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
0 Verzeichnisse
0.1 Inhaltsverzeichnis
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
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
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel der Arbeit ist die theoretische Untersuchung und konstruktive Erarbeitung von Konzepten zur Realisierung einer variablen Verdichtung bei Ottomotoren, um den Wirkungsgrad insbesondere im Teillastbereich durch Anpassung des Verdichtungsverhältnisses an die jeweilige Klopfgrenze zu steigern.
- Analyse bestehender Patente zur variablen Verdichtung.
- Entwicklung und Bewertung neuer technischer Lösungskonzepte.
- Konstruktive Detaillierung ausgewählter Lösungsansätze.
- Festigkeitsberechnung und Auslegung kritischer Komponenten.
- Untersuchung der Realisierbarkeit und Identifikation von Problemstellungen für zukünftige Entwicklungen.
Auszug aus dem Buch
Berechnung der Kippkraft FM
Die aufzufangende Kippkraft gegen das obere Pleuel ergibt sich aus:
FM = FG * cos α = 50 kN * 75,6 = 12,4 kN
Berechnung des Moments M im Gelenk des Knickpleuels
M = 0,5 lH * FM = 0,08m * 12,4 kN = 992 Nm
Berechnung der abstützenden Kraft Fa
Die Abstützung befindet sich x=30 mm vom Gelenkmittelpunkt entfernt.
Aus M=F*x folgt die abstützende Kraft Fa:
Fa= M / x = 992Nm / 0,03m = 33066N ≈ 33 kN
Berechnung des erforderlichen Druckes
Um diese Kraft aufzufangen muss folgender Druck im Hydraulikzylinder herrschen:
p= F / AKH = 33000N / 0,0052m^2 = 4201 * 10^5 Pa = 4201bar
Zusammenfassung der Kapitel
1 Grundlagen: Einführung in die Problematik der variablen Verdichtung beim Ottomotor und die theoretische Motivation zur Wirkungsgradsteigerung.
2 Patentrecherche: Überblick über bestehende Patente und deren Einordnung in die Patentklassifikationen.
3 Konzeptfindung: Erarbeitung von sechs neuen Grundkonzepten zur variablen Verdichtung in Gruppenarbeit.
4 Ausarbeitung Knickpleuel ohne Anlenkstange: Konstruktive Untersuchung und Bewertung verschiedener Varianten eines Knickpleuels.
5 Ausarbeitung Zylinderkopfmembran: Detaillierte Ausarbeitung und Auslegung des Konzepts einer Zylinderkopfmembran bzw. eines verschiebbaren Rings.
6 Anhang: Auflistung der verwendeten Literatur und Zusammenfassung der untersuchten Patente.
Schlüsselwörter
Variable Verdichtung, Ottomotor, Wirkungsgrad, Klopfgrenze, Knickpleuel, Zylinderkopfmembran, Verbrennungsmotor, Kurbeltrieb, Verdichtungsverhältnis, Konstruktion, Hydraulik, Mechanik, Bauraum, Festigkeitsberechnung, Patentrecherche.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit konstruktiven Möglichkeiten zur Realisierung einer variablen Verdichtung bei Ottomotoren, um den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Patentrecherche, der Entwicklung neuer Konzepte (insbesondere Knickpleuel und Zylinderkopfmembran) sowie der technischen Auslegung dieser Systeme.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, aufzuzeigen, wie das Verdichtungsverhältnis im Betrieb angepasst werden kann, um den Motor immer optimal nahe an der Klopfgrenze zu betreiben.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine Kombination aus Literatur- und Patentrecherche, technischer Konzeptentwicklung, konstruktiver Auslegung mittels CAD und überschlägigen Festigkeitsberechnungen angewandt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Bewertung der Konzepte sowie die detaillierte Ausarbeitung und Auslegung der gewählten Ansätze, inklusive der Berechnung von Kräften, Drücken und Festigkeiten.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Variable Verdichtung, Ottomotor, Wirkungsgrad, Knickpleuel, Zylinderkopfmembran, Mechanik, Konstruktion.
Warum wurde das Konzept des Knickpleuels ohne Anlenkstange verworfen?
Es scheiterte primär an den auftretenden hohen Drücken (über 4000 bar) und den damit verbundenen Dichtungsproblemen sowie dem Bauraumbedarf.
Welche Rolle spielt die Zylinderkopfmembran in dieser Arbeit?
Sie stellt einen interessanten Ansatz dar, der durch die Verwendung eines verschiebbaren Rings (Variante Nagel) weiter detailliert und auf seine Auslegbarkeit hin untersucht wurde.
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- Patrick Schweizer (Author), 2002, Variable Verdichtung beim Ottomotor, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/21102
