Development of advanced cylinder liner conformation concepts of internal combustion engines with numerical simulation methods

Ein erhebliches Potenzial zur Verbesserung von Verbrennungsmotoren liegt in der verbesserten Kopplung von Kolbenringen und Zylinder Laufbuchsen (Piston Ring Cylinder Coupling, PRCL). Um die Konformität von PRCL zu verbessern und die Reibung zu verringern, wird in einem gefeuerter Betrieb eine möglichst kreisförmige Querschnittsform der Laufbuchse angestrebt. Je weiter sich der Querschnitt der Laufbuchse eines Kreises annähert, desto besser ist die Konformität. Um dies zu erreichen, muss der Motor im kalten Zustand eine nicht-kreisförmige Laufbuchse haben, die sich unter thermischen und mechanischen Belastungen des gefeuerten Motors kontrolliert verformt und dann eine Laufbuchse mit ideal kreisförmigem Querschnitt bildet. Darüber hinaus können weitere tribologische Verbesserungen erzielt werden, indem im gefeuerten Betrieb eine nicht-prismatische, kreisförmige Laufbuchse angestrebt wird. Diese kumulative Arbeit präsentiert numerische Untersuchungen für diese Hypothese und liefert quantitative Analysen, um die Vor- und Nachteile mit nicht-kreisförmigen Laufbuchsen aufzuzeigen. Darüber hinaus werden Richtlinien für das Design nicht-kreisförmiger Freiformlaufbuchsen dargelegt. Die Simulationsmodelle dieser Arbeit basieren auf der Finite-Elemente-Methode. Zwei physikalische Modelle wurden betrachtet: Eines für einen Serien-Gasmotor und ein zweites für einen Einzylinder-Forschungsmotor. Die Modelle wurden anhand experimenteller Daten validiert, woraufhin die lokalen Verformungen der Laufbuchsen simuliert wurden. Unter Anwendung der harmonische Analyse wurden die Deformationsordnungen für definierte Betriebspunkte untersucht. Darauf aufbauend wurden verschiedene Formen von nicht-kreisförmigen Laufbuchsen basierend auf dem Konzept des Reverse Engineering ausgelegt. Geometrische Indikatoren wurden definiert und in vergleichenden Analysen verwendet. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante Verbesserung des geometrie-bedingten Verhaltens bei Verwendung von nicht-kreisförmigen Laufbuchsen. Eine speziell entwickelte Freiformlaufbuchse kann die Rundheit der Bohrung um 95 % und die Geradheit um 75 % verbessern. Das Konzept der führenden Deformationsordnungen ermöglicht eine signifikante Vereinfachung des Designs. Als Beispiel hierfür ist eine elliptische Konuslaufbuchse eine gute, jedoch einfachere Alternative, die eine Verbesserung der Rundheit um 85 % und der Geradheit der Laufbuchse um 65 % während des Betriebs aufweist. Die Freiformlaufbuchse ist empfindlich bezüglich der Motorenlast. Da bestimmte Deformationsordnungen jedoch unabhängig vom Betriebspunkt sind, können diese bei der Laufbuchsengestaltung besonders berücksichtigt werden. Die hier präsentierten Ergebnisse zeigen ein großes Potenzial zur tribologischen Verbesserung. Parallel stattfindende experimentelle Arbeiten zeigen eine signifikante Reduzierung der Reibungsverluste durch die Verwendung einer in dieser Arbeit entwickelten Laufbuchsen.