Fachhochschule Münster

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1 Fachhochschule Münster Abteilung Steinfurt Fachbereich Maschinenbau Auslegung und Optiierung eines durch Hilfszylinder aufgeladenen und gespülten Zweitaktotors Diploarbeit angefertigt an der Fachhochschule Münster i Fachbereich Maschinenbau (Labor für Motoren- und Energietechnik) von: Boris Otto, geb. a in Münster und Guido Schulze-Bilk, geb. a in Ochtrup Referent: Koreferent: Prof. Dr.-Ing. R. Ullrich Prof. Dipl.-Ing. F. Rottann Steinfurt, i Februar 1999

2 Danksagung Diese Diploarbeit entstand an der Fachhochschule Münster / Abteilung Steinfurt i Fachbereich Maschinenbau a Labor für Motoren- und Energietechnik. Insbesondere öchten wir Herrn Prof. Dr. Ullrich für die ufassende, sehr engagierte Betreuung danken und die Möglichkeit, diese Arbeit an seine Labor anzufertigen. Ebenfalls danken wir Herrn Dipl.-Ing. Schönfeld für die kollegiale Hilfe bei vielen praktischen Fragen. Für das in uns gesetzte Vertrauen gilt unser Dank de Patentinhaber Herrn Beiring, durch dessen Innovation diese Diploarbeit erst öglich wurde. Unseren Eltern sei diese Arbeit gewidet, da uns durch sie das Studiu erst eröglicht wurde. Unser besonderer Dank geht an Tanja Roy für ihre konstruktiv kritische und zugleich sehr otivierende Unterstützung.

3 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 PATENT UND AUFGABENSTELLUNG...1 ARBEITSVERFAHREN VON VERBRENNUNGSMOTOREN GESCHICHTLICHER RÜCKBLICK...6. DER ZWEITAKTMOTOR Das Arbeitsprinzip des Zweitaktverfahrens Die Spülverfahren des Zweitaktverfahrens Schierung des Zweitaktotors...1. DER VIERTAKTMOTOR Das Arbeitsprinzip des Viertaktverfahrens Ventilsteuerung bei Viertaktotor Schierung bei Viertaktotor DIREKTE GEGENÜBERSTELLUNG VON ZWEITAKT- UND VIERTAKTMOTOR...19 VERGLEICH VON OTTO- UND DIESELPROZEß....1 DER OTTOPROZEß Vergleichsprozess des Ottootors Bei Ottootor verwendete Kraftstoffe Kraftstoffaufbereitung bei Ottootor Zündsystee bei Ottootor...7. DER DIESELPROZEß Vergleichsprozeß des Dieselotors Bei Dieselotor verwendeter Kraftstoff Kraftstoffaufbereitung bei Dieselotor...0. DIREKTER VERGLEICH VON OTTO- UND DIESELMOTOREN AUSLEGUNG UND BERECHNUNG DES ZWEITAKTMOTORS AUSLEGUNG DES ZWEITAKTMOTORS OHNE HILFSZYLINDER Vorgegebene technische Daten: Diensionierung des Auslaßschlitzes Vergleichsprozeß (Seiliger-Prozeß) Mechanischer Wirkungsgrad Effektiver Wirkungsgrad Kraftstoffverbrauch Therischer Wirkungsgrad Kontrolle des effektiven Wirkungsgrades η ε...50

4 Inhaltsverzeichnis II 4. AUSLEGUNG DES -TAKT-MOTORS MIT HILFSZYLINDERN Technische Daten der Hilfszylinder Erittlung des Voluens des Hilfszylinders zwischen Beginn und Ende der Aufladung Voluen des Arbeitszylinders zwischen Beginn und Ende der Aufladung Bestiung des Ladedruckes Ladeleistung Zustandstabelle für den aufgeladenen Motor BERECHNUNG DES ZWEITAKTMOTORS MIT HILFSZYLINDERN DURCH GRAPHISCHE VERFAHREN Erittlung des ittleren Drehoentes Auslegung der Massen von Kolben und Pleuel Erittlung der Kolbenkraft Erittlung der Tangentialkraft Berechnung der neuen Leistung Effektiver Wirkungsgrad Therischer Wirkungsgrad Kontrolle des effektiven Wirkungsgrades η e bei aufgeladenen Motor Kraftstoffverbrauch des aufgeladenen Motors EINFLUß DER SPÜLUNG ERMITTLUNG DES DURCH DEN HILFSZYLINDER ERZEUGTEN SPÜLDRUCKES BESTIMMUNG DER SPÜLLUFTMASSE, DIE FÜR DIE SPÜLUNG DURCH DIE HILFSZYLINDER ZUR VERFÜGUNG STEHT BERECHNUNG DES DURCH DIE HILFSZYLINDER PRODUZIERTEN L L NEUER EFFEKTIVER MITTELDRUCK P E BESTIMMUNG DER EFFEKTIVEN LEISTUNG BESTIMMUNG DES EFFEKTIVEN WIRKUNGSGRADES EFFEKTIVER KRAFTSTOFFVERBRAUCH AUSLEGUNG UND BERECHNUNG DER WÄRMEAUSTAUSCHER WÄRMEAUSTAUSCHERTYPEN Gleichstrowäretauscher Gegenstrowäretauscher Kreuzstrowäretauscher Auswahl der Bauart des Rekuperators...9

5 Inhaltsverzeichnis III 6. AUSLEGUNG UND BERECHNUNG DES KREUZSTROMWÄRMETAUSCHERS Wahl des Laellenaterials Berechnung der Wäreübertragung Auslegung des Wäretauschers Berechnung der Lufterwärung i Hilfszylinder Berechnung der durch die Wäreübertragung erzeugten Arbeit Berechnung der theoretischen Kolbenbewegung durch die. Wäreausdehnung der Luft BEURTEILUNG UND AUSBLICKE BEURTEILUNG DES PATENTES Beurteilung der Leistungs- und Drehoentveränderung Beurteilung der Laufruhe Beurteilung der Abgaswäreausnutzung durch die Wäretauscher Bewertung des Kraftstoffverbrauches Bewertung der Schierung und der Schadstoffeissionswerte Abschließende Gesatbeurteilung des durch Hilfszylinder aufgeladenen und gespülten Zweitaktotors ALTERNATIVEN Alternativkonstruktion zur Reduzierung der echanischen Verluste Alternativkonstruktion zur Realisierung einer kraftstoffunabhängigen Schierung ANHANG... I A DIAGRAMME UND TABELLEN... I B LITERATURVERZEICHNIS...VII C ABBILDUNGSVERZEICHNIS... IX

6 Aufschlüsselung der Forelzeichen IV Aufschlüsselung der Forelzeichen Sybol Bedeutung Einheit A Fläche c² A A Öffnungsquerschnitt des Wäretauschers (Abgasseite) c A K Kolbenfläche c² A Z Öffnungsquerschnitt des Wäretauschers (Zylinderseite) c b Auslaßschlitzbreite b Expansionsbeiwert - b e B e c Spezifischer effektiver Kraftstoffverbrauch Absoluter effektiver Kraftstoffverbrauch Wärekapazität g kwh g h J kg K c Wärekapazitätsstro W K c Abgas Abgasgeschwindigkeit s c Mittlere Kolbengeschwindigkeit s c v Wärekapazität der Luft J kg K d K Kolbendurchesser d Z Zylinderdurchesser f Frequenz Hz F Feuersteg des Kolbens F G Gaskraft N F K Kolbenkraft N F, tr Translatorische Massenkraft N F T Tangentialkraft N H G Geischheizwert J h K Höhe des Kolbens H u Unterer Kraftstoffheizwert J kg i Spielzahl - K Wäredurchgangskoeffizient W K L in Minialer Luftbedarf - L Pl Pleuellänge L Schaft Schaftlänge des Kolbens M Kurbelwellendrehoent N Massenstro kg s H Geischasse pro Kraftstoffasse -

7 Aufschlüsselung der Forelzeichen V Sybol Bedeutung Einheit K Kolbenasse kg Pl Pleuelasse kg Sp Spülluftasse kg th Theoretische Füllasse i Arbeitszylinder kg tr Translatorische Masse kg n Drehzahl n Polytropenexponent - n A Abgasseitige Luftschlitzanzahl i Wäretauscher - n Abgas Polytropenexponent des Abgases - n Z Zylinderseitige Luftschlitzanzahl i Wäretauscher - p Aufladung Absoluter Ladedruck bar P Aufladung Leistung der Aufladung kw p c AZ Verdichtungsenddruck des Arbeitszylinders bar p Verdichtungsenddruck des Hilfszylinders bar c HZ p e Effektiver Mitteldruck bar P eff Effektive Leistung kw p G Gasdruck bar P i Indizierte Leistung kw p i Indizierter Mitteldruck bar p Sp Absoluter Spüldruck bar p Außendruck bar Q B Zugeführte Brennstoffenergie je Zyklus J r Kurbelradius s Hub s Auslaßschlitzhöhe saz Aufladung Hub des Arbeitszylinders bei Aufladung s Boden Kolbenbodendicke s HZ Aufladung Hub des Hilfszylinders bei Aufladung s L Laellendicke i Wäretauscher s Gas Gaseinlaßbreite zwischen den Wäretauscherlaellen s Nutz Nutzbarer Hub des Arbeitszylinders s R Kolbenringdicke s th Theoretisch resultierender Kolbenhub t 0 Betriebsteperatur i Hilfszylinder K t A Luftendteperatur i Hilfszylinder K t Aufladung Dauer der Aufladung s 0 Teperaturdifferenz K T Abgas Abgasteperatur K Tc AZ Verdichtungsendteperatur des Arbeitszylinders K T Verdichtungsendteperatur des Hilfszylinders K c HZ T Z Taktzahl - V Voluenstro s c³ 1 in

8 Aufschlüsselung der Forelzeichen VI Sybol Bedeutung Einheit V A Wäretauschervoluen auf der Abgasseite c³ V Hubvoluen in eine Arbeitszylinder bei Aufladung c³ AZ Aufladung V Boden Voluen des Kolbenbodens c³ V Gesatverdichtungsendrau eines Hilfszylinder- und c c³ Arbeitszylinderpaares bei der Aufladung V Verdichtungsendrau des Arbeitszylinders c³ c AZ V Verdichtungsendrau des Hilfszylinders c³ c HZ V F Verlustvoluen durch Feuersteg c³ VH AZ Gesathubvoluen der Arbeitszylinder c³ V Gesathubvoluen der Hilfszylinder c³ H HZ V Hubvoluen eines Arbeitszylinders c³ h AZ V Hubvoluen eines Hilfszylinders c³ h HZ V Hed Voluen des Kolbenhedes c³ Aufladungshubvoluen von eine Hilfszylinder- und Arbeitszylinderpaar c³ V Hubvoluen in eine Hilfszylinder bei Aufladung c³ VHub Aufladung HZ Aufladung V Nutzbares Hubvoluen eines Arbeitszylinders c³ Nutz V R Verlustvoluen durch Kolbenring c³ V Sp Spülluftvoluen c³ V Tol Toleranzvoluen c³ V V Gesatverlustrau c³ V WT Voluen des Wäretauschers c³ V Z Wäretauschervoluen auf der Zylinderseite c³ V Zwischen Voluen des Verbindungsraues zwischen Hilfs- und Arbeitszylinder c³ W e Effektive Arbeit je Zyklus N w R Spezifische Arbeit des Rekuperators J kg W R Arbeit des Rekuperators J Schallgeschwindigkeit s z Zylinderzahl - w s z St Anzahl der Stege i Wäretauscher - Kurbelwinkel Pleuelwinkel G Gleichdruckverhältnis - Verdichtungsverhältnis - HZ Verdichtungsverhältnis des Hilfszylinders - Sp Verdichtungsverhältnis vor der Spülung - e Effektiver Wirkungsgrad - G Gütegrad - Mechanischer Wirkungsgrad - th Therischer Wirkungsgrad - Geischpolytropenexponent - λ Luft-Kraftstoff-Verhältnis - λ a Luftaufwand - λ Liefergrad - L Grad Grad

9 Aufschlüsselung der Forelzeichen VII Sybol Bedeutung Einheit λ Pl Pleuelstangenverhältnis - Kr Wärekapazitätsfaktor bei Kreuzstro - Drucksteigerungsverhältnis - Dichte eines Medius kg Einspritzverhältnis - Kurbelwinkelgeschwindigkeit 1 s

10 Zusaenfassung der Ergebnisse VIII Zusaenfassung der Ergebnisse Aufgabe und Ziel der vorliegenden Diploarbeit war es, den durch Hilfszylinder aufgeladenen und gespülten Zweitaktotor nach de Patent des deutschen Patentates DE C zu konkretisieren und zu optiieren. Dabei stand das Konzept des oben genannten Motors it einigen geoetrischen Vorgaben zur Verfügung. Berechnungsgrundlagen oder ein Modellotor existierten jedoch nicht. Die Untersuchungen beschränkten sich bei dieser Arbeit auf den eigentlichen Motor. Nicht betrachtet wurden Hilfs- und Nebenanlagen sowie Motorsteuerung und Getriebe. U Aussagen über Einzelkriterien wie Leistungs- und Moentenspektru, Kraftstoffverbrauch und Laufruhe des auszulegenden Motors treffen zu können, wurde zuerst ein Referenz-Zweitaktotor ausgelegt, der bis auf die Hilfszylinder zu de auszulegenden Motor baugleich ist. Bei diese Referenzotor wurden die vorliegenden Daten bei der Auslegung durch eigene, öglichst plausible Annahen ergänzt, welche durch Literaturangaben unterauert wurden. Als Ergebnis dieser Diploarbeit läßt sich feststellen, daß der durch Hilfszylinder aufgeladene und gespülte Zweitaktotor i Vergleich zu Referenzotor Vorteile in den Bereichen Laufruhe und Kraftstoffverbrauch erzielt. Weiter wurde durch die verbesserte Spülung eine erhebliche Leistungssteigerung erreicht. Der Einsatz der auf den Hilfszylinderköpfen vorgesehenen Wäreaustauscher epfiehlt sich aufgrund der verschwindend geringen Effizienz jedoch nicht. Als Verwendungszweck für den untersuchten Zweitaktotor bietet sich der Einsatz in eine Kleinwagen an. Hierfür epfiehlt es sich aber, die in Kapitel 7. vorgeschlagenen Veränderungen a Motor vorzunehen, u eine kraftstoffunabhängige Schierung realisieren zu können. Bei diesen Modifikationen ergeben sich zude durch die einfachere Motorkonstruktion geringere Reibverluste und ein insgesat geringeres Motorgewicht.

11 Kapitel 1 Patent und Aufgabenstellung

12 1 Patent und Aufgabenstellung 1 1 Patent 1 und Aufgabenstellung Das Patent DE C basiert auf de Prinzip des Zweitaktotors und bedient sich pro Arbeitszylinder eines Hilfszylinders it de Ziel der Aufladung und Spülung. Arbeitszylinder und Hilfszylinder sind auf einer Kurbelwelle angeordnet. Die beiden Arbeitszylinder sind dabei zueinander u 180 Kurbelwinkel, die Hilfszylinder zu den zugehörigen Arbeitszylindern u jeweils 90 Kurbelwinkel versetzt. Durch diese Anordnung soll ein Massenausgleich erreicht werden, der de Motor ein gleichförigeres Betriebsverhalten verleihen soll. Bei eine Vierzylinder-Viertaktotor zu Beispiel sind die Zylinder zueinander u 180 Kurbelwinkel versetzt. Hieraus resultiert eine geringere Gleichförigkeit i Vergleich zu behandelten Motor. Ziel ist es, durch diese verbesserte Gleichförigkeit eine geringere Leerlaufdrehzahl zu erreichen und dait den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Weiter soll der Drehoent- und Leistungsverlauf durch die gleichäßige Anordnung der Zylinder auf der Kurbelwelle geglättet werden. Der Motor kann sowohl als Ottootor als auch als Dieselotor betrieben werden. Da das Ziel aber ein öglichst geringer Verbrauch ist, bietet sich beispielsweise für den Einsatz in eine Kleinwagen das Dieselprinzip an. Die Spülung der Arbeitszylinder erfolgt sowohl über den Hilfszylinder als auch über einen konventionellen Überströkanal (siehe Abb. 1.1). Hilfszylinder und Arbeitszylinder verfügen über Kurbelkaergebläse, die für eine zusätzliche Verdichtung der Spülluft sorgen. Die Arbeitszylinder besitzen jeweils zwei Einlaßventile, bei denen das eine für den konventionellen Überströkanal, das andere für den Lufteinlaß aus de Hilfszylinder arbeitet. Die Einlaßventile für den Hilfszylinder werden dabei durch eine eigene, oben liegende Nockenwelle über Tassenstößel angetrieben. Diese Anordnung zweier oben liegender Nockenwellen wird als Double overhead cashaft (DOHC) bezeichnet. 1 Angaben zu behandelten Motor laut Patentschrift des Deutschen Patentates DE C

13 1 Patent und Aufgabenstellung Abb. 1.1: Arbeitszylinder und Hilfszylinder 1 Arbeitszylinder; Arbeitszylinderkolben; Hilfszylinder; 4 Hilfszylinderkolben; 5 Pleuel (Arbeitszylinder); 6 Pleuel (Hilfszylinder); 7 Kurbelwelle; 8 Kurbelkaer (Arbeitszylinder); 9 Kurbelkaer (Hilfszylinder); 10 Wäretauscher; 11 Kühlrau; 1 Verbindungskanal zwischen Arbeits- und Hilfszylinder; 1 Überströkanal; 14 Nockenwelle für Einlaßventil (Kurbelkaergebläse); 15 Nockenwelle für Einlaßventil (Hilfszylinder); 16 Drehschieber für Kurbelkaergebläse; 17 Drehschieber für Hilfszylinder; 18 Einlaßventil für Kurbelkaergebläse; 19 Einlaßventil für Hilfszylinder; 0 Ventilfeder; 1 Einspritzdüse Die Luftversorgung sowohl für die Kurbelkaer des Arbeitszylinders als auch für den Rau unterhalb des Hilfszylinders erfolgt über je einen Drehschieber i Zylinderkopf des Arbeitszylinders.

14 1 Patent und Aufgabenstellung Ein Teil der durch die Hilfszylinder verdrängten Luft wird zur Aufladung der Arbeitszylinder verwendet, u die Verbrennung durch den erhöhten Anfangsdruck und den besseren Füllungsgrad zu optiieren. Den Zylinderkopf der Hilfszylinder bildet jeweils ein Wäreaustauscher, durch den auf der einen Seite das erhitzte Abgas der Arbeitszylinder ströt. Die andere Seite bildet den Verdichtungsendrau des Hilfszylinders und wird soit von der Luft oberhalb des Hilfszylinderkolbens durchströt. Durch die Wäredehnung der Gase i Hilfszylinder soll eine zusätzliche, nutzbare Kraft auf die Kurbelwelle erzeugt werden. U den Hilfszylinder heru sind Kühlkörper vorgesehen, die die Teperatur der Luft i Zylinder senken sollen. Dies soll einen besseren Wirkungsgrad erzeugen. Abb. 1.: Durch Hilfszylinder aufgeladener und gespülter Zweitaktotor nach de Patent des Deutschen Patentates DE C Aufgabe dieser Diploarbeit ist es, das vorgestellte Konzept eines durch Hilfszylinder aufgeladenen und gespülten Zweitaktotors (siehe Abb. 1.) zu konkretisieren und zu optiieren. Dabei gilt es zu untersuchen, ob der behandelte Motor gegenüber konventionellen Zweitakt- und Viertaktotoren Vorteile i Bereich Verbrauch, Laufruhe, Leistungsspektru und Kosten erzielt, die ihn für die Verwendung, zu Beispiel in eine Kraftfahrzeug der Kleinwagenklasse,

15 1 Patent und Aufgabenstellung 4 prädestinieren. Zu beachten ist hierbei, daß die durch den Hilfszylinder verursachten Reibverluste durch einen besseren Füllungsgrad nicht nur ausgeglichen werden sollen. Die erzielten Vorteile sollen den Wirkungsgrad i Vergleich zu gebräuchlichen Motor stark erhöhen. Zur Auslegung des Motors it Hilfszylindern wird ein konventioneller Zweizylinder-Zweitaktotor zu Vergleich zu betrachten sein, u die Vor- bzw. Nachteile des auszulegenden Motors aufzuzeigen. Bei der Optiierung des Motors ist zu prüfen, ob die einzelnen konstruktiven Lösungen beizubehalten oder öglicherweise zu verwerfen sind.

16 Kapitel Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren

17 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 6 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren.1 Geschichtlicher Rückblick Die heute zu Beispiel in Kraftfahrzeugen, Schiffen oder als Stationärotor eingesetzten Verbrennungsotoren unterscheiden sich durch das jeweilige Taktprinzip in Zweitakt- und Viertaktotoren. I Jahr 1860 gelang es erstalig de belgischen Mechaniker J. J. E. Lenoir in Paris, einen Arbeitszyklus in eine geschlossenen Zylinder ablaufen zu lassen. Dieser Motor arbeitete nach de Zweitaktprinzip und ist soit der Urotor der heute eingesetzten Verbrennungsotoren. Der erste nutzbare Zweitaktotor wurde 1879 von Carl Benz entwickelt und gebaut. Das Viertaktprinzip wurde erstalig 186 von Beau de Rochas erdacht und beschrieben. Unabhängig davon entwickelte Nikolaus August Otto den Gasviertaktotor und baute ihn i Jahr 1876 in der von ih itgegründeten Deutzer Motorenfabrik. Heute haben Zweitaktotoren in der odernen Autoobilindustrie keine tragende Bedeutung ehr, was vor alle auf die Mitverbrennung von Öl zurückzuführen ist, die nicht it aktuellen Eissionsgesetzen vereinbar ist. Ein Katalysator, wie er in odernen Kraftfahrzeugen betrieben wird, ist bei eine it Öl-Kraftstoff-Geisch betriebenen Zweitaktotor nicht einsetzbar, da das Öl i Kraftstoff den Katalysator it der Zeit verstopft und dait zerstört. Die Ölitverbrennung resultiert aus de Kraftstoff-Öl-Geisch, das notwendig ist, u das Kurbelgehäuse, das auch der Spülung dient, zu schieren. U einen Zweitaktotor it nicht ölversetzte Kraftstoff betreiben zu können, wäre eine Trennung von Kurbelgehäuse und Brennrau erforderlich. Bei konventionellen Zweitaktotor aber ist der Brennrau durch den Überströkanal it de zu

18 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 7 schierenden Kurbelgehäuse verbunden. Ein weiterer eklatanter Nachteil des konventionellen Zweitaktotors ist, daß eine nur ungenügende Spülung stattfindet, aus der sich ein ebenfalls nur ungenügender Füllungsgrad ergibt. Die schlechte Spülung resultiert aus der sehr kurzen, für sie zur Verfügung stehenden Zeit, da hierfür nicht wie bei Viertaktotor ein kopletter Takt zur Verfügung steht.. Der Zweitaktotor..1 Das Arbeitsprinzip des Zweitaktverfahrens Trotz des irreführenden Naens bedient sich das Zweitaktprinzip der vier Takte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Die Vorgänge laufen jedoch parallel ab, so daß während jeder Kurbelwellenudrehung ein Arbeitsspiel, bestehend aus den vier Takten Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen, stattfindet. Abb..1: Das Zweitaktarbeitsverfahren

19 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 8 Der Arbeitszyklus des Zweitaktottootors stellt sich wie folgt dar: Bei der Bewegung des Kolbens vo unteren zu oberen Totpunkt entsteht i Kurbelgehäuse ein Unterdruck. Dieser Unterdruck bewirkt bei Öffnen des Einlaßschlitzes das Einströen des Kraftstoff-Luft-Geisches. Dieses ströt aus de Vergaser durch den Ansaugkanal ins Kurbelgehäuse. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens vo oberen zu unteren Totpunkt wird der Einlaßschlitz geschlossen und das Kraftstoff-Luft-Geisch i Kurbelgehäuse schwach vorverdichtet. Nach Öffnen des Überströkanals durch die obere Kolbenkante beginnt das unterhalb des Kolbens vorverdichtete Geisch in den Arbeitsrau über de Kolben zu ströen. Die Reste des verbrannten Gases des vorhergehenden Arbeitsspieles ströen durch den schon vorher vo Kolben freigegebenen Auslaßschlitz aus. In dieser Gaswechselphase liegt ein Hauptproble des Verfahrens, da es sich als sehr schwierig gestaltet, die verbrannten Gase zu entfernen, ohne daß ein Teil i Arbeitsrau verbleibt oder frisches Geisch in den Auslaß gelangt. Während des Überströ-vorganges durchläuft der Kolben den unteren Totpunkt und bei der nun folgenden Aufwärtsbewegung verschließt er it seiner Oberkante zunächst die Überströkanäle und anschließend auch die Auslaßkanäle. I Arbeitsrau über de Kolben erfolgt nun die Verdichtung des angesaugten Geisches und kurz vor de oberen Totpunkt die Entzündung des Geisches durch den elektrischen Funken der Zündkerze. Das verdichtete Geisch beginnt zu verbrennen und seine cheische Energie in Wäre uzuwandeln. Diese hat eine erhebliche Drucksteigerung i Zylinderrau über de Kolben zur Folge. Der Kolben erfährt eine abwärts gerichtete Beschleunigung durch die sich ausdehnenden Gase. Der entgegengesetzte Hub erfolgt durch die Schwungkraftenergie der Kurbelwelle. Bei Expansionshub des Kolbens öffnet die obere Kolbenkante zuerst den Auslaßschlitz, wobei ein heftiges Ausströen der verbrannten Gase in die Auspuffanlage erfolgt. Erst etwas später werden durch den Kolben die Überströschlitze freigegeben, aus denen frisches Kraftstoff-Luft-Geisch aus de Kurbelrau in den Rau oberhalb des Kolbens überströt. Ab hier wiederholt sich das Arbeitsspiel it jeder Kurbelwellenudrehung. Der eigentlich durch die optiale Nutzung einer Kurbelwellenudrehung erwartete gute Wirkungsgrad des Zweitaktverfahrens wird durch die Spülverluste und dait

20 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 9 die schlechte Füllung stark verindert. Der Ablauf dieser parallelen Vorgänge wird noch dadurch kopliziert, daß die Ausspülung des Arbeitsraues über ein breites Drehzahlspektru des Motors funktionieren uß, was gleichbedeutend it unterschiedlichen Ausströge-schwindigkeiten ist... Die Spülverfahren des Zweitaktverfahrens Da, wie schon oben erwähnt, bei Zweitaktverfahren i Vergleich zu Viertaktverfahren wesentlich weniger Zeit für das Ausschieben der verbrannten Gase und die Aufnahe der Frischladung zur Verfügung steht, liegen erhebliche Problee für den Ladungswechsel vor. U ein öglichst großes Voluen it Frischgas füllen zu können, ist es unbedingt erforderlich, die i Zylinder verbliebenen Restgase vor jeder Neufüllung it eine öglichst effektiven Spülverfahren zu verdrängen. Für die Spülung bei Zweitaktotor stehen unterschiedliche Verfahren, die sich durch ihre konstruktive Gestaltung und ihre Effektivität unterscheiden, zur Verfügung. Die Spülverfahren werden nach der Ströungsrichtung der Spülluft eingeteilt. Gleichstrospülung (siehe hierzu Abb..): Bei der Gleichstrospülung tritt die Frischladung durch die Einlaßschlitze bzw. Einlaßventile auf der einen Seite des Zylinders ein, ströt dann parallel zur Kolbenbewegungsrichtung und tritt auf der anderen Seite des Zylinders durch Auslaßschlitze bzw. Auslaßventile wieder aus. Dabei verdrängt die Frischladung die Abgase des vorherigen Arbeitsspiels. Der Ströungseintritt kann sowohl a Zylinderkopf als auch i unteren Zylinderbereich erfolgen. I Zylinderkopf finden Ein- und Auslaß bei der Gleichstrospülung überwiegend über Ventile statt. I unteren Zylinderbereich werden Ein- und Auslaß üblicherweise über Schlitze gesteuert. Tangential angeordnete Schlitze

21 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 10 bewirken eine Drehbewegung der Gase und erzeugen so eine stabile Ströung und einen verbesserten Spülgrad. Abb..: Gleichstrospülung it Auslaßventil und tangentialen Einlaßschlitzen Die Gleichstrospülung wird üblicherweise bei größeren Dieselotoren verwendet, da das Spülprinzip aufwendiger und größer baut. Die Gleichstrospülung erzeugt eine sehr gute Spülung, da nur eine geringe Durchischung von Frisch- und Restgasen durch die gerade Ströungsrichtung entsteht. Wenn das Ventil als Auslaßventil verwendet wird, kann es nach eine unsyetrischen Steuerdiagra arbeiten, wobei es bei eine frühen Öffnen einen Vorauslaß eröglicht und der Restdruck zu Ausstoßen der verbrannten Gase genutzt werden kann. Bei Schließen des Auslaßventils vor Öffnen der Einlaßschlitze kann ein Frischladungsverlust verieden

22 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 11 werden. Allgeein eröglicht der Einsatz von Ein- bzw. Auslaßventilen eine exaktere zeitliche Steuerung des Verbrennungs-vorganges. Gegenstrospülung: Die Gegenstrospülung differenziert sich in Querstrospülung und Ukehrspülung. Bei der Ukehrspülung (siehe auch Abb..) verlassen die Abgase den Zylinder in ugekehrter Richtung zu eintretenden Spülluftstro. Die Überströschlitze liegen bei der Ukehrspülung nach Schnürle auf gleicher Höhe it den Auslaßschlitzen, bei de Verfahren nach MAN liegen die Einund Auslaßschlitze übereinander. Abb..: Ukehrspülung nach MAN und nach Schnürle Bei der Ukehrspülung nach Schnürle ströt die Spülluft schräg von unten durch die zwei Einlaßschlitze in den Zylinder. Die beiden Spülluftströe treffen sich an der den Auslaßschlitzen gegenüberliegenden Rückwand des Zylinders, richten sich auf, ändern die Ströungsrichtung und drücken die Abgase durch die Auslaßschlitze.

23 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 1 Bei de Verfahren nach MAN ströt die Spülluft durch die Einlaßschlitze in den Zylinder bis zur gegenüberliegenden Wand, richtet sich auf, steigt nach oben in den Zylinderrau auf und ströt zurück zu den Auslaßschlitzen. Bei Überstreichen des Kolbenbodens it der Spülluft wird dieser gekühlt. Der Aufbau der Querstrospülung (siehe auch Abb..4) ist sehr einfach und hat den geringsten Spüleffekt. Ein- und Auslaßschlitz sind gegenüberliegend angeordnet. Die Spülluft wird durch schräg nach oben gerichtete Einlaßschlitze und einen Nasenkolben in den Zylinderrau abgelenkt und schiebt nach einer Richtungsänderung die Abgase durch den Auslaßschlitz. Durch den sehr einfachen Aufbau besteht die Gefahr, daß die Realisierung der Richtungsänderung nicht genau erfolgt und Frischladung durch den Auslaßschlitz ausgeschoben wird. Abb..4: Querstrospülung A Auslaßschlitze; E - Einlaßschlitze Gegenüber der Ukehrspülung ist der Spüleffekt geringer und dait verbunden, der Frischgasverlust höher. Daraus resultierend ist der relative Kraftstoffverbrauch größer.

24 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 1 Die Ukehrspülung ist bei heute verwendeten, odernen kleinen Zweitaktotoren das üblicherweise verwendete Verfahren, da der Motor einfach und dait kostengünstig baut und der Wirkungsgrad in eine akzeptablen Rahen liegt. Bei allen Spülverfahren wird ein Spülluftgebläse benötigt, welches die Funktionen Ansaugen und Ausschieben übernit. Diese Funktionen werden bei Viertaktotor vo Kolben verrichtet. Als Spülgebläsebauarten werden Drehkolbengebläse, Hubkolbengebläse und Kurbelkaergebläse eingesetzt. Bei den oben vorgestellten Spülverfahren ist die Gleichstrospülung das effektivste Verfahren. Es gelingt, it nur kleine Luftdurchsatz einen guten Spülgrad zu erzielen. Daraus folgt, daß eine kleine Spülgebläseleistung ausreicht... Schierung des Zweitaktotors Die Schierung erfolgt bei Zweitaktotor anders als bei Viertaktotor eist durch ein Kraftstoff-Öl-Geisch. Diese Art der Schierung ist erforderlich, da Kurbelkaer und Brennrau nicht räulich voneinander getrennt sind und bei konventioneller Druckölschierung der Kurbelwelle die Spülluft das Schieröl aus de Ölsupf in den Brennrau itreißen würde. De Kraftstoff wird selbstischendes Zweitaktotorenöl in Mischungsverhältnissen von 5 : 1 bis 100 : 1 zugesetzt. Das beigeischte Öl trennt sich bei Erwärung wieder weitgehend vo Kraftstoff und lagert sich an den zu schierenden Reibstellen und den Zylinderwänden ab. Die Tendenz bei odernen Zweitaktotoren geht zu ier geringeren Ölzusätzen i Kraftstoff, dennoch liegt hier ein Hauptproble des Zweitaktprinzips. Da die Trennung des beigeischten Öls bei Erwärung nicht ier vollständig erfolgt, kot es zur Mitverbrennung des Schierstoffs und so zu Probleen it der Uweltverträglichkeit.

25 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 14 Die Weiterentwicklung der Zweitaktotoren zielt dezufolge in die Richtung, eine getrennte Schierung zu realisieren. Hierbei wird das Öl it einer Dosierpupe in den Motor eingespritzt. Auch die unittelbare Schierung der wichtigsten Reibstellen ist bereits realisiert worden, wird sich aber aufgrund des hohen Kostenaufwandes nicht durchsetzen können.. Der Viertaktotor..1 Das Arbeitsprinzip des Viertaktverfahrens Anders als bei Zweitaktverfahren setzt sich bei Viertaktverfahren ein Arbeitsspiel aus vier Hüben oder zwei Kurbelwellenudrehungen zusaen. Die vier, in der Abbildung.5 verdeutlichten Takte lauten: Ansaugen Verdichten Arbeiten Ausstoßen. Erster Takt: Ansaugen Während der Abwärtsbewegung des Kolbens vo oberen zu unteren Totpunkt entsteht eine Voluenerweiterung und dait ein Unterdruck i Zylinder. Durch den Unterdruck wird frische Ladung bei geschlossene Auslaßventil durch die Ansaugkanäle und das geöffnete Einlaßventil in den Zylinder gesaugt. Zweiter Takt: Verdichten Bei geschlossenen Ventilen bewegt sich der Kolben vo unteren zu oberen Totpunkt und verdichtet die Ladung i Zylinder auf das Verdichtungsverhältnis Durch die Verdichtung steigen Druck und Teperatur der Ladung i Zylinder an. Kurz vor de oberen Totpunkt wird bei direkteinspritzenden Diesel- bzw. Ottootor der Kraftstoff über die Einspritzdüsen in den Zylinder eingespritzt.

26 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 15 Dritter Takt: Arbeiten Bei geschlossenen Ventilen wird die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Geisches bei Ottootor über Fredzündung, bei Dieselotor durch Selbstzündung i oberen Totpunkt eingeleitet. Durch die Verbrennung dehnt sich das Geisch stark aus. Aus dieser Expansion resultiert eine Kolbenabwärtsbewegung zu unteren Totpunkt. Die cheische Energie des Kraftstoffes wird bei diese Takt in Bewegungsenergie ugesetzt. Bei den drei anderen Takten wird Bewegungsenergie durch den Kolben an das Gas abgegeben. Vierter Takt: Ausstoßen Bei diese letzten Takt öffnet das Auslaßventil bei einer Kurbelwinkelstellung (KW) von bis zu 60 vor de unteren Totpunkt. Die heißen, unter Druck stehenden Abgase entweichen durch das Auslaßventil in den Auspuff. Die restlichen, noch i Zylinder verbliebenen Abgase werden bei der folgenden Kolbenaufwärtsbewegung vo unteren zu oberen Totpunkt ausgeschoben. Das Auslaßventil schließt bei bis zu 0 KW nach de oberen Totpunkt. Da ab ca. 10 vor de oberen Totpunkt das Einlaßventil ebenfalls geöffnet ist, kot es zu einer Ventilüberschneidung, die notwendig ist, u eine gute Durchspülung des Zylinders zu erzielen. Abb..5: Das Arbeitsprinzip des Viertaktotors 1. Takt Ansaugen. Takt Verdichten. Takt Arbeiten 4. Takt Ausstoßen

27 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 16.. Ventilsteuerung bei Viertaktotor I Gegensatz zu Zweitaktotor erfolgt der Gaswechsel bei Viertaktotor ausschließlich über Pilzventile, die i Zylinderkopf untergebracht sind. Die konventionelle Bauweise des Viertaktotors ist it eine Zylinderkopf, in de je ein Ein- und ein Auslaßventil untergebracht sind, ausgestattet. Bei oderneren Motoren, die für höhere Drehzahlen ausgelegt sind, werden bis zu drei Einlaßund zwei Auslaßventile i Zylinderkopf eingesetzt. Diese Mehrventiltechnik eröglicht durch größere Gesatdurchflußquerschnitte eine bessere Füllung und soit eine höhere Motorleistung bei geringere relative Kraftstoffverbrauch b e. Durch die geringere Einzelasse der Ventile und die daraus resultierenden geringeren Massenkräfte sind durch die Mehrventiltechnik höhere Drehzahlen öglich. Die Ventile werden über die Nockenwelle gesteuert, die wiederu durch die Kurbelwelle angetrieben wird. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle beträgt : 1. Zu erwähnen ist, daß bei Einsatz von Ventilen i Zweitaktotor das Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle 1 : 1 beträgt. Der Antrieb der Nockenwelle uß schlupffrei sein, u Änderungen der Steuerzeiten zu vereiden. Als Übertragungsglieder eignen sich Zahnräder, Ketten, Zahnrieen oder Königswellen. Bei der Ventilsteuerung unterscheidet an zwischen der oben liegenden Nockenwelle (Over Head Cashaft), der unten liegenden Nockenwelle (Over Head Valve) und der i Zylinderkopf liegenden Nockenwelle (Cashaft In Head). Bei der Mehrventiltechnik werden die Ein- und Auslaßventile üblicherweise getrennt über zwei oben liegende Nockenwellen gesteuert (Double Over Head Cashaft). Die Übertragung zwischen den Nocken und den Ventilen wird je nach Lage der Nockenwelle über Kipphebel und Stößelstange (OHV), Tassenstößel (OHC, DOHC), Schwing- und Schlepphebel (OHC) bzw. Kipphebel (CIH) realisiert. Der Rückhub der Ventile erfolgt durch die Ventilfeder.

28 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 17 Die Ein- und Auslaßsteuerung über Ventile bei Viertaktotor eröglicht eine präzisere Gaswechselsteuerung als die Steuerung über Ein- und Auslaßschlitze, die bei Zweitaktotoren vorwiegend Verwendung findet... Schierung bei Viertaktotor Bei Viertaktotor erfolgt die Schierung durch einen getrennten Schierkreislauf, der einen verschwindend geringen Ölverbrauch und eine zusätzliche Kühlung der Schierstellen eröglicht. Unterschieden werden folgende Schierverfahren: Druckulaufschierung: Über eine Ölpupe wird der Schierstoff aus der Ölwanne erst durch einen Ölfilter, dann über Ölleitungen und Bohrungen zu den Schierstellen gepupt. I Schiersyste ist vor de Ölfilter ein Überdruckventil zur Begrenzung des Öldruckes angeordnet. Der übliche Ölzuführungsdruck variiert zwischen bar und 6 bar. Allgeein gilt: Je höher die Kurbelwellendrehzahl, desto höher der Öldruck. Die Zylinderwandungen und der Kolbenbolzen werden üblicherweise durch das aus de Pleuellager austretende Schieröl versorgt, welches durch die rotierende Kurbelwelle zerstäubt wird. Bei hochbelasteten Motoren ist zusätzlich eine Bohrung i Pleuel vorgesehen, durch die das Schieröl zu Kolbenbolzen gelangt. Trockensupfschierung: Das Prinzip der Trockensupfschierung unterscheidet sich von der Druckulaufschierung durch einen zusätzlichen Ölvorratsbehälter, der i Motorrau untergebracht ist. Die bei der Druckulaufschierung verwendete

29 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 18 Ölwanne wird bei der Trockensupfschierung durch einen kleinen Saelbehälter ersetzt. Das Öl wird aus de Saelbehälter i Kurbelgehäuse durch eine Rückförderpupe in den Vorratsbehälter gepupt. Von dort werden die Schierstellen über eine Druckpupe versorgt. Der Druckpupe ist ein Ölfilter nachgeschaltet. Der übliche Öldruck liegt wie bei der Druckulaufschierung i Bereich von bar bis 6 bar. Die Vorteile der Trockensupfschierung ergeben sich aufgrund des Vorratsbehälters: Bessere Kühlwirkung durch großes Füllvoluen i Vorratsbehälter. Bauhöhe des Motors sinkt aufgrund der fehlenden Ölwanne. Eine einwandfreie Schierung ist auch bei starker Schräglage des Motors oder bei schnell durchfahrenen Kurven gewährleistet. Durch Verwendung eines Feinfilters können die Ölwechselintervalle verlängert werden. Der Einsatz der Trockensupfschierung ist i Vergleich zur Druckulaufschierung kostenaufwendiger. Sie wird daher bevorzugt in Sportwagen, Geländewagen und in Fahrzeugen it Unterflurotoren eingesetzt. Als Schierstoffe werden für beide Schierverfahren Öle it Viskositäts-klassen von SAE 5W bis SAE 50 verwendet. Üblicherweise werden heute Mehrbereichsöle eingesetzt, die die Viskositätsanforderungen ehrerer Bereiche wie z.b. Anforderungen bei Soer- bzw. Winterteperaturen erfüllen.

30 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 19.4 Direkte Gegenüberstellung von Zweitakt- und Viertaktotor U einen direkten Vergleich von Zwei- und Viertaktotor zu eröglichen, seien in diese Kapitel die beiden Taktverfahren in einer Tabelle einander direkt gegenübergestellt. Kriteriu Zweitaktotor Viertaktotor Aufbau Steuerung Geringe Teilevielfalt, dadurch weniger bewegte Teile, einfacher Aufbau und geringe Kosten Schlitzsteuerung bzw. teilweise Ventilsteuerung Hohe Teilevielfalt durch Ventilsteuerung, dadurch aufwendiger Aufbau und höhere Kosten Grundsätzlich Ventilsteuerung Schierung Arbeitsspiel Drehoentenverlauf Spülung Zylinderfüllung Wirkungsgrad Leistung Vorverdichtung Kraftstoffverbrauch Verdichtungsverhältnis Verdichtungsenddruck Schierung über Kraftstoff, dadurch hoher Schierstoffverbrauch Bei jeder Kurbelwellenudrehung Gleichföriger Verlauf durch großes Verhältnis von Arbeitsspiel zu Kurbelwellenudrehung Spülung erfolgt durch Frischgase, dadurch Durchischungsgefahr it Abgasen, resultierende Frischgasverluste und verbleibende Restgase Schlechte Füllung durch weniger für die Spülung zur Verfügung stehender Zeit Hoch durch schlechten Spülgrad Niedriger Wirkungsgrad durch schlechte Zylinderfüllung Hohe Leistung pro Hubrau durch ehr Arbeitsspiele pro Kurbelwellenudrehung Otto: 6 : 1 bis 11 : 1 Diesel: 14 : 1 bis 16 : 1 0, bar bis 0,8 bar durch Kurbelkaergebläse Otto: 11 bar bis 6 bar Diesel: 6 bar bis 44 bar Getrennter Schierkreislauf, geringer Schierölverbrauch Bei jeder zweiten Kurbelwellenudrehung Ungleichföriger Verlauf durch ungünstiges Verhältnis von Arbeitsspiel zu Kurbelwellenudrehung Kolben schiebt Restgase in eine kopletten Hub aus, geringe Spülverluste Gute Füllung durch einen kopletten, für die Spülung zur Verfügung stehenden Hub Gering durch guten Füllungsgrad Hoher Wirkungsgrad durch gute Zylinderfüllung Geringe Leistung pro Hubrau durch weniger Arbeitsspiele pro Kurbelwellenudrehung Otto: 8 : 1 bis 11 : 1 Diesel: 18 : 1 bis 4 : 1 Nur bei aufgeladenen Motoren Otto: 17 bar bis 6 bar Diesel: 51 bar bis 75 bar

31 Arbeitsverfahren von Verbrennungsotoren 0 Kriteriu Zweitaktotor Viertaktotor Verbrennungsteperatur 1500 C bis 500 C 1500 C bis 500 C Eissionswerte Durch Mitverbrennung von Schierölen ist der Einsatz von Katalysatortechnik schwierig Durch Katalysatortechnik erheblich verringerte CO-, HC-,NO X -Werte Steuerdiagra Arbeitsdiagra Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, daß der Zweitaktotor von seine Arbeitsprinzip, welches ein Arbeitsspiel pro Kurbelwellenudrehung realisiert, viele Vorteile zu bieten hat, jedoch durch seine nicht ausreichende Spülung des Zylinders in den Bereichen Wirkungsgrad, Kraftstoffverbrauch und Eissionswerte nicht die bei Viertaktotor realisierten Werte erreicht. In den letzten Jahren wurde i Bereich der Motorenentwicklung der Zweitaktotor i Vergleich zu Viertaktotor jedoch kau weiterentwickelt. Die Lösung des Probles der nicht ausreichenden Spülung des Zweitaktotors und die Realisierung einer kraftstoffunabhängigen Schierung würde den Zweitaktotor durchaus in direkte Konkurrenz zu Viertaktotor bringen.

32 Kapitel Vergleich von Otto- und Dieselprozeß

33 Vergleich von Otto- und Dieselprozeß Vergleich von Otto- und Dieselprozeß Der Ottootor wurde i Jahr 1876 von Nikolaus A. Otto entwickelt und 1884 von Carl Benz erstalig in eine Kraftfahrzeug eingesetzt. Dieser Motor arbeitete nach de Prinzip der Fredzündung. Alternativ hierzu entwickelte Rudolf Diesel 189 erstals einen Motor, der nach de Prinzip der Selbstzündung arbeitete. Diese Dieselotoren wurden jedoch zunächst nur als Stationärotoren eingesetzt. Erst in den zwanziger Jahren dieses Jahrhunderts wurde der Dieselotor erstalig in Lastkraftwagen eingebaut. Bei den heutigen, zu Beispiel in der Kraftfahrzeugindustrie eingesetzten Verbrennungsotoren wird sowohl der Ottoprozeß als auch der Dieselprozeß verwendet. In der Vergangenheit wurden Dieselotoren vorwiegend bei größeren Kraftfahrzeugen und Schiffen eingesetzt. Die Personenkraftwagen waren bis auf einige Ausnahen it Motoren nach de Ottoprinzip ausgerüstet. In den letzten Jahren nah der Anteil der Dieselotoren unter den Personenkraftwagen jedoch stark zu. Entwicklungen, wie Dieseldirekteinspritzung, Coon-Rail-Technik und Oxidationskatalysatoren, achen den Dieselotor heute auch in der Personenkraftfahrzeugtechnik so konkurrenzfähig, daß bereits ein großer Marktanteil i Pkw-Segent aller Klassen vorhanden ist. Dies ist in erster Linie auf den hohen Wirkungsgrad und dait geringen Kraftstoffverbrauch oderner Dieselotoren zurückzuführen..1 Der Ottoprozeß.1.1 Vergleichsprozess des Ottootors Der Idealprozess der Verbrennung nach Otto ist der Gleichrauprozess. Bei diese Idealprozess verbrennt der Kraftstoff schlagartig. Dabei bleibt der Verbrennungsrau nahezu konstant.

34 Vergleich von Otto- und Dieselprozeß Abb..1: p-v-diagra und T-s-Diagra des Gleichrauprozesses Q N Nutzwäre; W N Nutzarbeit; V C Verdichtungsendrau; V h Hubrau des Einzelzylinders Die in Abb..1 dargestellte Verdichtung (1-) erfolgt bei Gleichrauprozeß isentrop bis das Voluen nur noch aus de Verdichtungsendrau besteht. Durch das Entzünden des Kraftstoff-Luft-Geisches bei () findet eine isochore Wärezufuhr (-) statt. Darauf folgt eine isentrope Expansion (-4), bei der der Kolben bis zu unteren Totpunkt gedrückt wird. Der Vorgang des Abgasausstoßens erfolgt durch isochore Wäreabfuhr (4-1). Allgeein uß über Idealprozesse gesagt werden, daß sie lediglich der theoretischen Berechnung und de Vergleich von Verbrennungsvorgängen und ihrer Wirtschaftlichkeit dienen. Auch der Gleichrauprozeß ist ein ideal gedachter Kreisprozeß, nach der eine theoretisch vollkoene Maschine arbeiten würde..1. Bei Ottootor verwendete Kraftstoffe Als Kraftstoff wird bei Ottootor Benzin eingesetzt, welches zu den Leichtkraftstoffen gehört. Die in Grafik. abgebildete Siedekurve liegt bei Außendruck (1 bar) zwischen 40 C und 00 C. Aufgrund seiner geringen kineatischen Zähigkeit kann Ottokraftstoff in eine Vergaser zerstäubt werden. Benzin basiert auf gecrackte Benzol und wird aus Erdöl gewonnen. Der Leichtkraftstoff Benzin unterscheidet sich nach seiner Klopffestigkeit in bleifreies

35 Vergleich von Otto- und Dieselprozeß 4 Noralbenzin (91 ROZ), bleifreies Superbenzin (95 ROZ) und bleifreies Super Plus Benzin (98 ROZ). Die Klopffestigkeit ist ein Maß für den Widerstand des Kraftstoffes gegenüber unerwünschter Selbstzündung, die einen kapitalen Motorschaden durch kurzfristig auftretende Druckspitzen zur Folge haben kann. Hohe Klopffestigkeit entspricht einer hohen Selbstentzündungsteperatur. Das Maß der Klopffestigkeit ist die Oktanzahl (OZ). Sie wird in eine Prüfotor it veränderliche Verdichtungsverhältnis erittelt. Die für die Klassifizierung der Kraftstoffe verwendete Einheit für den Oktangehalt an den Zapfsäulen der Tankstellen ist die Research-Oktan-Zahl (ROZ). Abb..: Siedekurve des Ottokraftstoffes r Rauanteil des verdapften Kraftstoffes; t Teperatur Bis zur Mitte der neunziger Jahre wurde verbleites Benzin als Kraftstoff eingesetzt. Der Bleizusatz (Bleitetraethyl, Bleitetraethyl) diente der Schierung der Ventilsitze und der Erhöhung der Klopffestigkeit. Da die Katalysatortechnik jedoch it verbleite Kraftstoff nicht einsetzbar ist, wird heute nur noch unverbleiter Kraftstoff produziert und vertrieben. Die odernen Ottootoren verfügen heute über Ventilsitze aus härteren Materialien (z.b. aus Keraik, Schleuderguß oder hochlegierte Stahl wie z.b. X 10 Cr 1), die den Einsatz

36 Vergleich von Otto- und Dieselprozeß 5 von Bleizusätzen nicht ehr erforderlich achen. Das Proble der Klopffestigkeit wurde von der Petrocheieindustrie durch den Zusatz von Additiven i Ottokraftstoff gelöst..1. Kraftstoffaufbereitung bei Ottootor Die Kraftstoffaufbereitung bei Ottootoren erfolgte bis Ende der achtziger Jahre weitgehend durch Vergaser. Dieses Verfahren soll hier nicht weiter beschrieben werden, da seit dieser Zeit oderne Ottootoren fast ausschließlich it Einspritzanlagen ausgerüstet werden, die sich elektronisch besser steuern lassen. Diese elektronische Steuerung ist vor alle für die Arbeit der Labdasonde i geregelten -Wege-Katalysator erforderlich, da die Inforationen über den Restsauerstoff i Abgas in Änderungen bei der Geischbildung durch die elektronische Einspritzanlagensteuerung ugesetzt werden üssen. Abb..: Einfluß des Kraftstoff-Luft-Geisches Schadstoffeissionen

37 Vergleich von Otto- und Dieselprozeß 6 Weitere Vorteile der odernen Einspritzanlagen sind geringere Schadstoffeissionen durch Labdaregelung, niedrigerer Kraftstoffverbrauch, höher ögliche Verdichtungsverhältnisse, bessere Zylinderinnenkühlung und verbesserte Zylinderfüllung. Folgende Einspritzverfahren werden bei Ottootor unterschieden: Kontinuierliches Einspritzverfahren (K-Jetronic) Bei diese Verfahren wird der Kraftstoff kontinuierlich in das Saugrohr eingespritzt. Die Regelung erfolgt echanisch über einen Kraftstoffengenteiler. Elektronisches, kontinuierliches Einspritzverfahren (KE-Jetronic) Hier erfolgt die Einspritzung wie bei der K-Jetronic; die Regelung erfolgt jedoch elektronisch unter Verwendung einer Labdasonde. Luftengengeregeltes Einspritzverfahren (L-Jetronic) Bei der L-Jetronic erfolgt die elektronische, labdageregelte Saugrohreinspritzung interittierend, also zeitweilig aussetzend. Alle Einspritzventile spritzen dabei gleichzeitig ein. Eine gleichäßige Geischbildung wird durch eine zweialige Einspritzung der jeweils halben Einspritzenge je Arbeitsspiel erreicht. Auf Hitzedrahtprinzip basierendes, luftassengeregeltes Einspritzverfahren (LH-Jetronic) Die LH-Jetronic basiert auf de Grundprinzip der L-Jetronic, jedoch wird hier statt der Luftenge die Luftasse (höhenunabhängig) über eine Hitzedrahtsonde geessen. Kobiniertes Zünd- und Einspritzsyste (Motronic) Die Motronic ist ein kobiniertes Syste aus L-Jetronic und einer elektronischen Zündkennfeldsteuerung. Saugrohreinspritzanlage und Zündanlage verfügen über ein geeinsaes Steuergerät.

38 Vergleich von Otto- und Dieselprozeß 7 Direkteinspritzung (GDI) I Gegensatz zu den anderen, oben beschriebenen Einspritzverfahren wird bei der Direkteinspritzung direkt in den Zylinder anstatt in das Saugrohr eingespritzt. Auch die oderne Direkteinspritzung wird elektronisch gesteuert..1.4 Zündsystee bei Ottootor Der Ottoprozeß basiert auf de Prinzip der Fredzündung. Deshalb sind Zündanlagen erforderlich. Bei odernen Ottootoren werden ausschließlich Batteriezündanlagen eingesetzt. Ein an der Zündkerze erzeugter elektrischer Funke entzündet das Kraftstoff-Luft-Geisch bei eine definierten Kurbelwinkel. Es werden folgende Zündanlagen unterschieden: Kontaktgesteuerte Spulenzündanlage (SZ) Bei geschlossene Unterbrecherkontakt fließt der durch die Batterie eingespeiste Priärstro in der Zündspulenpriärwicklung. Ein Magnetfeld wird aufgebaut. Zu Zündzeitpunkt wird der Priärstro a Unterbrecherkontakt unterbrochen. Das Magnetfeld bricht zusaen und in der Sekundärwicklung der Zündspule wird ein Hochspannungsstoß induziert. Er entlädt sich an der Zündkerze. Kontaktlose Transistorzündung (TSZ) Der Unterbrecherkontakt wird durch einen elektronischen Ipulsgeber (Induktionsgeber, Hall-Geber) ersetzt, der die Transistorsteuerung übernit. Der Transistor übernit die Priärstroschaltung. Kontaktlose Zündanlagen sind verschleißfrei. Der Zündzeitpunkt ändert sich nicht und die Zündauslösung ist von gleich bleibender Qualität. Hochspannungskondensatorzündanlage (HKZ) Die Zündenergie wird in eine Hochspannungskondensator auf etwa 400 Volt aufgeladen und gespeichert. Der Kondensator befindet sich i Priärkreis der

39 Vergleich von Otto- und Dieselprozeß 8 Zündanlage und entlädt sich über die Priärwicklung der Zündspule, wenn der Tyristor den Priärkreis schließt. In der Sekundärwicklung entsteht dann die Zündspannung. Vollelektronische Zündanlage (VEZ) Bei dieser Zündanlage erfolgt die Zündauslösung und -verstellung vollelektronisch. Auch der Zündverteiler wird durch eine elektronische Schaltung ersetzt. Entweder existiert für jede Zündkerze eine Zündspule oder es werden Mehrfunkenzündspulen verwendet. Die vollelektronische Zündanlage wird bei odernen Ottootoren überwiegend eingesetzt, da sie verschleißfrei ist, einfach und klein baut und keine elektroagnetischen Störwellen erzeugt.. Der Dieselprozeß..1 Vergleichsprozeß des Dieselotors Als Berechnungsgrundlage von Verbrennungsotoren, die nach de Dieselprozeß arbeiten, dient der Seiliger-Prozeß. Dieser ist wie der Gleichrauprozeß bei Ottootor ein Idealprozeß, der die therodynaischen Vorgänge eines idealen Motors beschreibt (siehe dazu Abb..4 und Abb..5). Abb..4: p-v-diagra des Seiliger-Prozesses W N Nutzarbeit; V C Verdichtungsendrau; V h Hubrau des Einzelzylinders

40 Vergleich von Otto- und Dieselprozeß 9 Abb..5: T-s-Diagra des Seiliger-Prozesses Q N Nutzwäre Bei Seiliger-Prozeß erfolgt die Verdichtung der angesaugten Luft isentrop (1-) bis das Voluen oberhalb des Kolbens nur noch aus de Verdichtungsendrau besteht. Darauf folgend wird der Kraftstoff eingespritzt () und durch isochore Wärezufuhr (-) entzündet (Selbstzündung bei ). Die Gleichdruckverbrennung des Kraftstoff-Luft-Geisches erfolgt isobar (-4). Danach folgt die isentrope Expansion (4-5), wobei der Kolben sich bis zu unteren Totpunkt bewegt. Abschließend wird isochor Wäre durch das Auslaßventil in die Abgasanlage abgeführt (5-1)... Bei Dieselotor verwendeter Kraftstoff Bei Dieselotor wird als Kraftstoff Dieselöl verwendet, welches aus der Destillation von Erdöl gewonnen wird und zu den schwer entflabaren Kohlenwasserstoffen gehört. Die in Abb..6 dargestellte Siedekurve liegt bei Ugebungsdruck (1 bar) zwischen 00 C und 60 C. Abb..6: Siedekurve des Dieselkraftstoffes

41 Vergleich von Otto- und Dieselprozeß 0 Der Dieselkraftstoff wird klassifiziert durch die Cetanzahl (CZ), welche die Zündwilligkeit angibt. Diese Zündwilligkeit wird durch einen Vergleich it einer bestiten Mischung, bestehend aus Cetan (CZ 100) und naphthalin, in eine Prüfotor (Eichung) erittelt. Hierbei ist das Cetan der zündwillige und ündträge Mischungspartner. Die Zündwilligkeit steigt deshalb it wachsender Cetanzahl und soll nach DIN indestens CZ 45 betragen... Kraftstoffaufbereitung bei Dieselotor Die Kraftstoffaufbereitung erfolgt bei Dieselotor ausschließlich über Einspritzungsverfahren, da die hohe kineatische Zähigkeit die Zerstäubung über einen Vergaser nicht eröglicht. Der Einsatz eines Vergasers verbietet sich jedoch schon durch das Arbeitsverfahren des Dieselotors, nach de die Geischbildung erst erfolgen darf, wenn die Luft hochverdichtet ist und soit über eine Teperatur verfügt, die die Selbstzündung des Dieselöls eröglicht. Der Kraftstoff uß bei de sich einstellenden hohen Verdichtungsdruck zerstäubt, verdapft und it der Ansaugluft verischt sein, bevor eine Verbrennung eintreten kann. Der Ablauf dieser Vorgänge ist für die Verbrennungsgüte von großer Bedeutung und dait aßgebend verantwortlich für die Geräuschentwicklungen und Schadstoffeissionen. I Gegensatz zu Ottootor wird bei Dieselotor keine hoogene Geischbildung angestrebt, da bei eine hoogenen Diesel-Luft-Geisch die Gefahr einer plötzlichen Entflaung i gesaten Brennrau besteht. Diese würde zu unzulässigen Druckspitzen i Zylinder führen. Der Geischbildungsprozeß kann bei Dieselotor sowohl in der Vorkaer als auch direkt i Zylinder erfolgen. Folgende Einspritzverfahren werden unterschieden: Vorkaerverfahren (siehe hierzu Abb..7) Bei Vorkaerverfahren wird der Kraftstoff in eine heiße Vorkaer, die einen Teil des Verdichungsraues darstellt, eingespritzt; in dieser leitet eine Vorverbrennung eine gute Geischaufbereitung it reduzierte Zündverzug