Innovationen für Zylinderköpfe im Gasmotorenbereich

Abstract

Due to the generally rising costs in combination of declining electricity feed-in tariffs, especially in the sector for combined heat and power (CHP) plants, the market requires reduced maintenance costs, higher efficiency and lower emissions of the gas engines to maintain and / or increase the cost-benefit factor. The aim of this master thesis is to design a new, innovative model of the outdated cylinder head for the Jenbacher gas engine Type 3, in order to respond to these demands of the market. Firstly, the historical and current milestones of gas engines are described, before the theoretical principals of the cylinder head are dealt with. Thereby, the main focus lies on the design, the materials, the casting process, the production and the thermal and mechanical stresses. Subsequently, the development and design process of the reengineered two-valve cylinder head is explained in detail. Features like the casting optimization, including optimizations such as the casting-included spark plug sleeve for better cooling conditions of the spark plug, a new water jacket for better cooling of the fire deck (“double deck design”) and the up-to-date wall thickness optimization are described. Because of the low margin contribution of the reengineered two-valve cylinder head, the project was never realized. Instead, the design of a four-valve cylinder head (project name "Archon") was expedited. By extending the existing cylinder head to four valves, significant increases in efficiency were achieved, mainly due to the central position of the spark plug and the associated shorter flame paths, as well as the optimized gas exchange. In order to minimize the conversion effort, the central requirement for the design is the maintenance of the connection positions in order to ensure a smooth change of the cylinder head at the assembly unit. The realization of the Archon cylinder head is scientifically documented in this master thesis, beginning with the basic design, to the computer-assisted analysis up to the analyses at the prototype. In order to achieve the present result, state of the art methods such as CFD, FE, combustion analysis as well as tumble and flow measurements were used. The entire design was executed with the CAD system CATIA V5 R19. As an outcome of the innovations, the new Archon cylinder head results in a calculated increase in theoretical efficiency of 2.5%.

Durch allgemein steigende Kosten bei gleichzeitig sinkenden Stromeinspeisetarifen speziell auf dem Sektor für Blockheizkraftwerke (BHKW), verlangt der Markt reduzierte Wartungskosten, höhere Effizienz sowie geringere Emissionen der Gasmotoren, um den Kosten-Nutzen-Faktor beizubehalten bzw. zu steigern. Ziel dieser Arbeit ist es, ein neues innovatives Modell des in die Jahre gekommenen Zylinderkopfes für die Baureihe 3 der Jenbacher Gasmotoren zu entwickeln, um auf die Ansprüche des Marktes zu reagieren. Dabei werden zunächst die historischen und aktuellen Meilensteine der Gasmotoren sowie die theoretischen Grundlagen des Zylinderkopfes behandelt, wobei die Schwerpunkte bei der konstruktiven Auslegung, den Werkstoffen, den Gießverfahren, der Fertigung und den thermischen und mechanischen Belastungen liegen. Anschließend wird der Entwicklungsund Konstruktionsprozess des neu entwickelten Zweiventil-Zylinderkopfes im Detail dargelegt. Zunächst wird die Gussteiloptimierung mit Verbesserungen wie der mitgegossenen Zündkerzenhülse mit vorteilhafteren Kühlbedingungen für die Zündkerze, einer neuen Kühlwasserführung zur besseren Kühlung des Feuerdecks in Doppeldeckausführung sowie die Gusswandstärkenoptimierung nach dem Stand der Technik beschrieben. Hinsichtlich des geringen Deckungsbeitrages des verbesserten Zweiventil-Zylinderkopfes wurde das Projekt schließlich nicht realisiert, stattdessen jedoch die Umsetzung eines Vierventil-Zylinderkopfes (Projektname „Archon“) vorangetrieben. Durch die Erweiterung des bestehenden Zylinderkopfes auf vier Ventile lassen sich vor allem durch die zentrale Position der Zündkerze und der damit verbundenen kürzeren Flammwege, sowie durch den optimierten Ladungswechsel erhebliche Wirkungsgradsteigerungen erzielen. Um den Umbauaufwand zu minimieren, ist die zentrale Forderung bei der Konstruktion die Beibehaltung der Anschlussmaße, um einen reibungslosen Wechsel des Produkts am Aggregat zu gewährleisten. Die Realisierung des Archon-Zylinderkopfes von der Grundauslegung, über die rechnergestützten Analysen bis hin zu den Analysen am Prototypen sind in dieser Arbeit wissenschaftlich dokumentiert. Zur Erreichung des Ergebnisses wurden modernste Tools wie CFD, FEM (Finite-Elemente-Methode), Verbrennungsanalyse sowie Drallund Durchflussmessungen eingesetzt. Die gesamte Konstruktion wurde mit dem CAD-System CATIA V5 R19 durchgeführt. Durch die Innovationen ergibt sich mit dem neuen Archon-Zylinderkopf eine theoretische Wirkungsgradsteigerung von 2,5%.