Simulationswerkzeug zur optimalen Auslegung von Ventilhubkurven

  • Simulation tool for the optimal layout of valve lift curves

Ortlieb, Pascal; Pischinger, Stefan (Thesis advisor); Corves, Burkhard (Thesis advisor)

Aachen (2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2020

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wird eine neue automatisierte Methode als Beitrag zur Optimierung des Ladungswechsels von Verbrennungsmotoren über die Gestaltung der Bewegungsvorschrift der Steuerungsorgane vorgestellt. Die Resultate, die mit der entwickelten Methode zu erzielen sind, werden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die mechanische Dauerhaltbarkeit der Steuerungsorgane und die motorische Effizienz mit theoretischen Mitteln untersucht. Ziel der Entwicklung ist die Bereitstellung eines Werkzeugs zur Grundmotorentwicklung, das eine solide Grundlage zur Auslegung von Ventiltrieben ohne die Zuhilfenahme von Erfahrungswerten liefert. Die Auslegung von Ventiltrieben unterliegt dem klassischen Widerspruch der Grundmotorentwicklung, Ventilhubkurven möglichst füllig und gleichzeitig mechanisch dauerhaltbar, akustisch unauffällig und im Rahmen der Möglichkeiten zur Fertigung zu gestalten. Füllig gestaltete Ventilhubkurven bedingen positive Auswirkungen auf die Motoreffizienz von thermodynamischer Seite und stehen den genannten Kriterien gegenüber. Traditionell spielen bei der Auslegung von Ventilerhebungskurven aufgrund der komplexen Mathematik hinter diesem Vorgang Erfahrungswerte eine übergeordnete Rolle. Es wird aufgezeigt, wie der oben genannte Widerspruch als mathematisches Problem formuliert und mit numerischen Optimierungsmethoden im Sinne einer dauerfesten Auslegung mit maximal möglicher Füllung automatisiert aufgelöst wird. Es wird am Beispiel eines aufgeladenen Ottomotors gezeigt, dass die Methode zuverlässig funktioniert und die ansonsten tagelangen manuellen Arbeiten an der Gestaltung von Ventilhubkurven im Rahmen einer Grundmotorentwicklung binnen weniger Minuten bewältigt. Ferner wird zur thermodynamischen Bewertung des Resultats mit der Ventilpumparbeit eine neue Bewertungsgröße zur Bilanzierung der Gesamtladungswechselarbeit eines Motors eingeführt. Zur Herleitung der Ventilpumparbeit wird ein auf 3D-CFD-Simulation basierendes Modell entwickelt, das konstruktive Detailparameter der Kanal- und Ventilgestaltung berücksichtigt. Es wird gezeigt, dass bis zu einem Viertel der Vorteile durch fülligere Auslassventilhubkurven gegenüber einer Basisvariante durch steigende Ventilpumparbeit kompensiert werden. So wird dargelegt, dass die Betrachtung von Ventilpumparbeit einen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis von Studien zur Gestaltung unterschiedlicher Auslassventilhubkurven haben kann.

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