Beitrag zur experimentellen Ermittlung dynamischer Bauteilinteraktionen innerhalb des Kurbeltriebs von Verbrennungsmotoren

Abstract

Die durch die Verbrennung bedingte Entstehung und Überbartregung von Schall speziell über den inneren Körperschallleitweg ist Gegenstand dieser Arbeit. Moderne Brennverfahren streben eine immer höhere Effizienz an und weisen dadurch immer höhere maximale Druckgradienten in der Verbrennung auf. Diese Druckgradienten dienen als breitbandige Anregung für Eigenschwingungen im Laufzeug. Vom Kolben über das Pleuel, die Kurbelwelle und die Hauptlager bis hin zum Kurbelgehäuse werden die Schwingungen übertragen. Die spielbehafteten, hydrodynamischen Lagerstellen sind dabei für ein deutlich nichtlineares Übertragungsverhalten auf diesem Weg verantwortlich. Ein 1.5l DI-Dieselmotor der Firma Ford dient dabei als Versuchsträger für die Untersuchungen. Der Motor erfüllt die Euro 6 Abgasnorm und hat ein Aluminiumguss-Kurbelgehäuse mit Bedplate zur Lagerung der Kurbelwelle. Zu Beginn werden alle Triebwerkskomponenten einer experimentellen Modalanalyse unterzogen. Um aber nicht nur die Eigenfrequenzen der Einzelkomponenten zu kennen wird auch ein Zusammenbau aus blockiertem Zweimassenschwungrad, Kurbelwelle und Pleuel mit Kolben des dritten Zylinders modal untersucht. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen dienen einer grundlegenden Einteilung der Frequenzbereiche für die anstehenden motorischen Untersuchungen. Den Einstieg zu den motorischen Untersuchungen bildet eine akustische Grundvermessung des Serienzustandes im vollreflexionsarmen Motorenprüfstand. Anhand von Einspritzvariationen in Teillastbereich wird das Systemverhalten näher untersucht. Die sich daraus ergebenden Änderungen im Brennraumdruckspektrum werden mit den Auswirkungen im Körper- und Luftschall verglichen. Als nächsten Untersuchungsschwerpunkt werden Halbleiter-Dehnmessstreifen HL-DMS am Pleuelschaft appliziert. Diese weisen ein deutlich besseres Dynamikverhalten im Vergleich zu herkömmlichen DMS auf. Zur Übertragung der Signale von den DMS an das Messsystem kommt eine unten am großen Pleuelauge angelenkte Kabelschwinge zum Einsatz. Da HL-DMS einem hohen Temperaturdrift unterliegen war es nötig, eine spezielle Elektronik zur Driftkompensation zu entwickeln um eine optimale Signalauflösung zu erzielen. Mit Hilfe der Waveletanalyse unter Verwendung von Morlet-Wavelets können die Auswirkungen der Einspritzvariation vom Brennraumdruck über die Pleueldehnung hin zum Körperschall in der Hauptlagergasse bis in den Luftschall nachverfolgt werden. Die Waveletanalyse erlaubt dabei eine deutlich detaillierte Betrachtung hinsichtlich Zeit- und Frequenzauflösung gegenüber der herkömmlichen FFT. Als eine Hardwarevariante wurde das mit Messtechnik ausgerüstete Pleuel nachbearbeitet und der Pleuelschaft im Bereich der DMS so geschwächt, dass sich ein geändertes Übertragungsverhalten über das Pleuel hinweg ergibt. Ich einer abschließenden Versuchsreihe werden die Schmierfilmverhältnisse zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbuchse näher untersucht. Ein speziell dafür entwickeltes Messverfahren, welches auf der kombinierten Messung der Spaltweite zwischen Zylinderrohr und Kolbenhemd mittels kapazitiven und wirbelstrombasierten Wegmesssensoren beruht, wird verwendet um eine qualitative Aussage über das im Spalt befindliche Schmieröl zu treffen. Die Ergebnisse dieser Arbeit erweitern die bisher bekannten Übertragungsmechanismen hin zu höheren Frequenzen bis fast 5 kHz und erlauben es sich ein Bild über die am Kolbenhemd vorherrschenden Ölfüllungszustände zu machen.