Analyse ausgeführter Motoren

Transkript

1 Analyse ausgeführter Motoren Methodik Ergebnisse

2 Methodik Der innere oder indizierte Wirkungsgrad des wirklichen Motors i berechnet sich aus: Wi i Q B W i p dv Q B...während eines Arbeitsspieles abgegebene innere Arbeit (Bestimmung aus einer Zylinderdruckindizierung)...zugeführte Brennstoffwärme Als Maß für die Annäherung an das Ideal gilt der Gütegrad g nach DIN 1940 : g i v Innerer Wirkungsgrad Wirkungsgrad des vollkommenen Motors Der Gütegrad umfasst alle Verluste, die der wirkliche Arbeitsprozess gegenüber dem vollkommenen Motor aufweist. Relevantes Maß zur Quantifizierung der Güte eines Motorprozesses relativ zum Idealprozess.

3 Methodik Darstellung als Aufteilung der Verluste in eine additive Kette von Einzelverlusten: i v Δ g Δ g Δ rl Δ uv Δ rv Δ Ww Δ Leck Δ Ü Δ LW Δ m Symbol Bezeichnung Beschreibung rl Verlust durch reale Ladung Verlust durch den Einfluss des Ladungszustandes uv Umsetzungsverlust Verlust durch unvollkommene Verbrennung rv Verbrennungsverlust Verlust durch realen Verbrennungsablauf Ww Wandwärmeverlust Verlust Wärmeübergang an Brennraumwände Leck Leckageverlust Verlust durch Leckage Ü Überströmverlust Verlust durch Überströmen zw. Haupt- und Nebenbrennraum bei Kammermotoren LW Ladungswechselverlust Verlust durch realen Ladungswechsel m Mechanische Verluste Verlust durch mechanische Reibung

4 Methodik Beispiel Verlustteilung: Wirkungsgrade und Verluste für einen PKW-Ottomotor (n = 3000 U/min, p e = 5 bar)

5 H 2 -DI Versuchsträger Bore Stroke 86 mm 86 mm Swept volume cm 3 Compression ratio var., presently 10.5:1 Max. speed 6000 rpm DI-Injektor Max. cylinder pressure 100 bar Number of valves 4 Valve actuation DOHC, toothed belt Mass compensation Valve timing: - Inlet - Outlet Max. valve lift Lubrication Cylinder liners Dry weight First order 268 / / mm / 9.5 mm Dry sump Wet Approx. 260 kg

6 Analysis of relevant operation points n=2.000 RPM IMEP=6 bar Efficiency / losses [%] Gasoline H 2 -PI H 2 -DI (SOI=120) η ICS η IC η RC η WH η GE ηi / ηi HD H 2 -DI (SOI=40) Diesel Gen. 1

7 Simulation of mixture formation Early injection Late injection Ignition Timing (12 CA BTDC) Ignition Timing (TDC) <0.5 =1 >10.5 Lambda-value near spark plug at ignition timing: 1.32 Lambda- value near spark plug at ignition timing: 0.66

8 Investigations concerning heat transfer Heat transfer coefficient [W/m 2 K] n=2.000 RPM IMEP=6 bar SOI=120 CA BTDC SOI=80 CA BTDC SOI=40 CA BTDC Crank angle [ CA]

9 Analysis of relevant operation points n=2.000 RPM IMEP=6 bar Efficiency / losses [%] Gasoline H 2 -PI H 2 -DI (SOI=120) η ICS η IC η RC η WH η GE ηi / ηi HD H 2 -DI (SOI=40) H 2 -DI (SOI=65) Diesel Gen. 1 Gen. 2

10 Potential concerning efficiency Indicated efficiency ihp [%] n=2.000 RPM IMEP=6 bar Wall heat losses - 35% - 25% - 10% Current Config. + 10% + 25% Compression ratio [-]

11 1. Grundlagen der Verbrennung Alternative Verbrennungsverfahren Nadelhub [mm] Diesel HCCI HCLI HPLI DCCS Brennrate [J/ KW] Kurbelwinkel [ KW]

12 1. Grundlagen der Verbrennung Alternative Verbrennungsverfahren Wirkungsgrade, Verluste % Theoretischer Wirkungsgrad: 56,65% 50,91% 56,59% 58,42% 62,58% 0,25% 2,03% 1,50% 6,80% 2,45% 1,00% 3,93% 4,73% 4,15% 9,82% 2,29% 8,94% 6,14% 8,50% 10,87% 42,35% 41,48% 40,01% 43,25% 44,66% Benzin DGI strahlgeführt = 11,7 V H = 0,5 dm 3 n = 2000 min -1 p i = 3 bar Benzin HCCI = 11,1 Diesel HCCI = 13,0 Verluste durch Unverbranntes Verluste durch reale Verbrennung Wandwärmeverluste Ind. Wirkungsgrad (HD) Diesel HCLI = 14,0 Diesel konv. = 17,4

13 4-Takt Ottomotor (PKW-Ottomotor) mit SRE Technische Daten Zylinderzahl z [-] 4 R Bohrung d [mm] 88,0 Hub h [mm] 80,6 Hubraum / Zylinder V h [cm 3 ] 449 Verdichtungsverhältnis [-] 10,0 Leistung / Drehzahl P e / n [kw/min -1 ] 74 / 4800 Mitteldruck / Drehzahl p e / n [bar/min -1 ] 10,6 / 3000 Serien-Viertakt-Ottomotor mit Saugrohreinspritzung und vier Ventilen Typischer Vertreter für PKW-Antrieb Anzahl Ventile n V ein/aus [-] 2 / 2 Einlass öffnet EÖ [ KW v OT] 8 Einlass schließt ES [ KW n UT] 44 / 48 Auslass öffnet AÖ [ KW v UT] 44 Auslass schließt AS [ KW n OT] 8 / 12

14 Analyse - Viertakt Ottomotor Drücke und Temperaturen Die Zylinderdruckverläufe weisen im Verdichtungstakt entsprechend der Drosselung mit sinkender Last ein niedrigeres Niveau auf Mit der Last zunehmende Druckanstiege während der Verbrennung. Lastabhängigkeit der Zylindertemperaturverläufe ist gering, diese werden vor allem durch das Luftverhältnis bestimmt, was beim konventionell betriebenen Ottomotor immer um den stöchiometrischen Wert liegt Einsatz eines Dreiwegkatalysators, damit keine Kompromisse hinsichtlich der Emissionen bezüglich des ZZP (insbesondere von Stickoxiden)

15 Analyse - Viertakt Ottomotor Verbrennung Die Verbrennungsgeschwindigkeit ist durch die Turbulenz und den Restgasgehalt bestimmt und steigt wie für Ottomotoren typisch mit zunehmender Last.

16 Analyse - Viertakt Ottomotor Verlustanalyse Der Wirkungsgrad des vollkommenen Motors mit realer Ladung ist relativ niedrig, weil: niedriges Verdichtungsverhältnis (Klopfgefahr) stöchiometrisches Luftverhältnis Geringe Verluste durch unvollkommene Verbrennung, realen Verbrennungsablauf und Wandwärme (ändern sich mit der Last wenig) Große Anteil der Ladungswechselverluste infolge der Drosselung bei niedriger Last. Mechanische Verluste bei niedriger Last am größten.

17 Ergebnisse 4-Takt Ottomotor mit direkter Benzineinspritzung (PKW- Ottomotor) Technische Daten Zylinderzahl z [-] R 4 Bohrung d [mm] 86,0 Hub h [mm] 86,0 Vierzylinder-PKW-Ottomotor mit Saugrohreinspritzung, umgebaut auf direkte Benzineinspritzung Hubraum / Zylinder V h [cm 3 ] 499 Verdichtungsverhältnis [-] 11,2 Leistung / Drehzahl P e / n [kw/min -1 ] 100 / 5500 Mitteldruck / Drehzahl p e / n [bar/min -1 ] 11,8 / 3500 Anzahl Ventile n V ein/aus [-] 2 / 2 Einlass öffnet EÖ [ KW v OT] 20 Einlass schließt ES [ KW n UT] 60 Auslass öffnet AÖ [ KW v UT] 50 Auslass schließt AS [ KW n OT] 20

18 4-Takt Ottomotor mit direkter Benzineinspritzung Homogener Betrieb Betrieb wie ein konventioneller Ottomotor mit stöchiometrischem Luftverhältnis Lastregelung über die Drosselung der Luftzufuhr Die für stöchiometrischen Betrieb nötige Benzinmenge wird während des Ansaugtakts direkt in den Zylinder eingespritzt. Gegenüber dem konventionell betriebenen Ottomotor kann die Verdichtung etwas angehoben werden Direkte Benzineinspritzung ergibt wegen der Innenkühlwirkung gegenüber der Saugrohreinspritzung einen etwas besseren Liefergrad. Der Motor unterscheidet sich im homogenen Betrieb nicht wesentlich von einem konventionellen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung. Im Bereich hoher Last wird der Motor ausschließlich homogen betrieben

19 4-Takt Ottomotor mit direkter Benzineinspritzung Geschichteter Betrieb oder geschichteter Betrieb mit AGR (Teillastbereich) Motor saugt nahezu ungedrosselt Luft (und rückgeführtes Abgas) an Benötigter Brennstoff wird während der Kompression direkt in den Zylinder eingespritzt. Lastregelung erfolgt somit über die eingespritzte Kraftstoffmenge bei annähernd konstanter angesaugter Ladungsmenge, wodurch das Luftverhältnis in der Teillast ansteigt. Deutliche Wirkungsgradvorteile, bringt für die Nachbehandlung der Abgase allerdings den Nachteil, dass kein Dreiwegekatalysator mehr eingesetzt werden kann. Um trotz des hohen Luftverhältnisses zündfähiges Gemisch an der Zündkerze vorliegen zu haben, muss die Ladung entsprechend geschichtet sein. Gezielte Ladungsbewegung, wobei der eingespritzte Kraftstoff durch eine Mulde im Kolben zur Kerze umgelenkt wird (wandgeführtes Verfahren).

20 Analyse 4-Takt Ottomotor mit direkter Einspritzung Drücke und Temperaturen ODE n p e [min -1 ] [bar] [ ] hom ,0 1,03 gesch ,0 3,25 AGR ,0 1,89 Betriebspunkt bei einer Drehzahl von 2000 min -1 und einem effektiven Mitteldruck von 2 bar Die Zylinderdruckverläufe zeigen das infolge der Drosselung niedrigere Druckniveau im homogenen Betriebszustand. Die Zylindertemperatur während der Verbrennung ist aufgrund des stöchiometrischen Luftverhältnisses im homogenen Betrieb mit Abstand am höchsten.

21 Analyse 4-Takt Ottomotor mit direkter Einspritzung Verbrennungsanalyse Deutliche Unterschiede der drei Betriebszustände zu erkennen Das wandgeführte Verbrennungsverfahren im geschichteten Betrieb erfordert eine sehr frühe Verbrennung, Schwerpunkt wie maximaler Energieumsatz vor dem oberen Totpunkt Diese thermodynamisch ungünstige frühe Verbrennung wird durch die Rückführung von Abgas verzögert und in einen günstigeren Kurbelwinkelbereich verschoben.

22 Analyse - Viertakt Ottomotor mit direkter Einspritzung Verlustanalyse Die Unterschiede in den drei Betriebszuständen kommen in den Verlustteilungen deutlich zum Ausdruck. Im geschichteten Betrieb kann von einem hohen Wirkungsgrad des vollkommenen Motors ausgegangen werden, der vor allem im höheren Luftverhältnis begründet liegt. Verluste durch unvollkommene Verbrennung sind im geschichteten Betrieb merklich höher. Verbesserungspotenzial bei der wandgeführten Verbrennung Die Ladungswechselverluste sind im geschichteten Betrieb wesentlich niedriger. Bei den mechanischen Verlusten ist im geschichteten Betrieb eine Zunahme zu verzeichnen.

23 Analyse - Viertakt Ottomotor mit direkter Einspritzung Wandwärmeverlauf und Wirkungsgradverluste Verluste durch Wandwärme im geschichteten Betrieb nehmen gegenüber dem homogenen Betrieb zu Absolut übergehende Wandwärmen nehmen infolge des niedrigeren Niveaus der Zylindertemperaturen im geschichteten Betrieb jedoch deutlich ab. Nicht Energien, sondern Arbeitsdifferenzen bezogen auf die eingebrachte Brennstoffenergie werden betrachtet Neben den Absolutwerten der Wandwärme spielt auch deren Kurbelwinkellage eine Rolle.

24 Ergebnisse Dieselmotor mit direkter Einspritzung und Turboaufladung (PKW- Dieselmotor) Technische Daten Zylinderzahl z [-] V 6 Bohrung d [mm] 78,3 Hub h [mm] 86,4 Hubraum / Zylinder V h [cm 3 ] 416 Verdichtungsverhältnis [-] 20,5 Leistung / Drehzahl P e / n [kw/min -1 ] 110 / 4200 Mitteldruck / Drehzahl p e / n [bar/min -1 ] 15,0 / 2000 Sechszylinder-Serienmotor mit einem Gesamthubvolumen von 2,5 l mit: direkter Kraftstoffeinspritzung Abgasturboaufladung Ladeluftkühlung Abgasrückführung Anzahl Ventile n V ein/aus [-] 2 / 2 Einlass öffnet EÖ [ KW v OT] 10 Einlass schließt ES [ KW n UT] 40 Auslass öffnet AÖ [ KW v UT] 55 Auslass schließt AS [ KW n OT] 22

25 Analyse DI-Dieselmotor mit ATL (PKW) Drücke und Temperaturen Die Druckverläufe zeigen eine Zunahme des Kompressionsdrucks mit der Last entsprechend dem steigenden Ladedruck. Hoher Spitzendruck von 150 bar. Dieser resultiert aus dem Verdichtungsverhältnis und dem hohen Mitteldruck. Hoher Aufladegrad für den entsprechenden Luftüberschuss ( = 1,6) erforderlich, um Verbrennung bei niedriger Rußemission zu realisieren Die Zylindertemperaturen weisen wegen der Ladeluftkühlung in der Kompression gleiches Niveau auf Die Spitzentemperaturen steigen entsprechend dem sinkenden Luftverhältnis mit der Last.

26 Analyse DI-Dieselmotor mit ATL (PKW) Verbrennungsanalyse Der Beginn der Einspritzung bzw. Verbrennung wird normalerweise vom Stickoxidniveau und vom Verbrennungsgeräusch bestimmt. Die hier angegebenen Betriebspunkte sind nicht einer bestimmten Abgasgesetzgebung zuzuordnen, sondern zeigen prinzipielle Zusammenhänge. Dies bedingt die angegebenen hohen Stickoxidemissionen. Der besonders hohe spezifische Wert im Leerlauf ist auf die geringe Motorleistung zurückzuführen

27 Analyse DI-Dieselmotor mit ATL (PKW) Verlustanalyse sehr hohen Wirkungsgrad des vollkommenen Motors wegen des hohen Verdichtungs- und Luftverhältnisses Die Verluste durch unvollkommene Verbrennung sind niedrig, die Verluste durch realen Verbrennungsablauf dagegen hoch. Verbrennung kann wegen der Geräusch- und Stickoxidemissionen nicht beliebig früh gelegt werden Verzögerung der Verbrennung ist kaum zu vermeiden Verluste durch den Wärmeübergang über dem ganzen Lastbereich relativ hoch (hohes Temperatur- und Druckniveau). Beträchtliche Ladungswechselverluste trotz der drosselfreien Lastregelung (Verluste des Turboladers) Hohe mechanische Verluste beim Dieselmotor

28 Ergebnisse Dieselmotor mit direkter Einspritzung und Turboaufladung (LKW- Dieselmotor) Technische Daten Zylinderzahl z [-] R 6 Bohrung d [mm] 127 Hub h [mm] 140 Hubraum / Zylinder V h [cm 3 ] Verdichtungsverhältnis [-] 18 Leistung / Drehzahl P e / n [kw/min -1 ] 250 / 1900 Mitteldruck / Drehzahl p e / n [bar/min -1 ] 23,0 / 1600 Sechszylinder-LKW-Reihen- Serienmotor mit einem Gesamthubvolumen von 10,6 l mit: direkter Kraftstoffeinspritzung Abgasturboaufladung Ladeluftkühlung Anzahl Ventile n V ein/aus [-] 2 / 2 Einlass öffnet EÖ [ KW v OT] 20 Einlass schließt ES [ KW n UT] 30 Auslass öffnet AÖ [ KW v UT] 40 Auslass schließt AS [ KW n OT] 30

29 Analyse DI-Dieselmotor mit ATL (LKW) Drücke und Temperaturen Bereich mittlerer und höherer Last ist ausschlaggebend für das Verbrauchsverhalten im praktischen Betrieb eines Nutzfahrzeugs. je nach Motorabstimmung hohe Spitzendrücke bis 180 bar. Die Druckverläufe zeigen wegen des steigenden Aufladegrads mit zunehmender Last bereits in der Kompression deutliche Niveauunterschiede. Infolge der Ladeluftkühlung ist die Lastabhängigkeit der örtlich mittleren Zylindertemperatur während der Kompression gering. Die Spitzentemperaturen werden vom Luftverhältnis bestimmt.

30 Analyse DI-Dieselmotor mit ATL (LKW) Verbrennungsanalyse Der Beginn der Einspritzung bzw. Verbrennung wird auch beim LKW- Dieselmotor wesentlich von der Stickoxidemission bestimmt. Darstellung prinzipieller Zusammenhänge bei gleichem Brennbeginn Die Verbrennungsdauer nimmt mit steigender Last zu. Stickoxidemissionen steigen mit sinkenden Last stark an.

31 Analyse DI-Dieselmotor mit ATL (LKW) Verlustanalyse Verluste durch realen Brennverlauf steigen mit der Last an Die Wandwärmeverluste und insbesondere die Reibungsverluste sind bei niedrigen Lasten anteilsmäßig größer.

32 Großmotoren Technische Daten Großgas-Ottomotor Großdieselmotor 4-Takt Großdieselmotor 2-Takt Zylinderzahl z [-] V 16 R 9 R 8 Bohrung d [mm] Hub h [mm] Hubraum / Zylinder V h [cm 3 ] Verdichtungsverhältnis [-] 11,0 14,5 18,0 Leistung / Drehzahl P e / n [kw/min -1 ] 2240 / / / 105 Mitteldruck / Drehzahl p e / n [bar/min -1 ] 18,0 / ,2 / ,0 / 105 Anzahl Ventile n V ein/aus [-] 2 / 2 2 / 2 Schlitz / 1 Einlass öffnet EÖ [ KW v OT] 1 40 [ KW v UT] 48 Einlass schließt ES [ KW n UT] Auslass öffnet AÖ [ KW v UT] Auslass schließt AS [ KW n OT] 1 40 [ KW n UT] 100

33 Ergebnisse Großmotoren Drücke und Temperaturen Motorbedingte Unterschiede in der Kompression Mittleren Zylindertemperaturen in der Kompression für alle drei Motoren annähernd gleich (trotz unterschiedlicher Drücke). Großgas- Ottomotor 4-Takt Großdieselmotor 2-Takt Großdieselmotor Kompressionslinie wegen des geringeren Verdichtungsverhältnisses deutlich niedriger als beim Viertakt Dieselmotor. Verbrennung erfolgt bei gleicher Ausgangstemperatur früher als bei Dieselmotor Höhere Werte der mittleren Zylindertemperatur Temperatur der Verbrennung niedriger als Dieselmotor Bruchteil der NOx-Emissionen des Dieselmotors höchster Aufladegrad höchster effektiver Mitteldruck höchste Drücke größtes geometrisches Verdichtungsverhältnis Kompressionsdruckverlauf bis unmittelbar vor OT deutlich unter denen der beiden anderen Motoren

34 Großmotoren Verbrennungsanalyse Bei Großmotoren ist der Wirkungsgrad die entscheidende Größe Brennbeginne werden so früh wie möglich gelegt Eingeschränkt wird dies in der Praxis durch die zulässigen Höchstwerte von Druck und Temperatur bzw. das zulässige Stickoxidniveau. Großgas- Ottomotor 4-Takt Großdieselmotor 2-Takt Großdieselmotor Frühe und rasche Verbrennung Verbrennung in einem größeren Kurbelwinkelbereich Späte Brennbeginne Späte Brennbeginne

35 Ergebnisse Großmotoren Verlustanalyse Großgas- Ottomotor GGO 4-Takt Großdieselmotor G4T 2-Takt Großdieselmotor G2T Wirkungsgrad des vollkommenen Motors liegt aufgrund des begrenzten Verdichtungsverhältnisses (Klopfneigung) niedriger als bei den Dieselmotoren Verluste durch unvollständige Verbrennung Verlust durch realen Verbrennungsablauf am größten Verluste durch unvollständige Verbrennung vernachlässigbar Höchste Reibungsverluste Geringste Ladungswechselverluste aufgrund fehlender Ladungswechselschleife Höchster effektiver Wirkungsgrad (ca. 50%) Verluste durch unvollständige Verbrennung vernachlässigbar

36 Vergleichende Brennverlaufsanalyse Beginn, Dauer und Gestalt des Brennverlaufs haben bestimmende Auswirkungen auf wichtige Betriebsparameter des Motors: Maximalwerte und Anstiege von Druck und Temperatur im Zylinder Emissionen von Lärm und Stickoxiden Innerer Wirkungsgrad Indizierter Mitteldruck Die Brennverlaufsanalyse ist daher von grundlegender Bedeutung in der Entwicklung, Beurteilung und Optimierung von Motoren.

37 Ergebnisse Beispiele zur Brennverlaufsanalyse Vergleich I Saug-DI- Dieselmotor älterer Bauart (DS) Aktueller PKW- DI-Dieselmotor mit ATL (DTP) lange Zündverzugsphase große eingespritzte Kraftstoffmenge stark ausgeprägter vorgemischter Verbrennungsanteil Ausgeprägte Spitze im Brennverlauf Negative Auswirkung auf Geräusch und Abgasemission Aufladung verkürzt den Zündverzug Anfänglicher Verbrennungsstoß der vorgemischten Verbrennung tritt kaum oder gar nicht mehr in Erscheinung Deutliche Fortschritte in der Einspritztechnik zunehmende Beeinflussung von Einspritzverlauf und Verbrennungsablauf (Zweifederhalter, Voreinspritzung, Common Rail).

38 Ergebnisse Beispiele zur Brennverlaufsanalyse Vergleich II PKW-Ottomotor (O4T) Forschungsmotor mit homogener Dieselverbrennung (HCCI) Verbrennung gleichmäßiger und rascher als beim Dieselmotor Fast symmetrisch um den Höchstwert des Energieumsatzes liegender Brennverlauf Optimaler Zündzeitpunkt mit minimalen Verbrennungsverlusten. charakteristische Verbrennung mit kalten Flammen Hauptverbrennung läuft bei richtiger Abstimmung rasch und nahezu symmetrisch zum OT ab. Die thermodynamisch günstige homogene Verbrennung erfolgt praktisch rußfrei.

39 Vergleich von Wirkungsgraden Abschätzung des Potentials unterschiedlicher Motorkonzepte Betrachtung der Wirkungsgrade des vollkommenen Motors Begrenzung des Spitzendruckes im realen Prozess erforderlich, daher kombinierte Gleichraum- Gleichdruck-Verbrennung Gleichraumanteil ist durch den vorgegebenen maximalen Spitzendruck festgelegt Verläufe der Wirkungsgrade des vollkommenen Saugmotors mit Gleichraumverbrennung für verschiedene Luftverhältnisse.

40 Ergebnisse Spitzendrücke, Wirkungsgrad, Gütegrad Max. Spitzendrücke PKW-Dieselmotoren: 160 bar PKW-Ottomotoren: 90 bar (Klopfgefahr) LKW- und Großmotoren: ca bar Großmotoren weisen die höchsten Aufladegrade und etwas niedrigere Verdichtungsverhältnisse auf. Wirkungsgrad Vollkommener Dieselmotor erreicht Wirkungsgradwerte bis 70 % Vollkommener Ottomotor erreicht teilweise nur halb so große Wirkungsgrade Das Luftverhältnis kann beim kleinvolumigen Dieselmotor kleiner sein, was beim PKW-Dieselmotor trotz des deutlich höheren Verdichtungsverhältnisses gegenüber dem Großmotor bei Volllast zu einem geringeren Wirkungsgrad des vollkommenen Motors führt. Gütegrad Von diesem theoretischen Potential der Motoren kann nur ein dem Gütegrad g entsprechender Anteil genutzt werden. Der Gütegrad als Verhältnis von innerem Wirkungsgrad zum Wirkungsgrad des vollkommenen Motors stellt das Maß für die gesamten motor-spezifischen thermodynamischen Verluste dar.

41 Gütegrad Gleichraumverbrennung als Idealprozess Gütegrad moderner Ottomotoren erreicht Werte über 80 % höchsten Gütegrade der Ottomotoren bei Volllast, höchsten Gütegrade der Dieselmotoren bei 3/4 der Volllast Zunahme der Verbrennungsverluste bei steigender Last und sinkenden Luftverhältnissen Zusammen mit den steigenden Ladungswechselverlusten ist das auch der Grund für das Absinken der Gütegrade mit steigender Kolbengeschwindigkeit. Die von Dieselmotoren erreichten Gütegrade liegen wegen deren höherem Druckniveau und insgesamt etwas größeren Verlusten in der Regel unter 80 %. Bei den auf einen Betriebspunkt ausgelegten Großmotoren weist der langsam laufende Zweitaktmotor einen besonders hohen Gütegrad auf.

42 Effektiver Wirkungsgrad Saugmotoren Beinhaltet thermodynamische und mechanische Verluste Beim Ottomotor (O4T) erreicht der effektive Wirkungsgrad in der Teillast kaum Werte über 25 %, in der Volllast knapp über 30 % Der geringe Wirkungsgrad in der Teillast kann durch Entdrosselung (Direkteinspritzung, variabler Ventiltrieb, Abgasrückführung) gesteigert werden. Höhere effektive Wirkungsgrade bei Dieselsaugmotoren (DS). Saugmotoren Geringere mechanische Verluste bei Ottomotoren wegen ihrer leichteren Bauweise gegenüber Dieselmotoren Niedrigere vollkommene Wirkungsgrade infolge der geringeren Verdichtung und des kleineren Luftverhältnisses bei Ottomotoren

43 Effektiver Wirkungsgrad Aufgeladene Motoren Moderne direkt einspritzende Dieselmotoren sowohl für PKW (DTP) wie auch für LKW (DTL) haben bei Volllast effektive Wirkungsgrade von über 40 %. Die Werte liegen durchwegs höher als bei älteren Modellen (DT). Noch höhere effektive Wirkungsgrade von 50 % und mehr können bei den auf einen Betriebspunkt optimierten Großmotoren erzielt werden. Aufgeladene Motoren

44 Effektiver Mitteldruck Der effektive Mitteldruck stellt ein Maß für das abgegebene Drehmoment dar. Die Mitteldrücke der aktuellen Motoren nehmen gegenüber denen älterer Bauart zu. Die Mitteldrücke erreichen mit Ausnahme der auf hohe Drehzahlen ausgelegten Ottomotoren bei mittleren Kolbengeschwindigkeiten ihr Maximum. Bei niedrigeren Drehzahlen nehmen die Mitteldrücke ab, weil die Wandwärmeverluste relativ zunehmen und die Füllung bei Saugmotoren geringer wird. Bei aufgeladenen Motoren können aufgrund des zu geringen Energieangebots an der Turbine bei niederen Drehzahlen nur geringe Aufladegrade realisiert werden. Die Ursachen für die sinkenden Mitteldrücke bei höheren Drehzahlen liegen in der Abnahme des effektiven Wirkungsgrads infolge der höheren Ladungswechsel-, Reibungs- und Verbrennungsverluste. Bei Saugmotoren nimmt auch der Liefergrad ab.

45 Verluste durch den realen Verbrennungsablauf Es zeigt sich, dass Ottomotoren in der Teillast mit ihrer raschen Verbrennung und günstigen Schwerpunktslage die geringsten Verluste aufweisen. Nicht dargestellt sind die hohen Verluste der Ottomotoren in der Leerlast, die auf starke Drosselung und hohe Restgasgehalte mit einer entsprechend verschlechterten und verschleppten Verbrennung zurückzuführen sind. Die geringsten Verluste durch den realen Verbrennungsablauf weisen die Großmotoren auf. Bei den PKW- und LKW-Dieselmotoren liegen die Verluste durchwegs höher. Sie steigen mit Last und Drehzahl an, weil die Verbrennungsdauer zunimmt und in der Praxis zur Begrenzung von Spitzendruck und Stickoxidemission die Verbrennung meist nach spät verschoben werden muss.

46 Verluste durch Wandwärmeübergang Wandwärmeverlust = größter Einzelverlust Hohe Verdichtungsverhältnisse und eine um den OT konzentrierte Verbrennung mit hohen Drücken ergeben geringe Verbrennungsverluste. Die Wandwärmeverluste steigen dabei allerdings deutlich an. Wandwärmeverluste in der Teillast erreichen bei Dieselmotoren Werte bis 20 %. Wesentlich geringer sind die Verluste bei den Ottomotoren mit ihrem deutlich niedrigeren Druckniveau. Prinzipiell nehmen die Wandwärmeverluste bei niedrigerer Drehzahl zu, weil mehr Zeit zur Wärmeabfuhr zur Verfügung steht, sowie mit sinkender Last, weil anteilsmäßig mehr Wärme abgeführt wird.

47 Verluste durch Ladungswechsel Infolge der Drosselung liegen in der Teillast beträchtliche Verluste beim Ottomotor Durch steigende Strömungswiderstände nehmen bei allen Motoren die Ladungswechselverluste mit der Drehzahl zu. Da die absolute Ladungswechselarbeit nur wenig von der Last abhängt, steigt der relative Ladungswechselverlust bei sinkender Last an. Bei Aufladung ergibt sich beim vollkommenen Motor eine positive Ladungswechselarbeit. Diese kann bei ausgeführten Motoren in der Regel vor allem wegen der Verluste der Turbinen und Verdichter sowie der Strömungswiderstände im Ein- und Auslasssystem nicht realisiert werden. Die Ladungswechselverluste fallen dadurch deutlich aus, insbesondere wieder in der Teillast.

48 Mechanische Verluste Die geleistete innere Arbeit vermindert um die mechanische Reibungsarbeit steht als effektive Arbeit an der Kurbelwelle zur Verfügung. Die Absolutwerte der Reibungsarbeit hängen nur wenig von der Last ab, so dass die mechanischen Verluste anteilsmäßig in der Teillast größer sind als bei Volllast

49 Reibungsmitteldrücke Die mechanischen Verluste nehmen überdies mit der Drehzahl zu. Wegen des leichteren Triebwerks und der geringeren Brennraumdrücke sind die mechanischen Verluste bei Ottomotoren tendenziell geringer als bei Dieselmotoren. Zur Beurteilung der mechanischen Verluste ist insbesondere auch die Darstellung der Absolutwerte der Reibungsmitteldrücke von Interesse

50 Mögliche Prüfungsfragen Welche Kraftstoffe kommen für den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen in Frage? Welche grundsätzlichen Unterschiede bestehen zwischen Diesel und Benzin? Was bedeuten Oktanzahl, Cetanzahl und Methanzahl und wie werden sie bestimmt? Was zeichnet Wasserstoff im Gegensatz zu herkömmlichen Kraftstoffen aus? Definieren Sie stöchiometrischer Luftbedarf und Luftverhältnis! Wie kann das Luftverhältnis messtechnisch am Prüfstand erfasst werden? Was versteht man unter dem Gemischheizwert und wie wird dieser für gemischansaugende und für luftansaugende Motoren bestimmt? Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen Gemischheizwert und Luftverhältnis! Wie kann grundsätzlich die Leistung eines Verbrennungsmotors erhöht werden? Wie wird der indizierte Mitteldruck bestimmt? Welche Werte von effektiven Mitteldrücken werden heute erreicht? Wie wird der Reibmitteldruck über eine Zylinderdruckindizierung bestimmt und welche Werte für den Reibmitteldruck treten bei den verschiedenen Motoren auf? Was versteht man unter dem chemischen Gleichgewicht? Was gibt die Gleichgewichtskonstante an? Was versteht man unter Dissoziation? Aus welchen Komponenten setzt sich das Verbrennungsgas zusammen?

51 Mögliche Prüfungsfragen Wie kann die Zusammensetzung des Verbrennungsgases unter der Annahme vollständiger Verbrennung bestimmt werden? Welche Gleichungen stehen zur Berechnung der Zusammensetzung des Verbrennungsgases bei chemischen Gleichgewicht zur Verfügung? Was versteht man unter Gleichgewichtsthermodynamik? Was wird mit Hilfe der Reaktionskinetik beschrieben? Welche Zündungsarten unterscheidet man? Welche Modellvorstellungen zur Beschreibung der Zündung kennen Sie? Wodurch ist die vorgemischte Verbrennung gekennzeichnet? Erläutern Sie den Unterschied zwischen laminarer und turbulenter Flammengeschwindigkeit! Was versteht man unter dem Begriff Klopfen? Wodurch ist die nicht-vorgemischte Verbrennung gekennzeichnet? Erläutern Sie das Grundprinzip einer Brennstoffzelle! Welche Bauformen gibt es? Was versteht man unter dem Begriff HCCI, welche Emissionen und warum können diese Emissionen dabei vermieden werden? Warum definiert man Idealprozesse bzw. Vergleichsprozesse? Welche Vergleichsprozesse werden grundsätzlich verwendet? Erläutern Sie die Unterschiede von Gleichraum-, Gleichdruck- und Seilinger-Prozess im p-v und im T-s Diagramm? Welcher Prozess hat den besten Wirkungsgrad?

52 Mögliche Prüfungsfragen Wovon hängt der thermodynamische Wirkungsgrad beim Gleichraumprozess ab? Wie ist der vollkommene Motor definiert? Wie ist die Aufladung beim Wirkungsgrad des vollkommenen Motors zu berücksichtigen? Was versteht man unter dem Gleichraumgrad der Verbrennung? Welche Grundgleichungen stehen für die nulldimensionale Modellierung des Systems Brennraum zur Verfügung? Was versteht man unter dem Brennverlauf? Was versteht man unter dem Heizverlauf? Welche Annahmen bzw. Messwerte sind für die Durchführung einer Motorprozessrechnung notwendig? Was versteht man unter Energiebilanz? Warum liegt das Wirkungsgradoptimum bei Schwerpunktlagen nach dem oberen Totpunkt? Was ist der Unterschied zwischen Analyse und Simulation? Welche Möglichkeiten zur Simulation der Verbrennung gibt es? Welche Wärmeübergangsarten treten am Verbrennungsmotor auf? Welche grundsätzlichen Möglichkeiten gibt es zur Beschreibung des Wärmeübergangs im Brennraum?

53 Mögliche Prüfungsfragen Zu welcher Gruppe von Wärmeübergangsbeziehungen gehört der Ansatz von Woschni? Durch welche physikalischen Größen wird dabei der Wärmeübergang bestimmt? Welche Grundgleichungen stehen für die eindimensionale Modellierung des Ladungswechsels zur Verfügung? Wodurch ist die 3D-CFD Simulation gekennzeichnet? Welche Kopplungen von Berechnungssystemen sind mittlerweile Stand der Technik? Wie teilen sich die Energieströme am Verbrennungsmotor auf? Was versteht man unter Verlustanalyse? Welche Einzelverluste treten auf? Wie wird eine Verlustanalyse durchgeführt? Wie kann grundsätzlich der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors verbessert werden? Wo liegt das Potenzial zur Verbesserung des Wirkungsgrades von konventionellen 4- Takt Ottomotoren? Wie hoch sind die Wirkungsgrade bei modernen DI Dieselmotoren? Wie können Wärmeübergangsverluste am Verbrennungsmotor minimiert werden? Warum ist das Konzept eines Magermotors interessant? Was macht bei Wasserstoffverbrennungsmotoren die direkte Einblasung in den Brennraum interessant?

54 Mögliche Prüfungsfragen Wodurch ist das Verdichtungsverhältnis bei Ottomotoren begrenzt? Wodurch ergeben sich Einschränkungen bei der Wahl des Verdichtungsverhältnisses bei Dieselmotoren? Wie verändert sich der Wärmeübergang mit steigendem Verdichtungsverhältnis? Wie hoch sind in etwa die Umsetzungsverluste bei Dieselmotoren bzw. bei Ottomotoren? Was verbirgt sich alles im mechanischen Wirkungsgrad? Interpretieren Sie folgende Verlustteilungen: 2 Takt Ottomotor 4 Takt Ottomotor (Pkw) mit Saugrohreinspritzung 4 Takt Ottomotor (Pkw) mit Direkteinspritzung 4 Takt Dieselmotor (Pkw) 4 Takt-Dieselmotor (Lkw) Großmotoren