Übungen Kolbenmaschinen

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1 080309Maurer Übungen Kolbenmaschinen (Die Numerierung A1, A2,... kann Lücken aufweisen!) A1: Einfluß des Gemischheizwertes, des Liefergrades, des thermischen Wirkungsgrades, des Gütegrades auf die effektive Motorleistung? A2: Nennen Sie 4 wesentliche Unterscheidungsmerkmale zwischen Strömungsmaschinen und Kolbenmaschinen, die für die Anwendung wichtig sind. A3: Nennen Sie vier Merkmale, in welchen sich der klassische Diesel- und der klassische Ottomotor voneinander unterscheiden. A4: Weshalb gibt es beim Dieselmotor eine untere Grenze für das Verdichtungsverhältnis und beim Ottomotor eine obere Grenze? A5: Wie hoch ist der Wirkungsgrad des Ottoprozesses für ein Verdichtungsverhältnis ε = 9 (Verwendung von Luft als Medium)? A6: Weshalb benötigen Kolbenmaschinen in der Regel ein Schwungrad? A7: Gibt es eine Unterscheidung zwischen den Begriffen Gütegrad und Wirkungsgrad? (welche?) A8: Weshalb heißt der Katalysator von Ottomotoren Dreiwegekat? A9: Wie ist der Liefergrad bei Motoren, Verdichtern und Pumpen definiert und durch was wird er beeinflußt? 1

2 A10: Wodurch ergeben sich Drehzahlgrenzen bei Kolbenmaschinen? A11: Nennen Sie mindestens vier Einflußgrößen, die eine Abweichung des tatsächlichen Motorprozesses vom Idealprozeß bewirken. A12: Skizzieren Sie die relativen (d.h. auf den Brennstoffeinsatz bezogene) Energieströme eines Verbrennungsmotors ( Sankey-Diagramm ). A13: Welche Nutzungsmöglichkeiten bestehen für die Abwärme von Verbrennungsmotoren? A14: Was ist eine klopfende Verbrennung? A15: Welche Schadstoffe befinden sich im Abgas eines Ottomotors? A16: Welche Schadstoffe befinden sich im Abgas eines Dieselmotors. A17: Weshalb sind Taxen in Deutschland mit Dieselmotoren ausgestattet, in Norwegen hingegen mit Ottomotoren? A18: Welche chemischen Wandlungen erfolgen im Dreiwegekat bei stöchiometrischer Verbrennung? 2

3 A19: Weshalb ist bei gegebenem max. zulässigen Zylinderdruck der Wirkungsgrad des Dieselprozesses größer als der des Otto-Prozesses? Erläuterung mit Hilfe einer Skizze im p,v-diagramm. p V 3

4 A20: Skizzieren Sie das 2-Takt-Verfahren mit Schlitzsteuerung im p,v-diagramm. p V 4

5 A21: Skizzieren Sie den Seiliger-Prozeß in einem p,v- und einem T,S-Diagramm (Ladungswechsel ist zu vernachlässigen). p T V S A22: Gasmotorwärmepumpe (Gasmotor treibt direkt den Verdichter einer Verdichter- Wärmepumpe an). Gegeben: Gasverbrauch: V & G 10 m 3 /h unterer Heizwert des Brenngases: Hu = 39,6 MJ/m 3 eff. Wirkungsgrad des Gasmotors: η e = 29 % Leistungszahl der Wärmepumpe: ε = 4,2 1. Brennstoffleistung 2. effektive Motorleistung 3. Heizleistung der Gasmotorwärmepumpe im günstigsten Fall. 4. Heizzahl 5. Weshalb ist die Heizleistung tatsächlich niedriger als im günstigsten Fall? 5

6 A23: Nennen Sie die Arbeitstakte eines Viertaktmotors in der richtigen Abfolge sowie die jeweilige Stellung des Auslaß- und des Einlaßventils. Arbeitstakt Einlaß Auslaß 6

7 A24: Zeichnen Sie in das Achsenkreuz qualitativ den Druckverlauf im Zylinder während des Arbeitsprozesses eines Viertaktmotors. p V 7

8 A25: Im Datenblatt eines Motorenherstellers ist aufgeführt: Arbeitsverfahren: 4 Takt Zylinderzahl: z = 2 Drehzahl: n = /min Liefergrad: λ L = 0,85 Spez. Kraftstoffverbrauch: be = 0,33 kg/(kwh) Mindestluftbedarf: l min = 11,6 m 3 /kg Luftverhältnis: λ = 1 Mittlere Kolbengeschwindigkeit: c m = 6 m/s Kolbendurchmesser: D = 70 mm Verdichtungsverhältnis: ε = 9 Heizwert des Kraftstoffs: Hu = 4, J/kg 1. Kolbenhub 2. Hubvolumen 3. Hubraum 4. Volumen des Kompressionsraums 5. Effektiver Wirkungsgrad 6. Mittlerer effektiver Druck p me 7. Motorleistung 8

9 A26: Das p,v-diagramm zeigt idealisiert den Energieumsatz in einem thermisch isolierten Kolbenverdichter mit p 1 = 1 bar und V 2 = 1 Liter. Der Verdichter läuft mit einer Drehzahl in Höhe von /min. p Idealisierte Ansaug- und Ausschiebeleistung (Beträge) 2. Indizierte Verdichterantriebsleistung 3. Adiabatenexponent der Verdichtung 4. Lage von Punkt 3, falls eine isotherme Verdichtung erfolgt 5. Verdichterantriebsleistung, falls eine isotherme Verdichtung erfolgen würde V A27: Von einem Viertakt-Ottomotor sind folgende Größen bekannt: Zylinderanzahl: z = 4 Zylinder-Hubvolumen: 496 cm 3 Nenndrehzahl. n= /min Drehmoment bei Nenndrehzahl: M d = 165 Nm 1. effektive Motorleistung P e 2. effektiver Mitteldruck p me 3. mittlere indizierte Arbeit W i, falls der mechanische Wirkungsgrad η m = 0,86 ist 9

10 A28: Skizzieren Sie die thermodynamischen Idealprozesse des Otto- und des Dieselmotors p T V S p T V S 1. Darstellung jeweils im p,v- und im T,S-Diagramm. 2. Welche Größe stellte die eingeschlossene Fläche der Idealprozesse dar? 10

11 A29: Hubkolbenverdichter p p 3 p 2 p 1 Hubvolumen V 1. Skizieren Sie das zu erwartende Indikator-Diagramm jeweils für den Förderdruck p 2 und p 3 2. Wie wirkt sich die Druckerhöhung von p 2 auf p 3 aus? 11

12 A30: Eine Kolbenpumpe wird über ein Untersetzungsgetriebe von einem Verbrennungsmotor angetrieben und zur Wasserförderung eingesetzt. Gegeben ist: Pumpe Hub: s =50 mm Kolbendurchmesser: D = 10 mm Zylinderanzahl: z = 2 Druckdifferenz zwischen Saug- und Druckstutzen: p = 67,5 bar Liefergrad: λ L = 0,96 mech. Wirkungsgrad: η mp = 0,8 Getriebe Übersetzung: i = n Motor /n Pumpe = 4 mech. Wirkungsgrad: η mg = 0,9 1. Geförderte Wassermenge bei einer Motordrehzahl von /min 2. Antriebsleistung des Motors bei /min 3. Drehmomentabgabe des Motors und Drehmomentaufnahme der Pumpe 12

13 A31: Ein Dieselmotor treibt mit einem näherungsweise konstanten Drehmoment in Höhe von 500 Nm eine Wasserpumpe an, deren Leistungskennlinie durch folgende 3 Gleichung P = a (n / n 0 ) angegeben werden kann. Mit a =1, kw und n 0 = 1 1/min. 1. Betriebsdrehzahl 2. Änderung der Betriebsdrehzahl, falls das Drehmoment auf 570 Nm steigt. 3. Bei dieser geänderten Betriebsdrehzahl: Wasservolumenstrom für einen Pumpenwirkungsgrad von η P = 0,8 und eine Druckdifferenz an den Stutzen der Pumpe von 24 bar. 4. Qualitative Skizze der beiden Zustandspunkte in einem M,n-Diagramm M n 13

14 A32: Zeichnen Sie in das p,v-diagramm die zu erwartenden Indikatordiagramme eines zweistufigen Verdichters mit Zwischenkühlung qualitativ ein. Strömungsdruckverluste in den Leitungen, Kanälen und Zwischenkühler sind zu berücksichtigen. Die Drehzahl der beiden Stufen ist gleich. Die Drücke p 1 und p 3 sind maßstäblich richtig vorgeben. Ein günstiger Zwischendruck p 2 ist zu bestimmen. p p 3 = 16 bar p = 1 bar 1 V 14

15 A33: Von einem Dieselmotor ist bekannt: Effektiver Wirkungsgrad: η e = 0,36 Heizwert: Hu = 4, J/kg Mindestluftbedarf: L min = 14,2 kg Luft pro kg Kraftstoff Luftverhältnis: λ = 1,3 Kraftstoffverbrauch: Be = 300 kg/h 1. Motorleistung Pe 2. spezifischer Kraftstoffverbrauch be 3. Abgasmassenstrom A34: Ein Verbrennungsmotor treibt einen einstufigen Luftverdichter an. Gegeben: Motor Kraftstoffverbrauch: Heizwert des Kraftstoffes: Be = 3 kg/h Hu = 4, J/kg Verdichter Saugvolumenstrom: V & = 12 Liter/s Zylinderanzahl: z = 2 Liefergrad: λ L = 0,8 Hubvolumen: V h = 300 cm3 Indizierter Mitteldruck: p mi = 6 bar Mech. Wirkungsgrad: η m = 0,9 1. Erforderliche Drehzahl 2. An die Luft übertragene Leistung 3. Motorleistung 4. Gesamtwirkungsgrad der Anlage 15

16 A35: Zweitaktdieselmotor zum Antrieb eines Schiffes. Gegeben: Bohrung: D = 105 cm Hub: s = 180 cm Zylinderanzahl: z = 12 Nenndrehzahl: n = 90 1/min Indizierter Mitteldruck: p mi = 12 bar Mech. Wirkungsgrad: η m = 0,9 Effektiver Wirkungsgrad: η e = 0,38 Heizwert: Hu = 4, J/kg 1. Effektive Motorleistung bei Nenndrehzahl 2. Kraftstoffverbrauch im Nennbetrieb für 7 Tage Fahrzeit 3. Nenndrehmoment 4. mittlere Kolbengeschwindigkeit A36: Bei einem idealen Otto-Prozeß erfolgt während der Verbrennung eine Temperaturerhöhung um 1230 K. Der thermische Wirkungsgrad beträgt des Motors beträgt η th = 0,39. Das Gas im Motor besitzt die spezifische Wärmekapazitäten: c p = 1000 J/(kg K), c v =714 J/(kg K). 1. Spezifische Wärmeabfuhr 2. Verdichtungsverhältnis 3. Maximale Temperatur, wenn die Ansaugtemperatur 27 C beträgt. A37: Die Leistungsmessung eines Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand ergibt: Drehmoment: M d = 116 Nm Drehzahl: n = /min Kraftstoffverbrauch: Be = 18,82 kg/h Luftverhältnis: λ = 1 Heizwert des Kraftstoffes: Hu = 4, J/kg Mindestluftbedarf: L min = 14,9 kg Luft pro kg Kraftstoff 1. Motorleistung P e 2. spezifischer Kraftstoffverbrauch be 16

17 3. Effektiver Wirkungsgrad η e 4. Abgasmassenstrom A38: Von einem Viertakt-Dieselmotor ist gegeben: Zylinderanzahl: z = 8 Hubvolumen: V h = 1,675 Liter Heizwert des Kraftstoffes: Hu = 4, J/kg Ferner liegt das Kennfeld vor be = 160 g/(kwh) eff. Mitteldruck in bar Drehzahl in 1/min 1. Weshalb ist das Kennfeld durch eine Kurve nach oben begrenzt? 2. Max. Leistung des Motors und der spez. Kraftstoffverbrauch bei max. Leistung 3. Effektiver Mitteldruck p me bei einer Drehzahl von /min und einer Leistung von 125 kw. Eintragung dieses Betriebspunktes in das Kennfeld. 4. Absoluter Brennstoffverbrauch für den in 3. bestimmten Betriebspunkt. 5. Effektiver Wirkungsgrad für den in 3. bestimmten Betriebspunkt. 17

18 A39: Zur Abschätzung des Reibmitteldruckes eines Viertaktmotors wurden bei zwei niedrigen Lastpunkten Messungen durchgeführt. Gegeben: Drehzahl: n = /min Hubraum: V H = 900 cm 3 Heizwert des Kraftstoffs: Hu = 4, J/kg 1. Vervollständigung der folgenden Tabelle. Lastpunkt Drehmoment Md Kraftstoff -verbrauch Be effektive Leistung P e effektiver Wirkungsgrad η e spez. Kraftstoff-verbrauch be effektiver Mitteldruck p me Nm g/s kw % kg/(kwh) bar kg 1 12,92 0,75 Kraftstoff -verbrauch je Arbeitsspiel Be f 2 18,43 0,90 2. Abschätzung des Reibmitteldruckes p mr. 40: Wie kann die Gefahr einer klopfenden Verbrennung bei Otto-Motoren verringert werden? A42: Bezeichnungen der Motorkomponenten. 18

19 A44: Die Analyse eines Kraftstoffes ergibt für die Massenanteile Kohlenstoff c = 0,86 und Wasserstoff h = 0,14 (Molmassen: Wasserstoff M H = 1 kg/kmol, Sauerstoff M O = 16 kg/kmol, Kohlenstoff M C = 12 kg/kmol). Wie groß ist die Mindestluftmenge für die vollständige Verbrennung von einem Kilogramm Kraftstoff? A47: Ein Verbrennungsmotor (Massenträgheitsmoment 0,15 kgm 2 ) ist über eine Welle (Drehfederkonstante von 5000 Nm) mit einem Propeller (Massenträgheitsmoment von 0,06 kgm 2 ) verbunden. Bei welcher Drehzahl ist mit einer großen Beanspruchung der Welle zu rechnen? Weshalb ist hier die Beanspruchung hoch? A48: Skizzieren Sie ein Rootsgebläse einen Flügelzellenverdichter und einen Rollkolbenverdichter (mit Pfeilen für Drehrichtung sowie das Ein- und Ausströmen in Saug- und Druckkanal). Rootsgebläse Flügelzellenverdichter Rollkolbenverdichter 19

20 Weshalb wird das Rootsgebläse in der Regel nicht für Verdichtungsverhältnisse von größer als 2 eingesetzt? A49: Skizzieren Sie ein Kreuzkopftriebwerk. Wo wird dieses Triebwerk eingesetzt? Was sind die Vor- und Nachteile? A52: Skizzieren Sie einen luftgekühlten Einzylinder-Viertakt-Ottomotor mit einer über Steuerkette angetriebener obenliegenden Nockenwelle und kipphebelbetätigten Ventilen im Querschnitt. Wesentliche Komponenten bezeichnen, in der Zeichenebene übereinander liegende Komponenten können mit unterschiedlicher Farbe gezeichnet werden, Schraffuren nicht erfoderlich. A53: Skizzieren Sie den Kolbenweg über dem Kurbelwinkel von 0 bis 360 (OT bei 0 ) für ein Kurbelschleifentriebwerk und ein Schubkurbeltriebwerk mit einem Stangenverhältnis von deutlich kleiner als eins. A54: Skizzieren Sie den Kolbenweg, die Kolbengeschwindigkeit und die Kolbenbeschleunigung über dem Kurbelwinkel von 0 bis 360 (OT bei 0 ) für ein Schubkurbeltriebwerk mit einem Stangenverhältnis deutlich kleiner als eins. A56: Wie werden bei einem Einzylindertriebwerk die oszillierenden Massen typisch ausgeglichen? Was für Folgen hat dieser Ausgleich? A57: Wie ist die Kurbelwelle eines Viertakt-Vierzylinder-Reihenmotors typisch gekröpft (einfache Skizze)? Weshalb ist dies Anordnung der Kröpfungen günstig? A64: Weshalb schwankt die Winkelgeschwindigkeit eines Motors bei konstanter Drehzahl. Welche Kenngröße gibt es für diese Schwankung und welchen typischen Wertebereich kann diese Kenngröße besitzen? 20

21 A65: Warum besitzen Kolbenpumpen häufig eine ungerade Zylinderanzahl? 21