Otto- und Dieselmotoren

Transcription

RFH
SAIYA.DE
07.03.2007
Version 1.3.5
Inhalt
1.
Einleitung
4
Maschinenrichtlinien
4
Normbedingungen
4
2.
Übersicht
5
2.1
Gliederung der Verbrennungsmotoren
5
2.1
Hauptmerkmale der Otto- und Dieselmotoren
5
3.
Verbrennungsprozess
6
3.1
Grundprinzip des thermodynamischen Kreisprozesses
6
3.1.1
Carnot’scher Kreisprozess (T-S-Diagr.)
6
3.2
Die Idealmaschine
7
3.2.1
p-V- und T-S-Diagramm des Ottoprozesses
7
3.2.2
p-V- und T-S-Diagramm des Dieselprozesses (Seiligerprozess)
8
3.3
„Vollkommener Motor“ (nach DIN 1940)
9
3.4
Der wirkliche Motor
9
3.4.1
Wirkliches p-V-Diagramm des Ottomotor
9
3.5
Mittlerer Kolbendruck & Motorleistung
10
4.
Wirkungsgrad & Verluste
11
4.1. Zusammensetzung des effektiven Wirkungsgrad
11
4.2. Thermodynamischer Wirkungsgrad
12
4.2.1.
Dieselprozess (Seiliger):
12
4.2.2.
Ottoprozess:
12
4.2.3.
Klassischer Dieselprozess:
12
4.2.4.
Herleitung:
12
4.3. Mechanischer Gesamtwirkungsgrad
13
4.4. Umsetzungsgrad
13
4.5. Sankey Diagramm
13
4.6. Wirkungsgrad und Verdichtungsverhältnis
14
4.7. Weitere Verluste
14
4.7.1.
Konvektionswärme (Wärmeübertragung)
14
4.8. Verbesserung des Kreisprozesses
15
5.
Arbeitsverfahren
16
5.1
Vier-Takt
16
5.2
Zwei-Takt
17
6.
Füllung und Ladungswechsel
18
6.1
Prozessverlauf
18
6.2
Kreisdiagramm des Ladungswechsels
18
6.3
Diagramm der Zeitquerschnitte
19
7.
Kühlung
20
8.
Kraftstoff
21
8.1
Einflüsse/Wirkungen im Otto-/Dieselmotor
21
8.2
Allgemeine Definition
21
8.3
Systeme für die Kraftstoffaufbereitung
21
8.4
Wesentliche Eigenschaften der Otto-Kraftstoffe (nach DIN EN 228)
22
8.5
Das CH-Molekül
23
8.6
Klopffestigkeit kontra Zündwilligkeit
24
8.6.1
Superbenzin-Zusammensetzung
24
8.6.2
Modell zur Demonstration der Klopfentwicklung:
24
8.6.3
Klopfende Verbrennung im Ottomotor:
25
8.6.4
Klopferscheinungen werden begünstigt durch:
25
8.6.5
Oktan-Zahl
Fehler! Textmarke nicht definiert.
8.7
Gaskraftstoffe
26
1.1.
1.2.
8.7.1
Methanzahl
8.7.2
Dieselmotor mit Gas betreiben?
8.8
Dieselkraftstoffe
8.8.1
Cetanzahl
8.8.2
Nagelnde Verbrennung
9.
Gemischbildung
9.1
Luftverhältnis
9.2
Verbrennungsverhältnis
9.2.1
Volumetrischer Gemischheizwert HGem (nur für Luft und Kraftstoff)
9.2.2
Gemischheizwert
10.
Triebwerk
10.1 Tauchkolbentriebwerk (trunk-piston-engine)
10.2 Kreuzkopfmotor (cross-head-engine)
10.3 Kurbelwelle (crankshaft)
10.4 Pleuelstange (CONROD, connecting-rod)
10.4.1 Marinisierung der Pleuelstange
10.4.2 Pleuel schräg teilen
11.
Zylinderanordnung
11.1 Reihenmotor, R-Motor
11.2 V-Motor
11.3 VR-Motor
11.4 W-Motor
12.
Ventile und Ventilsteuerung
12.1 Nockenformen
12.2 Lage der Nockenwelle
13.
Verbrennungsraumgestaltung
13.1 Verschiedene Brennräume (Ottomotor)
13.1.1 Ricardo-Brennraum
13.1.2 Kugel-Brennraum
13.1.3 Keil-Brennraum
13.2 Hauptanforderungen an Brennräume von Ottomotoren
13.3 Brennräume beim Dieselmotor
14.
Drehzahlen
15.
Charakteristische Kenngrößen von Verbrennungsmotoren
16.
Vorgehensweise für die Motorauslegung
16.1 Anhaltspunkte
17.
Aufgaben/Berechnungen
17.1 Aufgabe 1
17.2 Aufgabe 2
17.3 Aufgabe 3
18.
Impressum, Quellen und wichtige Hinweise
3
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26
26
26
26
26
27
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28
29
29
30
30
30
31
31
31
31
32
32
32
32
32
33
33
33
34
34
34
34
34
34
35
37
38
40
40
41
41
42
43
44
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1. Einleitung
Straßenfahrzeuge
Schiffsmotoren
Otto- &
Dieselmotoren
Stromerzeugungsaggregate
(GENERATOR SETS)
Kleine
Wasserfahrzeuge
(SMALL CRAFT) bis
Rumpflänge 24m
„Ein Straßenfahrzeugmotor muss konstruktiv, baulich und prüfungsorientiert
(einsatzmäßig) für das Volumen des Motors die größte Hubraumleistung
haben. Der Einsatz der Werkstoffe (Masse) soll nach unten gerichtet sein
(kleinstmöglich, Leichtbau).“
1.1.
Maschinenrichtlinien
Die „CE“-Kennzeichnung





MRL
DGRL
ATEX
NSP-RL
EMVRL
Maschinenrichtlinie (MACHINERY DIRECTIVE)
Druckgeräterichtlinie (PRESSUR DIRECTIVE)
Explosionsschutzrichtlinie (EXPLOSION PROTECTION DIRECTIVE)
Niederspannungs-Richtlinie (LOW VOLTAGE DIRECTIVE, LVD)
Elektromagnetische Verträglichkeit (ELECTRO-MAGN.-COMPATIBILITY)
„CE“ gilt nur für denjenigen, der die Maschine verwendungsfertig in Betrieb nimmt.
„Betriebsbereit“ ist eine Maschine, wenn der Motor fertig eingebaut ist!
1.2.
Normbedingungen
ISO-Standard:
pamb = 1000 mbar; tamb = 25°C; Φrel = 30% (rel. Luftfeuchte)
IACS (Schiffe):
pamb = 1000 mbar; tamb = 45°C; Φrel = 60%
4
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2. Übersicht
2.1 Gliederung der Verbrennungsmotoren
Kriterien
Verbrennungsort
Verbrennungsprozess
Arbeitsverfahren
Füllungsart
Kühlungsart
Kraftstoffart
Gemischbildung
Triebwerk
Zylinderanordnung
Gaswechsel
Drehzahl
Verwendungszweck
Varianten
Innere Verbrennung, Äußere Verbrennung (Stirling-Motor)
Gleichraumprozess (Ottomotor),
Gleichdruckprozess (Klassischer Dieselmotor),
Seiligerprozess (gemischter Prozess, heutiger Dieselmotor)
Viertaktspiel, Zweitaktspiel
Selbstansaugend, aufgeladen (Turbo)
Wassergekühlt, Ölgekühlt, Luftgekühlt
Flüssigkraftstoff (z.B. Benzin, Methanol, Dieselkraftstoff, Biokraftstoff,
Schweröl, Mischöl), Gasförmiger Kraftstoff (z.B. Erdgas, Flüssiggas (LPG),
Biogas, Wasserstoffgas)
Vergasermotor, Einspritzmotor, Gasmotor, Äußere und Innere
Gemischbildung
Tauchkolbenmotor (Hubkolbenmotor), Kreuzkopfmotor,
Kreiskolbenmotor (Wankelmotor)
Reihenmotor, V-, W-, Boxer-Motor, (früher auch: H-, X-, Dreieck-Motor)
Oben- / Untengesteuert (4-Takt, Ventile) Schlitz- oder Ventil- und
Schlitzgesteuert
Schnelllaufend, mittelschnelllaufend, langsamlaufend
Straßenfahrzeuge (PKW, LKW, Bus), Bahnantrieb (Lok, Triebwagen),
Schiff, kleines Wasserfahrzeug (small craft), Rasenmäher, Traktor,
Landmaschinen, Baumaschine, Flurförderzeug, Kompressorantrieb,
Pumpenantrieb, Generatorantrieb, Flugzeugantrieb, Bagger,
Sonderfahrzeuge, Panzer, Motorrad, Moped
2.1 Hauptmerkmale der Otto- und Dieselmotoren
Ottomotoren
Dieselmotoren
Gleichraumverbrennung (Ottoprozess)
Gemischte Verbrennung (Seiligerprozess)
Fremdzündung
Selbstzündung
Leichtflüchtige Kraftstoffe mit hoher
Klopffestigkeit (ROZ/MOZ)
Zähe Kraftstoffe mit hoher Zündwilligkeit
Gemischmengenregelung (Quantitätsregelung)
Kraftstoffmengenregelung (Qualitätsregelung)
der Leistung
der Leistung
Innere oder äußere Gemischbildung
(Direkte/Saugrohr-Einspritzung oder
Vergasersystem)
Mit Hubkolben- und Rotationskolbentriebwerk
realisierbar
5
Innere Gemischbildung (Indirekte oder direkte
Einspritzung)
Mit Hubkolbentriebwerk realisierbar
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3. Verbrennungsprozess
3.1 Grundprinzip des thermodynamischen Kreisprozesses
Ziel: annähernd periodische Prozesskette
T
2
Prozesse im Motor sind alle irreversibel (nicht
umkehrbar). Der Anfangszustand (energetisch) kann
nie wieder hergestellt werden.
2
3
(Zugeführte Wärmekapazität)
3.1.1
3
QNutz
1
Carnot’scher Kreisprozess (T-S-Diagr.)
QNutz
4 1
Qab
T = Temperatur [K]
S = Entropie [kJ/K]
s = Entropie [kJ/kgK]
4
Qab
s
Thermodynamischer Wirkungsgrad:
T
3
3
2
2
Links: T-s-Diagramm zweier Prozesse
Je schmäler die Basis (Δs) desto weniger Verluste
durch Rückkehr in den Ausganspunkt.
QNutz
QNutz
4
4
1
1
Qab
Die Entropieänderung Δs (Wärmeverluste) ist beim
heutigen Dieselmotor am geringsten (Flächenbreite
ist schmäler)
Qab
Δs
Δs
p3>p2
p2>p1
T
Isobare und Isochore im T-s-Diagramm:
Isochore verlaufen wesentlich steiler!
Dieselmotor
1-2: Isentrop
2-3: Isochor
3-4: Isentrop
4-1: Isochor
1-2: Isentrop
2-3: Isochor
3-4: Isobar
4-5:Isentrop
5-1:Isochor
T
Zugeführte
Wärme
V2
V1
s
3
3
4
2
3
2
Genutzte
Wärme
1
Verlorene
Wärme
Ottomotor
6
p1
V3
Abgeführte Wärme kann wenig beeinflusst werden, aber das
Niveau 23 kann so weit erhöht werden, dass die Breite der
Fläche sehr schmal und dadurch auch qab sehr klein wird.
Ottomotor
s
2
4
5
1
Dieselmotor
1
Ehemaliger
Dieselmotor
s
SAIYA.DE
3.2 Die Idealmaschine
„Der Vergleichsprozess ist die Abbildung eines motorischen Kreisprozesses, der
die Merkmale liefert, nach welchen die bestmögliche Ausnutzung der
Kraftstoffenergie in einem Hubkolben (Verbrennungsmotor mit innerer
Verbrennung) möglich wäre. D.h. der vollkommene Motor enthält die
Benchmarks für die Beurteilung der Wirkungen im realen Motor.“
3.2.1
p-V- und T-S-Diagramm des Ottoprozesses
3
p
T
3
2
-ΔWp
2
-ΔWt
4
pamb
1
punterdruck
OT
VC
4
5
5
1
6
UT
Oberer Totpunkt
Unterer Totpunkt
Kompressionsvolumen
Hubvolumen
1 → 2: isentrop (früher: „adiabatisch“)
Es findet kein interner als auch kein
peripherer Wärmeaustausch statt
2 → 3: Isochore Verbrennung
3 → 4: Isentropische Expansion
4 → 1: Ausstoß von verarbeitetem Gas (isochor)
7
s
V
Vh
-ΔWp = Arbeitsfläche bedingt durch das „Nicht-Erreichen“ des Anfangsdruckes
-ΔWt = Arbeitsfläche bedingt durch „Nicht-Erreichen“ der Anfangstemperatur
OT:
UT:
VC:
V h:
6
Δs
3.2.2
p-V- und T-S-Diagramm des Dieselprozesses (Seiligerprozess)
3
p
SAIYA.DE
4
T
Isobar
4
Isochor
3
2
Isentrop
2
5
5
pamb
1
1
OT
VC
UT
V
Vh
s
Δs
1 → 2: isentrop
2 → 3: Isochore Verbrennung
3 → 4: Isobare Verbrennung
Der restliche Kraftstoff wird verbrannt, während der Kolben schon wieder hinfährt.
4 → 5: Isentrope Expansion
5 → 1: Ausstoß
Einzige Änderung zu oben: Selbstzündung
sonst: Wärmedichte Wände usw.…
Die Linien sind Exponentiallinien nach dem Gesetz
8
SAIYA.DE
3.3 „Vollkommener Motor“ (nach DIN 1940)
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
reine Leistung (ohne Restgas)
λVoMo = λWiMo
Vollständige Verbrennung
Verbrennungsablauf nach vorgegebenem Gesetz (Ideale Gase, cp,cv ≠f(t))
Keine Wandwärmeverluste
Keine Strömungs- und Leckageverluste
Ohne Ladungswechselverluste
3.4 Der wirkliche Motor
Die Punkte a) bis g) s.o. treffen hier nicht zu!
Zu b): Luftverhältnis
(bleibt dennoch gleich)
Es gibt 4 wesentliche Punkte für die Formabweichung des wirklichen Motorprozesses von der
Form des vollkommenen Motorprozesses:
I.
II.
Nicht isentrope Expansion
Zeitlicher Bedarf der Verbrennung
III.
Zeitlicher Bedarf der Vorzündung
IV.
Auswirkungen der Strömungsverluste
Weitere Abweichungen des wirklichen Motors vom Vollkommenen:
Einfluss des Liefergrades
Einfluss der Ladungswechselarbeit
3.4.1
p
3
Wirkliches p-V-Diagramm des Ottomotor
Zeitl. Verbrennungsbedarf
pmax
Strömungsverluste
durch Auslass und
Ausschiebevorgang
Strömungsverluste
Die rote, gestrichelte Linie
entspricht der Kurve der
Idealmaschine.
Polytrope Expansion/
Kühlungsverluste
2
Isentrop:
4
pamb
Polytrop:
Vorzündung
polytrope Kompression
1
+Wi
OT
VC
9
<
+WV
UT
Vh
V
SAIYA.DE
3.5 Mittlerer Kolbendruck & Motorleistung
Die Fläche des Indikatordiagramms (Druck, Weg) entspricht der in einem Zylinder je Arbeitsspiel
geleisteten Arbeit W. Verwandelt man diese Fläche in ein Flächengleiches Rechteck, so entspricht
seine Höhe dem mittleren Kolbendruck. Der mittlere Kolbendruck ist ein Maß für die Belastung der
Maschine und ermöglicht eine schnelle Ermittlung der Leistung, wenn drehzahl und Abmessungen
bekannt sind.
Pi =
pi =
PR =
Pe =
pme =
Vh =
na =
d =
s =
AK =
innere Leistung [W] (indizierte Leistung)
mittlerer innerer Kolbendruck
Reibungsverluste
effektive Leistung, Nutzleistung
effektiver mittlerer Kolbendruck (imaginäre Größe)
Hubvolumen [N/m2]
-1
Drehzahl [s ]
Kolbendurchmesser
Hub
Fläche des Kolbenquerschnitts
p
Gleiche Flächen
pi
V

Leistungsformel für den Verbrennungsmotor
Kraftstoff
Luft
Reibungsverluste (PR) infolge von
Pi
Gleitreibung
Rollreibung
Abtriebsenergie für abhängige Hilfseinrichtungen
Pe
Hilfseinrichtungen
(AUXILIARIES)
10
4. Wirkungsgrad & Verluste
4.1.
ηu
ηth
ηv
ηi
ηe
ηm
ηg
HU
QAbgas
ΔηUV
ΔηVG
ΔηW
ΔηLW
Wi
Wv
Pi
Pv
Pe
11
Zusammensetzung des effektiven Wirkungsgrades
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
Umsetzungswirkungsgrad
Thermodynamischer Wirkungsgrad
Wirkungsgrad des vollkommenen Motors
Innenwirkungsgrad (am Kolben)
Effektiver Wirkungsgrad
Mechanischer Wirkungsgrad
Gütegrad
spezieller Heizwert (entspricht der Maximalen theor. Energieausnutzung)
Im Abgas noch enthaltene Verbrennungsenergie
Verluste durch unvollständige Verbrennung
Verluste durch Verbrennungsgeschwindigkeit
Verluste durch Wandwärme
Verluste durch den Ladungswechsel
reale Innenarbeit
ideale Innenarbeit
Innenleistung
Leistung des vollkommenen Motors
(effektive) Nutzleistung
SAIYA.DE
4.2.
SAIYA.DE
Thermodynamischer Wirkungsgrad
4.2.1. Dieselprozess (Seiliger):
Drucksteigerungsverhältnis:
Füllungsgrad:
Bei Verbrennungsmotoren ist im Vergleich der Isochore Prozess zum Isobaren wirtschaftlicher!
Die Steigerung von ρ (Füllungsgrad) ist für den Dieselprozess kontraproduktiv!
4.2.2. Ottoprozess:
Füllungsgrad:
(keine Isobare im p-V-Diagramm)
4.2.3. Klassischer Dieselprozess:
Drucksteigerungsverhältnis:
(Gleichdruckprozess)
4.2.4. Herleitung:
Auf die Herleitung des thermodynamischen Wirkungsgrades wird an dieser Stelle verzichtet.
Es kommen allerdings folgende Formeln zur Umformung der Wärmeformeln vor:
12
4.3.
Mechanischer Gesamtwirkungsgrad
Pe =
PR =
PL =
PSp =
4.4.
SAIYA.DE
Nutzleistung
Reibleistung
Ladeleistung (mech. angetr.)
Spülpumpenleistung (mech. angetr.)
Umsetzungsgrad
Dissoziation der Verbrennungsprodukte
Prozess, bei dem sich nach der Verbrennung der Molekülaufbau ändert (nachträglich)
 Molekülzerfall aufgrund hohen Drucks und/oder hoher Temperatur
→ Umsetzungsgrad:
qAbg
Hu
= im Abgas enthaltene Verbrennungsenergie
= spezifischer Heizwert des Kraftstoffes (früher: „unterer Heizwert“)
Hubgewicht: Maximale Befüllung des Hubvolumens bei Ausnutzung der totalen Geometrie.
4.5.
Sankey Diagramm
Grafische Darstellung des Energieflusses (Zahlen nur als Beispiel)
Qzu (100%)
QV 0,64
+ 0,36
ηthv
QV 0,58
+ 0,06
ηu (unvollkommene Verbrennung infolge Dissoziation)
QV 0,52
+ 0,06
Wärmeverlust durch nicht-isotroper Kompr./Expansion
Qi 0,46
+ 0,06
Gaswechselverluste (Strömungsverluste)
0,40
+ 0,06
mechanische Reibungsverluste (Friktion)
0,38
+ 0,02
mechanischer Aufwand für Kühlung (Lüfter)
Qe
0,38
QAbgas
QKühl
QReib
0,62
13
Qzu
⅓
⅓
⅓
Nutzwärme Qe
Abgaswärme
Kühlwärme
ReibungsStrahlungs
-wärme
4.6.
SAIYA.DE
Einfluss des Verdichtungsverhältnisses
0,9
Bsp.: Ottomotor:
ηth
0,8
mit κ = 1,4
0,7
0,6
Degressiver Charakter einer Asymptote
Wenn ε → ∞ geht: ηth → 1
Bei ε = 1 ist ηth = 0, d.h. der Motor
funktioniert noch nicht
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
ε
0
0
5
10
15
20
25
30
Das Verdichtungsverhältnis bei Ottomotoren zu
erhöhen wird heute nicht mehr als Potenzial gesehen, da wie oben zu sehen ist, die
Verdichtung (ε) z.B. von 10 auf 15 nur eine minimale Verbesserung des thermodynamischen
Wirkungsgrades ergibt.
35
Extreme Anhebung der ε-Werte bei Ottomotoren bedingt die Verwendung der
Direkteinspritzung. Ein wesentlicher Grund dafür ist der Gewinn der inneren
Brennraumkühlung durch Verdampfungswärme des Benzins
4.7.
Weitere Verluste
4.7.1. Konvektionswärme (Wärmeübertragung)
Je steiler der Linienabfall, desto besser ist die
Isolationswirkung
Konvektion ist die Abgabe der Wärme an die
Umgebung aufgrund der Stoffberührung
(verschiedenen Dichten in einem Stoff)
d
Hohe
Temp.
α1
niedrige
Temp.
α2
Wand
Konvektion:
Stoffgebundene Wärmeübertragung
λ
K ist proportional zur relativen Strömungsgeschwindigkeit der beiden Stoffe (warmer/kalter
Stoff) zueinander.
14
40
4.8.
SAIYA.DE
Verbesserung des Kreisprozesses
Der Wärmeverlust durch die Irreversibilität des thermodynamischen Kreisprozesses stellt
den größten Wärmeverlust beim Verbrennungsmotor dar. Deshalb liegen die Anstrengungen
für eine Verbesserung des Kreisprozesses zwecks Minimierung dieses Verlustes im
Vordergrund moderner Motorentwicklung.
Die Wege zur Erreichung dieses Ziels sind z.B.
Aufladungstechnik
Hochdruckeinspritzung
Direkteinspritzung
Elektronische Beeinflussung der Einspritzmenge ~bestimmung und deren Variation
im Rahmen eines Prozessverlaufs
Einfluss auf den Ladungswechselvorgang durch Variation der Ventilsteuerzeiten und
der Einlassquerschnitte, z.B. durch variablen Ventileinlasshub
„Einen wesentlichen Hintergrund dieser
Entwicklungen bildet die Abhängigkeit
zwischen dem spezifischen
Kraftstoffverbrauch und der
Abgasemission (siehe Diagramm) ab.“
Kraftstoffverbrauch
[g/kWh]
Entwicklung
Emission
15
5. Arbeitsverfahren
5.1 Vier-Takt
1. Takt, Ansaugen:
 Kolben im oberen Totpunkt (OT)
 Kolben bewegt sich nach unten,
Auslassventil wird geschlossen
 Luft oder Kraftstoff-LuftGemisch wird in den Zylinder
gesaugt.
 Kolben im
unteren Totpunkt (UT)
2. Takt, Verdichten:
 Kolben bewegt sich nach oben,
Einlassventil wird geschlossen.
 Verdichtung (+ Einspritzung bei
Direkteinspritzer)
 Zündung bzw. Entzündung
durch Druck
3. Takt, Arbeiten:
 Gas dehnt sich aus und schiebt
den Kolben nach unten
4. Takt, Ausstoßen:
 Auslassventil wird geöffnet
 Kolben im UT
 Kolben wandert nach oben,
Abgas wird ausgestoßen
 Einlassventil wird geöffnet
 Kolben im OT
16
SAIYA.DE
SAIYA.DE
5.2 Zwei-Takt
1. Takt: Arbeiten
Brennstoffgemisch wird gezündet und bewegt den Kolben vom OT zum UT. (s.o.)
2. Takt: Ausspülen, befüllen, verdichten
Kolben kehrt zum UT zurück, gleichzeitig wird Abgas mit Frischgas ausgespült und der
Zylinder befüllt. Auslass wird geschlossen, Verdichtung beginnt.
Um ein positives Spülgefälle zu erzeugen ist eine Spülpumpe erforderlich. In der einfachsten Bauform wird
hierzu das Kurbelgehäuse verwendet, aus dem der Brennraum über Überströmkanäle befüllt wird. Die
Steuerung erfolgt hierbei meist vom Kolben selber, indem dieser Aus- und Einlasskanal sowie die
Überströmkanäle überfährt und so öffnet oder schließt.
s
„Der obere Totpunkt (OT) ist der Punkt an dem
der Kolben am weitesten von der Kurbelwelle
entfernt ist. Der untere Totpunkt (UT)
entsprechend umgekehrt.“
d
OT
17
UT
SAIYA.DE
6. Füllung und Ladungswechsel
Aufgabe:
Ausbringung der verarbeiteten Ladung (Abgas) und Einbringung der frischen Ladung (Luft
oder Kraftstoff-Luft-Gemisch)
6.1 Prozessverlauf
Die rot gepunktete Linie beschreibt den Kurvenabschnitt in dem das Auslassventil geöffnet
ist. Die grün gepunktete Linie beschreibt den Abschnitt, wo das Einlassventil geöffnet ist.
Start und Ende dieser Linien (durch dicke Punkte markiert) sind AÖ (Auslassventil öffnen), AS
(Auslassventil schließen), EÖ (Einlassventil öffnen) und ES (Einlassventil schließen).
Saugmotor
Aufgeladen
p
p
AÖ
AÖ
ES
pamb
EÖ
ES
-W
ps
AS
pL
pamb
AS
+W
EÖ
V
V
Beim selbstansaugenden Motor wird
ein Saugdruck (ps) im 1.Takt erzeugt,
welcher das Gas in den
Verbrennungsraum saugt.
(ps < pamb)
Beim aufgeladenen Motor wird ein
Ladedruck (pL) im 1. Takt erzeugt,
welcher das Gas in den
Verbrennungsraum drückt.
(pL > pamb)
Prozesse gegen den Uhrzeigersinn sind Prozesse, die Energie benötigen.
Die Einlasswirkung wird durch die Nachsaugwirkung des abströmenden Abgases (Δp) noch zusätzlich
gefördert.
Die Energie des Ladungswechsels (untere Schleife) stammt aus der vorhergegangenen Verbrennung
(abgeschnittene obere Schleife).
6.2 Kreisdiagramm des Ladungswechsels
Winkel:
= Winkel nach Auslass schließen
= Winkel vor Auslass öffnen
= Winkel nach Einlass schließen
= Winkel vor Einlass öffnen
= Ventilüberschneidung
Wichtigste Punkte sind ES und als zweites AÖ.
(Größter Einfluss auf den Motor)
18
AS
AÖ
OT
UT
EÖ
ES
SAIYA.DE
Voraussetzungen für
optimale Ventilfunktion:
AV /mm2
6.3 Diagramm der Zeitquerschnitte
Auslassverlauf
a) Konstante
Strömungsgeschwindigkeit
während des Ladungsprozesses
b) Gewährleistung des
größtmöglichen freien
Strömungsquerschnitts
c) Minimierung der
Beschleunigungs- und
Verzögerungswirkung
Kontinuitätsgleichung:
Einlassverlauf
UT
OT
UT
α (~T) /°KW
AV
vK
UT
OT
α (~T) /°KW
mit:
Einströmendes Gas
Zylinderkopf
AK = Kolbenfläche = Konstant
AV = Querschnittsfläche am Ventil
vK = Geschwindigkeit des Kolbens
vV = Strömungsgeschw. Der Luft am Ventil = Konstant
hV
φVS
AV
Ventil
Querschnittsfläche am Ventil
19
SAIYA.DE
7. Kühlung
Das Kühlsystem in einem Verbrennungsmotor dient hauptsächlich zur Abführung der
überschüssigen Wärme, die beim Durchlaufen des Kreisprozesses entsteht.
Hauptsächlich kommen Luft- und Wasserkühlung als Primärkühlsystem zur Anwendung.
Daneben wird jedoch auch die Kühlung durch das Schmiermittel genutzt, um den Motor auf
einer günstigen Betriebstemperatur zu halten.
Das Motorkühlsystem ist nicht immer das einzige Kühlsystem in einem Motor,
beziehungsweise Fahrzeug. Zusätzlich können noch separate Systeme für die Ladeluft, das
Motoröl, das Getriebeöl, oder für das Lenkgetriebeöl, oder den Kraftstoff eingebaut sein.
Luftkühlung: Bei der Luftkühlung erfolgt der Wärmetransport durch die an den warmen
Motorbauteilen vorbeiströmende Luft.
Fahrtwindkühlung: Fahrtwindkühlung eignet sich nur für thermisch nicht sehr hoch
belastete Motoren. Sie wird meist für Kraftradmotoren verwendet.
Gebläseluftkühlung: Die Gebläseluftkühlung versorgt die einzelnen Zylinder durch ein
Gebläse mit Kühlluft. Das Gebläse wird meist über einen Keilriemen vom Motor angetrieben.
Flüssigkeitskühlung: Bei der Flüssigkeitskühlung erfolgt der Wärmetransport von den
warmen Motorbauteilen durch strömende Flüssigkeiten, meist durch Wasser mit
Korrosionsschutz- und Gefrierschutzmitteln.
20
SAIYA.DE
8. Kraftstoff
8.1 Einflüsse und Wirkungen im Otto-/Dieselmotor
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Energieerzeugung
Art der Kraftstoffaufbereitung
Art der Kraftstoffverarbeitung
Lebensdauer des Motors
Instandsetzungsumfang und –zyklus
Emission (Abgase)
8.2 Allgemeine Definition
Flüssig, sowie Gasförmig  Brennbare Substanzen (C,H,S) + Ballaste (Asche, Wasser)
 Molekulare Beschaffenheit
Paraffinische Struktur
Olefinische Struktur
Naphtenische Struktur
Aromatische Struktur
8.3 Systeme für die Kraftstoffaufbereitung
flüssige
Kraftstoffe
Ottomotor
Vergasersystem
gasförmige
Kraftstoffe
Dieselmotor
Einspritzsystem
Einspritzsystem
DI / IDI
Äußere
Gemischbildung
Saugrohreinspr.
PLD-System
(Pumpe-LeitungDüse)
Innere
Gemischbildung
DI
PD-System
(Pumpe-Düse)
CR-System
(Common Rail)
Common-Rail (engl. „Gemeinsame Schiene”) ist ein Hochdrucktank, der alle Einspritzventile mit Kraftstoff bei
konstantem Druck versorgt (Abzapfung).
21
SAIYA.DE
8.4 Wesentliche Eigenschaften der Otto-Kraftstoffe (nach DIN EN 228)
Alle Werte/Grenzen beruhen auf ASTM-Messverfahren (Messspezifikationen)
[AMERICAN SOCIETY OF TESTING MATERIALS]
Dichte bei 15°C [kg/m³]
(spez. Heizwert HU [kJ/kg])
ROZ / MOZ (ROZ = Research-Oktanzahl, MOZ = Motor-Oktanzahl (Tankstelle))
Bleigehalt [g/l]
Flammpunkt tFl [°C] Temperatur des Kraftstoffdampfes bei der er sich durch
gegenhalten einer Flamme entzündet (um die 25 °C)
Zündtemperatur tZ [°C] Temperatur bei der sich der Kraftstoff von selbst entzündet
Siedeverlauf
Vol-Destillationsrückstand (max. 2%)
Dampfdruck [kPa] (Gasblasen implodieren bei hohen Temperaturen nicht mehr und
werden mit eingespritzt = zu wenig Kraftstoff im Gemisch)
Benzolanteil [mg/kg]
Olefine-Vol-Anteil
Aromate-Vol-Anteil
Korrosionswirkung auf Kupfer
Aussehen (Verunreinigung, Wasseranteil, usw.)
Oxidationsstabilität
Heutige Ottokraftstoffe müssen außerdem noch bestimmte Additive enthalten, die folgende
Eigenschaften haben:
a) Verhinderung der Ablagerung im Einlass-System
b) Verringerung der Rückstandsbildung im Brennraum bzw. an den Ventilen
c) Korrosionsschutz mittels Passivierung (Verhinderung der Angriffsfähigkeit
metallischer Oberflächen mittels Schutzfilmbildung)
22
SAIYA.DE
8.5 Das CH-Molekül
H
gesättigt
H
C
H
Ungesättigt
H
C
H
H
 Paraffinische Struktur (Alkane)
o Kettenförmig und gesättigt
H
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
o ISO-Paraffine (ISO-Alkane)
CH3
H
CH3
C
H
CH3
oder
CH3
C
CH2
CH3
CH3
H
ISO-Oktan
„Dies sind nur Beispiele“
 Olefinische Struktur (Alkene)
o Kettenförmig und ungesättigt (Doppelverbindungen)
23
H
H
C
C
H
H
H
oder:
CH
H
C
C
C
C
H
H
H
H
SAIYA.DE
Kettenförmige C-H-Verbindungen
-
Paraffine (Alkane)
ISO-Paraffine (ISO-Alkane) (ISO-Oktan)
Olefine (Alkane)
Ringförmige C-H-Verbindungen
-
Naphthene (Cyclo-Alkane)
Aromate (Cyclo-Alkene mit reduzierter Reaktivität)
z.B. Benzol (C6H6) (giftig)
8.6 Klopffestigkeit kontra Zündwilligkeit
Ottomotor: verbesserte Klopffestigkeit
Paraffine
ISO-Paraffine
Olefine
Naphthene ISO-Oktan
Aromate
Dieselmotor: verbesserte Zündwilligkeit
Olefine
8.6.1 Superbenzin-Zusammensetzung
- 53 % Aromate
- 37 % Paraffine & Naphthene
- 8 % Olefine
- 2 % Alkohole ( gute Klopffestigkeit)
Alkohole
Paraffine &
Naphtene
8.6.2 Modell zur Demonstration der Klopfentwicklung:
Hier: selbstansaugender 4-Takt-Ottomotor
EV
AV
Ungünstige Lage da das Auslassventil der Zündkerze am entferntesten ist. Im 2. Bild beginnt
sich die erste Flammfront von links nach rechts zu bewegen. Dabei wird das Gemisch
zusammengeschoben. Die grünen Linien symbolisieren Isobaren. Im 4. Bild entsteht auf der
rechten Seite eine zweite Flammfront, die durch Selbstentzündung, Wärme des
Auslassventils und des angrenzenden Zylinders entstanden ist. Im letzten Bild stoßen die
beiden Flammfronten dann zusammen (schwarzer Kreis) Dies führt zu Schwankungen im
Druckdiagramm:
24
Aromate
p
SAIYA.DE
Kompression
Schwingungen
(leichtes metallisches Ticken)
p
Expansion
Verbrennung
pamb
pamb
OT (0°)
Normaler Druckverlauf
OT (0°)
klopfende Verbrennung
(Bei mehreren Zündkerzen bewegen sich die Flammfronten wesentlich symmetrischer und langsamer durch die
Brennkammer wodurch das Klopfen nicht auftritt!)
8.6.3 Klopfende Verbrennung im Ottomotor:
Unkontrollierte irreguläre Verbrennung mit sehr steilem Rückanstieg infolge Selbstzündung
von Gemischteilen vor Eintreffen der Flammfront, welche durch den Zündfunken eingeleitet
wurde. Daraus resultiert die Förderung einer chemischen Vorreaktion mit erheblicher
Wärmefreisetzung infolge radikaler Bindung (extrem reaktionsfreudiger Molekülbruchteile)
infolge einer Aufspaltung der Moleküle beim Zerfall instabiler
Verbrennungszwischenprodukte (so genannter Peroxide)
Druckgradient
normaler Ottomotor: 2-3 bar/°
klopfender Motor: bis 15 bar/°
Normale Verbrennungsflammgeschwindigkeit:
bei klopfender Verbrennung:
20-60 m/s
300-2000 m/s (!)
8.6.4 Klopferscheinungen werden begünstigt durch:
1. Zu geringe Oktanzahl im Kraftstoff
2. Zündzeitpunkt zu früh (Elektronik falsch)
3. Lastbezogen zu niedrige Drehzahl (= untertourig (nicht niedrigtourig))
Außerdem: Niedrige Drehzahl = Kühlungsverschlechterung, siehe 4.
4. Unzureichende Kühlung und/oder heiße Stellen im Brennraum (Wärmewert der
Zündkerze zu hoch)
5. Zu hohes ε (Kompressionsverhältnis) bezogen auf den verw. Kraftstoff
6. Zu hohe Ansauglufttemperatur
7. Zu hohe Paraffinanteile im Kraftstoff (Paraffine fördern Zündwilligkeit)
8.6.5
Was versteht man unter Klopffestigkeit (ROZ, MOZ)?
Das Maß für die Klopffestigkeit ist die Research-Oktanzahl (ROZ) und die Motor-Oktanzahl
(MOZ).Beide Oktanzahlen werden im CFR-Motor (dieser hat ein veränderlicheres
Verdichtungsverhältnis) durch Vergleich mit einem Bezugkraftstoff aus Iso-Oktan (OZ=100) und
Normalheptan (OZ=0) ermittelt. Der Volumenanteil Iso-Oktan des Bezugkraftstoffes, der die gleiche
Klopfintensität hat wie der zu prüfende Kraftstoff, ist dessen Oktanzahl. Die MOZ ist niedriger als die
ROZ, da sie bei höherer Drehzahl und Gemischvorwärmung auf ca. 150°C ermittelt wird.
25
SAIYA.DE
8.7 Gaskraftstoffe
8.7.1 Methanzahl
Die Methanzahl gibt an, welchem Verhältnis von Methangas (hohes Wärmepotential und
hohe Klopffestigkeit) und Wasserstoff-Gas (keine Klopffestigkeit) der Kraftstoff entspricht.
8.7.2 Dieselmotor mit Gas betreiben?
Problematik: Gase haben eine hohe Klopffestigkeit und damit eine niedrige Zündwilligkeit.
Lösung: Der Motor wird im so genannten „Zündstrahlverfahren“ betrieben. Die
Zündwilligkeit wird nicht durch Kompression erzeugt, sondern man spritzt eine kleine Menge
Diesel mit ein, welcher sich entzündet und so das Gas entflammt. (PI = PILOT INJECTION
ENGINE). Nachteil: Hohe Umbaukosten an den Zylinderköpfen.
Im Ottomotor besteht die Problematik nicht, da dieser mit einer Zündkerze betrieben wird,
die das Gas entflammt.
Die meisten mit Gas betriebenen Motoren sind deshalb Ottomotoren.
(Beispiel: Notstromaggregate)
8.8 Dieselkraftstoffe
8.8.1 Cetanzahl
Der Maßstab für die Zündwilligkeit des Dieselkraftstoffes ist die Cetanzahl (CZ).
Die Cetanzahl eines Kraftstoffes wird ermittelt indem man in einem Versuch das
entsprechende Gemisch aus Hexadecan (Cetan) mit Methylnaphtaltin herstellt.
Ein Gemisch mit CZ = 30 hat demnach 30 % Hexadecan und 70 % Methylnaphthalin.
8.8.2 Nagelnde Verbrennung
Effekt, der beim Dieselmotor auftritt. Hintergrund ist ein Zündverzug der Verbrennungen.
Die gewollte kontinuierliche Verbrennung der Dieseltröpfchen in der heißen Luft verzögert
sich durch ungünstige Motorparameter (z.B. Kaltlauf, Kraftstoff mit zu niedriger Cetanzahl),
und es kommt zu explosionsartiger Verbrennung größerer Mengen von Kraftstoff mit
einhergehender hoher mechanischer Belastung. Die Folgen des Nagelns sind identisch mit
denen des Klopfens.
26
SAIYA.DE
9. Gemischbildung
9.1 Luftverhältnis
Für die Verbrennung von 1 kg Brennstoff werden 12 m³ Luft (erforderlicher
Sauerstoff) benötigt. Dies entspricht ca. 14,8 kg Luft.
Luftverhältnis:
Die Luftzufuhr des Motors ist sehr wichtig, da von ihr auch die Leistung abhängt. Damit das
Luftverhältnis immer optimal ist muss man die Luftmasse an die Kraftstoffmasse anpassen,
da sonst das Gemisch zu mager oder zu fett wird.
Eine Variation des Luftmassenstroms erreicht man z.B. durch eine Drosselklappe vor dem
Einlass in den Verbrennungsraum.
Verbrennungsraum
Luft
Drosselklappe
Durch Turbulenzen hinter der Drosselklappe entstehen aber Verluste (Reibungsverluste). Um
diese Verluste auszuschließen verwendet man anstatt der Drosselklappe eine variable
Einlassventilsteuerung. Dabei wird das Einlassventil je nach Lambda-Wert weniger oder
weiter geöffnet. Dies bewirkt zwar auch eine Turbulenz, welche sich aber nicht negativ in
Verlusten auswirkt sondern stattdessen, positiv in die Leistung eingeht. Im
Verbrennungsraum ist nämlich eine hohe Turbulenz (Vermischung, Zerstäubung) des
Kraftstoffgemisches wünschenswert.
Weniger Druck bedeutet weniger Dichte, d.h. weniger Masse der Luft
Wenig Geschwindigkeitsvariationen bewirkt hohe Druckvariation
Diesel:
Real:
Ottomotor:
Extrem:
Real:
Bei einem Ottomotor führt ein leichter Luftmangel
zur höchsten
Reaktionsgeschwindigkeit. (Beste Effektivität im Kreisprozess)
Der Kraftstoff im Dieselmotor arbeitet mit mehr Luft als im Ottomotor (Luftüberschuss);
daher auch geringere Temperaturen.
Der Luftüberschuss ist für Selbstzünder die wesentliche Voraussetzung. Der Luftüberschuss
liegt daher um ca. 30-40% über dem des Ottomotors.
 Steigt die Geschwindigkeit nähert man sich der isochoren Zustandsänderung (Optimum)
27
SAIYA.DE
Für Ottomotoren:
fettes Gemisch, Kraftstoffreich
(unterstöchiometrisch) [rich mixture]
stöchiometrisches Gemisch
mageres Gemisch, Kraftstoffarm
(überstöchiometrisch) [lean mixture]
vZ = Zündgeschwindigkeit (Reaktionsgeschwindigkeit
im ruhenden oder laminaren Strömungsgemisch)
vF = Flammgeschwindigkeit (Fortschreitung der
Flammenfront im Brennraum) vF=f(λ)
vZ
fett
mager
3
2
1
0,6
0,85
1
1,6
λ
Unter 1m/s der Zündgeschwindigkeit ist keine gesicherte chemische Reaktion zwischen
Kraftstoffen und Luft mehr möglich. Bei
liegt die höchste Reaktionsgeschwindigkeit; pme ist hier maximal.
Bei Abmagerung des Gemisches führt dies zu höheren Temperaturen in der Verbrennung. Da
weniger Kraftstoff beigegeben wird kann auch weniger verdampfen. (kleinere innere
Kühlung) Zu fettes Gemisch bedeutet Luftmangel, was zu einer klopfenden Verbrennung
führt.
Jenseits der Zündgrenzen (beim Ottomotor, (siehe Diagramm) λ<0,6 oder λ>1,6) ist eine
regelmäßige Verbrennung nicht mehr gewährleistet. Jenseits dieser Werte beginnen
Verbrennungsaussetzer.
9.2 Verbrennungsverhältnis
Bezogen auf einen Kreisprozess eines Zylinders
Das Verhältnis der im Zylinder eingeschlossenen Luftmenge (mLZ), zu der für die
Verbrennung der zugeführten Kraftstoffmenge erforderlichen Mindestluftmenge (m Lmin).
mKr.Z = Kraftstoffmasse je Arbeitsspiel und Zylinder ( Z)
mLmin = stöchiometrische Luftmasse
Kraftstoffenergie wird als „Heizwert“ bewertet
spezifischer (unterer) Heizwert [effektiv nutzbar]
Aufgrund von Verlusten des im Kraftstoff bzw. auch in der Luft enthaltenden Sauerstoffs bei
der Verbrennung zu Wasserdampf, ist der spezifische Brennwert (obere Heizwert) HO nicht
nutzbar!
28
SAIYA.DE
9.2.1 Volumetrischer Gemischheizwert HGem (nur für Luft und Kraftstoff)
Für Luftüberschuss (mageres Gemisch):
λ muss mindestens 1 sein. Das bedeutet, dass man mindestens soviel Luft zugeführt hat, dass der Kraftstoff
vollständig verbrennt (HU).
Für Luftmangel (fettes Gemisch):
Ist λ kleiner 1 wird der Heizwert HU nicht voll ausgenutzt, da der Kraftstoff nicht komplett verbrannt wird.
9.2.2
Gemischheizwert
Durchschnittswert:
Wert pro Arbeitsstoff:
Durchschnittswert bei gasförmiger Gemischkomponente:
ρ0Kr, ρ0L: Dichten bei Umgebungszustand
Für
:
Luft-Hauptbestandteile: ca. 78% N2 und ca. 21% O2
Benötigt wird nur der Sauerstoff.
Kohlenstoff
Wasserstoff
Schwefel
für 1 kg C →
für 1 kg H →
für 1 kg S →
1,87 m3 O2
5,6 m3 O2
0,7 m3 O2
+ 33.870 kJ
+ 119.700 kJ
+ 9.260 kJ
→ Stöchiometrischer Luftbedarf für die jeweilige Stoffverbrennung
9.2.2.1 Berechnung des spezifischen Heizwerts bei:
:
(zum letzten Term: Abzug für im Kraftstoff enthaltendem Wasser)
29
10. Triebwerk
10.1 Tauchkolbentriebwerk (trunk-piston-engine)
Das Grundprinzip des Tauchkolbentriebwerks (d.h. Kurbelwelle,
Pleuelstange und Kolben) ist die Übertragung von
translatorischer Bewegung (blau) des Kolbens in rotatorische
Bewegung (grün) der Kurbelwelle.
Die Verbindung (connection) dieser beiden Bewegungen bzw.
Bauteile ermöglicht das Pleuel (connecting rod).
Das Tauchkolbentriebwerk wird sowohl mit 4-Takt als auch 2Takt-Arbeitsverfahren genutzt.
Unter 11. verschiedene Motorbauformen mit
Tauchkolbentriebwerk.
10.2Kreuzkopfmotor (cross-head-engine)
 Motor aller größeren Schiffe, Diesel
 Größte Motoren: Kolbendurchmesser bis 1,0 m,
Leistung: 80-90 MW, Kolbenhub > 6 m
Zündung durch Druckluft (anstatt Anlasser)
Nenndrehzahl um ca. 100 U/min (90-120)
Zweitaktmotor, kein Ladungswechsel (Spülphase)
 Abgas strömt oben aus, während Frischluft nachströmt
 Schwacher Wirkungsgrad (Stand der Technik: 50-51%)
Vorteil des Kreuzkopfmotors: Gasdruck erzeugt keine Seitwärtskräfte,
die den Kolben an die Zylinderwand drücken würden.
Grund: Gleitlager (rote Kraftübertragung) und feste Kolbenstange
(siehe Skizze) = Axiale Kraft (Blau)
Im Zylinder (orange) kann ein völlig anderes Schmiermittel
verwendet werden als im Kurbelgehäuse (violett), da diese
voneinander getrennt sind
Die Motoren können mit den aggressivsten (angriffsstärksten)
Kraftstoffen betrieben werden.
Intensive Kühlung durch Öl
30
SAIYA.DE
SAIYA.DE
10.3Kurbelwelle (crankshaft)
Links die Kurbelwelle eines W12-Motors mit einem unterteilten Hubzapfen. Rechts die
entsprechende Kurbelwelle in V-Bauweise: deutlich länger. Die Hubzapfen sind für
benachbarte Pleuel gleich, nicht unterteilt.
W-12 Kurbelwelle
Hellblau: Wellenzapfen (Lagerung)
Rot:
Kurbelkröpfung: Dunkel:
Hell:
V12-Kurbelwelle
Kurbelwange
Kurbelzapfen
10.4Pleuelstange (CONROD, connecting-rod)
Bei mittelschnelllaufenden Motoren (z.B. große Schiffsmotoren) ist der Ausbau
der Kolben sehr Problematisch. Die Identität des Laufbildes soll erhalten
bleiben. Deshalb wurden verschiedene Techniken gefunden den Kolben nach
oben hin auszubauen. Das Problem hierbei war die Pleuelstange, die an der
Kurbelwelle ein zu großes Maß hat um nach oben durch den Zylinder gezogen
werden zu können.
10.4.1 Marinisierung der Pleuelstange
Marinebauweise für ein Pleuel: Pleuelstange hat unten und in der Mitte eine
Trennung, damit der Kolben samt Pleuelstangenstück beim Ausbau nach oben weggezogen
werden kann
10.4.2 Pleuel schräg teilen
Andere Möglichkeit: Schräg trennen. „Schräggeteiltes Pleuel“ (s.l.)
Problem: Reibrostbildung, Zermürbung an der Trennfläche. Es kommt bei
schräggeteiltem Pleuel zu einer seitlichen Reibbewegung
 Durch kostspielige Verfahren (geometrisch) z.B. durch eine
Verzahnung zu verhindern
31
11. Zylinderanordnung
11.1 Reihenmotor, R-Motor
Der Reihenmotor stellt die früheste Entwicklungsstufe in der
Motorentwicklung dar. Die Zylinder werden hierbei in einer
Reihe, senkrecht über der Kurbelwelle angeordnet.
Vorteil: einfache Konstruktion
Nachteil: bei großer Zylinderzahl ergeben sich sehr lange
Aggregate, die sich für einen Quereinbau nicht eignen.
11.2 V-Motor
Um kürzere Motoren zu erzielen, werden die Zylinder bei den VMotoren in einem Winkel von 60° bis 120° angeordnet, wobei
die Mittelachsen der Zylinder durch die Mittelachse der
Kurbelwelle laufen.
Vorteil: relativ kurze Motoren
Nachteil: Die Aggregate sind verhältnismäßig breit, haben zwei
getrennte Zylinderköpfe und benötigen daher ein größeres
Motorraumvolumen.
11.3 VR-Motor
Beim VR-Motor sind sechs Zylinder versetzt in einem Winkel von
15° V-förmig in einem recht schlanken und kurzen Motorblock
untergebracht. Außerdem besitzt der Motor im Gegensatz zur
bisherigen Konstruktion nur einen Zylinderkopf.
11.4 W-Motor
Mit dem Ziel bei großen Zylinderzahlen noch kompaktere
Aggregate zu ermöglichen wurden die konstruktiven Merkmale
der V- und VR-Motoren in den W-Motoren vereint.
Wie bei den V-Motoren verteilen sich die Zylinder auf zwei
Bänke, die beim W8- und W-12-Motor einen V-Winkel von 72°
zueinander einnehmen. Innerhalb einer Bank halten die Zylinder
einen Winkel von 15°.
Beachtet man einen W-Motor von vorne, so sieht man die
Zylinderanordnung als doppeltes „V“. Legt man diese gedanklich
zusammen ergibt das ein „W“.
32
SAIYA.DE
SAIYA.DE
12. Ventile und Ventilsteuerung
Die Ventilsteuerung erfolgt über die Nockenwelle(n). Diese wird von der Kurbelwelle,
zumeist über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette angetrieben und läuft mit halber
Kurbelwellendrehzahl. Die Ventile werden über Kipphebel oder Schlepphebel gesteuert.
Liegt die Nockenwelle unten (d.h. nicht über den Ventilen), werden die Ventile über
sogenannte Stößelstangen betätigt, meist im Zusammenspiel mit Kipphebeln zur Betätigung
der hängend angeordneten Ventile (OHV-Motor, overhead valves).
12.1 Nockenformen
Tangenten-Nocken
Hohe Beschleunigungskräfte an
den Flanken, da Übergang von
Radius auf Tangente.
Benötigt Kontakt zu einem
balligen oder rollenden Stößel
Kreisbogen-Nocken
Ein Flanken-Radius an Kopfund Grundkreis.
Stößel können auch flach sein.
unstetig in der
Beschleunigung 
Beschleunigungssprünge
Ruckfreier Nocken
Flanken-Radius ändert sich
permanent (mehrere tausend
Mal).
auch in der 3. Ableitung noch
stetig (keine stoßartige Kraft)
weniger Verschleiß
bessere Akustik
späteres Abspringen des
Ventiltriebes
12.2Lage der Nockenwelle
(Bei hängenden Ventilen [OHV = OVERHEAD-VALVES])
Untenliegend
Größter Masseverbrauch da
lange Stangen
33
Seitlich liegend
Im „Trog“ gelagerte
Nockenwelle, kürzeres
Gestänge
Obenliegend
Overhead Camshaft [OHC]
Ventile werden z.B. durch
Hydrostößel betätigt
Zwei Kurbelwellen bei schrägen
Ventilen
SAIYA.DE
„Hängende Ventile haben das Merkmal, dass ihre Schließbewegung
gleichsinnig mit der Kolbenbewegung vom UT zum OT verläuft (gleichsinnig,
nicht gleichzeitig!)“
Beschleunigungen in der Ventilsteuerung:
Unten oder seitlich
liegende Nockenwelle: 400 – 1800 m/s²
Oben liegende Nockenwelle
(Schnelllaufende Motoren): 2000 – 8000 m/s²
13. Verbrennungsraumgestaltung
13.1 Verschiedene Brennräume (Ottomotor)
13.1.1 Ricardo-Brennraum
Sauberer Brennraum (keinerlei
Zerklüftungen), Schließbewegung des
stehenden Ventils ist gleichsinnig mit der
Kolbenbewegung vom OT zum UT.
13.1.2 Kugel-Brennraum
zwei Nockenwellen, bestes Verhältnis von
Oberfläche zu Volumen
Bester Brennraum
hmax
Quetschzonen
13.1.3 Keil-Brennraum
Schlecht, da niedrige Brennraumhöhe
(Gemischnest)
13.2Hauptanforderungen an Brennräume von Ottomotoren
1. Kompakter Brennraum: Unzerklüftete Realisierung (keine Vertiefungen)
Zerklüftungen bedeuten höhere Klopferscheinungen und Emissionswerte, da
Kraftstoff nur unvollständig verbrennt
2. Brennraumoberfläche muss im bezug auf das Brennraumvolumen möglichst klein
sein (optimal: Kugel)
„Oberfläche ist die Kommunikation zum Verlust
3. Höchste Stelle zentral zum Kolben. Größter Querschnitt an dieser Stelle führt zu
langsamerer Gasgeschwindigkeit  Wärmeabgabeprozess gesenkt  bester
Wirkprozess von brennbaren Substanzen und Sauerstoff
34
SAIYA.DE
4. Zentrale Zündkerze (sofern möglich)  Flammwege sind in alle Richtungen gleich
5. Heiße Stellen konzentrieren (Teile mit hoher Temperatur an einer Stelle) z.B.
Auslassventil und Zündkerze  Verminderung der Klopferscheinung
6. Turbulenz des Gemisches im Brennraum ermöglichen (z.B.: durch Quetschzonen)
7. Brennraumhöhe niemals kleiner als minimale Höhe, da sonst unvollständige
Verbrennung  aussetzende Verbrennung, da Geschwindigkeitserhöhung 
Wärmeübertragung setzt aus  Flammfront entzündet sich nicht weiter
(Vermeidung so genannter Gemischnester)
13.3Brennräume beim Dieselmotor
Problematik besonders ausgeprägt durch:
a) Verkürzte Gemischbildungsdauer (im Vergleich zum Ottomotor) bzw. Bedarf der
Kompressionswärme
b) Zerstäubbarkeit und Verdampfbarkeit der Dieselkraftstoffe
Gemischbildungsdauer im Vergleich
Ottomotor
Dieselmotor
OT
OT
Gemischbildung
Gemischbildung
Einlass offen
Einspritzung
Einlass offen
Vergaser
UT
Einspritzung
UT
Wie man sieht ist die Gemischbildungsdauer des Ottomotors um einiges größer als die beim
Dieselmotor. Auch die Einspritzdauer beim Diesel (Grünes Dreieck) ist wesentlich geringer
als beim Ottomotor mit Vergaser (Volle Dauer der Einlassöffnung) oder Einspritzung.
Bitte beachten, dass sich hier zwei Kreise überschneiden. Periode = 720° KW
Multimomentaufnahme von der Einspritzung eines Dieselmotors:
Ventil:
tZündverzug
Gemischbildung beginnt
Tropfen
Gemisch
OT
Einspritzung
Gemischbildung
Von unten:
Verbrennung
35
Düsenloch
SAIYA.DE
Je höher die Cetanzahl (CZ) ist, desto kürzer ist die Zeit zwischen Verbrennungsbeginn und
Einspritzbeginn (t Zündverzug)
36
SAIYA.DE
Scharfe Einspritzung: Durch hohen Druck bei der Einspritzung: kürzeste Einspritzdauer
Größe der Düsenlöcher: 0,1 – 0,2 mm, Zeit tEinspritzung nur wenige Millisekunden!
Systeme:
Dieselmotoren (innere Gemischbildung)
Indirekte Einspritzung (IDI)
Direkte Einspritzung (DI)
Vorkammer
Wirbelkammer
Periphere Einspritzung
Zentrale Einspritzung
Spritzt direkt auf die Oberfläche
der Kolbenmulde
Spritzt direkt in das Zentrum
der Kolbenmulde
Brennraumbereich innerhalb des Kobens (Mulde)
Offene Mulde
Eingezogene Mulde
VVorkammer = 0,2 VGesamt
Bis zu 10-15-fache Rotations-Geschwindigkeit der Luft
Hintergrund der Kolbenmulde:
Chemisches Phänomen der Dieselkraftstoffe: Brennbare Substanzen (C, H) haben völlig
unterschiedliche Affinitäten mit Sauerstoff in Reaktion zu treten. C ist sehr träge und
verbrennt im Gegensatz zu H erst recht spät. Dann wäre aber kein/nicht genug Sauerstoff
mehr übrig um vollständig zu verbrennen. (Rußbildung wäre die Folge).
Vermieden wird das, wenn die Zündung des Gemisches nicht nur durch die heiße Luft
sondern auch durch die Strahlung einer Flamme entsteht und sich ausbreitet. Dann laufen Cund H-Verbrennung fast gleichzeitig ab.
Eine solche Flammfront lässt sich durch eine Kolbenmulde verwirklichen, auf deren
Oberfläche ein dünner Kraftstofffilm gespritzt wird, der sich an der Luft entzündet und so die
Flammfront auslöst.
14. Drehzahlen
Verbrennungsmotoren unterteilen sich in 3 Drehzahlbereiche:
 Schnelllaufende (Klein-)Motoren (HIGH SPEED, SMALL)
 Mittelschnelllaufende (Mittel-)Motoren (MEDIUM SPEED)
 Langsamlaufende (Groß-)Motoren (LOW SPEED, LARGE, BIG)
37
SAIYA.DE
15. Charakteristische Kenngrößen von Verbrennungsmotoren
Hubvolumen für einen Zylinder:
Der Dieselmotor hat in der Regel größeren Hubraum als ein Ottomotor, da er mehr Luft braucht.
Zylinderzahl:
VH = gesamtes Hubvolumen
Kompressionsverhältnis:
geometrisches Verdichtungsverhältnis:
thermodynamisches Verdichtungsverhältnis:
reale, genaue Berechnung
Da die Ventile vor und nach dem OT bzw. UT öffnen und schließen ist das Gasvolumen nicht entsprechend dem
geometrischen Verdichtungsverhältnis.
Mittlerer innerer Kolbendruck:
Ai = Fläche Indikatordiagramm
Mittlerer effektiver Kolbendruck:
Mit z als Zylinderanzahl:
Wi,z : pro Arbeitsprozess
Druck p auf den Kolben: Dieser Druck p wird in Berechnungen als pi also als „mittlerer
innerer Kolbendruck“ betrachtet.
Effektive Leistung
Vergleich:
„pme“ = mittlerer effektiver Kolbendruck – Ableitung des mittleren inneren Kolbendrucks (der energetischen Wirksamkeit in den Zylindern, hinsichtlich der Leistungserbringung am
Kurbelwellenende. Und schließt alle Verlustdeckungen zwischen dem Zylinder und dem
38
SAIYA.DE
Kurbelwellenende ab. Somit stellt p me jenen Energiewert dar, der sich aus pi nach Abzug der
Reibungsverluste ergibt.
analog:
Kraftstoffzufuhr

Leistung:
Effektive Leistung:
Mittlerer Kolbendruck:
Spezifischer Kraftstoffverbrauch:
Nur der Trockenluftanteil (ptr) ist ausschlaggebend für die Leistung:
Effektiver Wirkungsgrad:
Mittlerer effektiver Kolbendruck:
Mittlere Kolbengeschwindigkeit:
Der tribologische Verschleiß steigt zum OT.
Hubraumleistung:
Leistungsgewicht:
Leistungspreis:
Spezifische Kolbenflächenleistung:
Laufwert:
Hubbohrungsverhältnis:
39
SAIYA.DE
16. Vorgehensweise für die Motorauslegung
1. Vorgaben
z.B. Leistung Pe, Drehzahl n
2. Wahl von Größen
Arbeitsverfahren (2-Takt, 4-Takt)
ε
Bauart (z.Bsp: Reihe- ; V-; Boxer)
Anzahl der Zylinder (z)
3. Annahmen treffen
spez. Kraftstoffverbrauch b
mech. Wirkungsgrad ηm
mittl. Effektiver Kolbendruck pme
mittl. Kolbengeschwindigkeit vm
4. Ermittlung durch Berechnung
s, d, mPe, €Pe, PspK, αL
16.1 Anhaltspunkte
Ottomotor
Dieselmotor
(da Selbstzündung)
*
*
*
*
(„kleine“ Diesel)
(„große“ Diesel)
* Gastemperatur im Flammenmittelpunkt, nicht an der Außenwand
Die höchste Bauteiltemperator in einem Verbrennungsmotor ist an den Auslassventilen zu finden (ca. 800 °C)
Die zweithöchste Temperatur findet man auf dem Kolben (ca. 360 °C im Zentrum der Kolbenkrone)
40
SAIYA.DE
17. Aufgaben/Berechnungen
17.1 Aufgabe 1
Gegeben:
4-Takt-Diesel
n = 1200/min
ps = 2337,7 N/m2
Φr = 0,60
Zylinder: z = 6
Pe= 79kW
HU = 41900 kJ/kg
mL,min = 14,35 kgL/kgK
d = 130mm
B = 20 kg/h
p1 = 980 mbar
s = 170mm
= 450 kg/h
t1 = 20°C
Gesucht:
λL ; λ ; pme ; ηe ; b (Liefergrad; Luftverhältnis; mittl. eff. Kolbendruck, Kraftstoffverbrauch)
mit:
wird zu
Einsetzen:
Es wird nur die Hälfte der Drehzahl verwendet, da nur bei jeder zweiten Umdrehung angesaugt wird.
umformen:
41
SAIYA.DE
17.2Aufgabe 2
Gegeben:
4-Takt-Ottomotor
pme = 9,0 bar
Zylinder: z = 6
ζ = s/d = 0,9
n = 5000/min
λPleuel = r/L = 1/3,5
Pe = 80 kW
Gesucht:
d [mm], s [mm], vm [m/s+, L *mm+, r *mm+, τ1Umdr. *ms+, ω *1/s+, vrot [m/s], Ttg(e) [Nm]
ermitteln aus:
umformen:
umformen & einsetzen:
Mit
und
Kurbelradius ist immer der halbe Kolbenhub:
damit ist:
42
ergibt:
SAIYA.DE
17.3Aufgabe 3
Gegeben:
4-Takt-Dieselmotor
Pe=735 kW
pa=pges=981 mbar
n=1500min-1
mLmin=13,58 kgL/kgKr = 1,23
ta=20°C
= 0,60
vm=12 m/s
HU=41868 kJ/kg
pS=0,02337 bar
Gesucht: d, s, z
Spezifische Kolbenflächenleistung:
43
(Schnellaufend)
SAIYA.DE
18. Impressum, Quellen und wichtige Hinweise
Impressum:
Editor:
Software:
PDF-Umwandlung:
Website:
Kontakt-E-Mail-Adresse:
Matthias Kringels
Microsoft Word 2007
Adobe Acrobat 8
www.saiya.de
[email protected]
Quellen:












Vorlesung Otto- und Dieselmotoren von Prof. Schwarz im WS2006/2007
Vorlesung Thermodynamik von Prof. Seidel im WS2006/2007
Vorlesung Fertigungsverfahren von Prof. Fischer im WS2006/2007
http://de.wikipedia.org/wiki/Motor
http://de.wikipedia.org/wiki/Zweitakt
http://de.wikipedia.org/wiki/Viertakt
http://de.wikipedia.org/wiki/Entropie
http://de.wikipedia.org/wiki/Klopfen_(Verbrennungsmotor)
http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:CE_Logo.svg
http://images.google.de
http://de.wikipedia.org/wiki/Kategorie:Verbrennungsmotor
http://www.dict.cc
Wichtige Hinweise:
Dieses PDF ist die Mitschrift der Vorlesung „Otto- und Dieselmotoren“ an der
Rheinischen Fachhochschule in Köln im Wintersemester 2006/2007. Ich gebe keine
Gewähr auf die Richtigkeit dieser Zusammenstellung, insbesondere nicht auf die
Vollständigkeit.
Ich rate deshalb dazu dieses Dokument nicht als einzige Prüfungsvorbereitung
zu nutzen.
Wer Fehler findet möge sie doch bitte bei oben genannter Mail-Adresse melden.
Danke.
44

Otto- und Dieselmotoren

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