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Technikgeschichte

Innovationsprozesse

Sechszylinder-Reihenmotor M104

von Mercedes-Benz – ein Ausschnitt seines

Innovationsprozesses

Teil 1

Von Hans Seifert

Auch ein Motor, der sich bereits in der Serienfertigung befindet, er-

fährt technische Modifikationen. Im folgenden sollen diese am Bei-

spiel des Mercedes-Benz-Sechszylinder-Reihenmotors M104 aufge-

zeigt werden. Die Neuerungen betreffen die Optimierung des An-

saugtaktes dieses Motors. Durch die Einführung der Schwingsaug-

rohraufladung in Verbindung mit der Resonanzsaugrohraufladung,

der Vierventiltechnik und der Nockenwellenverstellung konnte der

Liefergrad erhöht werden. Der M104 wurde in zwei Stufen aus dem

Zweiventilmotor M103 entwickelt. Die Anforderungen an die Ent-

wicklungsstufen waren unterschiedlich. Zunächst sollte die Lei-

stung erhöht werden. Später sollten großes Drehmoment und ho-

her Mitteldruck im unteren und mittleren Drehzahlbereich bei glei-

cher Leistung erzielt werden. Gleichzeitig traten ökologische Ziele

in den Vordergrund. Der M104 wurde bis zum Frühjahr 1997 im Mo-

dell E 320 eingesetzt. Der zweite Teil des Berichts folgt in der MTZ

2/98, der dritte Teil in MTZ 3/98.

1 Einleitung

2 Einführung in eine allgemein-

gültige Innovationsstrategie

Danach läßt sich ein technischer Innova-

tionsprozeß grob in folgende fünf Arbeits-

schritte einteilen:

Dieser Bericht folgt nicht dem gängigen Mu-

ster, nur die Ergebnisse bestimmter Ent-

wicklungsabschnitte zu beschreiben und zu

kommentieren. Es wird der Versuch unter-

nommen, die Gedankengänge des Entwick-

lungsingenieurs nachzuvollziehen, die zu

neuen Erkenntnissen führten und durch ih-

re Umsetzung schließlich den Motor vor-

wiegend in seinem Leistungs- und Drehmo-

mentverhalten verbessert haben.

Technische Innovation bedeutet die Er-

neuerung oder Verbesserung technischer

Produkte unter Anwendung neuer Ideen und

Techniken. Für den Ingenieur als dem ei-

gentlichen Verantwortlichen für die Durch-

führung von Innovationen muß diese Aus-

sage zu allgemein sein. Für ihn ist der dy-

namische Entwicklungsprozeß, der jeder In-

novation zugrundeliegt, wichtiger.

1. Am Anfang der hier betrachteten Inno-

vationen steht eine klar formulierte Auf-

gabenstellung. Ihr Inhalt bezieht sich auf

die Realisierung erweiterter Anforde-

rungen an ein bereits bestehendes Pro-

dukt. Die neuen Anforderungen können

sich aus der Zwangslage des Unterneh-

mens ergeben, ohne deren Realisierung

nicht mehr konkurrenzfähig zu sein oder

Marktführer zu bleiben oder zu werden.

Die Anforderungen sollten so hoch wie

möglich gesetzt werden, auch wenn da-

mit Zielkonflikte vorprogrammiert sind.

Auf das Entwicklungsteam wird so ein

großer Druck ausgeübt. Dadurch wird je-

doch das zur Verfügung stehende Ent-

wicklungspotential erweitert. Die beiden

folgenden folgenden Arbeitsschritte sind

vor dem Hintergrund zu sehen, daß für

jede neue technische Funktion zunächst

eine physikalische Begründung gefunden

werden muß. Sie ist der Ausgangspunkt

der technischen Realisierung dieser Funk-

tion.

Dabei wird angenommen, daß diese Ge-

dankengänge einer Innovationsstrategie ge-

folgt sind. Ihre Berücksichtigung hat erstens

den Vorteil, daß sie eine objektive Leitlinie

für den Entwicklungsingenieur ist, der sich

bei der Bearbeitung von Syntheseproble-

men, wie sie bei technischen Innovationen

im Vordergrund stehen, unsicher fühlt. Zwei-

tens ergibt sich eine geordnete und logische

Gliederung.

Dieser Prozeß beginnt an einem Ausgangs-

punkt mit der Erarbeitung der Aufgaben-

stellung und prägt sich immer differenzier-

ter aus, bis das gesteckte Ziel erreicht ist,

wenn er erfolgreich verlaufen ist.

Im Mittelpunkt stehen Denkvorgänge des

Entwicklungsingenieurs oder eines ganzen

Entwicklungsteams, die sich bei der Lö-

sungssuche im Kern nach der These richten

müssen, daß sich alle technischen Lösungen

oder Funktionen auf physikalische oder an-

dere naturwissenschaftliche Vorgänge

zurückführen und durch die Gesetze ihrer

Phänomene begründen lassen.

Die Denkabläufe sind abstrahierend orien-

tiert, wenn sie der Analyse folgen und de-

terminierend, wenn sie die Synthese betref-

fen [2].

MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 1

Technikgeschichte

Innovationsprozesse

2. Der Innovationsprozeß, der aufgrund der

Aufgabenstellung eingeleitet werden

muß, besteht zunächst aus einer Analy-

se. Dabei ist der aktuelle technische Stand

des Produktes festzuschreiben. Insbe-

sondere muß die für den Ablauf des In-

novationsprozesses wichtige Frage un-

tersucht werden, welche physikalischen

Abläufe das augenblickliche funktionale

Geschehen des Produktes bestimmen.

Das Ergebnis ist eine Abstraktion des rea-

len Produktes. Es ist sein aktuelles phy-

sikalisches Modell und leitet sich im Ide-

alfall von den Merkmalen ab, die inhalt-

lich zu den Gesetzen einer physikalischen

Theorie gehören. Das physikalische Mo-

dell soll das wahre physikalische Ge-

schehen, das sich in einem technischen

Wirkraum abspielt, so genau wie möglich

beschreiben. Fehlen Merkmale durch ei-

ne unzureichende Theorie, werden unter

Umständen wichtige Erkenntnisse ver-

hindert.

oder neues physikalisches Modell ge-

wonnen. Es ist das Modell des verbesser-

ten Produktes, das jetzt als Grundlage für

die Erarbeitung eines endgültigen kon-

struktiven Entwurfes dient. Erste geo-

metrische Konturen sind durch den Wirk-

raum des Modells bereits vorgegeben. Der

fünfte Schritt ist wie der dritte Schritt ei-

ne Synthese. Während seines Ablaufes

sind die Merkmale zu entdecken, die das

Produkt umfassend funktionstüchtig, fer-

tigungs- und montagereif, letztlich ko-

sten- und damit verkaufsoptimal gestal-

ten. Dieser Gestaltungsprozeß ist ähnlich

problembehaftet wie die Suche nach dem

aktuellen physikalischen Modell.

300E-24 im Mittelpunkt. Seine wichtigsten

Kenndaten, als Ergebnis des ersten Teils des

Innovationsprozesses, sind in der Tabelle zu-

sammengefaßt und denen seines Vorgän-

gers gegenübergestellt.

In der zweiten Entwicklungsstufe wird das

erste Anforderungsprofil zum Teil wieder

zurückgenommen. Ökologisch orientierte

Anforderungen treten in den Vordergrund.

Sie bedeuten die Abkehr von der rein lei-

stungsorientierten Motorenentwicklung. Es

geht jetzt verstärkt um die Minderung des

Geräuschpegels, Senkung des Brennstoff-

verbrauches, weniger Gewicht, geringere

Schadstoffemission und Schonung der Werk-

stoffressourcen durch Reduzierung der Rei-

bung. Die Maßnahmen, die dazu durchge-

führt werden, sind vielfältig. Am besten ge-

eignet ist die Reduzierung der Nenndreh-

zahl, weil diese Maßnahme kostengünstig

ist und allen Forderungen gerecht wird. Wie

die Tabelle zeigt, wird beim Motor M104 für

das Modell 320E die Nenndrehzahl von

6300/min auf 5500/min zurückgenommen,

die Nennleistung von 162 kW jedoch beibe-

halten. Es wird zusätzlich die maximale Aus-

nutzung des motorischen Kräftepotentials,

also möglichst hohes Drehmoment Md und

hoher Mitteldruck pe, im mittleren und un-

teren Drehzahlbereich verlangt. Ihre prakti-

sche Umsetzung, auf das Fahrzeug bezogen,

bedeutet eine höhere Beschleunigung aus

den unteren Drehzahlen heraus.

Diese Innovationsstrategie ist nicht nur auf

komplexe Entwicklungsprozesse wie die

Modifikation des Mercedes-Benz-Motors an-

wendbar. Auch einfache Produkte lassen

sich dadurch verbessern. Allen Anwen-

dungsfällen ist jedoch gemeinsam, daß ihre

Bearbeitung der gleichen Strategie folgt.

3. Der dritte Arbeitsschritt ist der erste Syn-

theseschritt des Entwicklungsprozesses.

Es setzt ein synthetischer Denkprozeß

ein. Dabei werden physikalische Begrün-

dungen für die geforderten Produktver-

besserungen gesucht. Erste Überlegun-

gen können, aufbauend auf den Erfah-

rungen, die aufgrund der Bearbeitung des

aktuellen physikalischen Modells erwor-

ben wurden oder bereits vorhanden sind,

zu folgenden Erkenntnissen führen:

– Die allgemeine Formulierung des ak-

tuellen Modells reicht aus, um durch

eine erweiterte Auswertung der Bezie-

hungen, in denen die maßgebenden

physikalischen Zustandsgrößen ste-

hen, aufgrund logischer Folgerungen

die geforderten Neuerungen zu ge-

winnen.

– Zur Erfüllung einer zusätzlichen Funk-

tion ist eine Erweiterung des Modells

durch weitere physikalische Phä-

nomene erforderlich. Das Entdecken

dieser Phänomene und ihre Assoziati-

on [3] mit der Problemstellung ist eine

Ingenieurleistung mit hoher Kreati-

vität, die den Erfolg einer Innovation

im wesentlichen bestimmt.

3 Die Entwicklungsstufen des

Mercedes-Benz-Motors M104

Der Innovationsprozeß des Motors M104

umfaßt, ausgehend von dem Vorgängermo-

tor M103, zwei Entwicklungsstufen mit je-

weils unterschiedlichen Anforderungspro-

filen. Bei der ersten Stufe steht die Entwick-

lung des M104 für das Automobilmodell

Tabelle: Merkmale der Entwicklungsstufen der Mercedes-Benz-Motors M104

Table: Characteristics of the developmental steps of the Mercedes-Benz-engine M104

Motor M103

Motor M104 (E-Klasse)

Vorgänger

1. Entwicklungsstufe

2. Entwicklungsstufe

des M104

Motortyp

M103 (300E)

M104 (300E-24)

M104 (320E)

(Einführung)

(Frühjahr 1985)

(Frühjahr 1989)

(Herbst 1992)

Hubraum V H

3 dm 3

3,2 dm 3

Hub s

80,2 mm

84 mm

Bohrung d

88,5 mm

89,9 mm

Einlaßventil-Ø

43 mm (1x)

35 mm (2x)

Auslaßventil-Ø

39 mm (1x)

31 mm (2x)

– verbess. Schwing-

rohraufladung

4. Verbesserungsvorschläge müssen in ei-

nem weiteren Analyseschritt durch theo-

retische Simulationen oder durch Expe-

rimente überprüft werden. Zeigen die

Verbesserungsvorschläge Schwächen,

muß der dritte Arbeitsschritt erneut voll-

zogen werden.

Innovationen

– vier Ventile

– Nockenwellenverst.

– Resonanzrohrauflad.

Nennleistung P n

132 kW

162 kW

bei Drehzahl n

5700/min

6300/min

5500/min

max. Drehmoment M d

255 Nm

265 Nm

310 Nm

bei Drehzahl n

4400/min

4600/min

3750/min

5. Wird der vierte Arbeitsschritt erfolgreich

abgeschlossen, hat man ein erweitertes

max. Mitteldruck p e

10,8 bar

11,2 bar

12,2 bar

bei Drehzahl n

4400/min

4600/min

3750/min

MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 1

Technikgeschichte

Innovationsprozesse

Der Innovationsprozeß des M104 folgt den

Arbeitsschritten der Innovationsstrategie. Er

beginnt mit der Analyse des technischen

Standes des Vorgängermotors M103 [4]. Eine

umfassende Analyse wäre zu aufwendig. Es

genügt ein physikalisches Teilmodell auf-

zustellen, um daraus stufenweise vier Inno-

vationen, die Schwing-saugrohraufladung,

die Vierventiltechnik, die Nockenwellenver-

stellung und die Resonanzsaugrohraufla-

dung abzuleiten. Das Teilmodell ist das phy-

sikalische Modell des Ansaugtaktes, das sich

als der entscheidende Träger der Innovatio-

nen herausstellt.

mensionalen instationären Gasdynamik

schafft die Voraussetzung zur Realisierung

der Drehmoment- und Mitteldrucker-

höhung.

3.1.1 Aufbau des Motors

steht im Zünd-OT am Ende des Kompres-

sionshubes. Seine weiteren Triebwerksteile,

die Pleuelstange (12) und erste Kröpfung (13)

der Kurbelwelle, sind gut zu erkennen. Die

Kurbelwelle trägt rechts das Schwungrad (14)

und links das Kettenrad (15). Letzteres ist über

eine Rollenkette mit dem Kettenrad (16) auf

der Nockenwelle verbunden. Das zweite Ket-

tenrad (17) auf der Kurbelwelle gehört zum

Antrieb der Ölpumpe.

3.1.2 Motorische Kenngrößen

Bild 1 zeigt einen Längs- und Querschnitt des

Motors M103. Der dargestellte Querschnitt

verläuft durch den ersten Zylinder. An den

Zylinder schließt ein langgezogenes

Schwingsaugrohr (1) an. Das Schwingsaug-

rohr mit schräg eingesetztem Einspritzven-

til (2) legt zusammen mit dem Einlaßventil

(3) und Kolben (4) die Einströmcharakteri-

stik des Frischgases in den Zylinder fest. Die

Schwingsaugrohre aller sechs Zylinder mün-

den in einen Verteilerbehälter (5), der in sei-

ner Mitte eine nach oben führende An-

saugleitung (6) besitzt. An deren Ende sitzt

ein großflächiger Luftfilter (7). Im Innern der

Ansaugleitung befindet sich an unterer Stel-

le die Drosselklappe. Auslaßventil (8), Aus-

laßkanal des Zylinderkopfes und Auslaß-

krümmer (9) realisieren den Ausströmvor-

gang des Abgases. Einlaß- und Auslaßventil

werden durch je einen Nocken der Nocken-

welle (10) über Kipphebel (11) geöffnet und

geschlossen. Der Kolben des ersten Zylinders

Damit die motorischen Kenngrößen logisch

zugeordnet werden können, muß ein Teil-

ausschnitt des physikalischen Geschehens

im Motor näher betrachtet werden. Dabei

wird vom Konkreten zum Abstrakten über-

gegangen. Aufgedeckt werden soll das phy-

sikalische Modell des Ansaugtaktes. Dadurch

können die Gründe gefunden werden, die zu

den Innovationen geführt haben.

3.1 Analyse:

Technischer Stand des Motors

Zur Teilanalyse des Motors M103 wird von

den wichtigsten Bauteilen ausgegangen und

davon das physikalische Modell des An-

saugtaktes abstrahiert. Theoretische Grund-

lage des Teilmodells sind nicht allein die Ge-

setze der Thermodynamik, weil sie zu all-

gemein formuliert sind, um das wirkliche

Geschehen des Ansaugtaktes so genau zu

beschreiben. Erst die Ergänzung der theore-

tischen Basis durch die Gesetze der eindi-

Bevor mit der Erarbeitung des Modells be-

gonnen wird, ist der Ansaugtakt zunächst in

seinen motorischen Zusammenhang zu stel-

len. Mathematische Beziehungen beschrän-

ken sich auf die Angabe einfacher Abhän-

gigkeiten physikalischer Größen. Die Funk-

Bild 1: Längs- und Querschnitt des Sechszylinder-Motors M103 (300E)

1 Schwingsaugrohr, 2 Einspritzventil, 3 Einlaßventil, 4 Kolben, 5 Verteilerbehälter, 6 Ansaugleitung, 7 Luftfilter, 8 Auslaßventil, 9 Auslaßkrümmer,

10 Nockenwelle, 11 Kipphebel, 12 Pleuelstange, 13 erste Kröpfung der Kurbelwelle, 14 Schwungrad, 15 Kettenrad (Antrieb Kettenrad auf Nocken-

welle), 17 Kettenrad (Antrieb Ölpumpe)

Fig. 1: Longitudinal and cross-section of the six-cylinder engine M103 (300E)

1 ram manifold, 2 injection valve, 3 intake valve, 4 piston, 5 plenum chamber, 6 intake manifold, 7 air cleaner, 8 exhaust valve, 9 exhaust manifold,

10 camshaft, 11 rocker arm, 12 connecting rod, 13 first throw of the crankshaft, 14 flywheel, 5 sprocket wheel, 16 sprocket on camshaft, 17 sprocket (oil

pump drive)

MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 1

Technikgeschichte

Innovationsprozesse

Bild 2: Kenn-

linie P e = f(n)

und M d = f(n)

des Motors

M103 (300E) bei

Vollast

Fig. 2: Character-

istic curves P e

f(n) and M d =

f(n) of the en-

gine M103 (300E)

at full load

die zu diesem Mitteldruck gehört, wirkt als

Aktionskraft und leistet dann die gleiche Ar-

beit wie das äußere Drehmoment M d

während zweier Kurbelwellenumdrehun-

gen. Liegt also das Drehmoment M d durch

Messung vor und ist der Hubraum V H gege-

ben, so läßt sich p e berechnen. Der in Bild 3

eingetragene Mitteldruckverlauf des Motors

M103 bei Vollast ist auf diese Weise be-

stimmt worden.

Andererseits läßt sich der Mitteldruck auch

aus einer Integralbeziehung, in der der wah-

re Verlauf des Zylinderdruckes p z über dem

ganzen Arbeitsspiel berücksichtigt wird, ab-

leiten. Allerdings muß von diesem Mittel-

wert noch der Reibungsdruck p R abgezogen

werden, um p e zu erhalten. Daraus ist der

Schluß zu ziehen, daß der Mitteldruck p e und

nicht das Drehmoment M d die zutreffende

Größe ist, wenn es um die Beurteilung der

Kraftentfaltung des Motors geht, da nur er

in unmittelbarer Beziehung zum realen Zy-

linderdruckverlauf steht.

tion eines Fahrzeug-Ottomotors ist die Um-

setzung des zugeführten Brennstoffes in

Wärme und schließlich in mechanische An-

triebsenergie mit möglichst hohem Wir-

kungsgrad. Wie gut sie ausgeführt wird, läßt

sich durch Kenngrößen quantitativ beurtei-

len. Die Nutzleistung P e und das Drehmo-

ment M d kennzeichnen die Funktion des Ot-

tomotors unmittelbar. Für den Viertaktmo-

tor gilt zwischen den Größen P e und M d die

Größengleichung

(2)

Eine erste wichtige Schlußfolgerung läßt

sich bereits jetzt für die erste Stufe der Wei-

terentwicklung des M103 ziehen. Die Forde-

rung, seine Nennleistung von 132 kW bei

5700/min auf 162 kW bei 6300/min zu er-

höhen, gelingt nur, wenn ein Drehmoment

von M d = 243 Nm bei einer Drehzahl von

6300/min bereitgestellt wird. Da eine Ver-

größerung des Hubvolumens ausgeschlos-

sen bleibt, muß versucht werden, den Mit-

teldruck auf 10,4 bar zu erhöhen. Das be-

deutet gegenüber dem bisher erreichten p e

von 8,25 bar bei 6300/min eine Erhöhung

um 26 %. Die Lösung dieses Problems gelingt,

wenn zunächst in einer weiteren Abstrakti-

Dabei steht z für die Anzahl der Zylinder, V h

für das Volumen eines einzelnen Zylinders.

Die wichtigste Kenngröße ist p e . Sie ist al-

lerdings nur eine rechnerische und keine

physikalische Größe. p e läßt sich als der Zy-

linderdruck deuten, der mit konstanter

Größe auf die Kolbenfläche während eines

Kolbenhubes s des vier Takte umfassenden

Arbeitsspieles wirkt. Die konstante Gaskraft,

(1)

Dabei ist n die Drehzahl der Kurbelwelle in

der Zeiteinheit. 2 πn ist ihre Winkelge-

schwindigkeit und gibt die vollen Winkel-

umdrehungen 2π eines Kurbelzapfens in der

Zeiteinheit an. Die Kennlinien p e =f(n) und

M d =f(n) des Motors M103 bei Vollast sind in

Bild 2 dargestellt. Besonders herausgestellt

sind die Nennleistung P n und das maxima-

le Drehmoment M dmax . Sie wurden durch

Prüfstandsmessungen ermittelt.

Durch schrittweise Abstraktion des Begrif-

fes Drehmoment wird ein erster Eindruck

von dem komplexen physikalischen Hin-

tergrund vermittelt, auf den sich das moto-

rische Funktionsergebnis in Bild 2 zurück-

führen läßt. Zunächst ist das Drehmoment

M d direkt proportional zum Gesamthu-

braum des Motors und dem effektiven Mit-

teldruck p e . Die entsprechende Größenglei-

chung lautet

Bild 3: Kennlinie p e = f(n) des Motors M103 (300E) bei Vollast

Fig. 3: Characteristic curves p e f(n) of the engine M103 (300E) at full load

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Technikgeschichte

Innovationsprozesse

onsstufe die speziellen Größen festgestellt

werden, von denen der Mitteldruck abhängt.

Diese sind der Liefergrad λ l , der innere Wir-

kungsgrad η i , der mechanische Wirkungs-

grad η m , die Dichte ρ o der angesaugten Luft

bei genormtem Außenbedingungen und der

Gemischheizwert H G .

ihren Umgebungszustand auf dem Weg

über die Einlaßkanäle in den Zylinder bei-

behalten könnte. Die Masse m L ist jedoch am

Ende des Ansaugtaktes in der Regel geringer

als die Masse m L0 . Schuld daran sind die Er-

wärmung der eingeströmten Luft im Zylin-

der und im Ansaugkanal sowie die Druck-

verluste, die vor allem beim Durchfluß der

Luft durch das enge Einlaßventil entstehen.

Höhere Temperatur und niedrigerer Druck

der angesaugten Luft haben bei selbstan-

saugenden Motoren zur Folge, daß der Lie-

fergrad im allgemeinen kleiner eins ausfällt.

Dank der Verbesserungen ist es gelungen,

den Liefergrad auf Spitzenwerte größer eins

zu bringen und in der Serienfertigung ein-

zuhalten, obwohl die eingespritzte Kraft-

stoffmasse ebenfalls ihren Teil am Hubvo-

lumen beansprucht. Dieser ist jedoch gering.

Dieser Zusammenhang läßt sich in Form ei-

ner einfachen Größengleichung schreiben:

Bild 4: Instationärer Einströmvorgang durch

das Einlaßventil

Fig. 4: Unsteady inflow through intake valve

(3)

Dies ist die Motorhauptgleichung und gibt

in übersichtlicher Form eine Orientierungs-

hilfe, wo anzusetzen ist, um den Mitteldruck

zu erhöhen. Es würde zu weit führen, alle

Faktoren dieser Gleichung in gleichem Um-

fang zu erläutern und ihre Bedeutung für ein

höheres p e herauszustellen. Da es hier in er-

ster Linie um die Begründung der vier In-

novationen geht, und alle vier zur Erhöhung

des Liefergrades λ l beitragen, soll nur dieser

ausführlicher besprochen werden.

konstanten R durch ihren Druck p und die

Temperatur T im Querschnitt A ersetzen, so

daß für Gl. (5) auch geschrieben werden

kann:

Im Nachhinein betrachtet, war es nicht all-

zu schwierig, diese Innovationen zu ver-

wirklichen, denn mit der instationären Gas-

dynamik steht eine Theorie zur Verfügung,

die es erlaubt, den wahren Ablauf des phy-

sikalischen Geschehens während des An-

saugtaktes recht genau zu beschreiben. Dar-

aus lassen sich sichere Erkenntnisse ablei-

ten, wie ein höherer Liefergrad und ein

größerer Mitteldruck erreicht werden kön-

nen.

3.1.3 Die physikalischen Basisgrößen des

Liefergrades

(6)

Dabei wird vorausgesetzt, daß dort die Strö-

mung eindimensional verläuft. Da im

Schwingsaugrohr der Massenstrom auch

vom Ort X abhängt, bestimmt m x (t) an einer

beliebigen Stelle X nicht die Masse m L , die

unmittelbar durch das Ventil in den Zylin-

der eintritt und den Liefergrad dort festlegt.

Dazu müssen die Funktionen u = u xI (t), p =

p xI (t) und T = T xI (t) unmittelbar vor dem Ven-

til an der Stelle X I bekannt sein, Bild 4. Die

Eindimensionalität der Strömung ist bei X I

streng genommen nicht mehr erfüllt, da die

Drosselstrecke der Ventilströmung mit ihrer

ausgeprägten Ablöse- und Wirbelzone eine

Störstelle darstellt. Die Drosselstrecke wird

jedoch als beliebig kurz angenommen, so

daß eindimensional und instationär bis vor

das Einlaßventil, also bis an die Stelle X I , ge-

rechnet wird.

Dazu wird das Produkt η i · η m in Gl. (3) zum

Nutz-Wirkungsgrad η e zusammengefaßt.

Der Nutz-Wirkungsgrad ist, verglichen mit

dem Liefergrad, die wichtigere Größe, da er

mehr Einfluß auf die Mitteldruckerhöhung

hat, denn mit einem höheren Nutz-Wir-

kungsgrad ist nicht nur ein höherer Mittel-

druck, sondern auch eine Brennstoffver-

brauchssenkung verbunden. Gleiches läßt

sich vom Liefergrad nicht allgemeingültig

sagen. Selbstansaugende Ottomotoren er-

reichen Nutz-Wirkungsgrad-Bestwerte von

0,34 bei einem spezifischen Brennstoffver-

brauch von 250 g/kWh. Bei den Arbeiten zur

Erhöhung des Nutz-Wirkungsgrades steht

neben der Verbesserung des mechanischen

Wirkungsgrades die Optimierung des Ar-

beitstaktes im Mittelpunkt. Dies gestaltet

sich äußerst mühsam und zeitaufwendig, da

die theoretische Aufarbeitung der komple-

xen physikalischen und chemischen Abläu-

fe dieses Taktes noch nicht differenziert ge-

nug gelungen ist. Entwicklungsarbeiten er-

folgen daher überwiegend durch Versuche

(Methode des „trail and error“).

Bevor die besondere Analyse des M103 mit

Hilfe eines physikalischen Modells gelingt,

sind zunächst in einer letzten Abstrakti-

onstufe die physikalischen Basisgrößen, von

denen der Liefergrad und die Masse m L ab-

hängen, festzustellen. Es ist dann aber erst

ein kleiner, allerdings ausreichender Aus-

schnitt der physikalischen Grundlagen sicht-

bar gemacht, auf denen die motorischen

Funktionsgrößen Leistung und Drehmo-

ment beruhen.

Sind die gasdynamischen Zustandsgrößen

u, p und T in jedem Zeitpunkt des Ansaug-

taktes an der Stelle X I des Schwingrohres ge-

geben, so ist auch die zeitliche Abhängigkeit

des Massenstroms m xI (t) bekannt. Mit m xI (t)

ist die den Liefergrad bestimmende Luft-

masse m L mit folgender Gleichung festge-

legt:

Nach Schließen des Einlaßventils befindet

sich die Luftmasse m L als feste Größe im Zy-

linder. Sie hängt von dem Massenstrom ab,

der während der Öffnungszeit des Ein-

laßventils aus dem Schwingsaugrohr durch

das Einlaßventil in den Zylinder eintritt. Bei

instationärer Strömung bezeichnet m x (t) die

Masse, die in der Zeiteinheit durch den Quer-

schnitt A an der Stelle X eines glatten Roh-

res strömt, Bild 4 . Mit der Teilchenge-

schwindigkeit u x (t), der Dichte ρ x (t) und dem

Querschnitt A ergibt sich folgende Gleichung

für den Massenstrom:

Bei der Optimierung des M104 steht jedoch

der Liefergrad im Mittelpunkt. Der Lieferg-

rad ist eine Verhältniszahl und gibt das Ver-

hältnis der Luftmasse m L , die vom Kolben

während des Ansaugtaktes angesaugt wird,

zur Masse m L0 an:

(7)

Wegen der Abhängigkeit m xI von der Zeit t

muß eine Integration von m xI (t) über dem In-

tervall [t 1 , t 2 ] durchgeführt werden. Im Zeit-

punkt t 1 öffnet das Einlaßventil (EÖ), bei t 2

schließt es (ES).

(4)

(5)

V h · ρ o = m L0 ist die Luftmasse, die das Hub-

volumen aufnehmen würde, wenn die Luft

Viel wichtiger als der Ablauf des Integrati-

onsverfahrens ist die Feststellung, daß es auf

Die Dichte der Luft läßt sich mit der Gas-

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