Berechnungen am Verbrennungsmotor sehen - verstehen - bestehen

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1 1 Berechnungen am Verbrennungsmotor sehen - verstehen - bestehen Klaus Schreiner

2 2 1 Fahrzeugdynamik (Teil 1) 1. Auflage (Version 1.5) März 2010 Alle Rechte vorbehalten. Ein Nachdruck, auch auszugsweise, ist nicht gestattet. Die Verwendung der Inhalte in anderen Medien, Seminaren, Vorträgen, Präsentationen usw. ist ohne ausdrückliche Genehmigung des Autors verboten. Der Inhalt wurde vom Autor sorgfältig recherchiert. Für die Richtigkeit wird aber keine Gewähr übernommen.

3 1 Fahrzeugdynamik (Teil 1) 3 Vorwort Das vorliegende Buch versucht, Studierenden und interessierten Laien einen neuartigen Zugang zum Gebiet der Verbrennungsmotoren zu geben. Während bisherige Lehrbücher das Thema sehr strukturiert aufbereiten und dann am Ende jedes Kapitels konkrete Beispiele aufzeigen, geht dieses Buch gerade anders vor. Aus der modernen Didaktik ist bekannt, dass Lernende sich Neues dann gut merken können, wenn sie es sich selbst erarbeitet haben. Das Interesse an Neuem kann sehr geweckt werden, wenn man von einer konkreten Fragestellung ausgeht und sich dann die zur Lösung des Problems notwendige Theorie erarbeitet. Dieses problemorientierte Lernen (POL) ist eine aktuelle, neue Lehrmethode an den Hochschulen und ist auch die Methode, die hinter diesem Buch steht. Wie arbeitet man nun mit diesem Buch? Die Leserin und der Leser können dieses Buch einfach von vorne nach hinten durcharbeiten. Sie können aber auch eine interessante Fragestellung auswählen und dort in das Thema einsteigen. Die Stichwort-Tabelle im Anhang gibt an, welche Gleichungen man zur Bearbeitung der jeweiligen Probleme benötigt und in welchem Kapitel diese Gleichungen zum ersten Mal hergeleitet wurden. So kann man sich fehlendes Wissen problemlos aneignen. Alle Aufgaben wurden konsequent mit dem Tabellenkalkulationsprogramm MS-Excel gerechnet. Die entsprechende Excel-Datei ist im Internet unter zu finden. In diesem Buch werden immer wieder Tipps zum Arbeiten mit Excel gegeben, wodurch man nicht nur Motorisches lernt, sondern sich auch in Excel weiterbildet. Als Einführung in Excel gibt es auf dem Markt verschiedene Bücher. Für die Berechnungen in Excel möchte ich besonders das Buch von René Martin (Martin, 2007) empfehlen. Ich hoffe, dass der in diesem Buch gewählte POL-Ansatz die Zustimmung der Leserinnen und Leser findet. Über Rückmeldungen, Hinweise auf eventuelle Fehler und Verbesserungsvorschläge freue ich mich sehr. Das Buch wird Ende 2010 oder Anfang 2011 bei einem großen Verlag erscheinen. Die vorliegende Fassung ist vom Layout her noch nicht konsistent. Um den Lehrbetrieb aber aufrecht zu erhalten, wird diese noch nicht optimierte Fassung trotzdem an die Studierenden weitergegeben. Bermatingen, im März 2010 Klaus Schreiner Kontaktdaten des Verfassers: Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner Pappelweg Bermatingen info@klaus-schreiner.de

4 4 1 Fahrzeugdynamik (Teil 1)

5 1 Fahrzeugdynamik (Teil 1) 5 Inhaltsverzeichnis 1 Fahrzeugdynamik (Teil 1) Welche Leistung benötigt die A-Klasse bei Höchstgeschwindigkeit? Wie groß ist dann der Benzinverbrauch in l/(100 km)? Welche Leistung wird bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h benötigt? Wie groß ist dann der effektive Motorwirkungsgrad, wenn der Benzinverbrauch 5 l/(100 km) beträgt? Was ist beim Pkw wichtiger: der Rollwiderstand oder der Luftwiderstand? Kraftstoffe und Stöchiometrie Wie viel CO 2 wird von einem Auto produziert, das einen Kraftstoffverbrauch von 5 l/(100 km) hat? BMW gibt den Kraftstoffverbrauch seines 6-Zylinder-Ottomotors im M3 CSL mit 11,9 l/(100 km) an. Gleichzeitig behauptet BMW, dass die CO 2 -Emission des Motors 287 g/km betrage. Passt das zusammen? Ein Fahrzeug wird wahlweise mit einem Otto- und einem Dieselmotor angeboten. Beide Varianten haben einen Kraftstoffverbrauch von 5 l/(100 km). Sind die beiden Motoren dann gleich gut? Welches Luftvolumen wird benötigt, um 1 l Dieselkraftstoff zu verbrennen? Was passiert mit der Verbrennung, wenn man dem Kraftstoff zu viel oder zu wenig Luft zur Verfügung stellt? Kann sich im Winter hinter einem Wasserstoffbus Glatteis bilden? Warum haben Erdgasfahrzeuge eine kleinere Reichweite als Benzinfahrzeuge? Wie kann man aus den Abgaskonzentrationen, die mit einem Abgasmessgerät gemessen werden, auf das Luftverhältnis schließen? Wie viel AdBlue benötigt man, um die NO x -Emissionen von Pkws zu reduzieren? Motorthermodynamik (Teil 1) Ist es normal, dass ein mit Ethanol betriebener Motor einen höheren Verbrauch als beim Betrieb mit Benzin hat? Kann man überhaupt nach einer Umrüstung die gleiche Leistung aus dem Motor holen? Was bedeutet eigentlich eine Angabe von 200 g/(kwh)? Ist ein 100-kW-Motor ein guter Motor? Welchen Kraftstoffmassenstrom benötigt ein 100-kW-Motor? Welchen Luftmassenstrom benötigt ein 100-kW-Motor? Welches Hubvolumen benötigt man für einen 100-kW-Motor? Welche Zahlenwerte für den effektiven Mitteldruck haben typische Saug-Otto- und Saug-Dieselmotoren?... 50

6 6 1 Fahrzeugdynamik (Teil 1) 3.8 Wie kann man bei einem bestehenden Motorkonzept die Leistung um 50 % steigern? Warum hat ein Saug-Dieselmotor eine kleinere Leistung als ein hubraumgleicher Saug-Ottomotor? Welche Bedeutung hat der Begriff der Kolbenflächenleistung? Motorthermodynamik (Teil 2) Welchen thermischen Wirkungsgrad kann ein Ottomotor bestenfalls haben? Welchen thermischen Wirkungsgrad kann ein Dieselmotor bestenfalls haben? Stimmt es, dass ein Ottomotor eine Gleichraumverbrennung und ein Dieselmotor eine Gleichdruckverbrennung hat? Wie kann man die Idealprozesse mit Hilfe von Excel berechnen und grafisch darstellen? Warum endet im Diagramm mit dem Wirkungsgrad des Gleichdruckprozesses die Linie bei einem Verdichtungsverhältnis von 4? Kann man die Kenngröße Mitteldruck auch verstehen? Warum haben Ottomotoren im Teillastbetrieb einen relativ schlechten Wirkungsgrad? Wie groß sind die Reibungsverluste bei einem Verbrennungsmotor? Wie stark geht bei einem 4-Zylinder-Ottomotor die abgegebene Motorleistung zurück, wenn in einem Zylinder die Zündung ausfällt? Kann man die Kenngrößen von Motoren aus den Testberichten in Zeitschriften berechnen oder abschätzen? Nach welchen Kriterien kann man Verbrennungsmotoren auslegen? Welche Bedeutung haben die Kennfelder von Verbrennungsmotoren? In manchen Veröffentlichungen fehlen genaue Zahlenangaben zum Kraftstoffverbrauch. Kann man diese trotzdem irgendwie erraten? Warum sehen die Linien konstanter Motorleistung im Motorenkennfeld wie Hyperbeln aus? Welche Rückschlüsse kann man aus dem Druck im Innern der Motorzylinder über das Motorverhalten ziehen (Zylinderdruckindizierung)? Wie kann man aus dem Druck im Innern eines Zylinders auf die Verbrennung schließen (Druckverlaufsanalyse)? Motormechanik Wie schnell bewegt sich der Kolben eines Verbrennungsmotors? Welche Beschleunigungskräfte muss der Kolben eines Pkw-Motors bei einer Drehzahl von 6000/min aushalten? Warum werden sportliche Motoren als kurzhubige Motoren gebaut? Manche Autoren behaupten, dass die größte Kolbengeschwindigkeit dann auftritt, wenn Pleuelstange und Kurbelkröpfung einen rechten Winkel bilden. Stimmt das? Fahrzeugdynamik (Teil 2)... 98

7 1 Fahrzeugdynamik (Teil 1) Wie groß ist der Leerlaufverbrauch eines Fahrzeuges? Kann man den Leerlaufverbrauch eines Fahrzeuges mit dem Bordcomputer bestimmen? Kann man die Beschleunigungswerte aus Fahrzeugtestberichten irgendwie nachrechnen? In welchem Gang sollte man den Mercedes SL 500 bei 100 km/h fahren, um möglichst viel Sprit zu sparen? Die Verbrauchskennfelder sehen unterschiedlich und doch ähnlich aus. Kann man sie irgendwie vereinheitlichen? Wie kann man ermitteln, wie stark ein Motor im Schubbetrieb bremst (Teil 1: Messungen mit dem Fahrzeug) Wie kann man ermitteln, wie stark ein Motor im Schubbetrieb bremst (Teil 2: Analyse des Verbrauchskennfeldes) Wie sieht der Fahrzyklus aus, mit dem man den Kraftstoffverbrauch eines Pkws in Europa bestimmt? Wie kann man den europäischen Fahrzyklus nachrechnen? Wie viel Kraftstoff könnte man im europäischen Fahrzyklus mit einem Start-Stopp- System sparen? Wie viel Kraftstoff könnte man im europäischen Fahrzyklus mit einem System sparen, das die Bremsenergie rückgewinnt? Sollte man beim Ausrollen-Lassen eines Pkws eher auskuppeln oder nur vom Gas gehen? Hybrid- und Elektrofahrzeuge Stimmt es, dass Elektrofahrzeuge keine große Reichweite haben können? Wie teuer wäre die Batterie eines Mittelklasse-Pkws, mit dem man 100 km weit elektrischen fahren möchte? Aufladung von Verbrennungsmotoren Nimmt ein Kompressor dem Motor nicht viel Leistung weg? Wie kann man zu einem Saugmotor einen passenden Kompressor suchen? Kann man irgendwie berechnen, wie groß der Massenstrom ist, der bei einem ATL- Motor durch das Wastegate strömt? Anhang Abkürzungsverzeichnis Nachfragenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Literaturverzeichnis Formelsammlung

8 8 1 Fahrzeugdynamik (Teil 1) 9.7 Stichwort-Tabellen