Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen in Stuttgart in Zusammenarbeit mit der Firma Rücker aus Fellbach. Ich möchte mich bei allen bedanken, die zum Erfolg dieser Arbeit beigetragen haben.

Für die hervorragende Betreuung bedanke ich mich herzlich bei Herrn Dipl.-Ing. Uwe Kehn und Dipl.-Ing. Wolfgang Reich. Die wertvollen Kommentare und Anregungen ermöglichten das Gelingen dieser Arbeit.

Besonders hervorzuheben ist die gute Zusammenarbeit mit den ebenfalls an diesem Projekt beteiligten Kommilitonen Herrn Nagel und Herrn Keilhoff. Mein besonderer Dank gilt aber meiner Familie. Annette und Wolfgang Schweizer für die Korrekturen und Anmerkungen, Helga Schweizer für ihre Unterstützung.

Die vorliegende Studienarbeit „Variable Verdichtung beim Otto-Motor“ wurde in Gruppenarbeit von Florian Nagel, Dan Keilhoff und Patrick Schweizer, unter Betreuung von Herrn Dipl.-Ing. Uwe Kehn, Bereichsleiter Powertrain der Fa. Rücker, und Dipl.-Ing. Wolfgang Reich, am Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen der Universität Stuttgart erstellt.

Im Rahmen der 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, wie z.B. Dubbel, Roloff/Matek oder Hoischen 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.

Aus Sicht der Studenten könnte eine Umsetzung der Konzepte erfolgen. Voraussetzung dafür sind neuartige, hochfeste und leichte Werkstoffe sowie hochpräzise Fertigungsverfahren. Angesichts der Entwicklungen im Bereich der Werkstofftechnik, wie z.B. Faserverbundwerkstoffe, und der Fertigungsverfahren, wie z.B. spanende Bearbeitung metallischer Werkstoffe mit Hochleistungslasern, könnten diese Voraussetzungen in naher Zukunft erfüllt sein. In dieser Arbeit wurden die Konzepte „Knickpleuel ohne Anlenkstange“ und „Zylinderkopfmembran“ bearbeitet.

Unter einem Knickpleuel versteht man ein zweigeteiltes Pleuel bei dem der Winkel zwischen den beiden Pleuelteilen veränderlich ist. Durch Verändern des Winkels wird die Gesamtlänge des Pleuels und damit auch das Verdichtungsverhältnis geändert. Es ist nicht gelungen eine platzsparende Arretierung des Gelenks zu finden. Deshalb wurde diese Variante verworfen.

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. Durch Beaufschlagen des Raums hinter der Membran mit Druck wird dem Brennraum Volumen weggenommen bzw. durch die Wegnahme des Drucks wird der Brennraum vergrössert. Dieses Konzept wurde zugunsten eines beweglichen starren Rings verändert.

Institut  für  

Verbrennungsmotoren   

Universit  ät Stuttgart  

und  Kraftfahrwesen  

0  Verzeichnisse  

0.1  Inhaltsverzeichnis  

0  Verzeichnisse.  1

0.2  Abbildungsverzeichnis.  3

0.3  Tabellenverzeichnis.  4

0.4  Verwendete Formelzeichen.  5

0.5  Abkürzungsverzeichnis.  6

1  Grundlagen.  7

1.1  Einleitung.  7

1.2  Motivation.  7

1.3  Verdichtungsverhältnis.  9

1.4  Variables Verdichtungsverhältnis.  9

2  Patentrecherche.  10

3  Konzeptfindung.  12

3.1  Grundkonzepte.  12

3.1.1  Zylinderkopfmembran.  12

3.1.2  Schraubkolben.  12

3.1.3  Knickpleuel ohne Anlenkstange.  13

3.1.4  Kurbelwelle mit verschiebbarer Kurbelwange.  14

3.1.5  Kolben mit absenkbarem Kolbenboden.  14

3.1.6  Axial verschiebbarer Zylinderkopf  15

3.2  Ausarbeitung der Konzepte.  16

4  Ausarbeitung Knickpleuel ohne Anlenkstange.  17

4.1  Allgemeines.  17

4.2  Bewertung der Varianten.  17

4.2.1  Variante Nagel.  17

4.2.2  Variante Keilhoff.  18

4.2.3  Variante Schweizer.  22

4.3  Fazit.  22

5  Ausarbeitung Zylinderkopfmembran.  23

5.1  Bewertung der Varianten.  23

5.1.1  Ursprüngliche Idee: Zylinderkopfmembran.  23

5.1.2  Variante Schweizer: Schlauchförmige Membran.  24

5.1.3  Variante Keilhoff: Verschiebbare Platten.  24

5.1.4  Variante Schweizer II: Halbkreisförmige Segmente.  25

5.1.5  Variante Nagel: Verschiebbarer Ring.  26

5.1.6  Weiteres Vorgehen.  27

5.2  Detaillierungsphase.  28

5.3  Auslegung des Rings.  28

5.3.1  Ovaler Ring.  29

5.3.2  Dimensionierung des ovalen Rings.  29

5.3.3  Ansteuerung des Rings.  30

5.3.4  Direkte Ansteuerung durch Öl.  30

5.3.5  Ringbetätigung mit Exzenterwelle.  31

5.3.6  Ansteuerung des Rings durch Stangen.  35

5.3.7  Kühlung des Rings.  38

5.3.8  Absicherung gegen Verkanten des Rings.  39

5.4  Aufbau des Zylinderkopfs.  40

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5.4.1  Stangenführungen.  40

5.4.2  Abdichtung des Hydraulikraums zur Ringstangenführung.  40

5.4.3  Kühlung des Zylinderkopfs.  41

5.4.4  Zündkerze.  41

5.4.5  Ventiltrieb.  42

5.4.6  Kolben.  42

5.4.7  Gemischaufbereitung.  43

5.4.8  Montage.  43

5.5  Ausblick.  43

6  Anhang.  44

6.1  Literaturverzeichnis.  44

6.2  Patentliste.  45

6.3  Patentbeschreibungen.  46

6.3.1  Patentschrift: DE 33 09 714 A1.  46

6.3.2  Patentschrift: DE 40 40 274 C2.  48

6.3.3  Patentschrift: DE 42 10 029 C2.  50

6.3.4  Patentschrift: DE 43 09 576 A1.  52

6.3.5  Patentschrift: DE 44 08 646 A1.  54

6.3.6  Patentschrift: DE 100 19 959 A1.  57

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und  Kraftfahrwesen  

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.  

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0.3 Tabellenverzeichnis

Tabelle 01: Erforderlicher Unterdruck bei verschiedenen Materialien.......................31 Tabelle 02: Materialkennwerte...................................................................................36 Tabelle 03: Patentliste...............................................................................................45

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0.4 Verwendete Formelzeichen A K Kolbenfläche

A R Grundfläche des Zylinderkopfrings c Abstand Kolben zu Zylinderkopf D 1 Kleiner Aussendurchmesser des ovalen Rings D 2 Großer Aussendurchmesser des ovalen Rings D K Kolbendurchmesser D R Aussendurchmesser des Zylinderkopfrings Verdichtungsverhältnis 0 FK r a f t F a Abstützkraft am Knickpleuel F G Gaskraft F S Druckkraft auf die Stangen hH u b l h Pleuellänge im hohen Verdichtungsverhältnis l n Pleuellänge im niedrigen Verdichtungsverhältnis p V Verbrennungsdruck r Kurbelradius s Höhe des Zylinderkopfrings V OT Brennraumvolumen im oberen Totpunkt V UT Brennraumvolumen im unteren Totpunkt V Z Zusätzliches Volumen um das Verdichtungsverhältnis zu senken x Länge

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0.5 Abkürzungsverzeichnis 2D Zweidimensional 3D Dreidimensional CAD Computer Aided Design DIN Deutsche Industrie Norm

IPC International Patent Classification KFZ Kraftfahrzeug PKW Personenkraftwagen

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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 jedoch überwiegend im Teillastbereich betrieben. Hierbei kann durch eine Erhöhung der Verdichtung eine

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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.

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1.3 Verdichtungsverhältnis

Bei einem Motor nach Bauart einer Kolbenverbrennungsmaschine wird ein Kolben während eines Arbeitsspiels axial verschoben. Damit ändert 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:

=

mit:

- c = Abstand Kolben - Zylinderkopf im oberen Totpunkt

- h = Hub

- D K = Kolbendurchmesser

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.

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