RFH. Otto- und Dieselmotoren. SAIYA.DE Version 1.3.5

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1 RF Otto- und Dieselmotoren Version 1.3.5

2 Inhalt 1. Einleitung Maschinenrichtlinien Normbedingungen 4 2. Übersicht Gliederung der Verbrennungsmotoren auptmerkmale der Otto- und Dieselmotoren 5 3. Verbrennungsprozess Grundprinzip des thermodynamischen Kreisprozesses Carnot scher Kreisprozess (T-S-Diagr.) Die Idealmaschine p-v- und T-S-Diagramm des Ottoprozesses p-v- und T-S-Diagramm des Dieselprozesses (Seiligerprozess) Vollkommener Motor (nach DIN 1940) Der wirkliche Motor Wirkliches p-v-diagramm des Ottomotor Mittlerer Kolbendruck & Motorleistung Wirkungsgrad & Verluste Zusammensetzung des effektiven Wirkungsgrad Thermodynamischer Wirkungsgrad Dieselprozess (Seiliger): Ottoprozess: Klassischer Dieselprozess: erleitung: Mechanischer Gesamtwirkungsgrad Umsetzungsgrad Sankey Diagramm Wirkungsgrad und Verdichtungsverhältnis Weitere Verluste Konvektionswärme (Wärmeübertragung) Verbesserung des Kreisprozesses Arbeitsverfahren Vier-Takt Zwei-Takt Füllung und Ladungswechsel Prozessverlauf Kreisdiagramm des Ladungswechsels Diagramm der Zeitquerschnitte Kühlung Kraftstoff Einflüsse/Wirkungen im Otto-/Dieselmotor Allgemeine Definition Systeme für die Kraftstoffaufbereitung Wesentliche Eigenschaften der Otto-Kraftstoffe (nach DIN EN 228) Das C-Molekül Klopffestigkeit kontra Zündwilligkeit Superbenzin-Zusammensetzung Modell zur Demonstration der Klopfentwicklung: Klopfende Verbrennung im Ottomotor: Klopferscheinungen werden begünstigt durch: Oktan-Zahl Fehler! Textmarke nicht definiert. 8.7 Gaskraftstoffe 26

3 8.7.1 Methanzahl Dieselmotor mit Gas betreiben? Dieselkraftstoffe Cetanzahl Nagelnde Verbrennung Gemischbildung Luftverhältnis Verbrennungsverhältnis Volumetrischer Gemischheizwert Gem (nur für Luft und Kraftstoff) Gemischheizwert Triebwerk Tauchkolbentriebwerk (trunk-piston-engine) Kreuzkopfmotor (cross-head-engine) Kurbelwelle (crankshaft) Pleuelstange (CONROD, connecting-rod) Marinisierung der Pleuelstange Pleuel schräg teilen Zylinderanordnung Reihenmotor, R-Motor V-Motor VR-Motor W-Motor Ventile und Ventilsteuerung Nockenformen Lage der Nockenwelle Verbrennungsraumgestaltung Verschiedene Brennräume (Ottomotor) Ricardo-Brennraum Kugel-Brennraum Keil-Brennraum auptanforderungen an Brennräume von Ottomotoren Brennräume beim Dieselmotor Drehzahlen Charakteristische Kenngrößen von Verbrennungsmotoren Vorgehensweise für die Motorauslegung Anhaltspunkte Aufgaben/Berechnungen Aufgabe Aufgabe Aufgabe Impressum, Quellen und wichtige inweise 44 3

4 1. Einleitung Straßenfahrzeuge Schiffsmotoren Otto- & Dieselmotoren Stromerzeugungsaggregate (GENERATOR SETS) Kleine Wasserfahrzeuge (SMALL CRAFT) bis Rumpflänge 24m Ein Straßenfahrzeugmotor muss konstruktiv, baulich und prüfungsorientiert (einsatzmäßig) für das Volumen des Motors die größte ubraumleistung haben. Der Einsatz der Werkstoffe (Masse) soll nach unten gerichtet sein (kleinstmöglich, Leichtbau) Maschinenrichtlinien Die CE -Kennzeichnung MRL DGRL ATEX NSP-RL EMVRL Maschinenrichtlinie (MACINERY DIRECTIVE) Druckgeräterichtlinie (PRESSUR DIRECTIVE) Explosionsschutzrichtlinie (EXPLOSION PROTECTION DIRECTIVE) Niederspannungs-Richtlinie (LOW VOLTAGE DIRECTIVE, LVD) Elektromagnetische Verträglichkeit (ELECTRO-MAGN.-COMPATIBILITY) CE gilt nur für denjenigen, der die Maschine verwendungsfertig in Betrieb nimmt. Betriebsbereit ist eine Maschine, wenn der Motor fertig eingebaut ist! 1.2. Normbedingungen ISO-Standard: p amb = 1000 mbar; t amb = 25 C; Φ rel = 30% (rel. Luftfeuchte) IACS (Schiffe): p amb = 1000 mbar; t amb = 45 C; Φ rel = 60% 4

5 2. Übersicht 2.1 Gliederung der Verbrennungsmotoren Kriterien Verbrennungsort Verbrennungsprozess Arbeitsverfahren Füllungsart Kühlungsart Kraftstoffart Gemischbildung Triebwerk Zylinderanordnung Gaswechsel Drehzahl Verwendungszweck Varianten Innere Verbrennung, Äußere Verbrennung (Stirling-Motor) Gleichraumprozess (Ottomotor), Gleichdruckprozess (Klassischer Dieselmotor), Seiligerprozess (gemischter Prozess, heutiger Dieselmotor) Viertaktspiel, Zweitaktspiel Selbstansaugend, aufgeladen (Turbo) Wassergekühlt, Ölgekühlt, Luftgekühlt Flüssigkraftstoff (z.b. Benzin, Methanol, Dieselkraftstoff, Biokraftstoff, Schweröl, Mischöl), Gasförmiger Kraftstoff (z.b. Erdgas, Flüssiggas (LPG), Biogas, Wasserstoffgas) Vergasermotor, Einspritzmotor, Gasmotor, Äußere und Innere Gemischbildung Tauchkolbenmotor (ubkolbenmotor), Kreuzkopfmotor, Kreiskolbenmotor (Wankelmotor) Reihenmotor, V-, W-, Boxer-Motor, (früher auch: -, X-, Dreieck-Motor) Oben- / Untengesteuert (4-Takt, Ventile) Schlitz- oder Ventil- und Schlitzgesteuert Schnelllaufend, mittelschnelllaufend, langsamlaufend Straßenfahrzeuge (PKW, LKW, Bus), Bahnantrieb (Lok, Triebwagen), Schiff, kleines Wasserfahrzeug (small craft), Rasenmäher, Traktor, Landmaschinen, Baumaschine, Flurförderzeug, Kompressorantrieb, Pumpenantrieb, Generatorantrieb, Flugzeugantrieb, Bagger, Sonderfahrzeuge, Panzer, Motorrad, Moped 2.1 auptmerkmale der Otto- und Dieselmotoren Ottomotoren Dieselmotoren Gleichraumverbrennung (Ottoprozess) Fremdzündung Leichtflüchtige Kraftstoffe mit hoher Klopffestigkeit (ROZ/MOZ) Gemischmengenregelung (Quantitätsregelung) der Leistung Innere oder äußere Gemischbildung (Direkte/Saugrohr-Einspritzung oder Vergasersystem) Mit ubkolben- und Rotationskolbentriebwerk realisierbar Gemischte Verbrennung (Seiligerprozess) Selbstzündung Zähe Kraftstoffe mit hoher Zündwilligkeit Kraftstoffmengenregelung (Qualitätsregelung) der Leistung Innere Gemischbildung (Indirekte oder direkte Einspritzung) Mit ubkolbentriebwerk realisierbar 5

6 3. Verbrennungsprozess 3.1 Grundprinzip des thermodynamischen Kreisprozesses Ziel: annähernd periodische Prozesskette T Prozesse im Motor sind alle irreversibel (nicht umkehrbar). Der Anfangszustand (energetisch) kann nie wieder hergestellt werden (Zugeführte Wärmekapazität) Q Nutz Q Nutz Carnot scher Kreisprozess (T-S-Diagr.) T = Temperatur [K] S = Entropie [kj/k] s = Entropie [kj/kgk] 1 Q ab Q ab s Thermodynamischer Wirkungsgrad: T Links: T-s-Diagramm zweier Prozesse Je schmäler die Basis (Δs) desto weniger Verluste durch Rückkehr in den Ausganspunkt. Die Entropieänderung Δs (Wärmeverluste) ist beim heutigen Dieselmotor am geringsten (Flächenbreite ist schmäler) Isobare und Isochore im T-s-Diagramm: 2 1 Q Nutz Q ab Δs T Q Nutz Q ab Δs s p 3 >p 2 p 2 >p 1 Isochore verlaufen wesentlich steiler! Abgeführte Wärme kann wenig beeinflusst werden, aber das Niveau 23 kann so weit erhöht werden, dass die Breite der Fläche sehr schmal und dadurch auch q ab sehr klein wird. V 3 V 2 V 1 p 1 s Ottomotor 1-2: Isentrop 2-3: Isochor 3-4: Isentrop 4-1: Isochor Dieselmotor 1-2: Isentrop 2-3: Isochor 3-4: Isobar 4-5:Isentrop 5-1:Isochor T Zugeführte Wärme 2 Genutzte Wärme Verlorene Wärme Ottomotor Dieselmotor Ehemaliger Dieselmotor s 6

7 3.2 Die Idealmaschine Der Vergleichsprozess ist die Abbildung eines motorischen Kreisprozesses, der die Merkmale liefert, nach welchen die bestmögliche Ausnutzung der Kraftstoffenergie in einem ubkolben (Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung) möglich wäre. D.h. der vollkommene Motor enthält die Benchmarks für die Beurteilung der Wirkungen im realen Motor p-v- und T-S-Diagramm des Ottoprozesses p 3 T 3 2 -ΔW p 2 -ΔW t 4 p amb p unterdruck V C OT V h UT V Δs s -ΔW p = Arbeitsfläche bedingt durch das Nicht-Erreichen des Anfangsdruckes -ΔW t = Arbeitsfläche bedingt durch Nicht-Erreichen der Anfangstemperatur OT: UT: V C : V h : Oberer Totpunkt Unterer Totpunkt Kompressionsvolumen ubvolumen 1 2: isentrop (früher: adiabatisch ) Es findet kein interner als auch kein peripherer Wärmeaustausch statt 2 3: Isochore Verbrennung 3 4: Isentropische Expansion 4 1: Ausstoß von verarbeitetem Gas (isochor) 7

8 3.2.2 p-v- und T-S-Diagramm des Dieselprozesses (Seiligerprozess) p 3 4 Isobar T 2 Isochor 3 4 Isentrop 2 5 p amb V C OT V h UT V Δs s 1 2: isentrop 2 3: Isochore Verbrennung 3 4: Isobare Verbrennung Der restliche Kraftstoff wird verbrannt, während der Kolben schon wieder hinfährt. 4 5: Isentrope Expansion 5 1: Ausstoß Einzige Änderung zu oben: Selbstzündung sonst: Wärmedichte Wände usw. Die Linien sind Exponentiallinien nach dem Gesetz 8

9 3.3 Vollkommener Motor (nach DIN 1940) a) reine Leistung (ohne Restgas) b) λ VoMo = λ WiMo c) Vollständige Verbrennung d) Verbrennungsablauf nach vorgegebenem Gesetz (Ideale Gase, c p,c v f(t)) e) Keine Wandwärmeverluste f) Keine Strömungs- und Leckageverluste g) Ohne Ladungswechselverluste 3.4 Der wirkliche Motor Die Punkte a) bis g) s.o. treffen hier nicht zu! Zu b): Luftverhältnis (bleibt dennoch gleich) Es gibt 4 wesentliche Punkte für die Formabweichung des wirklichen Motorprozesses von der Form des vollkommenen Motorprozesses: I. Nicht isentrope Expansion II. Zeitlicher Bedarf der Verbrennung III. IV. Zeitlicher Bedarf der Vorzündung Auswirkungen der Strömungsverluste Weitere Abweichungen des wirklichen Motors vom Vollkommenen: Einfluss des Liefergrades Einfluss der Ladungswechselarbeit Wirkliches p-v-diagramm des Ottomotor p p max 3 2 Zeitl. Verbrennungsbedarf Strömungsverluste Polytrope Expansion/ Kühlungsverluste Strömungsverluste durch Auslass und Ausschiebevorgang Die rote, gestrichelte Linie entspricht der Kurve der Idealmaschine. p amb Vorzündung polytrope Kompression 4 1 Isentrop: Polytrop: OT +W i < +W V UT V V C V h 9

10 3.5 Mittlerer Kolbendruck & Motorleistung Die Fläche des Indikatordiagramms (Druck, Weg) entspricht der in einem Zylinder je Arbeitsspiel geleisteten Arbeit W. Verwandelt man diese Fläche in ein Flächengleiches Rechteck, so entspricht seine öhe dem mittleren Kolbendruck. Der mittlere Kolbendruck ist ein Maß für die Belastung der Maschine und ermöglicht eine schnelle Ermittlung der Leistung, wenn drehzahl und Abmessungen bekannt sind. P i = innere Leistung [W] (indizierte Leistung) p i = mittlerer innerer Kolbendruck P R = Reibungsverluste P e = effektive Leistung, Nutzleistung p me = effektiver mittlerer Kolbendruck (imaginäre Größe) V h = ubvolumen [N/m 2 ] n a = Drehzahl [s -1 ] d = Kolbendurchmesser s = ub A K = Fläche des Kolbenquerschnitts p Gleiche Flächen p i V Leistungsformel für den Verbrennungsmotor Kraftstoff Luft Reibungsverluste (P R ) infolge von Gleitreibung Rollreibung Abtriebsenergie für abhängige ilfseinrichtungen P i P e ilfseinrichtungen (AUXILIARIES) 10

11 4. Wirkungsgrad & Verluste 4.1. Zusammensetzung des effektiven Wirkungsgrades η u = Umsetzungswirkungsgrad η th = Thermodynamischer Wirkungsgrad η v = Wirkungsgrad des vollkommenen Motors η i = Innenwirkungsgrad (am Kolben) η e = Effektiver Wirkungsgrad η m = Mechanischer Wirkungsgrad η g = Gütegrad U = spezieller eizwert (entspricht der Maximalen theor. Energieausnutzung) Q Abgas = Im Abgas noch enthaltene Verbrennungsenergie Δη UV = Verluste durch unvollständige Verbrennung Δη VG = Verluste durch Verbrennungsgeschwindigkeit Δη W = Verluste durch Wandwärme Δη LW = Verluste durch den Ladungswechsel W i = reale Innenarbeit W v = ideale Innenarbeit P i = Innenleistung P v = Leistung des vollkommenen Motors P e = (effektive) Nutzleistung 11

12 4.2. Thermodynamischer Wirkungsgrad Dieselprozess (Seiliger): Drucksteigerungsverhältnis: Füllungsgrad: Bei Verbrennungsmotoren ist im Vergleich der Isochore Prozess zum Isobaren wirtschaftlicher! Die Steigerung von ρ (Füllungsgrad) ist für den Dieselprozess kontraproduktiv! Ottoprozess: Füllungsgrad: (keine Isobare im p-v-diagramm) Klassischer Dieselprozess: Drucksteigerungsverhältnis: (Gleichdruckprozess) erleitung: Auf die erleitung des thermodynamischen Wirkungsgrades wird an dieser Stelle verzichtet. Es kommen allerdings folgende Formeln zur Umformung der Wärmeformeln vor: 12

13 4.3. Mechanischer Gesamtwirkungsgrad P e = P R = P L = P Sp = Nutzleistung Reibleistung Ladeleistung (mech. angetr.) Spülpumpenleistung (mech. angetr.) 4.4. Umsetzungsgrad Dissoziation der Verbrennungsprodukte Prozess, bei dem sich nach der Verbrennung der Molekülaufbau ändert (nachträglich) Molekülzerfall aufgrund hohen Drucks und/oder hoher Temperatur Umsetzungsgrad: q Abg u = im Abgas enthaltene Verbrennungsenergie = spezifischer eizwert des Kraftstoffes (früher: unterer eizwert ) ubgewicht: Maximale Befüllung des ubvolumens bei Ausnutzung der totalen Geometrie Sankey Diagramm Grafische Darstellung des Energieflusses (Zahlen nur als Beispiel) Q zu (100%) Q V 0,64 Q V 0,58 Q V 0,52 Q i 0,46 0,40 0,38 Q e 0,38 Q Abgas Q Kühl Q Reib 0,62 + 0,36 η thv + 0,06 η u (unvollkommene Verbrennung infolge Dissoziation) + 0,06 Wärmeverlust durch nicht-isotroper Kompr./Expansion + 0,06 Gaswechselverluste (Strömungsverluste) + 0,06 mechanische Reibungsverluste (Friktion) + 0,02 mechanischer Aufwand für Kühlung (Lüfter) Nutzwärme Q e Q zu ⅓ ⅓ ⅓ Abgaswärme Kühlwärme Reibungs- Strahlungs -wärme 13

14 4.6. Einfluss des Verdichtungsverhältnisses η th 0,9 Bsp.: Ottomotor: mit κ = 1,4 Degressiver Charakter einer Asymptote 0,8 0,7 0,6 0,5 Wenn ε geht: η th 1 Bei ε = 1 ist η th = 0, d.h. der Motor funktioniert noch nicht Das Verdichtungsverhältnis bei Ottomotoren zu erhöhen wird heute nicht mehr als Potenzial gesehen, da wie oben zu sehen ist, die Verdichtung (ε) z.b. von 10 auf 15 nur eine minimale Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades ergibt. Extreme Anhebung der ε-werte bei Ottomotoren bedingt die Verwendung der Direkteinspritzung. Ein wesentlicher Grund dafür ist der Gewinn der inneren Brennraumkühlung durch Verdampfungswärme des Benzins 0,4 0,3 0,2 0, ε 4.7. Weitere Verluste Konvektionswärme (Wärmeübertragung) Je steiler der Linienabfall, desto besser ist die Isolationswirkung Konvektion ist die Abgabe der Wärme an die Umgebung aufgrund der Stoffberührung (verschiedenen Dichten in einem Stoff) Konvektion: Stoffgebundene Wärmeübertragung ohe Temp. Wand α 1 d λ α 2 niedrige Temp. K ist proportional zur relativen Strömungsgeschwindigkeit der beiden Stoffe (warmer/kalter Stoff) zueinander. 14

15 4.8. Verbesserung des Kreisprozesses Der Wärmeverlust durch die Irreversibilität des thermodynamischen Kreisprozesses stellt den größten Wärmeverlust beim Verbrennungsmotor dar. Deshalb liegen die Anstrengungen für eine Verbesserung des Kreisprozesses zwecks Minimierung dieses Verlustes im Vordergrund moderner Motorentwicklung. Die Wege zur Erreichung dieses Ziels sind z.b. Aufladungstechnik ochdruckeinspritzung Direkteinspritzung Elektronische Beeinflussung der Einspritzmenge ~bestimmung und deren Variation im Rahmen eines Prozessverlaufs Einfluss auf den Ladungswechselvorgang durch Variation der Ventilsteuerzeiten und der Einlassquerschnitte, z.b. durch variablen Ventileinlasshub Einen wesentlichen intergrund dieser Entwicklungen bildet die Abhängigkeit zwischen dem spezifischen Kraftstoffverbrauch und der Abgasemission (siehe Diagramm) ab. Kraftstoffverbrauch [g/kwh] Entwicklung Emission 15

16 5. Arbeitsverfahren 5.1 Vier-Takt 1. Takt, Ansaugen: Kolben im oberen Totpunkt (OT) Kolben bewegt sich nach unten, Auslassventil wird geschlossen Luft oder Kraftstoff-Luft- Gemisch wird in den Zylinder gesaugt. Kolben im unteren Totpunkt (UT) 2. Takt, Verdichten: Kolben bewegt sich nach oben, Einlassventil wird geschlossen. Verdichtung (+ Einspritzung bei Direkteinspritzer) Zündung bzw. Entzündung durch Druck 3. Takt, Arbeiten: Gas dehnt sich aus und schiebt den Kolben nach unten 4. Takt, Ausstoßen: Auslassventil wird geöffnet Kolben im UT Kolben wandert nach oben, Abgas wird ausgestoßen Einlassventil wird geöffnet Kolben im OT 16

17 5.2 Zwei-Takt 1. Takt: Arbeiten Brennstoffgemisch wird gezündet und bewegt den Kolben vom OT zum UT. (s.o.) 2. Takt: Ausspülen, befüllen, verdichten Kolben kehrt zum UT zurück, gleichzeitig wird Abgas mit Frischgas ausgespült und der Zylinder befüllt. Auslass wird geschlossen, Verdichtung beginnt. Um ein positives Spülgefälle zu erzeugen ist eine Spülpumpe erforderlich. In der einfachsten Bauform wird hierzu das Kurbelgehäuse verwendet, aus dem der Brennraum über Überströmkanäle befüllt wird. Die Steuerung erfolgt hierbei meist vom Kolben selber, indem dieser Aus- und Einlasskanal sowie die Überströmkanäle überfährt und so öffnet oder schließt. Der obere Totpunkt (OT) ist der Punkt an dem der Kolben am weitesten von der Kurbelwelle entfernt ist. Der untere Totpunkt (UT) entsprechend umgekehrt. d s OT UT 17

18 6. Füllung und Ladungswechsel Aufgabe: Ausbringung der verarbeiteten Ladung (Abgas) und Einbringung der frischen Ladung (Luft oder Kraftstoff-Luft-Gemisch) 6.1 Prozessverlauf Die rot gepunktete Linie beschreibt den Kurvenabschnitt in dem das Auslassventil geöffnet ist. Die grün gepunktete Linie beschreibt den Abschnitt, wo das Einlassventil geöffnet ist. Start und Ende dieser Linien (durch dicke Punkte markiert) sind AÖ (Auslassventil öffnen), AS (Auslassventil schließen), EÖ (Einlassventil öffnen) und ES (Einlassventil schließen). Saugmotor p Aufgeladen p p amb AÖ ES EÖ -W p +W amb p s EÖ AS V V p L AÖ ES AS Beim selbstansaugenden Motor wird ein Saugdruck (p s ) im 1.Takt erzeugt, welcher das Gas in den Verbrennungsraum saugt. (p s < p amb ) Beim aufgeladenen Motor wird ein Ladedruck (p L ) im 1. Takt erzeugt, welcher das Gas in den Verbrennungsraum drückt. (p L > p amb ) Prozesse gegen den Uhrzeigersinn sind Prozesse, die Energie benötigen. Die Einlasswirkung wird durch die Nachsaugwirkung des abströmenden Abgases (Δp) noch zusätzlich gefördert. Die Energie des Ladungswechsels (untere Schleife) stammt aus der vorhergegangenen Verbrennung (abgeschnittene obere Schleife). 6.2 Kreisdiagramm des Ladungswechsels Winkel: = Winkel nach Auslass schließen = Winkel vor Auslass öffnen = Winkel nach Einlass schließen = Winkel vor Einlass öffnen OT = Ventilüberschneidung Wichtigste Punkte sind ES und als zweites AÖ. (Größter Einfluss auf den Motor) EÖ AS AÖ ES UT 18

19 6.3 Diagramm der Zeitquerschnitte Voraussetzungen für optimale Ventilfunktion: Auslassverlauf AV /mm 2 a) Konstante Strömungsgeschwindigkeit während des Ladungsprozesses b) Gewährleistung des größtmöglichen freien Strömungsquerschnitts c) Minimierung der Beschleunigungs- und Verzögerungswirkung Kontinuitätsgleichung: mit: UT v K UT OT UT A V Einlassverlauf α (~T) / KW OT α (~T) / KW Einströmendes Gas A K = Kolbenfläche = Konstant A V = Querschnittsfläche am Ventil v K = Geschwindigkeit des Kolbens v V = Strömungsgeschw. Der Luft am Ventil = Konstant A V Zylinderkopf φ VS Ventil h V Querschnittsfläche am Ventil 19

20 7. Kühlung Das Kühlsystem in einem Verbrennungsmotor dient hauptsächlich zur Abführung der überschüssigen Wärme, die beim Durchlaufen des Kreisprozesses entsteht. auptsächlich kommen Luft- und Wasserkühlung als Primärkühlsystem zur Anwendung. Daneben wird jedoch auch die Kühlung durch das Schmiermittel genutzt, um den Motor auf einer günstigen Betriebstemperatur zu halten. Das Motorkühlsystem ist nicht immer das einzige Kühlsystem in einem Motor, beziehungsweise Fahrzeug. Zusätzlich können noch separate Systeme für die Ladeluft, das Motoröl, das Getriebeöl, oder für das Lenkgetriebeöl, oder den Kraftstoff eingebaut sein. Luftkühlung: Bei der Luftkühlung erfolgt der Wärmetransport durch die an den warmen Motorbauteilen vorbeiströmende Luft. Fahrtwindkühlung: Fahrtwindkühlung eignet sich nur für thermisch nicht sehr hoch belastete Motoren. Sie wird meist für Kraftradmotoren verwendet. Gebläseluftkühlung: Die Gebläseluftkühlung versorgt die einzelnen Zylinder durch ein Gebläse mit Kühlluft. Das Gebläse wird meist über einen Keilriemen vom Motor angetrieben. Flüssigkeitskühlung: Bei der Flüssigkeitskühlung erfolgt der Wärmetransport von den warmen Motorbauteilen durch strömende Flüssigkeiten, meist durch Wasser mit Korrosionsschutz- und Gefrierschutzmitteln. 20

21 8. Kraftstoff 8.1 Einflüsse und Wirkungen im Otto-/Dieselmotor 1. Energieerzeugung 2. Art der Kraftstoffaufbereitung 3. Art der Kraftstoffverarbeitung 4. Lebensdauer des Motors 5. Instandsetzungsumfang und zyklus 6. Emission (Abgase) 8.2 Allgemeine Definition Flüssig, sowie Gasförmig Brennbare Substanzen (C,,S) + Ballaste (Asche, Wasser) Molekulare Beschaffenheit Paraffinische Struktur Olefinische Struktur Naphtenische Struktur Aromatische Struktur 8.3 Systeme für die Kraftstoffaufbereitung flüssige Kraftstoffe gasförmige Kraftstoffe Ottomotor Dieselmotor Vergasersystem Einspritzsystem Einspritzsystem DI / IDI Äußere Gemischbildung Saugrohreinspr. Innere Gemischbildung DI PLD-System (Pumpe-Leitung- Düse) PD-System (Pumpe-Düse) CR-System (Common Rail) Common-Rail (engl. Gemeinsame Schiene ) ist ein ochdrucktank, der alle Einspritzventile mit Kraftstoff bei konstantem Druck versorgt (Abzapfung). 21

22 8.4 Wesentliche Eigenschaften der Otto-Kraftstoffe (nach DIN EN 228) Alle Werte/Grenzen beruhen auf ASTM-Messverfahren (Messspezifikationen) [AMERICAN SOCIETY OF TESTING MATERIALS] Dichte bei 15 C [kg/m³] (spez. eizwert U [kj/kg]) ROZ / MOZ (ROZ = Research-Oktanzahl, MOZ = Motor-Oktanzahl (Tankstelle)) Bleigehalt [g/l] Flammpunkt t Fl [ C] Temperatur des Kraftstoffdampfes bei der er sich durch gegenhalten einer Flamme entzündet (um die 25 C) Zündtemperatur t Z [ C] Temperatur bei der sich der Kraftstoff von selbst entzündet Siedeverlauf Vol-Destillationsrückstand (max. 2%) Dampfdruck [kpa] (Gasblasen implodieren bei hohen Temperaturen nicht mehr und werden mit eingespritzt = zu wenig Kraftstoff im Gemisch) Benzolanteil [mg/kg] Olefine-Vol-Anteil Aromate-Vol-Anteil Korrosionswirkung auf Kupfer Aussehen (Verunreinigung, Wasseranteil, usw.) Oxidationsstabilität eutige Ottokraftstoffe müssen außerdem noch bestimmte Additive enthalten, die folgende Eigenschaften haben: a) Verhinderung der Ablagerung im Einlass-System b) Verringerung der Rückstandsbildung im Brennraum bzw. an den Ventilen c) Korrosionsschutz mittels Passivierung (Verhinderung der Angriffsfähigkeit metallischer Oberflächen mittels Schutzfilmbildung) 22

23 8.5 Das C-Molekül gesättigt C Ungesättigt C Paraffinische Struktur (Alkane) o Kettenförmig und gesättigt C C C C C o ISO-Paraffine (ISO-Alkane) C 3 C 3 C 3 C oder C 3 C C 2 C C 3 C 3 Dies sind nur Beispiele ISO-Oktan Olefinische Struktur (Alkene) o Kettenförmig und ungesättigt (Doppelverbindungen) C C oder: C C C C 23

24 Kettenförmige C--Verbindungen - Paraffine (Alkane) - ISO-Paraffine (ISO-Alkane) (ISO-Oktan) - Olefine (Alkane) Ringförmige C--Verbindungen - Naphthene (Cyclo-Alkane) - Aromate (Cyclo-Alkene mit reduzierter Reaktivität) z.b. Benzol (C 6 6 ) (giftig) 8.6 Klopffestigkeit kontra Zündwilligkeit Paraffine ISO-Paraffine Olefine Naphthene ISO-Oktan Aromate Dieselmotor: verbesserte Zündwilligkeit Ottomotor: verbesserte Klopffestigkeit Superbenzin-Zusammensetzung - 53 % Aromate - 37 % Paraffine & Naphthene - 8 % Olefine - 2 % Alkohole ( gute Klopffestigkeit) Paraffine & Naphtene Olefine Alkohole Aromate Modell zur Demonstration der Klopfentwicklung: ier: selbstansaugender 4-Takt-Ottomotor EV AV Ungünstige Lage da das Auslassventil der Zündkerze am entferntesten ist. Im 2. Bild beginnt sich die erste Flammfront von links nach rechts zu bewegen. Dabei wird das Gemisch zusammengeschoben. Die grünen Linien symbolisieren Isobaren. Im 4. Bild entsteht auf der rechten Seite eine zweite Flammfront, die durch Selbstentzündung, Wärme des Auslassventils und des angrenzenden Zylinders entstanden ist. Im letzten Bild stoßen die beiden Flammfronten dann zusammen (schwarzer Kreis) Dies führt zu Schwankungen im Druckdiagramm: 24

25 p Kompression Expansion p Schwingungen (leichtes metallisches Ticken) p amb Verbrennung p amb OT (0 ) Normaler Druckverlauf OT (0 ) klopfende Verbrennung (Bei mehreren Zündkerzen bewegen sich die Flammfronten wesentlich symmetrischer und langsamer durch die Brennkammer wodurch das Klopfen nicht auftritt!) Klopfende Verbrennung im Ottomotor: Unkontrollierte irreguläre Verbrennung mit sehr steilem Rückanstieg infolge Selbstzündung von Gemischteilen vor Eintreffen der Flammfront, welche durch den Zündfunken eingeleitet wurde. Daraus resultiert die Förderung einer chemischen Vorreaktion mit erheblicher Wärmefreisetzung infolge radikaler Bindung (extrem reaktionsfreudiger Molekülbruchteile) infolge einer Aufspaltung der Moleküle beim Zerfall instabiler Verbrennungszwischenprodukte (so genannter Peroxide) Druckgradient normaler Ottomotor: 2-3 bar/ klopfender Motor: bis 15 bar/ Normale Verbrennungsflammgeschwindigkeit: m/s bei klopfender Verbrennung: m/s (!) Klopferscheinungen werden begünstigt durch: 1. Zu geringe Oktanzahl im Kraftstoff 2. Zündzeitpunkt zu früh (Elektronik falsch) 3. Lastbezogen zu niedrige Drehzahl (= untertourig (nicht niedrigtourig)) Außerdem: Niedrige Drehzahl = Kühlungsverschlechterung, siehe Unzureichende Kühlung und/oder heiße Stellen im Brennraum (Wärmewert der Zündkerze zu hoch) 5. Zu hohes ε (Kompressionsverhältnis) bezogen auf den verw. Kraftstoff 6. Zu hohe Ansauglufttemperatur 7. Zu hohe Paraffinanteile im Kraftstoff (Paraffine fördern Zündwilligkeit) Was versteht man unter Klopffestigkeit (ROZ, MOZ)? Das Maß für die Klopffestigkeit ist die Research-Oktanzahl (ROZ) und die Motor-Oktanzahl (MOZ).Beide Oktanzahlen werden im CFR-Motor (dieser hat ein veränderlicheres Verdichtungsverhältnis) durch Vergleich mit einem Bezugkraftstoff aus Iso-Oktan (OZ=100) und Normalheptan (OZ=0) ermittelt. Der Volumenanteil Iso-Oktan des Bezugkraftstoffes, der die gleiche Klopfintensität hat wie der zu prüfende Kraftstoff, ist dessen Oktanzahl. Die MOZ ist niedriger als die ROZ, da sie bei höherer Drehzahl und Gemischvorwärmung auf ca. 150 C ermittelt wird. 25

26 8.7 Gaskraftstoffe Methanzahl Die Methanzahl gibt an, welchem Verhältnis von Methangas (hohes Wärmepotential und hohe Klopffestigkeit) und Wasserstoff-Gas (keine Klopffestigkeit) der Kraftstoff entspricht Dieselmotor mit Gas betreiben? Problematik: Gase haben eine hohe Klopffestigkeit und damit eine niedrige Zündwilligkeit. Lösung: Der Motor wird im so genannten Zündstrahlverfahren betrieben. Die Zündwilligkeit wird nicht durch Kompression erzeugt, sondern man spritzt eine kleine Menge Diesel mit ein, welcher sich entzündet und so das Gas entflammt. (PI = PILOT INJECTION ENGINE). Nachteil: ohe Umbaukosten an den Zylinderköpfen. Im Ottomotor besteht die Problematik nicht, da dieser mit einer Zündkerze betrieben wird, die das Gas entflammt. Die meisten mit Gas betriebenen Motoren sind deshalb Ottomotoren. (Beispiel: Notstromaggregate) 8.8 Dieselkraftstoffe Cetanzahl Der Maßstab für die Zündwilligkeit des Dieselkraftstoffes ist die Cetanzahl (CZ). Die Cetanzahl eines Kraftstoffes wird ermittelt indem man in einem Versuch das entsprechende Gemisch aus exadecan (Cetan) mit Methylnaphtaltin herstellt. Ein Gemisch mit CZ = 30 hat demnach 30 % exadecan und 70 % Methylnaphthalin Nagelnde Verbrennung Effekt, der beim Dieselmotor auftritt. intergrund ist ein Zündverzug der Verbrennungen. Die gewollte kontinuierliche Verbrennung der Dieseltröpfchen in der heißen Luft verzögert sich durch ungünstige Motorparameter (z.b. Kaltlauf, Kraftstoff mit zu niedriger Cetanzahl), und es kommt zu explosionsartiger Verbrennung größerer Mengen von Kraftstoff mit einhergehender hoher mechanischer Belastung. Die Folgen des Nagelns sind identisch mit denen des Klopfens. 26

27 9. Gemischbildung 9.1 Luftverhältnis Für die Verbrennung von 1 kg Brennstoff werden 12 m³ Luft (erforderlicher Sauerstoff) benötigt. Dies entspricht ca. 14,8 kg Luft. Luftverhältnis: Die Luftzufuhr des Motors ist sehr wichtig, da von ihr auch die Leistung abhängt. Damit das Luftverhältnis immer optimal ist muss man die Luftmasse an die Kraftstoffmasse anpassen, da sonst das Gemisch zu mager oder zu fett wird. Eine Variation des Luftmassenstroms erreicht man z.b. durch eine Drosselklappe vor dem Einlass in den Verbrennungsraum. Luft Verbrennungsraum Drosselklappe Durch Turbulenzen hinter der Drosselklappe entstehen aber Verluste (Reibungsverluste). Um diese Verluste auszuschließen verwendet man anstatt der Drosselklappe eine variable Einlassventilsteuerung. Dabei wird das Einlassventil je nach Lambda-Wert weniger oder weiter geöffnet. Dies bewirkt zwar auch eine Turbulenz, welche sich aber nicht negativ in Verlusten auswirkt sondern stattdessen, positiv in die Leistung eingeht. Im Verbrennungsraum ist nämlich eine hohe Turbulenz (Vermischung, Zerstäubung) des Kraftstoffgemisches wünschenswert. Weniger Druck bedeutet weniger Dichte, d.h. weniger Masse der Luft Wenig Geschwindigkeitsvariationen bewirkt hohe Druckvariation Diesel: Real: Ottomotor: Extrem: Real: Bei einem Ottomotor führt ein leichter Luftmangel zur höchsten Reaktionsgeschwindigkeit. (Beste Effektivität im Kreisprozess) Der Kraftstoff im Dieselmotor arbeitet mit mehr Luft als im Ottomotor (Luftüberschuss); daher auch geringere Temperaturen. Der Luftüberschuss ist für Selbstzünder die wesentliche Voraussetzung. Der Luftüberschuss liegt daher um ca % über dem des Ottomotors. Steigt die Geschwindigkeit nähert man sich der isochoren Zustandsänderung (Optimum) 27

28 Für Ottomotoren: fettes Gemisch, Kraftstoffreich (unterstöchiometrisch) [rich mixture] stöchiometrisches Gemisch mageres Gemisch, Kraftstoffarm (überstöchiometrisch) [lean mixture] v Z fett mager v Z = Zündgeschwindigkeit (Reaktionsgeschwindigkeit im ruhenden oder laminaren Strömungsgemisch) v F = Flammgeschwindigkeit (Fortschreitung der Flammenfront im Brennraum) v F =f(λ) 0,6 0,85 1 1,6 λ Unter 1m/s der Zündgeschwindigkeit ist keine gesicherte chemische Reaktion zwischen Kraftstoffen und Luft mehr möglich. Bei liegt die höchste Reaktionsgeschwindigkeit; p me ist hier maximal. Bei Abmagerung des Gemisches führt dies zu höheren Temperaturen in der Verbrennung. Da weniger Kraftstoff beigegeben wird kann auch weniger verdampfen. (kleinere innere Kühlung) Zu fettes Gemisch bedeutet Luftmangel, was zu einer klopfenden Verbrennung führt. Jenseits der Zündgrenzen (beim Ottomotor, (siehe Diagramm) λ<0,6 oder λ>1,6) ist eine regelmäßige Verbrennung nicht mehr gewährleistet. Jenseits dieser Werte beginnen Verbrennungsaussetzer. 9.2 Verbrennungsverhältnis Bezogen auf einen Kreisprozess eines Zylinders Das Verhältnis der im Zylinder eingeschlossenen Luftmenge (m LZ ), zu der für die Verbrennung der zugeführten Kraftstoffmenge erforderlichen Mindestluftmenge (m Lmin ). m Kr.Z = Kraftstoffmasse je Arbeitsspiel und Zylinder ( Z ) m Lmin = stöchiometrische Luftmasse Kraftstoffenergie wird als eizwert bewertet spezifischer (unterer) eizwert [effektiv nutzbar] Aufgrund von Verlusten des im Kraftstoff bzw. auch in der Luft enthaltenden Sauerstoffs bei der Verbrennung zu Wasserdampf, ist der spezifische Brennwert (obere eizwert) O nicht nutzbar! 28

29 9.2.1 Volumetrischer Gemischheizwert Gem (nur für Luft und Kraftstoff) Für Luftüberschuss (mageres Gemisch): λ muss mindestens 1 sein. Das bedeutet, dass man mindestens soviel Luft zugeführt hat, dass der Kraftstoff vollständig verbrennt ( U ). Für Luftmangel (fettes Gemisch): Ist λ kleiner 1 wird der eizwert U nicht voll ausgenutzt, da der Kraftstoff nicht komplett verbrannt wird Gemischheizwert Durchschnittswert: Wert pro Arbeitsstoff: Durchschnittswert bei gasförmiger Gemischkomponente: ρ 0Kr, ρ 0L : Dichten bei Umgebungszustand Für : Luft-auptbestandteile: ca. 78% N 2 und ca. 21% O 2 Benötigt wird nur der Sauerstoff. Kohlenstoff für 1 kg C 1,87 m 3 O kj Wasserstoff für 1 kg 5,6 m 3 O kj Schwefel für 1 kg S 0,7 m 3 O kj Stöchiometrischer Luftbedarf für die jeweilige Stoffverbrennung Berechnung des spezifischen eizwerts bei: : (zum letzten Term: Abzug für im Kraftstoff enthaltendem Wasser) 29

30 10. Triebwerk 10.1 Tauchkolbentriebwerk (trunk-piston-engine) Das Grundprinzip des Tauchkolbentriebwerks (d.h. Kurbelwelle, Pleuelstange und Kolben) ist die Übertragung von translatorischer Bewegung (blau) des Kolbens in rotatorische Bewegung (grün) der Kurbelwelle. Die Verbindung (connection) dieser beiden Bewegungen bzw. Bauteile ermöglicht das Pleuel (connecting rod). Das Tauchkolbentriebwerk wird sowohl mit 4-Takt als auch 2- Takt-Arbeitsverfahren genutzt. Unter 11. verschiedene Motorbauformen mit Tauchkolbentriebwerk Kreuzkopfmotor (cross-head-engine) Motor aller größeren Schiffe, Diesel Größte Motoren: Kolbendurchmesser bis 1,0 m, Leistung: MW, Kolbenhub > 6 m Zündung durch Druckluft (anstatt Anlasser) Nenndrehzahl um ca. 100 U/min (90-120) Zweitaktmotor, kein Ladungswechsel (Spülphase) Abgas strömt oben aus, während Frischluft nachströmt Schwacher Wirkungsgrad (Stand der Technik: 50-51%) Vorteil des Kreuzkopfmotors: Gasdruck erzeugt keine Seitwärtskräfte, die den Kolben an die Zylinderwand drücken würden. Grund: Gleitlager (rote Kraftübertragung) und feste Kolbenstange (siehe Skizze) = Axiale Kraft (Blau) Im Zylinder (orange) kann ein völlig anderes Schmiermittel verwendet werden als im Kurbelgehäuse (violett), da diese voneinander getrennt sind Die Motoren können mit den aggressivsten (angriffsstärksten) Kraftstoffen betrieben werden. Intensive Kühlung durch Öl 30

31 10.3 Kurbelwelle (crankshaft) Links die Kurbelwelle eines W12-Motors mit einem unterteilten ubzapfen. Rechts die entsprechende Kurbelwelle in V-Bauweise: deutlich länger. Die ubzapfen sind für benachbarte Pleuel gleich, nicht unterteilt. W-12 Kurbelwelle V12-Kurbelwelle ellblau: Wellenzapfen (Lagerung) Rot: Kurbelkröpfung: Dunkel: Kurbelwange ell: Kurbelzapfen 10.4 Pleuelstange (CONROD, connecting-rod) Bei mittelschnelllaufenden Motoren (z.b. große Schiffsmotoren) ist der Ausbau der Kolben sehr Problematisch. Die Identität des Laufbildes soll erhalten bleiben. Deshalb wurden verschiedene Techniken gefunden den Kolben nach oben hin auszubauen. Das Problem hierbei war die Pleuelstange, die an der Kurbelwelle ein zu großes Maß hat um nach oben durch den Zylinder gezogen werden zu können Marinisierung der Pleuelstange Marinebauweise für ein Pleuel: Pleuelstange hat unten und in der Mitte eine Trennung, damit der Kolben samt Pleuelstangenstück beim Ausbau nach oben weggezogen werden kann Pleuel schräg teilen Andere Möglichkeit: Schräg trennen. Schräggeteiltes Pleuel (s.l.) Problem: Reibrostbildung, Zermürbung an der Trennfläche. Es kommt bei schräggeteiltem Pleuel zu einer seitlichen Reibbewegung Durch kostspielige Verfahren (geometrisch) z.b. durch eine Verzahnung zu verhindern 31

32 11. Zylinderanordnung 11.1 Reihenmotor, R-Motor Der Reihenmotor stellt die früheste Entwicklungsstufe in der Motorentwicklung dar. Die Zylinder werden hierbei in einer Reihe, senkrecht über der Kurbelwelle angeordnet. Vorteil: einfache Konstruktion Nachteil: bei großer Zylinderzahl ergeben sich sehr lange Aggregate, die sich für einen Quereinbau nicht eignen V-Motor Um kürzere Motoren zu erzielen, werden die Zylinder bei den V- Motoren in einem Winkel von 60 bis 120 angeordnet, wobei die Mittelachsen der Zylinder durch die Mittelachse der Kurbelwelle laufen. Vorteil: relativ kurze Motoren Nachteil: Die Aggregate sind verhältnismäßig breit, haben zwei getrennte Zylinderköpfe und benötigen daher ein größeres Motorraumvolumen VR-Motor Beim VR-Motor sind sechs Zylinder versetzt in einem Winkel von 15 V-förmig in einem recht schlanken und kurzen Motorblock untergebracht. Außerdem besitzt der Motor im Gegensatz zur bisherigen Konstruktion nur einen Zylinderkopf W-Motor Mit dem Ziel bei großen Zylinderzahlen noch kompaktere Aggregate zu ermöglichen wurden die konstruktiven Merkmale der V- und VR-Motoren in den W-Motoren vereint. Wie bei den V-Motoren verteilen sich die Zylinder auf zwei Bänke, die beim W8- und W-12-Motor einen V-Winkel von 72 zueinander einnehmen. Innerhalb einer Bank halten die Zylinder einen Winkel von 15. Beachtet man einen W-Motor von vorne, so sieht man die Zylinderanordnung als doppeltes V. Legt man diese gedanklich zusammen ergibt das ein W. 32

33 12. Ventile und Ventilsteuerung Die Ventilsteuerung erfolgt über die Nockenwelle(n). Diese wird von der Kurbelwelle, zumeist über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette angetrieben und läuft mit halber Kurbelwellendrehzahl. Die Ventile werden über Kipphebel oder Schlepphebel gesteuert. Liegt die Nockenwelle unten (d.h. nicht über den Ventilen), werden die Ventile über sogenannte Stößelstangen betätigt, meist im Zusammenspiel mit Kipphebeln zur Betätigung der hängend angeordneten Ventile (OV-Motor, overhead valves) Nockenformen Tangenten-Nocken Kreisbogen-Nocken Ruckfreier Nocken ohe Beschleunigungskräfte an den Flanken, da Übergang von Radius auf Tangente. Benötigt Kontakt zu einem balligen oder rollenden Stößel Ein Flanken-Radius an Kopfund Grundkreis. Stößel können auch flach sein. unstetig in der Beschleunigung Beschleunigungssprünge Flanken-Radius ändert sich permanent (mehrere tausend Mal). auch in der 3. Ableitung noch stetig (keine stoßartige Kraft) weniger Verschleiß bessere Akustik späteres Abspringen des Ventiltriebes 12.2 Lage der Nockenwelle (Bei hängenden Ventilen [OV = OVEREAD-VALVES]) Untenliegend Seitlich liegend Obenliegend Größter Masseverbrauch da lange Stangen Im Trog gelagerte Nockenwelle, kürzeres Gestänge Overhead Camshaft [OC] Ventile werden z.b. durch ydrostößel betätigt Zwei Kurbelwellen bei schrägen Ventilen 33

34 ängende Ventile haben das Merkmal, dass ihre Schließbewegung gleichsinnig mit der Kolbenbewegung vom UT zum OT verläuft (gleichsinnig, nicht gleichzeitig!) Beschleunigungen in der Ventilsteuerung: Unten oder seitlich liegende Nockenwelle: m/s² Oben liegende Nockenwelle (Schnelllaufende Motoren): m/s² 13. Verbrennungsraumgestaltung 13.1 Verschiedene Brennräume (Ottomotor) Ricardo-Brennraum Sauberer Brennraum (keinerlei Zerklüftungen), Schließbewegung des stehenden Ventils ist gleichsinnig mit der Kolbenbewegung vom OT zum UT Kugel-Brennraum zwei Nockenwellen, bestes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen Bester Brennraum h max Quetschzonen Keil-Brennraum Schlecht, da niedrige Brennraumhöhe (Gemischnest) 13.2 auptanforderungen an Brennräume von Ottomotoren 1. Kompakter Brennraum: Unzerklüftete Realisierung (keine Vertiefungen) Zerklüftungen bedeuten höhere Klopferscheinungen und Emissionswerte, da Kraftstoff nur unvollständig verbrennt 2. Brennraumoberfläche muss im bezug auf das Brennraumvolumen möglichst klein sein (optimal: Kugel) Oberfläche ist die Kommunikation zum Verlust 3. öchste Stelle zentral zum Kolben. Größter Querschnitt an dieser Stelle führt zu langsamerer Gasgeschwindigkeit Wärmeabgabeprozess gesenkt bester Wirkprozess von brennbaren Substanzen und Sauerstoff 34

35 4. Zentrale Zündkerze (sofern möglich) Flammwege sind in alle Richtungen gleich 5. eiße Stellen konzentrieren (Teile mit hoher Temperatur an einer Stelle) z.b. Auslassventil und Zündkerze Verminderung der Klopferscheinung 6. Turbulenz des Gemisches im Brennraum ermöglichen (z.b.: durch Quetschzonen) 7. Brennraumhöhe niemals kleiner als minimale öhe, da sonst unvollständige Verbrennung aussetzende Verbrennung, da Geschwindigkeitserhöhung Wärmeübertragung setzt aus Flammfront entzündet sich nicht weiter (Vermeidung so genannter Gemischnester) 13.3 Brennräume beim Dieselmotor Problematik besonders ausgeprägt durch: a) Verkürzte Gemischbildungsdauer (im Vergleich zum Ottomotor) bzw. Bedarf der Kompressionswärme b) Zerstäubbarkeit und Verdampfbarkeit der Dieselkraftstoffe Gemischbildungsdauer im Vergleich Ottomotor OT Einlass offen Einspritzung Dieselmotor OT Gemischbildung Gemischbildung Vergaser Einlass offen UT Einspritzung Wie man sieht ist die Gemischbildungsdauer des Ottomotors um einiges größer als die beim Dieselmotor. Auch die Einspritzdauer beim Diesel (Grünes Dreieck) ist wesentlich geringer als beim Ottomotor mit Vergaser (Volle Dauer der Einlassöffnung) oder Einspritzung. Bitte beachten, dass sich hier zwei Kreise überschneiden. Periode = 720 KW Multimomentaufnahme von der Einspritzung eines Dieselmotors: UT t Zündverzug Ventil: Tropfen Gemischbildung beginnt Düsenloch OT Einspritzung Gemischbildung Verbrennung Gemisch Von unten: 35

36 Je höher die Cetanzahl (CZ) ist, desto kürzer ist die Zeit zwischen Verbrennungsbeginn und Einspritzbeginn (t Zündverzug ) 36

37 Scharfe Einspritzung: Durch hohen Druck bei der Einspritzung: kürzeste Einspritzdauer Größe der Düsenlöcher: 0,1 0,2 mm, Zeit t Einspritzung nur wenige Millisekunden! Systeme: Dieselmotoren (innere Gemischbildung) Indirekte Einspritzung (IDI) Direkte Einspritzung (DI) Vorkammer Wirbelkammer Periphere Einspritzung Spritzt direkt auf die Oberfläche der Kolbenmulde Zentrale Einspritzung Spritzt direkt in das Zentrum der Kolbenmulde Brennraumbereich innerhalb des Kobens (Mulde) Offene Mulde Eingezogene Mulde V Vorkammer = 0,2 V Gesamt Bis zu fache Rotations-Geschwindigkeit der Luft intergrund der Kolbenmulde: Chemisches Phänomen der Dieselkraftstoffe: Brennbare Substanzen (C, ) haben völlig unterschiedliche Affinitäten mit Sauerstoff in Reaktion zu treten. C ist sehr träge und verbrennt im Gegensatz zu erst recht spät. Dann wäre aber kein/nicht genug Sauerstoff mehr übrig um vollständig zu verbrennen. (Rußbildung wäre die Folge). Vermieden wird das, wenn die Zündung des Gemisches nicht nur durch die heiße Luft sondern auch durch die Strahlung einer Flamme entsteht und sich ausbreitet. Dann laufen C- und -Verbrennung fast gleichzeitig ab. Eine solche Flammfront lässt sich durch eine Kolbenmulde verwirklichen, auf deren Oberfläche ein dünner Kraftstofffilm gespritzt wird, der sich an der Luft entzündet und so die Flammfront auslöst. 14. Drehzahlen Verbrennungsmotoren unterteilen sich in 3 Drehzahlbereiche: Schnelllaufende (Klein-)Motoren (IG SPEED, SMALL) Mittelschnelllaufende (Mittel-)Motoren (MEDIUM SPEED) Langsamlaufende (Groß-)Motoren (LOW SPEED, LARGE, BIG) 37

38 15. Charakteristische Kenngrößen von Verbrennungsmotoren ubvolumen für einen Zylinder: Der Dieselmotor hat in der Regel größeren ubraum als ein Ottomotor, da er mehr Luft braucht. Zylinderzahl: V = gesamtes ubvolumen Kompressionsverhältnis: geometrisches Verdichtungsverhältnis: thermodynamisches Verdichtungsverhältnis: reale, genaue Berechnung Da die Ventile vor und nach dem OT bzw. UT öffnen und schließen ist das Gasvolumen nicht entsprechend dem geometrischen Verdichtungsverhältnis. Mittlerer innerer Kolbendruck: A i = Fläche Indikatordiagramm Mittlerer effektiver Kolbendruck: Mit z als Zylinderanzahl: W i,z : pro Arbeitsprozess Druck p auf den Kolben: Dieser Druck p wird in Berechnungen als p i also als mittlerer innerer Kolbendruck betrachtet. Effektive Leistung Vergleich: p me = mittlerer effektiver Kolbendruck Ableitung des mittleren inneren Kolbendrucks (- der energetischen Wirksamkeit in den Zylindern, hinsichtlich der Leistungserbringung am Kurbelwellenende. Und schließt alle Verlustdeckungen zwischen dem Zylinder und dem 38

39 Kurbelwellenende ab. Somit stellt p me jenen Energiewert dar, der sich aus p i nach Abzug der Reibungsverluste ergibt. Kraftstoffzufuhr analog: Leistung: Effektive Leistung: Mittlerer Kolbendruck: Spezifischer Kraftstoffverbrauch: Nur der Trockenluftanteil (p tr ) ist ausschlaggebend für die Leistung: Effektiver Wirkungsgrad: Mittlerer effektiver Kolbendruck: Mittlere Kolbengeschwindigkeit: Der tribologische Verschleiß steigt zum OT. ubraumleistung: Leistungsgewicht: Leistungspreis: Spezifische Kolbenflächenleistung: Laufwert: ubbohrungsverhältnis: 39

40 16. Vorgehensweise für die Motorauslegung 1. Vorgaben z.b. Leistung P e, Drehzahl n 2. Wahl von Größen Arbeitsverfahren (2-Takt, 4-Takt) ε Bauart (z.bsp: Reihe- ; V-; Boxer) Anzahl der Zylinder (z) 3. Annahmen treffen spez. Kraftstoffverbrauch b mech. Wirkungsgrad η m mittl. Effektiver Kolbendruck p me mittl. Kolbengeschwindigkeit v m 4. Ermittlung durch Berechnung s, d, m Pe, Pe, P spk, α L 16.1 Anhaltspunkte Ottomotor Dieselmotor (da Selbstzündung) * * * * ( kleine Diesel) ( große Diesel) * Gastemperatur im Flammenmittelpunkt, nicht an der Außenwand Die höchste Bauteiltemperator in einem Verbrennungsmotor ist an den Auslassventilen zu finden (ca. 800 C) Die zweithöchste Temperatur findet man auf dem Kolben (ca. 360 C im Zentrum der Kolbenkrone) 40

41 17. Aufgaben/Berechnungen 17.1 Aufgabe 1 Gegeben: 4-Takt-Diesel Zylinder: z = 6 d = 130mm s = 170mm n = 1200/min P e = 79kW B = 20 kg/h = 450 kg/h p s = 2337,7 N/m 2 U = kj/kg p 1 = 980 mbar t 1 = 20 C Φ r = 0,60 m L,min = 14,35 kgl/kgk Gesucht: λ L ; λ ; p me ; η e ; b (Liefergrad; Luftverhältnis; mittl. eff. Kolbendruck, Kraftstoffverbrauch) mit: wird zu Einsetzen: Es wird nur die älfte der Drehzahl verwendet, da nur bei jeder zweiten Umdrehung angesaugt wird. umformen: 41

42 17.2 Aufgabe 2 Gegeben: 4-Takt-Ottomotor Zylinder: z = 6 n = 5000/min P e = 80 kw p me = 9,0 bar ζ = s/d = 0,9 λ Pleuel = r/l = 1/3,5 Gesucht: d [mm], s [mm], v m [m/s+, L *mm+, r *mm+, τ 1Umdr. *ms+, ω *1/s+, v rot [m/s], T tg(e) [Nm] ermitteln aus: umformen: umformen & einsetzen: Mit und ergibt: Kurbelradius ist immer der halbe Kolbenhub: damit ist: 42

43 17.3 Aufgabe 3 Gegeben: 4-Takt-Dieselmotor P e =735 kw t a =20 C v m =12 m/s p a =p ges =981 mbar n=1500min -1 = 0,60 U =41868 kj/kg m Lmin =13,58 kgl/kgkr = 1,23 p S =0,02337 bar Gesucht: d, s, z Spezifische Kolbenflächenleistung: (Schnellaufend) 43

44 18. Impressum, Quellen und wichtige inweise Impressum: Editor: Matthias Kringels Software: Microsoft Word 2007 PDF-Umwandlung: Adobe Acrobat 8 Website: Kontakt- -Adresse: script@saiya.de Quellen: Vorlesung Otto- und Dieselmotoren von Prof. Schwarz im WS2006/2007 Vorlesung Thermodynamik von Prof. Seidel im WS2006/2007 Vorlesung Fertigungsverfahren von Prof. Fischer im WS2006/ Wichtige inweise: Dieses PDF ist die Mitschrift der Vorlesung Otto- und Dieselmotoren an der Rheinischen Fachhochschule in Köln im Wintersemester 2006/2007. Ich gebe keine Gewähr auf die Richtigkeit dieser Zusammenstellung, insbesondere nicht auf die Vollständigkeit. Ich rate deshalb dazu dieses Dokument nicht als einzige Prüfungsvorbereitung zu nutzen. Wer Fehler findet möge sie doch bitte bei oben genannter Mail-Adresse melden. Danke. 44