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1 KFZ Mechatroniker/in (PKW) Fachkunde Motormechanik Aufladung CBT-Arbeitsheft Lehrer-Version

2 Seite 1 INFORMATIONSBLATT Titel Motormechanik Aufladung Einführung Lernziele besprechen und erläutern. Themen Einleitung Motoraufladung Dynamische Aufladung (Schaltrohraufladung, Resonanzaufladung) Fremdaufladung (Ausnutzung der Abgasenergie, Mechanische Aufladung) Ladeluftkühlung Zeit / Unterrichtsraum 2 U Std., Klassenraum Hinführung zum Thema mit Einstiegsfragen: Welche Möglichkeiten zur Leistungssteigerung von Motoren gibt es? Warum lädt man Motoren auf? Welche Aufladung kennen Sie? Die dynamische Aufladung kann ev. an einem realen Fahrzeug demonstriert werden (öffnen der Klappen bei bestimmen Drehzahlen) Funktion des Abgasturboladers mit Hilfe eines Schnittmodells erklären. Lernziele Der Schüler sollte Zweck der Aufladung nennen können Funktion der dynamischen Aufladung erklären können Möglichkeiten der Fremdaufladung nennen können Funktion eines Abgasturboladers nennen können Möglichkeiten und Funktion der Ladedruckregelung erklären können. Mechanische Aufladungsmöglichkeiten nennen können Notwendigkeit der Ladedruckregelung erarbeiten. Möglichkeiten der mechanischen Aufladung erörtern. Vorbereitung Modelle / Schnittmodelle bereithalten (Abgasturbolader, Wastegate-Regulierung, Ladedruckregelventil) Arbeitssicherheit Arbeitssicherheit und Umweltschutz im Umgang mit den eingesetzten Geräten und Materialien. Lehrhilfsmittel Modelle / Schnittmodelle; eventuell komplettes Motormodell, CBT

3 Seite 2 1. Einleitung Zweck der Aufladung ist es, eine Leistungs- und Drehmomentsteigerung des Verbrennungsmotors ohne Drehzahlerhöhung zu erzielen. Die Höhe der Leistung und das Drehmoment werden wesentlich vom Frischgasanteil einer Zylinderfüllung beim Ansaugen bestimmt. Bei aufgeladenen Motoren wird in einem Verdichter (der so genannte Lader) Luft komprimiert und in den Zylinder gepresst. Die damit verbundene Dichtesteigerung der angesaugten Luft vergrößert die Ladung des Zylinders, so dass mehr Kraftstoff je Arbeitsspiel verbrannt werden kann. Für die Leistungssteigerung von Motoren bieten sich verschiedene Möglichkeiten an: o die Vergrößerung des Hubraums, o die Erhöhung der Drehzahl, o bessere Füllung des Brennraums mit Kraftstoffgemisch (Aufladung). Größerer Hubraum bedeutet mehr Material, Gewicht und Raumbedarf. Eine Drehzahlsteigerung geht einher mit größerer mechanischer Belastung und kürzerer Lebensdauer. Beide Maßnahmen gehen also auf Kosten der Wirtschaftlichkeit. Die Grenzen der Aufladung werden bei Ottomotoren durch den Beginn der klopfenden Verbrennung, bei Dieselmotoren durch die Bauteilfestigkeit. Aufladungssysteme werden unterschieden zwischen: o dynamische Aufladung und o Fremdaufladung 2. Dynamische Aufladung Sobald die Einlassventile öffnen, entsteht direkt dahinter eine rücklaufende Druckwelle, welche auf die im Saugrohr ruhenden Luftmassen trifft, diese in Schwingung versetzt und wieder zurückprallt auf die Einlassventile. Wenn diese dann geöffnet sind und die Druckwelle auf die Einlassventile trifft, bewirkt dies eine bessere Zylinderfüllung und somit einen Aufladungseffekt. Die entstandene Schwingungsfrequenz ist abhängig von der Länge des Saugrohres, dem Querschnitt des Saugrohres und letztendlich von der jeweiligen Motordrehzahl. Schaltsaugrohraufladung Bei der Schaltsaugrohraufladung handelt es sich um ein Ansaugrohr, welches variable Saugrohrlängen bietet (Bild 1). Für die niedrige Drehzahl wird auf die langen, dünnen Ansaugrohre umgeschaltet, um die Füllung zu verbessern und die Turbolenzen in der Luftströmung zu verringern und somit das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich zu steigern. Sobald die Drehzahl einen festgelegten Wert (ca /min) überschreitet (Bild 2), wird auf die kurzen, dicken Ansaugrohre umgeschaltet, um somit die Ansaugwege kurz zu halten, damit die Luftmassen so schnell wie möglich in den Brennraum gelangen und mehr Leistung bereit steht.

4 Seite 3 Umschaltklappe Bild 1 (Drehzahl < /min) Bild 2 (Drehzahl > /min) Resonanzaufladung Durch die Ventilöffnungsfrequenz wird die Frequenz der schwingenden Gassäule beeinflusst. Wenn die Ventilöffnungsfrequenz der Motorsteuerung mit der Frequenz der Gasschwingungen übereinstimmen, kommt es zur Resonanz. Resonanz ist die verstärkte Eigenschwingung eines schwingungsfähigen Systems. Die Eigenschwingung eines Systems hängt von der Größe seiner schwingenden Masse ab. Große Massen bewirken lange Schwingungen mit kleiner Frequenz, kleine Massen bewirken kurze Schwingungen mit hoher Frequenz. Wird der schwingenden Gassäule in einem Saugrohr eine weitere Masse zugeschaltet durch das Öffnen einer Resonanzklappe (Bild 3), vergrößert sich deren schwingende Masse und die Frequenz sinkt. Dies bewirkt bei niedriger Drehzahl durch die Resonanzschwingung eine Aufladung und damit eine bessere Füllung Gassäule im Saugrohr 2 Resonanzklappe 3 Resonanzbehälter 2 Bild 3

5 Seite 4 3. Fremdaufladung Die Aufladeverfahren unterscheiden sich durch die Art, wie der Lader angetrieben wird in: o o Ausnutzung der Abgasenergie zur Verdichtung der Ladung Mechanische Aufladung 3.1 Ausnutzung der Abgasenergie zur Verdichtung der Ladung Bei diesem Verfahren wird der Verdichter ohne mechanische Verbindung zum Motor durch ein Turbinenrad angetrieben. Dies ist der so genannte Abgasturbolader (Bild 4). Die Welle ist so installiert, dass sich das Turbinenrad im Abgas- und das Verdichterrad im Ansaugtrakt dreht. Die zwei Schaufelräder sind drehfest über eine Welle verbunden und durch den Ölkreislauf des Motors geschmiert. Funktionsweise: Verlangt der Fahrer nun über das Gaspedal eine erhöhte Leistung und Drehmoment des Motors, so wird augenblicklich die Drosselklappe geöffnet und mehr Kraftstoff eingespritzt. Dies erhöht den Verbrennungsausstoß und die Verbrennungsgeschwindigkeit. Die Drehzahl des Turbinenrades erhöht sich. Durch die drehfeste Verbindung der Turbinenseite zur Verdichterseite wird die Ansaugluft mit einer höheren Geschwindigkeit in Richtung Brennräume gedrückt. Dadurch erhöht sich auch der Ansaugdruck in den Zylindern. Bei jedem Ansaugvorgang befindet sich nun mehr Luft in den Zylindern als ohne Turboverdichtung. Der Luftmassen-/Luftmengenmesser registriert dies und erlaubt der Motorsteuerung, mehr Benzin einzuspritzen. Hierdurch steht dem Fahrzeug bei annähernd gleicher Drehzahl mehr Leistung zur Verfügung. Der Aufbau des Ladedrucks beansprucht eine gewisse Zeit. D.h., dass die Leistungssteigerung also erst wenige Sekunden nach dem Treten des Gaspedals zur Verfügung steht. Dieser Effekt wird auch als Turboloch bezeichnet. Die direkte Form der Energieübertragung vom Abgas auf die Frischladung ist effizienter als die mechanische Aufladung. Bei ihr wird keine zusätzliche mechanische Energie aus dem Verbrennungsprozess zu ihrem Antrieb aufgebraucht. Sondern die Bewegungsenergie aus dem Ausstoßtakt wird benutzt, die sonst ungenutzt aus dem Auspuff an die Umwelt entweicht.

6 Seite Verdichterrad 2 Turbinenrad 3 Luftaustritt 4 Abgaseintritt 5 Lufteintritt 6 Abgasaustritt 7 Läuferwelle 4 Bild 4 Ladedruckregulierung Um ein möglichst gutes Zusammenarbeiten zwischen Motor und Turbolader in allen Betriebsbereichen (Volllast - Teillast) zu erreichen, ist eine Regelung des Ladedrucks erforderlich. Hierfür stehen 2 Konzepte bereit: o Wastegate-Regelung Dies ist ein Ventil im Abgastrakt vor der Turbinenschaufel (Bild 5). Bei Erreichen eines definierten Ladedrucks wird ein Teil der Abgase unter Umgehung der Turbine ins Abgasrohr geleitet. Als Referenzgröße liegt dem Wastegate-Ventil über eine Druckleitung der Ansaugdruck (Ladedruck) an. Bei einer mechanischen Ladedruckregelung wirkt der Ladedruck auf eine Membran im Wastegate und öffnet bei zu hohen Ladedrücken das Ventil. Bei einer elektronischen Ladedruckregelung steuert die Motorelektronik das Ventil. Mit dieser Regelung wird gewährleistet, dass sich bereits bei niedrigen Drehzahlen (nur geringer Abgasdruck) gute Leistungen realisieren lassen. Damit kann auch eine so genannte Drehmomentüberhöhung (Over-Boost) erzeugt werden, die dem Motor ein gutes Durchzugsvermögen, z.b. bei Bergfahrten, verschafft. Das Wastegate-Ventil wird dann geöffnet, wenn die Motorelektronik ein Überlasten des Motors feststellt. Beispielsweise durch zu hohe Öltemperatur, Klopfneigung etc.

7 Seite 6 Ladedruckregelventil Verdichterrad Turbinenrad Bild 5 o Variable Turbinen-Geometrie (VTG) Bei diesem Konzept wird die Abgasturbinenseite zusätzlich mit einem Leitschaufelsystem versehen (Bild 6). Es verändert den Anströmquerschnitt und winkel auf das Turbinenrad. Somit ist in der Wirkung ein kleiner oder ein großer Abgasturbolader möglich, der durch die Turbinengeometrieänderung seinen Ladedruck variiert. Dieses Konzept kommt ohne Wastegateregelung aus. Leitschaufelstellung Leitschaufeln Turbinenrad Eintrittsquerschnitt Bild Mechanische Aufladung Bei diesem Verfahren ist der Verdichter mit dem Motor gekoppelt und wird von diesem angetrieben. Als Beispiele für die mechanische Aufladung der Kompressor und der Druckwellendader besprochen.

8 Seite 7 Kompressor (Roots-Kompressor) Die beiden zweiflügeligen Drehkolben des Roots-Kompressors laufen gegenüber dem Gehäuse und gegeneinander berührungslos (Bild 7). Die Größe der dabei entstehenden Dichtspalte wird durch die Konstruktion, die Werkstoffwahl und die Fertigungstoleranzen bestimmt. Die Synchronisierung der beiden Drehkolben erfolgt durch ein außerhalb des Arbeitsraumes laufendes Zahnradpaar, meist angetrieben über Zahnriemen durch die Kurbelwelle. Saugseite Druckseite Bild 7 Druckwellenlader (Comprex) Ein durch die Kurbelwelle mechanisch angetriebenes Zellenrad (benötigt circa 1% der Motorleistung zum Antrieb) dreht sich mit ca. 2-3,5facher Motordrehzahl (Bild 8). Das Zellenrad läuft in einem zylindrischen Gehäuse. Die Vorgänge sind verhältnismäßig komplex, weshalb auf eine nähere Betrachtung verzichtet wird. Nur soviel: Der Lader erzeugt Druckwellen (mit Schallgeschwindigkeit), die ein Energieaustausch zwischen Abgas- und Frischluft bewirken. Dieser Austausch findet in den Zellen des Rotors statt (deshalb die Bezeichnung Zellenrad). Durch den sehr guten Ladedruckverlauf schon bei niedrigen Drehzahlen ergibt sich ein ausgezeichneter Drehmomentenverlauf. Durch die direkte Impulsübertragung gibt es hier keinen Verzögerungseffekt beim Beschleunigen wie etwa beim Abgasturbolader Lufteintritt 2 Abgasaustritt 3 verdichtete Luft 4 Zellenrad 5 Keilriemen 6 Abgasleitung Bild 8 1 4

9 Seite 8 Test 1. Was versteht man unter einem aufgeladenen Motor? Einen Motor, bei dem durch einen Lader Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Luft dem Verbrennungsraum verdichtet zugeführt wird. der Unterdruck im Zylinder durch Nachladen beim verdichten erhöht wird. der Unterdruck bei der Frischgasfüllung erniedrigt wird. das Verdichtungsverhältnis durch zusätzliche Füllung erhöht wird. 2. Wodurch wird die Aufladung von Motoren begrenzt? Durch die Anzahl er Ventile. Bei Dieselmotoren ist sie durch den Beginn der klopfenden Verbrennung begrenzt. Bei Ottomotoren ist sie durch die Bauteilfestigkeit begrenzt. Bei Ottomotoren durch den Begin der klopfenden Verbrennung, bei Dieselmotoren durch die Bauteilfestigkeit. 3. Was ist eine Wastegate-Regelung? Sie regelt den Ladedruck des Turboladers dadurch, dass bei einem definierten Ladedruck ein Teil der Abgase unter Umgehung der Turbine ins Abgasrohr geleitet wird. Sie regelt den Ladedruck dadurch, das sie die Frischluft (Ansaugluft) nach außen bläst. Sie misst den Sauerstoffgehalt im Abgas. Sie regelt den Ladedruck des Turboladers durch Verändern der Turbinengeometrie. 4. Benennen Sie die Bauteile des Abgasturboladers

10 Seite 9 Test - Lösungen 1. Was versteht man unter einem aufgeladenen Motor? Einen Motor, bei dem durch einen Lader Kraftstoff-Luft-Gemisch oder Luft dem Verbrennungsraum verdichtet zugeführt wird. der Unterdruck im Zylinder durch Nachladen beim verdichten erhöht wird. der Unterdruck bei der Frischgasfüllung erniedrigt wird. das Verdichtungsverhältnis durch zusätzliche Füllung erhöht wird. 2. Wodurch wird die Aufladung von Motoren begrenzt? Durch die Anzahl der Ventile. Bei Dieselmotoren ist sie durch den Beginn der klopfenden Verbrennung begrenzt. Bei Ottomotoren ist sie durch die Bauteilfestigkeit begrenzt. Bei Ottomotoren durch den Beginn der klopfenden Verbrennung, bei Dieselmotoren durch die Bauteilfestigkeit. 3. Was ist eine Wastegate-Regelung? Sie regelt den Ladedruck des Turboladers dadurch, dass bei einem definierten Ladedruck ein Teil der Abgase unter Umgehung der Turbine ins Abgasrohr geleitet wird. Sie regelt den Ladedruck dadurch, das sie die Frischluft (Ansaugluft) nach außen bläst. Sie misst den Sauerstoffgehalt im Abgas. Sie regelt den Ladedruck des Turboladers durch Verändern der Turbinengeometrie. 4. Benennen Sie die Bauteile des Abgasturboladers Verdichterrad 2. Turbinenrad 3. Luftaustritt 4. Abgaseintritt Lufteintritt 6. Abgasaustritt 7. Läuferwelle 1 4