eine Auflistung der anmelderelvanten Daten:

- Aktenzeichen
- IPC Nummer
- Anmeldetag
- Veröffentlichungstag der Patenterteilung
- Patentinhaber
- Vertreter
- Erfinder
- Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften

Dann beschrieben wir die zuändernden Serienbauteile und die zusätzlich benötigten Komponenten. Das wurde mit aus der Patentschrift entnommenen Zeichnungen verdeutlicht.

Anschliessend erfolgte eine Beschreibung des Wirkprinzips, der Funktionsweise und der Betätigung. Am Ende der Patentbeschreibung listeten wir die offensichtlichen Vor- und Nachteile des Konzepts auf. Alle Zusammenfassungen der von mir bearbeiteten Patente sind im Anhang zu finden.

3 Konzeptfindung

Neben der Patentrecherche wurden von den Studenten auch eigene Konzepte entwickelt. Dabei wurde darauf geachtet, dass diese noch nicht in Patentschriften beschrieben waren.

In diversen Diskussionsrunden wurden die folgenden sechs Grundkonzepte erarbeitet:

3.1 Grundkonzepte

3.1.1 Zylinderkopfmembran

Das Grundprinzip der Zylinderkopfmembran ist das Hinzufügen bzw. Wegnehmen von zusätzlichem Volumen zum Brennraum. Dazu wird eine flexible Membran ringförmig im Zylinder oberhalb des Kolbens im oberen Totpunkt angebracht (Siehe Abbildung 03). Durch Beaufschlagen des Raums hinter der Membran mit Druck wird dem Brennraum Volumen weggenommen bzw. durch die Wegnahme des Drucks wird der Brennraum vergrössert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 03: Konzept Zylinderkopfmembran

3.1.2 Schraubkolben

Der Kolben besteht aus zwei Bauteilen, welche durch eine schraubenförmige Bewegung axial gegeneinander verschoben werden. Das eine Teil besteht aus Kolbenboden und Kolbenhemd, das andere bildet die Aufnahme für den Kolbenbolzen. Durch diese Anordnung ist es möglich den Abstand zwischen Kolbenboden und Kolbenbolzen zu variieren. Hieraus resultiert ein variables Brennraumvolumen und damit eine variable Verdichtung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 04: Konzept Schraubkolben

3.1.3 Knickpleuel ohne Anlenkstange

Es gibt eine Vielzahl von Patenten zur variablen Verdichtung die auf dem Prinzip des Knickpleuels beruhen, beispielsweise das Patent EP 1143127 A1 von Peugeot[05].

Hierbei wird ein zweigeteiltes Pleuel verwendet. Durch Verändern des Winkels zwischen den zwei Teilen wird die Gesamtlänge des Pleuels und damit auch das Verdichtungsverhältnis geändert. Dieser Winkel wird durch die Lage eines Anlenkpleuels bestimmt. Dieses ist am unteren Pleuelteil und verschiebbar im Motorgehäuse gelagert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 05: Konzept Knickpleuel

Grösster Nachteil dieses Konzeptes ist der zusätzlich benötigte Bauraum durch das Anlenkpleuel. Dieser Nachteil sollte durch geeignete konstruktive Massnahmen vermieden werden.

3.1.4 Kurbelwelle mit verschiebbarer Kurbelwange

Die Kurbelwangen des Motors bestehen aus jeweils zwei Bauteilen welche eine Verbindung nach dem Prinzip Kolben-Zylinder eingehen. Durch eine axiale Verschiebung gegeneinander wird der Abstand des unteren Pleuelauges zur Drehachse der Kurbelwelle verändert. Das bewirkt eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 06: Kurbelwelle mit verschiebbarer Kurbelwange

3.1.5 Kolben mit absenkbarem Kolbenboden

Grundlage des Konzepts ist die Freigabe von zusätzlichem Brennraum. Dazu ist der Kolben zweiteilig ausgeführt. Der Kolben besitzt einen zweiten inneren Kolben welcher in ausgefahrener Stellung mit der Oberfläche des Hauptkolbens abschliesst. Um die Verdichtung zu verringern ist es möglich den Zusatzkolben abzusenken und somit zusätzlichen Raum freizugeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 07: Konzept Kolben mit absenkbarem Kolbenboden

3.1.6 Axial verschiebbarer Zylinderkopf

Der Abstand zwischen Zylinderkopf und Zylinder kann während des Betriebs, durch die vertikale Verschiebung des Kopfes, verändert werden. Dazu musste noch eine geeigneteÜberbrückung der entstehenden Lücke gefunden werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 08: Axial verschiebbarer Zylinderkopf

3.2 Ausarbeitung der Konzepte

Jeder Student arbeitete für alle Ansätze einen Vorschlag aus, den er beim darauffolgenden Treffen vorstellte. Nach einer Diskussion der Ergebnisse bekam jeder Student jeweils zwei Konzepte à 3 Ausarbeitungen zugeteilt. Diese wurden miteinander verglichen und das optimale ausgewählt. Dies führte dazu, dass jeder Student zwei Vorschläge zur weiteren Bearbeitung vorliegen hatte. Im Laufe der Zeit wurde jeweils eines aussortiert, so dass am Ende pro Student ein Konzept zur Detaillierung erhalten blieb. Meine Aufgabe war die Zylinderkopfmembran und das Knickpleuel ohne Anlenkstange zu untersuchen.

4 Ausarbeitung Knickpleuel ohne Anlenkstange

4.1 Allgemeines

Unter einem Knickpleuel wird ein zweigeteiltes Pleuel verstanden, welches mit einem drehbaren Gelenk verbunden ist. Durch eineÄnderung des Winkels zwischen den beiden Pleuelteilen lässt sich die Gesamtlänge des Pleuels einstellen und somit das Verdichtungsverhältnis. Das Problem besteht in der Arretierung des Gelenks.

4.2 Bewertung der Varianten

4.2.1 Variante Nagel

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 09: Knickpleuel, Variante Nagel

Die Erfindung besteht aus einem zweigeteilten Pleuel. Das untere Pleuel kannüber eine Steuerstange relativ zum oberen verdreht werden. Die Lage bestimmt die Länge des Pleuels und damit das Verdichtungsverhältnis. Dazu kann das pleuelferne Ende der Stange vertikal im Gehäuse verschoben werden. Die Länge ist veränderlich.

Vorteile

Durch die langen Hebel werden die Belastungen der Steuerorgane gering gehalten.

Nachteile

Der gravierendste Nachteil dieses Konzepts ist der grosse Bauraum den das

Anlenkpleuel beansprucht. Dies ist im Hinblick auf die immer stärker geforderten kompakten Motoren problematisch.

4.2.2 Variante Keilhoff

Der Motor besitzt ein zweigeteiltes Pleuel, welches mit einem drehbaren Gelenk verbunden ist. Dieses lässt sichüber einen runden Hydraulikzylinder arretieren. Durch die Winkeländerung wird die Gesamtlänge des Pleuels verändert und damit das Verdichtungsverhältnis.

Die hydraulische Arretierung besteht aus einem gebogenem Kolben welcher mit dem oberen Pleuel verbunden ist. Er läuft in einer Nut im unteren Pleuel. Durch Aufbringen von Öldruck auf der einen oder anderen Seite des Kolbens lässt sich der Knickwinkel einstellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Knickpleuel, Variante Keilhoff

Im folgenden sollen anhand einerüberschlägigen Rechnung die auftretenden Drücke im Kolben errechnet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die gesamte Länge des Knickpleuels beträgt in gestrecktem Zustand 160 mm.

[...]

• Hochschule: Universität Stuttgart (Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen)
• Note: 1,9
• Autor: Patrick Schweizer (Autor:in)
• Erscheinungsjahr: 2002
• Seiten: 62
• Katalognummer: V21102
• ISBN (eBook): 9783638248006
• ISBN (Buch): 9783638701013
• Sprache: Deutsch
• Schlagworte: Variable, Verdichtung, Ottomotor