Forschung

Geräuschphänomene von Verbrennungsmotoren

Schwingungen im Kolben-Pleuel-Verbund – auch Laufzeug genannt – führen zu Störgeräuschen bei modernen Verbrennungsmotoren mit Selbstzündung. Das Dieselnageln ist bekanntes Beispiel dafür. Das Projekt zielt darauf, die Ursachen der Geräuschbildung zu identifizieren und Maßnahmen zu deren Vermeidung abzuleiten. Dazu wurden umfangreiche messtechnische Untersuchungen zur Anregung des Kurbelgehäuses über den Kolbenschlag sowie zur Anregung und Weiterleitung des Verbrennungsgeräuschs über das Laufzeug durchgeführt. Ein neu entwickeltes Simulationsmodell bildet die Kontaktkräfte und die Bauteilschwingungen im Kurbeltrieb und im Kolben-/Zylinder-Kontakt ab und berücksichtigt darüber hinaus auch transiente thermische Zustände. Mithilfe des Modells lassen sich Geräuschursachen identifizieren und die Effekte von konstruktiven Alternativen bestimmen. Dazu kommt ein Simulationstool für elasto-hydrodynamisch gekoppelte Mehrkörpersysteme zum Einsatz.

» Wir haben uns umfassendes Verständnis über die Dynamik des Kolben-Pleuel-Verbunds erarbeitet. Mit diesen Erkenntnissen leistet die FVV einen grundlegenden Beitrag zur Entwicklung von akustisch optimierten Motoren. «
Dr.-Ing. Harald Stoffels | John Andrews Entwicklungszentrum (Ford-Werke GmbH)

Motivation

Moderne Verbrennungsmotoren mit Selbstzündung weisen in bestimmten Betriebspunkten schnelle Umsatzraten mit hohen Druckgradienten auf. Dadurch entstehen Störgeräusche, die beispielsweise als Dieselnageln bekannt sind. Die Problematik verschärft sich durch den Einsatz neuer Designkonzepte im Motorenbau, wie z.B. dem Down-Sizing und dem Leichtbau. Das Projekt zielt darauf ab, die Ursachen der Geräuschbildung zu identifizieren und das Schwingungsverhalten im Kurbeltrieb in entsprechenden transienten Modellen abzubilden.

Methodik

Die Anregung des Kurbelgehäuses über den Kolbenschlag sowie die Anregung und Weiterleitung des Verbrennungsgeräuschs über das Laufzeug stehen im Fokus der messtechnischen Untersuchungen. Eine Modalanalyse für Komponenten und Baugruppen des Laufzeugs, wie z.B. das Pleuel, gibt Aufschluss über das Eigenschwingverhalten des Systems. Am Prüfstand werden zudem die stationären und transienten thermischen Zustände ermittelt, die als Eingangsgrößen in das Simulationsmodell eingehen. Dieses neu entwickelte Modell bildet die Kontaktkräfte und die Bauteilschwingungen im Kurbeltrieb und im Kolben-/Zylinder-Kontakt ab und berücksichtigt darüber hinaus die thermischen Effekte im Schmierspalt und die Wärmeverteilung in den Motorbauteilen.

Ergebnis

Mit den Ergebnissen ist es möglich, das dynamische Kontakt- und Schwingungsverhalten, insbesondere unter thermisch variablen Bedingungen im Laufzeug, zu beschreiben. Das schließt ein experimentell validiertes Simulationsmodell eines modernen Pkw-Dieselmotors mit ein und ermöglicht schon im digitalen Entwicklungsprozess die Auslegung von akustisch optimierten Laufzeugkomponenten. Der Nutzer wird in die Lage versetzt, Ursachen für die Geräuschentwicklung zu identifizieren und konstruktive Gegenmaßnahmen (z.B. alternative Werkstoffe, Abmessungen und Konturen) abzuleiten.

Dokumentation

Laufzeugdynamik I | Mess- und rechentechnische Untersuchung des dynamisch-elastischen Verhaltens des Kolben-Pleuel Verbundes mit Hinblick auf mögliche Geräuschphänomene bei Motoren mit hohen Druckgradienten und Berücksichtigung von resultierenden Störgeräuschen | Vorhaben-Nr. 1023 | AiF-Fördernummer 15699 N

Laufzeugdynamik II | Berechnung und messtechnische Verifikation dynamischer Kontaktkräfte zwischen Kolben und Zylinder unter Berücksichtigung transienter thermischer Randbedingungen | Vorhaben-Nr. 1174 | AiF-Fördernummer 17983 N

Laufzeugdynamik - Verifikationsmessung Kolbenbewegung | Erweiterung des Projekts "Laufzeugdynamik" um die Messung der Kolbenbewegung zur Validierung der mit PIMO3D durchgeführten Berechnungen | Vorhaben-Nr. 3210

Themis

Status
Abgeschlossenes Projekt

Programm
Öffentliche Förderung und Eigenmittel

Fördersumme
814.292,00 EUR

Laufzeit
01.12.2009 bis 31.07.2012 I
01.12.2010 bis 30.06.2011 Verifikationsmessung
01.04.2014 bis 31.12.2016 II

Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Scharnhorststr. 34-37
10115 Berlin
Deutschland

AiF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.V.

Bayenthalgürtel 23
50968 Köln
Deutschland

Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen (FVV) e. V.

Lyoner Str. 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland

Industrie

Dr.-Ing. Harald Stoffels
John Andrews Entwicklungszentrum | Ford-Werke GmbH

Forschungsstellen

1 | Lehrstuhl Fahrzeugantriebe | Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen (IVK) | Universität Stuttgart

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende

Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
I  | Dipl.-Ing. Daniel Hrdina
II | Dipl.-Ing. Wolfgang Gross


2 | Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie | Institut für Antriebs- & Fahrzeugtechnik (IAF) | Universität Kassel

Wissenschaftliche Leitung:
Prof. Dr.-Ing. Adrian Rienäcker

Wissenschaftliche Mitarbeiter:
I  | Dipl.-Ing. Florian Felbinger
II | Ahmad Rabanizada, M. Sc.
     Konstantin Markstädter, M. Sc.

Universität Kassel

Institut für Antriebs- und Fahrzeugtechnik (iaf)/Lehrstuhl für Maschinenelemente und Tribologie (MT)

Mönchebergstr. 7
34125 Kassel
Deutschland

Universität Stuttgart

Institut für Verbrennungsmotoren und Kraftfahrwesen/Lehrstuhl Kraftfahrzeugmechatronik

Pfaffenwaldring 12
70569 Stuttgart
Deutschland

Projektmanagement

Ralf Thee

FVV
+49 (0) 69 6603 1349
+49 (0) 69 6603 2349

Forschungsvereinigung Verbrennungskraft­maschinen e.V.

Lyoner Straße 18
60528 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49 69 6603 1345