Der IFA Dieselmotor 4VD 14,5 /12-1 SRW in der Forschung

Wer denkt, der IFA Dieselmotor gehört schon lange zum alten Eisen, der irrt, an diesem Motor gibt es Forschungsarbeiten, um Effizienz und Leistung zu steigern.

Quelle: https://www.intechopen.com/chapters/73780

Anwendung der VCR-Technologie mit variablem Verdichtungsverhältnis in Hochleistungs-Dieselmotoren

GESCHRIEBEN VON

Paweł Woś,

KrzysztofBalawender,

Miroslaw Jakubowski,

Artur Jaworski,

Paulina Szymczuk

und

Adam Ustrzycki

Numerische und experimentelle Untersuchungen an Verbrennungsmotoren und Fahrzeugen

Abstrakt

Das Kapitel stellt die Anwendung der VCR-Technologie mit variablem Verdichtungsverhältnis für einen Verbrennungsmotor vor. Die Gesamtkonstruktion des Motors wurde als tiefgreifende Neukonfiguration des flüssigkeitsgekühlten Hochleistungs-Dieselmotors vom Typ IFA 4 VD 14,5/12-1 SRW konzipiert. Ein auf einer exzentrischen Welle basierender Gleitmechanismus wurde zum Ändern der Position der Motorzylinderkopfanordnung verwendet. Durch die Sicherstellung einer hohen Steifigkeit des Motorlayouts zusammen mit zusätzlichen Schiebemechanismen kann das Brennraumvolumen des Motors präzise verändert werden, ohne den Hubraum der Zylinder zu verändern. Dadurch kann das Verdichtungsverhältnis des Motors während des normalen Motorbetriebs kontinuierlich von dem Wert 19:1 bis hinunter auf 9:1 verändert werden.

Schlüsselwörter

Hochleistungs-DieselmotorKompressionsrateTechnologie mit variablem Kompressionsverhältnisexzentrischer MechanismusVerbrennungsmotor

1. Einleitung

Der Wunsch, die mit der Entwicklung von Motorisierung und Verkehr verbundenen nachteiligen externen Auswirkungen zu begrenzen, die hauptsächlich auf dem Hubkolbenverbrennungsmotor als primärer Antriebsquelle basieren, zeigt in erster Linie mit Begrenzung der zulässigen Schadstoffemissionen in den Abgasen, das heißt , Kohlenmonoxid, CO; Kohlenwasserstoffe, HC; Stickoxide, NOx; und Feinstaub, PM. Darüber hinaus wird im Hinblick auf die zunehmende Erderwärmung und die Verringerung der Ressourcen an flüssigen Kraftstoffen besonderes Augenmerk auf die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit des CO 2 gelegtEmission. Leider erlauben es die physikalischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten der Arbeitsprozesse in Kolbenmotoren nicht, alle oben genannten Anforderungen auf einfache Weise zu erfüllen. Trotz erheblicher Fortschritte in den letzten Jahren erfordert die weitere Verbesserung der ökologischen und energetischen Parameter von Hubkolbenmotoren weitere konstruktive Änderungen, die praktisch alle Funktionssysteme umfassen.

Einer der effektiveren Wege, obwohl er im derzeitigen Entwicklungsstadium noch viele technische und betriebliche Schwierigkeiten aufweist, ist der Bau von Motoren, bei denen das Verdichtungsverhältnis zu einem Regelparameter wird und in einem weiten Bereich und relativ kurzer Zeit kontinuierlich geändert werden kann . Bei einem herkömmlichen Motor ist das Verdichtungsverhältnis – das Verhältnis des kleinsten zum größten Zylindervolumen an den oberen Totpunktpositionen des Kolbens – konstant und wird durch die Geometrie des Zylinders und des Kurbelmechanismus bestimmt. Die neue Technologie namens variable Verdichtungsverhältnis und gekennzeichnet mit dem VCR-Symbol ändert die bisher unveränderte Eigenschaft der Motoren vollständig. Viele Unternehmen haben ein erhebliches Potenzial erkannt, das in variablen Komprimierungssystemen verborgen ist, und ihre ganze Aufmerksamkeit darauf gerichtet, Wege zu finden, diese Funktion anzuwenden und zu nutzen.

1.1 Potentielles Anwendungsgebiet der VCR-Technologie

Der Ursprung der Idee des variablen Verdichtungsverhältnisses war der Wunsch, für die Motorversorgung Kraftstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften zu verwenden; es ist die sogenannte Flex-Fuel-Fähigkeit. Obwohl es immer noch eine wertvolle Eigenschaft ist, wird derzeit bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren ein besonderer Schwerpunkt auf die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO 2 -Emissionen sowie auf die Reduzierung der Emission schädlicher Abgasbestandteile – Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe, Stickstoff – gelegt Oxide oder Partikel.

Die globale Automobilindustrie sowie Wissenschafts- und Forschungseinrichtungen, die an der Entwicklung der VCR-Technologie beteiligt sind, sprechen über das Potenzial zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch den Einsatz eines variablen Verdichtungsverhältnisses in Motoren unterschiedlicher Leistung. Signifikante wirtschaftliche Vorteile sind besonders sichtbar, wenn die Technologie mit variablem Verdichtungsverhältnis für Hochleistungsmotoren verwendet wird. Von Bedeutung ist auch, ob es sich um Saug- oder aufgeladene Motoren mit Direkteinspritzung (DFI) und variabel gesteuerter Ventilbetätigung (VVA) handelt. Abbildung 1 veranschaulicht die potenziellen Vorteile für den einzelnen und kombinierten Einsatz dieser Lösungen.

Abbildung 1.

Die prognostizierte Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs des Motors durch die Verwendung der VCR-Technologie [1].

Durch die Kombination der variablen Ventilbetätigungssysteme VCR und VVA können deutlich größere Vorteile im Bereich Kraftstoffverbrauch und Motorökologie erzielt werden ( Abbildung 2 ). Der Einsatz dieser Systeme ermöglicht zum Beispiel die Umsetzung des Atkinson-Arbeitszyklus und den Einsatz von Motoren kleinerer Dimensionen bei gleichbleibend hohen Betriebsparametern, also nach der Idee des „Ultra-Downsizing“.

Figur 2.

Die vorgesehene Verringerung der CO 2 -Emissionen dank der Verwendung von VCR- und VVA-Technologien [1].

„Downsizing“ ist ein relativ neuer Entwicklungstrend bei Kolbenmotoren, der auf den starken Druck zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des Motors reagiert. Beim Downsizing geht es darum, den Hubraum der Leistungsantriebe zu reduzieren und das Leistungsverhältnis zu erhöhen, vor allem durch immer höheren Ladedruck. Ein reduziertes Hubvolumen kann unter anderem auch durch eine Reduzierung der Zylinderzahl erreicht werden. Dadurch werden die mechanischen und thermischen Verluste sowie die Zylinderladungswechselverluste, die sogenannten Pumpverluste, reduziert. Gleichzeitig steigt der Gesamtwirkungsgrad des Motors. Andererseits erfordert eine Erhöhung des Ladedrucks eine Verringerung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses, um nachteilige Phänomene im Verbrennungsprozess zu vermeiden. Aufgrund des direkten Zusammenhangs mit dem Kreislaufwirkungsgrad, es wird bevorzugt, ein möglichst hohes Kompressionsverhältnis zu verwenden. Daher muss der Wert des Verdichtungsverhältnisses ein Kompromiss zwischen dem Erreichen des hohen thermischen Wirkungsgrades des Zyklus und anderen Einschränkungen sein, wie z. B.: Klopfgrenze, Höhe der mechanischen und/oder thermischen Belastung, maximale Druckanstiegsrate (Motorlaufhärte) usw Diese Einschränkungen gelten jedoch nur bei hohen Motorlasten, insbesondere bei hoher Aufladung. Bei konventionellen Motoren wird das Verdichtungsverhältnis für diese Betriebsbedingungen optimiert und schließlich bestimmt. Dies ist jedoch kein wesentlicher Bereich ihres üblichen Betriebs. Bei niedrigen und mäßigen Lasten könnte das Verdichtungsverhältnis viel höher sein, was eine erhöhte Betriebseffizienz des Fahrzeugs ergibt. Die VCR-Technologie ermöglicht daher eine deutliche Erweiterung des „Downsizing“-Bereichs, eine weitere Reduzierung des Verdrängungsvolumens und die Nutzung noch höherer Ladedrücke. Es wird geschätzt, dass diese Methode zur Anpassung der Arbeitsparameter des Ottomotors zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um bis zu 30 % führen kann, ohne dass die Emission giftiger Abgase signifikant zunimmt [1].

Der nächste Einsatzbereich der VCR-Technologie schließlich ist die Möglichkeit der effektiven Umsetzung fortschrittlicher Niedertemperatur-LTC-Brennverfahren (Low-Temperature Combustion). Sie zeichnen sich durch extrem niedrige Emissionswerte toxischer Verbindungen als Ergebnis einer hohen Komplementarität der Verbrennungsphase aus, die jedoch unter Bedingungen mit reduzierter Ladungstemperatur durchgeführt wird. Insbesondere das Fehlen von Temperaturgradienten im Brennraum ist die Hauptursache für die Vermeidung der Bildung von Stickoxiden. Es gibt jedoch bestimmte Schwierigkeiten beim Erhalten einer Niedertemperatur-Verbrennungsstabilität unter den hohen Motorlasten. Innerhalb dieses Motorbetriebsbereichs weist eine neue VCR-Technologie mit variablem Verdichtungsverhältnis ein vielversprechendes Anwendungspotenzial auf, dank der hohen Fähigkeit, die thermodynamischen Bedingungen in der Brennkammer zu moderieren,

2. Technische Verfahren zur Implementierung der Technologie des variablen Verdichtungsverhältnisses in Kolbenmotoren

Theoretisch gibt es mehrere mögliche Verfahren zur Verwendung der VCR-Technologie mit variablem Verdichtungsverhältnis in Kolbenmotoren. Einige von ihnen wurden in Prototypmotoren verwendet und werden Betriebstests unterzogen.

Tabelle 1 zeigt schematisch ausgewählte VCR-Layouts zusammen mit einer kurzen Analyse ihrer technischen und betrieblichen Merkmale, einschließlich Vor- und Nachteilen in Bezug auf die herkömmliche Konstruktion der Motoren. Bemerkenswert ist die Lösung (f) eines komplexen Hebel-Getriebe-Kurbelsystems, entwickelt und angewendet von der französischen Forschungsgruppe MCE-5 Development [ 2 ], sowie der SAAB SVC-Motor [ 3 , 4 ], nach dem Prinzip (a ) und Lösung (c) implementiert im Forschungsmotor der FEV Motorentechnik [ 5 ].

Tabelle 1.

Technische Anwendungsmethoden VCR-Technologie in Kolbenmotoren und ihre technischen und betrieblichen Merkmale.

↗ – Verbesserung, ↘ – Verschlechterung, ↑ – hohe Note, ↓ – niedrige Note und ≠ – charakteristische Note.

Es gibt viele spezifische und einzigartige Konstruktionen von VCR-Motoren oder sogar Motorideen und Patente. Tabelle 1 sammelt die bekanntesten Ansätze für VCR-Engine:

1. Gelenk-Monohead – der voll funktionsfähige SAAB-Motor SVC [ 3 , 4 ],
2. Kolben mit variabler Deckhöhe – verschiedene Layouts auch von Daimler-Benz und Ford vorgestellt [ 6 ],
3. von FEV entwickelte Exzenter an Kurbelwellenlagern [ 5 ],
4. Mehrlenker-Kurbelgetriebe, entwickelt von Nissan [ 7 ],
5. sekundär beweglicher Kolben oder Ventil im Zylinderkopf – verschiedene Vorschläge von Ford und Volvo/Alvar [ 6 ],
6. getriebebasierte Kurbeltriebe von MCE-5 [ 1 , 2 ],
7. exakt verschobene Zylinderblock-Zylinderkopf-Baugruppe – verwendet in eigenem Projekt [ 8 , 9 ].

Jedes der oben genannten wird von Shaik et al. [ 6 ]. Der SVC-Motor des SAAB gemäß der Lösung (a) wurde früher von Larsen [ 3 ] entwickelt. Das Kompressionsverhältnis ist variabel von 8:1 bis 14:1. Ähnlich wie bei dem Verfahren mit verschobenem Zylinderkopf (g) offenbart es eine gute Steuerfähigkeit des Verdichtungsverhältnisses, jedoch mit geringfügiger Änderung der Kolbenkinematik. Als gemeinsamer Nachteil beider Systeme kann eine schlechtere Zuverlässigkeits- und Haltbarkeitseigenschaft aufgezeigt werden. Die Lösung (b) auf Basis der Kolbenbodenhöhenvariation verwendet eine komplizierte Sonderkolbenkonstruktion [ 6]. Es stellt auch keine einfache und präzise Steuerung des Kompressionsverhältnisses bereit. Exzenter am Hauptlager (c) scheint ohne wesentliche Nachteile zu sein, macht aber den Kurbelwellenblock komplexer. Diese Lösung wurde von FEV entwickelt und in ihrem VCR-Konzeptfahrzeug eingesetzt [ 5 ]. Nissan Motors entwickelte einen mehrgliedrigen Pleuel-Kurbel-Mechanismus [ 6 ] gemäß dem Layout (d). Es bietet eine moderate Steuerfähigkeit des Verdichtungsverhältnisses bei signifikanter Änderung der Kolbenkinematik. Das Ändern des Verdichtungsverhältnisses unter Verwendung einer kleinen Kammer mit beweglichem Kolben/Ventil (e) ist eine relativ einfache Methode, die bei der Umwandlung von Standardmotoren in VCR-Motoren angewendet werden kann. Als Nachteil dieser Art der Änderung des Verdichtungsverhältnisses kann die schlechte Brennraumintegrität angeführt werden [ 6]. Der zahnradbasierte Kurbelmechanismus (f) ist eine sehr fortschrittliche Technik, die von der MCE-5-Forschungsgruppe umfassend entwickelt wurde [ 1 , 2 ]. Es zeigt eine hohe Präzision in der CR-Steuerung und gewinnbringende Änderungen in der Kolbenkinematik, die Seitenkräfte vermeiden, die auf den Kolben wirken.

Bei der Analyse der möglichen Lösungen von VCR-Motoren, sowohl hypothetische Konstruktionen als auch tatsächliche Prototypeinheiten, können zwei allgemeine Strategien zum Ändern des Werts des Verdichtungsverhältnisses während des Motorlaufs bemerkt werden.

1. Die Änderung und Steuerung des Verdichtungsverhältnisses auf dem angenommenen Niveau erfolgt durch Änderung der Position oder Geometrie des Motorteils, das aus der Zylinderkopfanordnung besteht. Dieses Verfahren greift nicht in die beweglichen Teile des Kurbel-Kolben-Systems ein, daher bleiben die Reibungsverluste und die Kinematik des Kurbel-Kolben-Systems während des Motorbetriebs unverändert oder ändern sich im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor nur in sehr geringem Maße.
2. Die Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist ein Ergebnis der beabsichtigten Änderungen in der Geometrie und/oder Kinematik des Kurbel-Kolben-Systems aufgrund spezieller Konstruktionen von Mechanismen, die eine Korrektur des Abstands zwischen der oberen Ebene des Kolbens und der unteren Ebene ermöglichen des Kopfes. In diesem Fall steigt die Leistung der Reibungsverluste im Kurbel-Kolben-System in der Regel an, kann aber auch reduziert werden (z. B. Lösung (f) – Tabelle 1 ). Manchmal bewirkt eine Variation des Verdichtungsverhältnisses gemäß diesen Konzepten auch eine ungünstige Änderung des Zylinderhubvolumens (z. B. Lösung (d) – Tabelle 1 ).

Trotz der Tatsache, dass die Idee von VCR-Motoren mit variablem Druck mit erheblicher konstruktiver und technologischer Komplexität und vielen Betriebsproblemen verbunden ist, wird davon ausgegangen, dass sie sich in naher Zukunft zu einem technischen Standard für Automobil-Kolbenmotoren entwickeln wird (siehe Abbildung 3 ).

Figur 3.

Prognosen zur Entwicklung und zum Anteil ausgewählter Spitzentechnologien in verbrennungsmotorischen Antrieben von Kraftfahrzeugen [10].

Daher wurde angenommen, dass die Entwicklung und der Bau eines Prototypmotors mit variablem Verdichtungsverhältnis zusammen mit dem erworbenen Wissen und der Erfahrung eine sukzessive Verbesserung des Designs ermöglichen und als Ergebnis ein voll funktionsfähiges, einzigartiges Forschungsinstrument erhalten, das dies ermöglicht führen eine Reihe innovativer wissenschaftlicher Arbeiten durch.

3. Entwurfsannahmen für den Testmotor und Auswahl der Basiseinheit

Auf der Grundlage der Analysen auf dem Gebiet der Technologie mit variablem Verdichtungsverhältnis unter Berücksichtigung aller Vor- und Nachteile der bekannten Technologien für Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis und vorhandener Prototypen sowie eigener Fertigungskapazitäten wurde entschieden, dass der Bau der Prüfmotor wird gemäß für das in Fall (g) in Tabelle 1 gezeigte kinematische System durchgeführt, das heißt, bestehend aus einer kontrollierten Positionierung und Bewegung der Zylinderkopfanordnung entlang der Zylinderachse. Diese Lösung ist gekennzeichnet durch relativ geringe Implementierungskosten aufgrund der Möglichkeit, einen Standard-Kolbenmotor in den VCR-Motor umzuwandeln, Einfachheit der Konstruktion und Steuerung, während ein relativ großer Bereich von Änderungen des Verdichtungsverhältnisses bei einer hohen Genauigkeit bei der Positionierung sichergestellt wird. Der Motor wird auf einem Serien-Verbrennungsmotor basieren. Es wurde davon ausgegangen, dass es für die Zwecke des angenommenen Umfangs der experimentellen Tests notwendig sein wird, einen weiten Bereich von Variationen des Verdichtungsverhältnisses zu erhalten, der typische Werte sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren abdeckt, d. h. von etwa 9:1 bis zu 19: 1. Der Testmotor sollte außerdem flüssigkeitsgekühlt sein, um eine gute Temperaturstabilität während der Forschung zu gewährleisten.

Für den Bau des VCR-Motors wurde ein mittelschnelllaufender, flüssigkeitsgekühlter 4-Zylinder-Dieselmotor des VEB IFA-Motorenwerk Nordhausen vom Typ 4 VD 14,5/12-1 SRW ausgewählt. Das einzigartige Strukturmerkmal dieses Motors, das für seine Auswahl ausschlaggebend war, war die physisch vorhandene Ebene, die das Kurbelgehäuse von der Zylinderbaugruppe trennt (siehe Abbildung 4 ).

Figur 4.

Die Hauptquerschnitte des Motors 4 VD 14.5/12-1 SRW als Basis für das eigens konstruierte Forschungsaggregat in der VCR-Technik mit den dargestellten Teilungsebenen des Motorkörpers [11].

Die Grundparameter des 4-VD-Motors sind wie folgt: Zylinderdurchmesser – 120 mm, Kolbenhub – 145 mm, Hubraum – 6560 ccm, ursprüngliches geometrisches Verdichtungsverhältnis – 18:1, Ventilantriebssystem: OHV-Ventile mit Nockenwelle in der Kurbelwellenblock, Nockenstößel, Stöcke, Ventilarme auf der Achse über dem Kopf montiert. Detaillierte Motorspezifikationen sind in Tabelle 2 beschrieben .

Tabelle 2.

Ursprüngliche technische Spezifikation des Motors 4 VD 14,5/12-1 SRW [ 11 ].

Aus den geometrischen Abmessungen des Motors 4 VD 14,5/12-1 SRW konnte ermittelt werden, wie sich das Verdichtungsverhältnis bei Bewegung der Zylinderkopfeinheit entlang der Zylinderachse gemäß der Beziehung ( Gl. (1) ) ändert:

e′=ε⋅INce - 1+ SD24⋅hINce - 1+ SD24⋅h:1e′=e⋅INce−1+PiD24⋅hINce−1+PiD24⋅h:1 E1

wobei ε´ das Verdichtungsverhältnis als Funktion der Verschiebung der Zylinderkopfanordnung ist, ε das ursprüngliche Verdichtungsverhältnis ist, V c der Hubraum des Zylinders ist, D der Zylinderdurchmesser ist, h der Verschiebungswert der Zylinderkopfanordnung relativ zur Anfangsposition ist.

Gl. (1) , ersetzt durch geeignete Werte, zeigt, dass der Bereich des Neigens der Zylinderkopfbaugruppe von der Ausgangsposition bis zu 10 mm Hub das Verdichtungsverhältnis von 19:1 auf 9:1 ändert, gemäß der in Abbildung 5 gezeigten Kurve . Die Bandbreite dieser Änderungen deckt sich im Wesentlichen mit dem angestrebten Forschungsumfang des Motors. Er kann bei Bedarf relativ einfach durch Austausch der Kolben mit unterschiedlichem Brennraumvolumen [ 8 , 9 ] geändert werden.

Abbildung 5.

Verdichtungsverhältnis versus Zylinderverschiebungswert für 4 VD 14,5/12-1 SRW-Motor.

Das angewandte Konzept zum Ändern des Verdichtungsverhältnisses erfordert die Verwendung eines genauen, präzisen Schaltmechanismus der Zylinderkopfanordnung in Bezug auf den Kurbelwellenblock. Die Anforderung an diesen Mechanismus ist neben der hohen Positioniergenauigkeit und schnellen Positionsänderung der Zylinder die Übertragung gasförmiger Kräfte, die durch den Verbrennungsprozess in einzelnen Motorzylindern entstehen. Der Wert dieser Kräfte kann aus Gl. (2) :

Fmax=pmax⋅Pi⋅D24Fmax=pmax⋅Pi⋅D24 E2

wobei F max die maximale Kraft ist, die aufgrund des Gasdrucks im Zylinder auf das Schaltsystem wirkt, p max der maximale Gasdruck im Zylinder ist und D der Zylinderdurchmesser ist.

Unter der Annahme eines maximalen Gasdrucks in Zylindern von 10 MPa erhalten wir die von einem einzelnen Zylinder erzeugte Kraft in Höhe von 113 kN. Daher muss der Gleitmechanismus eine ausreichende Festigkeit, aber auch Steifigkeit, Betriebssicherheit, kleine Abmessungen und eine relativ hohe Positionsauflösung, insbesondere im Bereich hoher Werte des Kompressionsverhältnisses, aufweisen.

Die Aufgabe der neu konzipierten Mechanik zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses besteht in der präzisen Verschiebung des 4-Zylinder-„Zylinderkopf“-Aggregats im Bereich von 0–10 mm durch synchron rotierende zwei Exzenterwellen, die über eine Art Joch mit den Gleitelementen verbunden sind -Stäbe verbinden. Das Layoutdiagramm und die Quelle der wichtigsten mechanischen Belastungen sind in Abbildung 6 dargestellt . Die Analyse der Kräfte und Momente zeigt, dass die Exzenterwellen mit einem Drehmoment Ms von ca. 300Nm jeweils.

Abbildung 6.

Diagramm des Joch-Exzenter-Zylinder-Gleitmechanismus und der Hauptquellen mechanischer Belastungen.

Abbildung 7 zeigt die Lage der Exzenterwellen zusammen mit dem Wellenantriebssystem. Beide Wellen haben Lager an beiden Enden und in der Mitte ihrer Länge. An den freien Enden beider Wellen befinden sich zwei rechtwinklig verzahnte Kraftübertragungen; ihre Eingänge sind durch eine gemeinsame Antriebswelle verbunden, die von einem Synchron-Servomotor mit mechanischer Bremse angetrieben wird. Der Radstand der Wellen beträgt ca. 380 mm, was direkt zu den Konstruktionsmerkmalen des Testmotors passt.

Abbildung 7.

Projekt der Lage der Exzenterwellen mit dem Schema des Antriebssystems.

Die Belastungsanalyse zeigt, dass jedes der Kegelradgetriebe ein maximales Drehmoment von weniger als 300 Nm übertragen muss, während der Hauptservomotor das Doppelte dieses Drehmoments erzeugen muss, also mindestens 600 Nm.

Daher wurde unter Berücksichtigung der statischen Sicherheitsfaktoren eine geeignete Auswahl an Arbeitselementen getroffen. Als Winkelgetriebe kommen die Kegelradgetriebe TRAMEC in der Ausführung RA 38AC 1:1 E B3 mit dem Nenndrehmoment Ma = 320 Nm zum Einsatz. Als Stellmotor kommt ein zweistufiger Flachuntersetzer Typ Stöber SMS Version F402AGN0470 EZ503U EL1 mit einem Beschleunigungsmoment von 700 Nm, angetrieben durch den Stöber POSIDRIVE MDS5110A/L 11,0 kW 3 × 400 V Umrichter zum Einsatz ( Bild 8 ). Alle Getriebe sind mit reduziertem Mittenspiel auf Werte unter 10 Bogenminuten.

Abbildung 8.

Overall views of the RA type TRAMEC bevel gearbox, Stöber SMS servomotor, and Stöber POSIDRIVE MDS inverter.

Die Konstruktionsarbeiten begannen mit dem Reverse-Engineering-Verfahren am Forschungsmotor, also dem Scannen des räumlichen Motorkörpers mit der Bestimmung von charakteristischen Punkten, Flächen, Abständen, Spaltmaßen etc., was die Konstruktion und Fertigung weiterer Motorkomponenten und -baugruppen ermöglichte. Wie bereits erwähnt, ist das charakteristische Merkmal des Motors IFA 4 VD 14,5/12-1 SRW, das die Entscheidung über seine Auswahl für Anpassungsarbeiten beeinflusst hat, die Tatsache, dass der Motorblock nicht fest mit den Zylindern verbunden ist. Die Teilungsebene ist in Abbildung 9 dargestellt . Seine physische Präsenz bot die Möglichkeit, einen geeigneten Antriebsmechanismus zu entwerfen und zu bauen, um die Bewegung der Zylinder (zusammen mit den Köpfen) in vertikaler Richtung zu realisieren.

Abbildung 9.

3D-Scanbild des IFA 4 VD-Motors als Grundlage für die Durchführung notwendiger Design- und Technologieänderungen; die grüne Ebene ist markiert und zeigt die Teilungsebene zwischen dem Kurbelgehäuseblock und den Zylinderblöcken.

Die Grundelemente des Zylindergleitsystems sind die mit Katalogen ausgewählten Servomotoren, zwei Kegelräder, Antriebskupplungen und zwei Exzenterwellen, Pleuel und eine konstruierte und hergestellte Hauptträgerplatte, die die Zylinder hält. Die Hauptplatine ( Bild 10 , dunkelblaue Farbe) wird aufgesetzt und mit speziellen Befestigungsgewindebolzen an den Zylinderblöcken befestigt.

Abbildung 10.

Aufbau der Zylinderträgerplatte und deren Befestigung an den in den Zylinderblöcken angebrachten Schrauben.

Um den zusätzlichen Platz zum Einsetzen einer flexiblen Dichtung zwischen Kurbelwellenblock und Zylinderblöcken zu ermöglichen, war es notwendig, die Kolben mit den größeren Kolben um mindestens 5 mm zu ändern. Von den HANOMAG D942-Motoren wurden geeignete Kolben übernommen, die die erforderlichen Abmessungen für den konstruierten VCR-Motor erfüllen.

Der nächste wichtige Schritt im Konstruktionsprozess des VCR-Motors war die exakte Bearbeitung der Exzenterwellen für das Zylindergleitsystem zusammen mit einem Satz von acht Verbindungsgabeln. Um die richtige Maßgenauigkeit zu gewährleisten, wurden technologische Arbeiten an CNC-Werkzeugmaschinen durchgeführt. Abbildung 11 zeigt die mit den Exzenterwellen befestigten Verbindungsgabeln.

Abbildung 11.

Verbindungsgabeln mit den Exzenterwellen montiert.

Die Bewegung der Trägerplatte zusammen mit den Zylindern wird durch ein Exzenterkurbelgetriebe erzwungen, das von einem komplexen Servomechanismus angetrieben wird ( Bild 12 ), dh über zwei Winkelkegelräder und zwei Exzenterwellen. Die orange dargestellten Elemente bilden die Baugruppe zur Befestigung der Achse, die durch die Löcher der Pleuelstange geht. Exzenterwellen sind in Hülsen gelagert, die mit den Querträgern (grün und gelb) verschweißt sind. Der Antrieb für Exzenterwellen wird über zwei ROTEX GS Kupplungen übertragen. Jegliche Störungen und die Gefahr von Fluchtungsfehlern bei der Bewegung der Zylinder-Zylinderkopf-Anordnung wird durch einen Satz verschiebbarer Fässer gesichert. Gleitzylinder sind dauerhaft im Kurbelgehäuse befestigt und in die präzisen Löcher im Zylinderkörper eingepasst.

Abbildung 12.

Ansicht der Montage des Zylinderblock-Gleitsystems.

Das gesamte Design des VCR-Motors ist zur besseren Veranschaulichung seiner strukturellen Komplexität in isometrischen Ansichten in 13 dargestellt , während der endgültig fertiggestellte Forschungsmotor mit variablem Verdichtungsverhältnis in 14 dargestellt ist .

Abbildung 13.

Eine isometrische Ansicht des VCR-Motors mit montiertem Zylindergleitsystem und dem Antriebsmechanismus der Exzenterwellen.

Abbildung 14.

Ansicht des kompletten VCR-Motors während Funktionstests.

4. Fazit

Kolbenmotoren sind seit vielen Jahrzehnten eine grundlegende und häufig verwendete Quelle mechanischer Antriebe in verschiedenen Arten von Maschinen und technischen Geräten, einschließlich Kraftfahrzeugen und anderen Transportmitteln. Trotz diverser kontroverser Prognosen und Meinungen, die in jüngster Zeit aufgetaucht sind und nicht immer auf gesichertem und dokumentiertem technischen Wissen beruhen, wird der Verbrennungsmotor sicherlich für viele Verkehrs- und Industriezweige ein unersetzlicher Antrieb bleiben. Man sollte den intensiven wissenschaftlichen, technischen und technologischen Fortschritt im Auge behalten, der das Endprodukt technisch immer perfekter macht. Unter Berücksichtigung der aktuellen Entwicklungstrends, die sich aus den Erfahrungen der letzten Jahre ergeben haben und die sich hauptsächlich auf die Verbesserung von Verbrennungsprozessen konzentrieren,

Ein großes Innovations- und Anwendungspotential zeigen die ausgearbeiteten ursprünglichen Design-, Konstruktions- und technologischen Errungenschaften, die einen Vierzylinder-Verbrennungsmotor mit VCR-Funktion mit variablem Verdichtungsverhältnis abdecken. Versuche, eine solche originale Powerdrive-Einheit zu entwickeln, waren, abgesehen von einigen großen Bemühungen der Automobilindustrie, normalerweise erfolglos. Das entwickelte Design der VCR-Engine eröffnet neue Forschungs- und Entwicklungsmöglichkeiten, die vorher nicht verfügbar waren. Es betrifft hauptsächlich neue Richtungen der Verbesserung von Motorarbeitsprozessen und Nutzungsmöglichkeiten von Verbrennungsmotoren, d. h. Forschung zu fortschrittlichen Niedertemperatur-Verbrennungsprozessen oder Forschung zur Vereinheitlichung und flexiblen Nutzung verschiedener Kraftstoffe für den Transport, einschließlich alternativer Kraftstoffe unterschiedliche Reaktivitäten.

Danksagungen

Die Autoren möchten dem Ministerium für Wissenschaft und Hochschulbildung in der Republik Polen für die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit danken.

Verweise

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