VKM_I_Kap.3_4

Beanspruchung der Zylinderkopfdichtung

Die wesentlichen Beanspruchungen resultieren aus dem abzudichtenden Gasdruck und den Temperaturschwankungen im Betrieb. Sofern die Anzugskräfte nicht ausreichend sind oder keine gleichmäßige Verspannung des Zylinderkopfes gegeben ist, kann es zu Gasverlusten kommen. Diese Leckagegase bewirken im Schadensfall sehr schnell einen thermischen Verzug des Zylinderkopfes. Es ist daher notwendig, auf die Anzugsmomente und die Anzugsreihenfolge der Zylinderkopfschrauben zu achten.

Die üblicherweise verwendeten Flachdichtungen werden als Metall- und Metall-Weichstoff-Dichtungen ausgeführt.

Metall-Dichtungen

Massiv-Metall-Dichtungen sind aus Stahl, Kupfer oder Leichtmetall. Sie benötigen sehr hohe Schraubenkräfte und sind sehr steif.

Lagendichtungen bestehen aus geschichteten Lagen aus Stahl-, Kupfer- oder Leichtmetallblechen wobei weiche Metalle die Decklagen bilden. Sie reduzieren die notwendigen Schraubkräfte.

Metall-Weichstoff-Dichtungen

Metall-Weichstoff-Dichtungen, wie sie zumeist im PKW-Sektor eingesetzt werden, bestehen im Wesentlichen aus einem Faserflies aus Aramidfasern, Asbestsubstitutionen und Silikonpolymer. Sie tragen ein Stützgerüst aus Stahlblech und sind im Bereich der Zylinderbohrung mit einem Feuerschutzring aus Blech versehen. Die Abdichtung der Ölräume erfolgt meist mit Hilfe von eingearbeiteten O-Ringen.

Der Zylinderkopf ist in konstruktiv-gestalterischer Hinsicht das anspruchsvollste Motorenbauteil. Er beeinflusst die Energieumwandlung entscheidend. Die Aufgaben werden wie folgt formuliert.

Aufgaben

• Begrenzung und Gestaltung des Brennraumes (und gegebenenfalls des Nebenbrennraumes)
• Abdichtung des Zylinderraumes nach oben
• Aufnahme der Kanäle für Kühlung, Ölversorgung und Ladungswechsel
• Aufnahme der Steuerungsorgane für den Ladungswechsel (Ventile und Ventiltrieb)
• Aufnahme von Zündkerze und Einspritzventil

Beanspruchungen

• Mechanische Beanspruchung
• Gaskräfte
• Schraubenkräfte der Zylinderkopfverschraubung
• Ventilaufschlagkräfte
• Verspannkräfte durch Anbauteile (Kipphebelbrücken, Nockenwellenlagerung, Ansaug- und Auslasskrümmer)
• Thermische Beanspruchung
  • Wärmespannungen durch ungleichmäßige Erwärmung des Ein- und Auslasskanals mit örtlich hoher Werkstoffbelastung des Auslassventilsitzes und des Stegs zwischen den Ventilsitzen
  • Wärmespannungen durch ungleichmäßige Erwärmung der Brennraumseite und der Zylinderkopfaußenseite

• Hohe Volllastwerte durch widerstandsarmen Ladungswechsel
• Effiziente Verbrennung durch kompakten Brennraum
• Geräuscharmer und drehzahlfester Ventiltrieb
• Niedriges Gewicht
• Kostengünstige Herstellung
• Wartungsfreiheit

• Abbau von Übertemperaturen und thermischen Spannungen durch entsprechende Formgebung und Kühlungsauslegung
• Steife Formgebung um eine gleichmäßige Belastung der Dichtflächen zu gewährleisten und die Nockenwelle lagern zu können

Den Zylinderkopf gibt es in

• Einzel- und Blockausführung.
• Blockzylinderköpfe

werden in der Regel bei kleinen Zylindereinheiten, wie sie typisch für den PKW-Motor sind, verwendet. Sie bieten eine in der Großserie kostengünstige Lösung, obwohl die Flexibilität bei Schäden verloren geht und das Gussteil aufgrund der Wasserkanäle kompliziert wird.

Bei größeren Zylindereinheiten, wie z.B. bei LKW-Motoren, kommen

Einzelzylinderköpfe zum Einsatz, die meist als Einheits-Köpfe im Baukastensystem konzipiert sind. Sie sind wartungsfreundlicher und bei großen (langen) Motoren einfacher zu beherrschen. Allerdings werden die Zylinderabstände größer und eine gemeinsame obenliegende Nockenwelle ist nur mit großem Aufwand zu verwirklichen.

Die komplexe Funktion des Zylinderkopfes kommt in seiner Gestaltung zum Ausdruck:

• Die Unterseite ist gekennzeichnet durch die Brennraumkontur. Die Restfläche ist geplant und bildet die Dichtfläche.
• Innerhalb des Zylinderkopfes verlaufen die Ein- und Auslasskanäle von den seitlichen Flanschflächen zum Brennraum. Die Ventile verschließen diese brennraumseitig.
• Um den Brennraum verlaufen die Wasserkanäle. Das Kühlwasser umspült auch die Ladungswechselkanäle und den Zündkerzenschacht (Diesel: Einspritzdüse und evtl .
• Nebenkammer). Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung müssen sowohl Zündkerze als auch Einspritzdüse im Zylinderkopf untergebracht werden.
• Im inneren Kanalbereich oberhalb der Ventilsitzringe durchstoßen die Ventilschäfte mit den dort auslaufenden Führungen die Kanäle.
• Oberhalb der Wasserraumzwischenwand erstreckt sich der Ölraum. Hier befindet sich die Ventilsteuerung. Je nach technischem Konzept sind hier die Nockenwellenlagerung, Ventilfedern und Tassenstößel sowie Kipp- oder Schlepphebel und deren Lagerung.
• Der Zylinderkopf wird über einen Zuführungskanal aus dem Hauptkanal mit Motoröl versorgt. Dieses mündet in einen Verteilerkanal, der die Nockenwellenlagerung, die Tassenstößel und den hydraulischen Ventilspielausgleich versorgt.
• Aus dem Ölraum fließt das Motoröl durch drucklose Ölrücklaufkanäle wieder ins Kurbelgehäuse zurück.
• Der Zylinderkopf wird nach oben durch den Zylinderkopfdeckel abgedichtet. Dabei ist insbesondere auf eine geräuscharme Ausführung (z.B. Entkoppelung) zu achten.

Der Zylinderkopf ist sowohl thermisch als auch mechanisch ein hochbelastetes Bauteil.

Thermische Belastung:

Aufgrund der direkten Beaufschlagung mit den Verbrennungsgasen und der Abgaskanalführung durch den Zylinderkopf kann es zu hohen thermischen Belastungen kommen. Dabei sind die Wärmemengen nicht homogen verteilt. Abhilfe schafft in diesem Falle eine sehr sorgfältige Auslegung der Kühlung. Kritische Bereiche sind hierbei der Auslassventilsitz, der Bereich um die Einspritzdüse bzw. die Zündkerze und evtl. die Vorkammer. Ebenfalls sehr kritisch ist der Ventilsteg zwischen den Ventilen. Hier können Anrisse entstehen, die durch eine gezielte Wasserführung (Wasserkühlung) bzw. eine gezielte Luftführung (Luftkühlung) und dünne Wandstärken eingedämmt werden können.

Mechanische Belastung:

Die stärksten Verformungen sind auf die Verschraubung des Zylinderkopfes mit dem Motorblock zurückzuführen. Aufgrund der abzudichtenden Gaskräfte sind die notwendigen Anzugsmomente hier besonders hoch. Wichtig ist an dieser Stelle eine steife Zylinderkopfkonstruktion. Dazu ist es u.a. notwendig, ausreichend viele Zuganker (längliche Verschraubungselemente) um den Zylinder herum zu gruppieren. Gleichzeitig sollten die Zuganker gleichmäßig zur Zylinderbohrung verteilt sein. Sie sollten möglichst lang sein, damit über sie keine Momente in den Block eingebracht werden und es somit nicht zu Verwerfungen der Laufbuchse kommt.

Werkstoffe und Fertigung:

Als Zylinderkopfwerkstoff wird bei größeren Motoren (LKW und größer)

Grauguss mit Lamellengraphit, (für höhere Beanspruchungen mit Kugelgraphit) verwendet. Die bei kleineren Motoren (PKW) meist verwendeten Leichtmetall-Legierungen bieten hinsichtlich der Wärmeverteilung Vorteile. Sie sind gleichzeitig sehr leicht. Allerdings sind hier grundsätzlich Ventilsitzringe erforderlich. Gleichzeitig muss der Ventilschaft durch eine zusätzliche Ventilführung geführt sein.

Der Ladungswechsel wird durch die Ventilsteuerung vorgenommen. Dabei werden in der Regel Tellerhubventile verwendet, die von einer Nockenwelle und entsprechenden Übertragungselementen betätigt werden. Die Art und Weise, wie diese Ventile angeordnet sind und unter welchen Gesichtspunkten sie angesteuert werden, bestimmt die Charakteristik, das Abgasverhalten und den Verbrauch in erheblichem Maße. Aus diesem Grunde beschäftigt sich ein eigenes Kapitel im Rahmen des zweiten Teils mit dem Ladungswechsel in ausführlicher Form. Daher soll an dieser Stelle eine Beschränkung auf die grundlegenden Zusammenhänge erfolgen.

Aufgaben

• Schnelles Öffnen und Schließen der Steuerungsorgane
• Freigeben großer Strömungsquerschnitte mit geringen Strömungswiderständen
• Geringe thermische Belastung (besonders der Auslassventile)

Nockenwelle

• Reibungskräfte
• Torsionsbeanspruchung
• Thermische Beanspruchung

Übertragungselemente

• Reibungskräfte
• Massenkräfte
• Stoßbelastung

Ventilfedern

• Massenkräfte
• Resonanz
• Thermische Beanspruchung

Ventile

• Stoßbelastung (Öffnen, Aufsetzen)
• Reibungskräfte
• Thermische Beanspruchung, insbesondere Auslassventil
• Ablagerungen
• Massenkräfte

Geforderte Eigenschaften

• Ausreichende Festigkeit und Steifigkeit der Bauteile
• Kraftschlüssiges Öffnen und Schließen
• Möglichst „eicher" Beschleunigungsverlauf der translatorisch bewegten Komponenten (für geringe Verformungen und Geräuschentwicklungen)
• Ausreichende Kühlung der Auslassventile
• Geringe bewegte Massen

Konstruktive Auslegung

Die Ausführung der Ventilsteuerung hat einen großen Einfluss auf den Ladungswechsel und die Verbrennung. Man unterscheidet zwischen

• Untenliegender Nockenwelle
• Obenliegender Nockenwelle

Bei der untenliegenden Nockenwelle sind zwei Konstruktionen möglich:

• Stehende Ventile (sv – side valves)
• Hängende Ventile (ohv – overhead valves)

Die Konstruktion mit

stehenden Ventilen wird heute nicht mehr eingesetzt. Die Brennraumform ist zwangsläufig sehr lang gestreckt. Die Folge sind hohe HC-Emissionen, ein geringes mögliches Verdichtungsverhältnis und die Gefahr der klopfenden Verbrennung. Diesen Nachteilen steht der Vorteil des einfachen, Platz sparenden Aufbaus gegenüber.

Varianten mit

hängenden Ventilen finden sich heute im PKW-Sektor allenfalls noch bei V-Motoren. Bei größeren Motoren ist diese Variante jedoch sehr verbreitet. Die Ursache liegt in der einfachen Anordnung einer einzelnen Nockenwelle bei vierzylindrigen Motoren und deren simplen Antrieb durch Stirnräder. Die hohen bewegten Massen und die relativ weiche Stoßstange bedingen ein ungünstiges dynamisches Verhalten bei hohen Drehzahlen. Bei großen Dieselmotoren ist dies jedoch von untergeordneter Bedeutung.

Bei der obenliegenden Nockenwelle (ohc – overhead camshaft) sind drei Konstruktionen möglich:

• Kipphebel
• Schlepphebel (auch als Schwinghebel bezeichnet)
• Tassenstößel

Bei der Ausführung mit

Kipphebel ist die Nockenwelle seitlich neben den Ventilen angeordnet. Über den Hebel wird die Nockenbewegung übertragen und je nach Abstandsverhältnis zum Drehpunkt übersetzt. Der Hebel ist geschmiedet, gegossen oder aus Blech gefertigt. Bei einer solchen Konstruktion können auch v-förmig angeordnete Ventile mit nur einer Nockenwelle betätigt werden (auch 4-Ventiler). Die Lösung ist kostengünstig, hat geringe bewegte Massen und ist sehr steif. Allerdings erhöht der Einsatz eines hydraulischen Spielausgleichselements die bewegten Massen deutlich.

Bei der Variante mit

Schlepphebel (Schwinghebel) ist die Nockenwelle seitlich neben dem Ventil etwa auf gleicher Höhe angeordnet. Dadurch baut der Motor höher. Über den Hebel wird die Nockenbewegung übertragen und je nach Abstandsverhältnis zum Drehpunkt übersetzt.

Der Ventiltrieb ist extrem steif und weist eine geringe bewegte Masse auf. Querkräfte werden weitgehend vom Ventil ferngehalten, die wirkenden Kräfte auf die Lagerung sind gering. Die Ventilspieleinstellung ist leicht und ein hydraulischer Ventilspielausgleich ist ohne Vergrößerung der bewegten Masse möglich.

Bei der Variante mit

Tassenstößel ist die Nockenwelle direkt oberhalb der Ventile angeordnet. Dadurch baut der Motor hoch. Die Nocken betätigen direkt das Ventil, es erfolgt keine Übersetzung. Folglich müssen die Nocken sehr hoch sein. Der Tassenstößel fängt die vom Nocken ausgeübten Querkräfte auf und hält das Ventil radialkraftfrei. Die Konstruktion ist sehr steif, daher sind hohe Drehzahlen möglich. Ein hydraulischer Ventilspielausgleich wird in den Tassenstößel integriert, erhöht aber die bewegten Massen. V-förmig angeordnete Ventile erfordern hier zwei Nockenwellen.

Die Forderung nach einem schnellen Öffnen und Schließen der Ventile in Verbindung mit großen Ventilhüben hat hohe Beschleunigungswerte zur Folge. Um ein schnelles Schließen zu gewährleisten, muss die Ventilfeder ausreichend steif sein damit die Federkräfte in jedem Fall größer sind als die dynamischen Kräfte. Durch das Auftreten der Massenkräfte der Komponenten und das Stauchen der Feder wirken beim Öffnen des Ventils doppelte Kräfte. Dies stellt besondere Anforderungen an die Reibflächen und bewirkt Reibungsverluste.

Wichtig ist hierbei, dass die Ventilbewegung der Nockenform folgen kann. Ein zu großes Spiel in den Übertragungselementen würde aufgrund der plötzlichen Beschleunigung des Ventils zu Ventilbruch oder Abreißen führen. Andererseits ist ein gewisses Spiel notwendig, da das Ventil Längenänderungen unterliegt. Es sollte selbst bei extremen Temperaturen genug Ausdehnungsspielraum haben. Ansonsten würde es permanent offen stehen, was sehr schnell zum Verbrennen und damit zu einem Motorschaden führen kann.

Nockenwelle

Nockenwellen werden als Gesenkschmiedestücke aus Einsatzstahl oder unlegiertem Kohlenstoffstahl hergestellt. Für Großserienmotoren haben sich Nockenwellen aus Gusseisen mit Lamellengraphit bewährt. Die Bearbeitung erfolgt durch Kopierfräsen und –schleifen.

Stößel und Stößelstangen

Stößel und Stößelstangen werden aus Hartguss oder aus Stahl hergestellt. Die Auswahl des Materials ist aber eng mit dem Werkstoff des Reibpartners Nockenwelle verknüpft.

Kipp- und Schlepphebel

Meistens werden Kipp- und Schlepphebel als Gesenkschmiedestücke ausgeführt. Gusseisen mit Lamellengraphit ist eine kostengünstige Alternative. Bei Kipphebeln werden auch Blechpressteile verwendet.

Ventile

Die Ventile unterliegen extremen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Am Einlassventil werden 300 – 500 °C erreicht, beim Auslassventil bis ca. 700 °C. Für diese Bedingungen sind hochwertige Werkstoffe erforderlich. Es werden Ventilstähle aus Silizium-Chrom-Legierungen verwendet. In besonderen Fällen werden Chrom-Nickel-Wolfram-Legierungen eingesetzt.

Nockenwellenantrieb

Der Antrieb der Nockenwelle erfolgt bei untenliegender Anordnung im Motorblock meist durch Zahnräder oder Ketten. Obenliegende Nockenwellen werden hauptsächlich durch Rollen- bzw. Zahnketten und Zahnriemen, aber auch Stirnzahnräder (Rennmotoren) angetrieben.

Nockenwellenantrieb

Der Antrieb der Nockenwelle erfolgt bei untenliegender Anordnung im Motorblock meist durch Zahnräder oder Ketten. Obenliegende Nockenwellen werden hauptsächlich durch Rollen- bzw. Zahnketten und Zahnriemen, aber auch Stirnzahnräder (Rennmotoren) angetrieben.

Mobilität:

• Fahrzeuge (PKW, LKW)
• Lokomotiven
• Flugzeuge
• Schiffe und Boote

industrielle Anlagen:

• Aggregate zur Stromerzeugung
• Industriemaschinen
• Pumpenanlagen
• Baumaschinen o.Ä.

Freizeit:

• Spielzeugen bzw. Hobby
• Sportgeräten

Ein Schiffsdieselmotor, wie in Abbildung 3-1 dargestellt, ist insbesondere auf hohe Lebensdauer, hohe Effektivität sowie hohes Drehmoment und große Leistung ausgelegt. Aspekte wie z.B. Motorgewicht, gutes Instationärverhalten oder geringe Emissionen spielen an dieser Stelle eine untergeordnete Rolle.

Eine völlig andere Entwicklungsrichtung der Verbrennungsmotoren bzw. Hubkolbenmotoren stellt dagegen ein Formel1-Motor dar. Hier liegen die Entwicklungsschwerpunkte auf hoher Leistung, geringem Gewicht und gutem instationären Verhalten. In diesem Falle haben die Emissionen und Aspekte wie die Geräuschentwicklung keinerlei Auslegungsrelevanz.

Ein drittes Beispiel für die Vielschichtigkeit der Verbrennungsmotoren ist ein kleiner Bootsmotor. Die  Langlebigkeit, aber auch der effektive Umgang mit Kraftstoff sind hier Entwicklungsschwerpunkte. Hinzu kommen möglichst geringe Geräuschemissionen. Die spezifische Leistung eines solchen Motors und das Instationärverhalten sind untergeordnet.

Wieder für ein ganz anderes Einsatzgebiet sind Motoren für Hochleistungszweiräder konzipiert. Bei dieser Anwendung sind niedrigstes Gewicht, kompakte Bauform und hohe spezifische Leistung entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit.

Der Motor gliedert sich äußerlich in zwei Bestandteile:

1. Motorblock
2. Zylinderkopf

Motorblock besteht aus folgenden Bauteilen:

1. Kurbelwelle und Lagerung
2. Pleuel
3. Kolben

Der Zylinderkopf beinhaltet alle Komponenten, die für den Ladungswechsel verantwortlich sind:

1. Ein und Auslassventile
2. Nockenwelle mit Lagerung
3. Zündkerzen
4. Einlasskanäle
5. Auslasskanäle

Weitere Komponenten:

• Öl- und Wasserpumpe
• Kühlkreislauf
• Schmierung
• Generator
• Startermotor
• Nebenaggregate
• unterer Abschluss ist die Ölwanne

Auch der Zylinderkopf wird als extrem wärmebelastetes Bauteil durch den motorischen Kühlkreislauf gekühlt und weist entsprechende Wasserkanäle auf. Da die bewegten Teile wie Nockenwellen und Ventile geschmiert werden müssen, sind für den Schmierstofftransport Ölkanäle integriert.

Der Einlasskanal ist mit dem Saugrohr verbunden, welches die verschiedenen Saugkanäle der einzelnen Zylinder zusammenfasst. Das Saugrohr wiederum ist an den Luftfilter angeschlossen, wobei es beim Ottomotor die Drosselklappe zur Lastregelung integriert. Bei saugrohreinspritzenden Ottomotoren sind die Einspritzdüsen, durch die der Kraftstoff der einströmenden Luft zugemischt wird, im Saugrohr positioniert. Bei direkteinspritzenden Ottomotoren und allen Dieselmotoren sind diese im Zylinderkopf angebracht.

Der Auslasskanal ist mit dem Abgasstrang verbunden. Hier werden die verbrannten Gase über ein Abgasreinigungssystem der Umwelt zugeführt.

Der Gasaustausch wird über die Ventile gesteuert, die aufgrund der Betätigung durch die Nockenwelle die Ein- und Auslasskanäle öffnen und schließen.

In der Schnittansicht in Abbildung 3-6 sind die vier Arbeitseinheiten zu erkennen, d.h. die vier zylindrischen Bohrungen, in denen jeweils ein Kolben gleiten kann. Die vom Kolben aufgenommene Gaskraft wird über das Pleuel, also die Verbindungsstange zwischen Kolben und Kurbelwelle, auf die gemeinsame Abtriebswelle (Kurbelwelle) übertragen. Die Kurbelwelle ist mit Kröpfungen versehen, welche die translatorischen Bewegungen der Kolben in eine rotatorische Wellenbewegung umformen.

Es befinden sich nicht alle Kolben gleichzeitig in derselben Position, sondern sie sind so angeordnet, dass eine gleichmäßige Energiefreisetzung wechselweise über die verschiedenen Einheiten entsteht. Hier spielen auch Aspekte des Massenausgleichs eine wesentliche Rolle.

Die Kurbelwelle ist an ihrem hinteren Ende mit einer Schwungscheibe verbunden. Sie sorgt durch ihre Massenträgheit für einen gleichmäßigen Motorlauf und glättet damit die durch die zyklischen Energiefreisetzungen verursachten Drehschwingungen.

Am vorderen Ende befindet sich der Riementrieb (oder Kettentrieb), der den Antrieb der Nockenwellen mit einer festen Phasenzuordnung gewährleistet. Ferner werden mit Hilfe eines weiteren Riementriebes die Nebenaggregate wie Wasserpumpe, Generator o.Ä. angetrieben. Die Ölpumpe ist hier nicht integriert. Sie wird in der Regel durch einen eigenen, sehr robust ausgelegten Antrieb im Inneren des Motors betätigt. Sie saugt über ein mit einem Sieb bestücktes Ansaugrohr das Motoröl aus der Ölwanne und fördert dieses in den Ölkreislauf.

2-Takt-/ 4-Takt-Verfahren

• Ansaugen der Frischladung
• Verdichten des Frischgases
• Verbrennung und Expansion
• Ausschieben der Abgase.

Diese vier Funktionen laufen beim:

• 2-Takt-Motor innerhalb von 1 Kurbelwellenumdrehung und beim
• 4-Takt-Motor innerhalb von 2 Kurbelwellenumdrehungen ab.

Ottomotor / Dieselmotor

Die Gesamtheit der Verbrennungsmotoren gliedert sich in

• Ottomotoren
• Dieselmotoren

Der Ottomotor ist charakterisiert durch eine Fremdzündung und eine Quantitätsregelung, bei der die Last wird über die Gemischmenge geregelt wird.

Der Dieselmotor ist charakterisiert durch eine Selbstzündung und eine Qualitätsregelung. Hierbei erfolgt die Zündung durch die hohe Verdichtungstemperatur und die Last wird mit Hilfe der Kraftstoffmenge bei gleich bleibender Luftmenge geregelt.

Anmerkung: Auch bei Einsatz von alternativen Kraftstoffen (z.B. CNG, H₂,...) gelten diese Grundprinzipien. Auf die speziellen Aspekte wird in den vertiefenden Kapiteln eingegangen.

Hubvolumen V_H

Die Motorenpalette unterscheidet sich hinsichtlich des Gesamthubvolumens. Die Spanne reicht von 0,5cm³ bis 23.000.000cm³.

Hub-/ Bohrungsverhältnis

Das Hub-/ Bohrungsverhältnis ist eine wichtige Größe bei der konstruktiven Motorauslegung. Eine Reihe von bedeutsamen Motoreigenschaften wie z.B. Kolbengeschwindigkeiten, Bauhöhe, Drehmoment-/ Leistungscharakteristik u.Ä. werden hierdurch beeinflusst. Man unterscheidet zwischen:

• Hub/Bohrung < 1 unterquadratisch (häufig auch Kurzhuber)
• Hub/Bohrung = 1 quadratisch
• Hub/Bohrung > 1 überquadratisch (häufig auch Langhuber).

Pleuelstangenverhältnis s

Mit dem Pleuelstangenverhältnis s ist als Quotient aus dem Kurbelradius r (halber Hub) und der Pleuellänge l eine von der Motorgröße unabhängige Beurteilung der Pleuellänge möglich (Abbildung 3-7).

Diese hat einen großen Einfluss auf

• Motorbauhöhe
• Massenkräfte zweiter Ordnung
• Reibung

Übliche Werte für ausgeführte Motoren sind:

• 4-Takt-Ottomotor 0,275...0,21
• 2-Takt-Ottomotor 0,260...0,20
• 4-Takt-Dieselmotor 0,330...0,22.

Verdichtungsverhältnis

Das Verdichtungsverhältnis ist der Quotient aus dem maximalen (V_max) und dem minimalen (V_min) Zylindervolumen.

Folgende wesentliche funktionelle Eigenschaften sind hiermit verknüpft:

• Thermischer Wirkungsgrad
• Klopffestigkeit beim Ottomotor
• Selbstentzündung beim Dieselmotor

Übliche Werte für ausgeführte Motoren sind:

• Ottomotor 8...12
• Dieselmotor 16...20.

Wasser-/ Luftkühlung

Die Verlustwärme von Motoren wird in den meisten Fällen entweder durch eine Wasserkühlung oder durch eine Luftkühlung abgeführt. Im Bereich der Fahrzeugtechnik hat sich hierbei die Wasserkühlung durchgesetzt, bei Flugzeugen oder kleinen 2-Takt-Motoren wird vielfach auf eine Luftkühlung zurückgegriffen.

Die konstruktive Auslegung der Kurbelwelle hat einen großen Einfluss auf die Motorcharakteristik, den Massenausgleich bzw. die Zündfolge, die Dauerhaltbarkeit und die Herstellungskosten. Dabei spielen die folgenden Punkte eine Rolle:

• Fertigung
• Material
• Anzahl der Hauptlager
• Anordnung der Kröpfungen
• Konstruktive Gestaltung

Pleuel

Die Pleuel bilden das Bindeglied zwischen den Kolben und der Kurbelwelle. Ihre Gestaltung beeinflusst die Motorbauhöhe, den Massenausgleich, die Montagefreundlichkeit, die Dauerhaltbarkeit sowie die Herstellungskosten.

Kolben

Die Kolben sind spezifisch stark belastete Bauteile des Motors. Sie sind sowohl Gas- als auch Massenkräften ausgesetzt. Damit nimmt ihre Konstruktion direkt Einfluss auf die Haltbarkeit des Motors, aber aufgrund der Reibbelastung auch auf die Verlustleistung und die Effektivität.

Nockenwelle

Die Auslegung und die Anzahl der Nockenwellen haben einen wichtigen Einfluss auf die Motorcharakteristik. Durch ihre Auslegung werden die sog. Steuerzeiten, also die Öffnungs- und Schließzeiten der Ein- und Auslassventile, des Motors und der Ventilhub festgelegt. Sie nehmen Einfluss auf das Drehmoment-/ Drehzahlverhalten des Motors.

Einlass- bzw. Auslassventile

Im Zusammenwirken mit den Steuerzeiten kann durch die Gestaltung der Ventile die Motorcharakteristik bestimmt werden. Dabei sind vor allem die Anzahl und die Größe der Ventile von Wichtigkeit. Die Anordnung im Zylinderkopf beeinflusst zusätzlich die Brennraumgeometrie und damit das Verbrennungsverhalten und die Emissionen des Motors.

Einlass- bzw. Auslasskanäle

Die Gestaltung der Kanalführung ist für das Drehmoment-/ Drehzahlverhalten des Motors ebenfalls eine wichtige Einflussgröße. Ferner hat die konstruktive Auslegung Auswirkungen auf das Gleichlaufverhalten der Zylinder und auf die Wärmebelastung des Zylinderkopfes.

Zylinderkopf

Die Kanalführung ist ein wichtiger Teil bei der Auslegung des Zylinderkopfes. Ein anderer Punkt ist jedoch die Gestaltung der Brennraumoberfläche. Sie wirkt sich auf den thermodynamischen Kreisprozess des Motors aus. Hinzu kommt der Wärmehaushalt, der ein wichtiges Auslegungskriterium bei der Gestaltung des Zylinderkopfes darstellt.

Zündkerzenlage (Ottomotor)

Mit der Konstruktion des Zylinderkopfes wird auch die Zündkerzenlage vorbestimmt. Diese wirkt sich auf das Verbrennungsverhalten des Motors, auf die Effektivität sowie das Emissionsverhalten aus.

Einspritzdüsen

Die Form und die Anordnung der Einspritzdüsen beeinflussen die Gemischbildung und das Verbrennungsverhalten. Diese Aspekte sind maßgeblich für den Verbrauch und die Emissionen des Motors verantwortlich.

Im Folgenden soll auf die wichtigsten konstruktiven Komponenten des Motors kurz eingegangen werden. Diese sind im Einzelnen:

• Kurbelwelle
• Pleuel
• Kolben, Kolbenbolzen, Kolbenringe
• Laufbuchsen und Motorblock
• Zylinderkopf und Ventilsteuerung

Aufgaben:

• Umsetzung der translatorischen Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung
• Aufnahme der Pleuelstangenkräfte und Umwandlung in ein Drehmoment
• Übertragung des Drehmoments an den Antrieb (Schwungrad, Kupplung)
• Antrieb der Ladungswechselorgane, Zündverteiler, Ölpumpe, Nebenaggregate, etc.
• Aufnahme von Gegengewichten zum Massenausgleich des Kurbeltriebes

Beanspruchungen

• Periodisch wirkende Gaskräfte
• Oszillierende Massenkräfte (Kolben und anteilige Pleuelmasse)
• Rotatorische Massenkräfte (anteilige Pleuelmasse, Kurbel- und Gegengewichtsmassen)
• Dreh- (Torsions-) und Biegeschwingungen

Geforderte Eigenschaften

• Ausreichende Torsions- und Biegedauerfestigkeit (hohe Steifigkeit, kleine Masse, kompakte Bauweise, günstiges Resonanzverhalten)
• Haupt- und Pleuellagerzapfen, die eine der Belastung im Betrieb angemessene Lagerdimensionierung zulassen (ausreichende Tragfähigkeit)
• Lagerstellen so bemessen, dass Reibungsverluste gering sind und eine bestmögliche Schmierung gewährleistet wird (ausreichende Schmierung)

Aufgrund der bereits angesprochenen Gas- und Massenkräfte unterliegt die Kurbelwelle hohen Beanspruchungen. Die Gaskräfte, die vor allem bei niedrigen Drehzahlen und hohen Lasten eine wichtige Rolle spielen, bewirken eine Stauchung des Kurbelzapfens und eine Biegung der Kurbelwange, wie in der Abbildung 3-10 schematisch dargestellt. Die Massenkräfte, die bei hohen Drehzahlen überwiegen, verursachen wechselweise eine Dehnung und eine Verzerrung der Kröpfung. Dabei wird die Welle elastisch verformt. Speziell die Übergänge von einem Element zum nächsten sind aufgrund der Kerbwirkung von der Belastung des Bauteils kritisch. Die auftretenden Zug- und Druckspannungen bilden eine Biegewechselbeanspruchung. Zusätzlich kann es in extremen Fällen zu Verschiebungen in den Lagerstellen kommen, der hydrodynamische Ölfilm reißt und es entsteht ein übermäßiger Verschleiß.

Durch die an der Kurbelkröpfung angreifenden Kräfte entstehen Torsionsmomente, die die Welle belasten und zyklisch elastisch verformen. Die auftretenden Spannungsverläufe sind in der folgenden Abbildung 3-11 dargestellt.