Kraftfahrzeugantriebe 3.1 Hubkolbenmotoren. Dr.-Ing. Klaus Herzog

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1 Kraftfahrzeugantriebe 3.1 Hubkolbenmotoren Dr.-Ing. Klaus Herzog

2 3 Hubkolbenmotoren Arbeitsverfahren Massenkräfte Motorlagerung Gemischaufbereitung Motorkennfeld Abgaswerte Abgasnachbehandlung

3 Anforderungen an Kfz-Antriebe Leistungsanforderungen von etwa 50 bis 150 kw für Mittelklassefahrzeuge Geringes Gewicht und Bauvolumen Guter Wirkungsgrad Niedrige Abgasemissionen Gute Regelbarkeit, komfortable Bedienung Geringe Vibrationen und Geräuschemissionen Geringe Kosten

4 Verbrennungsmotor zwei obenliegende Nockenwellen vier Ventiele pro Zylinder

5 3.1 Arbeitsverfahren 2-Takt Otto-Verfahren 4-Takt Otto- Verfahren 2-Takt Diesel-Verfahren 4-Takt Diesel-Verfahren

6 4-Takt-Verfahren Quelle: Pischinger

7 2-Takt-Verfahren Quelle: Pischinger

8 Effektive Leistung Effektive Leistung P e = p me V H n i p me = effektiver Mitteldruck V H = Hubvolumen n = Drehzahl i = 0,5 Viertakter, 1 Zweitakter

9 Größenordnung effektiver Mitteldrücke Effektiver Mitteldruck in bar Motorradmotoren bis 13 Pkw-Ottomotoren ohne Aufladung Lkw-Dieselmotoren mit Aufladung 7,9 bis Größere Dieselschnellläufer 6-22 Mittelschnellläufer (Diesel) Kreuzkopfmotoren (2-Takt- Diesel) 9 15,4

10 3.2 Massenkräfte (Wiederholung aus der Vorlesung Kolbenmaschinen) Kinematik eines Hubkolbenmotors Hubfunktion Kolbengeschwindigkeit und Kolbenbeschleunigung Massenkräfte erster und zweiter Ordnung Massenkraftausgleich an Mehrzylindermotoren

11 Kinematik des Hubkolbenmotors Quelle: Pischinger

12 Übungsaufgabe Leiten Sie eine Funktion für den Kolbenhub s α in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α her.

13 Hubfunktion s α ( α) = r 1 λ ( ) ( ) 2 1 cos( α) λ sin ( α) = r f( α) s 2 s Mit Hilfe einer Fourier-Reihenentwicklung und Abbruch nach dem zweiten Glied ergibt sich: λ α ( α) r )) 4 ( 1 cos( α) ) + (1 cos(2α s s

14 Kolbengeschwindigkeit Die Kolbengeschwindigkeit ergibt sich aus der Ableitung des Kolbenweges nach der Zeit: s& α ( α) = ds dt α ds dt = α dα dα ds dα = α ω = s α ω λ s& α ( α) r ω sin( α) + s sin(2α) 2

15 Kolbenbeschleunigung Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ergibt sich für die Kolbenbeschleunigung folgender Zusammenhang: & s α ( α) = d 2 sα 2 dt 2 d s 2 = α ω 2 2 = s α ω dα && s α ( α) = r ω 2 [ cos( α) + λ cos(2α) ] s

16 Ersatzsystem für die Massenwirkung beim Kurbeltrieb Quelle: Pischinger

17 Massenkräfte Die rotierende Massenkraft kann durch ein Gegengewicht vollkommen ausgeglichen werden. Für die oszillierenden Massenkraft F M ergibt sich unter der Voraussetzung einer gleichförmigen Drehung folgender Zusammenhang: F M = m & s h α m h r ω 2 cos( α) + λ s m h r ω 2 cos(2α) Massenkraft 1.Ordnung = F cos( ) F1 01 α Massenkraft 2.Ordnung = F cos(2 ) F2 02 α

18 Oszillierende Massenkräfte eines nicht versetzten Kurbeltriebs Ordnung der Massenkraft 2. Ordnung der Massenkraft Summe aus 1. und 2. Ordnung 200 Kraft Kurbelwinkel in Grad

19 Übungsaufgabe Berechnen Sie die Massenkräfte erster und zweiter Ordnung eines Einzylindermotors bei 2000 U/min, 4000 U/min und 8000 U/min. Die oszillierende Ersatzmasse des Systems beträgt 150g und das Schubstangenverhältnis hat einen Wert von 0,25. Der Motor hat einen Hub von 30 mm.

20 Kräfte und Momente an Mehrzylindermotoren Quelle: Pischinger

21 Vektordarstellung für oszillierenden Massenkräfte Quelle: Pischinger

22 Grafische Ermittlung der Massenkräfte bei Reihenmotoren Durch die parallele Zylinderanordnung ist die Ermittlung der Massenkräfte vereinfacht Es genügt die gleichsinnig umlaufenden Vektoren F +1k, F +2k der einzelnen Zylinder zu betrachten Die Projektion auf die Zylinderrichtung entspricht der halben momentanen Massenkraft Die Summe aller Vektoren jeder Ordnung ergeben die Massenkräfte der jeweiligen Ordnungen

23 Massenkräfte und Momente an einem 3-Zylinder-Reihenmotor Zylinderrichtung x 1 Zylinderanordnung x 2 3 x Kräfte 1. Ordnung ω 2. Ordnung y Kräfte und Momente F +11 F +12 F +13 y x F +21 2ω F +23 F +22 y 2 3 a a z F +1 = 0 F +2 = 0 Momente 1. Ordnung x 2. Ordnung x ω M +13 M +1 M -2 2ω M +21 y M +11 = a F +11 y 2ω M 1 =2 M +1 = e3 a F 01 (hin- und hergehend) M -1 ω M +23 M +2 (hin- und hergehend)

24 Kurbeltrieb Reihendreizylinder Ford 1,0 l Ecoboost Quelle: MTZ 05/2012 Gegengewichte Gewichte zur Reduzierung des Massenmomentes der ersten Ordnung (Hier wird ein umlaufendes Moment erzeugt. Zum kompletten Ausgleich des oszillierenden Massenmomente der ersten Ordnung wäre eine zweite Welle erforderlich.)

25 Übungsaufgabe Ermitteln Sie grafisch die Massenkräfte und Massenmomente erster und zweiter Ordnung für einen 4-Zylinder-4-Takt-Reihenmotor.

26 Grafische Ermittlung der Massenkräfte für Motoren mit nicht parallelen Zylindern Vollständige Vektorzerlegung ist erforderlich Die im selben Drehsinn umlaufenden Vektoren gleicher Ordnung können zusammengefasst werden Zueinander im Gegensinn rotierende Vektoren gleicher Größe ergeben eine hin- und hergehende resultierende Kraft Gleichsinnig rotierende Vektoren ergeben eine umlaufende Kraft

27 Massenkräfte und Massenmoment bei einem 2-Zylinder 90º -V-Motor Zylinderanordnung Kräfte und Momente x Kräfte 1. Ordnung F +11 F +12 ω 2. Ordnung ω 2ω F +22 x F +21 2ω 90 y ω F -11 F -12 y F -22 y α 1 x α a x 2 z 2ω 2ω nf 1 = 2 F +11 = F 01 nf 2 = 2 F +21 e2 = F 02 e2 (rotierend) (hin- und hergehend) Momente 1. Ordnung x 2. Ordnung x ω 2ω 2ω M -11 M -12 M -22 ω M -21 M +11 F -21 y M +12 ω y nm 1 = 2 F +11 a/2 = 1/2 F 01 a (rotierend) 2ω M +22 M +21 2ω nm 2 = F +21 a e2 = 1/2 F 02 ae2 (hin- und hergehend)

28 Resultierende Massenkräfte und Momente bei Hubkolbenmotoren Quelle: Pischinger

29 3.3 Motorlagerung Anforderungen an die Motorlagerung Drei- und Vierpunkt Motorlagerung Schwingungsisolation Gummilager Hydrolager

30 Anforderungen an die Motorlagerung Aufnahme von Motorreaktionskräften Schwingungsisolierung Eigenfrequenzen der Motorlagerung dürfen nicht mit anderen Eigenfrequenzen zusammenfallen (Modal Alignment) Bauraumanforderungen (Package) Motoranordnung muss so gewählt sein, dass genügend Bauraum für Radaufhängung, Lenkung, Ansaugsystem, Abgaskrümmer vorhanden bleibt.

31 Antriebsstranganordnungen und Reaktionskräfte

32 Vergleich der Reaktionsmomente von Front- und Heckantrieb

33 Herkömmliche 3-Punkt Motorlagerung

34 Dreipunkt-Motorlagerung nach dem Torque Roll Axis -Konzept Quelle: Ford

35 Momentenrollachse (Torque Roll Axis) Rückansicht Draufsicht

36 Vierpunkt-Motorlagerung Quelle: Ford

37 Vor- und Nachteile der herkömmlichen 3- Punkt Motorlagerung Vorteile wenig Bauraumbedarf Kostengünstig Nachteile Alle Lager müssen sowohl Kräfte als auch Momente aufnehmen Schwingungsverhalten lässt sich schlecht abstimmen

38 Vor- und Nachteile der 4-Punkt TRA- Lagerung ( Torque Roll Axis -Konzept) Vorteile klare Aufgabenverteilung der Lager Schwingungsverhalten ist gut abstimmbar Niedrige Lagerkräfte Nachteile Empfindlich hinsichtlich Einbautoleranzen Höheres Gewicht Höhere Kosten

39 Vor- und Nachteile der 3-Punkt TRA- Lagerung ( Torque Roll Axis -Konzept) Vorteile klare Aufgabenverteilung der Lager Schwingungsverhalten ist gut abstimmbar Robust hinsichtlich Einbauteleranzen Nachteile hohe Lagerkräfte

40 Ersatzsystem Motorlagerung F M = Fˆ cos( Ω t) Motor m M z M c l k l Karosserie F b

41 Beschreibung der Motorlagerung als Einmassenschwinger m M && z M + k l z& M Kennkreisfrequenz + c ω 0 l z = M c m = l M Fˆ cos( Ω t) Abklingkonstante δ = kl 2 m M Dämpfungsmaß D = ω δ 0 Eigenkreisfrequenz des gedämpften Systems ω d = ω 0 1 D 2

42 Übertragungsfunktion eines Motorlagers Übertragungsfunktion Karosseriekräfte/Motorkräfte Dämpfungsmaß D =.87 Dämpfungsmaß D = Frequenz in Hz

43 Übungsaufgabe Gegeben ist in 4-Zylinder Reihenmotor mit einem Hub von 81,4 mm und einer translatorisch bewegten Masse von 401g pro Zylinder. Das Schubstangenverhältnis beträgt 0,25. Bestimmen Sie mit Hilfe der dargestellten Übertragungsfunktion der Motorlagerung die Amplitude der in die Karosserie eingeleiteten Massenkräfte für eine Drehzahl von 1500 U/min Übertragungsfunktion Karosseriekräfte/Motorkräfte Frequenz in Hz

44 Motorlager Kissenlager Keillager Buchsenlager Hydrolager Quelle: Ford

45 Hydrolager 1 Gummi-Tragkörper 2 Gummimembrane 3 Gummibalg Quelle: Ford

46 Kennlinie eines Hydrolagers Dynamische Steifigkeit Dämpfungswinkel Quelle: Ford

47 Hydrolager Quelle: Freudenberg

48 Stuckern (Engine Shake) Mit dem Begriff Stuckern wird die Eigenschwingung des Motors in seiner Lagerung bezeichnet Stuckern wird durch Fahrbahnunebenheiten angeregt Stuckern tritt im Frequenzbereich von etwa 5 Hz bis 15 Hz auf Mit Hilfe hydraulisch gedämpfter Lager kann die Stuckerneigung verringert werden

49 Eigenfrequenzen der Motorlagerung keine Eigenfrequenz der Motorlagerung darf mit anderen Eigenfrequenzen des Fahrzeugs zusammenfallen Insbesondere darf die Eigenfrequenz nicht mit der Radoder Antriebsstrangeigenfrequenz zusammenfallen Üblicherweise liegt die Eigenfrequenz unterhalb der Radund oberhalb der Antriebsstrangeigenfrequenz (5-15Hz) Die Leerlaufdrehzahl sollte nicht im Bereich der strukturellen Eigenfrequenz der Karosserie liegen

50 3.4 Gemischaufbereitung und Motorsteuerung Motorsteuerung Kraftstoffversorgung Luftmassenmessung Kurbelwellenpositionsbestimmung Lambdamessung

51 Gemischaufbereitung Saugrohreinspritzung Quelle: Bosch

52 Schema Saugrohreinspritzung Spannung Zeit Druckregler Einspritzventil Luft Ansaugrohr Kraftstoffpumpe Tank

53 Gemischaufbereitung Benzin- Direkteinspritzung Quelle: VW

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

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

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

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

58 Kraftstoffversorgung einer Saugrohreinspritzung Quelle: Bosch

59 Einspritzventile Quelle: Bosch

60 Kraftstoff-Rail Quelle: Bosch

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

62 Motorsteuerung eines Motorradmotors Quelle: MV Agusta

63 Motorsteuerung für eine Saugrohreinspritzung Quelle: Bosch

64 Motorsteuerung für eine Kombination aus Saugrohr und Direkteinspritzung Quelle: Conti

65 Kraftstoffpumpe in einer Testeinrichtung

66 Hitzdraht-Luftmassenmesser Quelle: Bosch

67 Heißfilm-Luftmassenmesser Quelle: Bosch

68 Aufbau eines Heißfilm- Luftmassenmessers Quelle: Bosch

69 Kennlinie eines Heißfilm- Luftmassenmessers Quelle: Bosch

70 Kurbelwellenpositionserfassung Quelle: Bosch

71 Kurbel- und Nockenwellensensor Quelle: Bosch

72 Aufbau einer Lambdasonde (Sprungsonde) Quelle: NTK

73 Funktionsprinzip einer Lambdasonde (Sprungsonde) Quelle: NTK

74 Aufbau und Signal einer Lambdasonde (Sprungsonde) Quelle: Bosch

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

76 Zündkennfeld eines 2,5l Turbomotors

77 Einspritzkennfeld eines 1,0l Motorrad- Saugmotors

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

79 3.5 Motorkennfeld Volllastlinie Linien konstanten Verbrauchs Linien konstanter Leistung Bestimmung des Streckenverbrauchs

80 Motorkennfeld Beispielkennfeld eines 2l-Ottomotors 200 Spez. Kraftstoffverbrauch in g/kwh Moment in Nm kw Drehzahl in U/min

81 Übungsaufgabe Zeichnen Sie die Linien konstanter Leistung von 10 und 18 kw in das folgende Motorkennfeld ein. Wie hoch ist der spezifische Kraftstoffverbrauch bei 3000 U/min und 6000 U/min bei einer Leistung von 18 kw. Welche Wirkungsgrade ergeben sich in diesen Betriebspunkten (Heizwert des Kraftstoffes: kj/kg).

82 Kraftstoffverbrauch zeitlicher Kraftstoffverbrauch B Z = be P ρ K e b e = spezifische Kraftstoffverbrauch ρ K = Kraftstoffdichte streckenbezogener Kraftstoffverbrauch B S B = v Z F = b ρ e K P v e F

83 Übungsaufgabe Berechnen Sie den Streckenverbrauch bei Konstantfahrt in der Ebene für 90 km/h und 120 km/h. Wie hoch sind die effektiven Mitteldrücke bei diesen Zuständen. Wirkungsgradverluste im Antriebsstrang können vernachlässigt werden. Fahrzeugmasse Rollwiderstandsbeiwert Luftwiderstandsbeiwert m F = 1200 kg f R = 0,015 c w = 0,35 projizierte Fahrzeugfläche A = 2,15 m 2 Dynamischer Rollradius Achsübersetzung r dyn = 0,315 m i sek = 3,60 Übersetzungen 1. bis 6. Gang 2,90; 2,33; 1,83; 1,50; 1,27; 1,14

84 3.6 Abgasverhalten Abgasverhalten von Ottomotoren ohne Katalysator Abgasverhalten von Ottomotoren mit Katalysator Abgasverhalten von Dieselmotoren Abgasnachbehandlung

85 Schadstoffemissionen beim Ottomotor ohne Abgasnachbehandlung

86 Drei-Wege-Katalysator

87 Schadstoffemissionen beim Ottomotor mit Katalysator

88 Auswahl einiger wichtiger im 3-Wege- Katalysator stattfindender Reaktionen 2 CO + O 2 2 CO 2 2 NO + 2CO 2CO 2 + N 2 y 2 CxHy + (2x + ) O2 y H2O + 2 2x CO 2

89 Schadstoffemissionen eines direkteinspritzenden Dieselmotors

90 Emissionsgrenzwerte für Diesel-Pkw und leichte Nutzfahrzeuge in Europa

91 Abgasanlage für ein Dieselfahrzeug bestehend aus Oxidationskatalysator, Partikelfilter und NO x - Speicherkatalysator zur Reduktion von Stickoxiden Quelle: Bosch

92 Selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden durch Harnstoffeinspritzung ins Abgassystem Einspritzung einer 32,5%igen wässrigen Harnstofflösung (Handelsname: AdBlue) Zunächst entsteht durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak ( NH ) CO NH + HNCO HNCO + H O NH + CO 2 3 Im SCR-Katalysator werden mit Hilfe des Ammoniaks die Stickoxide reduziert 4NH3 + 4NO + O2 4N2 + 6H2O 2NH3 + NO + NO2 2N2 + 3H2O 8NH3 + 6NO2 7N2 + 12H2O 2

93 Harnstoffeinspritzung zur Reduktion von Stickoxiden bei Dieselmotoren Quelle: Audi

94 Abgasanalge mit Harnstoffeinspritzung eines modernen Dieselfahrzeugs Quelle: Audi

95 Entwicklungstrends zur Wirkungsgradoptimierung von Verbrennungsmotoren Benzindirekteinspritzung beim Ottomotor (Schichtladung) Höhere Einspritzdrücke und Mehrfacheinspritzung bei Dieselmotoren Downsizing Motoren mit weniger Hubraum, aber dafür Aufladung Variable Steuerzeiten, variabler Ventilhub