Kolben/Kolbenringe/Zylinderlaufbahn

Transkript

1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen Reduzierung der Verlustleistungsströme am System Kolben/Kolbenringe/Zylinderlaufbahn Dipl.Ing. (Univ.) Martin Georg Knörr Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München zur Erlangung des akademischen Grades eines DoktorIngenieurs (Dr.Ing.) genehmigten Dissertation. Vorsitzender: Univ.Prof. Dr.Ing. Dipl.Wi.Ing. Willibald A. Günthner Prüfer der Dissertation: 1. Univ.Prof. Dr.Ing. Georg Wachtmeister 2. Univ.Prof. Dr.Ing. Adrian Rienäcker, Universität Kassel Die Dissertation wurde am bei der Technischen Universität München einge reicht und durch die Fakultät Maschinenwesen am angenommen.

2 IX Vorwort Kurzfassung Formelzeichen und Abkürzungen Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis V VII IX XIII XVII XXIII 1 Einleitung Grundlegende Einleitung Grundlagen des Ölverbrauchs Definition Ölverbrauch Ölverbrauch in der Literatur Vorausgegangene Untersuchungen Ölverbrauchsquellen Ölverlust durch Blowby Ölverlust durch Abdampfen Direkter Öltransport in den Brennraum Anteile der Ölverbrauchsquellen Ölverbrauch im transienten Motorbetrieb Grundlagen der Tribologie der Kolbengruppe Reibung Verschleiß Schmierung Ziel der Arbeit 21 2 Messmittel Messmotor Messaufbau Ring und Gasdynamik Messschwinge Messkolben Einbausituation im Motor Ölverbrauchsmessmethoden Gravimetrie S02Tracertechnologie 31 3 Simulationsmodelle und Grundlagen der statistischen Versuchsplanung 35

3 Zwischenringdrücke Dragging Squeezing X 3.1 Simulationsmodelle Ring und Gasdynamik Betrachtete Betriebspunkte im Kennfeld Abgleich MessungSimulation Theorie der statistischen Versuchsplanung Problemstellung und Ziel Grundlagen der statistischen Versuchsplanung Vorgehensweise bei der Optimierung mittels statistischer Versuchsplanung Systemidentifikation Versuchsplan Modellbildung undanalyse Optimierung Validierung Simulationsmodell Zylinderoptimierte Kolbenringe Abaqus Modell Modellierung der Kolbenringe und der Zylinderlaufbahn Notwendige Vorbereitungen Modellbeschreibung Optimierungsalgorithmus Grundaufbereitung der Simulationsmodelle für die Optimierung mittels Optimus Grundeinstellungen für die Optimierung Optimierungspfad Optimus 56 4 Ergebnisse der Optimierungsschritte Reduzierung des Ölverbrauchs durch gezielte Auslegung der Systemrandbedingung Kurbelkammerdruck Ausgangssituation und Gasflüsse bei Niedriglast Wirkungsweise der Kurbelkammerdruckabsenkung auf den Ölverbrauch Messung des Zwischenringdrucks für unterschiedliche Kurbelkammerdruckniveaus Simulation des Gasflusses in Abhängigkeit des Kurbelkammerdruckniveaus Ring und Gasdynamik bei Seriendruck und abgesenktem Druck in der Kurbelkammer ölquetschen zwischen Ring Ölmitreißen durch den Gasstrom und Nutflanken Simulationsgestützte Auslegung des optimalen Kurbelkammerdruckniveaus Messergebnisse Wirkungsbereich der getroffenen Maßnahme zur Kurbelkammerdruckabsenkung 69

4 DoEl DoE2* DoE2 DoE2 XI Beeinflussung des BlowbyGasstroms Ölverbrauchsmessungen Stationärer Ölverbrauch Dynamischer Ölverbrauch Analyse der Reduzierung der Ölverbrauchspeaks im Kundenzyklus Druckverhältnisse und Gasströme vor und während des Ölverbrauchspeaks Ölansammlung in der ersten Ringnut und auf dem Feuersteg Verantwortliche Ölverbrauchsmechanismen für Ölverbrauchspeaks Quantifizierung des Nutfüllungsgrades in Abhängigkeit des Kurbelkammerdruckniveaus Fazit Optimierung des Systemverbunds Kolben/Kolbenringe mittels statistischer Versuchsplanung Staffelung der Optimierungsschritte Allgemeines zu den Versuchsplänen Optimierungskriterien und Gewichtungen Automatisierung der Simulationsmodelle Erste Optimierungsstufe Optimierungsergebnisse Haupteinflussfaktoren Messkolben mit Anpassung an Serienringpaket Zweite Optimierungsstufe Optimierungsergebnisse Haupteinflussfaktoren Dritte Optimierungsstufe Probleme und Abhilfe zu DoE Simulative Betrachtung der Verschlechterungen Abhilfemaßnahmen Optimierungsergebnisse Messergebnisse Ergebnisse der ersten Optimierungsstufe DoEl Blowby Ölverbrauch Ergebnisse der zweiten Optimierungsstufe Blowby 133

5 Zylinderoptimierte DoE2* XU Ölverbrauch Ergebnisse der dritten Optimierungsstufe Blowby Ölverbrauch Absenkung der Tangentialkräfte zur Reibungsreduktion Fazit Optimierung des Bauteils Kolbenring 136 Kolbenringe Grundlegende Voraussetzungen Ausgangszustand Simulationsergebnisse Optimierungsergebnisse Allgemeine Erkenntnisse Validierung der Mittelung der Zylinderdeformation Prüfung der Notwendigkeit zur Ringfixierung Zusammenfassung und Ausblick 153 Literaturverzeichnis