Kleinmotoren und Umwelt

Transkript

1 Kleinmotoren und Umwelt Vorlesung Einführung in den Maschinenbau und Technologiefolgenabschätzung Assoc. Prof. Dr. techn. Roland Graz,

2 View on the main world wide motorcycle markets : annual production of two wheelers of up to 120 mio. same quantity as passenger car production source: Samaras source: Freedonia,

3 View on the biggest Asian motorcycle markets source: IFEU 2 source: IFEU % of HC emissions from the road comes from two wheelers 6-14% growth of two wheeler market source: Samaras 3

4 View on the European motorcycle markets only 3% of travelled miles more than 30% of HC emissions are produced by two wheelers (rising tendency) source: Samaras 4

5 View on the main world wide motorcycle markets Euro 1 Passenger cars Motorcycles HC [g/km] 5 4 Euro 1 Euro Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 2 Euro Year source: EurLex 5

6 View on the main world wide motorcycle markets Specific Power / BMEP comparison for Passenger cars and motorcycles BMEP / bar Gasoline engines (Motorcycle/Passenger cars) P e kw/l Engine speed / min rpm Toyota Aygo (MY06) Ferrari 458 Speciale (MY14) BMW S 1000 RR (MY15) Mercedes A 45 AMG (MY14) source: Eichlseder 6

7 View on the main world wide motorcycle markets 7

8 View on the main world wide motorcycle markets General demands on motorbike engines Emission (obligatory) High power density Low cost and simplicity Easy maintainability Automotive technologies cannot easily be implemented in motorcycles New technologies are required 8

9 Kleinmotoren Grundlagen Vorlesung Einführung in den Maschinenbau und Technologiefolgenabschätzung Roland Graz,

10 Arbeitsverfahren Verbrennungskraftmaschine 4-Takt Motor: 1. Ansaugtakt 2. Verdichtungstakt 3. Arbeitstakt 4. Ausschiebetakt 10

11 Arbeitsverfahren Verbrennungskraftmaschine 4-Takt Motor: 1. Ansaugtakt 2. Verdichtungstakt 3. Arbeitstakt 4. Ausschiebetakt [Video 4-Takt Motor] 11

12 Arbeitsverfahren Verbrennungskraftmaschine 2-Takt Motor: 1. Takt: Gaswechsel / Verdichten 2. Takt: Arbeitstakt / Gaswechsel 12

13 Arbeitsverfahren Verbrennungskraftmaschine 2-Takt Motor: 1. Takt: Gaswechsel / Verdichten 2. Takt: Arbeitstakt / Gaswechsel 13

14 Berechnung der Arbeit Arbeit = Volumensänderungsarbeit: δw pdv W pdv W pdv Gesamter Zyklus: W W W W W W ab Zyklus pdv pdv pdv W pdv W pdv W pdv W pdv pdv pdv 14

15 p u + W ab Zyklus pdv pdv pdv pdv pdv 15

16 Mitteldruck Ziel: Maß für Arbeit, unabhängig von Motorgröße Arbeit auf Hubvolumen beziehen Pa Einheit entspricht Druck p mi W ab Zyklus V h indizierter Mitteldruck 16

17 Mitteldruck P p me p mi η m effektiver Mitteldruck Typische Werte für Mitteldruck: Motortyp p me [bar] 2-T Otto Saugmotor 9 4-T Otto Saugmotor 12 (14) 4-T Ottomotor mit Aufladung 22 4-T Dieselmotor mit Aufladung 20 (24) 17

18 Mitteldruck Achtung: Mitteldruck = Mittelung [Druck] über [Volumen] NICHT Mittelung [Druck] über [Grad Kurbelwinkel] p mi pdv V h pdφ V h p=f( KW) p=f(v) 60 Zylinder Druck in bar Kurbelwinkel in KW Zylinder Volumen in cm³ 18

19 Reale Messdaten Takt 2-Takt Takt 2-Takt Zylinder Druck in bar Zylinder Druck in bar Zylinder Volumen in dm³ Zylinder Volumen in dm³ 19

20 Vergleich 2Takt / 4Takt Takt 2-Takt Takt 2-Takt Zylinder Druck in bar Zylinder Druck in bar Zylinder Volumen in dm³ Kurbelwinkel in KW 20

21 Zusammenhang Mitteldruck Leistung P Arbeit: W p V W p V Leistung: P W n p V n(2-takt Prozess) P W p V m (4-Takt Prozess) W 21

22 Auslegung Verbrennungsmotor P Ein Antrieb für ein Motorrad soll ausgelegt werden. Die geforderten Motordaten für den 4-Takt Motor lauten: Rechenbeispiel Zylinderanzahl: Hubvolumen pro Zylinder: Maximale Drehzahl: Indizierter Mitteldruck: Mechanischer Wirkungsgrad: i2 V h Zyl 500 cm 3 n U min p mi 14 bar η m 0,85 a) Wie groß ist der effektive Mitteldruck? Mit welchem Motortyp ist dieser Wert erreichbar? b) Welche maximale Leistung liefert der Motor? c) Wie groß muss der (Gesamt)Hubraum bemessen werden, wenn die selbe Leistung in einem 2-Takt Verfahren mit 8 bar effektivem Mitteldruck erreicht werden soll, der n min 22 U drehen kann?

23 Lösung Auslegung Verbrennungsmotor (1) P Rechenbeispiel a) Wie groß ist der effektive Mitteldruck? Mit welchem Motortyp ist dieser Wert erreichbar? p p η p me 14 0,8511,900 bar Erreichbar z.b. durch 4-T Otto Saugmotor b) Welche maximale Leistung liefert der Motor? P p V P 11, P ab 4T W 119 kw m W 23

24 Lösung Auslegung Verbrennungsmotor (2) P Rechenbeispiel c) Wie groß muss der (Gesamt)Hubraum bemessen werden wenn die selbe Leistung in einem 2-Takt Verfahren mit 8 bar effektivem U Mitteldruck erreicht werden soll, der n drehen kann? P p V n V h m min 0, m 637, 5 cm 3 24

25 wozu? P Typische Kundenanforderung: Ein Kunde wünscht einen Fahrzeugantrieb; folgende Randbedingungen werden vorgegeben: Leistung Hubvolumen Maximale Drehzahl: P V h n Herangehensweise: Wie hoch ist der effektive Mitteldruck (2T und 4T Konzept)? Ist der Antrieb mit einem 4-Takt Otto-Saugmotor realisierbar? Welches Motorkonzept wäre hierfür am besten geeignet? 25