5.1 Ladungswechsel. 5.2 Gemischaufbereitung und Motorsteuerung. Kolbenmaschinen 5 Ladungswechsel und Gemischaufbereitung Herzog

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1 5 Ladungswechsel und Gemischaufbereitung 5.1 Ladungswechsel 5.2 Gemischaufbereitung und Motorsteuerung

2 5.1 Ladungswechsel Ventiltrieb Ladungswechselverluste Steuerzeiten Nockenkraft

3 Ventiltrieb eines 4-Ventil-Motors Quelle: VW

4 Ventiltriebskonfigurationen Quelle: van Basshuysen/Schäfer

5 Ladungswechselverluste Diesel- oder Ottomotor bei voll geöffneter Drosselklappe Quelle: Pischinger

6 Ladungswechselverluste eines Ottomotors im Teillastbetrieb bei teilweise geöffneter Drosselklappe Quelle: Pischinger

7 Öffnungsquerschnittsflächen der Steuerungsorgane in Abhängigkeit der Kurbelwellenposition Quelle: Pischinger

8 Strömungsquerschnitt Quelle: Pischinger

9 Einfluss der Steuerzeiten Auslass öffnet (Aö) Aö früh: Hohe Expansionsarbeitsverluste, niedrige Ausschiebearbeit Aö spät: Niedrige Expansionsarbeitsverluste, hohe Ausschiebearbeit Einlass öffnet (Eö) und Auslass (As) schließt Eine große Überschneidung bewirkt ein teilweises Durchströmen der Zylinderladung (Spülverluste) und somit eine Verringerung des Wirkungsgrades, aber auch eine bessere Restgasausspülung und größere Zylinderfüllung und somit höhere Leistung. Einlass schließt (Es) In Bezug auf das Füllungsverhalten hat die Steuerzeit Es einen wesentlich stärkeren Einfluss als alle anderen Steuerzeiten. Ein frühes Es bewirkt hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und Füllungsverluste bei hohen Drehzahlen. Einspätes Es bewirkt hohe Nennleistung bei Verlusten im niedrigen Drehzahlbereich.

10 Steuerzeiten von Ottomotoren Typische Steuerzeiten von Ottomotoren: Auslass öffnet (Aö): vor UT Auslass schließt (As): 4-30 nach OT Einlass öffnet (Eö): vor OT Einlass schließt (Es): nach UT Zum Vergleich Suzuki GSX-R600 im Renntrimm: Auslass öffnet (Aö): 78 vor UT Auslass schließt (As): 50 nach OT Einlass öffnet (Eö): 54 vor OT Einlass schließt (Es): 82 nach UT

11 Vergleich des Ladungswechsels eines Pkw- Motors mit dem eines Hochleistungsmotors Quelle: AVL

12 Vollvariable Ventilhubsteuerung ( Valvetronik ) der Firma BMW Quelle: van Basshuysen /Schäfer

13 Zylinderkopf der Firma BMW mit Valvetronik -System Quelle: van Basshuysen /Schäfer

14 Verringerung der Ladungswechsel- verluste durch variables Einlassschließen Quelle: van Basshuysen /Schäfer

15 Nockenkraft F FE Federkraft m red x m red x Nockenkraft FN = FFE + mred & x mred = bei Tassenstößeln Summe der Massen von Tasse, Ventil, Einstellplättchen, Keilen und ein entsprechender Anteil der Feder

16 Ventilhub, Ventilgeschwindigkeit und Ventilbeschleunigung (MV Agusta F4 1000) Beschleunigung in mm/grad^2 Ventilhub in mm Geschwindigkeit in mm/grad Nockenwinkel in Grad Nockenwinkel in Grad Nockenwinkel in Grad Profil c4a44

17 Übungsaufgabe Gegeben sind die Ventilerhebungskurve sowie die Ventilbeschleunigung in Abhängigkeit vom Nockendrehwinkel einer modifizierten Nockenwelle für den Motorradmotor einer MV Agusta 1000 F4. Außerdem sind die bewegten Massen des Ventiltriebes bekannt. Berechnen Sie die zulässige Höchstdrehzahl des Motors in Bezug auf das Abheben des Ventils von der Nocke. Vereinfachend kann die Masse der Ventilfeder zur Hälfte zu den bewegten Masse des Ventiltriebes addiert werden. Ventiltriebsdaten: Masse des Ventils m V = 27 g Masse der Ventilfeder m FE = 44 g Masse von Ventilteller und Keilen m T = 8,5 g Masse von Tasse und Ventileinstellplättchen m T = 23,9 g Ventilfedersteifigkeit c FE = 71,1 N/mm Vorspannweg der Ventilfeder in Einbaulage bei nicht betätigtem Ventil l V = 3,4 mm Ventilspiel s = 0,2 mm

18 5.2 Gemischaufbereitung und Motorsteuerung Motorsteuerung Kraftstoffversorgung Luftmassenmessung Kurbelwellenpositionsbestimmung Lambdamessung

19 Gemischaufbereitung Saugrohreinspritzung Quelle: Bosch

20 Schema Saugrohreinspritzung Spannung Zeit Druckregler Einspritzventil Luft Ansaugrohr Kraftstoffpumpe Tank

21 Gemischaufbereitung Benzin- Direkteinspritzung Quelle: VW

22 Schichtladebetrieb bei Benzindirekteinspritzung durch Tumble-Brennverfahren Der Schichtladebetrieb erfolgt im Teillastbereich. Durch Schließen der Saugrohrklappe wird die Strömung im oberen Kanal beschleunigt, und es entsteht eine walzenförmige (tumble) Strömung. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt im letzten drittel des Verdichtungstaktes und es entsteht im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch. Quelle: VW

23 Betriebsarten der Benzindirekteinspritzung Homogen Homogen-Betrieb: Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt nahe eins. Homogen Homogen-Mager Mager-Betrieb: Ein mageres Gemisch ist homogen im Brennraum verteilt. Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt im Bereich von 1,55. Quelle: VW Schichtladungs Schichtladungs-Betrieb: Nur im Bereich der Zündkerze befindet sich ein zündfähiges Gemisch. Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt zwischen 1,6 und 3.

24 Vor- und Nachteile der Benzin- Direkteinspritzung Vorteile Geringere Drosselverluste im Schichtladungs- und Homogen-Mager-Betrieb Geringere Wandwärmeverluste im Schichtladungsbetrieb Durch das direkte Einspritzen wird der Ansaugluft Wärme entzogen, so dass sich die Klopfneigung verringert, und die Verdichtung erhöht werden kann Nachteile Höhere Komplexität und höhere Systemkosten Starker Anstieg der Stickoxide erfordert ein aufwendiges Abgasnachbehandlungs-System

25 Liefergrad Der Liefergrad ist ein Maß für die im Zylinder nach Abschluss des Ladungswechsels verbleibende Frischladung. Liefergrad λ 1 = m m Z th = mz V ρ h th m Z = Zylinderfrischladung m th = theoretische Ladung je Arbeitsspiel V h = Hubvolumen ρ th = theoretische Ladungsdichte

26 Kraftstoffversorgung einer Saugrohreinspritzung Quelle: Bosch

27 Einspritzventile Quelle: Bosch

28 Kraftstoff-Rail Quelle: Bosch

29 Übungsaufgabe Bestimmen Sie für einen 4-Zylindermotor mit Saugrohreinspritzung die Öffnungszeit der Einspritzventile pro Arbeitsspiel bei 3000 U/min und komplett geöffneter Drosselklappe. Der Motor besitzt ein Einspritzventil pro Zylinder. Wie groß ist die prozentuale Einspritzzeit pro Arbeitsspiel? Vernachlässigen Sie bei der Berechnung der Zylinderfüllung den Massenanteil des Kraftstoffes. Durchflussmenge je Einspritzventil bei permanenter Bestromung Q = 149 ml/min Hubvolumen Vh = 2,0 l stöchiometrischer Luftbedarf LSt = 14,7 geforderter Lambda-Wert λ = 0.92 Liefergrad bei 3000 U/min λ 1 = 0.95 Dichte der Luft ρ L = 1,2 kg/m 3 Dichte des Kraftstoffes ρ = 750 kg/m 3 K

30 Motorsteuerung eines Motorradmotors Quelle: MV Agusta

31 Motorsteuerung Quelle: Bosch

32 Kraftstoffpumpe in einer Testeinrichtung

33 Hitzdraht-Luftmassenmesser Quelle: Bosch

34 Heißfilm-Luftmassenmesser Quelle: Bosch

35 Aufbau eines Heißfilm- Luftmassenmessers Quelle: Bosch

36 Kennlinie eines Heißfilm- Luftmassenmessers Quelle: Bosch

37 Kurbelwellenpositionserfassung Quelle: Bosch

38 Kurbel-- und Nockenwellensensor Kurbel Quelle: Bosch Kolbenmaschinen 5 Ladungswechsel und Gemischaufbereitung Herzog

39 Lambdasonde Quelle: Bosch

40 Einspritzkennfeld eines mit Flüssiggas betriebenen 2,5l-Turbomotors

41 Zündkennfeld eines 2,5l Turbomotors

42 Einspritzkennfeld eines 1,0l Motorrad- Saugmotors

43 Übungsaufgabe Ein Motor soll auf einfache Weise durch Erhöhung des Kraftstoffversorgungsdruckes für den Betrieb mit E85 (85% Ethanol, 15% Benzin) angepasst werden. Der Durchflusswiderstand des Einspritzventils kann als Durchflusswiderstand einer Blende angesehen werden. Dies bedeutet, dass der Durchfluss proportional zur Wurzel aus dem Versorgungsdruck steigt. Bestimmen Sie auf welchen Wert der Versorgungsdruck angehoben werden muss und mit welcher prozentualen Verbrauchserhöhung zu rechnen ist. Gegeben sind die folgenden Daten: Kraftstoffversorgungsdruck bei Benzinbetrieb p B = 3,5 bar stöchiometrischer Luftbedarf Benzin L St,B = 14,7 stöchiometrischer Luftbedarf Ethanol L St,E = 9,0 Heizwert Benzin H u,b = kj/kg Heizwert Ethanol H u,e = kj/kg Dichte Benzin ρ B = 750 kg/m 3 Dichte Etanol ρ E = 789 kg/m 3