Skript zur Vorlesung KOLBENMASCHINEN. Teil A. Prof. Dr.-Ing. Thomas Maurer. Stand: 26. März 2008

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1 Skript zur Vorlesung KOLBENMASCHINEN eil A Prof. Dr.-Ing. homas Maurer Stand: 6. März 008 Dieses Skript beinhaltet eile der Vorlesung für die Studiengänge Energiesystemtechnik, echnische Gebäudeausrüstung und Maschinenbau. Zusätzlich werden in den Lehrveranstaltungen weitere Unterlagen ausgeteilt. Die entsprechenden Einfügestellen sind im Skript gekennzeichnet. Der vorliegende kurzgefaßte ext ist nur für Studenten der FH Gießen-Friedberg vorgesehen, die sich die Mitschrift teilweise ersparen wollen. Die an Veröffentlichungen gestellten formalen Kriterien sind nicht berücksichtigt! Der Autor bittet die gefundenen Fehler mitzuteilen. Das Skript ist urheberrechtlich geschützt. Es darf nicht verändert werden und nicht zum Download zugänglich gemacht werden.

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung... Günstige Merkmale von Kolbenmaschinen bezüglich der Anwendungen... 5 Arbeitsverfahren - Übersicht Viertakt Ottoverfahren Zweitakt Ottoverfahren Vier- und Zweitakt - Dieselverfahren Allgemeine Hinweise zur Gemischbildung und zur Verbrennung bei Diesel- und Ottoverfahren Ausführungsbeispiele Vergleichsprozesse Kenngrößen Gütegrad, Wirkungsgrad, Leistung Mitteldruck Spezifischer Brennstoffverbrauch Gründe für η G < bei ausgeführten Motoren Zeitlicher Verlauf der Wärmefreisetzung Wärmeübertragung Verbrennung und Kraftstoffe Verbrennung Kraftstoffe... 7 Leistungskenngrößen, Motorkennfelder, Betriebsverhalten, Leistungserhöhung und Aufladung Leistungskenngrößen Motorkennfelder Anmerkungen zur Leistungssteigerung von Motoren Energiebilanz, Kühlung, Abwärmenutzung (Nutzung der thermischen Energie) Ladungswechsel, Gemischaufbereitung, Zündung, Verbrennungsablauf Ladungswechsel Ottomotor Dieselmotor Schadstoffe im Abgas (Abgasemission), Maßnahmen zur Minderung des Schadstoffausstoßes Schadstoff im Abgas Maßnahmen zur Minderung des Schadstoffausstoßes Angaben von Emissionswerten Literatur... 45

3 Einleitung E0, E0 Einsatzgebiete von Kolbenmaschinen: Verbrennungsmotoren Verdichter Pumpen Allg. Definition: Kraftmaschinen: Gewinnung mechanischer Energie durch Wandlung einer Fluidenergie. Arbeitsmaschinen: Gewinnung von Fluidenergie. Als Oberbegriff wird auch Fluidenergiemaschinen verwendet. Arbeitsraum Kolben Zylinder Arbeitsraum Laufrad Gehäuse Kolbenmaschine Strömungsmaschine Bild.: Unterscheidung zwischen Kolbenmaschinen und Strömungsmaschinen

4 ab..: Abgrenzung zwischen Kolbenmaschinen und Strömungsmaschinen Kriterien Kolbenmaschinen Strömungsmaschinen Prinzip Verdrängung Strömungsumlenkung Kraftübertragendes Element Volumenänderung des Arbeitsraumes Bewegung des kraftübertragenden Elementes mech. Abdichtung der Arbeitsräume Volumen des Arbeitsraumes Fluidstrom durch den Arbeitsraum erforderliche Fluidgeschwindigkeit Drehzahl bzw. Hubfrequenz obere Begrenzung der Drehzahl Druckdifferenz bei kraftübertragendem Element Leistungsdichte Kolben periodisch oszillierend (ein Element reicht), oder rotierend (mindestens ein weiteres rotierendes oder oszillierendes Element notwendig), oder oszillierend und rotierend möglich und sehr häufig der Fall durch die Geometrie bestimmt meist periodisch, gesteuert durch Ventile und Schlitze auch geschlossene Arbeitsräume ohne Durchströmung, z.b. Stirlingmotor keine Mindestgeschwindigkeit erforderlich abhängig vom Volumenstrom, bis etwa /min möglich oszillierende Massenkräfte, evtl. auch maximale Gleitgeschwindigkeit (z.b. des Kolbens aufgrund mechanischer Reibung) statische Druckdifferenz möglich, durch die mechanischen Eigenschaften der Bauteile begrenzt sehr groß bei kleinen Leistungsgrößen realisierbar Kräfte auf riebwerk in der Regel radiale Lagerkräfte hermische Beanspruchung bei offenen Systemen Bauteile, z.b. Kolben, sind nur durch mittlere emperatur beansprucht. Dadurch bei Verbrennungsmotoren hohe Spitzentemperaturen realisierbar hoher Wirkungsgrad Laufrad keine rotierend nur unvollständig, dynamische Abdichtung durch das Fluid selbst ist nicht definiert kontinuierlich, ohne Steuerelemente abhängig vom gewünschten Druck und Durchsatz abhängig vom Volumenstrom, bis etwa /min möglich Fliehkräfte am Rotor, Strömungsabriß, Schallgeschwindigkeit, Fluidreibung nur dynamisch möglich, in Abhängigkeit von der Dichte des Fluids und der erzeugten Geschwindigkeit sehr groß bei großen Leistungsgrößen realisierbar im Idealfall keine Lagerkräfte auf die Welle jedes Bauteil, z.b. Brennkammer einer Gasturbine, ist einer näherungsweise konstanten emperatur ausgesetzt 4

5 Kolbenarten Kolben sind die kraftübertragenden Elemente, die zur Verdrängung genutzt werden. Kolben, bzw. Verdränger können sehr unterschiedliche Formen aufweisen: zylindrisch, oval, kugelförmig, kegelförmig. Auch Membranen können als Kolben verwendet werden Kolben können aus einem Fluid bestehen: z.b. Flüssigkeitssäule, Druckwelle. Bei Rotationskolbenmaschinen finden sich: Flügel, Schieber, Zahnräder, Schrauben, allg. trochoidenförmige Formen. Kolbenbewegung Meist ist die Kolbenbewegung zwangsgeführt, z.b. über ein Stangengetriebe und eine Kurbelwelle. Die Kolben können linear ohne Zwangsführung bewegt werden: Freikolbenmaschinen (meist Pumpen, Verdichter, selten Motoren, auch Schlagwerke). Anstatt der Welle kann auch das gesamte Gehäuse samt Kolben sich drehen (z.b. Umlaufmotor). Günstige Merkmale von Kolbenmaschinen bezüglich der Anwendungen Verbrennungsmotoren Fahrzeugantrieb und andere mobile Anwendungen: schnelle Inbetriebnahme schnelle Lastwechsel, einfache Leistungsregelung große Leistungsdichte (leicht, z.b. Motorsägen) einfach speicherbare und verfügbare Kraftstoffe nutzbar hoher Wirkungsgrad große nutzbare Drehzahlspanne einfache und billige Herstellung (keine seltenen Materialien) robust Abwärme einfach abführbar (Flugtriebwerk) und auf hohem emperaturniveau für Heizzwecke nutzbar (Beheizung von Fahrzeugen) hohe Betriebssicherheit 5

6 stationäre Antriebe: hohe Wirkungsgrade Abwärme auf hohem emperaturniveau nutzbar (BHKW, Kraftwerk, HKW), Antrieb von Sorptionswärmepumpen u. -kältemaschinen viele Kraftstoffe nutzbar (Rohöl, Biogas, Schwachgas), auch thermische Energie (z.b. solare Energie bei Stirlingmotor) hohe Wirkungsgrade auch bei kleiner Leistung einfache Abfuhr von Abwärme (z.b. kein Kühlturm erforderlich) unkomplizierte Peripherie metallische Werkstoffe ( keine Chemie wie bei Brennstoffzelle) Hydraulische Maschinen Positionierungsaufgaben (z.b. Baumaschinen, Werkzeugmaschinen) große Leistungsdichte (z.b. Fahrzeugantriebe) große Kräfte (z.b. Servolenkung) billig und sicher (z.b. Flughydraulik, Bremshydraulik) konstante Fördermenge bei kleinsten Mengen (z.b. Dieseleinspritzpumpen) hohe Wirkungsgrade Pneumatische Maschinen (hier als Sammelbegriff für Verdichter, Expansionsmaschinen, Stellzylinder) hohe Betriebssicherheit (z.b. Dampfmaschine) hohe Leistungsdichte bei kleinen Leistungsgrößen (z.b. druckluftbetriebene Handwerkzeuge) insbesondere günstig bei großen Druckdifferenzen (z.b. Kältemittelverdichter) billig und sicher (z.b. in der Montagetechnik, Lebensmittelverarbeitung) hohe Wirkungsgrade 6

7 Arbeitsverfahren - Übersicht A0, A0, A0, A04, A05, A06, A07, A08, A09, A0, A. Viertakt Ottoverfahren Das Arbeitsverfahren ist als Viertakt Ottomotor verwirklicht (Erfindung 876). Der Motor besitzt sogenannte Gaswechselorgane, die zwangsgesteuert sind (meist Ventile), mit welchen ein Ladungswechsel erfolgt (offener Prozeß). ab..: Viertakt-Ottoverfahren akt Bezeichnung Arbeit Kolbenbewegung Ansaugen einer frischen Ladung (zündfähiges Gemisch) Verdichtung (emperatur und Druck steigen) Zündung, Verbrennung (Druck und emperatur steigen) und Entspannung Einlaß Aufwand nach unten auf zu Aufwand nach oben zu zu Gewinn nach unten zu zu 4 Ausschieben der Rauchgase Aufwand nach oben zu auf Auslaß Zwei Kurbelwellenumdrehungen sind zum einmaligen Ablauf eines Arbeitsverfahrens notwendig. Die Ventilbetätigung hat für Ein- und Auslaß nur einmal während eines Arbeitsverfahrens zu erfolgen. Es ist eine Steuerwelle erforderlich, deren Drehzahl die Hälfte der Drehzahl der Kurbelwelle ist. Die zeitliche Synchronisierung erfolgt mittels Zahnräder. Die Zündung des zündfähigen Gemisches erfolgt fremd (Sollfall!) z.b. mit Zündkerzen. Damit der Motor von selbst läuft, muß der Arbeitsgewinn größer als der Arbeitsaufwand sein. Die bewegte Masse des riebwerks ( Schwungmasse, einschließlich Schwungrad) muß so groß sein, daß deren kinetische Energie bei gegebener Drehzahl den Arbeitsaufwand zur Verdichtung deckt. Je niedriger die Drehzahl eines Motors (z.b. Leerlauf) sein soll, um so größer ist die Masse des riebwerks (Schwungrad) zu wählen.. Zweitakt Ottoverfahren Bei diesem Arbeitsverfahren (die Erfindung wird Carl Benz 879 zugeschrieben) sind nur zwei Kolbenhübe erforderlich. Zum Ausschieben der verbrauchten Ladung und Einbringung frischer zündfähiger Ladung ist eine Spülung erforderlich. Die Steuerung des Ladungswechsels kann allein durch den Kolben erfolgen. 7

8 . akt: Spülen und Verdichten Gegen Ende des Arbeitstaktes, bevor der Kolben den U erreicht, öffnet bereits der Auslaß (z.b. Auslaßschlitze in der Zylinderwand). Aufgrund von Druckdifferenzen beginnt die verbrauchte Ladung auszuströmen. Beim weiteren Kolbenabwärtshub gelangt frische Ladung, z.b. durch Einlaßschlitze, in den Zylinder. Der Druck der zuströmenden frischen Ladung muß größer sein als der Druck im Zylinder, z.b. durch Spülgebläse oder durch die Kolbenunterseite (kleine Motoren) bewerkstelligt. Die frische Ladung schiebt die verbrauchte Ladung vor sich her. Währenddessen setzt der Kolbenaufwärtshub ein. Beim Kolbenaufwärtshub wird im thermodynamischen Idealfall der Auslaß dann geschlossen, wenn gerade die verbrauchte Ladung vollständig durch frische Ladung ersetzt ist. Frische Ladung wird bis zum O verdichtet. Arbeitsaufwand: Spülen des Zylinders, Bereitstellen der Spülluft, Verdichten.. akt: Arbeitstakt Im Bereich des O wird die frische Ladung gezündet, Druck und emperatur steigen, die Entspannung erfolgt durch Kolbenabwärtsbewegung. Arbeitsgewinn: Entspannung. Ein Zweitaktmotor leistet bei jeder Umdrehung Arbeit, erreicht dennoch im allgemeinen nicht die doppelte Leistung bei gleicher Drehzahl wie ein Ottomotor (4-akt), da: die Spülung benötigt Arbeit, ein eil des Kolbenweges geht für die Spülung verloren. Das Steuerdiagramm des Zweitaktmotors, d.h. das Überstreichen der Steueröffnungen mit dem Kolben, ist symmetrisch bzgl. der Kolbenstellung beim Abwärts- und Aufwärtshub. Es ergeben sich hierdurch Nachteile bzgl. Effizienz und Schadstoffemission. (Zur Verwirklichung von unsymmetrischen Steuerdiagrammen, s. Kap. 9). Problematisch, insbesondere hinsichtlich der Abgasemission, ist der Verlust an frischer Ladung bei Benzinmotoren während des Spülens. Zur Vermeidung kann eine Direkteinspritzung von Kraftstoff (Bimota 996) oder auch eines vorgemischten fetten Kraftstoff-Luft-Gemischs (dient der Verbesserung der Zündung und Verbrennung) vorgesehen werden. Die Direkteinspritzung erfolgt nachdem der Kolben beim Aufwärtshub die Einlaßschlitze verschlossen hat.. Vier- und Zweitakt - Dieselverfahren Diesel wollte einen idealen Motor schaffen, der dem Carnot-Prozeß hinsichtlich der thermodynamischen Güte nahe kommen soll. Um 890 hatte er die Idee, reine Luft in einem Zylinder sehr hoch zu verdichten und den Brennstoff dann zuzuführen. Aufgrund der hohen Verdichtungsendtemperatur zündet der Brennstoff selbsttätig. Vorläufer ist Otto-Motor, wenn auch aus thermodynamischer Sicht andere Motoren, z.b. Brayton, genannt werden. Anmerkung: Diesel war Mitarbeiter von LINDE Eismaschinen. Diesel schlug Carl von Linde die Entwicklung des Motors vor, dieser lehnte jedoch ab. Ursprünglich nur 4-akter, heute werden große langsamlaufende Motoren (z.b. Schiffsmotoren) als -akter ausgeführt. 8

9 .4 Allgemeine Hinweise zur Gemischbildung und zur Verbrennung bei Diesel- und Ottoverfahren ab..: Unterscheidungsmerkmale zwischen Otto- und Dieselverfahren Unterscheidungsmerkmal Otto-Verfahren Diesel-Verfahren Gemischbildung äußere innere Gemischzustand homogen heterogen Zündung fremd selbst Regelung (Last) Quantität Qualität Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal ist die Art der Zündung. Das Verdichtungsverhältnis (ist ein Volumenverhältnis) V V + V V V max h c ε (.) min c darf bei Ottomotoren nicht so groß sein, daß das angesaugte Gemisch selbsttätig (z.b. vor Erreichen des O) zündet und verbrennt (ε bis etwa 0 ist hier die Grenze). Beim Dieselverfahren muß ε mindestens so groß sein, daß die emperatur der verdichteten Luft die Zündtemperatur überschreitet: ε (Großmotor) 0 (Kleinmotor, hier ist besonders der Kaltstart zu beachten, Großmotoren werden vorgewärmt gestartet). In Otto- und Dieselmotoren kommen Kraftstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz. Beim Ottoverfahren müssen Brennstoff und Luft mengenmäßig gemeinsam geregelt werden, da das Gemisch nur in einem engen Mischungsbereich zündfähig ist. Die Lastregelung erfolgt heute überwiegend mit Drosselklappen. Folglich ist der eillastwirkungsgrad von Ottomotoren i.a. niedriger als bei Dieselmotoren. Zunehmend werden Ventiltriebe mit variablen Steuerzeiten eingesetzt. Bei manchen Ausführungen kann auf Drosselklappen vollständig verzichtet werden. Es ergeben sich Verbrauchsverbesserungen bei PKW-Motoren von etwa 5 0%. Beim Dieselmotor erfolgt die Lastregelung durch die Menge des eingespritzten Brennstoffes. Die Gemischbildung erfolgt im Brennraum, und ist instationär und räumlich heterogen. An den Randbereichen des Brennstoffes zur Luft liegt ein etwa stöchiometrisches Gemisch vor, von dem die Zündung und Verbrennung aus erfolgen. Da die innere Gemischbildung Zeit benötigt, ist die maximale Motordrehzahl beschränkt und meist deutlich niedriger als bei Ottoverfahren. Hybridmotoren: Direkteinspritzende Ottomotoren: Vorteilhaft sind verbesserte eillastwirkungsgrade und die im Vergleich zu Dieselmotoren etwas einfachere Abgasnachbehandlung. 9

10 Modellbaumotoren: Äußere Gemischbildung, homogenes Gemisch, Selbstzündung aber auch in Grenzen Qualitätsregelung..5 Ausführungsbeispiele Fluidenergiemaschine Prinzip Strömung (dynamisch) Verdrängung (statisch) Organ Laufrad Fluidströmung Rotationskolben Hubkolben Membran Druckwelle Bauart axial radial Pelton Rückstoß Dampfstrahl Flügelzelle Rollkolben Sperrschieber Schraube Spiral Wankel... Zahnrad... Freikolben auchkolben Kreuzkopf Kurbelschleife aumelscheibe Schiefscheibe Schrägachse... Zellenmaschine hermoakustik Bild.: Einteilung der Fluidenergiemaschinen 0

11 Bauteilbezeichnungen Kurbelgehäuse 0 Ventilsitz Zylinder Ventilschaft Zylinderkopf Ventilschaftführung 4 Ölwanne Ventilfeder 5 Kupplungsglocke 4 auto. Ventilspielausgleich 6 Zylinderkopfdeckel/-haube 5 Vorkammer 7 Steuergehäusedeckel 6 Wirbelkammer 8 Kurbelwelle 7 Abgasturbolader 9 Kurbelwange 8 Riemenscheibe 0 Kurbelkröpfung 9 Nebenantriebswelle Kurbelwellenlager 40 Ölpumpe Schwungrad 4 Ölfilter Drehschwingsdämpfer 4 Kühlmittelpumpe 4 Drehschwingungstilger 4 Kühlmittelthermostat 5 Pleuel(-stange) 44 Gebläse 6 Kolben 45 Generator 7 Kolbenbolzen 46 Anlasser 8 Kolbenring 47 Zündverteiler 9 Steuerzahnriemen 48 Zündgeber 0 Steuerkette 49 Zündspule Nockenwelle 50 Zündkerze Stößel(-stange) 5 Kraftstoffpumpe Kipphebel 5 Vergaser 4 Schwinghebel, Schlepphebel 5 Einspritzpumpe 5 assenstößel 54 Einspritzdüse 6 Einlaßkanal 55 Motorentlüftung 7 Auslaßkanal 56 Common Rail 8 Einlaßventil 9 Auslaßventil

12 ab..: Vergleich zwischen Hub- und Rotationskolbenmaschinen Vergleichsmerkmal Rotationskolben Hubkolben typische Einsatzgebiete Öl-Hydraulikpumpen und motoren, Gasverdichter, Lader, Booster Druckbereich bei flüssigen Medien Druckbereich bei gasförmigen Medien hoch niedrig und mittel Hydraulikpumpen und motoren, Verbrennungsmotoren, Gasverdichter, Hochdruckanwendungen hoch bis sehr hoch mittel bis sehr hoch Volumenstrom niedrig bis sehr groß niedrig bis mittel Abdichtungslänge der Arbeitsräume Abdichtungselemente Bedeutung von Öl zur Abdichtung bei großen Druckdifferenzen groß häufig keine möglich, Dichtleisten groß klein Kolbenringe, Labyrinth klein Güte der Abdichtung niedrig bis mittel mittel bis hoch Drehzahlbereich mittel bis hoch niedrig bis mittel Hubraum/Bauvolumen mittel bis hoch niedrig bis mittel Hubraum/Masse mittel bis hoch niedrig bis mittel eilezahl niedrig bis mittel mittel bis hoch Liefergrad hoch mittel Gütegrad bei niedrigen Drücken tendenziell hoch bei hohen Drücken tendenziell hoch Schadraumvolumen bis nahe Null Mittel (> % von V h ) Pulsation niedrig zylinderzahlabhängig Fluidwechselorgane häufig keine Ventile, Schieber Massenausgleich einfach einfach bis aufwendig

13 Reihe, Stern, V, Boxer,... mit Pleuel Stern mit Kurbelschleife Stern mit Exzenter oder Nocken Axial mit umlaufender Schiefscheibe und Gleitschuhen Axial mit aumelscheibe, Pleuel und stehendem Zylinder Axial mit stehender Schiefscheibe und umlaufendem Zylinder Axial mit aumelscheibe oder Schiefscheibe, mit Gleitschuhen und umlaufendem Zylinder Axial mit Schrägwelle, Pleuel und umlaufendem Zylinder Bild.: Bauformen von Hubkolbenmaschinen

14 Flügelzelle Rollkolben Starrflügel Roots Außenzahnrad Schraube Innenzahnrad Wankel : Orbital Scroll Bild.: Bauformen von Rotationskolbenmaschinen 4

15 4 Vergleichsprozesse P0 hermodynamische Kreisprozesse werden als ideales Vorbild verwendet für: Vergleich mit berechneten ( simulierten ) Zustandsänderungen ( Realprozeßrechnung ). Bewertung der thermodynamischen Güte von realisierten Zustandsänderungen in (Versuchs-)Motoren. Auffinden von Verbesserungsmöglichkeiten im Verfahrensablauf. Üblich wird bei einfachen Vergleichsprozesse für Motoren vorausgesetzt: Geschlossene Systeme (m konstant, Wärmezu- und Wärmeabfuhr durch Wände), konstante Stoffeigenschaften, zeitliche Abhängigkeiten sind nicht berücksichtigt. a) Carnot-Prozeß Zwischen zwei gegebenen emperaturgrenzen besitzt der Carnot Prozeß den höchsten thermischen Wirkungsgrad: η W (4.). th Q Dieser Prozeß läßt sich bekanntlich technisch nur schwer realisieren: Hohe Drücke, große Volumenänderungen, aber kleine Arbeit. Bei ausgeführten Motoren wären die Reibungsverluste sehr hoch. b) Auf Carnot-Prozeß basierender Prozeß mit Druckbegrenzung Die Begrenzung erfolgt auf den maximal zulässigen Druck im Zylinder, dessen Überschreitung zu Schäden, z.b. Platzen, führt. c) Vollständiger Idealprozeß von Motoren, (Gleichdruck bzw. Diesel-Prozeß) Eine Entspannung unterhalb des Umgebungsdrucks liefert nur eine vergleichsweise kleine Arbeit, der Kolbenweg ist jedoch sehr groß. Folge wären bei ausgeführten Maschinen relativ zur gewinnbaren Arbeit große Reibungsverluste. Eine isotherme Wärmeabfuhr läßt sich ebenfalls technisch kaum verwirklichen, da dazu große Wärmeübertragerflächen und lange Zeiten notwendig wären. Um eine gute Hubraumausnutzung zu erhalten, beginnt die isentrope Verdichtung bereits bei Umgebungsdruck. Dieser vollständige Idealprozeß entspricht dem Gleichdruck- bzw. Diesel-Prozeß. Beim Dieselmotor hat die Einspritzung des Kraftstoffes damit so zu erfolgen, daß eine Verbrennung bei konstantem Druck über einen gewissen Kolbenabwärtshub und damit über eine gewisse Zeit stattfinden kann. Bei langsamlaufenden Motoren gelingt dies mit einer zeitlich gesteuerten Einspritzung der Einspritzmenge. Mit schnellen Piezo-Einspritzdüsen sind 5

16 heute bei schnellaufenden PKW-Dieselmotoren bis zu 8 Einzeleinspritzungen je Zündung möglich, um die gewünschte Annäherung an den idealen Prozeßverlauf zu erzielen. d) Gleichraum oder Ottoprozeß Außer der Begrenzung auf einen max. zulässigen Druck ist es zweckmäßig, einen weiteren Prozeß mit einer Grenze für die maximale emperatur am Ende der Verdichtung zu definieren. Beim Ottomotor wird ein weitgehend homogenes Gemisch angesaugt, das bem Überschreiten einer bestimmten emperatur unerwünscht selbsttätig zünden und verbrennen kann. Das Verdichtungsverhältnis ist daher zu begrenzen. Die Zündung erfolgt mittels Zündkerze, das Gemisch verbrennt mit v Flamme ~ 0 0 m/s. Auch für diesen Prozeß ist die Druckbegrenzung zu beachten. p isotherm p Pmax 4 Pum isentrop isentrop isotherm 4 4 Pum isentrop isentrop isotherm 4 s v s v a) Carnot-Prozeß b) Auf Carnot-Prozeß basierend mit Druckbegrenzung p p 4 Pmax 4 Pmax Pum isentrop 4 Pum isentrop 4 s v s c) Vollständiger Idealprozeß bzw. Gleichdruck oder Diesel-Prozeß d) Gleichraum- oder Otto-Prozeß v Bild 4.: hermodynamische Vergleichsprozesse für Verbrennungsmotoren Die Diagramme sind nicht maßstäblich! Insbesondere das p,v-diagramm ist in Wirklichkeit schmäler, endet näher bei v 0 und der Druck p max liegt deutlich höher. 6

17 Seiliger Prozeß Bei ausgeführten Motoren erfolgt die Wärmezufuhr näherungsweise teilweise bei Gleichraum- und bei Gleichdruckzustandsänderungen (isochor und isobar). p q q,' ', ' isentrop 4 4 isentrop q 4, v s Bild 4.: Seiliger-Prozeß Definitionen Verdichtungsverhältnis (s.o.) Einspritzverhältnis: Zündruckverhältnis: V V ε (4.) V V ' ρ (4.) p p π oder δ (4.4) p p Der. Hauptsatz für geschlossene Systeme lautet: dq + dw du (4.5). Die Volumenänderungsarbeit w ist: dw -pdv (4.6). 7

18 8 ab. 4.: Energiewandlung beim Seiliger-Prozeß Arbeit Wärmeübertragung dw du dw c v d w, c v ( ) q, 0 w, 0 dq du dq c v d q, c v ( ) dw -p dv mit: pdv R d (c p c v )d w, (c p - c v ) ( - ) dq du dw du + pdv dq dh vdp dh c p d q, c p ( ) 4 dw du dw c v d w,4 c v ( 4 ) q,4 0 4 w 4, 0 dq du dq c v d q 4, c v ( 4 ) Der thermische Wirkungsgrad als Verhältnis von Nutzen zu Arbeit ist somit: ) ( ) ( ) ( ) )( ( ) ( ' ' 4 ' c c c c c c q w p v v v p v zu th + + η ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ' 4 ' c c c c c p v v p v th + + η ) ( ) ( ) ( ' 4 c c c p v v th + η + ' 4 th η (4.7) Formal ist: isochore Zustandsänderung: π p p (4.8), isobare Zustandsänderung: ρ V V (4.9), isentrope Zustandsänderung: ) ( ε V V (4.0).

19 9 Damit ergibt sich: ε π (4.), 4 ' 4 ' ' 4 ε ρ V V V V V V (4.), ' ' ε π ρ (4.), ρ π ε π ρ ε ρ ' ' 4 4 (4.4) und schließlich ( ) + ε π ε π ρ ε ε π ρ π η th ( ) + ρ π π ρ π ε η th (4.5) Hieraus lassen sich die Sonderfälle ableiten: Gleichraumprozeß: ρ ε η th (4.6) Gleichdruckprozeß: π ) ( ρ ρ ε η th (4.7) Berechnungen von thermischen Wirkungsgraden th η des Seiliger- und des Gleichdruckprozesses setzen Annahmen oder Kenntnisse des Punktes bzw. 4 voraus. Abschätzungen können am einfachsten mit der Gleichung für den Gleichraumprozeß vorgenommen werden. ab. 4.: ypische Verdichtungsverhältnisse ε von 4 akt Motoren: Motor Verdichtungsverhältnis ε Ottomotoren Ventiler Ottomotoren 4 Ventiler 9... Direkteinspritzender Ottomotor bis 4 Direkteinspritzender Dieselmotor... Dieselmotor mit Kammerverfahren 8...4

20 5 Kenngrößen 5. Gütegrad, Wirkungsgrad, Leistung Die folgenden Definitionen sind gebräuchlich: Windiziert Gütegrad: η G (5.). W theoretisch Bei W theoretisch handelt es sich um einen beliebig gewählten theoretischen Prozeß, z.b. Otto, Weff Seiliger etc.. Gelegentlich wird der Güegrad auch mit η G defininert. W theoretisch Wtheoretisch hermischer Wirkungsgrad: η th (5.). Q Brennstoff Windiziert Indizierter (bzw. innerer) Wirkungsgrad: η i (5.). Q Brennstoff Pe Effektiver Wirkungsgrad: η e (5.4). Q& Brennstoff Bei der effektiven Leistung (Nutzleistung) kann der Index e auch entfallen, bzw. die Indizes eff verwendet werden. Effektive Leistung (Nutzleistung): P e P P (5.5). i r Die Reibleistung P r setzt sich zusammen aus: Reibung an Kolben, Ventilen, Lagern und Antriebsleistung für die für den Betrieb notwendigen Hilfsaggregate (Generator, Wasserpumpe, Ölpumpe, Lüfter). Anmerkung: Hilfsaggregate sind eil der Nebenaggregate zu denen beispielsweise noch die Lenkhilfepumpe, Verdichter für Klimaanlage, Luftpumpe zur Bremsunterstützung etc. zählen. Pe Mechanischer Wirkungsgrad: η m (5.6). P i 0

21 Leistung von Motoren mit drehenden Abtriebswellen Die meisten Motoren haben eine Abtriebswelle, somit kann für die Leistung geschrieben werden: mit P M ω (5.7), e d ω π (5.8). n Motor Da die Leistung eines Motors vom Zustand der Verbrennungsluft abhängt, ist die Festlegung eines Bezugszustands für Leistungsangaben notwendig. Wenn nichts anderes angeben ist, ist normgemäß davon auszugehen, daß für die Leistungsangaben ein Druck von,0 bar und eine emperatur von 0 C zugrunde liegen. Für Verbrennungsmotoren (z.b. Einbaumotoren, nicht aber übliche PKW-Motoren) sind folgende Leistungsbegriffe gebräuchlich (teilweise auch genormt): Dauerleistung P A. Die größte dauernd zur Verfügung stehende Leistung. Die Leistungsbegrenzung des Motors ist so eingestellt, daß noch eine Überlastbarkeit möglich ist. Nicht überlastbare Leistung P B. Während einer bestimmten durch die Anwendung vorgegebenen Dauer, die zwischen Motorenhersteller und Abnehmer vereinbart ist, kann der Motor betrieben werden. Überleistung P Ü. Dies ist die größte Nutzleistung, die der Motor insgesamt zusammenhängend eine Stunde oder unterbrochen innerhalb von Stunden abgegeben kann. Die Überleistung ist in der Regel um das,-fache größer als die Dauerleistung P A. Höchstleistung P H. Dies ist die größte Nutzleistung, die ohne Überbeanspruchung 5 Minuten lang abgegeben werden kann. 5. Mitteldruck Im Folgenden wird die Kenngröße Mitteldruck hergeleitet. Leistung: P W f (5.9). Arbeitszyklusfrequenz f A akt: f A n Motor A 4akt: f A 0,5 n Motor Arbeit: W A p ( s) ds (5.0) s Kolben Zylinder Mit dem Hubvolumen (s ist der Kolbenhub) V h A s (5.) Kolben ergibt sich W V h p m (5.).

22 Hierbei ist p m der sogenannte Mitteldruck. Damit ergibt sich mit dem Hubvolumen V h bzw. mit dem Hubraum V H : P h V p f (5.), h m A P H V p f (5.4). H m A Auch für die anderen Leistungen, z.b. P i, P R etc. lassen sich die Mitteldrücke, indizierter Mitteldruck p mi, Reibmitteldruck p mr etc., angeben. Der Vorteil dieser Kenngrößen ist die Unabhängigkeit von der jeweiligen Motorgröße. ab. 5.: Anhaltswerte für effektive Mitteldrücke: Motortyp 4 akt Motorrad 4 Rennmotor ohne Aufladung 0 PKW Otto 8... LKW Diesel 5... PKW Diesel mit Aufladung 5... Große Dieselschnellläufer Mittelschnellläufer Große akt Diesel effektiver Mitteldruck p me in bar 5. Spezifischer Brennstoffverbrauch Der Motorwirkungsgrad wird häufig durch den spezifischen Kraftstoffverbrauch (bzw. Brennstoffverbrauch) angegeben. Allgemein ist der Wirkungsgrad einer Verbrennungskraftmaschine: P η m (5.5). & B H u Damit ergibt sich für die effektive Leistung: P e η e ηi ηm (5.6). m& B H m& u B be H H u u Pe

23 Häufig wird der effektive spezifische Brennstoffverbrauch für Vergleichszwecke in Brennstoffverbrauch pro Kilowattstunde angegeben. ab. 5.: Anhaltswerte für den effektiven spezifischen Kraftstoffverbrauch bei Nennleistung: Bezeichnung akt Otto 0,4 4 akt Otto 0,5...0,5 Dieselkammerverfahren 0,5...0, Dieseldirekteinspritzung PKW/LKW 0,...0,6 Dieseldirekteinspritzung Bahn 0,9...0, akt Schiffsdiesel 0,7...0, eff. spez. Kraftstoffverbrauch b e in kg /(kw h) Bestpunkte liegen bei kleinerer Last und Drehzahl etwa % darunter. 5.4 Gründe für η G < bei ausgeführten Motoren Unprogrammgemäße Wärmeübertragung. Beim Ottoprozeß muß Wärme isochor, d.h. in einer Zeit von 0 s, zu und abgeführt werden, was technisch nicht realisierbar ist. Beim Dieselmotor erfolgt noch ein Nachbrennen bzw. eine schleichende Verbrennung in den Bereich, wo eine isentrope Entspannung stattfinden sollte. Während der Verbrennung mit emperaturen bis etwa 500 K wird bis zu 0 % der zugeführten Brennstoffenthalpie an die umgebenden Wände abgeführt. Unvollständige Verbrennung. Z.B. infolge Sauerstoffmangels, Erlöschen der Flamme an kalten Wänden (ist hauptsächlich ein Abgasproblem!). Strömungsverluste beim Einströmen der Ladung und Ausströmen der Rauchgase. Undichtigkeiten ( Blow-by ), i.d.r. weniger als % des Massendurchsatzes. Realgasverhalten (Dissoziation etc.) Zeitlicher Verlauf der Wärmefreisetzung Der Verlauf der Wärmefreisetzung der innermotorischen Verbrennung läßt sich durch ein Brenngesetz, z.b. dem Vibe-Brenngesetz, darstellen (andere Bezeichnung ist Durchbrennfunktion ): m+ t x exp 6,9 (5.7). t z

24 Hier ist x der Anteil des Kraftstoff-Luft-Gemisches, der vom Verbrennungsbeginn in der Zeit t verbrannt ist. Die Zeit t z ist die Zeitdauer für eine vollständige Verbrennung. Der Kennwert m liegt für Otto- und Dieselmotoren im Bereich von 0,5 m,6. Für eine schrittweise Berechnung des Verbrennungsverlaufs ist eine zeitliche Ableitung dieser Gleichung notwendig ( Heizgesetz ): dx dt 6,9 ( m + ) t t z m exp 6,9 t t z m+ (5.8). Bei Verbrennungsmotoren nimmt die Verbrennungsgeschwindigkeit etwa proportional zur Drehzahl zu (turbulente Strömungen). Daher können die Gleichungen auch mit Kurbelwinkeln und damit drehzahlunabhängig formuliert werden. x 0,8 0,6 0,4 0, 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 t/tz m0, m0,4 m0,6 m0,8 m,0 m, m,4 m,6 Bild 5.: Vibe-Brenngesetz - Durchbrennfunktion dx/dt 4,5,5,5 0, , 0,4 0,6 0,8 t/tz m0, m0,4 m0,6 m0,8 m,0 m, m,4 m,6 Bild 5.: Vibe-Brenngesetz - Heizgesetz 4

25 5.4. Wärmeübertragung Gleichung zur schrittweisen Berechnung des Wärmeübergangs von Gas zur Zylinderwand: ( ) t Q α A (5.9). W W Gas W Empirischer Ansatz nach Woschny zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten (Achtung: Zahlenwertgleichung, nur für übliche Otto- und Dieselmotoren anwendbar!): 0,8 0, 0,8 0,5 V h 0 d p c cm + c ( p p0 ) p V α (5.0). Symbol Einheit Bedeutung d m Zylinderdurchmesser p bar Druck im Zylinder mit Verbrennung p 0 bar Druck im Zylinder ohne Verbrennung K Gastemperatur c m m/s mittlere Kolbengeschwindigkeit c bei Ladungswechsel: c 6,8 + 0, 47 c c u m bei Verdichtung und Expansion: c,8 + 0, 08 c c u m c u m/s Umfangsgeschwindigkeit der Luft im Zylinder, ermittelt im Stationärversuch mit der Drehzahl eines Flügelradanemometers, dessen Durchmesser 0,7 d beträgt c c,4 0 - bei Ottomotor und Diesel-Direkteinspritzung. c 6, 0 - bei Vorkammerdieselmotoren. 5

26 Oberflächen zu Volumenverhältnis , 0,6,,6,,6,,6 4, 4,6 Hub-/Bohrungsverhältnis s/d Bild 5.: Verhältnis Oberfläche zu Volumen bei konstantem Volumen in Abhängigkeit des Verhältnisses Hub zu Bohrung 6

27 6 Verbrennung und Kraftstoffe V0, V0, V0, V04 6. Verbrennung Bei Motoren mit innerer Verbrennung ist zu Beginn der Verdichtung eine bestimmte Menge Luft im Zylinder enthalten, welche die Menge an verbrennbarem Kraftstoff festlegt. Mindestluftmenge L min : Folgend werden die Symbole und Indizes verwendet: L Luft K Kraftstoff ρ ξ Dichte, Index G: Gemisch Massenanteil (auch als Massenkonzentration bezeichnet) einer Komponente i mi ξ i (6.). m ges Damit ist (): L min ml, st m m ξ m K O O, st K (6.). Üblich in der Einheit in kg/kg ; falls gasförmige Brennstoffe auch [ L min ] Auf die Gemischdichte bezogen ist: Lmin lmin ρ (6.). G kg m Bezugszustand: 0 C, 0 mbar. Es ist in diesem Zustand: ρ Luft,tr,9 kg/m³, ρ O,49 kg/m³. mo Der Massenanteil Sauerstoff in Luft beträgt ξ O 0,. m Hinweis: dieser Bezugszustand weicht von dem üblicherweise für die Leistungsangaben von Motoren verwendeten ab! In Kraftstoffen ist üblicherweise verbrennungsfähig: Kohlenstoff C, Wasserstoff H und Schwefel S (insbesondere früher, heute auch noch nennenswert in Schwerölen) Bei vollständiger Verbrennung entstehen Kohlendioxid CO, Wasserdampf H O und Schwefeldioxid SO : C + O CO H + ½ O H O S + O SO Luft 7

28 Damit ist: L min M O M M O O c + * h + s o ξo M C 4 M H M S (6.4). Mit den Kleinbuchstaben c, h, s, und o werden hier die Massenkonzentrationen von C, H, S und O im Kraftstoff bezeichnet! Mit den Molmassen der Stoffe ergibt sich die Zahlenwertgleichung(!): Lmin [,664 c + 7,97 h + 0, 988 s o] (6.5). 0, Luftverhältnis λ: Das Luftverhältnis λ ist als Verhältnis der im Zylinder für die Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse m L zur stöchiometrisch notwendigen m L,st definiert: m m L L λ (6.6). ml, st mk Lst Es ist: λ > mageres Gemisch: λ < fettes Gemisch: Luftüberschuß Luftmangel Ottomotoren: i.d.r. λ (insbesondere falls -Wege-Kat ) Dieselmotoren: λ > aufgrund Verringerung der Rußbildung. Richtwerte: Kammermotoren (Vor-, Wirbel-) λ, Kleine Direkteinspritzer λ, Bahnmotor (aufgeladen) λ,5 Schiffsdiesel (aufgeladen) λ,8 Gemischheizwert H G : Der Heizwert H u des zugeführten Kraftstoffes m K wird auf das Gemischvolumen V G bezogen: H m H K u G (6.7). VG 8

29 Bei Dieselmotoren und direkteinspritzenden Ottomotoren ist V V und damit: G L ml mk V L Lst λ (6.8), ρ ρ L L so daß H u ρg H G (6.9). L λ st Die Einheit von H G ist z.b. kj/m. Bei Dieselmotoren ist ρ G ρ L einzusetzen. Näherungsweise gilt dies auch für Ottomotoren, welchen vergaster Brennstoff (z.b. mittels Vergaser) zugeführt wird. Anm.: Bei der Vergasung handelt es sich überwiegend um eine Zerstäubung des Kraftstoffs. Auch wenn diese zerstäubten Flüssigkeitströpfchen sehr klein sind, handelt es sich nicht um ein Gas, so daß der Volumenanteil des Kraftstoffes im Gemischvolumen klein ist und etwa % beträgt. Bei Gasmotoren ist der Raumanteil des Gases zu berücksichtigen (Volumenanteil beträgt etwa 0%). Anm.: Gelegentlich wird in der Literatur folgende Gleichung auch für Ottomotoren, die mit vergasten Kraftstoffen betrieben werden, angewendet. mg mk ml mk V G ( ml + mk ) + ( Lst λ + ) (6.0), ρg ρg ρg mk ρg Hu ρg H G (6.), L λ + st Die Umstellen von Benzin auf Gasbetrieb hat meist eine Reduzierung der maximalen Leistung zur Folge: Der Heizwert H u von Erdgas ist kleiner als von Benzin und das Volumen des Erdgases nimmt ca. 0 % des Hubvolumens ein. Liefergrad λ L : Der Liefergrad λ L ist als Verhältnis der tatsächlichen bei einem Arbeitsspiel im Zylinder enthaltene Gemischmenge m G zur geometrisch aufgrund des Hubvolumens V h im Bezugszustand bei 0 C und 0 mbar möglichen m G,h definiert: m G λ L (6.). mg, h Der Liefergrad λ L wird beeinflußt durch: Drosselung beim Ein- und Ausströmen, Steuerzeiten, Arbeitsverfahren, Erwärmung der eintretenden Ladung, Jahreszeit, Höhenlage, Aufladung (λ L bis 4). 9

30 Der Liefergrad λ L ist abhängig von der Drehzahl bzw. von der mittleren Kolbengeschwindigkeit. Maßgeblich hierbei ist der Einlaßschluß ( träge Maße der Luft) und die Saugrohrgestaltung: variable Länge, Schaltventile etc. haben großen Einfluß. Wärmefreisetzung bei einem Arbeitsspiel Bei einem Arbeitsspiel wird in einem Zylinder mit dem Hubvolumen V h die Wärme freigesetzt: mk H u H u Vh λl Q HG Vh λl Vh λl (6.). V G G Spezifisches Gemischvolumen Die Abkürzung G kann als spezifisches Gemischvolumen bezeichnet werden und ist bei Diesel- und Ottomotoren L G st λ (6.4) ρ G und bei Gasmotoren L G st λ + (6.5). ρ G Gleichung für die effektive Leistung von Motoren Die effektive Leistung eines Motors läßt sich somit errechnen: P e η λ H G i L u Vh z f A ηm (6.6). bzw. P p V z f η V p f (6.7). e mi h A m H me A 0

31 6. Kraftstoffe OOmotoren benötigen zündunwillige Kraftstoffe, während DIESELmotoren zündwillige Kraftstoffe brauchen. OOkraftstoffe Beurteilung für flüssige Kraftstoffe: Oktanzahl (OZ) OZ hoch > klopffest Referenzkraftstoffe: n-heptan C 7 H 6 : OZ 0, sehr zündwillig i-oktan C 8 H 8 : OZ 00, sehr zündunwillig Definition: Die Oktanzahl gibt den prozentualen Iso-Oktan-Anteil eines Iso-Oktan-n- Heptan-Gemisches an, das in einem definierten Prüfmotor unter definierten Prüfbedingungen die gleiche Klopfintensität zeigt wie der untersuchte Kraftstoff. Prüfmotoren: im Betrieb verstellbares ε CFR-Motor, BASF-Motor Prüfbedingungen des CFR-Motors ( Zylinder, 4, V H 6 cm ): (ROZ) Research- Methode (MOZ) Motor- Methode Drehzahl in min c m,9 m/s 900 ε ZZP in KW vor O 6(ε 5) 4(ε 0) Gemischvorwärmung keine 49 C Luftvorwärmung 5 C Raumtemperatur ROZ: Research-Oktan-Zahl; MOZ: Motor-Oktan-Zahl Methanzahl (MZ) zur Beurteilung der Klopffestigkeit von gasförmigen Kraftstoffen (Erdgas MZ > 80, Propan MZ 5, Deponiegas MZ > 00) Kraftstoffzusätze zur Erhöhung der Klopffestigkeit flüssiger OOkraftstoffe. Am wirksamsten sind metallorganische Verbindungen. Sie zerfallen bei hohen emperaturen und Drücken während der Verbrennung. Der Metallanteil wirkt dabei als reaktionshemmender Katalysator. Beispiel: Bleitetraethyl Pb(C H 5 ) 4. Bleifreier Kraftstoff: Kohlenwasserstoffverbindungen und Alkohole als klopfmindernde Zusätze DIESELkraftstoffe Beurteilung mit Cetanzahl (CaZ), ein Maß für die Zündwilligkeit Referenzkraftstoffe: n-hexadekan (Cetan) C 6 H 4 : CaZ 00 zündwillig α-methyl-naphtalin C H 0 : CaZ 0 zündunwilig Definition: Die Cetanzahl entspricht dem Anteil von Cetan in einem Cetan- α-methyl- Naphtalin-Gemisch, das denselben Zündverzug aufweist wie der untersuchte Kraftstoff. Prüfmotor: CFR-Motor im DIESELbetrieb (WK) 7 < ε < 8; n 900 min - ; Einspritzbeginn: KW vor O Empirische Näherungsformel für den Zusammenhang zwischen OZ und CaZ: CaZ 60-0,5 MOZ CaZ 00 - ROZ (für ROZ > 80) Zündbeschleuniger: Zusätze (Nitrate, Peroxide) zum DIESELkraftstoff, die die Zündwilligkeit erhöhen, z.b. Äthylnitrat C H 5 NO, Amylnitrat C 5 H NO )

32 7 Leistungskenngrößen, Motorkennfelder, Betriebsverhalten, Leistungserhöhung und Aufladung M0, M0, M0 7. Leistungskenngrößen Die folgenden Leistungskenngrößen sind gebräuchlich: Literleistung: P l P e pme fa (7.). VH ab. 7.: Anhaltswerte für die Literleistung Motor Drehzahl in /min Literleistung in kw/l Langsamlaufender Großdiesel 00,5,0 Mittelschnellaufender Diesel 500 4,5 7,5 Schnellaufender Diesel 000 9,5 5,0 Nutzfahrzeugdiesel 000,0 0,0 PKW-Diesel ,0 60,0 PKW-Otto ,0 75,0 Rennmotor bis etwa bis 50 (Formel : 0,0) Leistungsgewicht (eigentlich eine Leistungsmasse ): m M m G (7.). Pe ab. 7.: Anhaltswerte für das Leistungsgewicht Motor Leistungsgewicht in kg/kw Langsamlaufender Großdiesel 40,0 55,0 Mittelschnellaufender Diesel,0 9,0 Schnellaufender Diesel 5,5,0 Nutzfahrzeugdiesel 4,0 5,0 PKW-Diesel,0 4,0 PKW-Otto,5,0 Rennmotor 0, 0,8

33 Der Verlauf des Drehmomentes in Abhängigkeit der Drehzahl wird maßgeblich von Liefergrad bestimmt. Motoren werden entsprechend ihrer Nenndrehzahl eingeordnet in: Langsamläufer: Mittelschnelläufer: Schnelläufer: Drehzahl bis etwa 00 /min ab etwa 00 bis 000 /min ab 000 /min Anstatt der Drehzahl wird häufig die mittlere Kolbengeschwindigkeit c m s n (7.) verwendet. Die mittlere Kolbengeschwindigkeit stellt eine Kenngröße dar, die einen Vergleich von unterschiedlichen Motorgrößen erlaubt. endenziell nimmt die Lebensdauer von Motoren mit einer Zunahme der mittleren Kolbengeschwindigkeit ab. ab. 7.: Anhaltswerte für die mittlere Kolbengeschwindigkeit c m bei max. Drehzahl Motor c m in m/s Motorradmotoren bis 9,0 Rennmotoren ohne Aufladung bis 5, Rennmotoren mit Aufladung bis,7 PKW-Ottomotoren 9,5 bis 9,8 LKW-Dieselmotoren 9,5 bis 4,0 größere Dieselschnelläufer 7,0 bis,0 Mittelschnelläufer (Diesel) 5, bis 9,5 Langsamläufer (-akt-diesel) 5,7 bis 7,0 Die Motorenauslegung erfolgt häufig so, daß die maximale Leistung nicht bei maximal möglicher Drehzahl erreicht wird, um einen großen Drehzahl-Betriebsbereich zu erhalten.

34 Leistung, Drehmoment Drehmoment Leistung Drehzahl Bild 7. Leistung und Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl (Vollast) Liefergrad 0,95 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,5 5 7,5 0,5 5 7,5 0 mittlere Kolbengeschwindigkeit in m/s Einlaßschluß früh Einlaßschluß spät Bild 7.: Einfluß der Drehzahl und des Einlaßschlusses auf den Liefergrad (Vollast) 4

35 Die Grenze der Mindestdrehzahl ist gegeben im wesentlichen durch die Ungleichförmigkeit des Drehmomentes. Undichtigkeit (Blow-by), Wärmeabfuhr während der Verbrennung, hydrodynamische Schmierung stellen weitere Grenzen dar. Die Grenze der Maximaldrehzahl ist gegeben im wesentlichen durch die Massenkräfte. Hydrodynamische Schmierung, Gemischbildung, Liefergrad stellen weitere Grenzen dar. Die Form der Vollastkurven bei Diesel- und Ottomotoren kann gleich aussehen. Beim Dieselmotor erfolgt zusätzlich eine Begrenzung aufgrund von Rußbildung ( Rauchgrenze ). Die eillast wird beim Dieselmotor durch die Menge an zugeführten Kraftstoff vorgegeben, so daß die eillastkurven einen sehr ähnlichen Verlauf aufweisen, d.h. näherungsweise äquidistant nach unten verschobene Vollastkurven sind. Beim Ottomotor wird die Last durch die Stellung der Drosselklappe (heute meistens noch) vorgegeben, die Drosselwirkung führt bei höheren Drehzahlen zu höheren Verlustleistungen, so daß die eillastkurven mit niedriger Last deutlicher mit der Zunahme der Drehzahl abfallen. Anm.: beim Chiptuning werden Dieselmotoren näher an der (bzw. oberhalb der gesetzlich zulässigen) Rauchgrenze betrieben, die Drehzahlbegrenzung wird zu höheren Drehzahlen verschoben. Bei Benzinmotoren kann ein Betrieb näher an der Klopfgrenze erfolgen, i.d.r. wird hauptsächlich die Drehzahlgrenze angehoben. 7. Motorkennfelder Eingetragen ist in Bild M0 der Schnittpunkt des Verlaufs der maximalen Leistung P e P e,max (dies ist eine Hyperbel) mit der Vollastkurve. Die Leistung P e,max steht demnach nur in einem Betriebspunkt zur Verfügung. Die Form der eingetragenen Fahrleistungskurve ist typisch auch für viele andere Anwendungen, z.b. Betrieb von Pumpen, Generatoren, Kältemittelverdichter. Im allgemeinen kommt es daher zu einem eindeutigen Schnittpunkt der Anlagenkennlinie mit der Leistungskennlinie des Motors. Dieser Betriebszustand ist somit stabil. Eine Drehzahlregelung ist erforderlich, wenn z.b. eine bestimmte Fahrzeuggeschwindigkeit gefordert wird. Die Kurven mit konstantem Kraftstoffverbrauch werden auch als Muscheldiagramm bezeichnet. Drehmoment Vollast 80% Last 60% Last 40% Last 0% Last Drehzahl Bild 7.: Abhängigkeit des Drehmoments von der Drehzahl und der Last beim Dieselmotor 5

36 Drehmoment Vollast 80% Last 60% Last 40% Last 0% Last Drehzahl Bild 7.4: Abhängigkeit des Drehmoments von der Drehzahl und der Last beim Ottomotor 7. Anmerkungen zur Leistungssteigerung von Motoren Die Möglichkeiten können anhand der Leistungsgleichung cm Pe VH pme bzw. s [ ] P e V H H u ηi ηm λl cm G s [ ] (7.4) diskutiert werden: Folgende Kenngrößen sollten große Zahlenwerte annehmen: Kenngröße c m bzw. n M η i V H H u /G η m λ L Anmerkung Grenzen sind zu beachten: Gefahr von Kolbenfressern, Abreißen von Pleuelstangen, Ventilbewegung, Liefergrad etc. Gute Prozeßführung ist notwendig. Rennmotoren weisen meist hohe Gütegrade auf. Hubraum ist durch nichts zu ersetzen! Im Alltagsbetrieb können keine exotischen Kraftstoffe bzw. reiner Sauerstoff anstatt von Verbrennungsluft aus der Umgebung eingesetzt werden. Verbesserungen des mechanischen Wirkungsgrades sind oft schwierig und nur aufwendig zu realisieren. Mehrventilmotoren, kurzhubige Bauweise, durch Aufladung bis etwa λ L 4. 6

37 8 Energiebilanz, Kühlung, Abwärmenutzung (Nutzung der thermischen Energie) B0, B0, B0, B04, B05, B06, B07 Eine Kühlung der Motorbauteile ist erforderlich. Die Wände des Motors müssen auf deutlich niedrigerem emperaturniveau als die Schmelztemperatur der üblichen Werkstoffe liegen (Eisen 00 C, Bronze 900 C, Aluminium 650 C): Vermeidung von Verzunderung Zulässige Schmieröltemperatur <50 C Abnahme von Festigkeitskenngrößen mit Ansteigen der emperatur (insbesondere bei Aluminiumwerkstoffen zu beachten) Liefergradeinbuße infolge Aufheizung der frischen Ladung. Hinweise: Üblich ist die Kühlung mit wasserhaltigem Kühlmittel (bei ungefähr bis 00 C) und Luftkühlung (z.b. Motorradmotoren, Handarbeitgeräten, Flugmotoren). Kolbenkühlung durch Öl wird insbesondere bei hochbelasteten Dieselmotoren angewendet. Bei großen Zweitaktdieselmotoren auch Wasserkühlung der Kolben. Natriumgefüllte Auslaßventile, (t s 97 C, seit etwa 90). Ölkühler können Wärme direkt an die Umgebung abführen, häufig auch indirekt über einen Kühlflüssigkeitswärmeübertrager. Aufgrund der hohen Verbrennungstemperatur ist der Einfluß der emperatur der Abwärme auf den thermischen Wirkungsgrad niedrig. (Im Gegensatz zum Rankine- Prozeß.) Abwärme kann auf einem relativ hohen emperaturniveau für Heizzwecke genutzt werden z.b.: Kraft-Wärmekopplung, Brauchwassererwärmung, thermischer Antrieb von Rankine-Prozessen, thermischer Antrieb von Absorptionskältemaschine. Brennstoffenthalpiestrom 00% Prozeßabwärme indizierte Leistung Reibung, Hilfsantriebe Abwärme Kühlflüssigkeit / Luft % Abwärme Abgas % hermische Strahlung...5% effektive Nutzleistung % Bild 8.: Zur Energiebilanz von Verbrennungsmotoren 7

38 9 Ladungswechsel, Gemischaufbereitung, Zündung, Verbrennungsablauf L0, L0, L0, L04, L05, L06, L07, L08, L09, L0, L, L, L, L4, L5, L6 9. Ladungswechsel Ladungswechsel ist: Austausch der verbrauchten Reaktionspartner gegen frische Ladung Abfuhr von Wärme -aktmotor Bei kleinen Motoren sind kolbengesteuerte Schlitze üblich. Weitere Möglichkeiten sind (verstellbare) Einlaßschieber, Einlaßmembranen, Auslaßventile, Abgasschieber. Werden unsymmetrische Steuerdiagramme gewünscht, d.h. insbesondere eine andere Kolbenstellung zum Einlaßende als zum Einlaßbeginn, damit die Füllung und somit die Leistung hoch ist, kommen zum Einsatz: Auslaßventile, Gegen- bzw. Doppelkolbenmotor, Abgasdrehschieber, variabler Einlaßschieber. 4-aktmotor Kolbengesteuerte Schlitze finden sich heute nur bei Wankelmotoren. Andere (Rotations-) Kolbenmotoren, bei welchen ebenfalls auf Steuerelemente verzichtet werden könnte, haben sich bisher nicht durchgesetzt. Früher wurden teilweise Hülsenschieber und gelegentlich Walzenschieber eingesetzt. Probleme bereiteten die Schmierung und die thermischen Beanspruchungen. Heute werden Pilzventile verwendet, die oberhalb des Zylinders im Zylinderkopf hängen. OHV ( Over Head Valve ) und eine günstige Gestaltung der Brennraumform erlauben. Der Antrieb der Ventile erfolgt meistens mittels Steuerkette oder Zahnriemen. Früher wurden auch Wellen eingesetzt ( Königswellen, z.b. bis in jüngste Zeit bei Ducati) und Schubstangen (NSU). Der Aufbau von Motoren mit Zahnriemen gilt als kostengünstiger. Die Betriebssicherheit ist jedoch aufgrund der relativ zu den anderen metallischen Bauteilen deutlich niedrigeren Lebensdauer häufig nicht zufriedenstellend. Da heute über diesen Antrieb vermehrt weitere Neben- und Hilfsaggregate angetrieben werden, der Wartungsarmut höhere Priorität gegeben wird und die Zahnriemen relativ zu Ketten breiter sind (ergibt längere Motoren), ist ein rend zur Verwendung von Steuerketten feststellbar. Anhaltswerte Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Einlaßkanal beträgt bis etwa 00 0 m/s (bezogen auf mittlere Kolbengeschwindigkeit). Der Einlaßkanal verengt sich bis zum Einlaß in den Zylinder um etwa 0%, um eine stabile ablösungsfreie Strömung zu erhalten. Der maximale Ventilhub beträgt etwa /4 bis / des Kanaldurchmessers im Bereich des Ventilsitzes. Außer der ablösungsfreien Strömungsführung ist die Begrenzung der Massenkräfte sowie die Eigenfrequenz der Ventilfedern hier zu beachten. Beim Öffnen des Auslaßventils herrscht bei Vollast im Zylinder noch ein Druck von 5 0 bar, so daß sich ein überkritisches Druckverhältnis bei den typischen Rauchgastemperaturen von 600 C, Schallgeschwindigkeit des Rauchgases etwa 590 m/s, ergibt. Der Durchmesser der Auslaßventile beträgt etwa % der Einlaßventile, da das Druckgefälle der 8

39 Auslaßventile größer ist. Die Größe der Ventilüberschneidung im O wirkt sich besonders auf die Schadstoffemission aus. 9. Ottomotor Gemischbildung bzw. Gemischaufbereitung eilweise wird heute auch bei Ottomotoren eine Direkteinspritzung verwirklicht, die zu einer Inneren Gemischbildung führt, s. Dieselmotor. Die Einspritzdrücke betragen heute 50 0 bar und zukünftig (ab 006) 00 bar. ypisch (und üblich) ist die Äußere Gemischbildung mittels Vergaser oder Zentraleinspritzung oder Saugrohreinspritzung. Zündung Zündspule und Zündkerze sind erforderlich. Der Spannungsbedarf nimmt prop. mit dem Elektrodenabstand und dem Druck zu. ypische Anhaltswerte: U 5 5 kv, I > 00 A, E mj. Die Zündkerze soll möglichst schnell nach dem Motorstart die Freitemperatur > 400 C erreichen, jedoch soll im Betrieb die emperatur < 900 C betragen, um Glühzündungen zu vermeiden. Es gibt Zündkerzen mit unterschiedlichen Wärmewerten. Üblich bereitet sich die Flamme von der Zündkerze ausgehend mit einer Flammengeschwindigkeit von etwa 0 m/s aus. Bei Ottomotoren sind Selbstzündungen zu vermeiden, da diese vor dem eigentlich festgelegten Zündzeitpunkt beginnen und somit zu zerstörend wirkenden hohen Drücken im Zylinder führen können. Selbstzündungen können Glühzündungen sein, die von heißen eilen (Zündkerze, Auslaßventil aber auch feste Verbrennungsrückstände auf den Brennraumoberflächen) ausgehen. (Ein typisches Phänomen ist das Nachdieseln welches z.b. bei defekten Kraftstoffabschaltventilen beim Abschalten von Vergasermotoren auftreten kann.). Problematischer hinsichtlich Motorschäden ist die klopfende Verbrennung (oder auch Motorklingeln ). Aufgrund hoher emperaturen und Drücke zündet das Gemisch selbsttätig. Durch den Zündfunken der Zündkerze und/oder eventuell auch von Glühzündung ausgelöst kommt es lokal zu einer Verbrennung, die eine Drucksteigerung bewirkt, welche sich im Brennraum mit der Schallgeschwindigkeit von etwa 900 m/s ausbreitet. Diese Drucksteigerung kann nun an anderen Stellen des Brennraums eine Zündung auslösen, so daß die Zündung insgesamt sehr schnell abläuft und zu hohen Drücken im Zylinder führt, während der Kolben sich etwa im O befindet. Die Bauteile werden mechanisch hoch beansprucht. Eventuell macht sich dies auch durch ein klopfendes bzw. klingendes Geräusch bemerkbar. Problematisch ist zudem, daß die Drucksteigerungen Reaktionen bis in die üblichen Strömungsgrenzschichten der Zylinderwände hervorrufen können und den Schmiermittelfilm zerstören. Moderne Motoren besitzen häufig sog. Klopfsensoren. Sie können den Beginn einer klopfenden Verbrennung feststellen, so daß Motoreinstellungen automatisch verändert werden können, um diesen Betriebsbereich zu vermeiden. Maßnahmen zur Verringerung der Selbstzündungsgefahr sind: Verringerung des Verdichtungsverhältnisses: Das Verdichtungsverhältnis ist eine rein geometrisch bestimmte Größe, die bei üblichen Motorenkonstruktionen nicht im Betrieb variierbar ist. Jedoch ist das auf die Drücke bezogene Verdichtungsverhältnis (bzw. der erreichte Verdichtungsenddruck) auch von der Stellung der Drosselklappe bzw. von den heute teilweise variierbaren Steuerzeiten abhängig. Beispielsweise kann eine Begrenzung 9