störgeräusche bei motoren mit hohen druckgradienten - FVV

1 MOTIVATION
2 VERSUCHSMOTOR UND AKUSTISCHER MOTORPRÜFSTAND
3 MODELLAUFBAU UND VALIDIERUNG
4 ERGEBNISSE
5 ZUSAMMENFASSUNG
1 MOTIVATION
Moderne Verbrennungsmotoren mit Direkteinspritzung weisen in
bestimmten Betriebspunkten schnelle Umsatzraten, begleitet von
hohen Druckgradienten, auf, wobei eine Erhöhung des Druckgradienten
generell eine höhere Anregung im System bewirkt. Hierbei
führen die Verbrennungsabläufe zu Störgeräuschen (zum Beispiel
Dieselnageln), deren Ursachen bereits Gegenstand intensiver Forschung
waren [1, 2]. Diese Untersuchungen haben bisher zu keiner
signifikanten Verbesserung des Nagelgeräuschs durch detaillierte
Bauteiloptimierung geführt. Mögliche Ursachen der Geräuschentwicklung
sind Längsschwingungen des Pleuels, die ab einer
bestimmten Höhe des Druckgradienten auftreten [3], sowie Kolbenbewegungen
in Motorquer- und Motorlängsrichtung (Sekundärund
Tertiärbewegung) [4]. Das Nagelgeräusch von Motoren mit
Selbstzündung ist damit nicht ausschließlich in Abhängigkeit vom
Einspritz- und Verbrennungsverlauf und damit im Zielkonflikt mit
Verbrauch und Abgasemissionen zu sehen, sondern auch unter
Einbeziehung der strukturdynamischen Interaktion des gesamten
Laufzeugs, bestehend aus Kolben, Kolbenbolzen, Zylinder, Pleuel
und Grundlagergasse [5]. Hierbei wird das Systemverhalten durch
Nichtlinearitäten beeinflusst, die maßgeblich von den Lastübertragungsmechanismen
in den Schmierfilmen zwischen den Strukturelementen
bestimmt werden, beispielhaft sind die tribologischen
Kontaktpaarungen Kolben/Zylinder sowie die Pleuel- und
Grundlager zu nennen [6].
Aus physikalisch/mechanischer Sicht führt das Problem auf die
Analyse der strukturdynamischen Eigenschaften eines hydrodynamisch
geschmierten mehrkörperdynamischen Systems und deren
Auswirkung auf Anregung und Weiterleitung in den inneren und
äußeren Körperschallleitwegen. Die Komplexität des Problems
wird hierbei bestimmt durch die elastischen Eigenschaften der
Strukturelemente, deren Trägheitseffekte sowie durch die stark
nichtlinearen Feder- und Dämpfungscharakteristiken an den Koppelstellen
zwischen den Übertragungselementen. Neben Konstruktionsparametern
und äußerer Anregung durch den Verbrennungsdruck
sind in einer Systemanalyse auch fertigungs- und
montagebedingte Randbedingungen wie Form-/Lagetoleranzen
und Bauteilverzüge zu beachten. Von besonderer akustischer Relevanz
bei gekoppelten Systemen ist das elastohydrodynamische
Lastübertragungsverhalten, wenn sich periodisch Phasen mit
hoher hydrodynamischer Dämpfung – infolge vollständiger Trennung
der Elemente – mit Phasen direkter Festkörperkontakte
abwechseln. Hierbei wird die Lastübertragungscharakteristik partiell
durch einen elastohydrodynamischen Schmierfilmdruck und
partiell durch direkten Festkörperkontakt bestimmt.
Als Versuchsträger diente ein Vierzylinder-Pkw-Dieselmotor mit
einem Hubraum von 2,2 l vom Typ OM646 von Daimler mit Abgasturboaufladung
und Ladeluftkühlung. Es handelt sich um einen
Motor mit einem Direkteinspritzsystem der zweiten Generation.
Der maximale Einspritzdruck, mit dem der Kraftstoff über Magnetinjektoren
in den Brennraum eingebracht wird, liegt bei
1600 bar. Für die Untersuchungen im befeuerten Betrieb wurde
der Motor mit einem ETK-Steuergerät ausgestattet. Der Versuchsträger
wurde für die schwingungstechnischen und akustischen
Untersuchungen als Vollmotor auf einem reflexionsarmen Akustikmotorprüfstand
aufgebaut. Die untere Grenzfrequenz des Prüfstandraums
liegt bei 120 Hz, sodass sehr gute Bedingungen für
alle akustischen Untersuchungen herrschen. Zur Bestimmung der
Gaskräfte als primäre Anregungsquelle im Laufzeug wurde im
Zylinder 3 eine Brennraumdruckindizierung durchgeführt. Die
aufgenommenen Messwerte dienten zudem als Eingangsgröße für
die Simulationsmodelle. Die Schwingungsmessung am Pleuel
erfolgte über am Pleuelschaft applizierte Dehnmessstreifen
(DMS). Dieses Messprinzip hat den Vorteil, dass kinematisch
bedingte Beschleunigungen des Pleuels im Gegensatz zu einer
Messung mit Beschleunigungsaufnehmern nicht mit gemessen
werden und so eine detaillierte Analyse der auftretenden Schwingungen
im Pleuel möglich ist. Darüber hinaus wurden Beschleunigungsaufnehmer
an den Lagerdeckeln der Kurbelwellenhauptlager,
den Motor- und Getriebelagern und der Deckebene angebracht
sowie Nah- und Fernfeldmikrofone im Prüfstand positioniert. Zur
Übertragung der DMS-Signale des Pleuelschafts wurde eine
Schwingenkonstruktion entwickelt, die für eine sichere Führung
der Kabel von den DMS zur Messelektronik sorgt, ❶. Dabei befindet
sich ein Lagerpunkt auf einer zusätzlichen Trägerplatte an der
Außenseite des Kurbelgehäuses, während die Ankopplung der
Schwinge an das Pleuel nicht wie bei den meisten anderen Lösun-
2 VERSUCHSMOTOR UND
AKUSTISCHER MOTORPRÜFSTAND
❶ Kabelführungsgetriebe in der Einbausituation
12I2013 74. Jahrgang 1011