LVK Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen. Technische Universität München. Skript: S Kapitel 9. Ottomotoren
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- Juliane Baumann
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1 Skript: S Kapitel 9 Ottomotoren
2 Eigenschaften Für die Entflammung muss das Gemisch innerhalb bestimmter Zündgrenzen liegen. Die Verbrennung wird durch Fremdzündung d.h. durch den Funken einer Zündkerze eingeleitet. Die Lastregelung erfolgt durch eine Quantitätsregelung d.h. durch die dem Brennraum zugeführte Gemischmenge (Luft/Kraftstoff). Die Dosierung wird mittels einer Drosselklappe oder durch variable Einlassventile dargestellt. Kraftstoffe: Benzin Gase Wasserstoff Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-2
3 Verbrauch LVK Anhängigkeit von P, be und Emissionen vom Verbrennungsluftverhältnis Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-3
4 9.1 Gemischbildung Die Gemischbildung kann man beim herkömmlichen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung in folgende Hauptvorgänge einteilen: Gemischaufbereitung (wie Zerstäuben, Verdampfen, Vermischen) Gemischtransport zu den Zylindern (Gemischverteilung auf einzelne Zylinder nur bei Zentraleinspritzung) Die physikalischen Haupteinflüsse für den Zerfall von Tropfen sind: am Tropfen wirkenden Strömungs- und Trägheitskräfte Oberflächenspannung Viskosität des Kraftstoffs Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-4
5 Es kommt dann zu einer Zerstäubung, wenn die Oberflächenkräfte kleiner werden als die Trägheitskräfte. Hierfür ist die Weberzahl We eine charakteristische Größe: Weberzahl (Charakteristische Größe für Tropfenzerfall) We 1 Lc 2 2r 2 L Kinetische Energie zu Oberflächenenergie Der kritische Wert hierbei ist für Benzin We = 10. Das heißt, dass bei We > 10 die Zerstäubung erfolgt. Haupteinflüsse der Verdampfungsgeschwindigkeit sind: Verdampfungspotenzial T - T T (Temperatur des Luft/Kraftstoffgemisches Tautemperatur des Kraftstoffs) Kraftstoffoberfläche (Zerstäubung) Stoffaustausch (rel. Geschw. Luft/Brennstoff) Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-5
6 9.1 Gemischbildung Prinzipieller Aufbau eines Vergasers Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-6
7 9.1 Gemischbildung Einfacher Vergaser bei Leerlauf Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-7
8 9.1.2 Einspritztechnik Ottomotor Bei heutigen Ottomotoren ist die Einspritzung des Kraftstoffs in das Saugrohr oder die Direkteinspritzung zu finden. Die Hauptvorteile der elektronisch geregelten Einspritzung sind: Sehr exakte Zumessung des Kraftstoffs auf die einzelnen Zylinder in Abhängigkeit des Motorbetriebspunktes (-Regelung) Strömungsgünstigere Auslegung des Ansaugtraktes durch Wegfall des Vergasers und damit bessere Füllung der Zylinder Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-8
9 Single-Point Einspritzung Eine Einspritzdüse, die alle Zylinder mit Kraftstoff versorgt. Einfachste Möglichkeit vorhandene Vergasermotoren umzurüsten; Verteilung der Gemischmenge durch Ansaugkanäle; Einfluss von Wandfilmeffekten ist weiterhin vorhanden. Zylinder selektive Regelung der Gemischmenge ist nicht möglich Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-9
10 Multi-Point Einspritzung Jeder Zylinder hat eine eigene Einspritzdüse; Sehr kurze Wegstrecken > kaum Wandfilmeffekte; Exakte Zudosierung des Kraftstoffes für jeden einzelnen Zylinder ; Zylinderabschaltung möglich; Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-10
11 Einspritzsteuerung Komponenten Einspritzsteuerung: Einspritzventil Luftmassenmesser Druckregelventil da m Kr D A D 2p Steuergerät Die Einspritzdauer bestimmt die zudosierte Kraftstoffmenge. KS Kr Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-11
12 Einspritzsteuerung Zudosierung des Kraftstoffes: Kontinuierlich; Diskontinuierlich (heute üblich, getaktete Einspritzung durch elektronische Ansteuerung von Magnetventilen); Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-12
13 Einspritzsteuerung Im Steuergerät sind für die Einspritzung u. a. folgende Funktionen abgelegt: Startsteuerung (Kaltstart) Warmlaufanreicherung (Anpassung) Beschleunigungsanreicherung Volllastkorrektur (Anreicherung) -Regelung Leerlauffüllungsregelung (Anfettung) Höhenkorrektur Schubabschaltung (Kraftstoffzufuhr wird unterbrochen) Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-13
14 9.1.3 Benzindirekteinspritzung Otto-DI Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-14
15 Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-15
16 Vorteile der Benzindirekteinspritzung Verdampfung des Kraftstoffs im Zylinder führt zu Innenkühlung niedrigere Temperaturen geringere Klopfneigung höheres Verdichtungsverhältnis möglich geringere Wärmeverluste höherer Luftüberschuss möglich Annäherung an Dieselprozess, nicht mehr an globale Zündgrenzen gebunden, aber lokal an Zündkerze besserer thermodynamischer Wirkungsgrad ( höher) Bessere Strömungsführung im Einlasskanal möglich, da Einspritzdüse wegfällt. Aufladung wird wirkungsvoller, da kein Kraftstoffverlust während Ventilüberschneidung Besseres Molverhältnis (Volumenvergrößerung durch höhere Molzahl) Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-16
17 Nachteile der Benzindirekteinspritzung Mehr Leistung für die Einspritzung erforderlich (höherer Druck) Höhere Kosten Einspritzventil neigt zum Verkoken aufgrund der höheren Temperaturen Bildung von Rußpartikel Gefahr einer Wandauftragung des Kraftstoffes damit höhere HC-Emission Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-17
18 Strategien Otto-DI Brennverfahren Homogenes Gemisch Kraftstoff wird bereits während des Saughubes eingespritzt Genügend Zeit für Homogenisierung Betriebsart einem konventionellen Ottomotor mit Saugrohreinspritzung sehr ähnlich Abgasnachbehandlung mit 3 Wege Katalysator möglich, da = Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-18
19 Strategien Otto-DI Brennverfahren Ladungsschichtung Einspritzung erfolgt spät während des Kompressionshubes Wolke mit zündfähigem Gemisch wird an Zündkerze gebracht globale Luftverhältnisse bis über 4 möglich, d.h. Qualitätsregelung und damit wird der Ansaugquerschnitt entdrosselt. Die Drosselklappe ist weiter geöffnet, da zusätzliche Luft angesaugt wird ( > 1) weniger LDW- Verluste Wegen Luftüberschuss ist eine Abgasnachbehandlung mit 3 Wege Katalysator nicht möglich > Speicherkat Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-19
20 Einspritzstrategien Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-20
21 Verfahren der Benzindirekteinspritzung Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-21
22 Wandgeführte Benzindirekteinspritzung Der Kraftstoff wird in Richtung des sich aufwärts bewegenden Kolbens gespritzt und durch eine Kolbenmulde aerosolartig zur Zündkerze gebracht. Kolbenmulde stark ausgeprägt dezentral angeordnet Höhere Einspritzdrücke nötig, da der Impuls der Kraftstofftröpfchen für die Ladungsbewegung zur Zündkerze hin ausreichen muss Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-22
23 Wandgeführte Benzindirekteinspritzung Eigenschaften: Hohe HC-Emission, da großflächige Wandbenetzung Schwerer Kolben Größerer Kolben Mehr Wärmeeintrag, dadurch höhere Kolbentemperatur Gefahr der Glühzündung oder Klopfen Gefahr der Partikel im Abgas bei hohen Lasten durch örtlich überfettete Bereiche Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-23
24 Luftgeführte Benzindirekteinspritzung Der Kraftstoff wird durch gezielte Luftbewegung ohne Umlenkung am Kolben oder anderen Bauteilen zur Zündkerze gebracht. Damit versucht man, die Nachteile einer Wandbenetzung zu vermeiden. Eigenschaften: Wenig Wandbenetzung weniger HC Emission Geringere Partikelbildung Störungen in der Ansaugung (dynamische Schwingungen) beeinflussen die Gemischbildung und machen das Brennverfahren instabil Häufig wird eine Kombination von Wand- und Luftgeführten Verfahren eingesetzt Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-24
25 Strahlgeführte Benzindirekteinspritzung Der Kraftstoff wird direkt Richtung Zündkerze gespritzt. Kraftstoff wird bereits während der Einbringung gezündet Geringes Risiko der Wandauftragung Unabhängig von Luftströmungen Geringe Aufbereitungszeit Erhöhter Abstimmungsbedarf von Zünd-, Einspritz- und Ansaugsystem Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-25
26 Betriebsbereiche eines Otto-DI-Motors Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-26
27 9.2 Lastanpassung beim Ottomotor Ein Motor muss in der Lage sein, unterschiedliche Drehmomentanforderungen zu erfüllen. Deshalb muss ein Regelorgan zur Lastanpassung vorgesehen werden. Grundkriterien bei der Auslegung eines Verbrennungsmotors: Maximale Leistung Verlauf des maximalen Drehmomentes Betriebsverhalten bei Leistungs-/Drehmomentanforderungen unterhalb der M d-max Kurve, Der Betriebspunkt eines Motors wird bestimmt aus der Leistungs- / Drehmomentanforderung (z.b. Geschwindigkeitswunsch) und dem augenblicklichen Fahrwiderstand Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-27
28 9.2 Lastanpassung beim Ottomotor Alle möglichen Betriebspunkte bilden das Drehmoment / Drehzahlkennfeld, das begrenzt wird durch: Leerlaufdrehzahl Maximaldrehzahl Linie maximalen Drehmoments. Linie maximalen Drehmoments M d p me Minimaldrehzahl Maximaldrehzahl Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-28 n
29 9.2 Lastanpassung beim Ottomotor In dieses Kennfeld kann der Verlauf der maximalen, effektiven Leistung eingetragen werden gemäß der Beziehung : Pe p V max memax H n z P e,max p me P e p me-max n min n nenn n max n Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-29
30 9.2 Lastanpassung beim Ottomotor Fahrwiderstandslinie: M da A B v 2 A: Roll- und Steigwiderstand Bv² : Luftwiderstand v: Fahrzeuggeschwindigkeit P e,max p me P e p me-max n min n nenn n max n Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-30
31 Fahrzeugantrieb M A /2 Antriebswelle Motor Getriebe M M M G i G i D Differential v Fahrzeug n i Motor ges 2r dynrad M A /2 Antriebswelle Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-31
32 Zugkrafthyperbel Zugkraft F z 1 M d,nenn 2 Zugkrafthyperbel 3 4 Fahrwiderstandlinie Ebene v= konst. Geschwindigkeit v Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-32
33 Fahrt in der Ebene mit unterschiedlichen Gängen Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-33
34 Möglichkeiten der Lastanpassung Um ein Fahrzeug bei beliebigen Geschwindigkeiten zu betreiben, müssen Drehmomentlinien unterhalb der Volllastlinie eingestellt werden können Möglichkeit der Veränderung des Drehmoments bzw. Arbeitsmitteldrucks: Folgender Zusammenhang besteht für pme: p me ρ L λ L η e H λ u 1.Veränderung der Arbeitsgasmasse bzw. des Liefergrades. Dieser Eingriff entspricht einer Quantitätsregelung. Ottomotor Veränderung des Gesamtluftverhältnisses, also. In diesem Fall liegt dann eine Qualitätsregelung vor Dieselmotor Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-34
35 Zylinder LVK Saugrohrdruck (qualitativ) Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-35
36 Linien konstanter Drosselklappenstellung Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-36
37 Auswirkung auf Ladungswechselschleife Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-37
38 9.3 Zündung (Ottomotor) Verdichtung nur soweit, dass keine unkontrollierte Selbstzündung auftritt Verbrennung wird durch Fremdzündung (Funken an der Zündkerze) eingeleitet. Die dafür erforderliche Spannung wird von der Zündanlage erzeugt Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-38
39 9.3.1 Zündanlagen Aufgaben einer Zündanlage: Bereitstellen der Zündspannung von etwa 5 15 kv (bei Kaltstart bis kv) Zündenergie mj (Nötig sind bei gut aufbereitetem oder stöchiometrischen Gemisch und betriebswarmen Motor theoretisch nur 0,1 1 mj) Funkendauer 0,3 1 ms (bis zu 2 ms bei stark abgemagerten Gemischen) Einhaltung des Zündzeitpunktes in Abhängigkeit des Betriebspunktes Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-39
40 9.3.1 Zündanlagen Es gibt folgende Ausführungen: Spulenzündung Magnetzündung Transistorzündung Vollelektronische Zündung Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-40
41 9.3.1 Zündanlagen Der Kurbelwinkel, an dem die Zündung erfolgen soll, wird hauptsächlich durch die Last und die Drehzahl bestimmt. Höhere Drehzahl ZZP nach früh, da für gleiche Brenndauer mehr KW überstrichen werden; Höhere Last ZZP nach spät, da mehr Kraftstoff / Luft Gemisch im Zylinder ist d.h. höhere Verbrennungstemperatur und schnelleres Durchbrennen hätten Überschreitung des maximalen Brennraumdruckes zur Folge; Früher: Drehzahlanpassung erfolgte durch einen Fliehkraftregler, welcher den Unterbrecherkontakt relativ zur Kurbelwelle verdrehte. Lastanpassung erfolgte über einen Unterdruckversteller, welcher am Saugrohr nach der Drosselklappe angeschlossen war. Heute: Vollelektronische Zündung mit Kennfeldsteuerung Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-41
42 9.3.1 Zündanlagen Vollelektronische Zündung mit Kennfeldsteuerung Entfall der mechanischen Verbindung zu Nocken- oder Kurbelwelle Wartungsfreiheit Höhere Zündleistungen durch größere Schließzeiten bei Verwendung von mehreren Zündspulen (vor allem bei hohen Drehzahlen) Bessere elektromagnetische Verträglichkeit durch Entfall der Funkenstrecke im Verteiler Besserer Schutz des Zündsystems durch Kapselung vor mechanischer Einwirkung von Außen und vor Spritzwasser Die Anpassung des Zündzeitpunktes (Last, Drehzahl, Warmlauf, Katalysatoraufheizen, Anti-Schlupf-Regelung, Klopfregelung,...) erfolgt rein elektronisch über ein im Steuergerät abgelegtes Zündkennfeld Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-42
43 Spulenzündung Schalter zur Überbrückung des Vorwiderstandes während der Startphase Starterschalter Löschkondensator Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-43
44 9.3.1 Zündanlagen Vollelektronische Zündung mit Kennfeldsteuerung Entfall der mechanischen Verbindung zu Nocken- oder Kurbelwelle Wartungsfreiheit Höhere Zündleistungen durch größere Schließzeiten bei Verwendung von mehreren Zündspulen (vor allem bei hohen Drehzahlen) Bessere elektromagnetische Verträglichkeit durch Entfall der Funkenstrecke im Verteiler Besserer Schutz des Zündsystems durch Kapselung vor mechanischer Einwirkung von Außen und vor Spritzwasser Die Anpassung des Zündzeitpunktes (Last, Drehzahl, Warmlauf, Katalysatoraufheizen, Anti-Schlupf-Regelung, Klopfregelung,...) erfolgt rein elektronisch über ein im Steuergerät abgelegtes Zündkennfeld Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-44
45 9.3.2 Zündkerze Trägt die Elektroden zur Erzeugung des Zündfunkens Gibt die elektrische Energie zum Zündzeitpunkt ab, die vom Zündsystem erzeugt wird Zündung: Kurzzeitige Lichtbogenentflammung Örtliche Gastemperatur im Brennraum > 3000 K Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-45
46 9.3.2 Zündkerze Schnitt durch eine Zündkerze Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-46
47 9.3.2 Zündkerze Belastungen: - U bis 40kV - I bis 300 A - Drücke von 0,9 180bar Aufbau: - Isolator ( Al 2 O 3 ) - Entstörwiderstand - Elektrodenfuß - Mittelelektrode ( Nickelbasis ) - Massenelektrode ( Nickelbasis ) Zündkerzenlage: - Möglichst Zentrisch Gleichlange Flammwege kurze und stabile Verbrennung Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-47
48 Ausführungsformen Elektrodenabstand: - Proportional zur Zündspannung - Möglichst viel V zwischen den Elektroden Elektrodenform: - Abhängigkeit: Gemischzugänglichkeit, V Verschleiß, Wärmeabfuhr - Dachelektrode ( Luftfunken ) - Seitenelektrode/n ( Gleitfunk oder Kombi. ) Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-48
49 9.3.2 Zündkerze Betriebstemperaturbereich einer Zündkerze: Untere Grenze (Freibrenngrenze, Selbstreinigungsgrenze) Obere Grenze Betriebstemperatur muss mindestens 400 C betragen, sonst Gefahr der Verschmutzung durch Kraftstoff und Schmierölrückstände; Nebenschluss und damit kein Zündfunke; Elektrodentemperatur soll 850 bis 900 C nicht überschreiten, da sonst die Gefahr einer Glühzündung besteht Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-49
50 9.3.2 Zündkerze Kennzeichen einer Zündkerze ist ihre Wärmewertkennzahl. Diese ist ein Maß, welche Wärme eine Zündkerze abführen kann. Damit wird eine Zündkerze auf die Bedürfnisse eines Motors angepasst. Hohe Wärmewertkennzahl: schnelles Erreichen der Selbstreinigungstemperatur thermisch gering belastete Motoren Niedrige Wärmewertkennzahl: thermisch hoch belastete Motoren Vermeidung von Glühzündung aufgrund überhitzter Zündkerzen Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-50
51 Verteilung des Wärmeflusses Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-51
52 Zündkerze mit unterschiedlichen Wärmewerten Isolatorfuß: - Isolatorfuß bestimmt Wärmewert - Langer Fuß: Hoher Wärmewert - Kurzer Fuß: Niedriger Wärmewert Wärmewert: - Selbstreinigungstemperatur schnell erreichen 450 C - Höchsttemperatur 850 C - Wärmewert zu hoch unkontrollierte Glühzündungen - Wärmewert zu niedrig Verrußen des Isolatorfußes Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-52
53 Zündkerze mit hohem Wärmewert Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-53
54 Zündkerze mit mittlerem Wärmewert Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-54
55 Zündkerze mit niedrigen Wärmewert Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-55
56 Einzelspulenzündkerze Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-56
57 Zündspulenmodul Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-57
58 Zündkerzen für Gasmotoren Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-58
59 Aussehen Zündkerzen 1/ Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-59
60 Aussehen Zündkerzen 2/ Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-60
61 Aussehen Zündkerzen 3/ Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-61
62 9.4 Verbrennung im Ottomotor Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-62
63 9.4.1 Normale Verbrennung Verdichtung des Gemisches soweit, dass noch keine thermische Entflammung auftritt (Homogenbetrieb); Während dieser Phase laufen bereits Vorreaktionen ab; Entflammung durch örtliche, sehr hohe Energiezufuhr (Plasmastrahl der Zündkerze); Kettenreaktion wird ausgelöst, Moleküle zerfallen endotherm in aktive Teilchen, dafür erforderliche Energie wird durch Zündfunken gedeckt; Zündenergie muss groß genug sein, damit die Reaktion sich selbst beschleunigt Aktivierungsenergie sinkt, Temperatur steigt Flammenausbreitung auf Kugelschalen durch Wärmetransport und Diffusion A e E RT 0 A Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-63
64 9.4.1 Normale Verbrennung Scheinbarer Zündverzug: Flamme erfasst erst nach gewisser Zeit genügend großes Volumen, dass Druckanstieg gemessen werden kann. Beim Ottomotor sehr kurz kaum messbar Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-64
65 Globale Betrachtung der Verbrennung am Beispiel eines Bombenversuches dq du c dt T dq dq dv dq dq Z p v R Z Z Z Z 0 c c v v d R R (Bombe) v p v pdv c v v dp R konst dp vdp dq Z dt ~ dp dt Der Brennverlauf (Temperaturverlauf) und Druckverlauf sind proportional Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-65
66 LVK Zustandsänderung von Teilchen bei der Verbrennung 1/ Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor s T p 0 p 1 T 0 p 0 c q T T 0 ' p zu T T c Δq T κ 1 κ 0 I end p p T T T end 1 0 I 0 p p T T p end c q T T T end
67 LVK s T p 0 c q T T 0 ' p zu T T c Δq κ 1 κ 0 I end p p T T 1 0 I 0 p p T T p end c q T T 1 0 I p 0 end p p c q T T p 1 0 I 0 end c q p p T T 0 1 p p c q T 1 0 I p Zuerst verbrannte Gemischteile liegen in der Endtemperatur immer höher als die zuletzt verbrannten Teile. Durch Wärmetransport und Turbulenzen wird dieser Effekt allerdings abgeschwächt. Zustandsänderung von Teilchen bei der Verbrennung 2/ Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor
68 9.4.1 Normale Verbrennung Geschwindigkeit der Flammenfront w F : w F w B w T s T m E m V w F v uv w T = Transportgeschwindigkeit Transport der Flammenfront durch Eigenbewegung des Gemisches (Turbulenz, Expansion des Verbrannten) w B = Brenngeschwindigkeit oder Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme bzw. der Reaktionszone relativ zum Gemisch. Im ruhenden oder laminar bewegten Medium relativ niedrig (ca. 1 m/s); Flammenausbreitung im Prinzip nur durch Wärmeleitung und Diffusion; w B steigt mit steigendem T und p hängt vom Verlauf der Zündgrenzen ab Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-68
69 9.4.1 Normale Verbrennung Einfluss der laminaren Brenngeschwindigkeit von Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-69
70 9.4.1 Normale Verbrennung Transportgeschwindigkeit liegt im Allgemeinen deutlich höher als w B Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-70
71 9.4.1 Normale Verbrennung Transportgeschwindigkeit Hohe Drehzahlen werden erst durch hohe Transportgeschwindigkeiten möglich. Beispiel: Brennraumdurchmesser D = 0,05 m Brenndauer j = 60 KW n = /min Brenndauer [s]: τ Δ j n 0,002s Flammengeschwindigkeit: w F D τ 0,05 0, m s Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-71
72 Einfluss der Brennraumform auf den Summenbrennverlauf Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-72
73 pz [bar] LVK Einfluss des Zündzeitpunktes auf den Zylinderdruckverlauf eines Otto-Gasmotors j [ KW] Zündzeitpunkt: pschlepp Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-73
74 dqb/dj [kj/kg/k] pz [bar] LVK Einfluss Zündzeitpunkt auf Brennverlauf j [ KW] pschlepp j [ KW] Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-74
75 TZ [K] pz [bar] LVK Einfluss Zündzeitpunkt auf Massenmitteltemperatur j [ KW] pschlepp j [ KW] Tschlepp Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-75
76 Einfluss Zündzeitpunkt auf Betriebsparameter LVK Abgastemperatur 310 pme [bar*100], TA [ C] Mitteldruck be [g/kwh] 450 Verbrauch ZZP v. OT [ KW] be TA pme [bar/100] Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-76
77 Zyklenschwankungen bei = 1,03 LVK pz [bar] j [ KW] Ottogasmotor: = 10,5 V H = 3,96 l n = /min Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-77
78 Zyklenschwankungen bei = 1,37 LVK pz [bar] j [ KW] Ottogasmotor: = 10,5 V H = 3,96 l n = /min Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-78
79 p und T Verlauf verschiedener Reaktionszonen Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-79
80 Beeinflussung Selbstzündungszeit Anfangsdruck: Je niedriger der Anfangsdruck p 1, desto länger t SZ. Anfangstemperatur: Je niedriger Anfangstemperatur T 1, t SZ. : Je niedriger, desto geringer liegen die Werte von Druck und Temperatur bei Brennbeginn. p B, T B, desto länger t SZ. Polytropenexponent κ der Verdichtung: Je niedriger κ, desto geringer p B, T B, desto länger t SZ. Zündzeitpunkt: Je früher der Zündzeitpunkt und damit der Brennbeginn j B liegt, desto höher werden Druck und Temperatur t SZ. Drehzahl: Sie hat nur einen geringfügigen Einfluss, da die Zeit für die Vorreaktionen bis zum Zündzeitpunkt kürzer wird Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-80
81 Beeinflussung Flammenausbreitungsgeschwindigkeit Anfangsdruck p 1 (Druckniveau) kaum Einfluss: Ein geringer Anfangsdruck verlängert zwar die freien Weglängen der Molekülbewegungen. Der Einfluss ist jedoch gering, da die Temperatur in der Reaktionszone sehr hoch ist, d. h. w F = konst; t F = konst. Anfangstemperatur kaum Einfluss: w F = konst; t F = konst. : kaum Einfluss auf t F : w F = konst; t F = konst. Polytropenexponent n: Primär kaum. Sekundär wirkt sich der Einfluss von aus. Ansonsten ist w F = konst; t F = konst Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-81
82 Beeinflussung Flammenausbreitungsgeschwindigkeit Drehzahl: w F c m ; d.h.: n w F t F Zündzeitpunkt: Wie unter (1.): w F = konst; t F = konst. Brennraumgröße: w F = konst; mit abnehmenden Brennraumabmessungen L sinkt auch t F Zahl der Zündstellen: Durch die Verwendung mehrerer Zündkerzen kann man t F ebenfalls absenken Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-82
83 Einfluss auf Klopfneigung LVK Parameter p 1 T 1 Drehzahl n j Z (Vorzünd. V. OT) D bzw. L mehrere Zündquellen Klopfneigung Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-83
84 Zylinderdruck p Z [bar] Druckverläufe bei Klopfen und Glühzündung LVK 140 ZZP Klopfende Verbrennung Glühzündung 20 Normale Verbrennung Kurbelwinkel j [ KW] Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-84
85 Flammenfront und klopfende Reaktionsfront LVK Prof. Dr.-Ing. G. Wachtmeister Vorlesung 9. Ottomotor 9-85
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