Auswirkungen von Formabweichungen im Brennraum auf das Betriebsverhalten von Ottomotoren

Abstract

Die Digitalisierung der Produktion ist eine sinnvolle Möglichkeit, die Produktion selbst effizient zu gestalten und den Energiebedarf eines Fertigungsprozesses zu reduzieren. Wird zudem eine digitale Fabrik genutzt, um Daten der Bauteile miteinander zu verknüpfen, können digitale Abbilder geschaffen werden, die eine Vorabkonfiguration bzw. eine virtuelle Bauteilpaarung ermöglichen. Somit werden ideal zueinander passende Bauteilpaarungen ohne weitere Restriktionen umsetzbar. Dazu sind dreidimensionale Messverfahren notwendig, welche in eine Serienfertigung integrierbar sind und in einer annehmbaren Taktzeit eine Bauteilerfassung ermöglichen. In der Zylinderkopffertigung sind hierbei Potentiale durch eine Integration der Computertomographie (CT) erkennbar. Um das Potential der Computertomographie als Prüfverfahren zu untersuchen, sind relevante Einflussgrößen zu identifizieren, die den Motorbetrieb beeinflussen. Zur Identifizierung möglicher Einflussgrößen wurde die Prozesskette der Zylinderkopfrohteilfertigung analysiert. Daraus konnten Merkmale isoliert werden, die durch die Rohteilfertigung entstehen können. Diese Merkmale wurden in einer separaten Charge mit verschiedenen Ausprägungen gefertigt und anschließend am Prüfstand hinsichtlich ihrer motorischen Auswirkungen untersucht. Zur Erfassung des Istzustandes der Versuchsbauteile wurden die gefertigten Zylinderköpfe unter anderem in einem industriellen CT analysiert. Die Messdatenanalyse zeigt, dass die Erfassung des Brennraumvolumens tendenziell ableitbar ist. Das heißt eine Qualitätsprüfung in der Rohteilfertigung ist prinzipiell darstellbar. Für eine Überführung eines digitalen Abbildes ist die gesamte Prozesskette zu berücksichtigen, um einen wirklichen digitalen Zwilling darzustellen. Die Versuchsbauteile wurden mit einem Materialoffset gegossen und mechanisch nachgearbeitet. So konnte eine isolierte Merkmalausprägung weitestgehend sichergestellt werden. Um die Merkmale auf ihre motorischen Auswirkungen zu untersuchen, wurden die Versuchsbauteile am Motorprüfstand getestet. Da die Abweichungen teilweise äußerst gering sind, wurde zusätzlich eine transiente Ladungswechselsimulation durchgeführt, um Einflüsse auf die Gemischbildung zu identifizieren. Dabei konnten geringfüge Merkmalcharakteristika abgleitet werden, wobei die Auswirkungen sehr gering und vom geometrischen Verdichtungsverhältnis überlagert sind. Der Vergleich der Motormessung zeigt ein differenzierbares Verhalten. Die Unterschiede im stationären Motorbetrieb als auch bei der Erfassung der Klopfgrenze lassen sich primär mit den unterschiedlichen Verdichtungsverhältnissen erklären. Lediglich der Vergleich der Partikelgrößenverteilung konnte eine geringfügige Abhängigkeit der Brennraumform zeigen. Es ist eine Drehzahlabhängigkeit bei stark verkleinerten Brennräumen erkennbar, die aufgrund der sehr hohen Abweichung zum Nennmaß nicht eineindeutig auf die Brennraumformabweichung hinweist.

Production digitization is a meaningful way to efficiently design the production itself and to reduce the energy demand of the manufacturing process. When used to link component data with each other, a digital factory can create digital images that enable pre-configuration or virtual component pairing. Thus, ideally matching component pairings can be implemented without further restrictions. Three-dimensional measuring methods are necessary, which can be integrated into series production and enable component acquisition in an acceptable cycle time. In cylinder head production, potentials can be identified by the integration of computed tomography (CT). In order to investigate the potential of computed tomography as a test method, relevant influencing variables that influence engine operation must be identified. In order to recognise such influencing variables, the process chain of cylinder head blank production was analysed. Therefore, it was possible to isolate characteristics that could arise during the production of the raw part. These characteristics were manufactured in a separate batch with different attributes and then examined on the test bench for their effects on the engine. To capture the actual condition of the test components, the cylinder heads were analysed, including tests in an industrial CT. The data analysis shows that the measurement of the combustion chamber volume tends to be derivable. This means that a quality inspection in the production of raw parts can be carried out in general. For the transfer of a digital image, the entire process chain must be taken into account in order to represent a true digital twin. The test components were cast with a material offset and then mechanically modified. This procedure allows to ensure the isolation of characteristic attributes as far as possible. The test components were tested on the engine test bench in order to investigate the effects of the characteristics on the engine. Since the deviations are sometimes extremely small a transient charge cycle simulation was also carried out to identify influences on the mixture formation. Minor characteristic attributes could be derived whereby the effects are minimal and superimposed by the geometric compression ratio. The comparison of the engine measurement shows a differentiable behaviour. The differences in stationary engine operation and in the detection of the knock limit can primarily be explained by the different compression ratios. Only the comparison of the particle size distribution could show a slight dependence of the combustion chamber shape. A dependency on the engine speed was identified in strongly reduced combustion chambers, which, due to the very high deviation from the nominal size, does not unequivocally indicate the combustion chamber shape deviation.