Aufgabe 1 ( = 140 Punkte)

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1 Name Vorname Matrikel-Nr. PO Aufgabe 1 ( = 140 Punkte) Man untersuche den Kurbeltrieb des D49-Motors (s. Bild) nach folgende Gliederung: 1. Man zeichne den Kurbeltrieb in den Kurbelstellungen 90 KW, 180 KW und 270 KW (rechtsdrehend). Im Bild ist der Kurbeltrieb in der 0 KW Stellung dargestellt. (30P) 2. Man zeichne anschließend die Lage des Anlenkpleuelzapfens (mit G im Bild gekennzeichnet), wenn die Kurbelwelle eine volle Umdrehung macht. (5P) 3. Man gebe die Berechnungsschritte zur Herleitung der Formel des Kolbenwegs der B-Zylinderreihe an. (20P) 4. Man leite die Formel des Kolbenweges der B-Zylinderreihe her. (100P) A γ B δ G C O KW-Achse SKM_ mcd

2 Zahlenwerte für den Kurbeltrieb des Lok-Dieselmotors D49 D S A S B := 260 mm Bohrung := 260 mm Kolbenhub der A-Zylinderreihe := mm Kolbenhub der B-Zylinderreihe π A K := 4 D2 Kolbenstirnfläche V ha V hb := A K S A Hubvolumen eines Zylinders der A-Zylinderreihe := A K S B Hubvolumen eines Zylinders der B-Zylinderreihe ε := 13.5 Verdichtungsverhältnis V ha V ca := Kompressionsvolumen der A-Zylinderreihe ε 1 V hb V cb := Kompressionsvolumen der B-Zylinderreihe ε 1 S A r A := Kurbelradius der A-Reihe r A = 0.13 m 2 L A L B := 580 mm Pleuelstangenlänge der A-Zylinderreihe := 414 mm Pleuelstangenlänge der B-Zylinderreihe = Länge des Anlenkpleuels r A Λ A := Λ A = Pleuelstangenverhältnis der A-Zylinderreihe L A m K m PA m PB L CG := 37 kg Gesamtmasse des Kolbens (mit Kolbenbolzen und Kolbenringe) := 80 kg Pleuelmasse der A-Zylinderreihe := 19 kg Pleuelmasse der B-Zylinderreihe := 170 mm Abstand zwischen den Gelenkpunkten des Pleuels (A-Zylinderreihe) und des Anlenkpleuels (B-Zylinderreihe) γ := 42 Grad V-Winkel δ := 40 Grad ACG - Winkel, d.h. der Winkel zwischen Hauptpleuel und Gelenkpunkt des Anlenkpleuels SKM_ mcd

3 Motorquerschnitt Man beachte, dass der Kurbeltrieb in das obige Bild und in den unteren Querschnitt spiegelsymmetrisch gegenüber die Vertikale dargestellt sind! A Reihe B Reihe SKM_ mcd

4 Aufgabe 2 Verständnisfragen (bitte kurz gefasst und lesbar antworten!) a) Wodurch wird die HC-Emission im Warmlauf eines Motors reduziert? (5P) Was ist Drallsteuerung, bei welchen Motoren und aus welchem Grund wird sie eingesetzt? (8P) b) Welche sind die Aufgaben und die Problematik der Kolbenringe? (10P) Welche Arten von Kolbenbauarten sind Ihnen bekannt? (5P) c) Wodurch wird beim TSI-Motor (VW) der CO2-Ausstoß reduziert? (5P) Welche Vor- und Nachteile bietet ein Kühlsystem mit elektrischer Kühlmittelpumpe an? (5P) d) Was bedeutet Entdrosselung, und bei welcher Motorart und aus welchem Grund ist sie verwendet? (5P) Warum wird die Abgasrückführung (AGR) eingesezt? Welche Arten von AGR sind Ihnen bekannt? Vor- und Nachteile nennen. (10P) e) Welche innenmotorischen Parameter beeinflussen den NOx-Ausstoß? (3P) Wie kann diese Emission beim Kaltstart effektiver reduzieren? (5P) Was bedeutet Applikation bei einem neuen Motor? (5P) f) Warum Dieselmotoren stoßen mehr Ruß als Ottomotoren aus? Ist dies allgemeingültig? (3P) Wie wird üblich der Rußfilter (DPF) regeneriert? Gibt es auch DPF, die nicht regeneriert werden müssen? (5P) g) Was ist Schaltsaugrohr und wozu wird er eingesetzt? Vor- und Nachteile nennen. (2P) Was bedeutet Doppelaufladung und aus welchem Grund wird sie eingesetzt? Vor- und Nachteile nennen.(5p) Was ist ein zweistufiges Aufladesystem mit hydraulischem Leistungstransfer? Vor- und Nachteile nennen.(5p) h) Was ist Sekundärlufteinblasung und wozu wird sie eingesetzt? (5P) Was bedeutet Katalysator-Light-off und wie wird dies verbessert? (10P) i) Was bedeutet aktive Partikelfilterregeneration? (5P) Was bedeutet zylinderdruckgeführte Verbrennungslagenregelung? (5P) j) Was ist HCCI-Brennverfahren und wie viele Varianten sind Ihnen bekannt? (5P) Kann ein Zusatz von fremden Stoffen (wie Wasser, Alkohol, Wasserstoff oder Sauerstoff) im Zylinder die Verbrennung begünstigen? Wenn ja, warum wird so was nicht häufig eingesetzt? (10P) k) Welche Vorteile und Nachteile bringt eine kleine Anzahl von Zylindern mit? (6P) Kann die Erfassung des Zylinderdruckes bei der Motorregelung helfen um die Verbrennung zu optimieren? Wenn ja, warum denn? (10P) SKM_ mcd

5 Lösung der Aufgabe 1 Man beachte, dass der Winkel ACG = δ unverändert bleibt, da alle diese drei Punkte dem Hauptpleuel gehören und somit einen nicht deformierbaren Dreieck bilden. 0 KW-Stellung SKM_ mcd

6 90 KW-Stellung SKM_ mcd

7 180 KW-Stellung SKM_ mcd

8 270 KW-Stellung SKM_ mcd

9 Lösung der Aufgabe 2 (Verständnisfragen) Frage a.1 Wodurch wird die HC-Emission im Warmlauf eines Motors reduziert? (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_1a) niedriger Einlassventil-Hub (z.b. 3 mm) niedrige Einlassventil-Öffnungsdauer (z.b. nur 90 ) asymmetrischer Nocken (steiler Anstieg und flacher Abfall) Verringerung der Einlaßspreizung (s. Bild) Vorwärmen des angesaugten Gemisches Kr. mir niedrigem Siedepunkt und hoher Cetanzahl, usw. Frage a.2 Was ist Drallsteuerung, bei welchen Motoren und aus welchem Grund wird sie eingesetzt? Drallsteuerung wird bei Otto- und Dieselmotoren eingesetzt. Bei Ottomotoren zur Homogenisierung des Gemisches (Benzin mit Luft und ev. Abgasen aus AGR) und zur Erhöhung der Turbulenz des Gemisches, was zu einer schnellen Flammen-Fortpflanzung während der Verbrennung (damit sie intensiv und effizient abläuft) beiträgt. Bei Dieselmotoren zur Vermischung der zwischen den Einspritzstrahlen eingeschlossene Luft mit dem Kraftstoff aus den Einspritzstrahlen. Frage b.1 Welche sind die Aufgaben und die Problematik der Kolbenringe? Aufgaben (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_3_zusatz2 & Gr_5b) Brennraum gegen Kurbelgehäuse abdichten Wärmeleitung vom Kolben zur Zylinderwand (d.h. beizutragen zur Kolbenabkühlung) Ölhaushalt auf Zylinderwand regeln Problematik Kontaktfläche verändert die Geometrie. Forderung nach Formfüllvermögen durch Teilung Unterschiedliche Wärmeausdehnung, Teilung bedingt Belastungsspitzen SKM_ mcd

10 Frage b.2 Welche Arten von Kolbenbauarten sind Ihnen bekannt? (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_5a) Neben den üblichen Kolben aus einem einzelnen (Leicht-)Metall gibt es gebaute Kolben mit Unterteil aus Aluminium oder Sphäroguss, Ferrotherm-Kolben, Monotherm-, Monokomp-, Ferrocomp-Kolben usw. Frage c.1 Wodurch wird beim TSI-Motor (VW) der CO2-Ausstoß reduziert? (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_1c) Downsizing Direkteinspritzung kombiniert mit hohem Verdichtungsverhältnis doppelte Aufladung mit hoher Abgastemperatur (sehr gute Temparaturfestigkeit der Turbine und somit keine Anfettung des Gemisches zur Senkung der Abgastemperatur beim Eintritt in die Turbine notwendig) Frage c.2 Welche Vor- und Nachteile bietet ein Kühlsystem mit elektrischer Kühlmittelpumpe an? Vorteile: Warmlaufphase Verkürzung Emissionen Verringerung Kühlleistung Verbesserung Heizleistung Erhöhung Nachteile: hohe Energieaufnahme (höher als bei mechanischer Pumpe wegen Wirkungsgradkette) hohe Kosten der E-Pumpe Frage d.1 Was bedeutet Entdrosselung, und bei welcher Motorart und aus welchem Grund ist sie verwendet? Entdrosselung bedeutet Regelung der Last bei Ottomotoren nicht durch Drosselung (d.h. Quantitätsregelung) sondern durch Abmagerung (d.h. Qualitätsregelung) des angesaugten Gemisches. Damit sind in diesem Fall die indizierte und mechanische (damit auch der effektiver Wirkungsgrad) Wirkungsgrade größer. Frage d.2 Warum wird die Abgasrückführung (AGR) eingesezt? Welche Arten von AGR sind Ihnen bekannt? Vor- und Nachteile nennen. AGR wird zur Reduzierung der freien Sauerstoffmenge bei niedriger und mittlerer Last eingesetzt. Dadurch wird die Produktion von NOx gemindert. Es gibt innere und äußere AGR. Innere AGR kann nur über variable Ventiltriebe (Nachteil) gesteuert werden. Die Abgase bleiben in diesem Fall zu heiß (Nachteil) und begünstigen auf diese Art die NOx-Bildung. Ein solches System kann große Mengen von Abgasen in den Zylinder behalten (Vorteil). Äußere AGR wird über AGR-Ventile gesteuert und kann mit Hoch- und/oder Niedrig-Druck der rückgeführten Abgase betrieben werden. Dazu braucht man zusätzliche Rohren, Ventile und Kühler (Nachteile). Die Temperatur dieser Abgase kann stark abgesenkt werden (Vorteil). SKM_ mcd

11 Frage e.1 Welche innenmotorischen Parameter beeinflussen den NOx-Ausstoß? Sauerstoffkonzentration im Brennraum während Verbrennung Temperaturniveau der Ladung im Brennraum während Verbrennung Zeit für die Reaktion (d.h. bei kleiner Drehzahl ist mehr Zeit vorhanden) Frage e.2 Wie kann diese Emission beim Kaltstart effektiver reduzieren? Entweder durch das schnelle Aufheizen des 3-Wege-Katalysators im Falle des stöchiometrisches Gemisches Oder durch das schnelle Aufheizen des NOx-Speicherkatalysators im Falle des mageren Gemisches Frage e.3 Was bedeutet Applikation bei einem neuen Motor? Die Bedatung aller Kennfelder im Motorsteuergerät Frage f.1 Warum Dieselmotoren stoßen mehr Ruß als Ottomotoren aus? Ist dies allgemeingültig? Weil das Gemisch inhomogen aufbereitet ist und daher während Verbrennung nicht alle Kr-Tröpfen den nötigen Sauerstoff finden können. Dies ist nicht nur bei Dieselmotoren zu treffen, sondern auch Ottomotoren im Schichtladungsbetrieb können viel Ruß emittieren. Frage f.2 (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_4a) Wie wird üblich der Rußfilter (DPF) regeneriert? Gibt es auch DPF, die nicht regeneriert werden müssen? Die Rußfilter werden durch Steigung der Abgastemperatur bis zur Selbstbrennung des Rußes regeneriert. Die Selbstbrennungsgrenze kann gesenkt werden entweder durch Beimischung im Kraftstoff (im Tank) eines Additives oder durch eine spezielle Beschichtung des Filterelementen. In diesen Fällen und insbesondere im letzten läuft die Regenerierung fast ständig, so dass keine Regenerierungsphase mehr vorzunehmen ist. Frage g.1 Was ist Schaltsaugrohr und wozu wird er eingesetzt? Vor- und Nachteile nennen. Für eine bessere Zylinderfüllung bei unterschiedlichen Drehzahlen werden Schaltsaugrohre eingesetzt. Das Optimum wird jedoch nur bei einer bestimmten Drehzahl erreicht. Will man eine optimale Füllung bei allen Drehzahlen, dann sollte man die Ansaugrohrlänge ständig anpassen. Frage g.2 Was bedeutet Doppelaufladung und aus welchem Grund wird sie eingesetzt? Vor- und Nachteile nennen. Doppelaufladung bedeutet, dass die Aufladung mit zwei Vorrichtungen (z.b. mechanischer Verdichter und Abgasturbolader) in Reihe oder im parallel, gleichzeitig oder abwechselnd durchgeführt wird. Die Aufladung kann damit bei allen Drehzahlen optimal durchgeführt werden (Vorteil) aber der Motor wird damit teuerer und schwerer und seine Wartung aufwändiger (Nachteil). SKM_ mcd

12 Frage g.3 Was ist ein zweistufiges Aufladesystem mit hydraulischem Leistungstransfer? Vor- und Nachteile nennen. (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_3_zusatz) Bei den großen Dieselmotoren kann der Überschuß in Turbinenleistung eines Turbolader der Kurbelwelle hinzugeführt werden. Dazu braucht man eine entsprechende Vorrichtung (z.b. mechanisches Getriebe oder hydraulischer Leistungstransfer) und die Leistung normalerweise möglichst in beiden Richtungen zu transferieren. Bei niedrigen Motordrehzahlen wird damit der Turbolader unterstützt, da die Abgase zu weniger Leistung zum Antreiben des Turboladers abgeben können (die Abgasmassenströme sind zu gering), und bei höheren Drehzahlen treibt die Turbine die Kurbelwelle zum Teil an (Vorteil). Das ganze System ist sehr komplex und teuer und der Wirkungsgrad bei der Leistungstransfer ist nicht immer ausreichend, um diesen Transfer zu rechtfertigen (Nachteil). Frage h.1 Was ist Sekundärlufteinblasung und wozu wird sie eingesetzt? (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_1b) Sie wird eingesetzt um Zusatzluft in den Auslasskanal oder Abgaskrümmer einzublasen. Damit können die noch unverbrannt gebliebenen Kohlenwasserstoffe aus den Abgasen oder sogar zusätzlich eingespritzter Kraftstoff (eingespritzt entweder im Zylinder vor dem Öffnen des Auslassventils = Nacheinspritzung oder direkt in Abgaskrümmer) im Katalysator zum Brennen verhelfen, um somit den Kat schneller zur Betriebstemperatur zu bringen. Frage h.2 Was bedeutet Katalysator-Light-off und wie wird dies verbessert? (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_1a) Die Katalysator-Light-Off Phase ist die Zeit bis der Katalysator seine minimale Betriebstemperatur erreicht. Wege zur ihren Verbesserung sind z.b. unter Frage a.1 oben beschrieben. Frage i.1 Was bedeutet aktive Partikelfilterregeneration? Passive DPFs benötigen keine externe Wärmequelle, da die Abgastemperatur durch den höheren Abgasgegendruck steigt, wenn sich der DPF mit Rußpartikeln füllt. Während des Anstiegs der Rußmenge erhöhen sich der Abgasgegendruck und damit die Abgastemperatur auf bestimmte Schwellenwerte. Sind diese Schwellenwerte erreicht, wird der Ruß oxidiert, der Filter regeneriert, und die Abgastemperatur sinkt wieder. Der DPF hält erneut Rußpartikel zurück, und der Vorgang wiederholt sich. Andere Alternativen sind unter Frage f.2 vorgestellt. Aktive DPFs beruhen auf demselben Prinzip, es wird jedoch Wärme von außen zugeführt, um die Regeneration durch eine vorübergehende Erhöhung der Abgastemperatur zu fördern. Die Wärmezufuhr erfolgt über elektrische Beheizung, Einspritzung von Dieselkraftstoff in den Abgasstrom im Abgaskrümmer (z.b. nach der Turbine) oder Nacheinspritzung im Zylinder unmittelbar vor dem Öffnen der Auslaßventile Aktive Filter werden eingesetzt, wenn die Motorabgastemperatur für passive PDF-Systeme zu gering ist. SKM_ mcd

13 Frage i.2 Was bedeutet zylinderdruckgeführte Verbrennungslagenregelung? (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_6b) Um die Verbrennung zu optimieren, sollte man die Schwerpunktlage der Fläche unter der Wärmefreisetzungsverlaufkurve bestimmen. Viele Untersuchungen haben gezeigt, dass wenn diese Schwerpunktlage ca. 6 bis 8 KW nach OT liegt, ist der Wirkungsgrad der Verbrennung maximal. Um den Wärmefreisetzungsverlauf bestimmen zu können, sollte der Druckverlauf im Zylinder gemessen werden. Dazu muss man aber im Zylinder einen Druckaufnehmer einsetzen und die Messung ständig durchführen! Frage j.1 Was ist HCCI-Brennverfahren und wie viele Varianten sind Ihnen bekannt? (Zusatzquelle: public/gheorghiu/skm/votraege_ws05/gr_4b) HCCI bedeutet Selbstzündung eines homogenen Gemisches. Bei Dieselmotoren wird die Verbrennung ebenfalls durch Selbstzündung eingeleitet, aber das Gemisch ist stark inhomogen. Um das Homogengemisch vorzubereiten, soll die Einspritzung schon sehr früh (z.b. schon während Ansaugens) beginnen, um ausreichende Zeit für die Verdampfung und Vermischung zur Verfügung zu stehen. Hilfe verschafft die Beimischung von AGR-Abgasen, die die Temperatur des Gemisches erhöhen und somit die Verdampfung des Kr. begünstigen. Frage j.2 Kann ein Zusatz von fremden Stoffen (wie Wasser, Alkohol, Wasserstoff oder Sauerstoff) im Zylinder die Verbrennung begünstigen? Wenn ja, warum wird so was nicht häufig eingesetzt? Alle diese Zusatzstoffe können die Verbrennung aber in unterschiedlichen Arten begünstigen. Wasser z.b. reduziert die maximale Temperatur und somit die Produktion von NOx. Alkohol hat auch in seinem Molekül Sauerstoff und somit begünstigt lokal die Verbrennung. Wasserstoff erhöht die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit. Sauerstoff beeinflußt die Verbrennung lokal, so dass die unverbrannten Kohlenwasserstoffe stark reduziert aber die Produktion von NOx stark angetrieben werden. Deren Einsatz ist verbunden mit manchmal sehr komplizierte Speicherung- und Dosierungs- Vorrichtungen und mit erhöhten Betriebskosten. Frage k.1 Welche Vorteile und Nachteile bringt eine kleine Anzahl von Zylindern mit? Vorteile: Leichter Motor, reduzierte Reibverluste, niedrige Anschaffungs-, Reparaturund Wartungs-Kosten Nachteile: Geringes Drehmoment wenn die Aufladung nicht richtig angesprungen ist (bei niedrigen Motordrehzahlen) Frage k.2 Kann die Erfassung des Zylinderdruckes bei der Motorregelung helfen um die Verbrennung zu optimieren? Wenn ja, warum denn? Die Antwort findet man unter Frage i.2. SKM_ mcd