Institut für Fahrzeugsystemtechnik Lehrstuhl für Fahrzeugtechnik Leiter: Prof. Dr. rer. nat. Frank Gauterin Rintheimer Querallee 2 76131 Karlsruhe Übung zur orlesung Grundlagen der Fahrzeugtechnik I Übung 4 10.01.2014 1 Aufgaben zu erbrennungsmotoren a) Zeichnen Sie im nachfolgenden Bild die erläufe für den idealen Carnot-Prozess und im weiteren Bild die erläufe für den Seiliger-Prozess ein. Kennzeichnen Sie die zu- und abgeführte Wärmemenge. Tragen Sie außerdem die zugehörigen Angaben in die vorgegebenen Platzhalter an den Achsen ein. T S Abbildung: -- und T-S-Diagramm des idealen Carnot-Prozesses T Abbildung: -- und T-S-Diagramm des Seiliger-Prozesses S KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
b) Auf welchem allgemeinen ergleichsrozess basieren die ergleichsrozesse von Otto- und Dieselmotor? c) Betrachten Sie das --Diagramm des Seiliger-Prozesses. ergeben Sie für die Eckunkte Nummern und nennen Sie anhand des Seiliger-Prozesses in folgender Tabelle die stattfindenden thermodynamischen Prozesse. 1-2:.. 3-4:.. 5-1: 2-3:.. 4-5:.. d) Betrachten Sie das --Diagramm des Seiliger-Prozesses. Während des Ladungswechsels sinkt der Druck isochor auf das Umgebungsniveau ab. Dadurch geht Restenergie ungenutzt verloren. Wie wird bei manchen Motoren die Restenergie teilweise genutzt? Wie könnte man theoretisch diese Restenergie außerdem nutzen und was sricht dem raktisch, besonders im Hinblick auf die Nutzung im PKW, entgegen? e) Zeichnen Sie in das --Diagramm den realen Druckverlauf eines Diesel-Motors (ohne Aufladung) im 4-Takt Betrieb incl. Ladungswechselschleife ein. Tragen Sie die Durchlaufrichtungen ein und kennzeichnen Sie das Hubvolumen h sowie das Komressionsvolumen C. Tragen Sie die Linie = 1 bar in das Diagramm ein und beschriften Sie diese Linie. Achten Sie auf eine eindeutige Skizze der Kennlinie. Abbildung: --Diagramm eines Diesel-Motors (ohne Turbo-Aufladung) - 2 -
f) Tragen Sie in obiges Bild realitätsnah die entilöffnungs- und schließunkte ein: EÖ ES AÖ AS Einlass öffnet Einlass schließt Auslass öffnet Auslass schließt g) Wie ist das erdichtungsverhältnis definiert? Nennen Sie die Formel und beschreiben Sie die Anteile eindeutig. h) Warum lässt sich das erdichtungsverhältnis beim Ottomotor, warum beim Dieselmotor nicht beliebig erhöhen? i) Wie hoch ist der effektive Wirkungsgrad heutiger 4-Takt Ottomotoren? 2 Aufgaben zu Abgasemissionen bei Otto-Motoren a) Welches erhältnis beschreibt die Luftverhältniszahl? In welchem Bereich von ist das homogene Gemisch eines Otto-Motors zündfähig? b) Welche drei relevanten Schadstoffe emittiert ein Otto-Motor ohne Abgasnachbehandlung? Skizzieren Sie für einen Otto-Motor im folgenden Bild den erlauf der Rohemissionen in Abhängigkeit vom Luftverhältnis Abbildung: Schadstoffkonzentration K eines Otto-Motors (ohne Abgasnachbehandlung) - 3 -
c) Nennen Sie Gründe für den erlauf der Kennlinien (warum steigt die Konzentration in manchen Bereichen, warum fällt die Konzentration in anderen Bereichen, warum zeigt eine Kurve ein Maximum?). d) In welchem Bereich arbeitet ein 3-Wege Katalysator? Kennzeichnen Sie diesen Bereich im Diagramm zu Aufgabenteil b) eindeutig. e) Nennen Sie die drei wesentlichen Komonenten am Motor bzw. am Fahrzeug, die erforderlich sind, um diesen Arbeitsbereich einzuregeln. f) In einem 3-Wege-Katalysator laufen arallel drei chemische Reaktionen ab. Listen Sie diese chemischen Reaktionen auf (es ist nicht erforderlich, die korrekten Zahlenfaktoren vor den chemischen Bezeichnungen anzugeben). g) Zeichnen Sie den erlauf der Motorleistung N e und des sezifischen erbrauchs b e eines Ottomotors über dem Luftverhältnis. Kennzeichnen Sie den Punkt größter Leistung und den Punkt mit dem geringsten sezifischen erbrauch. Machen Sie dabei vor allem deutlich, wo Minima oder Maxima bezüglich = 1 liegen. Markieren Sie den Bereich fetten und mageren Gemisches. Achten Sie auf eine korrekte Beschriftung der Achsen. =1 Abbildung: Motorleistung N e und sezifischer erbrauch b e eines Otto-Motors h) Warum werden konventionelle Otto-Motoren mit Abgasnachbehandlung nicht im Minimum des sezifischen Kraftstoffverbrauchs betrieben? i) Warum ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch eines Schichtlademotors bei einem Luftverhältnis von = 3 zündfähig? - 4 -
3 Aufgaben zu Abgasemissionen bei Diesel-Motoren a) Zeichnen Sie den erlauf der Schadstoffkonzentration (CO, CmHn, NOx und Ruß) in Abhängigkeit vom Luftverhältnis für einen direkt einsritzenden Dieselmotor. Der erlauf muss nur qualitativ angegeben sein. Abbildung: Schadstoffkonzentrationen eines Diesel-Motors (ohne Abgasnachbehandlung) b) Warum kann beim Dieselmotor kein konventioneller 3-Wege-Katalysator verwendet werden? c) Welche Katalysatorart ist heute bei Pkw-Dieselmotoren weit verbreitet? d) Welche chemischen Reaktionen laufen bei diesem Katalysator für Dieselmotoren ab? Listen Sie nur die Reaktionen auf, die eine Schadstoffminderung von über 20 % gegenüber einem Betrieb ohne Katalysator bewirken. - 5 -