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1 Einleitung

Ziel der Entwicklungsarbeiten für die neueMotorenbaureihe der Anglo Belgian Corpo-ration (ABC) war es, dem Kunden ein deut-lich erweitertes Spektrum an Motorleis-tung in den Anwendungsgebieten Schie-nenfahrzeuge, Schlepper und Seeschiffe, so-wie Stationäranwendungen bieten zu kön-nen. Dabei sollte die Beibehaltung der be-währten Attribute Zuverlässigkeit, Robust-heit und Langlebigkeit, plus das für denKunden attraktive Kosten-Nutzenverhält-

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Die neue V12- und V16-Motorenbaureihe derAnglo Belgian CorporationDer belgische Motorenhersteller Anglo Belgian Corporation hat kürz-lich eine neue Motorenbaureihe mit V12- und V16-Varianten in denMarkt eingeführt, die ein deutlich erweitertes Spektrum an Motorleis-tung in den Anwendungsgebieten Schienenfahrzeuge, Schlepper undSeeschiffe sowie Stationäranwendungen bieten sollen. Die neue Baurei-he baut auf Grundkomponenten der bereits etablierten Reihenmoto-ren 6 DZ und 8 DZ auf. In der Konstruktions- und Entwicklungsphasewar die FEV Motorentechnik GmbH für Konstruktion und Berechnungder Motoren eingebunden. An der Universität Gent wurden ebenfallsBerechnungsarbeiten durchgeführt, sowie Prüfstandsuntersuchungenvorbereitet.

Der V12-Prototypmotor

V12 prototype engine

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nis der Reihenmotoren oberste Priorität ha-ben.

Um diese Ziele umsetzen zu können, wurdeeine V-Motorenbaureihe gewählt, die aufden Basiskomponenten der Reihenmotorenaufbaut. Alle neuen Komponenten der V-Motoren wurden so ausgelegt, dass einespätere Weiterentwicklung für höhere Leis-tungen, verbesserte Emissionen oder neueKontroll- und Einspritzsysteme möglich ist.In diesem Bericht werden die wichtigstenKonstruktionsmerkmale der neuen V-Mo-torenbaureihe beschrieben. Außerdemwerden Berechnungsergebnisse vorge-stellt, um die Potenziale der neuen Motorenzu verdeutlichen. Die gesamte Entwicklungder V-Motoren wurde mit Hilfe von mo-dernsten CAE-Werkzeugen begleitet, um ei-nerseits die Entwicklungszeit zu verkürzenund andererseits eine bestmögliche Absi-cherung der angestrebten Zielwerte bei mi-nimalem Testaufwand zu erreichen.

Im Rahmen der V12- und V16-Motorent-wicklung war das Ziel, die gleiche Zylinder-leistung zu erreichen, die bereits von denexistierenden Sechs- und Achtzylinder-Rei-henmotoren bekannt ist [1]. Vorgabe war,so viele Gleichteile wie möglich vom Rei-henmotor zu übernehmen. Deshalb wur-den die Zylindereinheiten mit Zylinder-kopf, Kolben, Laufbuchse, Ventiltrieb undEinspritzsystem übernommen, währendalle neuen Komponenten für 20 % Leis-tungssteigerung ausgelegt wurden.

Die Tabelle zeigt die wichtigsten techni-schen Daten der neuen Motorenbaureihe.

2 Motorkonzept

Das neue V-Motorenkonzept, dessen Quer-schnitt in Bild 1 zu sehen ist, ist für ein brei-tes Anwendungsspektrum in den GebietenLokomotivantriebe, Schiffsanwendungenund Stationäranwendungen konzipiert.Die vom Reihenmotor her bekannte Flexibi-lität ermöglicht einen Gebrauch in diesenBereichen. Mit dem gleichen Zylinderab-stand der Reihenmotoren ergibt sich eineähnliche Gesamtlänge. Der V-Winkel von45 ° führt zu einer Gesamtbreite von 1650mm. Dies ist besonders für den Lokomotiv-einsatz ein sehr guter Wert.

Ein leichter Zugang zu allen Teilen, die re-gelmäßig kontrolliert oder gewartet wer-den müssen, war ein Hauptentwicklungs-ziel.

Die Verwendung der Reihenmotor-Zylin-

derköpfe mit integrierten Ein- und Auslass-kanalstutzen (im V liegend) zusammen mitden segmentförmigen Rohren für Ein- undAuslasssystem ermöglichen eine sehr ein-fache Demontage der Zylindereinheit. DiePleuelstange kann durch die Zylinderlauf-buchse ausgebaut werden. Um eine einfa-che Wartung gewährleisten zu können, be-finden sich die Einspritzpumpen undStößelstangen für den Ventiltrieb an denAußenseiten des Kurbelgehäuses.

Durch große Öffnungen an beiden Seitendes Kurbelgehäuses ist ein guter Zugang zuden Einzel-Nockenwellenteilen gesichert.An beiden Seiten sind auf Kurbelwellen-höhe große Inspektionsdeckel, welchekomplett frei sind von Leitungen und ande-ren Bauteilen. Dadurch ergibt sich ein guterZugang zu den Austauschteilen des Kurbel-triebs. Die schwungradseitige Konsoledient neben der Aufnahme des Ladeluft-kühlers und der beiden Turbolader als Lade-

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Dipl.-Ing. Hermann-JosefEcker ist AbteilungsleiterKonstruktion Dieselmotorenbei der FEV MotorentechnikGmbH.

Prof. Dr. Ir. Roger Sierens ist Leiter des „Laboratory of TransportTechnology“ der UniversitätGent, Belgien.

Ir.Tim Berckmoes istTechnischer Direktor derAnglo Belgian Corporation.

Dipl.-Ing. Erwin Reichertist Senior Engineer in derAbteilung KonstruktionDieselmotoren der FEVMotorentechnik GmbH.

Ir. Luc Duyck ist Geschäftsführer der Anglo Belgian Corporation.

Die Verfasser

Zylinderanordnung V12/V16

V-Winkel 45°

Bohrung 256 mm

Hub 310 mm

Zylinder-Mittenabstand 380 mm

Bankversatz 76 mm

Motorlänge 4180 mm für V124940 mm für V16

Motorbreite 1650 mm

Motorhöhe 2500 mm

Nenndrehzahlen 720, 750, 800, 900, 1000/min

Zylinderhubvolumen 15,96 l pro Zylinder

Motorhubvolumen 191,4 l für V12255,2 l für V16

Verdichtungsverhältnis 12,1:1

Nennleistung 2650 KW für V123536 KW für V16

Tabelle: MotordatenV12- und V16-Motorenbaureihe

Table: Main engineparameters

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luftführung vom Kühler zum Einlasssam-melrohr im V-Raum des Motors.

Das Gehäuse für den Rädertrieb derNockenwelle ist in das Kurbelgehäuse inte-griert. Der Zugang zu den Zahnrädern wirdüber große seitliche Öffnungen gewährlei-stet. Der separate Räderkasten am vorderenEnde des Motors beinhaltet den Pumpen-trieb, sowie die Aufnahme für Öl-, Kraft-stoff- und Wasserpumpe. Eine über demRäderkasten montierte Konsole dient derAufnahme des Ölkühlers, der Steuereinheit,der Öl- und der Kraftstofffilter. Diese Kon-sole beinhaltet auch integrierte Öl- undWasserdurchtritte, Bild 2.

Je zwei benachbarte Pleuelstangen für dieZylinder-Bänke A und B sind an einem ge-meinsamen Kurbelzapfen angebaut, Bild 1.Dies führt zu einem Bankversatz von 76mm zwischen linker und rechter Zylinder-bank. Sowohl das Schwungrad als auch derDrehschwingungsdämpfer werden an in-tegrierten Kurbelwellenflanschen ange-schraubt. Alle neuen V-Motorenkompo-nenten sind für einen Spitzendruck von 150bar im Dauerbetrieb ausgelegt.

Kurbelwellenberechnungen wurden nachden Vorgaben der Klassifikationsgesell-

über einen schwungradseitig angeordne-ten Regler und beidseitig an den Zylinder-bänken angeordnete Regelstangen ge-währleistet. Eine Verbindung zwischen lin-ker und rechter Bank sichert eine synchro-ne Regelung für beide Zylinderbänke.

3.2 Ein- und Auslasssystem

Für die beiden V12- und V16-Motoren sindjeweils zwei Turbolader vorgesehen. Vonden Turboladern, die schwungradseitigoberhalb des Ladeluftkühlers angeordnetsind, wird die Ladeluft durch einen inte-grierten Kanal in der Kühlerkonsole zurEinlass-Sammelleitung geführt.

Das Ladeluftvolumen im V-Raum des Kur-belgehäuses wird durch einen Deckel ander Oberseite verschlossen. Durch Einzel-krümmer, die mit den Zylinderköpfen ver-schraubt und auf den Deckel der Sammel-leitung gepresst werden, strömt die Lade-luft durch den Einlasskanal und zwei Ein-lassventile in den Brennraum.

Das Abgas verlässt den Zylinderkopf überzwei Auslassventile durch angeschraubteEinzelkrümmer, die jeweils mit einer Ab-gasleitung verbunden sind. Diese Leitun-gen sind aus einzelnen Segmenten für je-den Zylinder zusammengebaut und mitKompensatoren verbunden, die thermischeDehnungen ausgleichen können. DieseKonstruktion führt zu einer sehr kosten-günstigen und servicefreundlichen Lösung.

Um das Ein- und Auslasssystem für die V-Motoren zu optimieren, wurden Berech-nungen mit dem eindimensionalen Gas-

wechsel-Berechnungsprogramm

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Bild 1:V-Motor-Querschnitt

Figure 1:V-Engine cross section

Bild 2: CAD-Modell des V12-Motors

Figure 2: CAD-model of V12 engine

schaften durchgeführt, andere wichtigeMotorkomponenten wurden mit Hilfe vonFE-Analysen optimiert. Für die Optimie-rung des Ein- und Auslasssystems wurdedas eindimensionale Gaswechsel-Berech-nungsprogramm PROMO eingesetzt. Alleneuen und modifizierten Motorteile wur-den im 3D-CAD-System I-DEAS konstruiert,um möglichst genaue Zusammenbauana-lysen und Packageuntersuchungen durch-führen zu können.

3 Motorsysteme

3.1 Kraftstoffsystem

Die motorgetriebene Zahnradpumpe leitetden Kraftstoff vom externen Kraftstofftankdurch den Duplexfilter mittels externerKraftstoffleitung zu den verschiedenen Ein-spritzpumpen. Die Pumpe ist am vorderenRäderkasten montiert, der Filter befindetsich an einen multifunktionalen Halteroberhalb des Pumpenräderkastens am vor-deren Ende des Motors.

Jeder Zylinder ist mit einer eigenen „LucasBryce“-Einspritzpumpe ausgestattet. Einerelativ kurze Hochdruckleitung führt denTreibstoff zum zentral im Zylinderkopf ge-legenen Düsenhalter. Die Einspritzpumpenwerden durch die Nockenwelle über dengleichen Rollenstößel angetrieben, derschon vom Reihenmotor bekannt ist. Die

Regelung der Kraft-stoffmenge wird

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PROMO bei der FEV durchgeführt, Bild 3. Imersten Schritt wurden die Berechnungenfür den Sechszylinder-Reihenmotor durch-geführt, dabei wurde das Rechenmodellmit den gemessenen Daten des Serienmo-tors kalibriert. Basierend auf diesen Ergeb-nissen wurde der V12-Ladungswechsel op-timiert, Bild 4.

Wie die Ergebnisse zeigen, konnte das La-dungswechselsystem des V12-Motors rela-tiv genau an den R6-Motor angepasst wer-den. Dadurch ergeben sich gleiche Zylinder-

leistungen bei beiden Motorkonzepten.

3.3 Schmiersystem

Je nach Anwendungsfall können die Moto-ren mit konventioneller Ölwanne oder miteiner Trockensumpfschmierung ausgerüs-tet werden. Im Fall der Trockensumpf-schmierung ist der Motor mit zwei gleichenÖlpumpen ausgerüstet, diese arbeiten al-lerdings mit unterschiedlichen Drehzahlen.Die Saugpumpe entfällt bei Motorvarian-ten mit konventioneller Ölwanne.

Das am vorderen Ende befindliche Über-druckbegrenzungsventil regelt denSchmieröldruck. Drei Filterpatronen imHauptstrom gewährleisten die Schmieröl-filterung, zusätzlich wird ein Zentrifugal-filter im Nebenstrom betrieben.

3.4 Kühlsystem

Der Motor verfügt über einen geschlosse-nen Kühlkreislauf mit Thermostatrege-lung. Zwei gleichgroße parallel geschalteteWasserpumpen (Gleichteile des Reihenmo-tors) liefern den erforderlichen Kühlmittel-strom. Die Pumpen sind am vorderen Endedes Motors montiert.

Die Wasserpumpen fördern das Wasserdurch einen integrierten Kanal der Öl-kühlerkonsole zum eingegossenen Wasser-kanal im V-Raum des Kurbelgehäuses. Vonhier werden die einzelnen Zylinder indivi-duell versorgt. Vier Bohrungen je Zylinderin der Oberseite des Kurbelgehäuses ge-währleisten die Wasserzuführung zum Zy-linderkopf.

An jeder Zylinderbank ist eine Rücklaufleit-leitung an der Oberseite des Motors mon-tiert. Dort wird das Wasser aus den Zylin-dereinheiten gesammelt und zum Ther-

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Bild 3: Rechenmodell Ladungswechselsystem V12-Motor

Figure 3: Calculation model for V12 engine gas exchange system

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mostatventil geleitet, wo der Wasserstromaufgeteilt wird. Ein Teil der Kühlwasser-menge wird direkt der Saugseite der Was-serpumpen zugeführt, während der andereTeil zunächst über den externen Motor-kühler und dann über den Ladeluftkühlergeleitet wird. Anschließend führt eine Lei-tung, die in die Abdeckung des Ansaug-raums im Innen-V integriert ist, das Kühl-mittel zurück zu den Wasserpumpen.

3.5 Druckluft-Startsystem

Das Startsystem wirkt mit vorkomprimier-ter Luft direkt auf die Zylinder einer Bank.Das System wurde weitgehend vom Rei-henmotor übernommen. Durch die Haupt-luftleitungen wird die Startluft mit 30 barzu den Startventilen geleitet. Diese werdenüber einen Steuerdruck entsprechend derZündfolge des Motors aktiviert. Durch denLuftverteiler, der am vorderen Ende desMotors montiert ist und von der Nocken-welle angetrieben wird, erfolgt die Zumes-sung des Steuerdrucks zu den einzelnenStartventilen. Alternativ kann der Motormit einem elektrischen- oder pneumati-schen Startmotor über einen Schwungrad-zahnkranz gestartet werden.

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Bild 5:Analyse der Sicherheitsfaktoren an der Kurbelgehäuse-Schottwand

Figure 5: Safety factor analysis of crankcase structure

Bild 4: Ergebnisse Ladungswechselrechnung R6- und V12-Motor

Figure 4: Gas exchange calculation results R6 und V12 engine

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4 Hauptkomponenten des Motors

4.1 Kurbelgehäuse

Das einteilige Kurbelgehäuse mit Kurbel-raum und Zylindereinheiten wird aus ei-nem Lamellengraphitguss gefertigt. Einsteifes Zwischendeck, zusammen mit denhydraulisch angezogenen Hauptlager-schrauben und zusätzlicher Querverschrau-bung unterhalb der Kurbelwellenmitte,führt zu einer sehr steifen Kurbelgehäuse-struktur. Die Nockenwellenräume auf bei-den Seiten des Kurbelgehäuses sind so ge-staltet, dass die Einspritzpumpen undStößelstangen von der Oberseite eingebautwerden können. Unterhalb der Nockenwel-len werden die gebauten Hauptölgaleriendes Motors eingesetzt.

Das doppelte Kurbelwellenlager bildet aufder Schwungradseite mit den beiden Schott-wände den Räderkasten für den Nockenwel-lenantrieb. Der V-Raum zwischen den bei-den Zylinderbänken dient als Ladeluftlei-tung, die mit einem Deckel auf der Oberseiteverschlossen ist. Die Ladeluftleitung ist mitdem Ladeluftkühler verbunden, der an einerKonsole schwungradseitig befestigt ist.

Die Kurbelgehäuseauslegung wurde unter-stützt durch FE-Analysen, um die Schott-wand und Hauptlagerdeckelstruktur zu op-timieren. Die Struktur ist auf Dauerhaltbar-keit bei 150 bar Spritzendruck ausgelegt fürden Kurbelgehäusewerkstoff GG25, Bild 5.Weiteres Potenzial zur Belastungssteige-rung ergibt sich bei der Verwendung eineshöherwertigen Gusswerkstoffs.

Für die Optimierung der globalen Kurbel-gehäusesteifigkeit wurden mehrerenSchwingungsberechnungen mit komplet-ten 3D-FE-Modellen für die V12- und V16-Version durchgeführt. Die gewählte Ausle-gung der Kurbelgehäusestruktur führt zueiner Torsionseigenfrequenz, die einenmöglichst großen Abstand zu den auftre-tenden Anregungen aus der Zündfrequenzbei den möglichen Dauerdrehzahlen imMotorbetrieb hat.

Dadurch wird vermieden, dass die Gesamt-motorstruktur im Dauerbetrieb im Reso-nanzbereich angeregt wird, Bild 6.

4.2 Kurbelwelle

Die geschmiedete Kurbelwelle ist aus ei-nem Chrommolybdänstahl hergestellt. DieHaupt- und Hubzapfen sind induktivgehärtet. Das Zahnrad für den Nockenwel-lenantrieb ist aus zwei Teilen gefertigt undmit einem integriertem Flansch zwischenden beiden Hauptlagern auf der Schwung-radseite der Kurbelwelle verschraubt. Die-ser Flansch dient auch als eine Anlauf-fläche für das Kurbelwellendrucklager. Die-se bewährte Bauweise der ABC-Reihenmo-toren erlaubt es, den Schwungradflansch indie geschmiedete Kurbelwelle zu integrie-

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Bild 6: Kurbelgehäuseoptimierung durch Akustikberechnung

Figure 6: Crankcase optimisation by NVH-analysis

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ren, was zu einer kostengünstigen Lösungführt. Auf der freien Seite ist ein Flansch fürdie Installation eines Drehschwingungs-dämpfers vorgesehen. An dieser Seite derKurbelwelle können 100 % Kraftabnahmefür den V12 und 75 % Kraftabnahme für denV16 dargestellt werden.

Die Kurbelwellen sind mit angeschraubtenGegengewichten ausgerüstet, beim V12-Motor sind es zwölf Gewichte, beim V16Motor acht. Alle Kurbelwellenberechnun-gen sind entsprechend den Vorgaben derKlassifikationsgesellschaften ausgeführt.Formzahlen für die Kurbelwellengestal-tung wurden mittels FE-Berechnung ermit-telt, Bild 7. Kurbelwellen, Lager und Dämp-fer wurden zudem für extreme Betriebssi-tuationen, zum Beispiel Überdrehzahl,Zündaussetzer oder maximale Lagerspielebei maximalen Öltemperaturen, berechnetund ausgelegt.

4.3 Pleuelstange

Auch die Pleuelstange wird aus Chrommo-lybdänstahl geschmiedet. Kolben und Kol-benbolzen werden vom Reihenmotor über-nommen, daher ist die Gestaltung des klei-nen Pleuelauges ebenfalls unverändert. DieStruktur des großen Pleuelauges wurde mitHilfe der FE-Analyse für eine Leistungsstei-gerung von bis zu 20 % gegenüber den be-stehenden Reihenmotoren ausgelegt, Bild8. Der Teilungswinkel des großen Pleuelau-ges von 40°, bezogen auf die senkrechteAchse, ermöglicht einen Ausbau der Pleuel-stange durch die Zylinderlaufbuchse. EineVerzahnung zwischen den beiden Kontakt-

flächen an Lagerdeckel und Schaft ermög-licht eine genaue Positionierung beider Tei-le. Die zwei Stehbolzen für den Lagerdeckelwerden hydraulisch angezogen. Für dieKolbenkühlung wird das Öl durch eine Nutin den Lagerschalen und eine Bohrung, diedurch den Schaft geht, gefördert.

4.4 Zylinderkopf

Bei den V-Motoren kommt der Serienzylin-derkopf der Reihenmotoren unverändertzur Anwendung. Als Material wird ein le-gierter Lamellenguss (GG30) verwendet.Der Zylinderkopf ist über sechs Stehbolzenmit dem Kurbelgehäuse verschraubt. Die

zwei Ein- und Auslassventile sind um diezentral montierte Düse angeordnet. Die Ab-dichtung des Brennraumes ist durch eineflache Messingdichtung sichergestellt. Ein-und Auslasskanalflansch befinden sich aufder gleichen Seite des Zylinderkopfes (im V-Raum des Motors). Das Kühlwasser wirdvom Kurbelgehäuse durch vier Bohrungenin den Zylinderkopf gefördert. Ein einge-gossener Zwischenboden gewährleisteteine Zwangszirkulation des Kühlwassersentlang der Bodenplatte zu den thermischhoch belasteten Zonen, bevor es im Zylin-derkopf aufsteigt und schließlich in die ex-terne Abflussleitung fließt. Der Kraftstoffwird durch einen im Zylinderkopf gebohr-

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Bild 8: Strukturoptimierung der Pleuelstange mittels FE-Analyse

Figure 8: Connecting rod structure optimisation by FE-analysis

Bild 7: Strukturoptimierung der Kurbelwelle

Figure 7: Crankshaft structure optimisation by FE-analysis

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ten Kanal zu der zentral montierten Düsegefördert. Leckkraftstoff wird durch eineaußen liegende Leitung abgeführt.

4.5 Kolben

Der V-Motor wird mit dem Monoblock-Kol-ben (GGG) des Reihenmotors ausgestattet.Der Kolbenboden wird durch Spritzölgekühlt, das dem Kolben über die Pleuel-stange und den Kolbenbolzen zugeführtwird. Als Kolbenringe werden ein ver-chromter Top-Ring mit balliger Lauffläche,zwei Kompressionsringe mit konischerLauffläche und ein verchromter Ölabstreif-ring mit integrierter Spiralfeder verwendet.

5 Schlussbetrachtung und Ausblick

Mit den neuen V12- und V16-Motoren er-weitert ABC das Leistungsspektrum derverfügbaren Motorenpalette deutlich bis inden Leistungsbereich über 3500 kW. Be-dingt durch die Verwendung möglichst vie-ler bewährter Gleichteile aus den etablier-ten Reihenmotoren und durch die vorhan-denen Potenziale zur weiteren Leistungs-steigerung bei den neuen Teilen, ist eine at-traktive und robuste V-Motorenfamilie ent-standen. Mögliche Anwendungen werdensein: Küstenfrachter bis zu 10.000 t, Schlep-per bis zu 120 t Schubkraft, Fischerei-Schiffebis 60 m, Lokomotiven bis zu 3500 kW, Krä-ne für 50 t und mehr sowie Generatoren biszu 5000 kVA.

Literaturhinweis

[1] Description and Applications Diesel EnginesABC type DZC (DOC. ABC-21)

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