Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.

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1 Untersuchungen zur Kraftanregung durch die Verbrennung beim direkteinspritzenden Common-Rail Dieselmotor unter Berücksichtigung des Körperschallübertragungsverhaltens Vom Fachbereich Maschinenbau an der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des Grades eines Doktor-ngenieurs (Dr.-ng.) genehmigte D i s s e r t a t i o n vorgelegt von Dipl.-ng. Karsten Finger aus Frankenberg/Eder Berichterstatter: Prof. Dr.-ng. Dr.-ng. E.h. F.G. Kollmann Mitberichterstatter: Prof. Dr.-ng. R. Nordmann Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: Darmstadt 2001 D 17

2 Vorwort Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Doktorand bei der DaimlerChrysler AG in Stuttgart unter Betreuung des Fachgebietes für Maschinenelemente und Maschinenakustik der Technischen Universität Darmstadt. Herrn Professor Dr.-ng. Dr.-ng. E.h. F.G. Kollmann, dem Leiter des Fachgebietes, danke ich herzlich für die auch über die Entfernung gute Betreuung und wissenschaftliche Diskussion während der Durchführung der Arbeit. Herrn Professor Dr.-ng. R. Nordmann danke ich für die Übernahme des Korreferates. Mein Dank gilt weiterhin allen Kollegen der Abteilung Versuch Dieselmotoren der Motoren- Vorentwicklung der DaimlerChrysler AG unter Leitung von Herrn Dr. Duvinage für die stets gute Zusammenarbeit, Diskussionen und Hilfen, die zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Besonderer Dank gilt den Mitarbeitern des Teams Akustik unter Leitung von Herrn Krechberger für die immer kollegiale Zusammenarbeit und fachliche Diskussion bei der Durchführung der Arbeiten sowie der Unterstützung durch ihre langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der Motorenakustik. Weiterhin gilt Dank Herrn Dr. Welte, der mich während der gesamten Durchführung der Arbeit durch seine fachliche und auch kritische Diskussion unterstützt hat. Den Mitarbeitern der Abteilung ntegration Antrieb unter Leitung von Herrn Pütz, sowie den Abteilungen der Serienentwicklung Verbrennung und Akustik danke ich für die Unterstützung bei der Durchführung der Meßreihen auf den Prüfständen und der freundlichen Unterstützung durch deren Mitarbeiter. Auch möchte ich mich bei den studentischen Mitarbeitern bedanken, die mich im Rahmen ihrer Diplomarbeiten bei der Durchführung der notwendigen Arbeiten unterstützt haben. Schließlich bedanke ich mich bei meinen Eltern, die mir das Studium ermöglichten, sowie bei meinen Freunden, die mit ihrer Unterstützung zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Frankenberg, im November 2000 Karsten Finger

3 nhaltsverzeichnis nhaltsverzeichnis nhaltsverzeichnis... Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen... 1 Einführung Motorakustik und Möglichkeiten der Lärmminderung Geräuschentstehung bei Verbrennungsmotoren Der Zylinderdruckverlauf als Kraftanregung Das Körperschallübertragungsverhalten Signal- und Systemanalyse Untersuchungsmethodik Untersuchungsverfahren und Analysemethoden der Motorakustik Meßverfahren im Motorbetrieb Verfahren zur Strukturidentifikation Analyseverfahren des Zylinderdruckverlaufs Signalanalyse Definitionen und Anwendung Abschätzverfahren und Anwendbarkeit Experimentelle Schallintensitätsuntersuchung Psychoakustik im Motorenbau Versuchsträger und Meßaufbau Versuchsträger Prüfstandsaufbau Meßtechnik und Durchführung Untersuchungen zur Optimierung des Zylinderdruckverlaufs Common-Rail Einspritzsystem Optimierung durch systematische Parametervariation Analyse von Zylinderdruckverläufen bei Variation der Einspritzung Druckverläufe und Druckspektren Beeinflussung der Druckspektren durch Variation der Einspritzung Abstimmung der Abgasemissionen und Auswirkung auf Zylinderdruckspektren Analyse von Zylinderdruckverläufen - theoretische Betrachtung Analyse durch Abschätzverfahren Analyse durch nterpolation von Zylinderdruckverläufen Untersuchungen zur Parametersensitivität...68

4 nhaltsverzeichnis 6 Auswirkungen auf Körperschall und Luftschall bei Modifikation der Struktur Strukturmodifikation Einfluß der Strukturmodifikation auf Körper- und Luftschall Einfluß der Strukturmodifikation auf den Körperschall Einfluß der Strukturmodifikation auf den Luftschall Einfluß der Strukturmodifikation auf das Abstrahlverhalten Einfluß der Verbrennung auf Körper- und Luftschall Untersuchung des Körperschallübertragungsverhaltens Ermittlung von Übertragungsfunktionen zur Charakterisierung der Struktur Bewertung der Körperschallübertragung Bewertung einer Strukturmodifikation mittels Übertragungsfunktionen Berechnung des Körperschallanteils der Kraftanregung durch die Verbrennung.98 9 Zusammenfassung Literaturverzeichnis...104

5 Formelzeichen und Abkürzungen Verwendete Formelzeichen und Abkürzungen Formelzeichen cl f ( f ) i x i Schallgeschwindigkeit der Luft Frequenz F, Einzelkräfte GXX G XY h( t) ( f ) G ( f ) ( f ) H ( t) H ( f x, ) i, YY einseitiges Autoleistungsspektrum Kreuzleistungsspektrum Sprungantwort (Gewichtsfunktion) Übertragungsfunktion vi, x i Schnelleadmittanzfunktion j( t) Zylinderzahl (-nummer) momentaner Schallintensitätsvektor k LpZyl LÜ LVG M d n n( t) N( f ) p( t) pi pmi Korrelationskoeffizient Anregungsspektrum Zylinderdruck Struktur-Übertragungsmaß direktes Verbrennungsgeräusch Motormoment Motordrehzahl Nutzsignal Fouriertransformierte des Nutzsignals Schalldruck Zylinderdruckverlauf indizierter Mitteldruck pme P( f ) r( t) R( f ) S S XX ( f ) S ( f ) effektiver Mitteldruck Schalleistung Störsignal Fouriertransformierte des Störsignals abstrahlfähige Oberfläche der Struktur, YY Autoleistungsspektrum von Eingangs- bzw. Ausgangssignal

6 Formelzeichen und Abkürzungen t ( t x) u, ( f x) Zeit v, Schnelle VH x Geschwindigkeitsvektor der Luft Hubvolumen Ortsvektor xi x( t) X ( f ) y( t) Y( f ) 1 α 2 γ ( f ) σ ( f ) ρ0 Ortsvektor einer Einzelkraft Eingangssignal Fouriertransformierte des Eingangssignals Ausgangssignal Fouriertransformierte des Ausgangssignals Fouriertransformation inverse Fouriertransformation Kurbelwinkel Kohärenz Abstrahlgrad Ruhedichte der Luft Nicht aufgeführte Formelzeichen treten im Text nur einmalig auf und sind an der entsprechenden Stelle definiert. Sonstige Symbole m maginärteil Re Realteil * konjugiert komplex ~ Effektivwert V

7 Formelzeichen und Abkürzungen Abkürzungen AGR ASP DFT EKAS FEM FFT HE KW KW v. OT KW n. OT SZ VE ZOT Abgasrückführung Arbeitsspiel Diskrete Fourier Transformation Einlaßkanalabschaltung Finite-Element-Methode Fast Fourier Transformation Haupteinspritzung Kurbelwinkel Kurbelwinkel angegeben relativ vor oberem Totpunkt Kurbelwinkel angegeben relativ nach oberem Totpunkt Schwärzungszahl nach Bosch Voreinspritzung Kolbenstellung im oberen Totpunkt des Zündtaktes Referenzwerte der Pegelbestimmung Schalldruckpegel Zylinderdruckpegel Schnellepegel Beschleunigungspegel Schallintensitätspegel p 0 = 2*10-5 Pa p Z0 = 2*10-10 bar v 0 = 5*10-8 m/s a 0 = 1*10-4 g 0 = 1*10-12 W/m² V