Kleinmotoren und Umwelt Vorlesung Einführung in den Maschinenbau und Technologiefolgenabschätzung Assoc. Prof. Dr. techn. Roland Graz, 12.10.2018 1
View on the main world wide motorcycle markets 31 51 48 13 4.5 2 18 16 29 12.5 6 2020: annual production of two wheelers of up to 120 mio. same quantity as passenger car production source: Samaras source: Freedonia, 2011 2
View on the biggest Asian motorcycle markets 31 51 48 13 4.5 source: IFEU 2 source: IFEU 18 16 29 12.5 6 66% of HC emissions from the road comes from two wheelers 6-14% growth of two wheeler market source: Samaras 3
View on the European motorcycle markets 31 51 48 13 4.5 2 18 16 29 12.5 6 only 3% of travelled miles more than 30% of HC emissions are produced by two wheelers (rising tendency) source: Samaras 4
View on the main world wide motorcycle markets 9 8 7 6 Euro 1 Passenger cars Motorcycles HC [g/km] 5 4 Euro 1 Euro 2 3 2 1 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 2 Euro 3 0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Year source: EurLex 5
View on the main world wide motorcycle markets Specific Power / BMEP comparison for Passenger cars and motorcycles BMEP / bar 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Gasoline engines (Motorcycle/Passenger cars) P e kw/l 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Engine speed / min rpm 1 160 140 120 100 80 60 40 20 Toyota Aygo (MY06) Ferrari 458 Speciale (MY14) BMW S 1000 RR (MY15) Mercedes A 45 AMG (MY14) source: Eichlseder 6
View on the main world wide motorcycle markets 7
View on the main world wide motorcycle markets 31 51 48 13 4.5 2 18 16 29 12.5 6 General demands on motorbike engines Emission (obligatory) High power density Low cost and simplicity Easy maintainability Automotive technologies cannot easily be implemented in motorcycles New technologies are required 8
Kleinmotoren Grundlagen Vorlesung Einführung in den Maschinenbau und Technologiefolgenabschätzung Roland Graz, 12.10.2018 9
Arbeitsverfahren Verbrennungskraftmaschine 4-Takt Motor: 1. Ansaugtakt 2. Verdichtungstakt 3. Arbeitstakt 4. Ausschiebetakt 10
Arbeitsverfahren Verbrennungskraftmaschine 4-Takt Motor: 1. Ansaugtakt 2. Verdichtungstakt 3. Arbeitstakt 4. Ausschiebetakt [Video 4-Takt Motor] 11
Arbeitsverfahren Verbrennungskraftmaschine 2-Takt Motor: 1. Takt: Gaswechsel / Verdichten 2. Takt: Arbeitstakt / Gaswechsel 12
Arbeitsverfahren Verbrennungskraftmaschine 2-Takt Motor: 1. Takt: Gaswechsel / Verdichten 2. Takt: Arbeitstakt / Gaswechsel 13
Berechnung der Arbeit Arbeit = Volumensänderungsarbeit: δw pdv W pdv W pdv Gesamter Zyklus: W W W W W W ab Zyklus pdv pdv pdv W pdv W pdv W pdv W pdv pdv pdv 14
3 + 1 4 2 p u + W ab Zyklus pdv pdv pdv pdv pdv 15
Mitteldruck Ziel: Maß für Arbeit, unabhängig von Motorgröße Arbeit auf Hubvolumen beziehen Pa Einheit entspricht Druck p mi W ab Zyklus V h indizierter Mitteldruck 16
Mitteldruck P p me p mi η m effektiver Mitteldruck Typische Werte für Mitteldruck: Motortyp p me [bar] 2-T Otto Saugmotor 9 4-T Otto Saugmotor 12 (14) 4-T Ottomotor mit Aufladung 22 4-T Dieselmotor mit Aufladung 20 (24) 17
Mitteldruck Achtung: Mitteldruck = Mittelung [Druck] über [Volumen] NICHT Mittelung [Druck] über [Grad Kurbelwinkel] p mi pdv V h pdφ V h 80 70 p=f( KW) p=f(v) 60 Zylinder Druck in bar 50 40 30 20 10 0 0 60 120 180 240 300 360 Kurbelwinkel in KW -300-200 -100 0 100 200 300 Zylinder Volumen in cm³ 18
Reale Messdaten 80 70 4-Takt 2-Takt 5.0 4.5 4-Takt 2-Takt Zylinder Druck in bar 60 50 40 30 20 Zylinder Druck in bar 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 10 0.5 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Zylinder Volumen in dm³ 0.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Zylinder Volumen in dm³ 19
Vergleich 2Takt / 4Takt 80 70 4-Takt 2-Takt 80 70 4-Takt 2-Takt 60 60 Zylinder Druck in bar 50 40 30 Zylinder Druck in bar 50 40 30 20 20 10 10 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Zylinder Volumen in dm³ 0 0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 Kurbelwinkel in KW 20
Zusammenhang Mitteldruck Leistung P Arbeit: W p V W p V Leistung: P W n p V n(2-takt Prozess) P W p V m (4-Takt Prozess) W 21
Auslegung Verbrennungsmotor P Ein Antrieb für ein Motorrad soll ausgelegt werden. Die geforderten Motordaten für den 4-Takt Motor lauten: Rechenbeispiel Zylinderanzahl: Hubvolumen pro Zylinder: Maximale Drehzahl: Indizierter Mitteldruck: Mechanischer Wirkungsgrad: i2 V h Zyl 500 cm 3 n 12000 U min p mi 14 bar η m 0,85 a) Wie groß ist der effektive Mitteldruck? Mit welchem Motortyp ist dieser Wert erreichbar? b) Welche maximale Leistung liefert der Motor? c) Wie groß muss der (Gesamt)Hubraum bemessen werden, wenn die selbe Leistung in einem 2-Takt Verfahren mit 8 bar effektivem Mitteldruck erreicht werden soll, der n 14000 min 22 U drehen kann?
Lösung Auslegung Verbrennungsmotor (1) P Rechenbeispiel a) Wie groß ist der effektive Mitteldruck? Mit welchem Motortyp ist dieser Wert erreichbar? p p η p me 14 0,8511,900 bar Erreichbar z.b. durch 4-T Otto Saugmotor b) Welche maximale Leistung liefert der Motor? P p V P 11,9 10 2 500 10 P ab 4T 119 000 W 119 kw m W 23
Lösung Auslegung Verbrennungsmotor (2) P Rechenbeispiel c) Wie groß muss der (Gesamt)Hubraum bemessen werden wenn die selbe Leistung in einem 2-Takt Verfahren mit 8 bar effektivem U Mitteldruck erreicht werden soll, der n 14000 drehen kann? P p V n V h m min 0,0006375 m 637, 5 cm 3 24
wozu? P Typische Kundenanforderung: Ein Kunde wünscht einen Fahrzeugantrieb; folgende Randbedingungen werden vorgegeben: Leistung Hubvolumen Maximale Drehzahl: P V h n Herangehensweise: Wie hoch ist der effektive Mitteldruck (2T und 4T Konzept)? Ist der Antrieb mit einem 4-Takt Otto-Saugmotor realisierbar? Welches Motorkonzept wäre hierfür am besten geeignet? 25