FORSCHUNG DER HAUPTMERKMALE DES VERBRENNUNGSMOTORS, GEBAUT MIT GESCHOBENER ACHSE DES ZYLINDERS GEGENÜBER DER ACHSE DER KURBELWELLE

1.      Einführung

Im klassischen Schema der gebauten Verbrennungsmotoren liegen die Achse des Zylinders und die Achse der Kurbelwelle in einer Ebene und perpendikular einander. Hier zeige ich die Ergebnisse nach einer theoretischen Forschung der Hauptparameter des Verbrennungsmotors, dessen Achsen des Zylinders und der Kurbelwelle nicht in einer Ebene liegen, wobei die Achse des Zylinders parallel geschoben ist, im Abstand E von ihrer traditionellen Lage in der Ebene der Drehung der Kurbe in der Kurbelwelle, d.h. sie sind gekreuzt (die Figur über der Überschrift). Der Abstand E nennen wir weiter Exzentrizität.

Die untersuchten Parameter als Funktion der Exzentrizität sind in 2 Gruppen - Energiegruppe – Indikatorarbeit, (korreliert mit Indikatorleistung) und durchschnittliches Drehmoment; und Kraftgruppe – die Kräfte, angewandt auf dem Kurbel-Haspel-Mechanismus und der Kolben-Zylinder-Gruppe. Zusammen mit dem durchschnittlichen Drehmoment werden wir auch seine durchschnittliche quadratische Ablenkung σ berechnen, die die Gleichmäßigkeit der Drehung der Kurbelwelle vorzeigt.

Die Indikatorarbeit ist

                                                                                                                                          (1), wo P_v der Druck im Zylinder als Zylindervolumenfunktion V ist.

Das durchschnittliche Drehmoment ist

                                                                                                                                    (2), wo M_φ die laufende Bedeutung des Moments als Funktion des Winkels φ, und n = 2 oder 4 (für Zweitakt- oder Viertaktmotor).

Die Kräfte, angewandt auf dem Kurbel-Haspel-Mechanismus und der Kolben-Zylinder-Gruppe werden durch trigonometrische Gleichungen ausgeprägt. Ihr durchschnittlicher Wert wird durch Lösen bestimmter Integrale, ählich der (2), bestimmt. Beim Forschen der Dimensionen des Verbrennungsmotors als Funktion der Exzentrizität ist zu sehen, daß das maximum Zylindervolumen (V_max) an den beiden Enden des Definitiongebiets wächst, bis zu einem Wert, der wächst mit der Zunahme der Haspellänge

                                                                            (3) wächst, wo V_C das Volumen der Brennkammer ist, S – der Kolbengang, D – Zylinderdiameter, L – Haspellänge, E – Exyentriyität der Achse des Zylinders, R – die Kurbellänge. Das Definitionsgebiet der Dimensionen von einem solchen Verbrennungsmotor ist L>R und |E|<L-R.

2.      Mathematisches Modell zur Forschung der Parameter in einem realen Verbrennungsmotor durch Behandlung seines Indikatordiagramms

Hier ist die Indikatordiagrammart des Zweitaktvebrennungsmotors gezeigt. Die Prozesse des Zusammenziehns (1-2) und der Ausdehnung (3-4) sind polytropp und für sie PVⁿ=const. Der Prozess des Durchblasens (4-1) kann auch mit bestimmter Genauigkeit in zwei polytroppen Prozessen gezeigt werden. Der Prozess der Verbrennung (2-3) ist auch polytropp, aber mit einem stark veränderten Index n. Ähnlich ist die Indikatordiagrammbeschreibung des Viertaktverbrennungsmotors. Die Integralgleichungen (1) und (2) zu den Prozessen 3-4-1-2 haben keine Lösung in Elementarfunktionen, aber für die Berechnung des Verbrennungsprozesses (2-3) werden verschiedene mathematische Modelle vorgeschlagen. Das führt zum Nutzen eines kompletten mathematischen Modell zur Berechnung der Gleichungen (1) und (2).

Das hier realisierte mathematische Modell zur Berechnung des Drucks im Zylinder bei verschiedenen Werten der Exzentrizität E wird basiert auf einem erreichten realen Indikatordiagramm eines schon existierten Verbrennungsmotors, vollzogen nach dem klassischen Schema (Е=0) beim bestimmten Betrieb – gegebene Menge Treibstoff und angewandte Last. Als Funktion des Schiebens werden die geforschten energetischen Charakteristiken und Kräfte bestimmt, wobei das Zylindervolumen (beim Bewahren eines ständigen wirklichen Niveaus der Verdichtung ε) und der angewandte Treibstoff permanent erhalten werden. Die Indikatordiagramme, die den Modellgrund bilden, sind durch das System MIP (Combustion Analyzer) erreicht. Dieses System ist in der Bulgarischen Seeflotte angewandt.

3.      Funktionelle Abhängigkeiten der Hauptcharakteristiken von der Exzentrizität

Für einige Verbrennungsmotoren sind gezeigt die durch das mathematische Modell ergebenen Diagramme der für uns interessanten Funktionabhänge als Funktion der normierten Exzentrizität e=E/R: Indikatorarbeit A_ind, durchschnittliches Drehmoment M_av, durchschnittliche quadratische Ablenkung des Drehmoments σ und die durchschnittlichen Werte der Kräfte, angewandt über: Kolbenbolzen F_b, Haspel und Haspelkopflager F_l, Paar Kolben-Zylinder F_n, perpendikulär der Kurbel im Haspelkopflager F_m, Kurbel und Hauptlager F_r. Alle Diagramme sind mit ihren normierten Werten in % gebaut, d.h. geteilt in ihren Werten bei Null-Exzentrizität (Е=0); die Diagramme mit Index а sind an ausdrucksvollen Stellen auf der Abszisse mit vergrößtem Maßstab und verkleinertem Schritt; Die Kraft über dem Haspelkopflager F_n ist gezeigt durch seinen absoluten Wert |F_n| und durch seine Bestandteile – positive +F_n und den absoluten Wert der negativen |- F_n|.

3.1.VERBRENNUNGSMOTOR 6ДКРН 67/170-4 Maschinenbauwerk Briansk, Russland, Hauptmotor des Motorschiffes Stanko Staikov (Verbrennungsmotor Prototyp B&W K67GF) – Diesel- und Zweitaktmotor

Figur.3.1.1. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Indikatorarbeit A_ind, des durchschnittlichen Drehmoments M_av und der durchschnittlichen quadratischen Ablenkung σ.

Figur.3.1.1.a. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Indikatorarbeit A_ind, des durchschnittlichen Drehmoments M_av und der durchschnittlichen quadratischen Ablenkung σ mit verkleinertem Schritt an der Exzentrizität und vergrössertem Maßstab an der Ordinate.

Figur 3.1.2. Duagramm – normierte Abhängigkeiten der Kräfte – radial F_r, auf der Haspel F_l, tangential F_m – durchschnittliche Werte.

Figur 3.1.3. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Normalkraft: |F_n|, +F_n и |-F_n| durchschnittliche Werte.

Figur 3.1.3.a. Diagramm - normierte Abhängigkeiten der Normalkraft : |F_n|, +F_n и |-F_n| durchschnittliche Werte mit verkleinertem Schritt an der Exzentrizität und vergrössertem Maßstab an der Ordinate.

3.2.VERBRENNUNGSMOTOR MAN-B&W 4S26MC, Hauptmotor des Motorschiffes Pollux - Diesel-und Zweitaktmotor

Figur.3.2.1. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Indikatorarbeit A_ind, des durchschnittlichen Drehmoments M_av und der durchschnittlichen quadratischen Ablenkung σ.

Figur.3.2.1.a. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Indikatorarbeit A_ind, des durchschnittlichen Drehmoments M_av und der durchschnittlichen quadratischen Ablenkung σ mit verkleinertem Schritt an der Exzentrizität und vergrössertem Maßstab an der Ordinate.

Figur 3.2.2. Duagramm – normierte Abhängigkeiten der Kräfte – radial F_r, auf der Haspel F_l, tangential F_m – durchschnittliche Werte.

Figur 3.2.3. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Normalkraft: |F_n|, +F_n и |-F_n| durchschnittliche Werte.

Figur 3.2.3.a. Diagramm - normierte Abhängigkeiten der Normalkraft : |F_n|, +F_n и |-F_n| durchschnittliche Werte mit verkleinertem Schritt an der Exzentrizität und vergrössertem Maßstab an der Ordinate.

3.3.VERBRENNUNGSMOTOR SULZER 5AL25-30, Dieselgenerator No1 des Motorschiffes Roschen – Diesel-und Viertaktmotor

Figur.3.3.1. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Indikatorarbeit A_ind, des durchschnittlichen Drehmoments M_av und der durchschnittlichen quadratischen Ablenkung σ.

Figur.3.3.1.a. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Indikatorarbeit A_ind, des durchschnittlichen Drehmoments M_av und der durchschnittlichen quadratischen Ablenkung σ mit verkleinertem Schritt an der Exzentrizität und vergrössertem Maßstab an der Ordinate.

Figur 3.3.2. Duagramm – normierte Abhängigkeiten der Kräfte – radial F_r, auf der Haspel F_l, tangential F_m – durchschnittliche Werte.

Figur 3.3.3. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Normalkraft: |F_n|, +F_n и |-F_n| durchschnittliche Werte.

Figur 3.3.3.a. Diagramm - normierte Abhängigkeiten der Normalkraft : |F_n|, +F_n и |-F_n| durchschnittliche Werte mit verkleinertem Schritt an der Exzentrizität und vergrössertem Maßstab an der Ordinate.

3.4.VERBRENNUNGSMOTOR YANMAR S185L-ST, Dieselgenerator No 1 des Motorschiffes Smoljan – Diesel-und Viertaktmotor

Figur.3.4.1. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Indikatorarbeit A_ind, des durchschnittlichen Drehmoments M_av und der durchschnittlichen quadratischen Ablenkung σ.

Figur.3.4.1.a. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Indikatorarbeit A_ind, des durchschnittlichen Drehmoments M_av und der durchschnittlichen quadratischen Ablenkung σ mit verkleinertem Schritt an der Exzentrizität und vergrössertem Maßstab an der Ordinate.

Figur 3.4.2. Duagramm – normierte Abhängigkeiten der Kräfte – radial F_r, auf der Haspel F_l, tangential F_m – durchschnittliche Werte.

Figur 3.4.3. Diagramm – normierte Abhängigkeiten der Normalkraft: |F_n|, +F_n и |-F_n| durchschnittliche Werte.

Figur 3.4.3.a. Diagramm - normierte Abhängigkeiten der Normalkraft : |F_n|, +F_n и |-F_n| durchschnittliche Werte mit verkleinertem Schritt an der Exzentrizität und vergrössertem Maßstab an der Ordinate.

4.      Analyse der ereichten Abhängigkeiten der Schiebecharakteristiken

Die Analyse der Funktionsabhängigkeiten der energetischen Charakteristiken und der wirkenden Kräfte zeigt folgendes:

4.1.  Bei dem Zweitakverbrennungsmotor mit Schiebungsvergrößerung in positiver Richtung wird die Arbeit mehr, in negativer Richtung wird die Arbeit weniger. Bei e_max vergrössert sich die Arbeit bis zu 108% - 125%, bei е ≈ 1 vergrössert sich die Arbeit bis zu 120%. Bei den Viertaktverbrennungsmotoren hat die Arbeit das Merkmal einer Parabel, gedreht nach unten, d.h. die Arbeit wird weniger, wobei in negativer Richtung hält sie am Anfang nah von 100%, aber danach erreicht sie schnell niedrige Werte; Bei e_max kann die Arbeit bis zu 70% - 85% fallen.

4.2.  Die Funktion des durchschnittlichen Drehmoments stellt eine gebrochene Linie dar. Sie schwänkt um eine Linie, die der Arbeitveränderung folgt. Bei den Zweitaktverbrennungsmotoren erreicht das durchschnittliche Moment bei e_max bis zu 105% - 130%. Die höchsten Werte bei е ≈ 1 sind zwischen 105% - 120%. Bei den Viertaktverbrennungsmotoren sind nur einzelte Hochpunkte, die 100% überspringen, aber diese sind nur im Rahmen von 101% - 102%.

4.3.  Die Funktion der durchschnittlichen quadratischen Ablehnung des Moments hat das Merkmal der Parabel, gedreht mit der Öffnung nach unten. D.h. bei Schiebevergrösserung wird die Gleichmässigleit der Kurbelwelledrehung vergrössert. Bei den Zweitaktverbrennungsmotoren mit Schieben nah dem Maximum, wird die durchschnittliche quadratische Ablehnung niedriger um 15% bis 30%. Bei Schiebewerten е ≈ 1 wird die durchschnittliche quadratische Ablehnung um 3% bis 10%. Bei den Viertaktverbrennungsmotoren ist das Maximum der Parabel bei e = [-0.9,-1.4] und hat Werte rund um 101% - 102%, d.h. die Gleichmässigkeit des Drehens wird schlimmer; Beim grösseren Schieb in negativer Richtung fällt die durchschnittliche quadratische Ablehnung schnell, aber zu höheren Werten im Vergleich mit den Werten beim Schieben in positiver Richtung.

4.4.  Die Funktionsabhängigkeiten der durchschnittlichen Kraftwerte F_r und F_l sind kaum bemerklich von 100% abgelehnt. Bei Zweitaktverbrennungsmotoren ist die Ablehnung in Richtung Reduzierung ihrer durchschnittlichen Werte; bei den Viertaktverbrennungsmotoren reduziert sich sich auch die Kraft F_r, aber die Kraft F_l vergrössert sich. F_m folgt den Veränderungen des durchschnittlichen Drehmoments.

4.5.  Die Kraft |F_n| hat das Merkmal der Parabel mit minimum 80% - 95% im Intervall e = [-0.1,-0.4]. Bei den maximal zugelassenen Schiebewerten kann die Vergrösserung dieser Kraft bis 15-20 mal erreichen. Beim Schieben von ca. е ≈ 1, ist die Vergrösserung der durchschnittlichen Werte im Rahmen von 5-15 mal. Beim Schieben mehr als 0.6 - 0.7, ist nur der eine Bestandteil dieser Karft verschieden als Null, d.h. belastet ist nur die eine Seite des Paares Zylinder-Kolben.

5.      Schlußfolgerung

Positives Schieben im Zweitaktverbrennungsmotor kann Vergrösserung der Indikatorarbeit führen, d.h. der Motorleistung, und wesentlich des durchschnittlichen Drehmoments bei spürbarer Vergrösserung der Gleichmässigkeit des Kurbelwelledrehens. All das wird realisiert ohne Veränderung der Brennstoffmenge. Das führt zur Vergrösserung des Wirkungsgrads des Verbrennungmotors und zur Reduzierung der effektiven Brennstoffausgabe. D.h. verbessert werden die wirtschaftlichen Indexes des Verbrennungmotors, und davon auch des ganzen von ihm betriebenen Systems. Bei den Viertaktverbrennungsmotor kann man keine Vergrösserung der Indikatorarbeit erreichen, aber es ist möglich auch kleine Vergrösserung des Drehmoments.

Gleichzeitig kann man Reduzierung der Reibungverluste im Paar Zylinder/Kolben und ihrer Abnutzung, wenn das Schieben in der Zone der minimum Kraft |F_n| ist. Das Bauen des Motors mit Schieben, führend zu wesentlicher Vergrösserung der Kraft F_n mit dem Ziel Erreichen eines wesentlicher Vergrösserung der Arbeit und des Moments ist gerechtfertig, wenn die Verluste von der erhöhten Kraft durch zusätzliche konstruktive und technologische Massnahmen überwindigt werden. Eine solche bekannte Massregel ist der Kreuzkopfmotor.

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Veröffentlichung in der Zeitschrift „Maschinenbau und Elektrotechnik“ No 5/2005, des Wissenschftlich-technischen Maschinenbauverbands, Bulgarien. Vorgelesener Vortrag an der 12. Internationalen wissenschaftlich-technischen Konferenz, „Trans &  Motauto’05“, 2005, Stadt Veliko Tarnovo, Bulgarien.