DIPLOMARBEIT - Prof. Dr.-Ing. Peter R. Hakenesch

E10 Mikrobagger• Echtes Kurzheck-Design (ZTS)• Einzigartige, verstellbare Joysticks• 2 Fahrstufen• Verstellbarer Unterwagen und Planierschild• Umklappbarer TOPS Überrollbügel• Eingebaute Sicherheit für den Fahrer• Kompakte Abmessungen• Zylinder über dem Ausleger verlegt• Hammer-Kühlsatz (Option) für zusätzliche Kühlung• Bequemer Zugang zu den Routine-WartungspunktenDie verstellbaren Joysticks beim E10 sorgen für unübertroffenenFahrerkomfort.

INHALTSVERZEICHNIS V7 Zusammenfassung und Ausblick............................................................121LITERATURVERZEICHNIS ...............................................................................122ANHANG.........................................................................................................127DANKSAGUNG................................................................................................137ERKLÄRUNG ...................................................................................................138

ABBILDUNGSVERZEICHNIS VIABBILDUNGSVERZEICHNISAbbildung 1.1-1: Segelflugzeug mit Verbrennungsmotorantrieb............................... 1Abbildung 1.3-1: Schema Hybridantriebkonzept........................................................ 5Abbildung 2.2-1: Hydraulikmotor mit Zu- und Arbeitsleitung .................................... 8Abbildung 2.2-2: Wippe mit Hebelarm und Kraftmessdose...................................... 10Abbildung 2.2-3: Fliehkraftkupplung mit Markierungen............................................11Abbildung 2.3-1: Drehgebergriff............................................................................... 12Abbildung 2.3-2: Hydraulikmotor Schnittdarstellung................................................13Abbildung 2.3-3: Fliehkraftkupplung Schnittdarstellung ...........................................15Abbildung 2.3-4: Fliehkraftkupplung mit Rotex Klauenkupplung ............................. 16Abbildung 2.3-5: Wippendämpfersystem..................................................................17Abbildung 2.3-6: MGC mit PC................................................................................... 19Abbildung 2.3-7: Einkanalmessung, Oberfläche Catman Professional ..................... 20Abbildung 3.3-1: Zweizylinder Reihenmotor, Zündfolge 180°-540° ..........................35Abbildung 3.3-2: Zweizylinder Reihenmotor, Zündfolge 360°-360° ..........................35Abbildung 3.3-3: Zweizylinder Boxermotor...............................................................37Abbildung 3.3-4: Zweizylinder 180°-V-Motor ............................................................37Abbildung 3.4-1: Rangeextender von Aixro .............................................................. 42Abbildung 4.1-1: Hirth F36, baugleich Solo 210 ........................................................ 43Abbildung 4.1-2: Energiesystem Solo 210 ................................................................ 46

ABBILDUNGSVERZEICHNIS VIIIAbbildung 6.5-1: Einfacher Regelkreis.....................................................................118Abbildung 6.6-1: Schnittdarstellung Schwungrad ...................................................120

Key education messages for patientswith asthma• Encouragement of smoking cessation• Role of reliever and controllermedications; their adverse effects• The use of inhalers, spacers• Monitoring of symptoms and peak flowKey education messages for patientswith asthma• A self-management plan: how to deal with anasthma attack, how to identify early signals ofexacerbation, and how to act at an early stage whenthe first symptoms occur• A frank discussion of the emotional andpsychological effects of asthma• For women of child-bearing age, a discussion ofasthma and pregnancy; for children, ways toimprove school performancePharmacist as a member of the team• Educating patients in the ED: 41% reductionin ED visits over 1 year after intervention;control group had no reduction in ED visitsover the same periodAm J Emerg Med 1995;13:632-7Pharmacist as a member of the team• Work with pulmonologist: 74% reduction inED visits over 2 years after intervention;control group had 23% reduction in ED visitsover the same period• Tailoring each patient’s drug regimen,persistent education, active listening andready accessibility of caring for the patientAm J Med Sci 1996;311:272-80Pharmacist as a member of the teamEffectiveness of Pharmacist’s care• Outpatient pediatric asthma managementprogram: improved outcomes and a savingsof $2,200/year for each child. The numberof hospital days decreased 73%; hospitaladmissions 56%, ED visit 57%, and fee forservice 48%• Pharmaceutical care program increased patients’PEFRs compared with usual care but providedlittle benefit compared with peak flow monitoringalone. Pharmaceutical care increased patientsatisfaction but also increased the amount ofbreathing-related medical care sought.Am J Managed Care 1996;2:387-91JAMA 2002;288:1594-60210

TABELLENVERZEICHNIS XTABELLENVERZEICHNISTabelle 4.1-1: Technische Daten des Solo 210 ............................................................ 44Tabelle 4.2-1: Technische Daten des Kolm BX 130...................................................... 52Tabelle 5.1-1: Berechnung der Leistungsisoleistungslinien......................................... 56Tabelle 6.3-1: Resonanzschalldämpfertypen.............................................................. 83Tabelle 6.3-2: Erzielbare Pegelreduktion in Abhängigkeit des freien Querschnittes ...97Tabelle 6.3-3: Erfahrungswerte für Einfügungsdämm-Maße...................................... 98Tabelle 6.3-4: Absorptionsgrad .................................................................................. 99Tabelle 6.3-5: Kapselkonstruktionsmerkmale ...........................................................101Tabelle 6.3-6: Beispiel Wandausführung Variante 1/2 ...............................................103Tabelle 6.3-7: Beispiel Wandausführung Variante 3/4............................................... 104Tabelle 6.3-8: Beispiel Wandausführung Variante 5/6 .............................................. 104Tabelle 6.3-9: Beispiel Wandausführung Variante 7...................................................105Tabelle 6.4-1: Stoffdaten von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur ....................111Tabelle 6.4-2: Stoffdaten für Luft in Abhängigkeit der Temperatur (p=1013mbar)....111

ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS XIABKÜRZUNGSVERZEICHNISOTUTKKZKBLOberer TotpunktUnterer TotpunktKurbelkranzlagerKolbenbolzenlager2-T 2-Takter (2-Takt-Verbrennungskraftmaschine)4-T 4-Takter (4-Takt-Verbrennungskraftmaschine)CDIEöEsAöAsCapacative Discharge IgnitionEinlassventil öffnetEinlassventil schließtAuslassventil öffnetAuslassventil schließtAGR AbgasrückführungCFDKWComputational Fluid DynamicsKurbwellenwinkel

FORMELZEICHNENVERZEICHNIS XIIFORMELZEICHNENVERZEICHNISαAbsorptionsgradA LQuerschnitt Vergaser-δRohrwanddickelufttrichterδUngleichförmigkeitsgradA mMittlere Rohrwandflächeη GeneratorGeneratorwirkungsgradA WMittlere Querschnittsflächeη GesamtGesamtwirkungsgradWandη mhmechanisch-Hydraulischerb eSpezifischer Kraftstoff-Wirkungsgradverbrauchη tGesmatwirkungsgradb KBreite Schwungscheiben-Hydraulikmotorsegmentη Vvolumetrischer WirkungsgradcSchallgeschwindigkeitη VerbrennerVerbrennerwirkungsgradcMaschinenkonstanteλVerbrennungsluftverhältnisc AbgasSchallgeschwindigkeit beiλWellenlängeAbgastemperaturλWärmeleitfähigkeitc pisobare spez. Wärmekapazitätμ LKontraktionszahl Luftc pWisobare spez. WärmekapazitätρDichteWasserρ LLuftdichtec 0Schallgeschwindigkeit bei 20°Cφrelative LuftfeuchteDDurchmesserφ Lmagnetische FlussdichteD aDämpfungsmaßφWiderstandD KAußendurchmesser Schwung-ΩRaumwinkelscheibensegmentΩGeschwindigkeitskennzifferD paEinfügungsdämm-MaßωWinkelgeschwindigkeitd KInnendurchmesser Schwung-ω max/minmaximale/minimale Winkel-scheibensegmentgeschwindigkeitF RReibkraftAQuerschnittsflächeF zfZentrifugalkraftA a/iAußen- bzw. Innenrohrmantel-F FFederkraftflächeF GGaskraftA KKühlerstirnflächeF SGPleuelkraft

FORMELZEICHNENVERZEICHNIS XIIIfFrequenzn sollSolldrehzahlf 0ResonanzfrequenzΔp LLuftdruckdifferenzgFlächengewichtQ KWärmemengeH uIJ Skkl akustL KL pL’ pL QL SaugL StL WMM dM d-mittelmm Bm Lm Sṁṁ LN GN’ Gnnn Δn istunterer HeizwertStromTrägheitsmomentSchwungscheibeProportionalitätsfaktorWellenzahlResonatorhalslängeSchallpegel mit KapselSchalldruck in der KapselSchalldruck außerhalb derKapselSchallpegel ohne KapselSaugrohrlängestöchiometrischer LuftbedarfSchallleistungspegelDrehmomentWellendrehmomentmittleres WellendrehmomentMasseKraftstoffmassenstromLuftmasseSchwungscheibenmasseMassenstromMassenstrom WasserGleitbahnkraftGleitbahngegenkraftDrehzahlFlächenverhältnisDrehzahldifferenzIstdrehzahlQ . KQ . LQ . Wq . KRR fR dR LR’ wrSS fT AbgasT Fe/FaT kaltΔT KmΔT WT warmT WRohrT LRohrT LtPP eΔpq VUUWärmestrom KühlerWärmestrom LuftWärmestrom WasserKühlerleistungReflexionsmaßGaskonstante feuchte LuftGaskonstante WasserdampfGaskonstante trockene LuftBauschalldämmmaßRadiusRohrquerschnittsflächefreie QuerschnittsflächeAbgastemperaturTemperatur Kühlerein- bzw.AusgangTemperatur vor dem MotorTemperaturmitteldifferenzTemperaturdifferenz WasserTemperatur nach dem MotorRohrtemperatur wasserseitigRohrtemperatur luftseitigUmgebungstemperaturZeitLeistungeffektive LeistungDruckdifferenzSchluckvolumenSpannungUmfang

FORMELZEICHNENVERZEICHNIS XIVuVV gV hV KWV .UmfangsgeschwindigkeitVolumenSchluckvolumen pro Umdreh.HubvolumenKühlwasservolumenVolumenstrom

VORWORT XVVORWORTDie Diplomarbeit entstand an der Fakultät 03 für Maschinenbau, Fahrzeug- und Flugzeugtechnikder Hochschule München. Sie wurde im Rahmen des Hybridprojektes(siehe Kurzfassung) ausgeschrieben und unter Leitung von HerrnProf. Dr.-Ing. Scheffler im Labor für Aerodynamik und Aeroakustik größtenteils praktischausgeführt.Diese Diplomarbeit gab mir die Möglichkeit in einer frühen Phase des Projektes denGrundbaustein für noch folgende aufbauende Arbeiten zu legen. Es galt im hohenMaße mit einfachen beschränkten Mitteln technische Probleme eines anspruchsvollenProjektes zu bewältigen. Dabei mussten stets die Schnittstellen des Motors in die Applikationsüberlegungenmit einfließen.Ein Vorteil vom Arbeiten an Projekten, die es in dieser Form noch nicht gibt, ist einhohes Maß an autodakter Weiterentwicklung, in diesem Fall auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren.Neue Wege führen oft in Sackgassen, doch wer sich nicht, bewegt setzt Moos an.Michael Rothmeier München im Januar 2011

1 Motivation für das Projekt 11 Motivation für das ProjektEine steigende Bevölkerungsdichte und der steigende Energiebedarf pro Kopf erforderteine stetige Verschärfung von Vorschriften, sei es der Energieverbrauch oder Abgas-und Lärmemissionen. Um diesen gerecht zu werden gilt es bestehende Technologienzu verbessern oder neue Pfade zu beschreiten.Die Fakultäten 03 und 04 der Hochschule München bestehen u.a. aus den StudienrichtungenMaschinenbau, Fahrzeug, Flugzeugtechnik und Elektrotechnik. Das Projektzur Hybridisierung eines Segelflugzeugantriebes bietet dabei für alle technischen Studienrichtungeneine interessante Möglichkeit, projektorientiertes Arbeiten sowie vernetzteund interdisziplinäre Kommunikation unter den Studenten zu fördern. Somitwird das disziplinäre Denken über die Schnittstellen der anderen „Baustellen“ erweitert.1.1 Stand der TechnikDie Idee ein Segelflugzeug ohne Fremdhilfe starten zu können ist nicht neu. Dabeiklappt ein Propeller über einen Hebelarm aus dem Rumpf hinter dem Cockpit.Abbildung 1.1-1: Segelflugzeug mit Verbrennungsmotorantrieb 11 [29]

1 Motivation für das Projekt 2Dabei haben sich zwei Konzepte durchgesetzt.Antriebskonzept Elektromotor:Energieträger sind Akkumulatoren, Energiewandler ist ein Elektromotor.Der Vorteil gegenüber anderer Systeme ist, dass dieses System extrem leise und vibrationsarmist, was sich auf den Komfort des Piloten positiv auswirkt. Vor allem beimFlug über bewohntem Grund oder beim Start von Flugplätzen mit Lärmproblemenkann das System seine akustischen Vorteile ausspielen.Nachteil ist hingegen, dass Akkumulatoren eine sehr geringe Energiedichte aufweisen.Um dennoch ausreichend Energie zur Verfügung zu haben, ist ein extrem hohesMaß an Akkumasse notwendig.Antriebskonzept Verbrennungsmotor:Energieträger sind fossile Brennstoffe, Energiewandler ist ein Verbrennungsmotor.Die Vorteile des einen Konzeptes sind die Nachteile des anderen und umgekehrt. DieEnergiedichte in fossilen Brennstoffen ist um ein vielfaches höher als bei Akkumulatoren.Somit ist die Masse und dadurch die benötigte Startenergie um ein vielfachesgeringer.Die Nachteile dieses Konzepts liegen auf der Hand. Die Motoren sind luftgekühlt undkönnen somit nicht akustisch gekapselt werden. Zudem verursacht der sehr leistungsstarkeVerbrennungsmotor Vibrationen, welche das Komfortniveau des Piloten starkbeeinträchtigen. Zudem hat ein Verbrennungsmotor im Vergleich zu einem Elektromotoreine sehr schlechte Energieeffizienz auf Grund seines schlechten Wirkungsgrades.

1 Motivation für das Projekt 31.2 Ziel der HybridisierungDie Hybridisierung eines Segelflugzeugantriebes begünstigt die Variabilität der Antriebsstrategie.So können die Vorteile beider vorher genannten Konzepte verbundenund zugleich deren Nachteile gemindert werden. Zudem bringt die Kombination verschiedenerEnergieträger- und Wandler ganz andere Flugstrategiemöglichkeiten.• Geräuschemissionen beim Startvorgang: Der Start erfolgt rein elektrisch,somit ist er nahezu geräuschlos. Wird auf Grund der Wetter- oder Platzverhältnissemehr Schub benötigt, kann der Verbrennungsmotor über eineKupplung seriell zur E-Maschine zugeschaltet werden. Da der Verbrennungsmotorvoll verkapselt wird, bleibt das Geräuschniveau auch bei Zuschaltungdes Verbrennungsmotors im Rahmen. Mehr zur akustischen Verkapselungin Kapitel (6.3.3).• Energieeffizienz: Der Verbrennungsmotor arbeitet hauptsächlich als Rangeextender.Während der Gleitflugphase soll der Motor im Stationärbetrieb dieAkkus, welche nach dem Startvorgang nahezu erschöpft sind, laden.Ein Verbrennungsmotor, der rein für den Startvorgang arbeitet, durchläufteinen Großteil seines Drehzahlbandes. Die meisten Motoren weisen nur ineinem kleinen Betriebsbereich einen akzeptablen Wirkungsgrad auf. DerVerbrennungsmotor im Hybridsystem arbeitet einzig in seinem verbrauchsoptimalenBetriebspunkt, also bei einer bestimmten konstanten Last undkonstanter Drehzahl.Wird allerdings das Gesamtsystem von der Energie im fossilen Brennstoff biszur rotatorische Energie am Propeller betrachtet, so muss der Gesamtwirkungsgradkorrigiert werden. Die rotatorische Energie des Verbrennungsmotorsim Hybridsystem wird nicht direkt in den Propeller geleitet wie bei einemreinen Verbrennerantrieb. Beim Wandel der rotatorischen Energie in e-lektrische Energie über den Generator entstehen Verluste (Wirkungsgrad

1 Motivation für das Projekt 4Generator/E-Motor η≈92%). Wird die elektrische Energie nun wieder aus denAkkus entnommen um den Propeller anzutreiben, wird diese nochmals umden Wirkungsgrad des E-Motors reduziert.Gesamt= ηVerbrenner⋅ 2 ⋅ηGenerator / E −Motorη (1.2-1)Der Hauptenergie wird für den Start benötigt. Da diese rein elektrisch, alsomit einem Wirkungsgrad von etwa 92% umgesetzt wird, ist der Hybridantriebgegenüber dem Verbrennerantrieb energetisch effizienter.Ob der Hybridantrieb trotz schlechterem Wirkungsgrad gegenüber dem reinenElektroantrieb, bei gleichem Energievorrat beider Konzepte, effizienterist, muss sich zeigen. Hier könnte der Hybridantrieb durch sein geringeresStartgewicht punkten.• Verbrauch: Der Verbrauch hängt zu einem großen Teil von der vorab angesprochenenEnergieeffizienz ab. Ein weiterer Punkt ist die eigentlich notwendigeEnergie. Hier gibt es vor allem Unterschiede beim Startvorgang. Ein reinelektrischer Antrieb wird durch seine hohe Masse mehr Energie benötigenum auf Flughöhe zu kommen als vergleichbare Systeme.Ein weiterer Punkt ist die Variabilität des Nutzerprofils eines Segelflugzeugs.Die Flugphase mit Hybridsystem kann um einiges länger sein als mit VergleichbarenSystemen. Durch die Möglichkeit viel Energie fossil und damitkompakt und relativ leicht mit an Bord zu haben, ist es möglich weite Distanzenzu überwunden. Somit können z.B. Thermiken genutzt werden, welchedurch reines Gleiten nicht mehr erreicht werden können. Die Flugzeit kannsomit um ein vielfaches gesteigert werden und einen zweiten Startvorgangüberflüssig machen.

1 Motivation für das Projekt 51.3 Aufbau HybridsystemDas Hybridsystem ist ein so genannter serieller Hybridantrieb, bei welchem Verbrennungsmotorund Generator in Reihe geschaltet sind (Abbildung 1.3-1). Der Verbrennungsmotorhat nach dem Prinzip des Range Extenders nur die Aufgabe die Akkus,welche sich in den Flügeln des Segelflugzeugs befinden, über einen Generator in etwa30 Minuten zu laden. Die Ladezeit wird vom Ladestrom (2C) bestimmt. Bei einer Akkuenergievon etwa 3kWh bedeutet das einen Leistungsaufwand von 6kW (nach demGenerator). Berücksichtigt man den Wirkungsgrad des Generators bedeutet das etwa7kW Verbrennungsmotorleistung im verbrauchsoptimalen Betriebspunkt.Bei ausgefahrenem Propeller arbeitet der Generator als Elektromotor. Seine Leistungbeträgt etwa 37kW.TreibstofftankVerbrennungsmotorKupplungAkku (Flügel rechts)Generator / E-MotorAkku (Flügel links)PropellerAbbildung 1.3-1: Schema HybridantriebkonzeptEs soll zusätzlich die Möglichkeit bestehen bei Bedarf den Verbrennungsmotor imStartvorgang als Booster über eine Kupplung zum Elektromotor zuzuschalten undsomit ein Mehr an Leistung zu generieren.

2 Kleinmotorenprüfstand 62 KleinmotorenprüfstandDer Verbrennungsmotor soll auf Stationärbetrieb optimiert werden. Dazu muss derMotor stationär unter gleich bleibenden Bedingungen und unter variablen Lasten betriebenwerden können.Da der Kleinmotorenprüfstand der Hochschule München für Aufträge aus der Industrieund für Diplomarbeiten meist belegt ist, wurde für das Projekt ein eigener Prüfstandentwickelt und umgesetzt.2.1 Funktionsprinzip eines MotorenprüfstandesDer Verbrennungsmotor ist auf einem vom Gebäude schwingend entkoppelten Betonfundamentauf seinen Motorlagern gelagert. Die Last wird Mittels einer Wirbelstrombremseauf den Motor gebracht. Durch ein Magnetfeld wird die rotatorischeEnergie des Verbrennungsmotors in der Wirbelstrombremse in Wärmeenergie umgewandeltund über Kühlwasser abgeführt. Neuere Bremsen arbeiten wie ein Generatorund speisen die elektrische Energie ins Stromnetz. Die Bremse ist fluchtend zur Kurbelwelledrehend gelagert, sie könnte sich also bei Einleitung der Last frei um denDrehpunkt Kurbelwelle drehen. Das Mitdrehen der Wirbelstrombremse wird über einenin der Länge definierten Hebelarm, der sich über eine Kraftmessdose zum Fundamentabgestützt, verhindert. Die gemessene Kraft ergibt multipliziert mit dem Hebelarmdas Bremsmoment, welches gleich dem Drehmoment des Motors ist. DieDrehzahl des Motors wird über einen Sensor an der Kurbelwelle abgenommen. Mitden Informationen über Drehzahl und Drehmoment kann die Leistung des Motors mitfolgender Formel berechnet werden.P = 2 ⋅π⋅ n ⋅(2.1-1)M d

2 Kleinmotorenprüfstand 72.2 Funktionsprinzip Motorprüfstand HybridprojektDie Leistungsermittelung steht beim Motorenprüfstand im Vordergrund. Die Motorleistunggibt vor, in welcher Zeit die Akkus geladen werden können. Die Ladedauerwird in der Entwicklungsphase bestimmt. Sie ist ein Kompromiss aus Pilotenkomfort(Akustik, Vibrationen) und Bauteilschutz der Akkus. Um die Leistung für eine geforderteLadedauer ökologisch und ökonomisch zu generieren, muss der Verbrennungsmotorin einem gewissen Rahmen auf diese Leistung optimiert werden.CAD-Zeichnung des schematischen Kleinmotorenprüfstandaufbaus unter Anhang 1.5.2.2.1 LasteinleitungUrsprünglich war für das Projekt im ersten Konzept eine Verteilung der Aufgaben vonStromerzeugung und elektrischem Antrieb gedacht. Dabei sollte ein kleiner permanenterregter Synchrongenerator im Rumpf des Segelflugzeuges Strom für die Akkusgenerieren. Der elektrische Antrieb sollte über eine separate E-Maschine erfolgen,welche sich direkt am Propeller befindet. Ein Motorenprüfstand wäre hierbei einfachgewesen, da der Generator als Last für den Motor hätten dienen können. Über diegenerierte Leistung des Generators und dessen Wirkungsgrad könnte direkt auf dieLeistung des Verbrennungsmotors geschlossen werden.Ein Ansatz war statt Generator einen E-Motor aus den E-Techniklaboren zu leihen.Das klappte nicht, da zum einen kein passender Motor verfügbar war und zum zweitenmit Starkstrom hätte gearbeitet werden müssen was ohne Erfahrung. Hierfür isteine Ausbildung zum Energieelektroniker oder ähnlichen erforderlich, da das Arbeitenmit Starkstrom sehr gefährlich ist.Eine Wirbelstrombremse wie bei anderen Motorenprüfständen ist auch keine Option,da sie sehr teuer sind.

2 Kleinmotorenprüfstand 8Die Wahl viel auf einen Hydraulikmotor, der auf seiner Arbeitsseite Mittels einer Feindrosselstufenlos gedrosselt wird. Genaueres zum Hydraulikmotor unter Kapitel 2.3.2.2.2.2 DrehmomentermittlungUm das Motordrehmoment zu messen gibt es mehrere Optionen die auf Grund derPrüfstandskonstruktion und des Budgets abzuschätzen sind.Option 1, Lastseitig drehend Lagern:Der Hydraulikmotor kann nicht drehend gelagert werden, da seine starre Zu- und Arbeitsleitungdas Messergebnis verfälschen würden (Abbildung 2.2-1).FeindrosselDrehrichtungLeckageleitungArbeitsleitungZuleitungAbbildung 2.2-1: Hydraulikmotor mit Zu- und ArbeitsleitungOption 2, Drehmoment an Abtriebswelle direkt messen:Mit einer Drehmomentmesswelle könnte das Drehmoment direkt an der Abtriebswelledes Motors gemessen werden. Drehmomentmesswellen sind, wie es bei der Messtechniküblich ist, sehr teuer. Dabei ist nicht nur die Messwelle erforderlich, sondernauch eine Messkarte welche die Daten der Welle verarbeitet und für Messprogrammeam PC brauchbar macht.

2 Kleinmotorenprüfstand 9Option 3, Leistung über das Druckgefälle Δp des Hydraulikmotors:Ein Weg wäre das Druckgefälle Δp vor und nach dem Hydraulikmotor zu messen. Mitden Hydraulikmotor-Nenngrößen Schluckstrom und Gesamtwirkungsgrad kann dannsehr einfach die Leistung des Verbrennungsmotors ermittelt werden (siehe Anhang1.3).q V⋅ ∆p⋅ηtP = (2.2-1)600Das Problem hierbei ist, dass der Hydraulikmotor Baujahr 1987 ist und keine Unterlagenmehr vorhanden sind. Zudem kann der volumetrische Wirkungsgrad, also die Leckageverlustedes Hydraulikmotors, die notwendig sind um Wellenlagerung undDruckzylinder zu schmieren, nur schwer empirische ermittelt werden. Sie sind nichtkonstant, sondern von Druck, Drehzahl und von der Viskosität des Öles abhängen. DieViskosität hängt wiederum vom Öl und der Öltemperatur ab. Die Öltemperatur hängtwiederum vom Druck ab und nimmt mit zunehmender Betriebsdauer zu. Zudem steigendie Leckageverluste über Drehzahl und Druck nicht linear. Sie können also nichtüber zwei Messungen hochgerechnet werden. Selbst wenn es noch Unterlagen überden Hydraulikmotor geben würde ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass die Werte vomNeuzustand des Motors durch alternde Dichtungen oder Verschleiß an den Druckzylindernnicht mehr stimmen.Option 4, Antriebsseitig drehende Lagerung:Die letzte Option ist die Antriebsseite drehend zu lagern. Diese Option ist sehr problematisch,da die Vibrationen des Verbrennungsmotors direkt ins Messergebnis einfließen.Vor allem der anfangs verwendete 2-Takter (siehe Kapitel 4.1), der bei denersten Läufen auf einer etwa 160 kg schweren Stahlplatte montiert war und mit dieserbei Betrieb durchs Labor „spaziert“ ist, sollte für Probleme sorgen. Es konnte vorherauch keine Aussage darüber getroffen werden ob es überhaupt funktioniert, da es einsolches Konzept vorher nicht gab. Zudem ist der Aufwand für die Prüfstandsmechanikund die Dämpfung der Vibrationen am Motorprüfstand hoch. Der Motor ist dabei aufeine schwingfähige „Wippe“ montiert. Die Wippe muss gedämpft sein, um die Vibrationendes Motors und die damit verbundene dynamische Belastung der Messtechnik

2 Kleinmotorenprüfstand 10in Grenzen zu halten. Die Lagerung wurde Mittels zweier extrem reibungsarmer Kugellagerumgesetzt, um deren Drehpunkte die Wippe schwingt (Abbildung 2.2-2).Drehlagerung WippeKraftmessdoseHebelarm l= 100mmAbbildung 2.2-2: Wippe mit Hebelarm und Kraftmessdose2.2.3 DrehzahlermittlungDie Drehzahl wird mittels Stroboskop ermittelt. Das Blitzlicht-Stroboskop gibt Lichtblitzein sehr regelmäßigen zeitlichen Abständen ab, welche in Ihrer Frequenz stufenlosreguliert werden können. Das Auge des Betrachters konzentriert sich dabei nurnoch auf die vom Blitzlicht erhellte Szenerie. Er sieht quasi nur noch die Momentaufnahmeeines Objektes in der Zeit der Belichtung. Bei einer auf eine periodische Bewegungwie einer Drehzahl oder einer Schwingung des Objektes synchronisierten Blitzfolgeentsteht ein scheinbar stehendes Bild [34]. Es ist hierbei von Vorteil, eine Markierungauf dem rotierenden Objekt aufzubringen, um die Frequenz des Stroboskopsbesser auf die Drehzahl der Welle abzustimmen. Dabei ist vor und nach der Fliehkraftkupplungeine Markierung angebracht, um einen eventuellen Schlupf der Kupplung zuerkennen (Abbildung 2.2-3).

2 Kleinmotorenprüfstand 11Markierung vor der KupplungMarkierung nach der KupplungAbbildung 2.2-3: Fliehkraftkupplung mit MarkierungenWeicht die Frequenz der Blitzfolge von derjenigen des beobachteten periodischenVorganges um eine geringe Differenz ab, kann man den Vorgang, verlangsamt aufdiese Differenzfrequenz, beobachten. Die Markierung wird nicht mehr als stehendesBild gesehen, sondern sie scheint langsam zu wandern. Ist die Frequenz des Stroboskopszu niedrig, scheint die Markierung plötzlich rückwärts zu drehen und umgekehrt.Das Stroboskop muss dann nachgeregelt werden. Die Frequenz entspricht derMotordrehzahl und kann einfach vom Stroboskopdisplay abgelesen werden.Es ist Vorsicht geboten da Mehrdeutigkeiten möglich sind. Bei einem Vielfachen derFrequenz erscheint die Markierung ebenfalls als „stehend“. Wenn z.B. das Stroboskopauf 4000 [min -1 ] eingestellt ist, macht es keinen Unterschied ob die Abtriebswelle4000 oder 8000 [min -1 ] dreht, es ergibt das gleiche Ergebnis der „stehenden“ Markierung.Es muss einem also vorher bekannt sein, welche Gasschieberstellung bei welcherLast im etwa welche Drehzahl ergibt.

2 Kleinmotorenprüfstand 122.3 PrüfstandskomponentenIn diesem Kapitel sollen die einzelnen wesentlichen Komponenten des Prüfstandskurz in ihrer Aufgabe und in ihrer Funktion beschrieben werden.2.3.1 GeberdrehgriffÜber den Geberdrehgriff wird die Gasschieberstellung gesteuert. Um rekonstruierbareVersuche zu ermöglichen und ein systematisches Vorgehen zu ermöglichen, muss dieGeberposition skaliert werden. Hierzu wurde der prozentuale Hub des Gasschiebersauf den Drehgriffgeber übertragen (Abbildung 2.3-1). Um die Geberposition festzuhaltenkann der Geberdrehgriff geklemmt werden.Klemmschraube Saugrohröffnung in %Abbildung 2.3-1: Drehgebergriff2.3.2 HydraulikmotorDer Hydraulikmotor hat die Aufgabe, dem Verbrennungsmotor als Widerstand oderLast eine gewisse Leistung abzufordern.Ein Hydraulikmotor ist normalerweise ein Verbraucher in einem bestehenden hydraulischenArbeitskreislauf. Der Hydraulikmotor wird vom Hydrauliksystem gespeist und

2 Kleinmotorenprüfstand 13gibt die Arbeit über eine Abtriebswelle mechanisch ab. Genauer wandelt er die hydraulischeEnergie (Druck + Flüssigkeitsstrom) in mechanische Arbeit um. Das maximaleDrehmoment eines Hydraulikmotors wird durch den Druck der Hydraulikflüssigkeitbestimmt. Das Schluckvolumen des Motors bestimmt die Drehzahl. Unter Schluckvolumenoder Schluckmenge versteht man jene Menge an Hydraulikflüssigkeit, die derHydraulikmotor pro Umdrehung verbraucht. Also je kleiner das Schluckvolumen beikonstantem Volumenstrom, desto schneller dreht der Motor [35].Es gibt verschiedene Bauformen von Hydraulikmotoren. Der verwendete Hydraulikmotorist ein so genannter Schrägscheiben-Axialkolbenmotor. Sie sind für den mittlerenund hohen Druckbereich bestimmt. Im Inneren werden Zylinder in kreisförmigangeordneten Bohrungen geführt. Die Zylinder sind mittels Kugelgelenk an einerkreisförmigen Scheibe gelagert, welche axial zur Welle der Lasteinleitung liegt. DieBohrungen der Zylinder sind zu dieser Scheibe um 40° geneigt. Somit kommt es beiRotation der Scheibe zu einer Hubbewegung der Zylinder, welche dann das Öl fördern.Abbildung 2.3-2: Hydraulikmotor Schnittdarstellung 2Die Kühlung erfolgt durch das Öl in Form von Leckage. Deshalb wird eine Leckageleitungbenötigt, die das Öl zurück zum Tank führt.2 [26]

2 Kleinmotorenprüfstand 14Ein Hydraulikmotor ist nahezu baugleich wie eine Hydraulikpumpe. Der Energieflussläuft hier allerdings genau umgekehrt. Mechanische Arbeit (meist verrichtet durcheine E-Maschine) wird in hydraulische Energie umgewandelt. Hydraulikpumpen lieferndie Energie für ein hydraulisches System. Diese Art Energiefluss wird auch beimKleinmotorenprüfstand angewendet. Der Hydraulikmotor arbeitet also als Hydraulikpumpe.Anstatt einer E-Maschine sorgt der Verbrennungsmotor für die mechanischeArbeit.Die Arbeitsleitung der Hydraulikpumpe des Motorenprüfstandes führt über eine Feindrosselzurück zum Tank. Der Volumenstrom einer Hydraulikpumpe bleibt trotz Drosselkonstant. Mit der Feindrossel kann stufenlos der Widerstand auf die Pumpe geregeltwerden. Um den Druck in der Arbeitsleitung zwischen Pumpe und Drossel zu ü-berwachen, ist an der Hydraulikpumpe arbeitsseitig ein Druckmanometer angeschlossen.Die realen Leistungsdaten des Hydraulikmotors sind nur schwer abzuschätzen. Umeine Vorstellung der Nenngrößen zu bekommen, sind im Anhang (1.3) Werte bau-,marken-, und dimensionsgleicher Motoren heutiger Standards aufgeführt.2.3.3 FliehkraftkupplungDie Fliehkraftkupplung trennt den Lastfluss zwischen Verbrennungsmotor und Hydraulikpumpebei niedrigen Drehzahlen. Sie ist notwendig um ein Starten und einenkonstanten lastbefreiten Leerlauf des Verbrennungsmotors zu ermöglichen.In einer Fliehkraftkupplung befinden sich eingangsseitig mehrere Fliehgewichte mitReibbelägen. Sie sind formschlüssig mit der Eingangsseite verbunden und können sichunter Einwirkung der Fliehkraft parallel zu ihr bewegen. Je weiter sie sich dabei vonder Drehachse entfernen und je größer die Winkelgeschwindigkeit wird, desto größerwird die Fliehkraft. Diese Bewegung wird durch die Ausgangsseite der Kupplung durcheine Kupplungsglocke begrenzt. In der Kupplungsglocke wird zwischen den Reibbelägenund der Glocke ein Reibschluss hergestellt und somit ein Moment übertragen. Bei

2 Kleinmotorenprüfstand 15Reduzierung der Drehzahl werden die Reibbeläge mit Hilfe von Rückholfedern zurückgeholt.Eine Fliehkraftkupplung kann individuell auf eine gewünschte Einschaltdrehzahl ausgelegtwerden. Die Einschaltdrehzahl bezeichnet die Drehzahl, bei der die Fliehkraftdie Rückhaltekraft der eingehängten Zugfedern überwindet. Das von der Kupplungübertragbare Drehmoment ist von der Höhe der Fliehkraft und vom Radius der Kupplungsglockeabhängig. Der Radius ist besonders ausschlaggebend, da ein Verdoppelndes Radius ein vervierfachen des Drehmoments bewirkt.Die Fliehkraftkupplung wird mit folgenden Parametern ausgelegt:- Radius- Masse der Fliehgewichte- Anzahl der Reibbeläge- Federkonstante der RückholfedernAbbildung 2.3-3: Fliehkraftkupplung Schnittdarstellung 31 Fliehgewicht 2 Zugfeder 3 Reibbelag4 Kupplungsglocke 5 Drehzapfenlager Fliehgewicht3 [28]

2 Kleinmotorenprüfstand 16Die Fliehkraftkupplung wurde vom Hersteller auf den Anwendungsbereich am Kleinmotorenprüfstandausgelegt.Um geringe Achs- und Winkelversatz der Ein- und Ausgangswelle auszugleichen istdie Fliehkraftkupplung abtriebsseitig mit einer Rotex Klauenkupplung ausgestattet(Abbildung 2.3-4). Die vier Klauen der An- und Abtriebsseite greifen nicht direkt ineinander,sondern werden durch ein Kunststoffelement getrennt welches neben einergewissen Dämpfung einen geringen Winkelversatz erlaubt. Durch den Formschlussder Kupplung in Klauenbauweise wird ein axiales Verschieben der Wellen ermöglicht.Kunststoffelement fürWinkelversatzausgleichAbbildung 2.3-4: Fliehkraftkupplung mit Rotex Klauenkupplung2.3.4 SchwingungsdämpferDie Dämpfung der Wippe ist zwingend erforderlich, da die Kraftamplituden auf Grundder Vibrationen ohne Dämpfung etwa doppelt so hoch sind wie die Kraft die rein ausdem Drehmoment resultiert.Die Dämpfung sollte zuerst mit einem pneumatischen Zylinder realisiert werden, dessenZu- und Rückleitung gedrosselt ist. Die Auslenkung der Wippe ist jedoch ziemlichgering, da sie vom Messweg der Kraftmessdose abhängt. Um einen gewissen Dämpferwegzu erhalten muss der Pneumatikzylinder über einen langen Hebelarm angrei-

2 Kleinmotorenprüfstand 17fen. Luft ist als Medium jedoch zu kompressibel um eine ausreichende Dämpfung zuerhalten.Die Lösung war ein Viskodämpfer. Der Dämpfer ist allerdings so hart, dass er über denlangen Hebelarm kaum zu betätigen war. Deshalb greift der Viskodämpfer über einenkleinen Hebelarm an (Abbildung 2.3-5).ViskodämpferPneumatischerDämpferAbbildung 2.3-5: WippendämpfersystemDie Amplituden der Schwingungen werden durch das Dämpfungssystem zwar gedämpft,aber nicht verhindert. So muss eine Kraftmessdose verwendet werden, diegrößer dimensioniert ist als es für das reine Drehmoment des Motors erforderlich wäre.Hierdurch entstehen Messungenauigkeiten, da der Messbereich der nächst größerenKraftmessdose (200 kg = 10mV) etwa um das 10-fache höher ist als der notwendigeMessbereich.2.3.5 MesstechnikDie Daten des Prüfstands müssen reproduzierbar sein und nachhaltig archiviert werdenkönnen, um sie analysieren zu können. Hierfür ist eine gewisse Messtechnik erforderlich.

2 Kleinmotorenprüfstand 18Die Kraftmessung erfolgt wie bereits erwähnt über eine Kraftmessdose. Diese wirdvon einem MGC-Operationsverstärker angesteuert. Der Operationsverstärker sendeteine Speisespannung an die Kraftmessdose. In der Kraftmessdose sind Widerstände(wahrscheinlich Halbbrückenanordnung) aufgebracht, die sich bei Biegung dehnen,respektive stauchen und dabei ihren Widerstand verändern. Diagonal zur Speisespannungwird in der Brückenschaltung eine Diagonalspannung abgegriffen, die sich jenach Belastung der Kraftmessdose auf Grund der Widerstandsänderung der Dehnmessstreifenändert. Die Diagonalspannung ist also ein Maßstab für die herrschendeKraft. Der MGC verstärkt dieses Signal und gibt die Werte aus.Die Wippe lenkt auf Grund des Motordrehmomentes aus und beaufschlagt die Kraftmessdosemit einer Kraft. Dies ist die Kraft die gemessen werden soll. Durch dieDrehbewegung des Verbrennungsmotors kommt es zu einer Zugschwellbelastung derKraftmessdose. Der Mittelwert der Schwingung ist die zu messende Kraft die herausgefiltertwerden muss. Da das Display des MGC relativ träge ist, ist es unmöglich dieFlut an Messwerten direkt vom Display abzulesen. Es wird also eine Software benötigtdie alle Messwerte verarbeitet, um anschließend einen Mittelwert bilden zu könnenund sie nachhaltig zu speichern. Der MGC muss also an einen PC angeschlossen werden,der mittels Messdatenerfassungssoftware die Daten des MGC`s verarbeitet(Abbildung 2.3-6).

2 Kleinmotorenprüfstand 19MGC mit DisplayAbbildung 2.3-6: MGC mit PCDie Messdatenerfassungssoftware ist von der Firma Hottinger und heißt „CatmanProfessional“. Ausschlaggebend für diese Software war, dass der MGC ebenfalls vomHottinger ist. Ansonsten wäre eine extra Messkarte erforderlich, die die Messsignalevon der Hottingersteuerung auf eine andere überträgt um die Messdaten des MGC ineiner anderen Software verarbeiten zu können.Mit der Software können die Messwerte in Echtzeit grafisch in einem Diagramm ausgegebenwerden (Abbildung 2.3-7: Einkanalmessung, Oberfläche Catman Professional.Anschließend können alle Messwerte in eine Excel-Tabelle übertragen und gespeichertwerden. In Excel kann dann ein Diagramm erstellt werden das den Kraftverlaufüber die Zeit veranschaulicht. Zudem kann hier eine Trendlinie eingefügt werdendie die Schwingungen filtert (Diagramm 2.3-1: Übertragung der Messdaten in Excel).Um diesen Vorgang zu automatisieren könnte in Excel ein Makro programmiert werden,welches die Kraftmesswerte über den Hebelarm in ein Drehmoment umrechnetund daraus über die Zeit das Diagramm mit Trendlinie erstellt.

2 Kleinmotorenprüfstand 20Abbildung 2.3-7: Einkanalmessung, Oberfläche Catman Professional25,00test_starr_dämpfer_0320,0015,0010,00Drehmoment [Nm]5,000,00-5,005,026,868,7010,5412,3814,2216,0617,9019,7421,5823,4225,2627,1028,9430,7832,6234,4636,3038,1439,9841,8243,6645,5047,3449,1851,0252,8654,7056,5458,3860,2262,0663,9065,7467,5869,4271,2673,1074,9476,7878,6280,4682,3084,1485,98-10,00-15,00-20,00-25,00Zeit [s]Drehmoment50 Per. Gleitender Durchschnitt (Drehmoment)Diagramm 2.3-1: Übertragung der Messdaten in Excel

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 213 Auswahl des VerbrennungsmotorsFür die Beurteilung eines geeigneten Motors, bezogen auf das Anforderungsprofil desHybridprojektes, wurden die Art des Ladungswechsels und die Kinematik der Motorenberücksichtigt.3.1 Anforderungsprofil an den VerbrennungsmotorLeistung:Der Motor soll etwa eine Leistung von 7kW im verbrauchsoptimalenBetriebspunkt liefern.Gewicht:Die Hybrideinheit soll für ein geringes Stargewicht möglichst leichtsein. Verbrennungsmotoren in dem geforderten Leistungsbereich könnenje nach Anwendungsgebiet extrem unterschiedlich massiv ausfallen.Die Spanne reicht von Modellflugmotoren mit unter 4 kg bis zu Industriemotorenmit über 40 kg.Vibrationen:Die Vibrationen des Verbrenneraggregates sollen möglichst geringsein. Der Pilot soll keine Komforteinbuße durch die Vibrationen haben.Elektronikkomponenten sollten in jedem Fall noch einmal selbst vonder Flugzeugstruktur gedämpft werden. Zudem könnte der Generatordurch eine ungleichmäßige Drehmomenteinleitung oder durchSchwingungen in der Abtriebswelle beschädigt werden.Körperschwingungen des Motors machen sich auch in der Akustik bemerkbar,denn der Körperschall an der Motoroberfläche resultiert in einerLuftschallabstrahlung. Ein schwingungsarmer Motor ist wichtig umden Dämpfungsaufwand zu reduzieren. Zu dämpfen sind Körperschwingungen,die über die Motorlager in die Flugzeugstruktur geleitet

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 24Treibstoff). Im Gegensatz zum „Viertakter“ erfolgt der Ladungswechsel und die Zylinderfüllungmit frischem Gemisch beim „Zweitakter“ in einem Arbeitstakt. Dies bringteinige Vor- aber auch Nachteile mit sich.Vorteile:• Leistungsgewicht: Der große Vorteil des 2-Takters ist sein extrem geringesLeistungsgewicht. Jede Kurbelwellenumdrehung erfolgt eine Gemischzündung.• Wartung und Zuverlässigkeit: Ein 2-Takter ist besonders einfach aufgebaut.Bauteile wie Ventile (beim kantengesteuerten 2-Takter), Nockenwelle, Stößeletc. fallen weg. Bewegliche Teile bedeuten immer eine gewisse Ausfallmöglichkeit,Verschleiß, Schmierbedarf und somit einen höheren Wartungsaufwand.• Drehmomentverlauf: Der 2-Takter hat doppelt so viele Arbeitstakte proZeiteinheit wie ein 4-Takter. Somit ist die Drehmomentabgabe gleichförmiger(Wankelmotoren ausgenommen).• Preis: Niedriger Anschaffungspreis durch den einfachen Aufbau.• Lagenunabhängigkeit: Der 2-Takter ist lageunabhängig durch seine Gemischschmierung.Hierfür ist allerdings ein Membranvergaser erforderlich, daein Schiebervergaser auslaufen kann.Bei herkömmlichen 4-Taktern würde das Öl beim kippen des Motors aus derÖlwanne über die Kolbenringe in den Brennraum laufen und somit ein Verbrennendes Frischgases unmöglich machen. Zudem können die Kolben o-der die Ölpumpe bei Schräglage des Motors keinen Ölnebel mehr ansaugen.Somit würde die Schmiermittelversorgung für Kolben und Lager ausfallen,was zum Motorschaden führen kann.

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 25Dieser Vorteil ist heutzutage kaum noch ein Vorteil, denn hier haben die4-Takter schon nachgezogen. Selbst im Handgerätebereich können lageunabhängige4-Takter bis zu Kleinstmotoren angeboten werden.Nachteile:• Schlechter Wirkungsgrad: Der schlechte Wirkungsgrad von 2-Taktmotorenhat mehrere Ursachen, die aber hauptsächlich auf den Ladungswechsel zurückzuführenist.Beim 2-Takter redet man von einem „Spülgrad“. Er gibt den Anteil derFrischladung an, der aus Frischgas und Restgas bestehenden Gesamtladung.Es ist also immer Restgas in der Frischladung. Zum Vergleich, bei einem4-Takter gibt es den so genannten „Liefergrad“. Der Liefergrad beschreibtden Erfolg eines Ladungswechsels, also das Verhältnis von der Frischgasmassezur theoretisch möglichen Frischgasmasse [12 S. P53-54].Beim 2-Taktverfahren erfolgt der Ladungswechsel in einem Arbeitstakt, demso genannte „Spülen“. Das Spülen geschieht beim Zweitaktverfahren ohneklare Grenzen und ist somit vom Optimum weit entfernt. Es gibt immer einenRestgasanteil in der Frischgasladung und gleichzeitig unverbranntesGemisch im Abgastrakt.Wirkungsgradeinbuße durch Expansionsverluste. Ein Arbeitstakt kann nuretwa 70-80% der Energie eines 4-Taktarbeitstaktes auf Grund der Spülverlusteliefern. Sobald der Kolben den Auslass öffnet (Kantensteuerung) fälltder Zylinderdruck in der Brennkammer schlagartig ab. Somit kann nicht dervolle Hub genutzt werden [31].• Schlechte Emissionswerte: Zweitaktmotoren haben schlechte Emissionswerteund einen hohen Ölverbrauch. Diese Aussage ist nicht ganz richtig,denn vor allem bei großen Motoren können 2-Takter gute Abgaswerte erzielen.Dennoch trifft sie für Kleinmotoren zu. Dies hat mehrere Ursachen. Vor

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 26allem im Teillastbereich hat der 2-Takter hohe Defizite, denn dort gibt es einenhohen Anteil von Restgas im Zylinder. Das führt zu einer schlechten Verbrennungsgüteund hohen CO- und CH- Gehalten im Abgas. Zudem führt diedurch das Restgas inhomogene Verbrennung zu Verbrennungszwischenproduktenwie Feinstaub [31].Auch die Spülverluste tragen zu den hohen Emissionswerten bei, da unverbranntesKrafstoff-Öl-Gemisch in den Abgastrakt gelangt.Eine weitere Ursache ist die Gemischschmierung, wie sie bei den meisten2-Taktern angewendet wird. Das im Gemisch enthaltene Öl führt bei der unvollständigenVerbrennung zu hohen Ruß- und CH-Gehalten im Abgas. Umeine ausreichende Schmierung der Lager und Kolben zu gewährleisten wirdsehr viel Öl benötigt (Gemischverhältnisse von ca. 1:25 bis 1:100). Dieser hoheÖlverbrauch kann über eine lastabhängige Getrennt-Schmierung verringertwerden. Dabei wird das Öl aus einem Tank dem Treibstoff lastabhängigzugeführt [31].Wird der Spüldruck, der notwendig ist das Restgas aus zu schieben, nicht ü-ber die Kurbelkammer (Abwärtsbewegung des Kolbens drücken Frischgasüber Überlaufkanäle in den Brennraum) sondern über einen Verdichter erzeugt,kann eine konventionelle Ölsumpfschmierung verwendet werden,wodurch weniger Öl mit verbrannt wird. Durch das Überlaufen der Spülöffnungenstreift der Kolben mittels der Kolbenringe Öl von der Zylinderwand,welches vom Gasstrom mitgerissen wird. Dies führt bei allen 2-Taktern zuerhöhten Emissionen, auch bei Ölsumpfschmierung [31].• Akustische Emission: Der 2-Takter erzeugt jede Umdrehung eine Welle imSaugrohr und im Abgastrakt. Somit ist die Frequenz der Geräuschquelle doppeltso hoch wie beim 4-Takter (siehe Kapitel 6.3) [3].

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 27Der Auslass öffnet beim 2-Takter schlagartiger, somit ist die Druckwellenfrontsteiler, wobei mehr hochfrequente Anteile im Tonspektrum zu findensind [3].• Thermische Belastung: Eine geringe Innenkühlung durch das Ausfallen desLeerhubes führt zu einer hohen thermischen Belastung der Kolben und Auslassöffnungen[31].Zudem gibt es beim 2-Taktverfahren immer wieder Schwierigkeiten bei derKolbenschmierung, was zum Motorschaden führten kann.• Hochbelastete Bauteile: Im Gegensatz zum 4-Takter herrscht beim 2-Takterauf das Pleuel in folgen von Gas- und Massenkräften (siehe Kapitel 3.3), außerin kleinen Bereichen bei hoher Drehzahl und kleiner Last, nur Druckbelastung.Der Kolbenbolzen liegt dadurch stets einseitig am Kolbenbolzenlageran, was zu Schmierproblemen führen kann [9].Zusätzlich ist der hohe mechanische Verschleiß der Kolbenringe durch dieÖffnungen in der Zylinderwand zu berücksichtigen.Auf Grund der negativen Eigenschaften wird das Zweitaktverfahren fast ausschließlichbei kleinen Fahrzeug-Ottomotoren und bei Großdieselmotoren für Schiffe angewendet.Für Schiffantriebe ist er interessant, da er sehr einfach und kostengünstig istund bei wartungsgünstiger Gestaltung Schwerölbetrieb bei Niedrigstdrehzahlen ermöglicht.2-Takter werden im Zweiradbereich heute noch viel verbaut. Für Zweiräder geltenEURO 2 oder EURO 3 Abgasnormen. Dies führte oberhalb von 50 cm 3 zu einer weitreichenden Verdrängung der 2-Taktmotoren. Unterhalb der 50 cm³-Klasse ist der Partikelausstoßunbegrenzt. Zudem dürfen wesentlich größere Kohlenwasserstoffmengenausgestoßen werden als bei PKW-Motoren [31]. Mittlerweile wird vom Bündnis 90der Grünen sogar vorgeschlagen, dass 2-Takter in Kleinkrafträdern ab 2014 nicht

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 28mehr im Straßenverkehr zugelassen werden sollen. Grund dafür ist, dass 2-Takterwegen der Gemischschmierung nicht mit Katalysator betrieben werden können.Der 2-Taktmotor ist aber noch lange nicht von der Liste zu streichen. Im Bereich vonBootsmotoren, Ski-Doos, Jet-Skis und Ultraleichtflugzeugen werden wieder verstärkt2-Takter eingesetzt, die nicht mehr die üblichen Nachteile der herkömmlichen Bauformbesitzen sollen. Diese Motoren arbeiten mit Direkteinspritzung. Der so genanntePivotalmotor, der mit wassergekühlten Pivotal-Kolben und Direkteinspritzung ausgestattetist, soll Spülverluste auf ein Minimum reduzieren und mit Gemischen von biszu 1:300 (i.d.R. 1:50 bis 1:100) arbeiten [31].3.2.2 4-Takt-VerfahrenDas 4-Taktverfahren ist schon über 150 Jahre alt. Christian Reithmann hatte 1860 bereitsdie ersten Patente auf 4-Taktmotoren [32].Das 4-Taktverfahren hat vieles gemeinsam mit dem 2-Taktverfahren. Beide verdichtenim ersten Takt die Ladung durch eine Verringerung des Brennraums. Beide Motorenzünden kurz vor dem erreichen von OT (oberer Todpunkt) das Gemisch (ausgenommenkennfeldgesteuerte Zündwinkel mit Betriebspunkten für z.B. Kat-heizen).Dabei leitet die Zündkerze eine örtlich hohe elektrische Energie ein, welche die sich inder nähe befindende Moleküle zerfallen lässt. Das leitet komplexe Vorreaktionen ein,die letztendlich zur Verbrennung führen [12 P61].Der 4-Takter hat für jeden Arbeitschritt (1. Frischgas ansaugen, 2. Frischgas komprimieren,3. Arbeits- oder Expansionstakt, 4. Abgas ausstoßen) einen von den anderenArbeitsschritten getrennten Takt (Ventilüberschneidungen vernachlässigt).Dieser und weitere Unterschiede der beiden Arbeitsverfahren bringen eine MengeVor- und Nachteile mit sich, die nachfolgend aufgelistet sind. Im Grunde sind des einenVorteile des andern Nachteile und umgekehrt. Beim nachfolgenden Vergleichwird als Referenz ein kantengesteuerter 2-Takter herangezogen, der in der gefordertenLeistungsklasse am häufigsten vertreten ist.

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 29Vorteile:• Besserer Wirkungsgrad: Durch die klaren Grenzen der Takte (ausgenommenkleiner Ventilüberschneidungen auf Grund der Trägheit des Gases) ist derWirkungsgrad des Verfahrens höher. Der Ladungswechsel erfolgt hauptsächlichdurch Volumenverdrängung und nur zu kleinen Teile durch Gasdynamikbei Ventilüberschneidung.Die Qualität und die Quantität der brennfähigen Ladung ist höher. Der Auslassist beim neuen Befüllen des Brennraums geschlossen, somit kann keinAbgas zurück in den Brennraum gedrückt werden. Zudem ist beim Ausschiebendes Abgases der Einlass geschlossen, somit kann das Abgas aus geschobenwerden ohne das es mit Frischgas in Kontakt kommt. Der Restgasgehaltim Zylinder beim neuen Befüllen ist viel niedriger als beim 2-Takter. BeimBefüllen des Brennraums mit Frischgas ist der Auslass geschlossen, somitkann kein Frischgas über den Abgastrakt unverbrannt entweichen.Diese Überlegungen stimmen nicht ganz, denn eine gewisse Vermischungder Gase ist immer vorhanden, jedoch nicht in dem Maße wie beim 2-Takter.• Emissionswerte: Die höhere Ladungsqualität ermöglicht eine vollkommenereVerbrennung des Gemisches und somit geringere giftige Anteile im Abgas.Die Verbrennung sollte möglichst stöchiometrisch ablaufen (λ = 1), um COundNOx-Emissionen möglichst Gleichgewicht zu halten. Fettes Gemisch (λ 1) dagegen die NOx-Emissionen. Die „großen Drei“ (CO, NOx, HC) werden ohne λ-Regelung und3-Wege-Katalysator allerdings kaum zu eliminieren sein.Normalerweise gibt es beim Viertakter wenig verbranntes Öl, da sie meistkeine Gemischschmierung haben. Somit kommt es zu weniger CO-Emissionen als beim Zweitakter.

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 30• Schmierung: 4-Taktmotoren verfügen in der Regel über eine geschlosseneDruckumlaufschmierung. Somit geht sehr wenig Öl verloren (nur das Öl zurSchmierung der Kolbenringe geht verloren). Bei modernen Motoren tendiertder Verlustanteil gegen Null [32].• Geringere thermische Belastung: Wie schon erwähnt gibt es jede2. Kurbelwellenumdrehung (Auslass- und Ansaugtakt) einen „Leerhub“, beiwelchem die Motorperipherie abkühlen kann.Nachteile:• Geringe Leistungsdichte: Dieser Nachteil betrifft nur4-Takthubkolbenmotoren. Der zur Kühlung vorteilhafte „Leerhub“ ist für dieLeistungsabgabe nachteilig. Der Motor absolviert nur alle zwei Umdrehungeneinen Arbeitstakt. Eine Umdrehung läuft der Kolben als Spülpumpe.• Schlechtes Leistungsgewicht: 4-Taktermotoren sind mechanisch aufwendigeraufgebaut als 2-Takter. Die für den getrennten Ladungswechsel notwendigenVentile und die dafür notwendige Mechanik, sowie der Aufwand für dieDruckumlaufschmierung machen den 4-Takter teurer, schwerer, voluminöserund wartungsaufwendiger als 2-Taktmotoren. Die geringere Leistungsdichteund das höhere Gewicht führen zu einem schlechteren Leistungsgewicht.3.3 Kinematik der VerbrennungsmotorenNeben der Art des Ladungswechsels spielt die Kinematik für die Charakteristik einerVerbrennungskraftmaschine eine große Rolle. Sie hat maßgebende Auswirkungen aufdas Schwingungsverhalten, Bauform und Abmaße, Wärmeentwicklung und Wärmestau,Verbrennung des Gemisches, Energieausbeute, etc.

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 313.3.1 Kräfte und Momente im MotorIn diesem Kapitel sollen kurz die im Motor wirkenden Kräfte aufgezeigt werden, diefür die auf die Lager wirkenden Momente und Kräfte verantwortlich sind. Dabei sollendie Reibungskräfte vernachlässigt bleiben.Der folgende Einschub ist hilfreich, um die Eigenschaften verschiedener Motorbauformenin den folgenden Kapiteln besser analysieren zu können.Gaskräfte:Ursache für die Kräfte und Momente im Motor ist die durch den Gasdruck wirkendeKraft auf den Kolben, die so genannte Gaskraft F G . Diese Kraft kann vektoriell auf diePleuelkraft F SG und die horizontale Gleitbahnkraft N G zerlegt werden. Der Kraftflussder im Motor wirkenden Gaskräfte (F G und -F G ) schließt sich im Motorgehäuse. Auf dieMotorlager wirksam bleibt das negative Kippmoment, resultierend aus der Gleitbahnkraft(N G und N' G ) und das Wellendrehmoment M G resultierend aus dem am Hebelarmr der Kurbelwelle angreifenden tangentialen Komponente der Pleuelkraft F TG [9].Massenkräfte:Massenkräfte entstehen durch ungleichförmige Bewegungen von Massen. Der Kolbenoszilliert, die Kurbelwelle rotiert und das Pleuel führt eine zusammengesetzte Bewegungaus. Die so genannten „freien Massenkräfte und -Momente“ resultieren aus denfür die Motorvibrationen verantwortlichen oszillierenden Massenkräfte [9]. DieseMassenkräfte lassen sich aus der Formel herleiten, die den Kolbenweg in Abhängigkeitdes Drehwinkels der Kurbelwelle beschreibt. Zweimal nach der Zeit abgeleitetund die dabei resultierende Kolbenbeschleunigung mit der Kolbenmasse multipliziertergibt die Massenkraft in Abhängigkeit des Drehwinkels [2 S.47].F( cos( ωt) + λ cos( 2ω) + ...)ω (3.3-1)2= mrtDiese Massenkraft hat einen recht komplizierten Verlauf, weil in der Klammer eigentlichunendlich viele immer kleiner werdende Summanden stehen. Der erste Teil wird

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 32als „1. Ordnung“ bezeichnet, der zweite, bereits deutlich kleinere Teil als„2. Ordnung“. Die weiteren Ordnungen sind dabei infenitisimal klein und somit zuvernachlässigen.Zusätzlich zu den „freien Massenkräften und -Momenten“ gibt es noch weitere Momenteim Motor. Zum einen das „Innere Biegemoment“, herrührend aus den rotierendenund oszillierenden Massenkräften und zum anderen das „Wechseldrehmoment“,herrührend aus den Gas- und Massentangentialkräften [9]..Die rotatorischen Massenkräfte der Kurbelwelle können theoretisch durch Ausgleichsgewichtekomplett kompensiert werden. Auch die oszillierenden Massenkräftevon Pleuel und Kolben im oberen und unteren Todpunkt könnten durch entsprechenddimensionierte Ausgleichsgewichte vollständig ausgeglichen werden. Durch die dafürnotwendige starke Erhöhung der Ausgleichsmassen würde sich dann aber eine starkehorizontale oszillierende Massenkraft 90° vor und nach OT einstellen. Die endgültigeDimensionierung des Ausgleichgewichts stellt einen Kompromiss dar, bei dem aber injedem Fall freie Massenkräfte bestehen bleiben [19]!3.3.2 HubkolbenmotorÜber die Jahrhunderte haben sich die Hubkolbenmotoren von der Erfindung der Pulvermaschinedurch Christian Huygens 1673 weiterentwickelt. Das Erfolgsrezept dieserMotoren ist mit einfachen Mitteln aus gespeicherter Energie (Fossiler Brennstoff,Dampfdruck, Schießpulver, etc.) mechanische Arbeit zu verrichten [9 S. 28].Die Auswahlkriterien bei Hubkolbenmaschinen, ausgenommen der vorherig angeführtenÜberlegungen bezüglich des Ladungswechsels, liegen nun bei der Zylinderanzahl,Zylinderanordnung und des Motorenkonzeptes (Hochdrehzahlprinzip, Drehmomentprinzip,etc.).

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 33Einfluss der Zylinderanzahl:Berücksicht man die geforderte Motorleistung von etwa 7kW, beschränkt sich dieAuswahl auf Ein-, oder Zweizylindermotoren.Einzylindermotor:Da die Vorteile des Einzylindermotors die Nachteile des Zweizylindermotors sind undumgekehrt, wird der Zweizylindermotor anschließend nur nach seiner Zylinderanordnungbewertet.Vorteile:• Einfacher Aufbau und kompakte Abmaße.• Einzylindermotoren lassen einen höheren Wirkungsgrad erwarten als HubraumgleicheMehrzylindermotoren. Bei gleichem Hubraum hat ein Motor miteinem Zylinder einen kleineren Kolbenumfang als beide Kolbenumfänge einesZweikolbenmotors zusammen. Dementsprechend ist die Reibung an denKolbenringen bei nur einem Zylinder geringer. Hinzu kommt, dass die Reibungan Lagern von Pleuel und Nockenwelle bei nur einem Zylinder geringerist. Zudem ist der Wärmeverlust auf Grund der geringeren Zylinderfläche relativzum Hubraum geringer.• Beim Einzylindermotor ist ein vollständiger Ausgleich der Massenkräfte 1.und 2. Ordnung möglich. Mittels zwei Paar rotierender Ausgleichsmassen soangeordnet, dass deren harmonische Wechselkräfte in der Zylindermittelliniewirken. Ein solcher Massenausgleich ist aufwendig, schwer, und wird beiKleinmotoren nur selten angewendet [9].Nachteile:• Die Energie für den Verdichtungstakt kann nicht aus dem Arbeitstakt einesanderen Zylinders gewonnen werden kann. Sie muss also aus dem eigenenArbeitstakt gespeichert werden. Dies geschieht mittels Schwungmassenrad,welches die Energie in Form von rotatorischer Energie speichert. Um eine

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 34gewissen Arbeit verrichten zu können benötigt das Schwungmassenrad, wiees der Name schon sagt, eine gewisse Masse.• Ein unrunder Motorlauf (Wechseldrehmoment) bedingt durch nur einen Arbeitstaktpro 360° Kurbelwinkel (2-Takter) bzw. 720° (4-Takter). Durch diehöhere Zündfolge nimmt das Wechseldrehmoment mit steigender Zylinderzahlab. Einzylinderkonzepte ermöglichen einen guten Rundlauf durch einehohe Schwungradmasse, oder durch eine zusätzliche Schwungscheibe. Beideslässt das Motorgewicht überproportional ansteigen. Wenn der Motorleicht sein muss, setzt man häufig auf eine hohe Leerlaufdrehzahl (Kettensägen,Motocrossmaschinen) [36].• Das dynamische Verhalten eines Einzylindermotors ist extrem schlecht. Ausgleichsmassenan den Kurbelwellenwangen müssen wegen der großen Massen-bzw. Kolbenbewegungen ebenso gewichtig ausfallen. Die oszillierendeKraftwirkung und das Massendrehmoment auf Grund der Auf- und Abwärtsbewegungnur eines Zylinders werden direkt ungedämpft auf die Motorlagerübertragen.Einfluss der Zylinderanordnung bei Zweizylindermotoren:Reihenmotor:Vorteile:• Einfacher Aufbau.• Mit einem einfachen Reihen-2-Zylindermotor lassen sich freie Massenkräfte1. Ordnung und freie Massenmomente 2. Ordnung bei Zündabständen von180°-540° vermeiden (Abbildung 3.3-1: Zweizylinder Reihenmotor, Zündfolge180°-540°) [19].

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 35Abbildung 3.3-1: Zweizylinder Reihenmotor, Zündfolge 180°-540° 4Bei Zündabständen von 360°-360° gibt es wieder freie Kräfte 1. und2. Ordnung, dafür keine freien Momente mehr (Abbildung 3.3-2). Bei einemReihen-6-Zylinder mit 120° Zündabstand kompensieren sich sowohl dieKräfte und Momente erster wie auch zweiter Ordnung vollständig. Deshalbist er in Sachen Laufruhe kaum zu überbieten [18].Abbildung 3.3-2: Zweizylinder Reihenmotor, Zündfolge 360°-360° 4• Schmale Bauform. Da der Segelflugzeugrumpf sehr schmal und eher oval istwürde sich eine Reihenmotorkonstruktion anbieten.• Durch einen „Lanchester-Ausgleich“ können oszillierende Massenkräfte1. und 2. Ordnung vollständig ausgeglichen werden. Dabei drehen zwei rotierendeMassen gegenläufig in Kurbelwellendrehzahl (1. Ordnung) und weiterezwei Massen mit doppelter Kurbelwellendrehzahl (2. Ordnung) [9]. Bedingt4 [19]

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 36durch den Aufwand, Platzbedarf und den Massenzuwachs findet der „Lanchester-Ausgleich“bei Kleinmotoren allerdings kaum Anwendung.Nachteile:• Wegen der unsymmetrischen Kolbenbewegung neigt der Motor um seinenMittelpunkt zu kippeln. Durch die hin- und hergehenden Massenkräfte dereinzelnen Zylinder, die in den einzelnen Zylindermittellinien wirken, ergebensich über den Hebelarm zum Motorschwerpunkt freie Massenmomente1. Ordnung [19].V-Motor:Vorteile:• Die resultierenden Massenkräfte 1. Ordnung laufen mit der Kurbelwelle undlassen sich daher durch Gegengewichte komplett ausgleichen [19].• Die freien Massenmomente 1. und 2. Ordnung sind durch den nur sehr kleinenKolbenversatz geringer als beim Reihenmotor.Nachteile:• Horizontale oszillierende Massenkraft 2. Ordnung [19].• Massenmomente 1. Ordnung rotieren gegen die Drehrichtung der Kurbelwelle[18].• Massenmomente 2. Ordnung oszillieren horizontal [19].• 2-Zylinder V-Motoren haben nur ein mäßiges dynamisches Verhalten im Vergleichzu 2-Zylinder Reihe oder 2-Zylinder Boxer [12 S. O6].

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 37Boxermotor:Der Boxermotor wurde von Carl Benz im Jahre 1896 und hieß Anfangs „Contra-Motor“.Sie haben auf dem Flugmotorensektor eine lange Tradition. Bereits 1943stattete das Porsche-Konstruktionsbüro einen Motorsegler mit einem33-PS-VW-Motor aus, der im Rumpf hinter der Pilotenkanzel eingebaut war [37].Der Boxermotor kann nicht als eine V-Motor mit 180° V-Winkel verstanden werden.Der Unterschied zum 180°-V-Motor liegt in der Anordnung der Pleuel auf der Kurbelwelle.Bei Boxermotoren sind die Pleuel von einander gegenüberliegenden Zylinderneinzeln auf um 180° zueinander versetzten Hubzapfen angeordnet, während sich beim180°-V-Motor zwei Pleuel einen Hubzapfen teilen. Wenn sich ein Kolben beimV-Motor im OT befindet ist der andere bei UT. Beim Boxer befinden sich beide Kolbengleichzeitig in OT oder UT.Abbildung 3.3-3: Zweizylinder Boxermotor 5Abbildung 3.3-4: Zweizylinder 180°-V-Motor 65 [19]6 [24]

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 38Vorteile:• Durch seine symmetrischen Bewegungen gibt es beim Boxermotor keinerleifreie Kräfte und Momente, sieht man jetzt von dem minimalen Versatz derKolben ab (kleine freie Massenmomente 1. und 2. Ordnung). Dafür sind keinerleiAusgleichswellen oder -massen notwendig [19].• Kurze Bauweise.• Kurze Kurbelwelle und damit kaum Schwingungen und Spannungen.• Ausgleichsgewichte an Kurbelwangen und Ausgleichswellen entfallen, dahergeringe rotierende Massen. Das führt zu einer geringen Trägheit des Motors(gutes Ansprechverhalten).• Gute und gleichmäßige Kühlung der Zylinder (Kein Wärmestau im Gehäusezwischen zwei Zylindern).Nachteile:• Der Boxermotor baut sehr breit.• Teure aufwendige Herstellung mit höheren Material- und Werkzeugaufwandim Vergleich zum Reihenmotoren. Daher hoher Anschaffungspreis.Im Grunde sind alle 2-Zylinder Motoren vom allgemeinen dynamischen Verhalten hernicht wirklich gut aber auch nicht sonderlich schlecht. Besser wird es dann erst mit4-Zylindermotoren. Das Drehschwingverhalten von 2-Zylinder Reihen- und Boxermotorenist allerdings mit gut zu beurteilen. Mit 2 Ausgleichgewichten könnte das dynamischeVerhalten verbessert werden, doch der Aufwand hierfür ist groß.3.3.3 RotationskolbenmotorEs gibt verschiedene Bauarten von Rotationskolben wie z.B. Drehkolbenmotoren,Kreiskolbenmotoren, Umlaufkolbenmotoren etc. In diesem Kapitel soll aber aus-

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 39schließlich der einzige zur Serienreife entwickelte Rotationskolbenmotor betrachtetwerden. Dabei handelt es sich um den bekannten Wankel-Kreiskolbenmotor [10 S.27].Der Wankelmotor arbeitet ausschließlich nach dem 4-Takt-Verfahren. Gesteuert werdendie Ein- und Auslassöffnungen über den Kolben [10 S.27].Wankelmotoren unterscheiden sich in Umfangsgesteuerte Motoren (Ein- und Auslassöffnungenim Mantel des Gehäuses) oder in Seitensteuerung (Öffnungen in derSeitenscheibe). Bei Umfangsgesteuerten Wankelmotoren wird Saug- und Auslassseitenie ganz geschlossen. Es folgt Arbeitsspiel auf Arbeitsspiel, die Gassäulen im EinundAuslasskanal strömen dauernd. Vor allem bei hohen Drehzahlen lassen sich durchentsprechende Abstimmung der Saug- und Auspuffrohre durch den Nachladeeffektder strömenden Gassäule sehr gute Liefergrade erzielen. [10 S.28]Die folgenden Vor- und Nachteile beziehen sich auf vergleichbare4-Takt-Hubkolbenmotoren.Vorteile:• Das pulsierende Wechseldrehmoment ist geringer, da die Arbeitstakte um50% länger dauern [33].• Kompakte Bauweise.• Wenige bewegliche Teile. Der Wankelmotor benötigt keine Ventile und diedafür notwendigen Elemente wie Nockenwellen, Stößel und Kipphebel. EinWankelmotor hat im Grunde nur 3 bewegliche Teile [33].• Größeres Leistungsgewicht.• Alle beweglichen Teile drehen sich nur um ihren Schwerpunkt (Exenterwelle),bzw. der Schwerpunkt auf einer Kreisbahn rotiert (Läufer), kann ein Wankelmotorvollständig ausgewuchtet werden. Der Wankelmotor zeichnet sich

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 40durch einen weichen vibrationsarmen Lauf aus, auch bei nur einer Läuferscheibe[33].• Geringere Wärmeverluste. Wankelmotoren haben ein ungünstigeres Verhältniszwischen Oberfläche und Brennraumvolumen. Dabei wird aber angenommen,dass der 4-Takt-Hubkolbenmotor mit dem gleichen Hubraum wiedas Kammervolumen des Wankelmotors die gleiche Leistungsdichte hat. Der4-Takt-Hubkobenmotor hat allerdings einen „Leerhub“ bei dem keine Arbeitverrichtet wird, wodurch sich effektive Brennraumoberfläche um den Faktor2 erhöht. Daher benötigt der 4-Takt-Hubkolbenmotor einen doppelt so großenHubraum wie ein vergleichbarer Wankelmotor um das gleiche Verdrängungsvolumenzu erreichen [33].Nachteile:• Der Gemischanteil oberhalb der Zündkerze wird durch die Quetschströmungim Bereich der Einschnürung im Einlass kaum bis gar nicht entzündet. BeiMotoren mit Umfangsauslass wird unverbranntes fettes Restgas ausgestoßen,bei Seitenauslass verbleibt der fette Altgaskern in der Kammer [10 S.28].• Die Dichtung der Kammer ist das Hauptproblem des Wankelmotors. Sie isterheblich länger als beim Hubkolbenmotor, da der Läufer über seine gesamteSeitenfläche abgedichtet werden muss. Zudem müssen die Kammern überdie Stirnecken der Läufer voneinander abgedichtet werden. Dadurch erhöhensich Reibungs- und Druckverluste [33].• Wärmestau im Gehäuse. Aufgrund der schwierigen Wärmeabfuhr sind WankelmotorenFlüssigkeitsgekühlt.• Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist im Vergleich zum4-Takt-Hubkolbenmotor um bis zu 16% höher [33].

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 41• Der Anschaffungspreis ist sehr hoch. Die geringe Stückzahl und die notwendigehohe Fertigungsgenauigkeit machen die Motoren relativ teuer.3.4 RésuméArt des Ladungswechsels:Der 2-Taktmotor ist aufgrund seines guten Leistungsgewichtes eine Gute Option. DerMarkt für 2-Takt-Kleinmotoren ist auf Grund der einst hohen Einsatzbreite immernoch sehr groß. Durch seinen hohen Verbrauch an Öl und Kraftstoff und durch seineschlechten Emissionswerte kann er sich aber nicht gegen den 4-Takter durchsetzen.Auch durch eine stationäre Anpassung des Motors können nur annähernd4-Taktwerte erreichen werden. Der hohe Ölverbrauch kann damit allerdings auchnicht eliminiert werden.Die Nachteile des 4-Takters sind auf Grund seiner Vorteile gegenüber dem 2-Takter zuverschmerzen.Kinematik der Verbrennungsmotoren:Wankelmotoren würden sich für das Hybridprojekt auf Grund ihres dynamischen Verhaltenssehr gut eignen. Auch die Automobilindustrie legt wieder vermehrt Augenmerkauf die Rotationskolbenmotoren. Die Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe lässtauf Grund der heutigen Akkutechnologie keine großen Reichweiten zu. Deshalb setztendie Hersteller vermehrt „Range Extender“ ein, um die Reichweite zu erhöhen. DerRange Extender ist eine Verbrennungsmotor-Generator-Einheit und ist rein für dieStromerzeugung verantwortlich. Für diese Systeme werden vermehrt Wankelmotoreneingesetzt. Auf dem Genfer Auto-Salon 2010 zeigte Audi mit dem „A1 e-tron“ einElektrofahrzeug mit einem Einkammer-Wankel (254 cm 3 ) als Range Extender. Er wirdbei seinem Effizienzmaximum bei 5000 [min -1 ] betrieben und soll die Reichweite desFahrzeugs um 200 km steigern. Vor allem sein nahezu schwingungsfreier Lauf undseine kompakte leichte Bauweise machen den Wankelmotor zu einer interessanten

3 Auswahl des Verbrennungsmotors 42Option. Zudem kommen laut Audi die Verbrauchsnachteile zum Hubkolbenmotor beistationären Betrieb weniger zum tragen.Verbrennungsmotorentwicklungsbetriebe wie „AVL“ aus Graz und „FEV“ aus Aachenbefassen sich schon seit längerem mit Wankel Range Extendern. Auch die Firma „Aixro“hat zusammen mit Fiat einen „Fiat 500“ mit Wankel Range Extender ausgestattet.Der modifizierte „XR40“ Wankelmotor hat eine Leistung von 20 kW bei 5500 min -1(Abbildung 3.4-1).Abbildung 3.4-1: Rangeextender von Aixro 7Für das Hybridprojekt wurde auch ein Wankelmotor der Firma „Aixro“ in die engereWahl gezogen (Anhang 2.1). Das Problem ist, dass es für Wankelmotoren mit wenigerals 20 kW Leistung kaum einen Markt gibt. Zudem ist der Anschaffungspreis um etwa20% hoher als der schon relativ teure 2-Zylinder-Boxermotor. Das könnte sich jedochin Zukunft ändern, wenn Wankelmotoren über Range Extender in größerer Stückzahlund von mehreren Anbietern angeboten werden. „Aixro“ ist momentan an der Entwicklungeines „XF 20“ mit einer Leistung unter 20 kW. Genaue Daten gibt es erstnach den ersten Probeläufen.Zweizylinder 4-Taktmotoren-Boxermotoren eignen sich auf Grund Ihres dynamischenVerhaltens sehr gut für das Projekt. Sie sind im Vergleich zum Wankelmotor gut Verfügbarund haben daher einen relativ moderaten Anschaffungspreis.7 [22]

4 Versuchsmotoren 434 VersuchsmotorenIm Laufe der Diplomarbeit wurde ein Motor (Solo 210) auf dem Prüfstand getestet.Auf Grund der Erfahrungen wurde ein weiterer mit geändertem Motorkonzept bestellt(Kolm BX 130).4.1 Solo 210Die „Solo Germany GmbH“ stellte einen „Solo 210“ 2-Takter als Versuchsmotor zurVerfügung. Den perfekten Motor allein aus Recharge zu finden ist nahezu unmöglich.Es ist notwendig eigene Erfahrungen mit verschiedenen Motorkonzepten zu sammeln,um im Laufe des Projektes zu einer guten Endlösung zu kommen. Somit istauch ein geschenkter 2-Takter willkommen.Nachfolgend werden für den „Solo 210“ auch Quellen und Daten des „F 36“ der FirmaHirth verwendet. Der „F36“ ist baugleich mit dem „Solo 210“.Abbildung 4.1-1: Hirth F36, baugleich Solo 210 88 [23]

4 Versuchsmotoren 44Tabelle 4.1-1: Technische Daten des Solo 210 8Bauart:Einzylinder-ZweitaktmotorHubvolumen: 208 cm 3Hub:54 mmBohrung:70 mmMax. Leistung: 11 kW (14,9 PS) bei 6000 min -1 Nach DIN 70020Max. Drehmoment: 17,7 Nm bei 5500 min -1Gemischbildung: Bing 84, 32 mm SchiebervergaserZündanlage:CDI mit PolradKühlung:LuftkühlungMasse:9,4 kgStarteinrichtung: Seilzug (Recoil)Drehrichtung:Gegenuhrzeigersinn, Blick auf AbtriebKraftstoffmischung: Mischung 1:50, 2-T-Öl, Benzin (mind. 91 Oktan (ROZ))Verbrauch:ca. 3 -3,5 Liter / Stunde4.1.1 ErfahrungsberichtDie Versuche mit dem Solo 210 verliefen teilweise sehr problematisch. Im Grundewurde sich mehr mit der Problembehandlung beschäftigt als mit eigentlichen Messungen.Startprobleme:Es war von Anfang an nicht einfach den Motor zu starten. Startprobleme durchzogeneigentlich den gesamten Versuchszeitraum. Der Vergaser musste jeden Tag neu eingestelltwerden um den Motor starten zu können. Während des Leerlaufs musste erdann meist noch einmal nachgestellt werden, um die Leerlaufdrehzahl niedrig zu halten(beim Solo etwa 2600 min -1 ). Mit dieser Vergasereinstellung war es nach abstellendes Motors nicht möglich ihn wieder zu starten. Bei warmem Motor musste der Vergaserwieder nachgestellt werden, um ihn starten zu können. Der Motor sprang beiwarmem Motor schlechter an als bei kalten. Das ist sehr ungewöhnlich, denn normalmüsste es umgekehrt sein.

4 Versuchsmotoren 45Dieses Fehlverhalten ist auch für diesen Motor sehr ungewöhnlich. In speziellen Fachforenund Erfahrungsberichten wird der Motor als sehr startunproblematisch beschrieben.Die Starprobleme gipfelten, als der Motor gar nicht mehr zu starten war. Das Reaktionsverhaltendes Motors auf die Startversuche war stets unterschiedlich. Teilweisewollte der Motor starten, lief aber nicht an. Manchmal gab es Fehlzündungen aus demAuspuff. Hin und wieder gab es sogar Fehlzündungen aus dem Vergaser und demAuspuff. Fehlzündungen aus dem Vergaser sind nur möglich, wenn die Überlaufkanälezur Vorkammer, die vom Vergaser mit Gemisch gespeist wird, beim Zündvorganggeöffnet sind. Bei Kantengesteuerten Motoren bedeutet das, dass der Kolben sich imUT befindet.Der Kurbelwellenwinkel zum Zündzeitpunkt kann durch das „Blitzen“ kontrolliertwerden. Dabei wird mittels „Zündstoboskop“ das Zündsignal im Zündkabel über eineKlemme abgegriffen und durch einen Lichtblitz via Stroboskop visualisiert. Nun wirdauf der Abtriebswelle OT markiert. Die Kurbelwelle muss extern angetrieben werdenwenn der Motor nicht zu starten ist. „Blitz“ man nun die Abtriebswelle, erscheint sieals Momentaufnahme stehend. Hierbei kann beobachtet werden, wo sich die Markierungvon OT beim Zündzeitpunkt befindet. Es zeigte sich, dass die Zündung 100° nachOT erfolgte.Die Zündenergie bekommt der Motor über ein Polrad (Magnetzündung). Sie wirddurch die Änderung des magnetischen Flusses infolge der rotatorischen Bewegungeines mit Permanentmagneten versehenen Läufers (Polrad) in der Statorspule erzeugt.Das Polrad ist mittels einer Mutter auf einem Kegelsitz karftschlüssig mit derKurbelwelle verbunden und durch eine Keilfeder in seiner Lage eindeutig definiert.Passieren nun die Magneten die Statorspule wird in ihr eine Spannung indiziert. DieseSpannung wird dann in der CDI-Einheit auf die nötige Zündspannung in der Zündkerzehoch transformiert (Zündspule).

4 Versuchsmotoren 46Bei der Untersuchung des Porades hat sich dann eine Vermutung bestätigt. Die Keilfederwar abgeschert und das Polrad auf dem Kegelsitz verdreht. Der Zündzeitpunktwar bei jedem Starversuch anders verstellt. Das erklärt auch das unterschiedliche Verhaltendes Motors auf die Startversuche (Abbildung 4.1-2).Spule LichtmaschineAbgescherte Keilfederauf KegelsitzVerstellschraubeZündzeitpunktAnkerschuheSpule Zündenergie(nicht Zündspule)Abbildung 4.1-2: Energiesystem Solo 210Das Abscheren der Keilfeder könnte mehrere Ursachen haben. Eine Vermutung ist,dass der Motor durch das Fehlen eines Propellers zu wenig Schwungmasse hat. DerZündzeitpunkt ist etwa 6°-40° vor OT, je nach Drehzahl. Wird der Motor nun gestartet,drückt es den Kolben bei Zündung oft in die entgegengesetzte Laufrichtung die erursprünglich laufen sollte (Gegenuhrzeigersinn, Blick auf Abtrieb). Der Motor hatdurch das fehlen der Schwungmasse nicht genügend Energie um über OT zu kommen.Dem Motor ist es egal in welche Richtung er läuft und springt an. Dadurch wickelter den Seilzug des Starters schlagartig auf, bis er durch den Metallkäfig des Seilzugesblockiert wird. Der Motor wird schlagartig abgewürgt. Der Seilzug überträgtbeim Starten sein Drehmoment formschlüssig auf ein Aluminiumzwischenstück (Turbineder Kühlung) welches wiederum formschlüssig in das Polrad eingreift. Das Polradüberträgt das Drehmoment dann kraftschlüssig über den Kegelsitz auf die Kurbelwel-

4 Versuchsmotoren 47le. Wird nun der Drehmomentfluss rückwärts betrachtet, wird der Motorlauf an derKurbelwelle schlagartig über den Kegelsitz des Polrads abgebremst. Durch diesenImpuls könnte sich der Kegelsitz gelockert oder verdreht haben und somit die kleineKeilfeder, die auch schon auf Grund ihrer Dimension nur zu Lagesicherung bestimmtsein kann, abgeschert haben.Vibrationen:Da der Motor ein Einzylinder Hubkolbenmotor ist, hat er ein sehr schlechtes dynamischesVerhalten. Der Motor wurde zuerst ohne Gummilagerung getestet. Die Vibrationenwaren enorm, so dass Prüfstandselemente überarbeitet werden mussten. Esmussten z.B. sämtliche Schrauben gegen Losdrehen gesichert werden. Der Vergaserist durch die Vibrationen oft übergelaufen.Um die Vibrationen zu reduzieren wurde der Motor mit Gummilagern auf den Prüfstandmontiert. Die Vibrationen haben sich jedoch verstärkt, da die Shore-Härte derGummilager zu gering war. Zu weiche Lager sind auch für den Antriebsstrang schädlich.Bauteile wie Fliehkraftkupplung oder die Eingangswellenlagerung des Hydraulikmotorswerden durch die Vibrationen zusätzlich belastet. Auch die Kurbelwellenlagerdes Motors nehmen dabei vermehrt schädliche Schwingungen auf. Die Vibrationenwaren so enorm, dass der Schalldämpferflansch zum Motor gerissen ist und geschweißtwerden musste. Mit einem auf den Motor abgestimmten Dämpfer sollte dasSchwingungsproblem verbessert werden können.Motortemperatur:Die Motortemperatur wird über das Mischungsverhältnis im Vergaser gesteuert. Einmageres Gemisch führt zu überhöhten Abgastemperaturen, wohingegen ein fettesGemisch die Abgastemperaturen senkt (Anfettung in der nähe der Volllastkurve beimoderner Motorsteuerung). Doch selbst bei Standarteinstellung des Vergasers schiender Motor sehr warm zu werden. Zur Kontrolle der Gemischeinstellung kann dasZündkerzenbild dienen. Dabei kann je nach Farbe und Zustand der Zündkerze auf dieVerbrennung geschlossen werden. Die Zündkerze war stets rehbraun, was auf einenoptimal eingestellten Vergaser schließen lässt. Der Auspuff hat jedoch mit zuneh-

4 Versuchsmotoren 48mender Laufleistung seine hitzebeständige Lackierung verloren. Es roch bei jedemTestlauf nach verbrannter Farbe. Das lässt auf erhöhte Abgastemperaturen schließen.Ein anderer Grund für die Überhitzung des Motors kann eine unzureichende Schmierungsein. Doch das ist nahezu auszuschließen, da das geforderte Mischungsverhältnisvon Öl und Kraftstoff nach Herstellerangaben stets eingehalten wurde (Einlaufphase1:25 / später 1:50).Eine unzureichende Motorkühlung kann auch zum Überhitzen des Motors führen. Dader Motor luftgekühlt ist und sich mittels eines Ventilators selbst Luft über Kühlrippenzuführt, kann eine unzureichende Kühlung ausgeschlossen werden.Kurbelkranzlagerschaden (KKL):Bei einem Testlauf ohne Last und etwa 75% Gasschieberstellung kam es zum Totalschadendes KKL nach etwa 30 Sekunden Laufzeit (Abbildung 4.1-3). Das KKL ist einNadellager und befindet sich zwischen Pleuel und Kurbelwellenzapfen.Zerstörtes KKLAußenring KKLAußenring KBLAbbildung 4.1-3: Zerstörtes Pleuel

4 Versuchsmotoren 49Mögliche Ursachen:• Ein Überdrehen des Motors: Der Motor besitzt keine Drehzahlbegrenzung.Somit kann die Drehzahl, da der Versuch ohne Last gefahren wurde, einenunzulässigen Wert erreicht haben. Massenkräfte von Pleuel und Kolben könntenzu groß für das Lager geworden sein.• Schmierprobleme: Das Pleuel zeigt Anlauffarben durch hohe Temperaturenam Lager. Die Wälzkörper des Lagers sind flach geschliffen und haben sichdurch Reibung teilweise mit der Pleuellauffläche verbunden. Ein Grund derhohen Temperatur könnte unzureichende Schmierung sein. Die Wälzkörperlaufen heiß, verlieren ihre Härte und somit ihre Formstabilität. Der dünnwandigeKäfig des Lagers bricht oder schmilzt zwischen den überhitzten Wälzkörpernund der Lagerschaden ist perfekt.Stellt sich nur die Frage, wie es zu Schmierproblemen kommen kann. Wieschon erwähnt ist das Gemischverhältnis von 1:25 in der Einlaufphase eingehaltenworden. Eine Ursache könnte die hohe Drehzahl sein. Die Gestaltungder Einström- und Überströmkanäle werden mittels CFD-Software undjahrelanger Erfahrung unter hohem Aufwand so ausgeführt, dass das Gemischeinen möglichst harmonischen Durchlauf durch den Motor vollführt.Dabei sollen kinematisch verlustbehaftete Wirbel vermieden werden undgleichzeitig die Kurbelkammer möglichst gut ausgefüllt werden. Das alles istdurch die Trägheit des Gases extrem von der Drehzahl abhängig. Somit mussfür die Gestaltung der Kanäle ein Kompromiss zwischen Füllung der Kurbelkammer(Schmierung von KKL, Kolbenbolzenlager (KBL) und Kurbelwellenlager)und einer möglichst verlustfreien Strömung des Gemisches gefundenwerden. Die Gestaltung der Kanäle erfolgt so, dass jede Seite des Kompromissessowohl bei Leerlauf-, als auch bei Maximaldrehzahl (unter Last) gewisseRahmenbedingungen erfüllt. Die hohe Drehzahl ohne Last könnte eineSeite des Kompromisses, nämlich die Füllung der Kurbelkammer und somitdie Schmierung vernachlässigt haben. Dieser Betriebspunkt liegt außerhalb

4 Versuchsmotoren 50des eigentlichen Nutzerprofils und wird bei der Auslegung nicht berücksichtiget.Eine Tatsache spricht gegen diese Theorie. Das KBL auf der anderen Seitedes Pleuels ist komplett unversehrt. Sollte also das Gemisch durch die hoheDrehzahl nicht genügend Zeit haben sich in der Kurbelkammer zu verteilenund somit nicht mehr in der Lage sein das KKL zu erreichen, dann kann esdas KBL erst recht nicht erreichen. Das KBL kann vom Gemisch nur erreichtwerden, wenn es das KKL umspült.Andererseits wird das KBL ganz anders belastet als das KKL. Das KKL hatauf dem Innenring (Kurbelwellenzapfen) Umlaufbelastung und am Außenring(Pleuel) nahezu ausschließlich Punktbelastung (Pleuel fast nur auf Druckbeansprucht beim 2-T). Das KBL hat hingegen am Innenring (Bolzen) Punktbelastungund am Außenring (Pleuel) ebenfalls fast nur Punktbelastung(ausgenommen des kleinen rotatorischen Anteils der Bewegung des Pleuels).Somit machen Schierprobleme dem KKL durch die Umfangsbelastungam Kurbelwellenzapfen weit mehr zu schaffen als dem eher statisch belastetenKBL.• Fremdkörper: Der Motor besitzt keinen Ansaugluft- und keinen Kraftstofffilter.Durch handwerkliche Arbeiten im Labor oder durch Unsauberkeit bei derKraftstofftankbefüllung könnten kleine Fremdkörper in die Kurbelkammergekommen sein. Fremdkörper sind für die geschliffenen Lagerlaufflächenund deren Wälzkörper extrem schädlich. Zudem können sie sich zwischenWälzkörper und Lagerkäfig verklemmen und somit die Wälzkörper beschädigenoder blockieren. Doch meistens sind Fremdkörper eher für einen schnellerenVerschleiß der Lager verantwortlich, außer sie sind entsprechend groß.Fremdkörper die einen sofortigen Totalschaden herbeiführen könnten könnenaber eher ausgeschlossen werden. Der Kraftstofftank war beim Befüllenfabrikneu und somit zu einer hohen Wahrscheinlichkeit sauber. Zudem sinddie Vergaserrohrquerschnitte sehr winzig und würden schnell verstopfen.

4 Versuchsmotoren 51• Vorschädigung des KKL: Die bei den Startproblemen des Motors angesprochenenFehlzündungen könnten zu einer Vorschädigung des Lagers geführthaben. Der Motor musste eine Vielzahl an Startversuchen über sich ergehenlassen. Dabei kam es zu etlichen, oft sehr schlagartigen Fehlzündungen. Derfiligrane Lagerkäfig könnte dabei gebrochen sein. Zudem ist es möglich, dassdie Wälzlager Dellen in die Lauffläche gedrückt haben.Die Tatsächliche Ursache für den KKL-Schaden könnte auch aus einer Kombinationder angesprochenen Möglichkeiten resultieren.Resùme:Das Pleuel und das KKL kann nicht als Einzelteile nachbestellt werden, da es nur dieKurbelwelle mit Pleuel und KKL als Baugruppe zu kaufen gibt. Die Kurbelwelle bestehtaus zwei Teilen die über den Kurbelwellenzapfen zusammengepresst werden. Diebeiden Abtriebsseiten (Arbeitsseite + Polradseite) müssen auf Grund der Lagerung derKurbelwelle exakt fluchten. Um diese Konzentrizität herzustellen ist eine spezielleVorrichtung notwenig.Da sich das 2-Taktverfahren wegen seiner schlechten Eigenschaften ohnehin nicht fürdas Projekt eignet, soll auf einen 4-Takter umgestellt werden. Zudem eignet sich dieEinzylinderhubkolben-Bauform wegen seiner dynamischen Eigenschaften nur mäßig.4.2 Kolm BX 130Die Wahl des neuen Motors viel auf den „BX 130“ der Firma „Kolm engines“. DerBX 130 ist ein Modellflugzeugmotor. Er wird mit Gemischschmierung betrieben, umdie Problematik der Lageabhängigkeit von konventionellen 4-Takt-Motoren zu vermeidenund gleichzeitig ein hohes Leistungsgewicht zu realisieren. Es gibt auch einenvergleichbaren Motor mit einer Trockensumpfschmierung. Dafür ist eine Ölpumpenotwendig die den Motor schwerer macht. Zudem ist der Preis dieses Motors auf

4 Versuchsmotoren 52Wankelmotorniveau. Das ist auch der Grund, weshalb diese Motorvariante im Modellflugbereichwieder eingestellt werden soll.Abbildung 4.2-1: Kolm BX 130 9Tabelle 4.2-1: Technische Daten des Kolm BX 130 9Bauart:Zweizylinder-ViertaktmotorHubvolumen: 135 cm 3Max. Leistung: 8,5 kW (14,9 PS) bei 6000 min -1Gemischbildung: WALBRO HDA 45B MembranvergaserZündanlage:Mikroprozessorzündung mit Zündzeitpunktverstellungder Firma MüllerKühlung:LuftkühlungMasse:3,85 kgStarteinrichtung: Elektrischer StarterDrehrichtung:Gegenuhrzeigersinn, Blick auf AbtriebKraftstoffmischung:Mischung 1:50 - 1:100, 2-T-Öl, Benzin; oder ASPEN2-Taktgemisch„Der „BX130“ von ist ein Zweizylinder-Viertaktboxermotor mit einer untenliegendenNockenwellen, die über Stößelstangen auf die oben hängenden Ventile wirken. DerMotor besitzt eine gebaute Kurbelwelle aus Vergütungsstahl, die Kurbelzapfen sind9 [20]

4 Versuchsmotoren 53einsatzgehärtet und werden hydraulisch verpresst. Die Stahlpleuel sind ebenfalls ausEinsatzstahl, die Lauffläche für das Nadellager sind hartgespindelt, das obere Pleuelaugeist als Bronzegleitlager ausgeführt.“ 10„Die Motorschmierung erfolgt über Gemischöl (1:50 – 1:100). Als Treibstoff dientNormalbenzin 95 Okt, Superbenzin 98 Okt, AVGAS oder ASPEN.“ 11„Die Zündung erfolgt über eine Mikroprozessor-Zündung mit automatischer Zündzeitpunktverstellung.Als Zündkerzen finden Typen mit Gewinde M10 x 1 Verwendung.“11Zusatzinformationen über Abmaße des Motors sind im Anhang 2.2 bis 2.3.10 [20]

5 Kennfelder 545 KennfelderEs gibt im Bereich der Verbrennungsmotoren eine Vielzahl an Kennfeldern, die einenzwei- oder dreidimensionalen Zusammenhang verschiedener Motorparameter darstellen.Diese Kennfelder, sei es Zündzeitpunktkennfeld, Emissionskennfelder oderAbgasrückführratenkennfeld, sind in der Motorsteuerung hinterlegt. Über Sensorenund Aktuatoren kann die Motorsteuerung in einem Regelkreis Motorparameter regelnund den geforderten Betriebsbedingungen anpassen.Kennfelder sind für die Analyse von Motoreigenschaften und -verhalten unumgänglich.Vor allem die grafische Darstellung macht die Wechselwirkung der Motorparameterverständlich. Die für die Wirkungsgradoptimierung wichtigsten sind das Motorkennfeldund das Verbrauchskennfeld.5.1 MotorkennfeldDer Motorbetriebspunkt wird durch seine Drehzahl und sein Drehmoment definiert.Die Gesamtheit aller Betriebspunkte ergibt das Motorkennfeld. Der Kennfeldbereichwird durch Minimal- und Maximaldrehzahl des Motors und durch seine Volllastkurvebegrenzt. Normalerweise geht das Motorkennfeld auch in den negativen Drehmomentbereich,doch dieser Bereich markiert den Schiebebetrieb, also ein Antreiben desMotors über die Abtriebswelle. Dieser Betrieb kommt bei dem geforderten Betriebsprofilnicht vor und somit zu vernachlässigen. Im Motorkennfeld kann der Zusammenhangzwischen Drehzahl, Drehmoment und Leistung grafisch analysiert werden. DieMotorleistung P e im jeweiligen Betriebspunkt kann mit folgender Formel berechnetwerden [11 S.27].

5 Kennfelder 55P e= 2 ⋅π⋅ M ⋅ n [W] (5.1-1)n Motordrehzahl [s -1 ]M Motormoment [Nm]Um die Einheiten nicht umrechnen zu müssen kann auch mit Faktoren gerechnetwerden.n Motordrehzahl [min -1 ]M Motormoment [Nm]P eM ⋅ n= [kW] (5.1-2)9549Werden nun mehrere Punkte einer konstanten Leistung berechnet, kann später überdie Punkte interpoliert werden. Das Ergebnis ist eine Leistungshyperbel, die den Verlaufkonstanter Leistung (Isolinie) durch Variation von Drehzahl und Drehmomentdarstellt. [11 S.27]Die Leistung, die der Motor abgeben soll, wird von der geforderten Generatorleistungsabgabeund von der geforderten Aufladezeit bestimmt. Somit muss eine Isoliniefür diese Leistung im Motorkennfeld erzeugt werden. Da für keinen der Versuchsmotorenein Motorkennfeld existiert oder diese vom Hersteller aus Datenschutzgründenzurückgehalten werden, muss als erster Arbeitsschritt eines erstellt werden. Hierkommt der Kleinmotorenprüfstand zum Einsatz.Am Kleinmotorenprüfstand können zwei Parameter verändert werden. Zum einen dasDrehmoment (Last über Feindrossel) und zum anderen die Drehzahl (Gasgeberstellung).Vorgehen am Beispiel BX 130:Die Isolinien für konstante Leistungen können einfach mit der Formel (5.1-2), durcheinsetzen von einer gewünschten Drehzahl und einer gewollten Leistung berechnetwerden (Tabelle 4.1-1).

5 Kennfelder 56Tabelle 5.1-1: Berechnung der Leistungs-IsolinienLeistung 8,8 [kW] 8,0 [kW] 7,0 [kW] 6,0 [kW] •••Drehzahl[1/min]:Drehmoment[Nm]Drehmoment[Nm]Drehmoment[Nm]Drehmoment[Nm] •••1000 66,84 76,39 84,03 57,29 •••1125 59,42 67,90 74,69 50,93 •••1250 53,47 61,11 67,22 45,84 •••1375 48,61 55,56 61,11 41,67 •••1500 44,56 50,93 56,02 38,20 •••1625 41,13 47,01 51,71 35,26 •••1750 38,20 43,65 48,02 32,74 •••1875 35,65 40,74 44,82 30,56 •••2000 33,42 38,20 42,02 28,65 ••••••••••••Der Betriebspunkt der Nennleistung des BX130 ist bereits vom Hersteller bekannt(8,8kW bei 6000 min -1 ). Für ein vollständiges Motorkennfeld fehlt noch die Volllastkurve.Die Volllastkurve ist zur Orientierung für einen spezifisch günstigen Betriebspunktgut geeignet, da sich diese nahe der Volllastkurve befinden.••••••Die Volllastkurve kann mit dem Kleinmotorenprüfstand ermittelt werden. Hierbeimuss systematisch vorgegangen werden und durch stetiges steigern der Last der Motorzum Abwürgen gebracht werden. Kurz bevor der Motor abstirbt und sich noch geradeso selbst am laufen hält, muss die Drehzahl gemessen werden. Bei der Messungsollte der Zeitabschnitt der Messstrecke markiert werden, bei dem die Drehzahl gemessenwird. Dieser Abschnitt muss nach der Messung wie folgt bearbeitet werden.

5 Kennfelder 57Messdaten Aufbereitung: (Bsp. Für eine kleine Last siehe Diagramm 5.1-1):1. Alle Messdaten ins Excel übertragen. Die Bearbeitung kann auch direkt im Messprogrammerfolgen, doch Exceldaten sind für die meisten Anwender gut verständlichsowie überwiegend PC-übergreifend funktionsfähig und leicht zu bearbeiten.2. Die Werte (Kraftmessungen) in der Zeit, in der die Drehzahl gemessen wurde,müssen nun mit dem Hebelarm (Hebelarm = 0,1 [m]) der Prüfstandswaage multipliziertwerden, um das Motordrehmoment zu erhalten.3. Die erhaltenen Drehmomente müssen nun über die Zeit in ein Diagramm übertragenwerden, um sie grafisch auswerten zu können.4. Um einen brauchbaren Drehmomentverlauf zu bekommen, müssen die Schwingungenherausgefiltert werden. Eine Möglichkeit ist eine Trendlinie einzufügen.Das Drehmoment sollte einen konstanten Verlauf annehmen.Wird dieser Vorgang über das gesamte Drehzahlband wiederholt, kann mit mehrerengeeigneten Punkten die Volllastkurve interpoliert werden. Der ungefähre Verlauf derKurve kann vorher auf Grund seines typischen Verlaufs abgeschätzt werden. Zudemist die Volllastkurve eine Tangente zur Nennleistungs-Isolinie.Es ist besonders wichtig von Anfang an alle Test mit den jeweils eingestellten Parameternzu dokumentieren, um die Tests rekonstruierbar zu machen und um ein Gefühl zubekommen, bei welchen Parametern im etwa welche Leistung zu erwarten ist.Vorsicht bei niedriger Last!! Motoren ohne Drehzahlbegrenzung können überdrehen(maximale Nenndrehzahl des Motors nicht überschreiten). Volllast kann erst gefahrenwerden, wenn die Last so hoch ist, dass die maximale Nenndrehzahl nicht überschrittenwerden kann.

5 Kennfelder 5820,0020,00solo solo 210_test 210_test 01 0115,0015,0010,0010,005,005,000,000,000,00,01,41,42,82,84,14,15,55,56,96,98,38,39,79,711,011,012,412,413,813,815,215,216,616,617,917,919,319,320,720,722,122,123,523,524,824,826,226,227,627,629,029,030,430,431,731,733,133,134,534,535,935,937,337,338,638,640,040,041,441,442,842,844,244,245,545,546,946,948,348,349,749,751,151,152,452,453,853,855,255,256,656,658,058,059,359,360,760,762,162,163,563,5-5,00-5,00-10,00-10,00-15,00-15,00-20,00-20,00Zeit [s]Zeit [s]20,0020,0017,5017,5015,0015,0012,5012,5010,0010,007,507,505,005,002,502,500,000,00-2,50-2,50-5,00-5,00-7,50-7,50-10,00-10,00-12,50-12,50-15,00-15,00-17,50-17,50-20,00-20,00Drehmoment [Nm]Drehmoment [Nm]Leistung [kW]Leistung [kW]Diagramm 5.1-1: Messdatenaufbereitung in Excel

5 Kennfelder 59Um mit dem Motorkennfeld arbeiten zu können, muss noch eine Widerstandslinie fürden Verbraucher eingefügt werden. Normalerweise handelt es sich hierbei um eineFahrwiderstandslinie. Diese zeigen den Zusammenhang zwischen Drehzahl und demvom Antriebsstrang aufgenommenen Drehmoment für jeweils einen Gang. Der Verbraucherim seriellen Hybridantrieb ist der Generator. Somit muss im Motorkennfeldder Generatordrehmomentverlauf in Abhängigkeit der Drehzahl eingetragen werden.Der Generator ist ein permanenterregter Synchronmotor. Sein Drehmoment berechnetsich mit folgender Formel:M=( n − n) ⋅ ⋅π⋅ ( c )02 φR a+ R i2(5.1.-3)M = c ⋅φ ⋅(5.1.-4)I A

Diagramm 5.1-2: Motorkennfeldmuster mit ArbeitsgeradeDrehmoment [Nm]Motorkennfeld mit Arbeitsgerade (Muster)2018Volllastkurve16148,8 kWArbeitsgerade Generator8,0 kW127,0 kW106,0 kW85,0 kW4,0 kW63,0 kW42,0 kW21,0 kW01000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500Drehzahl [1/min]5 Kennfelder 60

5 Kennfelder 615.2 VerbrauchskennfeldDas Verbrauchskennfeld kann für die Berechnung des Kraftstoffverbrauchs verwendetwerden. Es wird wie das Motorkennfeld durch Minimal- und Maximaldrehzahl unddurch die Volllastkurve begrenzt. Im Verbrauchskennfeld wird stets der spezifischeKraftstoffverbrauch, dass heißt verbrauchte Kraftstoffmasse pro geleistete Arbeitangegeben. Anders als beim Motorkennfeld wird der spezifische Kraftstoffverbrauchüber der Motordrehzahl und den effektiven Mitteldruck im Brennraum aufgetragen.Da der effektive Mitteldruck aber direkt proportional zum effektiven Motordrehmomentist, kann auch dieses verwendet werden. Die Isolinien für konstanten spezifischenKraftstoffverbrauch werden auf Grund ihrer Form auch Muschelkurven genannt.Im Verbrauchskennfeld ist gut zu erkennen, welche Parameter verändert werdenmüssen um bei gleich bleibender Leistung den Verbrauch zu optimieren. DasVerbrauchskennfeld muss ebenfalls noch erstellt werden. Hier kann allerdings nurpraktisch vorgegangen werden, da der Kraftstoffverbrauch von nur mit einer Fülle vonInformationen annähernd berechnet werden kann.Vorgehen:Der Kraftstoffverbrauch kann über verschiedene Varianten ermittelt werden. EineVariante zur Berechnung des spezifischen Kraftstoffverbrauches ist das Bestimmendes Kraftstoffmassenstroms bei konstanter Leistung.mBbe= (5.2-1)Peb e spezifischer Kraftstoffverbrauch [g/kWh]P e effektive Leistung [kW]m B Kraftstoffmassenstrom [g/h]Der Kraftstoffmassenstrom kann einfach durch Wiegen des Kraftstoffbehälters ermitteltwerden. Nach einer definierten Zeit bei konstanter Leistung muss erneut gewo-

5 Kennfelder 62gen werden. Die gemessene Differenz ergibt über die Zeit den Kraftstoffmassenstrom.Vom Kraftstoffmassenstrom kann über die Kraftstoffdichte auf den Literverbrauchpro Stunde geschlossen werden.1 Lm B⋅ = ρ h(5.2-2)Die Dichte des Kraftstoffgemisches kann einfach durch seine Masse m bei bekanntemVolumen V ermittelt werden.mρ =(5.3-3)VEine andere Variante ist, die Berechnung über den Gesamtwirkungsgrad η e des Motorsund den unteren Brennwert des verwendeten Kraftstoffs oder KraftstoffgemischesH u . Doch diese Variante ist aufgrund zu weniger Informationen über den Motornicht möglich.Die einfachste Variante ist, dass verbrauchte Kraftstoffvolumen pro Zeit zu messen.Dafür werden nur ein skalierter Behälter und eine Zeitmessung benötigt. Das verbrauchteVolumen in dm 3 ergibt somit automatisch die Einheit Liter Kraftstoff proZeiteinheit. Dabei genügt es die Messung in einem kurzen Zeitintervall durchzuführen.Der Volumenverbrauch kann dann über die Zeit auf Liter pro Stunde hochgerechnetwerden.Die Variante das Kraftstoffvolumen zu messen ist prinzipiell die einfachste. Bei derVolumenmessung muss die Skalierung feinstufig sein, da der Pegelstand möglichstnicht zwischen zwei Teilstrichen der Skalierung liegen sollte, um ein genaues Ablesenzu ermöglichen. Zudem sollte das Kraftstoffbehältnis stets waagerecht stehen undeine möglichst kleine Querschnittsfläche haben. Letzteres ist wichtig, um größere und

5 Kennfelder 63eindeutigere Volumendifferenzen messen zu können. Zudem wirken sich Ablesefehlernweniger auf das Messergebnis als bei einer großen Querschnittsfläche.Um jedoch eine höhere Genauigkeit zu bewerkstelligen, ist die erste Variante geeigneter.Es ist sehr einfach und genau eine Gewichtsdifferenz zu messen. Nach einmaligenbestimmen der Dichte des Kraftstoffgemisches ist das Ermitteln des Verbraucheszudem sehr einfach.Es kann bei der Bestimmung der spezifischen Verbräuche immer nur ein Betriebspunktbetrachtet werden. Es ist daher ratsam, sich Anfangs mit dem Bereich um diegeforderte Leistungskennlinie im Motorkennfeld zu beschränken (). Die dabei gefundenenDatenpunkte können durch interpolieren als Muschellinien in das Motorkennfeldeingetragen werden. Etwaige Tendenzen des Motorverbrauchsverhaltens könnenmit diesen Daten abgeschätzt und durch einzelne Kontrollmessungen analysiert werden.

Diagramm 5.2-1: VerbrauchskennfeldDrehmoment [Nm]Verbrauchskennfeld (Muster)20181614be=280 g/kWh12be=310 g/kWh7 kWbe=360 g/kWh10Mögliche Betriebspunkte864201000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500Drehzahl [1/min]be=240 g/kWh5 Kennfelder 64

5 Kennfelder 65Der beste spezifische Kraftstoffverbrauchsbereich befindet sich bei niedrigen Drehzahlenund hoher Last. Um einen erweiterten Bereich des Minimums ist Verbrauchsanstiegdurch einen flachen Gradienten gekennzeichnet. In Richtung niedrigen Lastensteigt der Gradient stark an. Hierfür gibt es mehrere Ursachen. Zum einen erhöhensich im Teillastgebiet die Drosselverluste (außer bei modernen drosselfreien Kfz-Motoren mit Vollvariablen Ventiltrieben (VVT)). Zudem nimmt der Anteil an Reibungsverlustenim Verhältnis zum abgegebenen Nutzmoment des Motors zu. DieAuswirkungen zeigen sich im Verbrauchskennfeld durch steigende spezifische Verbräuchebei konstanter Leistung und steigender Drehzahl und somit sinkendemDrehmoment [11 S.28]. Ein weiterer Faktor ist, dass der Restgasgehalt bei Teillastetwa 20%, bei Volllast etwa 5% ist und somit der Verbrauch bei Teillast steigt [4S.185].In Richtung Volllastkurve nimmt der spezifische Kraftstoffverbrauch normalerweisewieder zu. Moderne Motorsteuergeräte fetten in diesem Bereich das Gemisch ausmehreren Gründen an. Ein Grund ist ein Erhöhen der Motorleistung im Volllastbereich.Zudem kann die Abgastemperatur, die im Volllastbereich sehr hoch wird, durchdie Anfettung gesenkt werden. Dies geschieht in erster Linie zum Schutz des Katalysators.Ein weiterer Grund der Volllastanfettung ist die Klopfneigung des Ottomotorszu senken. Unter Klopfen wird die schlagartige Selbstentzündung des Gemisches unterhohen Druck und Temperatur bezeichnet. Die Flammfront durch Selbstzündungund die Flammfront durch Zündkerzenzündung laufen aufeinander und resultieren ineinem hohen Druckanstieg und Druckschwingungen im Zylinder. Dabei können Kolbenschädenentstehen. Durch das Anfetten steigt die Brenngeschwindigkeit, somitsinkt die Klopfgefahr [11 S.28].Da die Vergaser von Kleinmotoren normalerweise nicht über eine Motorsteuerunggesteuert werden, bleibt diese Anfettung aus. Somit sollte in der Nähe der Volllastkurveder spezifisch günstigste Verbrauch sein. Bei längerem Betrieb in diesem Bereichsollte stets die Abgastemperatur kontrolliert werden. Neigt der Motor zum Klopfenist das schnell akustisch wahrzunehmen. Das Klopfen heißt nicht umsonst Klop-

5 Kennfelder 66fen. Ist die Abgastemperatur zu hoch oder neigt der Motor zum Klopfen, muss amVergaser grundsätzlich ein fetteres Gemisch eingestellt werden. Dem Klopfen kannauch durch eine höhere Oktanzahl entgegengewirkt werden.Mittels Motorkennfeld und Verbrauchskennfeld kann nun ein verbrauchsoptimalerBetriebsbereich gefunden werden. Der nächste Schritt ist nun die Applikation des Motorsauf diesen Betriebsbereich. Je nach Verlauf der Muschellinien im Kennfeld könntez.B. durch Steigerung der Leistung bei gleicher Drehzahl eine Leistungs-Isolinie erreichtwerden, die trotz höherer Leistung durch einen spezifisch besseren Kraftstoffverbrauchsbereichdurchläuft. Somit könnten die Akkus des Segelflugzeugs schnellerbei weniger Kraftstoffverbrauch aufgeladen werden. Mehr dazu im Folgekapitel.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 676 Integration und Applikation des VerbrennungsmotorsDie Integration und Applikation des Verbrennungsmotors beschränkt sich nicht alleinauf die motorische Performanz, sondern umfasst alle Faktoren die den Betrieb desMotors betreffen, wie die Akustik, die Laststeuerung, die Kühlung oder die Schadstoffemissionen.6.1 BetriebspunktapplikationDer Verbrennungsmotor an sich hat bekanntlich einen sehr schlechten Wirkungsgrad.Ein moderner Verbrenner bringt etwa 35% der chemisch gebundenen Energie vomKraftstoff als mechanische Energie auf die Abtriebswelle. Klingt schlecht, ist abernoch viel schlechter. Dieser Wert wird nur im effizientesten Betriebspunkt erreicht.Ein Motor wird aber überwiegend im Teillastbereich bei hohen Drosselverlusten betrieben.Nachdem wie im Kapitel 5 ein Motorkennfeld und ein Verbrauchskennfeld erstelltwurden, gilt es nun einen möglichst verbrauchsoptimalen Betriebespunkt für den Stationärbetriebzu finden. Hierbei gilt die Widerstandslinie des Verbrauchers als Basis.Die Widerstandslinie gibt vor, welche Leistungshyperbel und welche Muschelkurvenfür die Applikation in Frage kommen. Natürlich gilt es bei den späteren Überlegungenrealistische Leistungsapplikationen anzustreben. Da beim Verbrennungsmotor einestarke Abhängigkeit der einzelnen Parameter besteht, müssen die möglichen Folgenbei der Veränderung eines Parameters genau abgeschätzt werden.Da der Betriebspunkt des Verbrenners durch den Generator und seine Leistung/Drehzahlbestimmt ist, sind die Möglichkeiten den Verbrennerbetriebspunkt zuverschieben extrem eingeschränkt. Die einzige Option ist bei konstanter Drehzahl dieLeistung zu steigern und somit evtl. in einem verbrauchsgünstigeren Bereich zukommen. Der Erfolg dieser Maßnahme hängt in erster Linie von den Motoreigen-

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 68schaften ab. Um mehr Spielraum bei der Applikation zu erlangen liegt die Überlegungnahe, Abtriebsseitig mit einer Drehzahlübersetzung zu arbeiten. Der Betriebspunktkann somit bei konstanter Leistung entlang einer Leistungshyperbel in verbrauchsgünstigeBereiche verschoben werden. Ein späterer möglicher Verbrauchsvorteil mussanschließend gegenüber der Reibverluste in der Übersetzung abgewogen werden.Eine Übersetzung wandelt neben der Drehzahl auch das Drehmoment. Ausschlaggebendfür die Aufladezeit der Akkus ist nur die vom Motor abgegebene Leistung, welcheselbstverständlich konstant bleibt.Sollte sich der Generator, welcher projektintern konstruiert wird, noch in der Vorentwicklungbefinden, könnte dieser auf den verbrauchsoptimalen Bereich des Verbrennungsmotorsbei der geforderten Leistung für eine geforderte Ladezeit zugeschnittenwerden. Somit kann auf eine Übersetzung verzichtet werden.6.1.1 LeistungssteigerungDa der Motor nicht von Grund auf neu konstruiert wird, muss mit der bestehendenHardware gearbeitet werden. Etwaige Veränderungen am Grundmotor (Verdichtungsverhältnis,Hubraum, Einlasskanalgeometrie, etc.) sind sehr kompliziert und mithohem technischem Aufwand verbunden (CNC oder Guss). Thermodynamische undströmungstechnische Untersuchungen können nur mit einer leistungsfähigenCFD-Software durchgeführt werden. Das Potential das sich auf diesem Gebiet ergibtlässt sich meist nur in der Vorentwicklung eines Verbrennungsmotors umsetzen.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 696.1.2 Applikation Ansaugrohr und AbgastraktEin wellendynamischer Aufladeeffekt macht es möglich, ohne Verdichter eine Selbstaufladungdes Motors zu bewerkstelligen.Ansaugrohr:Prinzip der Schwingrohraufladung:Kurz vor dem Öffnen des Einlassventils erzeugt der Kolben durch seine Abwärtsbewegungeinen Unterdruck in der Brennkammer. Öffnet nun das Einlassventil breitet sichdieser Unterdruck als Welle im Ansaugtrakt aus. Die sich vom Brennraum wegbewegendeUnterdruckwelle wird am offenen Rohrende (Vergaserlufteinlass) reflektiertund läuft als Überdruckwelle zurück zum Brennraum. Gelingt es diese Überdruckwellezurück in den Brennraum zu führen bevor das Einlassventil wieder schließt, erfährt derZylinder eine Aufladung. Man nennt dieses Prinzip „Schwingrohraufladung“. Das Prinzipwird nur bei Saugmotoren angewendet. Neben der Aufladung kommt es zu einerbesseren Zylinderfüllung und somit beim 4-Takter zu einem besseren Liefergrad. Zudemkann Frischgas, welches bei offenem Einlassventil in den Ansaugtrakt gelangt ist,in die Brennkammer zurückgeschoben werden [11 S.382].Die Dimensionierung optimierter Saugsysteme kann vereinfacht über die Theorie derlinearen Wellenausbreitung erfolgen. Die Zeit für Hin- und Herlaufen der Wellen beträgt.Lsaug t = ( 2 ⋅ )(6.1-1)ccSchallgeschwindigkeit (abhängig von der Temperatur)Um den Nachladeeffekt zu erzielen steht der Welle für Hin- und Rücklauf etwa eineZeit von 1/3 Motorumdrehung zur Verfügung (Einlassdauer EÖ bis ES).

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 701t = (3⋅n)(6.1-2)Setzt man diese Beziehungen gleich lässt sich die Saugrohrlänge bei einer bestimmtenDrehzahl bestimmen.L Saugc≈ (6.1-3)( 6⋅n)Die Saugrohrlänge ist also bei konstanter Schallgeschwindigkeit umgekehrt proportionalzur Drehzahl.Die Saugrohrlänge lässt sich also sehr gut auf einen engen Drehzahlbereich abstimmten.Allgemein wird das Saugrohr bei hohen Drehzahlen kürzer, da die Welle wenigerZeit hat um wieder in den Brennraum zu gelangen. Die Drehmomentspitze wird dabeibei einem kurzen Saugrohr in Richtung hoher Drehzahlen geschoben und umgekehrt.Je kürzer das Saugrohr, desto kleiner wird tendenziell das maximale Drehmoment[17].

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 71Der Einfluss der Saugrohrlänge auf die Motorperformanz ist enorm wie Diagramm6.1-1 zeigt.>>Diagramm 6.1-1:Saugrohrlänge als Funktion von Drehzahl und Drehmoment 11Die Laufzeit hängt also hauptsächlich von der Rohrlänge ab, die Amplitude der Welle,also der Druck hängt dagegen hauptsächlich vom Querschnitt des Rohres und derDrehzahl ab. Hohe Drehzahlen erzeugen hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damitgroße Druckamplituden. Bei niedrigen Drehzahlen kann die Amplitude gesteigertwerden, indem der Rohrquerschnitt verkleinert wird (Drehmomentmotor). Bei hohenDrehzahlen sinkt allerdings der Füllungsgrad auf Grund des kleinen Strömungsquerschnittesstark ab. Daher erfordern hohe Drehzahlen große Querschnitte (Leistungsmotor)[11 S.384].11 [17]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 72Diagramm 6.1-2: Saugrohrdurchmesser als Funktion von Drehzahl und Drehmoment 12Der erforderliche Durchmesser D des Vergasers, so auch des Saugrohres, kann wiefolgt ermittelt werden [6].D = k V n(6.1-4)h ⋅k Zylinderfaktor. Für 1 bis 4 Zylinder je Vergaser ist k = 0,0026.V hHubvolumen eines Zylinders (gleich Hubraum)Bei Kfz-Motoren gibt es Systeme, bei denen schwingungsfähige Behälter-Rohr-Systemesaugseitig angeschlossen werden. Wird dieses System so dimensioniert,dass die Eigenfrequenz des Behälter-Rohr-Systems gleich der periodischenSaugzyklen der Zylinder ist, erfahren alle Zylinder bei Resonanzdrehzahl eine Aufladung(Resonanzaufladung). Diese Systeme befinden sich zwischen Vergaser und Zylinder.Dementsprechend wird bei einem Kleinmotor dafür zu wenig Platz sein. [11S.383]12 [18]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 73Abgastrakt:Die Abgasanlage soll in erster Linie die Auspuffgeräusche reduzieren. Zudem wirkensie sich im hohen Maße auf die Leistungscharakteristik des Motors. Beide Aufgabenbeeinflussen sich gegenseitig. Leistungsoptimale Auspuffe sind meist laut und umgekehrt.Die Auspuffgeräusche verhalten sich ähnlich denen auf der Saugseite. Bei Aö herrschtin der Brennkammer ein Überdruck, der dann in den Abgastrakt als Überdruckwelleentweicht. Das Systemverhalten ist demnach wie beim Einlass instationär. Am offenenRohrende (Resonanzbehälter, siehe Kapitel 6.3.2) wird die Überdruckwelle mitVorzeichenumkehr reflektiert und läuft als Unterdruckwelle zum Brennraum zurück.Dabei soll die Unterdruckwelle vor As am Zylinder ankommen, um die Ausschiebearbeitdes Kolbens zu reduzieren und gleichzeitig im Zylinder befindliches Restgas ausspülen.Dadurch wird die Zylinderladung vor allem im Volllastbetrieb verbessert. Zudemwird der Abgasgegendruck gesenkt. Umgekehrt könnte die Überdruckwelle auchan einem Gegenkonus reflektiert werden und als Überdruckwelle zurück zum Zylinderlaufen. Dabei kann Frischgas, welches in den Abgastrakt bei Ventilüberscheidung gelangtist, zurück in den Zylinder geschoben werden. Dieses Verfahren findet vor allembei 2-Taktmotoren Anwendung [11 S. 386].Die wesentlichen Einflussfaktoren für die Auslegung eines Schalldämpfers hinsichtlichdes Ladungswechsels sind dabei [11 S.386]:- gasdynamische Effekte- Ausschiebearbeit- RestgasanteilAuslegungskriterien für die Geräuschdämpfung werden in Kapitel 6.3.2 behandelt.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 74Die Anforderungen hinsichtlich des Ladungswechsels sind:GleichverteilungAbgasrohre, vor allem die Krümmer, müssen alle gleich lang sein, den gleichen Querschnittbesitzen und möglichst gleich ausgeformt sein. Das sollte bei einem ZweizylinderBoxermotor nicht das Problem sein [11 S. 387].AbgasgegendruckniveauDer Abgasgegendruck sollte möglichst gering sein, um die Ausschiebearbeit zu verringern.Dabei gilt es möglichst gute Strömungseigenschaften an den Zylinderkopfausgängenzu realisieren (Teil der Motorenentwicklung). Der Abgasgegendruck ist aufGrund der Schalldämpfung nicht unbegrenzt absenkbar. Bei der Schalldämpfung erfolgtstets eine irreversible Energieumsetzung, meist in Wärme. Hauptverantwortlichfür den Abgasgegendruck sind Querschnittssprünge und Strömungsumleitungen inResonanzschalldämpfer (siehe Kapitel 6.3.2) [11 S. 387].Gasdynamische EffekteUm den Ladungswechsel zu unterstützen gilt es vor allem den Krümmer in Länge,Querschnitt und Rohrverzweigung auszulegen [11 S. 387].Krümmerberechnung:Die Krümmerlänge bestimmt im Wesentlichen ob die Unterdruckwelle, die beim erreichender Überdruckwelle am offenen Rohrende entsteht, wieder am Brennraumankommt. Dies muss geschehen bevor das Auslassventil wieder schließt.Grundsätzlich kann man sagen, dass die Druckwelle bei niedrigen Drehzahlen mehrZeit benötigt als bei hohen. Dementsprechend muss der Krümmer bei hohen Drehzahlenkürzer sein.Die Druckwelle bewegt sich mit Schallgeschwindigkeit und ist somit von der Abgastemperaturabhängig.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 75( 273 )/293c = c 0+ T(6.1-5)Die Abgastemperatur ist dabei ebenfalls von einigen Faktoren abhängig:- Kraftstoffzusammensetzung, Ölzusatz und sonstige Additive.- Verdichtung (hohe Verdichtung bedeutet hohe Abgastemp. und umgekehrt).- Drehzahl (hohe Drehzahl bedeutet hohe Abgastemp. und umgekehrt).- Zündzeitpunkt.- Kühlung des Motors.- Abgasdämpferauslegung.- Gemischverhältnis λ.- Umgebungstemperatur.- usw.Grundsätzlich wird sich die Abgastemperatur zwischen 400 und 600°C bewegen. Dabeikann die Schallgeschwindigkeit im Abgas grob mitc( ,5 + 0, ⋅ )≈ 331 6(6.1-6)AbgasT Abgasberechnet werden. Bei einer Abgastemperatur von 400°C ergibt sich eine Schallgeschwindigkeitvon 571 m/s (600°C; c=691 m/s). Das sind alles grobe Werte, da zu vieleFaktoren eine Rolle spielen. Ein Variieren der Krümmerlänge im Praxistest ist unumgänglich.Ein wichtiger Faktor ist der Ein- und Auslasswinkel der Ventile zur Kurbelwinkelstellung.0° KW ist bei OT und Beginn der Ansaugphase.Einlasswinkel: Zwischen Eö bis Es etwa 225 – 240° KW im Betrag. Eö Steuerzeit von-20 bis -5° KW. Es Steuerzeit von 120° bis 140°.Auslasswinkel: Aö bis As im etwa zwischen 218 – 250° KW im Betrag. Aö Steuerzeitvon 490° bis 510° KW. As Steuerzeit von 728° bis 740°KW.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 76Diese Werte können beim Kolm BX 130 leicht über die freiliegenden Stößelstangenermittelt werden. Sobald sich die Stößelstange bewegt ist der Nocken der Nockenwelleim Eingriff. Markiert man sich vorher OT kann der Kurbelwellenwinkelwert zuBeginn der Ventilöffnung und die Winkeldauer der Öffnung ermittelt werden.Abbildung 6.1-1: Nockenwelle und Stößelstangen des Kolm BX 130 13Der Weg den die Druckwelle zurücklegen muss geht vom Brennraum zum Resonazpunktund zurück. Der Bereich der Resonanz ist dabei das offene Rohrende, z.B. beieiner Querschnittsaufweitung durch einen Resonanzkammer (siehe Kapitel 6.3.2).KrümmerrohrlängeAbbildung 6.1-2: Krümmerlänge13 [20]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 77Die benötigte Rohrlänge ist dabei von der Drehzahl abhängig.Rechenbeispiel:n = 5500 min -1 (91,7s -1 )1 Umdrehung (360°) = 1/91,7 sek.1° = (1/91,7) sek. / 360 = 3,029·10 -5 sek./°KWDie Unterdruckwelle soll am Auslassventil ankommen bevor dieses wieder schließtum die Ausschiebearbeit zu erleichtern und Restgas auszuspülen. Gleichzeitig soll dasEinlassventil noch geschlossen sein um Spülverluste zu vermeiden.Angenommen das Auslassventil schließt bei 730° KW, also 10° KW nach OT. Das Einlassventilöffnet -12° KW vor OT. Dabei kommt es zu einer Ventilüberschneidung von22° KW. Das Auslassventil öffnet bei 500° KW, also 20° KW vor UT. Für die Zeit Aö bisEö steht also eine Zeit von 188° KW zur Verfügung.Die Zeit, die die Welle für Hin- und Rücklauf hat ergibt somit aus188° KW· 3,029·10 -5 sek./°KW = 5,6945·10 -3 sek.Hieraus ergibt sich die benötigte Rohrlänge für eine Schallgeschwindigkeit bei 400°CAbgastemperatur mit571 m/s · 5,6945· 10 -3 sek. = 3,25mDie tatsächliche Abgastemperatur muss im Versuch ermittelt werden (Mittelwert imKrümmerrohr). Sie ist extrem vom Gemisch abhängig.Da die Strecke zweimal durchlaufen werden muss, ergibt sich für die Krümmerlänge LL = 3,25m /2 = 1,625m

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 78Da sich hin- und rücklaufende Welle energetisch austauschen, wird die benötigteKrümmerlänge kürzer ausfallen müssen als die theoretisch berechnete. Zudem benötigtdie Unterdruckwelle durch die Trägheit des Gases eine gewisse Zeit um im Brennraumwirksam zu werden. Dementsprechend muss sie ein paar °KW vor Eö wieder amBrennraum ankommen, was zusätzlich eine Verkürzung der berechneten Krümmerlängebedeutet. Zudem sind die Abgastemperaturen entlang des Krümmerrohres sehrunterschiedlich, was die Geschwindigkeit der Druckwelle beeinflusst. Eine genaueAussage über die Wellengeschwindigkeit ist somit sehr schwer.Ausgehend von der berechneten Länge muss nachfolgend durch Verkürzen derKrümmerlänge auf Betriebsdrehzahl in jedem Fall im praktischen Versuch optimiertwerden.6.2 VentilsteuerzeitenVentilsteuerzeiten sind immer ein Kompromiss zwischen Gewinn an Expansionsarbeitund höherer Ausschiebearbeit. Optimierung des Ladungswechsels auf maximalesDrehmoment und maximale Nennleistung können nur mittels weiterer Maßnahmenwie Nockenwellenverstellsysteme, Schaltnockensysteme oder Schaltsaugrohr erfolgen.Da der Motor allerdings nur auf eine Drehzahl optimiert werden soll ist keine Variabilitätder Steuerzeiten notwendig.Im Folgenden sollen hauptsächlich die Auswirkungen von Ventilsteuerzeiten im Volllastbereichbetrachtet.• Auslass Öffnet (Aö) [11 S. 389]Öffnungszeiten bei Ottomotoren etwa 50-30° KW (Kurbelwinkel) vor UT, also kurz vorEnde des Expansionstaktes.Bei einem späten Aö, d.h. näher zu UT, hat vor allem im Teillastbereich Bedeutung.Dabei kann der Arbeitstakt länger expandieren, da der Zylinderdruck länger Aufrechterhalten wird. Dadurch steigt der thermische Wirkungsgrad, der Verbrauch, die HC-

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 79Emission und die Abgastemperatur sinkt. Bei hohen Lasten und Drehzahlen, also imBetriebsbereich des Hybrid-Verbrenners, erhöht sich die Ausschiebearbeit erheblichund der Zylinderdruck steigt erheblich an, was einen hohen Verbrauch zur Folge hat.Ein frühes Aö hat allerdings eine höhere thermische Belastung der Auslassventile zurFolge, was höhere Anforderungen an den Werkstoff bedeutet.Ein weiterer Faktor für die Ausschiebearbeit ist Ventilhebekurve, abhängig von derNockenkontur. Durch einen steilen intensiven Ventilanstieg kann der Auslass schnellergeöffnet und somit die Ausschiebearbeit verringert werden. Dadurch steigt allerdingsdie Bauteilbelastung, die Ventilgeräuschentwicklung und der Verschleiß von Nockenund Stößelstangen.• Auslass schließt (As) [11 S. 390]Schließzeiten bei Ottomotoren etwa 8 – 20 °KW nach OT.Eö und As regeln die Dauer der Ventilüberschneidung. Bei niedrigen Drehzahlen undLasten kann die Abgasmenge geregelt werden, die von der Abgasanlage zurück in denBrennraum gedrückt wird (innere AGR), bei hohen Drehzahlen und Lasten die ausschiebbareRestgasmenge.Spätes As bewirkt eine gute Ausspülung und damit einen großen Füllungsgrad. Spülverlusteund damit Verbrauch sowie HC-Emissionen steigen durch Ventilüberschneidung.Frühes As bewirkt einen hohen Restgasanteil im Zylinder (exhaust lock-up). Somitsinken Füllgrad und damit die Nennleistung. Der Verbrauch sinkt durch geringereSpülverluste. Durch diese innere AGR wird der letzte kohlenwasserstoffreiche Abgasanteil„Wiederverbrannt“, was zu guten Emissionswerten führt.Begrenzung für frühes As ist die erhöhte Ausschiebearbeit, durch Abgas verdünnteFrischladung und ein innhomogenes Gemisch durch stake Abgasströmungen ins Ansaugrohr.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 80• Einlass Öffnet (Eö) [11 S. 391]Steuerzeiten für Eö bei Ottomotoren sind etwa bei 20 – 5° KW vor OT.Eö markiert den Beginn der Ventilüberschneidung. Mit einem späten Eö kann die Ü-berschneidungsphase verkürzt und somit die Spülverluste gemindert werden. Zudemhat die Strömung in den Zylinder bei hohen Unterdruck eine höhere Geschwindigkeit,wodurch eine intensive Zylinderinnenströmung stattfindet. Dadurch kommt es zueiner besseren Gemischaufbereitung und damit zu geringerem Zündverzug und einerkürzeren Brenndauer. Das führt zu niedrigen Abgastemperaturen und geringer NO xEntstehung.Die Ansaugarbeit steigt allerdings, da der Kolben in der ersten Phase im Zylinder einenUnterdruck erzeugt (nach OT), wodurch der Verbrauch steigt. Der Mitteldruck beiVolllast sinkt, da der Luftaufwand durch die kürzere Öffnungsdauer gesenkt wird [6].• Einlass Schließt (Es) [11 S. 391]Steuerzeit bei Ottomotoren etwa 40-60°kW nach UT.Es ist für die Leistungs- und Drehmomentcharakteristik die wichtigste Steuerzeit. Sieist entscheidend für die Füllung des Zylinders.Ein spätes Es ergibt maximales Drehmoment und einen höheren Luftaufwand undFüllungsgrad bei hohen Drehzahlen. Somit werden mit spätem Es auch höhere Nennleistungenerreicht. Der Verlegung von Es in Richtung spät wird damit die wichtigeAufgabe zu Teil, nämlich die Überdruckwelle aus dem Ansaugrohr einzufangen. BeiNenndrehzahl ist eine Steigerung des Luftaufwandes um ca. 80% festzustellen.Bei niedrigen Drehzahlen und bei Volllast haben verlängerte Öffnungszeiten einennegativen Einfluss auf den Drehmomentverlauf. Das späte Schließen von Es ermöglichtder Ladung wieder in den Ansaugtrakt zurück zu strömen (durch den Kolben). Diedaraus resultierenden niedrigen Gasgeschwindigkeiten haben einen sinkenden Liefer-

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 81grad zur Folge. Zudem wird der Luftaufwand bei niedrigen Drehzahlen deutlich reduziert.Frühes Es führt im unteren Drehzahlbereich zu hohem Drehmoment.Résumé:Aö: Tendenziell eher in Richtung früh, da der Motor nahe Volllast betrieben wird.Nicht zu früh, da der Motor hauptsächlich aus Aluminium besteht und er daherthermisch nicht zu sehr beansprucht werden sollte.As:Durch den Volllastbetrieb eigentlich eher spät. Da aber der Verbrauch im Vordergrundsteht eher früh. Die erhöhte Restgasmenge kann durch eine gut abgestimmteAbgasanlage verringert werden. Wird die geforderte Leistung auch mitfrühen As erreicht, gibt es kaum Gründe für ein spätes AS.Eö: Muss auf As abgestimmt sein. Ist AS spät kann Eö nicht früh sein, da die Ventilüberschneidungsphasezu lang wird und umgekehrt.Es:Tendenziell Richtung spät, da bei hohen Drehzahlen ein hoher Luftaufwand undFüllgrad möglich ist.Die Umsetzung Steuerzeiten eines bestehenden Motors zu ändern könnte allerdingsSchwierigkeiten machen. Die Übertragung der Drehbewegung von Kurbelwelle aufNockenwelle erfolgt formschlüssig über eine Zahnradpaarung. Verändert man dieseEinstellung (z.B. den Zahneingriff um einen Zahn weiter Drehen), so verstellen sichalle Ventile ein- und auslassseitig in Richtung früh oder spät. Um dies zu vermeidenmüsste eine neue Nockenwelle gedreht (oder geschmiedet) werden, bei der der Winkelversatzder Nocken geändert wird. Zudem könnten falsch eingestellte Ventile zumMotorschaden führen, wenn gleichzeitig ein Ventil öffnet während sich der Kolben imOT befindet (je nach Zylinderdesign oder Verdichtungsverhältnis).

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 826.3 AkustikDie akustische Dämmung des Verbrennungsmotors ist extrem wichtig, da der Pilotüber die Strömungsgeräusche am Flugzeug wichtige Informationen über seine Geschwindigkeitund die Anströmung der Flügel entnehmen kann.Grundsätzlich versteht man unter Schall mechanische Schwingungen und Wellen ineinem elastischen Medium. Diese gilt es zu analysieren um anschließend Gegenmaßnahmenergreifen zu können. Dabei können Geräuschquellen in Ihrer Ursache reduziertwerden (direkt) oder in Ihrer Folge (indirekt).Nachfolgend werden die Hauptgeräuschquellen eines Verbrennungsmotors analysiertund mögliche Gegenmaßnahmen sowie Berechnungsgrundlagen dafür diskutiert.Im Internet gibt es eine Vielzahl an Berechnungstool um Schalldämpfer und Kapselnauszulegen. Dabei sind die Ergebnisse aber selten handfeste Werte, sondern fertigeProdukte der jeweiligen Firma.6.3.1 Mündungsgeräusche Vergaser:Wie in Kapitel 6.1.2 beschrieben wird nach dem Öffnen des Einlassventils eine Unterdruckwelleentgegen der Strömungsrichtung bewegt. Der Kolben wirkt somit als aeropulsiveGeräuschquelle. Diese Druckschwankungen werden über die Mündung desVergasers als Schall abgestrahlt (Mündungsgeräusch). Daneben regt die Pulsation imInneren der Bauteile die Wände zum schwingen an (Körperschall), die dann wiederumals Luftschall abstrahlen. Zusätzlich können durch Luftströmungen entlang der Ansauganlageaerodynamische Quellen zu dem Ansauggeräusch beitragen. Das Mündungsgeräuschwird umso hochfrequenter und schärfer, je kleiner die Mündungsöffnungist. Hier muss ein Kompromiss zwischen Akustik und Schwingrohraufladung erfolgen.In erster Linie wird dieses Geräusch über die Ansaugmündung emittiert undgelangt so direkt in die Umgebung.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 83Maßnahmen: [11]In erster Linie werden hier sekundäre Maßnahmen in Betracht gezogen. PrimäreMaßnahmen, die Einfluss auf die Schallquellen nehmen, werden in der Vorentwicklungdes Vergasers getätigt. Die sekundären Maßnahmen beschränken sich hauptsächlichauf Schalldämpfer und Kapselung.Druckspitzen extrem lauter Schwingungen werden in Resonatoren abgebaut. Die Frequenz,in der ein Resonator wirksam ist, hängt in erster Linie vom ResonantorvolumenV und von den Abmessungen des in den Resonator ragenden Volumens des Einlaufrohresab (Länge l, Durchmesser D und Querschnittsfläche A). Die Resonanzfrequenzf0 lässt sich nach der folgenden Gleichung berechnen [11].f0=c0A⋅2 ⋅π( l + 0,7 ⋅ D)⋅V(6.3-1)Tabelle 6.3-1: Resonanzschalldämpfertypen 14Typ Bauform EinsatzbereichAbsorptionsdämpferReflexionsdämpferBreitbandig, geeignet für mittlere undhöhere FrequenzenRelativ breitbandig, geeignet für tiefeund mittlere FrequenzenResonanzdämpferPfeifendämpferAbzweigungsdämpfer(λ/4-Rohr)Schmalbanding, geeignet für tiefe undmittlere FrequenzenSchmalbandige, große Dämpfung,geeignet für mittlere Frequenzen o-berhalb der HelmholzresonanzSchmalbandig, geeignet für mittlereFrequenzen14 [11]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 84Abhängig von seinen Abmessungen, lässt sich eine Resonanzfrequenz f 0 errechnen,bei der solch ein Resonator den eingeleiteten Schall verstärkt. Die Frequenz berechnetsich nach der Formelc Awf = ⋅02 ⋅πl ⋅V(6.3-2)akustwobei A w der mittlere Querschnitt des Resonatorhalses, l akust die effektive akustischeLänge des Halses und V das Kammervolumen ist. Umgekehrt werden Frequenzenf 0 ×√2 gedämpft. Diesen Zusammenhang gilt es mit dem Dämpferfilter auszunutzen.f 0 muss so tief wie möglich, also weit unter den auftretenden Frequenzen. Das kannman mit Vergrößerung eines Luftvolumens, mit Verkleinerung des Ansaugquerschnittesoder mit einer Verlängerung des Ansaugrohres erreichen. Wegen des geringenBauraums im Flugzeugrumpf lässt sich das Gehäusevolumen nicht beliebig steigern.Auch ein stark verkleinerter Querschnitt hat unerwünschte Nebenwirkungen, weildadurch der Ansaugluftstrom gedrosselt wird. Ein erhöhter Druckverlust bedeutetaber immer auch ein Verlust an Motorleistung, weshalb in der Praxis der Druckverlustim Ansaugrohr dadurch in Grenzen gehalten wird, dass die Ansaugöffnung ähnlicheinem Venturirohr diffusorartig gestaltet wird.Auch die Verlängerung des Ansaugrohrs stößt an Systemgrenzen, bringt eine solcheMaßnahme doch die Gefahr von Rohrresonanzen, die der Dämpfung dann bei bestimmtenFrequenzen wieder entgegenwirken können. Deshalb sorgt nur eine exakteAbstimmung des Gesamtsystems für einen optimalen Kompromiss aus Aufwand undRentabilität.Es gibt auf dem Markt eine Vielzahl an Vergaserschalldämpfern in Kombination mitLuftfiltern. Da sich der Motor später in einer akustischen Kapsel befindet, ist evtl. aufdie Akustik des Vergasers weniger Wert zu legen, da Ansaugschalldämpfer oft dieSaugarbeit des Motors erhöht.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 856.3.2 AbgastraktDie Wellenvorgänge im Abgastrakt sind gleich denen im Ansaugrohr. Hier wird bekanntlichmit Abgasschalldämpfern entgegengewirkt. Es gibt Grundsätzlich zweiGrundtypen die sich in Ihrer Wirkweise und ihrem Wirkbereich unterscheiden. Es handeltsich um den Reflexionsschalldämpfer und den Absorptionsschalldämpfer. Häufigwerden Kombinationen beider Varianten eingesetzt, um im relevanten Bereich von 50bis 8000 Hz eine ausreichende Dämpfung zu erreichen.Reflexionsschalldämpfer: [10]Der Reflexionsschalldämpfer (oder auch Inteferenzschalldämpfer) dämpft die niedrigenSchallfrequenzen bis etwa 500Hz. Ist die Schallfrequenz des Motors unter 500Hzkann auf einen Absorptionsschalldämpfer verzichtet werden. Beim Reflexionsschalldämpferwird ein Teil der Schallenergie durch Hindernisse und Umlenkungen „vernichtet“.Dabei löschen sich Schallwellen gegenseitig aus. Ein Reflexionsschalldämpferist für den verbrennungsmotorischen Bereich sehr gut geeignet, da er nicht verschmutztund somit lange hält. Bei einem reinen Reflexionsschalldämpfer ist allerdingsein sehr komplexer innerer Aufbau erforderlich.Beim Übergang der Schallwellen vom Rohr in einen freien Raum in einen freien Raum,ergibt sich eine Reflexionsdämpfung. Das Reflexionsdämmmaß [dB] wird wie folgtermittelt.R⎡10lg⎢1+⎣1=2⎤( 2ka) ⎥ ⎦(6.3-2)k2πfS=c ; α =ΩkαΩSWellenzahlAbsorptionsgradRaumwinkelRohrquerschnittsfläche

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 86Das Reflexionsdamm-Maß nimmt mit wachsender Frequenz um 6dB/Oktave ab. Zudemreduziert sich die Dämmung mit sinkendem Raumwinkel der Kammer kleiner (0für ein fortlaufendes Rohr; π für den freien Raum). Die einfachste Ausführung einesReflexionsschalldämpfers ist der leere Kammerresonator.Abbildung 6.3-1: Kammerresonator 15Das Querschnittverhältnis des ankommenden zum weiterführenden Rohr bestimmt ingroßem Maße das Reflexionsdämm-Maß. Mit dem Flächenverhältnis n der beidenRohre, ergibt sich für das Reflexionsdämmmaß.R = 10lg( 1+n)4n2(6.3-3)Für eine gute Dämmung sind große Querschnittssprünge notwendig (n=2; R=0,51dB).Da der Abgasstrom pulsierend ist, kommt es im Resonator zu Wellenschwingungen.Ist ein ganzzahliges vielfaches der halben Wellenlänge gleich der Kammerlänge ergebensich Kammerresonanzen. Für das Reflexionsdämm-Maß ergibt sich für eine leereKammer in Abhängigkeit der Wellenlänge λ und der Kammerlänge L.⎡ ⎛ 1 ⎛ 1 ⎞ ⎞R = 10lg⎢1+ ⎜ ⎜n− ⎟sinkL⎟⎢⎣⎝ 2 ⎝ n ⎠ ⎠2πf2πk = = c λ2⎤⎥⎥⎦(6.3-4)15 [9]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 87Die Dämpfung der Kammer zeigt periodisch abwechselnde Durch- und Sperrbereicheder Welle.Durchgangsdämpfung [dB]Frequenz [Hz]Diagramm 6.3-1: Dämpfung über Frequenz beim einfachen Kemmerresonator 16Die Kammer kann also durch ihre Länge gut auf eine bestimmte Frequenz angepasstwerden. Durch eine einfache Maßnahme kann der dämpfbare Frequenzbereich erweitertwerden. Hierzu muss nur das einlaufende Rohr in ein Stück in die Kammer geschobenwerden. Damit erhöht sich der Raumwinkel. Dadurch erhält man den so genanntenλ/4-Resonator, der den λ/2-Resonator kompensiert (Diagramm 6.3-2).16 [10]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 88c4 ⋅ L gL 1L 2L 1 = 0,35mL 2 = 0,18mDurchgangsdämpfung [dB]mit verlängertem Rohrohne verlängertem Rohrc2⋅L 1Frequenz [Hz]Diagramm 6.3-2: Vergleich einer Expansionskammer mit und ohne eingestecktemEinlaufrohr 17Um die Dämpfungswirkung zu erhöhen, kann das Kammervolumen auf mehrere Teilkammernaufgeteilt werden, welche mit Rohrstücken hintereinander geschaltet werden(Abbildung 6.3-2). Dadurch kommt es zu Mehrfachreflexionen die die Durchgangsdämpfungenorm ansteigen lassen (Diagramm 6.3-3).Abbildung 6.3-2: Schema Reflexionsschalldämpfer 1817 [9]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 892 KammernDurchgangsdämpfung [dB]1 KammerFrequenz [Hz]Diagramm 6.3-3: Vergleich eines Schalldämpfers mit einer Expansionskammer undmit zwei Kammern bei gleichem Volumen 19Eine weitere Kammermodifikation besteht darin, dass eine weitere kleine Kammermit Hilfe eines Trennbodens getrennt von der Hauptkammer über ein kleines Rohrstückan die Hauptkammer angekoppelt wird. So entsteht der so genannte HELM-HOLTZ-Resonator (Abbildung 6.3-3). Dieser kann durch entsprechende Dimensionierungauf eine zu dämpfende Frequenz abgestimmt werden, was für den Stationärbetrieboptimal ist.18 [15]19 [9]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 90Abbildung 6.3-3: HELMHOLTZ-ResonatorOft wird das Abgasführende Rohr nicht einfach unterbrochen, sondern perforiert. Intiefen Frequenzen ist dieser Bereich akustisch transparent. Der Vorteil liegt darin, dasses weniger Druckverluste gibt. Die Kammer, in die sich die Druckwellen ausdehnenkönnen, ist dabei oft mit absorbierendem Material gefüllt.Abbildung 6.3-4: Reflexionsschalldämpfer mit perforiertem Rohr 20Ist die Frequenz der Geräuschquelle bekannt kann gezielt der obere oder untere FrequenzbereichGefiltert werden (Abbildung 6.3-5).Abbildung 6.3-5: Schema Reflexionsschalldämpfer mit Hoch- und Tiefpassfilter 2120 [9]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 91Im Stationärbetrieb kann die Wirkung der Inteferenz ausgenutzt werden. Dabei löschensich zwei Schallwelle nach verschieden langen Wegen gegenseitig aus (180°Phasenverschiebung). Vor allem unter 500 Hz ist dieses Prinzip besonders effektiv[15].Abbildung 6.3-6: Schema Inteferenzschalldämpfer 20Der Schalldämpfer des Kolm BX 130 scheint ein reiner Resonator zu sein (Abbildung6.3-7).Abbildung 6.3-7: Schalldämpfer Kolm BX 130 2221 [15]22 [20]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 92Ein Nebeneffekt bei Reflexionsschalldämpfern ist die Schwingungsanregung derWandstruktur. Der Köroperschall der schwingenden Wandung resultiert dann in Luftschall.Dem kann entgegengewirkt werden, indem der ganze Schalldämpfer steiferausgeführt wird. Dabei können z.B. die Wandstärken der Kammertrennwände erhöhtwerden. Eine weitere Möglichkeit ist, die Außenhaut des Schalldämpfers doppelwandigauszuführen. Der Zwischenraum zwischen den Blechen kann bei Bedarf mit absorbierendemMaterial ausgekleidet werden [11 S. 385].Absorptionsschalldämpfer: [9]Der Absorptionsschalldämpfer dämpft die hohen Schallfrequenzen. Er kann seineWirkung auf tiefe Frequenzen nur durch Länge und Bautiefe verbessern. Sie zeichnensich durch kaum registrierbare Druckverluste aus, da der Abgasstrom nicht umgeleitetoder gequetscht wird. Der pulsierende Gasstrom im Abgastrakt kann sich über einperforiertes Rohr in den mit absorbierendem Material gefüllten Raum ausdehnen(Abbildung 6.3-9).Abbildung 6.3-8: Schema Absorptionsschalldämpfer 23Die Schwingungsenergie wird im Absorbermaterial über Reibung in Wärme umgewandelt.Somit ist die Gasströmung, die den Schalldämpfer verlässt, weitgehend pulsationsfrei.23 [15]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 93Abbildung 6.3-9: Absorptionsschalldämpfer 24Eine Berechnungsmöglichkeit für die Dämpfung des Schalldämpfers bezogen auf dieWegstrecke bietet sich mit der Näherungsformel nach Piening. Man nimmt an, dassdie Schallleistung auf jedem Längenelement dL auf die äquivalente Absorptionsflächea·U·dL und auf die Durchtrittssfläche S aufteilt. Dabei ergibt sich für die GesamtlängeL des Dämpfers das Ausbreitungsdämpfmaß:LD a≈ 3⋅⋅αr(6.3-5)rαRadius des QuerschnittsAbsorptionsgradFür gute Dämpfungswirkung sollte eine möglichst große Umfangslänge mit hoch absorbierendemMaterial ausgerüstet sein sowie gleichzeitig die freie Querschnittsflächemöglichst klein sein. Begrenzt wird die freie Querschnittsfläche durch den zulässigenDruckabfall im Schalldämpfer. Das Dämpfmaß ist nur unterhalb der so genanntenDurchstrahlungsgrenzfrequenz f x gültig.fc< fx= 1,5(6.3-6)2rcSchallgeschwindigkeit (stark abhängig von der Gaszusammensetzung undder Temperatur)24 [9]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 94Es gibt drei unterschiedliche Wirkungsbereiche. Tieffrequent nimmt die Dämpfungproportional mit ansteigendem Absorptionsfaktor der Auskleidung zu. Im mittelfrequentenBereich bleibt der Absorptionsfaktor und damit die Dämpfung näherungsweisekonstant. Oberhalb der Durchstrahlungsfrequenz nimmt die Dämpfung wiederab.Grundsätzlich kann gesagt werden, dass je näher die Schalldämpfer am Motor sind,desto wirksamer sind sie [12 S. M 56]. Grund dafür ist die Schwinganregung desKrümmerrohrs. Der Schalldämpfer kann aber nicht beliebig nah an den Motor gesetztwerden, da die Krümmerlänge entscheidend für das Druckniveau im Rohr bei AuslassventilÖffnung ist. Zudem kann der Schalldämpfer thermisch zu stark belastet werden.Abschließend muss noch angemerkt werden, dass bei Tests mit verschiedenenSchalldämpfervarianten stets die Abgastemperatur kontrolliert werden muss. Einehohe Schalldämmung geht oft einher mit einer daraus resultierenden hohen Abgastemperatur.6.3.3 Körperschallabstrahlung / StrömungsgeräuscheFür das Innengeräusch im Cockpit und die Vorbeifluggeräusche auf Grund des Verbrennerssind die Strömungsgeräusche und Körperschallabstrahlungen des Motors verantwortlich.Das eigentliche Motorgeräusch ist das von der Motoroberfläche abgestrahlte Geräusch.Ursache hierfür ist die durch Stöße und Wechselkräfte zu Körperschallschwingungenangeregte Motorstruktur. Von der Motoroberfläche wird der Körperschallals Luftschall abgestrahlt. Da diese Körperschallschwingungen in ihrer Ursacheim Rahmen dieses Projektes kaum unterdrückt werden können, muss an ihrer Folgegearbeitet werden. Hierfür bietet es sich an, die gesamte Motor-Generator-Einheitakustisch zu kapseln. Um eine optimale Dämmung zu erreichen müssen die Geräuschemissionender gesamten Einheit gemessen werden, da sich der Schall von Mo-

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 95tor und Generator überlagern und beeinflussen. Es ist auch ratsam die Kapselauslegungerst zu einer fortgeschrittenen Entwicklungsphase durchzuführen, da Modifikationenwie z.B. eine Wasserkühlung den akustischen Charakter der Einheit verändern.Für jede Berechnung gilt es als erstes die Geräuschquelle genau zu analysieren und zuvermessen. Hierbei ist eine feine Unterteilung im Terzspektrum erforderlich, da eineSchalldämpferauslegung nur mit Oktav-Frequenzen eine zu große Unsicherheit birgt[16].Vollverkapselung: [30]Die Innenseite einer Schallkapsel sollte mit Schallabsorbierenden Material ausgekleidetsein, da bei starrer Kapselwand oft der Pegel durch Reflexion erhöht wird.Abbildung 6.3-10: Reflexion (li.) und Absorption (re.) im inneren einer Kapsel 251. Kapselwand für die Luftschalldämmung2. AbsorptionsschichtWie stark der Pegel von einer Kapsel reduziert wird, hängt im Wesentlichen von derLuftschalldämmung ab. Durch Undichtigkeiten und Öffnungen oder Klappen wird dertheoretisch mögliche Wert aber selten erreicht.25 [20 S.4]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 96Abbildung 6.3-11: Schallübertragungswege einer Kapsel 24Weg A:Weg B:Weg C:Luftschallübertragung über die KapselwandLuftschallübertragung über UndichtigkeitenKörperschallübertragung und Abstrahlung als LuftschallWie Wirksam eine Kapsel ist kann über das Einfügungsdämm-Mass D pA angegebenwerden.DpA[ dB]= L − L(6.3-7)QKDabei ist L Q der Schallpegel ohne Kapsel und L K mit Kapsel. Beide Werte werden anmehreren Beurteilungspunkten gemessen. Die Messmethoden und die Randbedingungensind in der Norm EN ISO 15667 (200) beschrieben.Öffnungen:Einen großen Einfluss auf das Dämmvermögen einer Kapsel hat der freie QuerschnittS f aller Öffnungen. Grundsätzlich sollten Öffnungen in der Kapsel vermieden werden,doch manche sind notwendig.- Abtriebswelle E-Motor.- Kabelbaum.- Abgastrakt Verbrenner.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 97- Kraftstoffleitung.- Kühlwasserleitungen.- Belüftung der Kapsel, damit der Verbrenner Luft ansaugen kann. Einen Luftschlauchdurch die Kapselwand zu legen und an Vergaser zu stecken würdenicht funktionieren, da die „Ansaugrohrlänge“ des Vergasers zu lang und damitdie Luftsäule so träge wird, dass der Motor keine Luft mehr kriegt.- Wartungsklappe.- etc.Unter Tabelle 6.3-2: Erzielbare Pegelreduktion in Abhängigkeit des freien Querschnittessind erzielbare Pegelsenkungen in Abhängigkeit des offenen Querschnittesaufgeführt.Tabelle 6.3-2: Erzielbare Pegelreduktion in Abhängigkeit des freien Querschnittes 26Abbildung 6.3-12: Konstruktive Lösung einer Belüftungsmöglichkeit einer Kapsel gibtein Beispiel für eine Kapselbelüftung. Nach diesem Prinzip könnte der Verbrennungsmotorevtl. Luftgekühlt werden. Hierzu wäre aber ein Gebläse erforderlich. Dabei solldie Umfangsgeschwindigkeit der Lüfterräder aus Geräuschgründen ≤120 m/s betragen.26 [30 S.5]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 98Abbildung 6.3-12: Konstruktive Lösung einer Belüftungsmöglichkeit einer Kapsel 271 Elektromotor mit Gebläse4 Schutzgitter gegen Fremdkörper5 TrennwandVon einer Kapselung können keine akustischen Wunder erwartet werden. Nachfolgendsind in Tabelle 6.3-3: Erfahrungswerte für Einfügungsdämm-Maßeeinige üblicheErfahrungswerte für das Einfügungsdämm-Mass D pA .Tabelle 6.3-3: Erfahrungswerte für Einfügungsdämm-Maße 28* tief: 125 Hz bis 500 Hzmittel:hoch:1000 Hz bis 2000Hz>4000Hz27 [30 S.11]28 [20 S. 7]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 99Absorptionsmaterial:Für die Schalldämmung ist das Absorbermaterial zuständig. Das Vermögen Schall zudämmen wird durch das Bauschalldämm-Mass R’ W beschrieben. Das Schallabsorptionsvermögenwird durch den Schallabsorptionsgrad α S beschrieben. Je höher dieserWert ist, desto besser die Absorption (0 bis 1, es ist aber auch 1,2 möglich). Der mittlereAbsorptionsgrad sollte dabei α ≥ 0, 8 betragen. Absorbierende Materialien sind porösund meistens relativ leicht. Tabelle 6.3-4 zeigt einige Materialien mit Dichte undAbsorptionsgrad.Tabelle 6.3-4: Absorptionsgrad 2929 [20 S. 8-9]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 100Wandaufbau:Der Wandaufbau einer Kapsel sieht im Grund immer gleich aus. Dabei gibt es einschaligeund zweischalige Wandausführungen.Abbildung 6.3-13: Einschalige Kapselwand 281 Abdeckung des Absorbermaterials2 Absorptionsmaterial3 Trägerplatte und Material für die SchalldämmungAbbildung 6.3-14: Zweischalige Kapselwand 301 Abdeckung des Absorptionsmaterials2 Absorptionsmaterial3 Innenwand4 Absorptionsmaterial5 Elastische Verbindungselemente6 Außenwand30 [20 S. 9]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 101Die verschiedenen Wandkonstruktionen wirken sich wie in Tabelle 6.3-5 aus.Tabelle 6.3-5: Kapselkonstruktionsmerkmale 311) Flächengewicht ohne Tragkonstruktion, schallabsorbierende Auskleidung undAbdeckung2) Ohne Öffnungen mit SchalldämpfernDie Trägerplatte ist oft aus einfachem Blech oder Holz. Besser sind aber Mehrschichtbleche,Verbundbleche oder Einfachbleche mit schwerer biegeweicher Dämmschicht(z.B. Bleifolie) oder Einfachblech mit Entdröhnbelag. Das Entdröhnen ist oft notwendig,um eine erhöhte Schallabstrahlung durch das Blech zu vermeiden. Entdröhnenkann durch auftragen von speziellen Folien oder Spritzmassen erfolgen. Oft werdenauch Mehrschichtbleche verwendet. Ein ganzflächiges Aufkleben des Absorptionsmaterialsreicht oft auch schon aus.31 [20 S. 9]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 102Abmaße der Kapsel:Um Resonanzen zwischen Schallquelle und Kapselwand zu vermeiden, muss ein gewisserMindestabstand d eingehalten werden [19 S.10].710d ≥ (6.3-8)2g ⋅ fg Flächengewicht der Kapselwand [kg/m 2 ]fniedrigste Frequenz die zu erwarten ist [Hz]Die Dicke des Absorbierenden Materials muss umso dicker sein, je tiefer die Frequenzist. Dicken zwischen 50 und 100 mm sind allgemein üblich, keinesfalls aber unter30mm. Zudem ist darauf zu achten, dass das Material unbrennbar und ölbeständig ist.Das Absorbermaterial wird meist mit einer Abdeckung in Position gehalten. Dabeikommt oft ein Lochblech zum Einsatz (Lochfläche mind. 25%). Da die Kapsel relativklein ausfallen wird, kann bei bestimmten Materialien wie Schaumstoffplatten auf einLochblech verzichtet werden.Um die Kapselkonstruktion zu versteifen sollte alle 500 mm ein Versteifungselementeingebracht werden. Als Randabschluss eignen sich Varianten wie in Abbildung 6.3-15.Abbildung 6.3-15: Mögliche Randabschlüsse 3232 [20 S.11]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 1031 Außenwand2 Blindniete oder Schraube3 Randabschluss4 Absorptionsmaterial5 AbdeckungUm eine gute Wirksamkeit der Kapsel zu ermöglichen, muss diese gegen andere Bauteileabgedichtet werden. Hierbei sind zwei Ausführungen empfohlen:- Moosgummistreifen: Dicke etwa 10 mm. Die Breite ergibt sich aus einer zulässigenBelastung von 5*10 4 N/m 2 (Kapselgewicht).- Weichgummistreifen: Dicke von 10 mm. Die Breite ergibt sich aus einer zulässigenBelastung von etwa 30*10 4 N/m 2 (Shor-Härte ca. 45 - 55).Beispiele für Wandausführungen und Ihre Eigenschaften sind in Tabelle 6.3-6 bis 6.3-9aufgeführt.Tabelle 6.3-6: Beispiel Wandausführung Variante 1/2 33Variante 1 Variante 21 1mm Lochblech (Lochanteil 25%) 1 Streckmetall2 50mm Steinwolleplatte (100kg/m 3 ) 2 50mm Steinwolleplatte(100kg/m 3 )3 3mm Antidröhnmatte 3 25mm Spanplatte4 1,5mm StahlblechFlächengewicht ca. 25kg/m 2 ,R’ W =ca.35dB Flächengewichtca.20kg/m 2 ,R’ W =ca.25dB33 [20 S.13]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 104Tabelle 6.3-7: Beispiel Wandausführung Variante 3/4 34Variante 3 Variante 41 1mm Al-Lochblech 1 30mm SchaumstoffLochanteil (25%)(z.B. mit Waffelstruktur)2 50mm Steinwolleplatte (100kg/m 3 ) 2 2mm Aluminiumblech3 3mm AluminiumblechFlächengewicht ca. 14kg/m 2 ,R’ W =ca. 30dB Flächengewicht ca. 6kg/m 2 ,R’ W =ca.25dB5mm gespritztes Antidröhn; R’ W =34dB ab 2000 Hz: R’ W =40dBTabelle 6.3-8: Beispiel Wandausführung Variante 5/6 33Variante 5 Variante 61 1,5mm Lochblech (Lochanteil 25%) 1 Streckmetall2 75mm Glaswolleplatte (55kg/m 3 ) 2 60mm Steinwolleplatte(100kg/m 3 )3 3mm Stahlblech 3 40mm Tannenholz mit Nutund KammFlächengewicht ca. 36kg/m 2 ,R’ W =ca.40dB Flächengewichtca.28kg/m 2 ,R’ W =ca.28dB34 [20 S13-14]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 105Tabelle 6.3-9: Beispiel Wandausführung Variante 7 35Variante 71 1,5mm Al-Lochblech (Lochanteil 25%)2 40mm Glaswolleplatte (55kg/m 3 )3 2mm Aluminiumblech4 60mm Glaswolleplatte (55kg/m 3 )5 3mm AluminiumblechFlächengewicht ca. 25kg/m 2 ,R’ W =ca.40-45dBAbschätzverfahren:Zuerst muss der Schalleistungspegel L W des Motors gemessen werden. Zieht man vondiesem Wert 5dB ab erhält man den Schalldruckpegel L P in der Kapsel. Nimmt manan, dass die A-bewertete Schallpegelreduktion eines Kapselmaterials bei mittlerenFrequenzen um etwa 5dB kleiner ist als das bewertete Bauschalldämmmaß R’ W , kannder außerhalb der Kapsel herrschende Schalldruckpegel L P ’ einfach abgeschätzt werden.Das Bauschalldämmmaß R’ W kann meist vom Hersteller des Absorbermaterialserfragt werden.( R'− dB)LP ' = LW− 5dB−W5(6.3-9)Andersherum kann bei gefordertem Schalldruckpegel außerhalb der Kapsel das Bauschalldämm-Massbestimmt werden.Für genauere Berechnungen muss das Einfügungsdämm-Mass D pA ermittelt werden.Hierfür sind das Volumen und die Nachhallzeit des Raumes erforderlich. Da das soschon sehr kompliziert ist und das Segelflugzeug alles andere als ein Raum ist, wird35 [20 S.14]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 106dieser Ansatz hier nicht weiter ausgeführt. Letztendlich muss in jedem Fall ein experimentellerPrototyp aufgebaut werden der dann akustisch optimiert wird.6.4 KühlungVon der gespeicherter Energie im Kraftstoff kommen grob etwa ein Drittel an derAbtriebswelle als mechanische Energie an. Ein Drittel geht über Wärme in die Kühlungund ein weiteres Drittel geht im Abgas verloren („Drittel-Regel“) [11S.677]. Die Kühlunghat also einen nicht unerheblichen Teil an Energie abzuführen.Es gibt zwei Grundprinzipien einen Verbrennungsmotor zu kühlen. Das eine ist dieLuftkühlung durch den Fahrtwind, dass andere ist die Zwangskühlung durch eine Flüssigkeit.Da die Generator-Motoreinheit akustisch voll verkapselt wird und der Verbrennerzudem für den Ladevorgang bei eingefahrenem Propeller, und damit bei geschlossenemRumpf arbeiten soll, ist eine wahrscheinlich Luftkühlung ausgeschlossen.Die Kühlanlage sollte so dimensioniert sein, dass sie genügend Energie abführen kannum die Bauteile vor thermischer Überlastung zu schützen und die geforderte Kühlerleistungmit einer möglichst kompakten und leichten Kühlereinheit innerhalb einesverfügbaren Bauraums zur Verfügung zu stellt. Hierfür ist ein Optimierungsprozesshinsichtlich der Anordnung und Dimensionierung der Kühlermatrix und der Regelungdes Kühlmittelstroms durchzuführen.Gängiges Hilfsmittel für die Auslegung sind analytische sind Programme zur Wärmeüberbangs-Berechnungnach der eindimensionalen Stromfadentheorie. Unterstütztmit empirischen Daten aus mehrjähriger Messerfahrung können im Rahmen der Ähnlichkeitstheoriefast beliebige Kühlervarianten zielgenau berechnet werden. Da dieseVariante nicht zur Verfügung steht, müssen vorab einfache empirische Vordimensionierungendurchgeführt werden, die später im praktischen Versuch optimiert werden[13].

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 107Für die Leistungsfähigkeit der Kühler ist in erster Linie die Konstruktion der Rippen/Rohr-Geometrie,die so genannte Kühlermatrix, entscheidend. Da der Kühlmittelstromspäter für das Beheizten der Akkus verwendet werden soll, um deren Kapazitätauch bei tiefen Temperaturen aufrecht zu erhalten, ist eine Kühlermatrix evtl.durch eine lange Rohrleitungen überflüssig. Wenn in einer fortgeschrittenen Projektphaseabzusehen ist, wie lang die Leitungen mindestens aus Package-Gründen seinmüssen, um den Kühlmittelstrom vom Verbrenner zu den Akkus zu bringen, kann ü-ber die freie Konvektion die Wärmemenge die über die Leitungslänge abgeführt wirdberechnet werden. Wird die Leitung von einem Kühlluftstrom umgeben, spricht manvon einer erzwungenen Konvektion.Nachfolgend sollen die Leitungslänge und der erforderliche Kühlmittelstrom bei vorgegebenemLuftstrom grob vorausgelegt werden. Der Luftstrom soll nicht durch einGebläse, sondern durch die Luftströmung über den Rumpf des Segelflugzeuges erfolgen,welcher über Öffnungen in den Rumpf geleitet werden könnte.6.4.1 Auslegung des KühlersDie Wärmemenge Q K soll an die Umgebungsluft abgeben werden. Dieser Energieausgleichmit der Umgebung läuft spontan nur in eine Richtung und zwar von der hohenTemperatur durch eine Trennwand zur niedrigen Temperatur (2. Haupts. der Thermodynamik).Bei Übergang vom heißen ins kalte Medium kommt es in der Wand zumWärmestromQ • K.Die Wärmemenge, die das Kühlmittel am Motor aufnimmt, ist dabei gleich der Wärmemengedie der Kühler abführen muss. Diese Wärmemenge bezogen auf die Kühlerflächeund der mittleren Temperaturdifferenz ist die Kühlerleistung. Allgemein berechnetsich die Kühlerleistung mit [13]:

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 108•qK=AK•QK⋅ ∆TKm(6.4-1)•qKKühlerleistungQ • KAn das Kühlmedium zeitlich vom Motor abzuführende WärmemengeA KKühlerstirnflächeΔT KmTemperaturmitteldifferenz;∆TKmT=Fe− T2Fa− TL(6.4-2)T Fe/aTemperatur am Kühlerein-, bzw. AuslassT LUmgebungstemperaturEin Kühler wird in der Regel so ausgelegt, dass die Temperaturdifferenz von Einlass zuAuslass nur etwa 5°C beträgt um Wärmespannungen im Zylinderkopf zu vermeiden.Für Ottosaugmotoren kann die abzuführende Energie mit folgender Formel berechnetwerden [13]:•Die Daten zur Kühlerleistung qKQ•K≈ 1 ,26 bis 1,58 ⋅ P e(6.4-3)können in der Regel bei Hersteller angefragt werden.Daraus resultiert dann die benötigte Stirnfläche des Kühlers.Da der Kühler auf den zur Verfügung stehendem Bauraum im Segelflugzeug und aufdie Funktionalität der Akku-Heizung speziell angepasst sein muss, gilt es den Kühlerselbst auszulegen.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 109Abbildung 6.4-1: Schematisches Kühlerprinzip 36Dabei gilt:• •L= QWQ•= QKühler•= QK•L= V•L ⋅ ρL⋅ cpL⋅ ∆TL(6.4-4)Q• W= V•W ⋅ ρW⋅ cpW⋅ ∆TW(6.4-5)Q[ ∆ T W≈ 5°C]m• = V•⋅ ρ•mW=c•QKühlerpW⋅ ( ∆TW)(6.4-6)•Q•Vρc pΔT•mWärmestromVolumenstromDichteisobare spez. WärmekapazitätTemperaturdifferenzMassenstrom36 [14]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 110Aus diesen Formeln lässt sich der Wärmestrom • Q ermitteln, um die gewünschte Kühlleistungzu erhalten. Über den Wärmestrom kann die benötigte Rohrmantelflächeberechnet werden.•QKühlerAm= AmAa− Ai=⎛ Aa⎞ln⎜⎟⎝ Ai⎠λ⋅ ⋅δ( TWRohr− TLRohr)(6.4-7)(6.4-8)A mA a/iδλmittlere Rohrwandfläche;Außen- bzw. InnenrohrwandflächeRohrwanddickeWärmeleitfähigkeitT WRohr und T LRohr sind dabei die Wandtemperaturen auf Luft- und auf Wasserseite. Dadie Wandtemperatur wasserseitig nicht einfach zu bestimmen ist (thermodynamischeGrenzschicht an der Rohrwand; leichter Temperaturabfall von Rohrmitte in RichtungWand) kann für die grobe Vorauslegung auch mit T W gerechnet werden. Dabei ist dieFläche eines Rohres einfach über dessen Länge und dessen Umfang mitA = U ⋅ L(6.4-9)zu berechnen. Aufgelöst nach der Länge L erhält man die benötigte Kühlerrohrlänge.Zu beachten ist bei diesen Rechnungen, dass die Wärmeleitfähigkeit λ, die spezifischeWärmekapazität c p und die Dichte ρ von Wasser und Luft Temperaturabhängig sind.Sie können für verschiedene Wassertemperaturen z.B. aus Tabellen ermittelt werden.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 111Tabelle 6.4-1: Stoffdaten von Wasser in Abhängigkeit der Temperatur 37T W [°C] ρ [kg/m 3 ] λ [W/m*K] c p [J/kg*K]5 1000,0 0,572 4203,5610 999,4 0,582 4193,2715 998,7 0,590 4186,0720 997,8 0,600 4181,3725 996,7 0,608 4178,6630 995,4 0,615 4177,4635 993,9 0,622 4177,3940 992,2 0,629 4178,1345 990,3 0,635 4179,4150 988,2 0,641 4181,0555 986,0 0,648 4182,9060 983,6 0,650 4184,9165 980,9 0,655 4187,0970 978,1 0,659 4189,5075 975,1 0,660 4192,3080 971,9 0,666 4195,6085 968,5 0,670 4199,8490 965,0 0,670 4205,2295 961,2 0,675 4212,17100 957,2 0,678 4221,16Tabelle 6.4-2: Stoffdaten für Luft in Abhängigkeit der Temperatur (p=1013mbar) 36T L [°C] ρ [kg/m 3 ] λ [W/m*K] c p [J/kg*K]+35 1,1455 0,0268 1007,42+30 1,1644 0,0264 1007,22+25 1,1839 0,0261 1007,03+20 1,2041 0,0257 1006,82+15 1,2250 0,0253 1006,63+10 1,2466 0,0250 1006,43+5 1,2690 0,0246 1006,230 1,2920 0,0242 1006,03-5 1,3163 0,0238 1006,23-10 1,3413 0,0234 1006,43-15 1,3673 0,0230 1006,63-20 1,3943 0,0226 1006,83-25 1,4224 0,0222 1007,0437 [25]

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 112Die spezifische Wärmekapazität c P ist bei Luft zudem noch vom Luftdruck und von derLuftfeuchte abhängig. Dieser geringe Einfluss ist für eine grobe Vorauslegung desKühlers aber zu vernachlässigen.Da das Kühlmittel nicht nur aus Wasser besteht, sondern auch aus Kühlschutzmittel(oder auch Frostschutzmittel), können diese Werte nur näherungsweise für die Berechnungenherangezogen werden. Für eine grobe Vordimensionierung des Kühlsystemssind sie jedoch ausreichend.Die Dichte der Luft berechnet sich in Abhängigkeit der Luftfeuchte mit Formel mit:pρ =(6.4-10)R ⋅TfRfRl=1−ϕ⋅ pd/ p ⋅(1− Rl/ Rd)(6.4-11)R fGaskonstante feuchte LuftR l Gaskonstante trockene Luft (R l = 287,058 J/kg·K)R d Gaskonstante von Wasserdampf (R d = 461 J/kg·K)T Temperaturp Umgebungsdruckϕ relative Luftfeuchtigkeit (z.B. 0,8 = 80%)Vereinfacht kann gesagt werden, dass die Luftgeschwindigkeit in der Regel etwa 8 bis10 m/s beträgt. Bei einer Fluggeschwindigkeit von 27,8 m/s ist die Luftgeschwindigkeitweit höher. Über einen Diffusor kann bei gleich bleibendem Massenstrom die Luftgeschwindigkeitgesenkt werden. Das Kühlwasservolumen V KW beträgt im etwa dem 4bis 6-fachen des Hubvolumens V h . Das gesamte Kühlwasser wird dabei etwa 10 maldie Stunde umgewälzt [12].Um eine konstante und stabile Kühlung zum Schutz des Motors zu gewährleisten, isteine Regelung des Kühlsystems erforderlich.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 1136.4.2 Regelung des KühlsystemsRegelung der Zylinderkopftemperatur:Der Verbrennungsmotor hat in der Regel nur eine Einsatzzeit von 30 Minuten. Somitläuft er einen Großteil seiner Einsatzzeit nicht auf Betriebstemperatur, was sich aufden Verbrauch und auf die HC-Bildung negativ auswirkt. Eine Regelung des Kühlmittelstromslässt den Motor schnell auf Betriebstemperatur kommen und kühlt dannnach Bedarf.Dabei gilt es nicht die Förderpumpe zu regeln, denn diese sollte aus Sicherheitsgründenmechanisch über die Abtriebswelle des Motors betrieben werden. Die Entkoppelungder Pumpe vom Motor ist durch Teilhybridisierung, also durch Antrieb mittelsElektromotor, Teil der heutigen Überlegungen für Verbrauchseinsparpotentiale. Eineelektrisch betriebene Pumpe macht einerseits Sinn, denn sie kann bei Bedarf zugeschaltetwerden und mindert somit die Nebenaggregateverluste in der Warmlaufphase,doch das Ausfallrisiko ist zu groß. Fällt die Pumpe aus führt das sehr wahrscheinlichzu Motorschäden. In der Praxis wird daher der Kühlmittelstrom über einen Bypassam Zylinderkopf vorbei geführt. Ein Temperaturfühler erkennt am Kühlwasser um denZylinderkopf wann die Betriebstemperatur erreicht ist und schließt den Bypass. DerKühlmittelstrom fließt nun über den Zylinderkopf. Fäll die Temperatur wieder untereinen bestimmten Wert wird der Bypass wieder geöffnet. Die Temperatur im Brennraumkann somit geregelt werden. Dabei ist darauf zu achten, dass der Bypass möglichstwenige Strömungsverluste hat, um die Pumpenarbeit zu minimieren.Die Steuerung, die dem Motor den Befehl zum anlaufen und abstellen gibt, sollte spätermit dem Temperaturventil so abgestimmt sein, dass der Motor nach dem Ladevorgangnoch so lange im Leerlauf weiter läuft, bis ein gewisses Temperaturniveauerreicht ist um den Motor nicht zu schädigen.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 114EntlüftungKühlerThermostat mit StellventilAusgleichsbehälterwarmer MotorMotorkalter MotorAkkusKühlmittelpumpeAbbildung 6.4-2: KühlwasserkreislaufRegelung des Systemdrucks:Kühlsysteme sind geschlossene Systeme mit einem Überdruck bis etwa 1,2bar (beiBetriebstemperatur). Durch diese Druckerhöhung steigt die Siedepunkttemperaturvom Kühlmittel auf etwa 115-130°C. Um ein Ausdehnen der Kühlflüssigkeit zu ermöglichen,Gasbildung zu verhindern und das System vor Beschädigung zu schützen, mussdas System mit einem Ausgleichsbehälter versehen werden. Die Druckregelung erfolgtüber ein federbelastetes Druckventil. Bei Betriebsdrucküberschreitung öffnetdas Ventil am Kühlerdeckel. Somit kann überschüssiges Kühlmittel in den Ausgleichsbehältererntweichen (Abbildung 6.4-2).Da beim Abkühlen des Mediums die Dichte wieder zunimmt, würde durch den Druckabfallevtl. Schläuche oder auch Kühlerrohre zusammengedrückt werden. In diesemFall öffnet im Kühlerdeckel ein weiteres Ventil, dass bei Druckabfall im Kühlsystemunter Umgebungsdruck Kühlflüssigkeit vom Ausgleichsbehälter in das Kühlsystemdrückt. Damit der Volumenausgleich in beide Richtungen erfolgen kann, muss dasKühlsystem gasfrei sein.6.4.3 SpeicherkühlungUm ein effizientes Gesamtsystem zu erhalten ist es wichtig, ein gutes Energiemanagementzu betreiben. Statt die Wärmeenergie des Verbrennungsmotors zu „vernichten“,kann sie für das Heizen der Batterien verwendet werden.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 115Batterien weisen ein stark nicht-lineares Verhalten auf. Die Spannung und die innerenWiderstände variieren mit dem Ladezustand und der Temperatur. Mit steigenderTemperatur steigt bei der Lithium-Ionen-Batterie gleichzeitig die entnehmbare Kapazität[39].Mit dem Ansatz der Energieerhaltung kann über die Zeit der Starphase, sowie derTemperaturdifferenz vor und nach dem Verbrenner auf die benötigte Kühlflüssigkeitsmassezurück geschlossen werden, um die Wärmeenergie des Verbrenners beimStartvorgang abzuführen. Dabei darf die Kühlflüssigkeitstemperaturdifferenz vor undnach dem Verbrennungsmotor nicht zu groß werden, um Spannungen am Zylinderkopfzu vermeiden. Der Wärmeübergang zwischen Kühlmedium und Batterie eherschlecht sein wird, da kein direkter Kontakt besteht. Somit wird die Kühlflüssigkeitstemperaturdifferenzeher gering bleiben.Die abzuführende Wärmeleistung am Verbrennungsmotor kann grob aus der „Dritt-Regel“ (1/3 der im Kraftstoff gespeicherten Energie (≈P e )) wie im Kapitel 6.4-1 beschrieben,angesetzt werden. Über die durchschnittliche Startzeit von etwa 4 Minuten(240 sec.), ergibt sich die Wärmemenge, die über die Startphase an das Kühlmittelabgegeben wird.Die maximale Kühlwassertemperatur T warm wird durch die maximale Betriebstemperaturder Batterien begrenzt. Diese darf einen Wert von etwa 60°C nicht überschreiten,da sonst eine thermische Alterung und eine steigende Selbstentladung der BatterienEintritt. Um eine gewisse Sicherheit mit einzuberechnen, wird T warm mit 55°C angesetzt.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 116•Qmot= Qmot⋅ tStart(6.4-12)•Q mot= 7kW⋅ 240sec. ⇒1680kJ•Qmot1680 kJ==( Twarm− Tkalt) ⋅ cv⋅ mKühlwasserJkg ⋅ ° C3( 55°C − 20°C) ⋅ 4,2 ⋅10⋅ mKühlwasser(6.4-13)⇒m Kühlwasser≈ 11, 4kgm Kühlwasserc vT warmT kaltMasse der Kühlflüssigkeitspezifische Wärmekapazität von WasserTemperatur nach dem VerbrennungsmotorTemperatur vor dem VerbrennungsmotorDiese Kühlwassermasse umspült nun die Batterien und gibt dabei Wärme ab. Somitkönnte evtl. auf einen Kühler verzichtet werden. Die Wärmekapazität einer Lithium-Ionen-Batterie ist nicht konkret definiert und muss daher experimentell ermittelt werden.In der Literatur gibt es jedoch grobe Anhaltswerte von c Batt ≈ 0,86 – 1,05 [J/kg·K].Die Masse der zwei Batterien wurde mit je 15 [kg] angesetzt [39].6.5 DrehzahlregelungEine Applikation des Verbrennungsmotors auf einen Betriebspunkt bedingt, dass derVerbrenner diesen Betriebspunkt halten kann. Der Luftmassenstrom im Vergaser undsomit das Gemisch, ist bei konstanter Vergasereinstellung vom Luftdruck und Luftdichteund somit auch vom Klima, vom geographischen Standpunkt und von derFlughöhe abhängig.m=m ⋅ LLλ (6.5-1)BSt

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 117•L = ALm⋅ϕL⋅ µL⋅2 ⋅ ∆p⋅ ρ(6.5-2)LLϕLρ LA Lμ LGeschwindigkeitsziffer, sie berücksichtigt die ungleiche Geschwindigkeitsverteilungund Strömungsreibung über den Querschnitt.Liftdichte im LufttrichterQuerschnitt des LufttrichtersKontraktionszahl; Verhältnis des effektiven Durchflussquerschnitts zum geometrischenQuerschnitt auf Grund der Gasträgheit.∆ p LLuftdruckdifferenz zwischen Umgebung und Vergaser-Lufttrichter.λVerbrennungsluftverhältnisNiedriger Luftdruck lässt das Gemisch anfetten, somit fällt die Drehzahl des Verbrennersund dadurch die des Generators ab. Das führt dazu, dass der Generator nichtmehr seine geforderte Leistung liefern kann. Gleichzeitig steigt linear zum Drehzahlabfalldas Drehmoment des permanent erregten Generators. Der Betriebspunkt desVerbrenners verschiebt sich in Richtung Volllastlinie. Überschreitet der Motor die Volllastliniestirbt er ab.Ist der Vergaser auf einen hoch liegenden Startplatz voreingestellt (geringer Luftdruck),gibt es Probleme in tieferen Gefilden. Startet der Pilot von einem tieferenStartplatz, magert das Gemisch ab und der Motor kann überhitzen.Es ist also eine Drehzahlregelung erforderlich. Hierfür genügt ein einfacher Regelkreismit einem Stellmotor am Vergasergaszug. Der Stellmotor ist schon vorhanden, da derMotor nicht über einen Gashebel manuell vom Piloten angesteuert werden soll, sondernüber ein elektrisches Signal des Bordcomputers. Die Drehzahl kann über einenDrehzahlsensor oder einen Hallsensor gemessen werden. Eine andere Möglichkeit istdie Leistung am Generatorausgang zu messen. Über den Strom kann direkt auf dieDrehzahl des Verbrennungsmotors zurück geschlossen werden. Es kann keine Funktionals Stellgröße angewendet werden, die einen Leistungsverlust am Generator imVerhältnis zur Drosselklappenstellung beschreibt. Je nach Luftdruck und somit Ge-

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 118mischzusammensetzung können unterschiedliche Drosselklappenwinkel zur Leistungsanpassungnotwendig sein. Der Stellmotor soll also so lange zustellen bis, sichdie gewünschte Drehzahl einstellt.Sollwertn Soll (s -1 )Abweichungn Δ (s -1 )Regler-StellgrößeRückführungStellmotorIstwertn Ist (s -1 )Stellgröße = Stellmotor an.Drehrichtung (+/-)Abbildung 6.5-1: Einfacher Regelkreis

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 1196.6 RundlaufDer Rundlauf, genauer das Wechseldrehmoment ist abhängig von der Zündfolge. Esnimmt mit zunehmender Zylinderzahl ab. Mit einer optimal ausgelegten Schwungscheibekann der Rundlauf verbessert werden.Die Aufgabe einer Schwungscheibe ist, die Abweichungen des Drehmoments(M d -M dMittel ) so aufzunehmen, dass die Ungleichförmigkeit der Drehbewegung möglichstgering bleibt.Auslegung des Schwungrads:Das aufzubringende Trägheitsmoment J, um die notwendige Energie zur Überbrückungder maximalen Drehmomentschwankungen auszugleichen, berechnet sich mitfolgender Formel:JPi= k ⋅⎛ n100 ⎟ ⎞δ ⋅ ⎜⎝ ⎠3(6.6-1)kKonstante in [kgm 2 /(KW min 3 )] für 4-Taktmotoren.k = 2,5 für Zweizylinder Ottomotoren.δUngleichförmigkeitsgrad.δ = (ω max - ω min )/ ω m ; ω m = (ω max - ω min )/2δ =1/150….1/300 für 2-Zylinder 4-TakterDabei kann man sehen, dass bei gleicher Leistung das notwendige Trägheitsmomentmit der dritten Potenz der Drehzahl, der Zylinderzahl und dem Ungleichförmigkeitsgradabnimmt [12].Das Schwungrad besteht aus k-Scheiben mit der Breite b k , Außen- (D k ) und Innendurchmesserd k und der Dichte ρ.

6 Integration und Applikation des Verbrennungsmotors 120k=1k=2k=3Øk=4ØØØAbbildung 6.6-1: Schnittdarstellung Schwungrad 38Seine Massen- und Trägheitsmomente betragen:mitmSπ= ⋅ ∑4 ς2 2( DK+ dK) ⋅ bK2 2( D d )(6.6-2)1JS= ∑ mKK+K(6.6-3)84 4∑ ( DK− dK)π= ⋅⋅ bK32 ςD k+1 = d kDer äußere Kranz hat den größten Einfluss und nimmt etwa 90% des Trägheitsmomentsauf. Um möglichst wenig Material zu verwenden und somit Gewicht zu sparen,soll die äußere Scheibe einen möglichst großen Durchmesser haben. Begrenzt wird erdurch den Bauraum und die Fliehkraftspannung (Umfangsgeschwindigkeit bis u = 5m/s bei Grauguß- und u = 75 m/s bei Stahlgußrädern) [12]. Ein Problem der erhöhtenSchwungscheibenmasse ist, dass die Kurbelwelle zu torsionalen Schwingungen neigt.Daraus resultiert eine höhere Dauerbruchgefahr [21].38 [12 S. O 3]

7 Zusammenfassung und Ausblick 1217 Zusammenfassung und AusblickBezüglich des Verbrennungsmotors kann gesagt werden, dass der Kolm BX130 einesehr gute Wahl für das Projekt sein dürfte. Er passt genau in die geforderte Leistungsklasseund hat dabei ein unschlagbares Gewicht. Zudem zeichnet er sich durch seinextrem gutes dynamisches Verhalten aus. Wie es mit der Lebensdauer eines solchleichten Motors aussieht muss sich in der Praxis zeigen. Auch der Bedarf an Kraftstoffund Öl des Motors sowie seine akustischen Eigenschaften müssen analysiert werden.Auch im Kleinmotorenprüfstand steckt noch einiges an Verbesserungspotential. Sokönnte z.B. die Messdatenaufbereitung automatisiert werden. Zudem ist zu überlegendas Drehzahlsignal mit einem Sensor (z.B. Hallsensor) zu messen und über einenzweiten Kanal mit in die Messung einfließen zu lassen. Zudem könnte eine Ölkühlvorrichtungdas Hydrauliköl aus dem Hydraulikmotor kühlen, um die Viskosität des Ölsund damit die Last am Motor konstanter zu halten. Gleichzeitig wird der Hydraulikmotorsomit besser gekühlt.Abschließend ist anzumerken, dass alle Berechnungen in dieser Diplomarbeit nur fürgrobe empirische Vorauslegungen gelten, um eine Basisgröße für die experimentelleOptimierung zu bekommen. Gasdynamische und thermodynamische Effekte sind zukomplex als das sie ohne Berechnung- und Simulationssoftware beherrschbar wären.Selbst Mittels Softwareprogramme können nur gewisse Näherungswerte oder Tendenzenerhalten werden. Im Grunde ist jedes Teilgebiet (Akustik, Kühlung, etc.) sokomplex, dass jedes einzelne genug Stoff für eine Flut an Diplomarbeiten birgt.Die Hauptaufgabe in Zukunft wird sein, auf Basis der empirischen Vorauslegungeneinen praktischen Entwicklungsprozess zu beginnen.

LITERATURVERZEICHNIS 122LITERATURVERZEICHNIS[1] Alfred Böge (Hrsg.); Vieweg Handbuch Maschinenebau; 18. Auflage; Grundlagenund Anwendungen der Maschinenbau-Technik; Wiesbaden: Vieweg und SohnVerlag l GWV Fachverlag GmbH. S. 62ff..2007[2] Prof. Dr. -Ing Bauer, Prof. Dr. –Ing. Doll: Verbrennungsmotoren 1 (Skript). S47.(o.J.)[3] Gordon P. Blair: Design and Simulation of Two-Stroke Engines. Warrendale:Society of Automotive Engineers, Inc. S. 507ff.. 1996[4] Helmut Eichlseder / Manfred Klüting / Walter F.Piock: Grundlagen undTechnologien des Ottomotors. Der Fahrzeugantrieb. Wien: Springer. S30ff..2008[5] Helmut V. Fuchs: Schallabsorber und Schalldämpfer, Innovative akustische Konzepteund Bauteile mit praktischen Anwendungen in konkreten Beispielen. 3.Auflage. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, S.503ff.. 2010[6] Jürgen Stoffregen; Motorradtechnik; Grundlagen und Konzepte von Motor, Antriebund Fahrwerk; 7. Auflage; Wiesbaden: Vieweg+Teubner l GWV FachverlagGmbH. S.200ff.. 2010[7] Manfred von Ardenne, Gerhard Musiol, Uwe Klemradt; Effekte der Physik undihre Anwendungen; Frankfurt am Main: Wissenschaftlicher Verlag Harri DeutschGmbH, S.956ff.. 2005[8] Peter Zeller (Hrsg.); Handbuch Fahrzeugakustik; Grundlagen, Auslegungen, Berechnung,Versuch. Wiesbaden: Vieweg+Teubner l GWV Fachverlag GmbH,S.127ff.. 2009

LITERATURVERZEICHNIS 123[9] Pischinger: Verbrennungskraftmaschinen 1 (VK1), 26. Auflage. Aachen: Transaix-press.S. 28ff.. 2007[10] Pischinger: Verbrennungskraftmaschinen 2 (VK2), 26. Auflage. Aachen: Transaix-press,S.27-28. 2007[11] Richard van Basshuysen / Fred Schäfer (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotoren,3. Auflage. Wiesbaden: Vieweg, S. 27, 382-391, 677ff.. 2005[12] W. Beitz / K.-H. Grote: Dubbel, 19. Auflage. Berlin: Springer. S. P52-61/O2-6.1997[13] Wolfgang Polifke, Jan Kopitz: Wärmeübertragung: Grundlagen, analytische undnumerische Methoden. München: Pearson Studium, S.125 ff.. 2005

LITERATURVERZEICHNIS 124INTERNETQUELLEN:[14] Andreas Zimmer: Wärmeübertragung Formelsammlung (1999).http://plantga.de/formelsammlung/FS_Waermeuebertragung.pdf. S.12,(10.02.2011)[15] Autotips.net (o.J.).http://autotipps.net/kfz-lexikon/auspuffanlage/schalldaempferarten.(05.03.2011)[16] Dipl.-Ing. Stefan Libor: Abgasschalldämpfer in der Praxis (2005).http://www.ikz.de/uploads/media/IKZH_200522_37_040.pdf. S. 40-42(21.03.2011)[17] Dr.-Ing.E.h.Richard van Basshuyen, Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer: motorlexikon.de(2011). http://www.motorlexikon.de/?I=5783&R=S. (06.02.2011)[18] Dr.-Ing.E.h.Richard van Basshuyen, Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer: motorlexikon.de(2011). http://www.motorlexikon.de/?I=5805&R=S. (06.02.2011)[19] Franz Winter: Massenausgleich und Laufruhe von Hubkolbenmotoren (2011).http://www.brucewilles.de/massenausgleich.html. (02.01.2011)[20] Johann Kolm: http://www.kolmengines.com/. (06.04.2011)[21] Prof. Dr.-Ing. Victor Gheorghiu:Kolbenmaschinen (o.J.). http://www.mp.hawhamburg.de/pers/Gheorghiu/Vorlesungen/KoM/Skript/Massenausgleich.pdf.S97-98. (02.04.2011)[22] Aixro GmbH: http://www.aixro.de/produkte/#. (10.12.2010)

LITERATURVERZEICHNIS 125[23] Göbler Hirthmotoren KG: http://www.hirth-motoren.de/de/motor-f36.html(09.12.2010)[24] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/4/43/B6-v6_180.png. (05.04.2011)[25] http://www.schweizer-fn.de/stoff/wasser/v2_wasser.htm. (25.03.2011)[26] Rexroth Bosch Group: http://www.boschrexroth.de/mobile-hydraulicscatalog/Vornavigation/Vornavi.cfm?Language=EN&VHist=g54076,g54069,g55970&PageID=m3675. (03.12.2010)[27] Rexroth Bosch Group:http://www.boschrexroth.com/ics/Content/UpToDate/PDF/rd91001_2007-09.pdf(03.12.2010)[28] http://www.suco.de/antriebstechnik/fliehkraft_kupplungen_und_bremsen/ptyp.php.(05.12.2011)[29] Soaring Austria: http://soaring.org.au/web/images/stories/soaring/p-dg1000-flug.jpg (10.04.2011)[30] Walter Lips: Lärmbekämpfung durch Kapselungen (2008). http://www.cerichtlinien.eu/richtlinien/Maschinen/Leitfaeden_und_Kommentierungen/SUVA_Laermbekaempfung_durch_Kapselung.pdf, S. 4-16. (07.02.2011)[31] Wikipedia, Die freie Enzyklopädie (2010).http://de.wikipedia.org/wiki/Zweitaktmotor. (03.10.2010)[32] Wikipedia, Die freie Enzyklopädie Wikipedia (2010).http://de.wikipedia.org/wiki/Viertaktmotor. (04.10.2010)

LITERATURVERZEICHNIS 126[33] Wikipedia, Die freie Enzyklopädie Wikipedia (2010).http://de.wikipedia.org/wiki/Wankelmotor. (05.12.2010)[34] Wikipedia, Die freie Enzyklopädie (2011).http://de.wikipedia.org/wiki/Stroboskop. (02.01.2011)[35] Wikipedia, Die freie Enzyklopädie (2010).http://de.wikipedia.org/wiki/Hydraulikmotor. (15.10.2010)[36] Wikipedia, Die freie Enzyklopädie (2011).http://de.wikipedia.org/wiki/Einzylindermotor. (02.01.2011)[37] Wikipedia, Die freie Enzyklopädie (2011).http://de.wikipedia.org/wiki/Boxermotor. (02.01.2011)[38] TM, The power of TeamMagic: http://www.g4-racing.de/24a6bc98ae0fac401/24a6bc98ae0fdc010/index.html. (10.04.2011)[39] Felix Andre Modellierung einer Li-Ionen Batterie für Hybridfahrzeug-Simulationen:http://www.mdt.tu-berlin.de/fileadmin/fg184/Lehre/Projekte/projekt-batterymodel-andre.pdf.(08.04.2011)

ANHANG 127ANHANGAnhang 1: KleinmotorenprüfstandAnhang 1.1: Schnittdarstellung Fliehkraftkupplung

ANHANG 128Anhang 1.2: Leistungsdiagramm Fliehkraftkupplung

ANHANG 129Anhang 1.3: Technische Daten bau- und fabrikatsgleicher Hydraulikmotoren [27]

ANHANG 130Anhang 1.4: Einbaulage Hydraulikmotor [27]

ANHANG 131Anhang 1.5: Schematischer PrüfstandaufbauAnhang 1.6: Seiten-, Front- und Draufsicht

ANHANG 132

ANHANG 133Anhang 2: MotorenAnhang 2.1: Wankelmotor XF 40 von Aixro

ANHANG 134Anhang 2.2: Kolm BX 130, Abmaße

ANHANG 135Anhang 2.3: Kolm BX 130 Kurbelwellenlagerung 3939 [20]

ANHANG 136Anhang 2.4: Leistungs- und Drehmomentdiagramm F36 4040 [23]

DANKSAGUNG 137DANKSAGUNGAn erster Stelle möchte ich Herrn Prof. Dr. -Ing. Klaus Scheffler für die Bereitstellungeines solch interessanten Projektes und des daraus resultierenden Diplomarbeitsthemasdanken. Zudem bedanke ich mich für die einwandfreie Betreuung und den stetsrespektvollen Umgang. Ihr Vertrauen in mich durch ein hohes Maß an Freiheiten beimAnfertigen dieser Arbeit weiß ich sehr zu schätzen.Großer Dank gilt den Labormitarbeitern der Hochschule München, die mir stets mitRat und Tat bei meinen technischen Problemen zur Seite standen. Hierbei möchte ichmich besonders bei Rudolf Hecker bedanken, der mich mit viel Interesse an meinerArbeit sowie technisch als auch organisatorisch stets unterstützt hat. Danke Rudi fürdas einwandfreie Arbeitklima und deine Unterstützung.Ich möchte mich an dieser Stelle auch bei meinen Kommilitonen bedanken, die fürmich aus der Studienzeit einen wertvollen und vor allem sehr spaßigen Lebensabschnittmachten.Der größte Dank gilt meiner Familie, meinen Eltern Hans Paul und Michaela sowiemeiner Schwester Andrea. Eure Unterstützung und euer Rückhalt während meinergesamten Ausbildung ist nicht selbstverständlich, ich schätze mich glücklich euch zuhaben.

ERKLÄRUNG 138ERKLÄRUNGFunktionale Integration und Applikation eines Segelflugzeug – Hybridantriebes.Schwerpunkt VerbrennungsmotorapplikationIch versichere, dass ich die vorliegende Diplomarbeit selbständig angefertigt, nichtanderweitig für Prüfungszwecke vorgelegt, alle benutzten Quellen und Hilfsmittelangegeben, sowie wörtliche und sinngemäße Zitate gekennzeichnet habe.Ort, DatumUnterschrift