Ansatz zur Festigkeitsbewertung von Großmotorventilen durch Simulation der Ventilsekundärdynamik

Abstract

Ladungswechselventile von Großmotoren können eine stark ausgeprägte Sekundärdynamik in Form einer Biegeschwingung des Ventilschaftes während der Öffnungsphase aufweisen. Experimentelle Befunde zeigen, dass die Biegung der Ventile aus einer erheblichen Krafteinwirkung auf diese resultiert. Aus den großen Auslenkungen des Ventils resultiert ein unsymmetrisches Aufsetzen der Ventile auf dem Ventilsitzring. Dies führt zu großen Lasten in der Ventilhohlkehle. Bisherige Mehrkörpersimulationsmodelle des Ventiltriebs zur Auslegung der Nockenkontur beinhalten lediglich eine axiale Steifigkeit des Ventils. Dem gegenüber liegt der Fokus in der vorgestellten Arbeit auf der Abbildung der Sekundärdynamik der Ventile um die vorliegenden Lasten für die nachfolgende Festigkeitsbewertung bestimmen zu können. Dazu wird ein Einzelventilmodell mit einer umfassenderen Modellierungstiefe aufgebaut.

Dieses Modell soll ermöglichen, die Ventildynamik mit allen hierfür notwendigen physikalischen Abhängigkeiten abzubilden. Das Modell umfasst die Ventilführung, den Ventilsitz, das elastische Ventil und die Ventilfedern. Es können verschiedenste Einflüsse und Anregungen auf das Ventil aufgeprägt und überprüft werden. Die Modellantwort kann dabei sowohl axial als auch quer zur Ventilachse erfolgen.

Beispiele für zu untersuchende Anregungen sind Kraftwirkung auf das Ventil durch Strömungskräfte im Zylinder, ein schiefer Ventilsitz aufgrund thermisch induzierter Verformungen im Zylinderkopf oder eine exzentrisch eingeleitete Öffnungskraft durch geometrische Abweichungen. Zur Validierung des Modells stehen Messergebnisse der Ventildehnung am Ventiltellerradius zur Verfügung. Gezeigt werden neben dem Modellierungsansatz der Einfluss unterschiedlicher Modellierungstiefen und die Qualität der Ansätze anhand von Rechnungs-Messungs- Vergleichen.