KOLBENMASCHINEN

Skript zur Vorlesung
KOLBENMASCHINEN
Teil A
Prof. Dr.-Ing. Thomas Maurer
Stand: 26. März 2008
Dieses Skript beinhaltet Teile der Vorlesung für die Studiengänge Energiesystemtechnik,
Technische Gebäudeausrüstung und Maschinenbau.
Zusätzlich werden in den Lehrveranstaltungen weitere Unterlagen ausgeteilt. Die
entsprechenden Einfügestellen sind im Skript gekennzeichnet.
Der vorliegende kurzgefaßte Text ist nur für Studenten der FH Gießen-Friedberg vorgesehen,
die sich die Mitschrift teilweise ersparen wollen. Die an Veröffentlichungen gestellten
formalen Kriterien sind nicht berücksichtigt!
Der Autor bittet die gefundenen Fehler mitzuteilen.
Das Skript ist urheberrechtlich geschützt. Es darf nicht verändert werden und nicht zum
Download zugänglich gemacht werden.
1
Inhaltsverzeichnis
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Einleitung ......................................................................................................................... 3
Günstige Merkmale von Kolbenmaschinen bezüglich der Anwendungen ................ 5
Arbeitsverfahren - Übersicht ......................................................................................... 7
3.1 Viertakt – Ottoverfahren .......................................................................................... 7
3.2 Zweitakt – Ottoverfahren ......................................................................................... 7
3.3 Vier- und Zweitakt - Dieselverfahren ...................................................................... 8
3.4 Allgemeine Hinweise zur Gemischbildung und zur Verbrennung bei Diesel- und
Ottoverfahren........................................................................................................... 9
3.5 Ausführungsbeispiele ............................................................................................. 10
Vergleichsprozesse ........................................................................................................ 15
Kenngrößen.................................................................................................................... 20
5.1 Gütegrad, Wirkungsgrad, Leistung ........................................................................ 20
5.2 Mitteldruck ............................................................................................................. 21
5.3 Spezifischer Brennstoffverbrauch .......................................................................... 22
5.4 Gründe für ηG < 1 bei ausgeführten Motoren ....................................................... 23
5.4.1 Zeitlicher Verlauf der Wärmefreisetzung .................................................... 23
5.4.2 Wärmeübertragung ...................................................................................... 25
Verbrennung und Kraftstoffe ...................................................................................... 27
6.1 Verbrennung........................................................................................................... 27
6.2 Kraftstoffe .............................................................................................................. 31
Leistungskenngrößen, Motorkennfelder, Betriebsverhalten, Leistungserhöhung
und Aufladung............................................................................................................... 32
7.1 Leistungskenngrößen ............................................................................................. 32
7.2 Motorkennfelder..................................................................................................... 35
7.3 Anmerkungen zur Leistungssteigerung von Motoren............................................ 36
Energiebilanz, Kühlung, Abwärmenutzung (Nutzung der thermischen Energie).. 37
Ladungswechsel, Gemischaufbereitung, Zündung, Verbrennungsablauf............... 38
9.1 Ladungswechsel ..................................................................................................... 38
9.2 Ottomotor ............................................................................................................... 39
9.3 Dieselmotor ............................................................................................................ 40
Schadstoffe im Abgas (Abgasemission), Maßnahmen zur Minderung des
Schadstoffausstoßes ...................................................................................................... 42
10.1 Schadstoff im Abgas .............................................................................................. 42
10.2 Maßnahmen zur Minderung des Schadstoffausstoßes ........................................... 43
10.3 Angaben von Emissionswerten .............................................................................. 44
Literatur ......................................................................................................................... 45
2
1
Einleitung
E01, E02
Einsatzgebiete von Kolbenmaschinen:
• Verbrennungsmotoren
• Verdichter
• Pumpen
Allg. Definition:
Kraftmaschinen:
Gewinnung mechanischer Energie durch Wandlung einer Fluidenergie.
Arbeitsmaschinen: Gewinnung von Fluidenergie.
Als Oberbegriff wird auch „Fluidenergiemaschinen“ verwendet.
Arbeitsraum
Kolben
Zylinder
Arbeitsraum
Laufrad
Gehäuse
Kolbenmaschine
Strömungsmaschine
Bild 1.1: Unterscheidung zwischen Kolbenmaschinen und Strömungsmaschinen
3
Tab. 1.1: Abgrenzung zwischen Kolbenmaschinen und Strömungsmaschinen
Kriterien
Kolbenmaschinen
Strömungsmaschinen
Prinzip
Verdrängung
Strömungsumlenkung
Kraftübertragendes
Element
Kolben
Laufrad
Volumenänderung
des Arbeitsraumes
periodisch
keine
Bewegung des
kraftübertragenden
Elementes
oszillierend (ein Element reicht), oder
rotierend (mindestens ein weiteres
rotierendes oder oszillierendes
Element notwendig),
oder oszillierend und rotierend
rotierend
mech. Abdichtung
der Arbeitsräume
möglich und sehr häufig der Fall
nur unvollständig, „dynamische“
Abdichtung durch das Fluid
selbst
Volumen des
Arbeitsraumes
durch die Geometrie bestimmt
ist nicht definiert
Fluidstrom durch
den Arbeitsraum
meist periodisch, gesteuert durch
Ventile und Schlitze
auch geschlossene Arbeitsräume ohne
Durchströmung, z.B. Stirlingmotor
kontinuierlich, ohne
Steuerelemente
erforderliche Fluidgeschwindigkeit
keine Mindestgeschwindigkeit
erforderlich
abhängig vom gewünschten
Druck und Durchsatz
Drehzahl bzw.
Hubfrequenz
abhängig vom Volumenstrom,
bis etwa 20.000 1/min möglich
abhängig vom Volumenstrom,
bis etwa 300.000 1/min möglich
obere Begrenzung
der Drehzahl
oszillierende Massenkräfte, evtl. auch
maximale Gleitgeschwindigkeit (z.B.
des Kolbens aufgrund mechanischer
Reibung)
Fliehkräfte am Rotor,
Strömungsabriß,
Schallgeschwindigkeit,
Fluidreibung
Druckdifferenz bei
kraftübertragendem
Element
„statische“ Druckdifferenz möglich,
nur „dynamisch“ möglich, in
durch die mechanischen Eigenschaften Abhängigkeit von der Dichte des
der Bauteile begrenzt
Fluids und der erzeugten
Geschwindigkeit
Leistungsdichte
sehr groß bei kleinen Leistungsgrößen
realisierbar
sehr groß bei großen
Leistungsgrößen realisierbar
Kräfte auf Triebwerk in der Regel radiale Lagerkräfte
im Idealfall keine Lagerkräfte
auf die Welle
Thermische
Beanspruchung
bei offenen
Systemen
jedes Bauteil, z.B. Brennkammer
einer Gasturbine, ist einer
näherungsweise konstanten
Temperatur ausgesetzt
Bauteile, z.B. Kolben, sind nur durch
mittlere Temperatur beansprucht.
Dadurch bei Verbrennungsmotoren
hohe Spitzentemperaturen realisierbar
→ hoher Wirkungsgrad
4
Kolbenarten
• Kolben sind die kraftübertragenden Elemente, die zur Verdrängung genutzt werden.
• Kolben, bzw. „Verdränger“ können sehr unterschiedliche Formen aufweisen: zylindrisch,
oval, kugelförmig, kegelförmig. Auch Membranen können als Kolben verwendet werden
• Kolben können aus einem Fluid bestehen: z.B. Flüssigkeitssäule, Druckwelle.
• Bei Rotationskolbenmaschinen finden sich: Flügel, Schieber, Zahnräder, Schrauben, allg.
trochoidenförmige Formen.
Kolbenbewegung
• Meist ist die Kolbenbewegung zwangsgeführt, z.B. über ein Stangengetriebe und eine
Kurbelwelle.
• Die Kolben können linear ohne Zwangsführung bewegt werden: „Freikolbenmaschinen“
(meist Pumpen, Verdichter, selten Motoren, auch Schlagwerke).
• Anstatt der Welle kann auch das gesamte Gehäuse samt Kolben sich drehen (z.B.
Umlaufmotor).
2
Günstige Merkmale von Kolbenmaschinen bezüglich der
Anwendungen
Verbrennungsmotoren
Fahrzeugantrieb und andere mobile Anwendungen:
• schnelle Inbetriebnahme
• schnelle Lastwechsel, einfache Leistungsregelung
• große Leistungsdichte (leicht, z.B. Motorsägen)
• einfach speicherbare und verfügbare Kraftstoffe nutzbar
• hoher Wirkungsgrad
• große nutzbare Drehzahlspanne
• einfache und billige Herstellung (keine seltenen Materialien)
• robust
• Abwärme einfach abführbar (Flugtriebwerk) und auf hohem Temperaturniveau für
Heizzwecke nutzbar (Beheizung von Fahrzeugen)
• hohe Betriebssicherheit
5
stationäre Antriebe:
• hohe Wirkungsgrade
• Abwärme auf hohem Temperaturniveau nutzbar (BHKW, Kraftwerk, HKW), Antrieb von
Sorptionswärmepumpen u. -kältemaschinen
• viele Kraftstoffe nutzbar (Rohöl, Biogas, Schwachgas), auch thermische Energie (z.B.
solare Energie bei Stirlingmotor)
• hohe Wirkungsgrade auch bei kleiner Leistung
• einfache Abfuhr von Abwärme (z.B. kein Kühlturm erforderlich)
• unkomplizierte Peripherie
• metallische Werkstoffe („keine Chemie“ wie bei Brennstoffzelle)
Hydraulische Maschinen
•
•
•
•
•
•
Positionierungsaufgaben (z.B. Baumaschinen, Werkzeugmaschinen)
große Leistungsdichte (z.B. Fahrzeugantriebe)
große Kräfte (z.B. Servolenkung)
billig und sicher (z.B. Flughydraulik, Bremshydraulik)
konstante Fördermenge bei kleinsten Mengen (z.B. Dieseleinspritzpumpen)
hohe Wirkungsgrade
Pneumatische Maschinen (hier als Sammelbegriff für Verdichter,
Expansionsmaschinen, Stellzylinder)
•
•
•
•
•
hohe Betriebssicherheit (z.B. Dampfmaschine)
hohe Leistungsdichte bei kleinen Leistungsgrößen (z.B. druckluftbetriebene
Handwerkzeuge)
insbesondere günstig bei großen Druckdifferenzen (z.B. Kältemittelverdichter)
billig und sicher (z.B. in der Montagetechnik, Lebensmittelverarbeitung)
hohe Wirkungsgrade
6
3
Arbeitsverfahren - Übersicht
A01, A02, A03, A04, A05, A06, A07, A08, A09, A10, A11
3.1
Viertakt – Ottoverfahren
Das Arbeitsverfahren ist als Viertakt – Ottomotor verwirklicht (Erfindung 1876). Der Motor
besitzt sogenannte Gaswechselorgane, die zwangsgesteuert sind (meist Ventile), mit welchen
ein Ladungswechsel erfolgt (offener Prozeß).
Tab. 3.1: Viertakt-Ottoverfahren
Takt
Bezeichnung
Arbeit
Kolbenbewegung
Einlaß
Auslaß
1
Ansaugen einer frischen Ladung
(zündfähiges Gemisch)
Aufwand
nach unten auf
zu
2
Verdichtung (Temperatur und
Druck steigen)
Aufwand
nach oben
zu
zu
3
Zündung, Verbrennung (Druck
und Temperatur steigen) und
Entspannung
Gewinn
nach unten zu
zu
4
Ausschieben der Rauchgase
Aufwand
nach oben
auf
zu
Zwei Kurbelwellenumdrehungen sind zum einmaligen Ablauf eines Arbeitsverfahrens
notwendig. Die Ventilbetätigung hat für Ein- und Auslaß nur einmal während eines
Arbeitsverfahrens zu erfolgen. Es ist eine Steuerwelle erforderlich, deren Drehzahl die Hälfte
der Drehzahl der Kurbelwelle ist. Die zeitliche Synchronisierung erfolgt mittels Zahnräder.
Die Zündung des zündfähigen Gemisches erfolgt fremd (Sollfall!) z.B. mit Zündkerzen.
Damit der Motor „von selbst läuft“, muß der Arbeitsgewinn größer als der Arbeitsaufwand
sein. Die bewegte Masse des Triebwerks („Schwungmasse“, einschließlich Schwungrad) muß
so groß sein, daß deren kinetische Energie bei gegebener Drehzahl den Arbeitsaufwand zur
Verdichtung deckt. Je niedriger die Drehzahl eines Motors (z.B. Leerlauf) sein soll, um so
größer ist die Masse des Triebwerks (Schwungrad) zu wählen.
3.2
Zweitakt – Ottoverfahren
Bei diesem Arbeitsverfahren (die Erfindung wird Carl Benz 1879 zugeschrieben) sind nur
zwei Kolbenhübe erforderlich. Zum Ausschieben der verbrauchten Ladung und Einbringung
frischer zündfähiger Ladung ist eine „Spülung“ erforderlich.
Die Steuerung des Ladungswechsels kann allein durch den Kolben erfolgen.
7
1. Takt: „Spülen und Verdichten“
Gegen Ende des Arbeitstaktes, bevor der Kolben den UT erreicht, öffnet bereits der Auslaß
(z.B. Auslaßschlitze in der Zylinderwand). Aufgrund von Druckdifferenzen beginnt die
verbrauchte Ladung auszuströmen. Beim weiteren Kolbenabwärtshub gelangt frische Ladung,
z.B. durch Einlaßschlitze, in den Zylinder. Der Druck der zuströmenden frischen Ladung muß
größer sein als der Druck im Zylinder, z.B. durch Spülgebläse oder durch die
Kolbenunterseite (kleine Motoren) bewerkstelligt. Die frische Ladung “schiebt die
verbrauchte Ladung vor sich her“. Währenddessen setzt der Kolbenaufwärtshub ein. Beim
Kolbenaufwärtshub wird im thermodynamischen Idealfall der Auslaß dann geschlossen, wenn
gerade die verbrauchte Ladung vollständig durch frische Ladung ersetzt ist. Frische Ladung
wird bis zum OT verdichtet. Arbeitsaufwand: Spülen des Zylinders, Bereitstellen der Spülluft,
Verdichten.
2. Takt: „Arbeitstakt“
Im Bereich des OT wird die frische Ladung gezündet, Druck und Temperatur steigen, die
Entspannung erfolgt durch Kolbenabwärtsbewegung. Arbeitsgewinn: Entspannung.
Ein Zweitaktmotor leistet bei jeder Umdrehung Arbeit, erreicht dennoch im allgemeinen nicht
die doppelte Leistung bei gleicher Drehzahl wie ein Ottomotor (4-Takt), da:
• die Spülung benötigt Arbeit,
• ein Teil des Kolbenweges geht für die Spülung verloren.
Das „Steuerdiagramm“ des Zweitaktmotors, d.h. das Überstreichen der Steueröffnungen mit
dem Kolben, ist „symmetrisch“ bzgl. der Kolbenstellung beim Abwärts- und Aufwärtshub. Es
ergeben sich hierdurch Nachteile bzgl. Effizienz und Schadstoffemission. (Zur
Verwirklichung von „unsymmetrischen Steuerdiagrammen, s. Kap. 9). Problematisch,
insbesondere hinsichtlich der Abgasemission, ist der Verlust an frischer Ladung bei
Benzinmotoren während des Spülens. Zur Vermeidung kann eine Direkteinspritzung von
Kraftstoff (Bimota 1996) oder auch eines vorgemischten fetten Kraftstoff-Luft-Gemischs
(dient der Verbesserung der Zündung und Verbrennung) vorgesehen werden. Die
Direkteinspritzung erfolgt nachdem der Kolben beim Aufwärtshub die Einlaßschlitze
verschlossen hat.
3.3
Vier- und Zweitakt - Dieselverfahren
Diesel wollte einen „idealen Motor“ schaffen, der dem Carnot-Prozeß hinsichtlich der
thermodynamischen Güte nahe kommen soll. Um 1890 hatte er die Idee, reine Luft in einem
Zylinder sehr hoch zu verdichten und den Brennstoff dann zuzuführen. Aufgrund der hohen
Verdichtungsendtemperatur zündet der Brennstoff selbsttätig. Vorläufer ist Otto-Motor, wenn
auch aus thermodynamischer Sicht andere Motoren, z.B. Brayton, genannt werden.
Anmerkung: Diesel war Mitarbeiter von „LINDE Eismaschinen“. Diesel schlug Carl von
Linde die Entwicklung des Motors vor, dieser lehnte jedoch ab.
Ursprünglich nur 4-Takter, heute werden große langsamlaufende Motoren (z.B.
Schiffsmotoren) als 2-Takter ausgeführt.
8
3.4
Allgemeine Hinweise zur Gemischbildung und zur Verbrennung bei
Diesel- und Ottoverfahren
Tab. 3.2: Unterscheidungsmerkmale zwischen Otto- und Dieselverfahren
Unterscheidungsmerkmal
Otto-Verfahren
Diesel-Verfahren
Gemischbildung
äußere
innere
Gemischzustand
homogen
heterogen
fremd
selbst
Quantität
Qualität
Zündung
Regelung (Last)
Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal ist die Art der Zündung.
Das Verdichtungsverhältnis (ist ein Volumenverhältnis)
ε =
V max
V + Vc
= h
V min
Vc
(3.1)
darf bei Ottomotoren nicht so groß sein, daß das angesaugte Gemisch selbsttätig (z.B. vor
Erreichen des OT) zündet und verbrennt (ε bis etwa 10 ist hier die Grenze). Beim
Dieselverfahren muß ε mindestens so groß sein, daß die Temperatur der verdichteten Luft die
Zündtemperatur überschreitet: ε ≈ 12 (Großmotor)…20 (Kleinmotor, hier ist besonders der
Kaltstart zu beachten, Großmotoren werden vorgewärmt gestartet). In Otto- und
Dieselmotoren kommen Kraftstoffe mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Einsatz.
Beim Ottoverfahren müssen Brennstoff und Luft mengenmäßig gemeinsam geregelt werden,
da das Gemisch nur in einem engen Mischungsbereich zündfähig ist. Die „Lastregelung“
erfolgt heute überwiegend mit „Drosselklappen“. Folglich ist der Teillastwirkungsgrad von
Ottomotoren i.a. niedriger als bei Dieselmotoren.
Zunehmend werden Ventiltriebe mit „variablen“ Steuerzeiten eingesetzt. Bei manchen
Ausführungen kann auf Drosselklappen vollständig verzichtet werden. Es ergeben sich
Verbrauchsverbesserungen bei PKW-Motoren von etwa 5…10%.
Beim Dieselmotor erfolgt die Lastregelung durch die Menge des eingespritzten Brennstoffes.
Die Gemischbildung erfolgt im Brennraum, und ist instationär und räumlich heterogen. An
den Randbereichen des Brennstoffes zur Luft liegt ein etwa stöchiometrisches Gemisch vor,
von dem die Zündung und Verbrennung aus erfolgen. Da die innere Gemischbildung Zeit
benötigt, ist die maximale Motordrehzahl beschränkt und meist deutlich niedriger als bei
Ottoverfahren.
Hybridmotoren:
Direkteinspritzende Ottomotoren:
Vorteilhaft sind verbesserte Teillastwirkungsgrade und die im Vergleich zu Dieselmotoren
etwas einfachere Abgasnachbehandlung.
9
Modellbaumotoren:
Äußere Gemischbildung, homogenes Gemisch, Selbstzündung aber auch in Grenzen
Qualitätsregelung.
3.5
Ausführungsbeispiele
Fluidenergiemaschine
Prinzip
Strömung (dynamisch)
Verdrängung (statisch)
Organ
Laufrad
Fluidströmung
Rotationskolben
Bauart
axial
radial
Pelton
Rückstoß
Dampfstrahl
Flügelzelle
Rollkolben
Sperrschieber
Schraube
Spiral
Wankel...
Zahnrad
...
Hubkolben
Membran
Freikolben
Tauchkolben
Kreuzkopf
Kurbelschleife
Taumelscheibe
Schiefscheibe
Schrägachse
...
Druckwelle
Zellenmaschine
Thermoakustik
Bild 3.1: Einteilung der Fluidenergiemaschinen
10
Bauteilbezeichnungen
1
Kurbelgehäuse
30
Ventilsitz
2
Zylinder
31
Ventilschaft
3
Zylinderkopf
32
Ventilschaftführung
4
Ölwanne
33
Ventilfeder
5
Kupplungsglocke
34
auto. Ventilspielausgleich
6
Zylinderkopfdeckel/-haube
35
Vorkammer
7
Steuergehäusedeckel
36
Wirbelkammer
8
Kurbelwelle
37
Abgasturbolader
9
Kurbelwange
38
Riemenscheibe
10
Kurbelkröpfung
39
Nebenantriebswelle
11
Kurbelwellenlager
40
Ölpumpe
12
Schwungrad
41
Ölfilter
13
Drehschwingsdämpfer
42
Kühlmittelpumpe
14
Drehschwingungstilger
43
Kühlmittelthermostat
15
Pleuel(-stange)
44
Gebläse
16
Kolben
45
Generator
17
Kolbenbolzen
46
Anlasser
18
Kolbenring
47
Zündverteiler
19
Steuerzahnriemen
48
Zündgeber
20
Steuerkette
49
Zündspule
21
Nockenwelle
50
Zündkerze
22
Stößel(-stange)
51
Kraftstoffpumpe
23
Kipphebel
52
Vergaser
24
Schwinghebel, Schlepphebel
53
Einspritzpumpe
25
Tassenstößel
54
Einspritzdüse
26
Einlaßkanal
55
Motorentlüftung
27
Auslaßkanal
56
Common Rail
28
Einlaßventil
29
Auslaßventil
11
Tab. 3.3: Vergleich zwischen Hub- und Rotationskolbenmaschinen
Vergleichsmerkmal
Rotationskolben
Hubkolben
typische Einsatzgebiete
Öl-Hydraulikpumpen und –
motoren, Gasverdichter,
Lader, Booster
Hydraulikpumpen und –
motoren,
Verbrennungsmotoren,
Gasverdichter,
Hochdruckanwendungen
Druckbereich bei flüssigen
Medien
hoch
hoch bis sehr hoch
Druckbereich bei
gasförmigen Medien
niedrig und mittel
mittel bis sehr hoch
Volumenstrom
niedrig bis sehr groß
niedrig bis mittel
Abdichtungslänge der
Arbeitsräume
groß
klein
Abdichtungselemente
häufig keine möglich,
Dichtleisten
Kolbenringe, Labyrinth
Bedeutung von Öl zur
Abdichtung bei großen
Druckdifferenzen
groß
klein
Güte der Abdichtung
niedrig bis mittel
mittel bis hoch
Drehzahlbereich
mittel bis hoch
niedrig bis mittel
Hubraum/Bauvolumen
mittel bis hoch
niedrig bis mittel
Hubraum/Masse
mittel bis hoch
niedrig bis mittel
Teilezahl
niedrig bis mittel
mittel bis hoch
Liefergrad
hoch
mittel
Gütegrad
bei niedrigen Drücken
tendenziell hoch
bei hohen Drücken
tendenziell hoch
Schadraumvolumen
bis nahe Null
Mittel (> 1% von Vh)
Pulsation
niedrig
zylinderzahlabhängig
Fluidwechselorgane
häufig keine
Ventile, Schieber
Massenausgleich
einfach
einfach bis aufwendig
12
Reihe, Stern, V, Boxer,...
mit Pleuel
Stern
mit Kurbelschleife
Axial mit umlaufender Schiefscheibe
und Gleitschuhen
Axial mit Taumelscheibe,
Pleuel und stehendem Zylinder
Axial mit Taumelscheibe oder Schiefscheibe,
mit Gleitschuhen und umlaufendem Zylinder
Stern
mit Exzenter oder Nocken
Axial mit stehender Schiefscheibe
und umlaufendem Zylinder
Axial mit Schrägwelle, Pleuel
und umlaufendem Zylinder
Bild 3.2: Bauformen von Hubkolbenmaschinen
13
Flügelzelle
Roots
Wankel 3:2
Rollkolben
Außenzahnrad
Orbital
Starrflügel
Schraube
Innenzahnrad
Scroll
Bild 3.3: Bauformen von Rotationskolbenmaschinen
14
4
Vergleichsprozesse
P01
Thermodynamische Kreisprozesse werden als „ideales Vorbild“ verwendet für:
• Vergleich mit berechneten („simulierten“) Zustandsänderungen (“Realprozeßrechnung“).
• Bewertung der thermodynamischen Güte von realisierten Zustandsänderungen in
(Versuchs-)Motoren.
• Auffinden von Verbesserungsmöglichkeiten im Verfahrensablauf.
Üblich wird bei einfachen Vergleichsprozesse für Motoren vorausgesetzt:
Geschlossene Systeme (m = konstant, Wärmezu- und Wärmeabfuhr durch Wände), konstante
Stoffeigenschaften, zeitliche Abhängigkeiten sind nicht berücksichtigt.
a)
Carnot-Prozeß
Zwischen zwei gegebenen Temperaturgrenzen besitzt der Carnot–Prozeß den höchsten
thermischen Wirkungsgrad:
η th =
W
Q1
(4.1).
Dieser Prozeß läßt sich bekanntlich technisch nur schwer realisieren:
• Hohe Drücke, große Volumenänderungen, aber kleine Arbeit.
• Bei ausgeführten Motoren wären die Reibungsverluste sehr hoch.
b)
Auf Carnot-Prozeß basierender Prozeß mit Druckbegrenzung
Die Begrenzung erfolgt auf den maximal zulässigen Druck im Zylinder, dessen
Überschreitung zu Schäden, z.B. Platzen, führt.
c)
Vollständiger Idealprozeß von Motoren, (Gleichdruck bzw. Diesel-Prozeß)
Eine Entspannung unterhalb des Umgebungsdrucks liefert nur eine vergleichsweise kleine
Arbeit, der Kolbenweg ist jedoch sehr groß. Folge wären bei ausgeführten Maschinen relativ
zur gewinnbaren Arbeit große Reibungsverluste. Eine isotherme Wärmeabfuhr läßt sich
ebenfalls technisch kaum verwirklichen, da dazu große Wärmeübertragerflächen und lange
Zeiten notwendig wären. Um eine gute Hubraumausnutzung zu erhalten, beginnt die isentrope
Verdichtung bereits bei Umgebungsdruck. Dieser vollständige Idealprozeß entspricht dem
Gleichdruck- bzw. Diesel-Prozeß.
Beim Dieselmotor hat die Einspritzung des Kraftstoffes damit so zu erfolgen, daß eine
Verbrennung bei konstantem Druck über einen gewissen Kolbenabwärtshub und damit über
eine gewisse Zeit stattfinden kann. Bei langsamlaufenden Motoren gelingt dies mit einer
zeitlich gesteuerten Einspritzung der Einspritzmenge. Mit schnellen Piezo-Einspritzdüsen sind
15
heute bei schnellaufenden PKW-Dieselmotoren bis zu 8 Einzeleinspritzungen je Zündung
möglich, um die gewünschte Annäherung an den idealen Prozeßverlauf zu erzielen.
d)
Gleichraum – oder Ottoprozeß
Außer der Begrenzung auf einen max. zulässigen Druck ist es zweckmäßig, einen weiteren
Prozeß mit einer Grenze für die maximale Temperatur am Ende der Verdichtung zu
definieren.
Beim Ottomotor wird ein weitgehend homogenes Gemisch angesaugt, das bem Überschreiten
einer bestimmten Temperatur unerwünscht selbsttätig zünden und verbrennen kann. Das
Verdichtungsverhältnis ist daher zu begrenzen. Die Zündung erfolgt mittels Zündkerze, das
Gemisch verbrennt mit vFlamme ~ 10 – 20 m/s.
Auch für diesen Prozeß ist die Druckbegrenzung zu beachten.
T
p
3
T
2
p
3
m
her
isot
2
2
3
1
Pmax
ise
ntr
op
ise
ntr
op
4
Pum
1
isotherm
s
1
2
3
ise
ntr
op
ise
ntr
op
4
Pum
4
1
v
isotherm
s
a) Carnot-Prozeß
4
v
b) Auf Carnot-Prozeß basierend mit Druckbegrenzung
T
p
p
T
3
3
2
Pmax
2
2
3
4
1
Pum
2
4
ise
ntr
op
1
Pum
s
4
ise
ntr
op
1
1
v
c) Vollständiger Idealprozeß bzw. Gleichdruck oder Diesel-Prozeß
Bild 4.1:
3
Pmax
4
s
v
d) Gleichraum- oder Otto-Prozeß
Thermodynamische Vergleichsprozesse für Verbrennungsmotoren
Die Diagramme sind nicht maßstäblich!
Insbesondere das p,v-Diagramm ist in Wirklichkeit schmäler, endet näher bei
v = 0 und der Druck pmax liegt deutlich höher.
16
Seiliger–Prozeß
Bei ausgeführten Motoren erfolgt die Wärmezufuhr näherungsweise teilweise bei
Gleichraum- und bei Gleichdruckzustandsänderungen (isochor und isobar).
p
T
3
q 3,3'
3'
3'
q 2,3
3
ise
ntr
op
2
2
4
4
ise
ntr
op
q 4,1
1
1
v
s
Bild 4.2: Seiliger-Prozeß
Definitionen
Verdichtungsverhältnis (s.o.)
ε=
V1
V2
(4.2)
Einspritzverhältnis:
ρ=
V3'
V3
(4.3)
Zündruckverhältnis:
π=
p3
p
oder δ = 3
p2
p1
(4.4)
Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme lautet:
dq + dw = du
(4.5).
Die Volumenänderungsarbeit w ist:
dw = -pdv
(4.6).
17
Tab. 4.1: Energiewandlung beim Seiliger-Prozeß
Arbeit
Wärmeübertragung
1 2
dw = du dw = cv·dT
w1,2 = cv·(T2 – T1)
q1,2 = 0
2 3
w2,3 = 0
dq = du dq = cv·dT
q2,3 = cv·(T3 – T2)
3 3´ dw = -p·dv mit:
pdv = R·dT = (cp – cv)dT
w2,3´ = – (cp - cv)·(T3´ - T3)
dq = du – dw = du + pdv
dq = dh – vdp = dh = cp·dT
q2,3´ = cp·(T3´ – T3)
3´ 4
dw = du dw = cv·dT
w3´,4 = cv (T4 – T3´)
q3´,4 = 0
4 1
w4,1 = 0
dq = du dq = cv·dT
q4,1 = cv·(T1 – T4)
Der thermische Wirkungsgrad als Verhältnis von Nutzen zu Arbeit ist somit:
η th =
cv (T2 − T1 ) − (c p − cv )(T3' − T3 ) + cv (T4 − T3' )
∑ −w
=−
cv (T3 − T2 ) + c p (T3' − T3 )
∑ q zu
ηth = −
cv (T2 − T3 ) − c p (T3' − T3 ) + cv (T4 − T1 )
ηth = 1 −
cv (T3 − T2 ) + c p (T3' − T3 )
cv (T4 − T1 )
cv (T3 − T2 ) + c p (T3' − T3 )
T4
−1
T1
ηth = 1 −
T
T3 T2
T 
− + κ  3' − 3 
T1 T1
 T1 T1 
(4.7)
Formal ist:
isochore Zustandsänderung:
T3 p3
=
=π
T2 p2
(4.8),
isobare Zustandsänderung:
T3´ V3´
=
=ρ
T3 V3
isentrope Zustandsänderung:
T2
V
= ( 1 )κ −1 = ε κ −1 (4.10).
T1
V2
(4.9),
18
Damit ergibt sich:
T3 T3 T2
= ⋅ = π ⋅ ε κ −1
T1 T2 T1
(4.11),
κ −1
V V 
T4  V3' 
=   =  3' ⋅ 3 
T3'  V4 
 V3 V4 
T3' T3' T3
=
⋅ = ρ ⋅ π ⋅ ε κ −1
T1 T3 T1
T4 T4 T3'  ρ 
=
⋅
= 
T1 T3' T1  ε 
κ −1
ρ
= 
ε 
κ −1
(4.12),
(4.13),
κ −1
⋅ ρ ⋅ π ⋅ ε κ −1 = π ⋅ ρ κ
(4.14)
und schließlich
η th = 1 −
π ⋅ ρ κ −1
π ⋅ ε κ −1 − ε κ −1 + κ ρ ⋅ π ⋅ ε κ −1 − π ⋅ ε κ −1
1
η th = 1 −  
ε 
(
κ −1
π ⋅ ρ κ −1
π − 1 + κ ⋅ π ⋅ (ρ − 1)
)
(4.15)
Hieraus lassen sich die Sonderfälle ableiten:
κ −1
Gleichraumprozeß: ρ = 1
1
ηth = 1 −  
ε 
κ −1
Gleichdruckprozeß: π = 1
1
η th = 1 −  
ε 
(4.16)
ρ κ −1
κ ( ρ − 1)
(4.17)
Berechnungen von thermischen Wirkungsgraden η th des Seiliger- und des
Gleichdruckprozesses setzen Annahmen oder Kenntnisse des Punktes 3´ bzw. 4 voraus.
Abschätzungen können am einfachsten mit der Gleichung für den Gleichraumprozeß
vorgenommen werden.
Tab. 4.2: Typische Verdichtungsverhältnisse ε von 4 – Takt – Motoren:
Motor
Verdichtungsverhältnis ε
Ottomotoren 2 – Ventiler
8...10
Ottomotoren 4 – Ventiler
9...11
Direkteinspritzender Ottomotor
bis 14
Direkteinspritzender Dieselmotor
12...21
Dieselmotor mit Kammerverfahren
18...24
19
5
Kenngrößen
5.1
Gütegrad, Wirkungsgrad, Leistung
Die folgenden Definitionen sind gebräuchlich:
Gütegrad: η G =
Windiziert
Wtheoretisch
(5.1).
Bei Wtheoretisch handelt es sich um einen beliebig gewählten theoretischen Prozeß, z.B. Otto,
Seiliger etc.. Gelegentlich wird der Güegrad auch mit ηG =
Thermischer Wirkungsgrad: η th =
Wtheoretisch
QBrennstoff
Indizierter (bzw. innerer) Wirkungsgrad: η i =
Effektiver Wirkungsgrad: η e =
Pe
Q& Brennstoff
Weff
Wtheoretisch
defininert.
(5.2).
Windiziert
QBrennstoff
(5.3).
(5.4).
Bei der effektiven Leistung (=Nutzleistung) kann der Index e auch entfallen, bzw. die Indizes
eff verwendet werden.
Effektive Leistung (=Nutzleistung): Pe = Pi − Pr
(5.5).
Die Reibleistung Pr setzt sich zusammen aus: Reibung an Kolben, Ventilen, Lagern und
Antriebsleistung für die für den Betrieb notwendigen Hilfsaggregate (Generator,
Wasserpumpe, Ölpumpe, Lüfter). Anmerkung: Hilfsaggregate sind Teil der Nebenaggregate
zu denen beispielsweise noch die Lenkhilfepumpe, Verdichter für Klimaanlage, Luftpumpe
zur Bremsunterstützung etc. zählen.
Mechanischer Wirkungsgrad: ηm =
Pe
Pi
(5.6).
20
Leistung von Motoren mit drehenden Abtriebswellen
Die meisten Motoren haben eine Abtriebswelle, somit kann für die Leistung geschrieben
werden:
Pe = M d ⋅ ω
(5.7),
ω = 2 ⋅ π ⋅ nMotor
(5.8).
mit
Da die Leistung eines Motors vom Zustand der Verbrennungsluft abhängt, ist die Festlegung
eines Bezugszustands für Leistungsangaben notwendig. Wenn nichts anderes angeben ist, ist
normgemäß davon auszugehen, daß für die Leistungsangaben ein Druck von 1,013 bar und
eine Temperatur von 20 °C zugrunde liegen.
Für Verbrennungsmotoren (z.B. Einbaumotoren, nicht aber übliche PKW-Motoren) sind
folgende Leistungsbegriffe gebräuchlich (teilweise auch genormt):
Dauerleistung PA. Die größte dauernd zur Verfügung stehende Leistung. Die
Leistungsbegrenzung des Motors ist so eingestellt, daß noch eine Überlastbarkeit möglich ist.
Nicht überlastbare Leistung PB. Während einer bestimmten durch die Anwendung
vorgegebenen Dauer, die zwischen Motorenhersteller und Abnehmer vereinbart ist, kann der
Motor betrieben werden.
Überleistung PÜ. Dies ist die größte Nutzleistung, die der Motor insgesamt
zusammenhängend eine Stunde oder unterbrochen innerhalb von 12 Stunden abgegeben kann.
Die Überleistung ist in der Regel um das 1,1-fache größer als die Dauerleistung PA.
Höchstleistung PH. Dies ist die größte Nutzleistung, die ohne Überbeanspruchung 15
Minuten lang abgegeben werden kann.
5.2
Mitteldruck
Im Folgenden wird die Kenngröße Mitteldruck hergeleitet.
Leistung:
P =W ⋅ fA
(5.9). Arbeitszyklusfrequenz fA
2Takt: fA = nMotor
4Takt: fA = 0,5 nMotor
Arbeit:
W = ∫ AKolben ⋅ pZylinder ( s ) ⋅ ds
(5.10)
s
Mit dem Hubvolumen (s ist der Kolbenhub)
Vh = AKolben ⋅ s
(5.11)
ergibt sich
W = Vh ⋅ pm
(5.12).
21
Hierbei ist pm der sogenannte Mitteldruck. Damit ergibt sich mit dem Hubvolumen Vh bzw.
mit dem Hubraum VH:
Ph = Vh ⋅ pm ⋅ f A
(5.13),
PH = VH ⋅ pm ⋅ f A
(5.14).
Auch für die anderen Leistungen, z.B. Pi, PR etc. lassen sich die Mitteldrücke, indizierter
Mitteldruck pmi, Reibmitteldruck pmR etc., angeben. Der Vorteil dieser Kenngrößen ist die
Unabhängigkeit von der jeweiligen Motorgröße.
Tab. 5.1: Anhaltswerte für effektive Mitteldrücke:
Motortyp
effektiver Mitteldruck
pme in bar
4 – Takt – Motorrad
14
Rennmotor ohne Aufladung
20
PKW – Otto
8...13
LKW – Diesel
15...21
PKW – Diesel mit Aufladung
15...21
Große Dieselschnellläufer
6...30
Mittelschnellläufer
15...25
Große 2 – Takt – Diesel
9...15
5.3
Spezifischer Brennstoffverbrauch
Der Motorwirkungsgrad wird häufig durch den „spezifischen Kraftstoffverbrauch (bzw.
Brennstoffverbrauch)“
angegeben.
Allgemein
ist
der
Wirkungsgrad
einer
Verbrennungskraftmaschine:
η=
P
m& B ⋅ H u
(5.15).
Damit ergibt sich für die effektive Leistung:
η e = η i ⋅η m =
Pe
1
1
=
=
m& B ⋅ H u m& B
be ⋅ H u
⋅ Hu
Pe
(5.16).
22
Häufig wird der effektive spezifische Brennstoffverbrauch für Vergleichszwecke in
Brennstoffverbrauch pro Kilowattstunde angegeben.
Tab. 5.2:
Anhaltswerte für den effektiven spezifischen Kraftstoffverbrauch bei
Nennleistung:
Bezeichnung
eff. spez. Kraftstoffverbrauch be
in kg /(kW h)
2 – Takt – Otto
0,4
4 – Takt – Otto
0,25...0,35
Dieselkammerverfahren
0,25...0,3
Dieseldirekteinspritzung PKW/LKW
0,21...0,26
Dieseldirekteinspritzung Bahn
0,19...0,23
2 – Takt – Schiffsdiesel
0,17...0,2
Bestpunkte liegen bei kleinerer Last und Drehzahl etwa 5...10 % darunter.
5.4
•
•
•
•
•
Gründe für ηG < 1 bei ausgeführten Motoren
Unprogrammgemäße Wärmeübertragung. Beim Ottoprozeß muß Wärme isochor, d.h. in
einer Zeit von 0 s, zu und abgeführt werden, was technisch nicht realisierbar ist. Beim
Dieselmotor erfolgt noch ein „Nachbrennen“ bzw. eine „schleichende Verbrennung“ in
den Bereich, wo eine isentrope Entspannung stattfinden sollte. Während der Verbrennung
mit Temperaturen bis etwa 2500 K wird bis zu 20 % der zugeführten Brennstoffenthalpie
an die umgebenden Wände abgeführt.
Unvollständige Verbrennung. Z.B. infolge Sauerstoffmangels, Erlöschen der Flamme an
kalten Wänden (ist hauptsächlich ein Abgasproblem!).
Strömungsverluste beim Einströmen der Ladung und Ausströmen der Rauchgase.
Undichtigkeiten („Blow-by“), i.d.R. weniger als 1% des Massendurchsatzes.
Realgasverhalten (Dissoziation etc.).
5.4.1 Zeitlicher Verlauf der Wärmefreisetzung
Der Verlauf der Wärmefreisetzung der innermotorischen Verbrennung läßt sich durch ein
„Brenngesetz”, z.B. dem „Vibe-Brenngesetz“, darstellen (andere Bezeichnung ist
“Durchbrennfunktion”):

t
x = 1 − exp− 6,91

 tz



m+1 


(5.17).
23
Hier ist x der Anteil des Kraftstoff-Luft-Gemisches, der vom Verbrennungsbeginn in der Zeit
t verbrannt ist. Die Zeit tz ist die Zeitdauer für eine vollständige Verbrennung.
Der Kennwert m liegt für Otto- und Dieselmotoren im Bereich von 0,25 ≤ m ≤ 1,6.
Für eine schrittweise Berechnung des Verbrennungsverlaufs ist eine zeitliche Ableitung dieser
Gleichung notwendig (“Heizgesetz”):
t
dx
= 6,91⋅ (m + 1) ⋅ 
dt
 tz
m


t
 ⋅ exp− 6,91


 tz



m+1 


(5.18).
Bei Verbrennungsmotoren nimmt die Verbrennungsgeschwindigkeit etwa proportional zur
Drehzahl zu (turbulente Strömungen). Daher können die Gleichungen auch mit
Kurbelwinkeln und damit drehzahlunabhängig formuliert werden.
1
0,8
x
0,6
0,4
0,2
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
m=0,2
m=0,4
m=0,6
m=0,8
m=1,0
m=1,2
m=1,4
m=1,6
t/tz
dx/dt
Bild 5.1: Vibe-Brenngesetz - „Durchbrennfunktion“
4
3,5
3
2,5
m=0,2
m=0,4
m=0,6
m=0,8
2
1,5
1
0,5
0
m=1,0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
m=1,2
m=1,4
m=1,6
t/tz
Bild 5.2: Vibe-Brenngesetz - „Heizgesetz“
24
5.4.2 Wärmeübertragung
Gleichung zur schrittweisen Berechnung des Wärmeübergangs von Gas zur Zylinderwand:
∆QW = α ⋅ AW ⋅ (TGas − TW ) ⋅ ∆t
(5.19).
Empirischer Ansatz nach Woschny zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten
(Achtung: Zahlenwertgleichung, nur für übliche Otto- und Dieselmotoren anwendbar!):
α = 130 ⋅ d
− 0,2
⋅p
0 ,8
⋅T
− 0 , 53


Vh ⋅ T1
c1 ⋅ cm + c2 p ⋅ V ( p − p0 )
1
1


0 ,8
Symbol
Einheit
d
m
Zylinderdurchmesser
p
bar
Druck im Zylinder mit Verbrennung
p0
bar
Druck im Zylinder ohne Verbrennung
T
K
Gastemperatur
cm
m/s
c1
1
(5.20).
Bedeutung
mittlere Kolbengeschwindigkeit
bei Ladungswechsel:
c1 = 6,18 + 0,417 ⋅ cu cm
bei Verdichtung und Expansion:
c1 = 2,28 + 0,308 ⋅ cu cm
cu
m/s
c2
1
Umfangsgeschwindigkeit der Luft im Zylinder, ermittelt im
Stationärversuch mit der Drehzahl eines Flügelradanemometers,
dessen Durchmesser 0,7⋅d beträgt
c2 = 3,24⋅10-3 bei Ottomotor und Diesel-Direkteinspritzung.
c2 = 6,22⋅10-3 bei Vorkammerdieselmotoren.
25
Oberflächen zu
Volumenverhältnis
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0,1
0,6
1,1
1,6
2,1
2,6
3,1
3,6
4,1
4,6
Hub-/Bohrungsverhältnis s/D
Bild 5.3:
Verhältnis Oberfläche zu Volumen bei konstantem Volumen in Abhängigkeit des
Verhältnisses Hub zu Bohrung
26
6
Verbrennung und Kraftstoffe
V01, V02, V03, V04
6.1
Verbrennung
Bei Motoren mit innerer Verbrennung ist zu Beginn der Verdichtung eine bestimmte Menge
Luft im Zylinder enthalten, welche die Menge an verbrennbarem Kraftstoff festlegt.
Mindestluftmenge Lmin:
Folgend werden die Symbole und Indizes verwendet:
L
Luft
K
Kraftstoff
ρ
Dichte, Index G: Gemisch
ξ
Massenanteil (auch als Massenkonzentration bezeichnet) einer Komponente i
m
ξi = i
(6.1).
m ges
Damit ist ():
Lmin =
mL,st
mK
=
1
ξO
2
⋅
mO2 ,st
mK
(6.2).
Üblich in der Einheit in kg/kg = 1; falls gasförmige Brennstoffe auch [Lmin ] =
kg
m3
Auf die Gemischdichte bezogen ist:
L
lmin = min
(6.3).
ρG
Bezugszustand: 0°C, 1013 mbar.
Es ist in diesem Zustand: ρLuft,tr =1,293 kg/m³, ρO2 = 1,429 kg/m³.
mO2
Der Massenanteil Sauerstoff in Luft beträgt ξ O2 =
= 0,232 .
mLuft
Hinweis:
dieser Bezugszustand weicht von dem üblicherweise für die Leistungsangaben
von Motoren verwendeten ab!
In Kraftstoffen ist üblicherweise verbrennungsfähig: Kohlenstoff C, Wasserstoff H und
Schwefel S (insbesondere früher, heute auch noch nennenswert in Schwerölen)
Bei vollständiger Verbrennung entstehen Kohlendioxid CO2, Wasserdampf H2O und
Schwefeldioxid SO2:
C
+
O2
→
CO2
H2
+
½ O2 →
H2O
S
+
O2
→
SO2
27
Damit ist:
Lmin =
1
ξO
2
M O2
 M O2

1 M O2
⋅
⋅c + *
⋅h +
⋅ s − o
4 MH
MS
 MC

(6.4).
Mit den Kleinbuchstaben c, h, s, und o werden hier die Massenkonzentrationen von C, H, S
und O im Kraftstoff bezeichnet!
Mit den Molmassen der Stoffe ergibt sich die Zahlenwertgleichung(!):
Lmin =
1
⋅ [2,664 ⋅ c + 7,937 ⋅ h + 0,988 ⋅ s − o]
0,232
(6.5).
Luftverhältnis λ:
Das Luftverhältnis λ ist als Verhältnis der im Zylinder für die Verbrennung zur Verfügung
stehenden Luftmasse mL zur stöchiometrisch notwendigen mL,st definiert:
λ=
mL
mL
=
mL,st mK ⋅ Lst
Es ist:
λ > 1 mageres Gemisch:
λ < 1 fettes Gemisch:
(6.6).
„Luftüberschuß“
„Luftmangel“
Ottomotoren: i.d.R. λ ≈ 1 (insbesondere falls “3-Wege-Kat”)
Dieselmotoren: λ > 1 aufgrund Verringerung der Rußbildung. Richtwerte:
Kammermotoren (Vor-, Wirbel-)
λ = 1,2
Kleine Direkteinspritzer
λ = 1,3
Bahnmotor (aufgeladen)
λ = 1,5
Schiffsdiesel (aufgeladen)
λ = 1,8
Gemischheizwert HG:
Der Heizwert Hu des zugeführten Kraftstoffes mK wird auf das Gemischvolumen VG bezogen:
HG =
mK ⋅ H u
VG
(6.7).
28
Bei Dieselmotoren und direkteinspritzenden Ottomotoren ist VG = VL und damit:
VL =
mL
ρL
=
mK
(6.8),
⋅ Lst ⋅ λ
ρL
so daß
HG =
H u ⋅ ρG
Lst ⋅ λ
(6.9).
3
Die Einheit von HG ist z.B. kJ/m . Bei Dieselmotoren ist ρG = ρL einzusetzen.
Näherungsweise gilt dies auch für Ottomotoren, welchen „vergaster“ Brennstoff (z.B. mittels
Vergaser) zugeführt wird. Anm.: Bei der Vergasung handelt es sich überwiegend um eine
Zerstäubung des Kraftstoffs. Auch wenn diese zerstäubten Flüssigkeitströpfchen sehr klein
sind, handelt es sich nicht um ein Gas, so daß der Volumenanteil des Kraftstoffes im
Gemischvolumen klein ist und etwa 2% beträgt.
Bei Gasmotoren ist der Raumanteil des Gases zu berücksichtigen (Volumenanteil beträgt
etwa 10%). Anm.: Gelegentlich wird in der Literatur folgende Gleichung auch für
Ottomotoren, die mit „vergasten“ Kraftstoffen betrieben werden, angewendet.
VG =
mG
ρG
HG =
=
1
ρG
⋅ (m L + mK ) =
H u ⋅ ρG
Lst ⋅ λ + 1
 m
mK  mL
⋅ 
+ 1 = K ⋅ (Lst ⋅ λ + 1)
ρ G  mK
 ρG
(6.10),
(6.11),
Die Umstellen von Benzin auf Gasbetrieb hat meist eine Reduzierung der maximalen
Leistung zur Folge: Der Heizwert Hu von Erdgas ist kleiner als von Benzin und das Volumen
des Erdgases nimmt ca. 10 % des Hubvolumens ein.
Liefergrad λL:
Der Liefergrad λL ist als Verhältnis der tatsächlichen bei einem Arbeitsspiel im Zylinder
enthaltene Gemischmenge mG zur geometrisch aufgrund des Hubvolumens Vh im
Bezugszustand bei 0°C und 1013 mbar möglichen mG,h definiert:
λL =
mG
mG ,h
(6.12).
Der Liefergrad λL wird beeinflußt durch: Drosselung beim Ein- und Ausströmen,
Steuerzeiten, Arbeitsverfahren, Erwärmung der eintretenden Ladung, Jahreszeit, Höhenlage,
Aufladung (λL bis 4).
29
Der Liefergrad λL ist abhängig von der Drehzahl bzw. von der mittleren
Kolbengeschwindigkeit. Maßgeblich hierbei ist der Einlaßschluß („träge Maße“ der Luft) und
die Saugrohrgestaltung: variable Länge, Schaltventile etc. haben großen Einfluß.
Wärmefreisetzung bei einem Arbeitsspiel
Bei einem Arbeitsspiel wird in einem Zylinder mit dem Hubvolumen Vh die Wärme
freigesetzt:
Q = H G ⋅Vh ⋅ λ L =
mK ⋅ H u
H ⋅V ⋅ λ
⋅Vh ⋅ λ L = u h L
VG
G
(6.13).
Spezifisches Gemischvolumen
Die Abkürzung G kann als spezifisches Gemischvolumen bezeichnet werden und ist bei
Diesel- und Ottomotoren
G=
Lst ⋅ λ
ρG
(6.14)
und bei Gasmotoren
G=
Lst ⋅ λ + 1
ρG
(6.15).
Gleichung für die effektive Leistung von Motoren
Die effektive Leistung eines Motors läßt sich somit errechnen:
Pe =
ηi ⋅ λL ⋅ H u
G
⋅Vh ⋅ z ⋅ f A ⋅η m
(6.16).
bzw.
Pe = pmi ⋅Vh ⋅ z ⋅ f A ⋅η m = VH ⋅ pme ⋅ f A
(6.17).
30
6.2
Kraftstoffe
OTTOmotoren benötigen zündunwillige Kraftstoffe, während DIESELmotoren zündwillige
Kraftstoffe brauchen.
OTTOkraftstoffe
• Beurteilung für flüssige Kraftstoffe:
Oktanzahl (OZ) OZ hoch => klopffest
• Referenzkraftstoffe:
n-Heptan C7H16: OZ = 0, sehr zündwillig
i-Oktan C8H18: OZ = 100, sehr zündunwillig
• Definition: Die Oktanzahl gibt den prozentualen Iso-Oktan-Anteil eines Iso-Oktan-nHeptan-Gemisches an, das in einem definierten Prüfmotor unter definierten
Prüfbedingungen die gleiche Klopfintensität zeigt wie der untersuchte Kraftstoff.
• Prüfmotoren: im Betrieb verstellbares ε
CFR-Motor, BASF-Motor
• Prüfbedingungen des CFR-Motors (1 Zylinder, 4T, VH = 611 cm3):
(ROZ) Research(MOZ) MotorMethode
Methode
-1
600 → cm = 2,29 m/s 900
Drehzahl in min
4... 10
4... 10
ε
ZZP in °KW vor OT 13
26(ε = 5) 14(ε = 10)
149 °C
Gemischvorwärmung keine
52 °C
Raumtemperatur
Luftvorwärmung
ROZ: Research-Oktan-Zahl; MOZ: Motor-Oktan-Zahl
•
•
Methanzahl (MZ) zur Beurteilung der Klopffestigkeit von gasförmigen Kraftstoffen
(Erdgas MZ > 80, Propan MZ = 35, Deponiegas MZ > 100)
Kraftstoffzusätze zur Erhöhung der Klopffestigkeit flüssiger OTTOkraftstoffe. Am
wirksamsten sind metallorganische Verbindungen. Sie zerfallen bei hohen Temperaturen
und Drücken während der Verbrennung. Der Metallanteil wirkt dabei als
reaktionshemmender Katalysator. Beispiel: Bleitetraethyl Pb(C2H5)4. Bleifreier Kraftstoff:
Kohlenwasserstoffverbindungen und Alkohole als klopfmindernde Zusätze
DIESELkraftstoffe
• Beurteilung mit Cetanzahl (CaZ), ein Maß für die Zündwilligkeit
• Referenzkraftstoffe:
n-Hexadekan (=Cetan) C16H34: CaZ = 100 = zündwillig
α-Methyl-Naphtalin C11H10:
CaZ = 0 = zündunwilig
• Definition: Die Cetanzahl entspricht dem Anteil von Cetan in einem Cetan-α-MethylNaphtalin-Gemisch, das denselben Zündverzug aufweist wie der untersuchte Kraftstoff.
• Prüfmotor: CFR-Motor im DIESELbetrieb (WK)
7 < ε < 28; n = 900 min-1; Einspritzbeginn: 13 °KW vor OT
• Empirische Näherungsformel für den Zusammenhang zwischen OZ und CaZ:
CaZ = 60 - 0,5 MOZ
CaZ = 100 - ROZ (für ROZ > 80)
• Zündbeschleuniger: Zusätze (Nitrate, Peroxide) zum DIESELkraftstoff, die die
Zündwilligkeit erhöhen, z.B. Äthylnitrat C2H5NO3, Amylnitrat C5H11NO3)
31
7
Leistungskenngrößen, Motorkennfelder, Betriebsverhalten,
Leistungserhöhung und Aufladung
M01, M02, M03
7.1
Leistungskenngrößen
Die folgenden Leistungskenngrößen sind gebräuchlich:
•
Literleistung:
Pl =
Pe
= pme ⋅ f a
VH
(7.1).
Tab. 7.1: Anhaltswerte für die Literleistung
Motor
Drehzahl in 1/min
Literleistung in kW/l
Langsamlaufender Großdiesel
100
1,5 … 3,0
Mittelschnellaufender Diesel
500
4,5 … 7,5
Schnellaufender Diesel
1000
9,5 … 15,0
Nutzfahrzeugdiesel
3000
13,0 … 20,0
PKW-Diesel
5000
20,0 … 60,0
PKW-Otto
7000
25,0 … 75,0
Rennmotor
bis etwa 20.000
bis 250
(Formel 1: 220,0)
•
Leistungsgewicht (eigentlich eine „Leistungsmasse“): mG =
mM
Pe
(7.2).
Tab. 7.2: Anhaltswerte für das Leistungsgewicht
Motor
Leistungsgewicht in kg/kW
Langsamlaufender Großdiesel
40,0 … 55,0
Mittelschnellaufender Diesel
11,0 … 19,0
Schnellaufender Diesel
5,5 … 11,0
Nutzfahrzeugdiesel
4,0 … 5,0
PKW-Diesel
2,0 … 4,0
PKW-Otto
1,5 … 2,0
Rennmotor
0,3 … 0,8
32
Der Verlauf des Drehmomentes in Abhängigkeit der Drehzahl wird maßgeblich von
Liefergrad bestimmt. Motoren werden entsprechend ihrer Nenndrehzahl eingeordnet in:
Langsamläufer:
Mittelschnelläufer:
Schnelläufer:
Drehzahl
bis etwa 300 1/min
ab etwa 300 bis 1000 1/min
ab 1000 1/min
Anstatt der Drehzahl wird häufig die mittlere Kolbengeschwindigkeit
cm = 2 ⋅ s ⋅ n
(7.3)
verwendet. Die mittlere Kolbengeschwindigkeit stellt eine Kenngröße dar, die einen
Vergleich von unterschiedlichen Motorgrößen erlaubt. Tendenziell nimmt die Lebensdauer
von Motoren mit einer Zunahme der mittleren Kolbengeschwindigkeit ab.
Tab. 7.3: Anhaltswerte für die mittlere Kolbengeschwindigkeit cm bei max. Drehzahl
Motor
cm in m/s
Motorradmotoren
bis 19,0
Rennmotoren ohne Aufladung
bis 25,2
Rennmotoren mit Aufladung
bis 21,7
PKW-Ottomotoren
9,5 bis 19,8
LKW-Dieselmotoren
9,5 bis 14,0
größere Dieselschnelläufer
7,0 bis 12,0
Mittelschnelläufer (Diesel)
5,3 bis 9,5
Langsamläufer (2-Takt-Diesel)
5,7 bis 7,0
Die Motorenauslegung erfolgt häufig so, daß die maximale Leistung nicht bei maximal
möglicher Drehzahl erreicht wird, um einen großen Drehzahl-Betriebsbereich zu erhalten.
33
Leistung, Drehmoment
Drehmoment
Leistung
Drehzahl
Bild 7.1 Leistung und Drehmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl (Vollast)
1
0,95
Liefergrad
0,9
0,85
Einlaßschluß früh
0,8
Einlaßschluß spät
0,75
0,7
0,65
0,6
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
mittlere Kolbengeschwindigkeit in m/s
Bild 7.2: Einfluß der Drehzahl und des Einlaßschlusses auf den Liefergrad (Vollast)
34
Die Grenze der Mindestdrehzahl ist gegeben im wesentlichen durch die Ungleichförmigkeit
des Drehmomentes. Undichtigkeit (Blow-by), Wärmeabfuhr während der Verbrennung,
hydrodynamische Schmierung stellen weitere Grenzen dar.
Die Grenze der Maximaldrehzahl ist gegeben im wesentlichen durch die Massenkräfte.
Hydrodynamische Schmierung, Gemischbildung, Liefergrad stellen weitere Grenzen dar.
Die Form der Vollastkurven bei Diesel- und Ottomotoren kann gleich aussehen. Beim
Dieselmotor erfolgt zusätzlich eine Begrenzung aufgrund von Rußbildung („Rauchgrenze“).
Die Teillast wird beim Dieselmotor durch die Menge an zugeführten Kraftstoff vorgegeben,
so daß die Teillastkurven einen sehr ähnlichen Verlauf aufweisen, d.h. näherungsweise
äquidistant nach unten verschobene Vollastkurven sind. Beim Ottomotor wird die Last durch
die Stellung der Drosselklappe (heute meistens noch) vorgegeben, die Drosselwirkung führt
bei höheren Drehzahlen zu höheren Verlustleistungen, so daß die Teillastkurven mit niedriger
Last deutlicher mit der Zunahme der Drehzahl abfallen.
Anm.: beim „Chiptuning“ werden Dieselmotoren näher an der (bzw. oberhalb der gesetzlich
zulässigen) Rauchgrenze betrieben, die Drehzahlbegrenzung wird zu höheren Drehzahlen
verschoben. Bei Benzinmotoren kann ein Betrieb näher an der Klopfgrenze erfolgen, i.d.R.
wird hauptsächlich die Drehzahlgrenze angehoben.
7.2
Motorkennfelder
Eingetragen ist in Bild M01 der Schnittpunkt des Verlaufs der maximalen Leistung Pe = Pe,max
(dies ist eine Hyperbel) mit der Vollastkurve. Die Leistung Pe,max steht demnach nur in einem
Betriebspunkt zur Verfügung. Die Form der eingetragenen Fahrleistungskurve ist typisch
auch für viele andere Anwendungen, z.B. Betrieb von Pumpen, Generatoren,
Kältemittelverdichter. Im allgemeinen kommt es daher zu einem eindeutigen Schnittpunkt der
„Anlagenkennlinie“ mit der Leistungskennlinie des Motors. Dieser Betriebszustand ist somit
„stabil“. Eine Drehzahlregelung ist erforderlich, wenn z.B. eine bestimmte
Fahrzeuggeschwindigkeit gefordert wird.
Die Kurven mit konstantem Kraftstoffverbrauch werden auch als „Muscheldiagramm“
bezeichnet.
Drehmoment
Vollast
80% Last
60% Last
40% Last
20% Last
Drehzahl
Bild 7.3:
Abhängigkeit des Drehmoments von der Drehzahl und der Last beim
Dieselmotor
35
Drehmoment
Vollast
80% Last
60% Last
40% Last
20% Last
Drehzahl
Bild 7.4:
7.3
Abhängigkeit des Drehmoments von der Drehzahl und der Last beim
Ottomotor
Anmerkungen zur Leistungssteigerung von Motoren
Die Möglichkeiten können anhand der Leistungsgleichung
Pe = VH ⋅ pme ⋅
cm
2 ⋅ s ⋅ [2]
bzw. Pe = VH
H u ⋅ηi ⋅η m ⋅ λ L
cm
⋅
G
2 ⋅ s ⋅ [2]
(7.4)
diskutiert werden:
Folgende Kenngrößen sollten große Zahlenwerte annehmen:
Kenngröße
Anmerkung
cm bzw. nM
Grenzen sind zu beachten: Gefahr von „Kolbenfressern“, Abreißen von
Pleuelstangen, Ventilbewegung, Liefergrad etc.
ηi
„Gute“ Prozeßführung ist notwendig. Rennmotoren weisen meist hohe
Gütegrade auf.
VH
„Hubraum ist durch nichts zu ersetzen!“
Hu/G
Im Alltagsbetrieb können keine „exotischen“ Kraftstoffe bzw. reiner
Sauerstoff anstatt von Verbrennungsluft aus der Umgebung eingesetzt
werden.
ηm
Verbesserungen des mechanischen Wirkungsgrades sind oft schwierig und
nur aufwendig zu realisieren.
λL
Mehrventilmotoren, kurzhubige Bauweise,
durch Aufladung bis etwa λL = 4.
36
8
Energiebilanz, Kühlung, Abwärmenutzung (Nutzung der
thermischen Energie)
B01, B02, B03, B04, B05, B06, B07
Eine Kühlung der Motorbauteile ist erforderlich. Die Wände des Motors müssen auf deutlich
niedrigerem Temperaturniveau als die Schmelztemperatur der üblichen Werkstoffe liegen
(Eisen 1200°C, Bronze 900°C, Aluminium 650°C):
• Vermeidung von Verzunderung
• Zulässige Schmieröltemperatur <250°C
• Abnahme von Festigkeitskenngrößen mit Ansteigen der Temperatur (insbesondere bei
Aluminiumwerkstoffen zu beachten)
• Liefergradeinbuße infolge Aufheizung der frischen Ladung.
Hinweise:
• Üblich ist die Kühlung mit wasserhaltigem Kühlmittel (bei ungefähr bis 100°C) und
Luftkühlung (z.B. Motorradmotoren, Handarbeitgeräten, Flugmotoren).
• Kolbenkühlung durch Öl wird insbesondere bei hochbelasteten Dieselmotoren
angewendet. Bei großen Zweitaktdieselmotoren auch Wasserkühlung der Kolben.
• Natriumgefüllte Auslaßventile, (ts = 97°C, seit etwa 1920).
•
•
Ölkühler können Wärme direkt an die Umgebung abführen, häufig auch indirekt über
einen Kühlflüssigkeitswärmeübertrager.
Aufgrund der hohen Verbrennungstemperatur ist der Einfluß der Temperatur der
Abwärme auf den thermischen Wirkungsgrad niedrig. (Im Gegensatz zum RankineProzeß.)
Abwärme kann auf einem relativ hohen Temperaturniveau für Heizzwecke genutzt
werden z.B.: Kraft-Wärmekopplung, Brauchwassererwärmung, thermischer Antrieb von
Rankine-Prozessen, thermischer Antrieb von Absorptionskältemaschine.
Abwärme
Kühlflüssigkeit /
Luft 25...40%
Reibung,
Hilfsantriebe
indizierte
Leistung
Brennstoffenthalpiestrom 100%
Prozeßabwärme
•
Abwärme
Abgas 30...50%
Thermische
Strahlung 3...5%
effektive
Nutzleistung 20...50%
Bild 8.1: Zur Energiebilanz von Verbrennungsmotoren
37
9
Ladungswechsel, Gemischaufbereitung, Zündung,
Verbrennungsablauf
L01, L02, L03, L04, L05, L06, L07, L08, L09, L10, L11, L12, L13, L14, L15, L16
9.1
Ladungswechsel
Ladungswechsel ist:
• Austausch der verbrauchten Reaktionspartner gegen frische Ladung
• Abfuhr von Wärme
2-Taktmotor
Bei kleinen Motoren sind kolbengesteuerte Schlitze üblich. Weitere Möglichkeiten sind
(verstellbare) Einlaßschieber, Einlaßmembranen, Auslaßventile, Abgasschieber.
Werden „unsymmetrische Steuerdiagramme“ gewünscht, d.h. insbesondere eine andere
Kolbenstellung zum Einlaßende als zum Einlaßbeginn, damit die Füllung und somit die
Leistung hoch ist, kommen zum Einsatz: Auslaßventile, Gegen- bzw. Doppelkolbenmotor,
Abgasdrehschieber, variabler Einlaßschieber.
4-Taktmotor
Kolbengesteuerte Schlitze finden sich heute nur bei „Wankelmotoren“. Andere (Rotations-)
Kolbenmotoren, bei welchen ebenfalls auf Steuerelemente verzichtet werden könnte, haben
sich bisher nicht durchgesetzt.
Früher wurden teilweise Hülsenschieber und gelegentlich Walzenschieber eingesetzt.
Probleme bereiteten die Schmierung und die thermischen Beanspruchungen.
Heute werden Pilzventile verwendet, die oberhalb des Zylinders im Zylinderkopf „hängen“.
OHV („Over Head Valve“) und eine günstige Gestaltung der Brennraumform erlauben.
Der Antrieb der Ventile erfolgt meistens mittels Steuerkette oder Zahnriemen. Früher wurden
auch Wellen eingesetzt („Königswellen“, z.B. bis in jüngste Zeit bei Ducati) und
Schubstangen (NSU). Der Aufbau von Motoren mit Zahnriemen gilt als kostengünstiger. Die
Betriebssicherheit ist jedoch aufgrund der relativ zu den anderen metallischen Bauteilen
deutlich niedrigeren Lebensdauer häufig nicht zufriedenstellend. Da heute über diesen Antrieb
vermehrt weitere Neben- und Hilfsaggregate angetrieben werden, der Wartungsarmut höhere
Priorität gegeben wird und die Zahnriemen relativ zu Ketten breiter sind (ergibt längere
Motoren), ist ein Trend zur Verwendung von Steuerketten feststellbar.
Anhaltswerte
Die mittlere Strömungsgeschwindigkeit im Einlaßkanal beträgt bis etwa 100 … 110 m/s
(bezogen auf mittlere Kolbengeschwindigkeit). Der Einlaßkanal verengt sich bis zum Einlaß
in den Zylinder um etwa 20%, um eine stabile ablösungsfreie Strömung zu erhalten. Der
maximale Ventilhub beträgt etwa 1/4 bis 1/3 des Kanaldurchmessers im Bereich des
Ventilsitzes. Außer der ablösungsfreien Strömungsführung ist die Begrenzung der
Massenkräfte sowie die Eigenfrequenz der Ventilfedern hier zu beachten. Beim Öffnen des
Auslaßventils herrscht bei Vollast im Zylinder noch ein Druck von 5…10 bar, so daß sich ein
überkritisches Druckverhältnis bei den typischen Rauchgastemperaturen von 600 °C,
Schallgeschwindigkeit des Rauchgases etwa 590 m/s, ergibt. Der Durchmesser der
Auslaßventile beträgt etwa 85 … 90 % der Einlaßventile, da das Druckgefälle der
38
Auslaßventile größer ist. Die Größe der Ventilüberschneidung im OT wirkt sich besonders auf
die Schadstoffemission aus.
9.2
Ottomotor
Gemischbildung bzw. Gemischaufbereitung
Teilweise wird heute auch bei Ottomotoren eine Direkteinspritzung verwirklicht, die zu einer
„Inneren Gemischbildung“ führt, s. Dieselmotor. Die Einspritzdrücke betragen heute 50 …
120 bar und zukünftig (ab 2006) 200 bar.
Typisch (und üblich) ist die „Äußere Gemischbildung“ mittels Vergaser oder
Zentraleinspritzung oder Saugrohreinspritzung.
Zündung
Zündspule und Zündkerze sind erforderlich. Der Spannungsbedarf nimmt prop. mit dem
Elektrodenabstand und dem Druck zu.
Typische Anhaltswerte: U = 15 … 25 kV, I > 100 A, E = 1 mJ. Die Zündkerze soll möglichst
schnell nach dem Motorstart die „Freitemperatur“ > 400 °C erreichen, jedoch soll im Betrieb
die Temperatur < 900 °C betragen, um „Glühzündungen“ zu vermeiden. Es gibt Zündkerzen
mit unterschiedlichen „Wärmewerten“. Üblich bereitet sich die Flamme von der Zündkerze
ausgehend mit einer Flammengeschwindigkeit von etwa 30 m/s aus.
Bei Ottomotoren sind Selbstzündungen zu vermeiden, da diese vor dem eigentlich
festgelegten Zündzeitpunkt beginnen und somit zu zerstörend wirkenden hohen Drücken im
Zylinder führen können. Selbstzündungen können Glühzündungen sein, die von heißen Teilen
(Zündkerze, Auslaßventil aber auch feste Verbrennungsrückstände auf den
Brennraumoberflächen) ausgehen. (Ein typisches Phänomen ist das „Nachdieseln“ welches
z.B. bei defekten Kraftstoffabschaltventilen beim Abschalten von Vergasermotoren auftreten
kann.). Problematischer hinsichtlich Motorschäden ist die „klopfende Verbrennung“ (oder
auch „Motorklingeln“). Aufgrund hoher Temperaturen und Drücke zündet das Gemisch
selbsttätig. Durch den Zündfunken der Zündkerze und/oder eventuell auch von Glühzündung
ausgelöst kommt es lokal zu einer Verbrennung, die eine Drucksteigerung bewirkt, welche
sich im Brennraum mit der Schallgeschwindigkeit von etwa 900 m/s ausbreitet. Diese
Drucksteigerung kann nun an anderen Stellen des Brennraums eine Zündung auslösen, so daß
die Zündung insgesamt sehr schnell abläuft und zu hohen Drücken im Zylinder führt,
während der Kolben sich etwa im OT befindet. Die Bauteile werden mechanisch hoch
beansprucht. Eventuell macht sich dies auch durch ein klopfendes bzw. klingendes Geräusch
bemerkbar. Problematisch ist zudem, daß die Drucksteigerungen Reaktionen bis in die
üblichen Strömungsgrenzschichten der Zylinderwände hervorrufen können und den
Schmiermittelfilm zerstören. Moderne Motoren besitzen häufig sog. Klopfsensoren. Sie
können den Beginn einer klopfenden Verbrennung feststellen, so daß Motoreinstellungen
automatisch verändert werden können, um diesen Betriebsbereich zu vermeiden. Maßnahmen
zur Verringerung der Selbstzündungsgefahr sind:
• Verringerung des Verdichtungsverhältnisses: Das Verdichtungsverhältnis ist eine rein
geometrisch bestimmte Größe, die bei üblichen Motorenkonstruktionen nicht im Betrieb
variierbar ist. Jedoch ist das auf die Drücke bezogene Verdichtungsverhältnis (bzw. der
erreichte Verdichtungsenddruck) auch von der Stellung der Drosselklappe bzw. von den
heute teilweise variierbaren Steuerzeiten abhängig. Beispielsweise kann eine Begrenzung
39
•
•
•
•
•
•
•
9.3
der maximalen Öffnungsstellung der Drosselklappe und somit eine Begrenzung des
Verdichtungsenddruckes erfolgen.
Kleine absolute Zylindergröße: Große Zylindereinheiten, welche ein bezüglich des
Gütegrades günstiges Oberflächen-Volumenverhältnis aufweisen (relativ geringe
Wärmeabfuhr während der Verbrennung), sind andererseits nachteilig bezüglich einer
klopfenden Verbrennung. Anm.: Dies wurde bei großen Flugmotoren bereits früh erkannt.
Mittels mehrerer Zündkerzen wurden die Flammwege verkürzt und es wurden neue
klopffeste Kraftstoffe (damals verbleit) entwickelt.
Brennraumform: Mittels „Quetschspalten“ erfolgt eine heftige Druchwirbelung der
Ladung und damit Homogenisierung der Temperaturen im Brennraum. „Zerklüftete“
Brennraumformen sind nachteilig.
Anzahl und Lage der Zündkerze: Die Zündkerzen sollten möglichst nahe an den heißesten
Bauteilen, d.h. Auslaßventil, plaziert sein. Durch mehrere Zündkerzen können die
Flammwege verkürzt werden. Nachteilig ist hier, daß eventuell der Ausfall einer
Zündkerze nicht bemerkt und somit eine klopfende Verbrennung sogar begünstigt wird.
Zündzeitpunkt: Spät ist günstig.
Last: Niedrig.
Ansaugtemperatur: Niedrig.
Kraftstoff: Klopffest (hohe Oktanzahl).
Dieselmotor
Kraftstoff wird eingespritzt und es erfolgt eine innere Gemischbildung im Verbrennungsraum.
Motoren mit indirekter Einspritzung
Bei Motoren mit Wirbelkammer bzw. Vorkammer befinden sich etwa 40 … 50% des
Kompressionsvolumens in dieser Kammer. Der Einspritzdruck ist < 400 bar und wird durch
Reiheneinspritzpumpen oder Verteilereinspritzpumpen aufgebaut. Die Einspritzung erfolgt
mittels automatischer Einspritzdüsen in diese Kammern. Hier ist die Wandtemperatur hoch, es
herrscht Luftmangel. Nach relativ kurzem Zündverzug erfolgt ein schneller Druckanstieg und
die Ladung strömt in den Zylinder über, wo genügend Verbrennungsluft vorhanden ist.
Aufgrund dieser beiden unterschiedlichen Verbrennungsvorgänge wird der „NOx-Berg
durchlaufen“, d.h. es erfolgt eine relativ geringe NOx-Bildung. Bei niedriger Last und damit
relativ kalter Vorkammer ist die Rußbildung relativ groß. Vergleichsweise hohe Drehzahlen
bis etwa 5000 1/min sind möglich. Das Verdichtungsverhältnis beträgt ε = 21 … 22 bei
Vorkammermotoren und ε = 22 … 23 bei Wirbelkammermotoren. (Hinweis: Vorsicht ist bei
der Verwendung von neuen besonders zündwilligen Diesel-Kraftstoffen, die hauptsächlich für
PKW-Direkteinspritzer entwickelt wurden, geboten. Eventuell kommt es zu einer deutlich
schnelleren Flammenausbreitung, die zu Überhitzungsschäden an den Kammern und
Einspritzdüsen führen können.) Kammermotoren sind relativ laufruhig. Zündhilfen
(Glühkerze bzw. Glühstifte) sind für den Kaltstart notwendig.
Motoren mit direkter Einspritzung
Etwa 80% des Kompressionsvolumens befindet sich im Kolbenboden. Einspritzdrücke von
1300 bis 2200 bar sind heute üblich. Bei Kolbendurchmesser < 300 mm ist der Einlaß so zu
gestalten, daß ein Drall entsteht, der für eine hinreichende Durchmischung des Kraftstoffs mit
der Luft sorgt. Der Druckaufbau und die Einspritzung können erfolgen mittels:
40
Reiheneinspritzpumpe und automatische Einspritzdüse. Dieses System wurde
inzwischen aus dem PKW-Sektor weitgehend verdrängt.
• Pumpe-Düse. Einspritzdrücke bis 2200 bar. Kombination aus Pumpe und Düse, die
direkt im Zylinderkopf integriert ist. Es sind keine Einspritzleitungen erforderlich.
Neuerdings auch mit Piezoaktor angesteuert. Eine Vorpumpe, die etwa einen
Förderdruck von 10 bar besitzt, ist notwendig. Aufgrund der sich abzeichnenden
technischen Begrenzungen (Höhe des Einspritzdruckes, Leistungaufnahme, ...) wird
die Pumpe-Düse voraussichtlich zukünftig nicht mehr bei Mehrzylinder-PKWMotoren eingesetzt.
• Common-Rail. Einspritzdrücke bis 2200 bar. Hochdruckpumpe und gesteuerten
Einspritzdüsen. Auch hier ist eine Vorpumpe, die etwa einen Förderdruck von 10 bar
besitzt, notwendig.
Die gesteuerten Einspritzdüsen erlauben eine zeitlich unterteilte Einspritzung (Vor-, Hauptund Nacheinspritzung), die hinsichtlich Wirkungsgrad, Laufkultur und insbesondere
Schadstoffausstoß vorteilhaft ist. Piezoelektrische Ventile lassen sich etwa viermal schneller
schalten als elektromagnetische, so daß die gesamte Einspritzmenge in bis zu 8 Teilmengen
geteilt werden kann.
Bei PKW-Motoren mit Verdichtungsverhältnissen von ε = 15 … 19, Drehzahl 4500 1/min,
wird heute ein effektiver Wirkungsgrad von ηe = 43 % erreicht. Der effektive Wirkungsgrad
von langsamlaufenden Zweitaktmotoren beträgt ηe > 50 %.
•
41
10
Schadstoffe im Abgas (Abgasemission), Maßnahmen zur
Minderung des Schadstoffausstoßes
S01, S02, S03, S04, S05, S06, S07
10.1 Schadstoff im Abgas
•
Kohlenmonoxid CO. Es entsteht bei Verbrennung unter Luftmangel. Die Bildung ist nur
von dem Luftverhältnis λ abhängig. Bei Ottomotoren wird aufgrund der heute üblichen
Abgasreinigung mit „Dreiwegekatalysatoren“, s.u., ein Luftverhältnis von λ = 1
angestrebt. Bei Mehrzylinder-Ottomotoren ist es technisch kaum möglich, daß alle
Zylinder exakt mit dem gleichen Luftverhältnis betrieben werden. Somit befinden sich
sowohl CO als auch O2 im Abgas. (Die Volumenkonzentration von O2 ist bei λ = 1 etwa
zweimal so groß wie die von CO.) Bei Dieselmotoren ist generell λ > 1, weshalb die COEmission unproblematisch ist.
•
Kohlenwasserstoff CH. Die CH-Emission ist deutlich vom Luftverhältnis λ abhängig.
Auch ein großes Oberflächen-Volumenverhältnis des Brennraumes, die Quetschspalten
etc. können die CH-Bildung begünstigen. Bei Ottomotoren trägt insbesondere das
Erlöschen der Flamme im Spalt zwischen Kolben und Zylinder oberhalb des ersten
Kolbenringes zur CH-Bildung bei. Bei Dieselmotoren ist die CH-Bildung
unproblematischer, da der Kraftstoff nicht auf kühle Wände gelangt (bzw. gelangen
sollte). Eine Ausnahme stellen die wandgeführten Verbrennungsverfahren dar,
beispielsweise das früher verwendete MAN-M-Verfahren.
•
Stickoxide NOx. Der Anteil von NO beträgt etwa 90 % und der von NO2 entsprechend
etwa 10 %. Die NOx-Bildung nimmt bei Temperaturen T > 1600 K deutlich zu.
Außerdem hängt die Bildung von der Verweildauer ab (größer, falls längere Dauer). Das
Maximum der NOx-Bildung liegt bei einem Luftverhältnis von etwa λ = 1,05.
Direkteinspritzende Dieselmotoren sind aufgrund λ > 1 meist etwas günstiger als
Ottomotoren. Dieselmotoren mit unterteilen Brennkammern sind günstig, da in den
Kammern Luftmangel und im Zylinder Luftüberschuß herrscht (s.o.).
•
Schwefeldioxid SO2. Falls Schwefel im Brennstoff enthalten ist.
•
Partikel, andere Bezeichnung ist Ruß. Die Partikelemission gilt als ein besonderes
Problem bei Dieselmotoren. Beachtenswert ist, daß auch Schmieröl des Motors verbrennt
und zu einer Partikelemission führt. Auch Ottomotoren emittieren Ruß!
Den wesentlichen Einfluß auf die Schadstoffemission hat das Luftverhältnis λ.
42
10.2 Maßnahmen zur Minderung des Schadstoffausstoßes
Es wird zwischen innermotorischen und außermotorischen Maßnahmen unterschieden. Ziel
ist es, möglichst mittels kostengünstiger innermotorischen Maßnahmen die geforderten
Grenzwerte zu erreichen bzw. eine Annäherung zu finden, um somit die aufwendigen
außermotorischen Maßnahmen auf ein Minimum zu beschränken. Der Entwicklungsaufwand
für innermotorische Verbesserungen ist jedoch aufgrund des bereits erreichten hohen Stands
sowie den komplizierten und schwer zu erfassenden strömungsmechanischen, thermischen
und chemischen Vorgängen während der Verbrennung relativ sehr groß und daher langwierig.
Zudem ist eine Erfolgsicherheit für die Bemühungen oft nicht gegeben. Die Auswirkungen
der (schwankenden) Kraftstoffqualität sowie deren Zusatzstoffe auf den Verbrennungsablauf
und die Schadstoffbildung sind ebenfalls zu beachten.
Innermotorische Maßnahmen
Wesentliche Einflußgrößen sind das Luftverhältnis λ und der Brennbeginn. Ebenfalls zu den
innermotorischen Maßnahmen zählen die (partielle) Abgasrückführung. Mittels
Ventilüberschneidungen und/oder externer Abgasrückführung über Leitungen wird Abgas
zurückgeführt, dessen Wärmekapazität die Spitzentemperatur und somit vor allem die NOxEmission senkt. Auch eine mögliche Wassereinspritzung wird diskutiert. Einen großen
Einfluß haben die Brennraumgestaltung und die Strömungsführung. Hier gibt es die o.g.
Zusammenhänge, die Feinabstimmung ist jedoch nur mittels gekoppelter numerischer und
meßtechnischer Verfahren möglich.
Außermotorische Maßnahmen
Aufgrund der unterschiedlichen Verbrennungsabläufe kommen bei Otto- und bei
Dieselmotoren unterschiedliche Verfahren zum Einsatz.
Ottomotor
Stand der Technik ist heute der sogenannte „Dreiwegekat“ (NSCR NonSelective Catalytic
Reduction). Aufgabe der Katalysatoren ist es, Umsetzungsreaktionen zu niedrigeren
Temperaturen zu verschieben. Das Luftverhältnis muß etwa λ = 1 betragen (0,98 < λ < 1,03).
Im Idealfall enthält das Abgas somit kein Sauerstoff und folgende Reaktionen können
stattfinden:
2NO + 2CO → N2 + 2CO2
6NO + 2HC + CO → 3N2 + H2O +3CO2.
Bei Direkteinspritzer ist das Luftverhältnis λ > 1, so daß dieses Verfahren weitgehend
wirkungslos ist. Neben der selektiven Katalyse, s.u., wird gegenwärtig auch die Möglichkeit
einer Zwischenspeicherung von NOx und anschließender Reduktion („Regeneration“) durch
zusätzlich zugeführten Kraftstoff (z.B. Zugabe in den Abgasstrang oder kurzzeitiger
Motorbetrieb mit λ < 1) angewendet („Speicherkat“), wobei über deren Umweltauswirkungen
noch unterschiedliche Ansichten bestehen.
43
Dieselmotor
Stand der Technik ist heute der sogenannte „Oxidationskatalysator“. Es findet statt:
CO + ½O2 → CO2
HxCy + uO2→ vCO2 + wH2O
Eine nennenswerte Reduktion von Stickoxiden und Partikel kann sich so nicht ergeben.
Zunehmend werden heute Partikelfilter, Speicherkatalysatoren und Kombinationen hieraus
angewendet. Auch hier gibt es über deren Umweltauswirkungen noch unterschiedliche
Ansichten, insbesondere die hohen Kosten und den Mehrverbrauch aufgrund der häufig mit
der Betriebsdauer fortschreitenden Zunahme der Strömungsdruckverluste betreffend.
Zunächst für stationäre Motoren entwickelt und heute auch auch für LKW und PKW
verfügbar, ist die Anwendung der selektiven Katalyse (SCR). Es erfolgt eine Zugabe von
Ammoniak, insbesondere im mobilen Bereich von Harnstoff (H2N-CO-NH2), der vor dem
Katalysator versprüht wird. Es finden folgende Reaktionen statt:
6NO + 4NH3 → 6H2O + 5N2
6NO2 + 8NH3 → 12H2O + 7N2
Problematisch ist ein eventueller Schlupf von NH3.
10.3 Angaben von Emissionswerten
Im stationären Bereich werden Emissionen auf die geleistete Arbeit bezogen, z.B. in g/(kWh),
für die je nach Schadstoff und Anwendung, Leistung, Land etc. unterschiedliche Grenzwerte
einzuhalten sind (vgl. z.B. TA-Luft).
Für Fahrzeuge wird der Schadstoffausstoß auf die gefahrene Strecke bezogen, z.B. in g/mile
oder g/km. Je nach Erdteil (USA, Europa, Japan) gibt es hier unterschiedlich festgelegte
Fahrzyklen (in Europa NEDC, in USA FTP75 etc.) und Grenzwerte.
Schadstoffemissionsangaben in ppm (Part per million, 10.000 ppm = 1 Vol%) sind zu
vermeiden, da es sich bei ppm nicht um eine eindeutig definierte SI-Einheit handelt.
44
11
Literatur
Bücher:
Kraemer, O.; Jungbluth, G.: Bau und Berechnung von Verbrennungsmotoren. 5. Aufl.
Springer 1983.
Küttner, K.-H.: Kolbenmaschinen. 6. Aufl. Teubner 1993.
Grohe, H.: Otto- und Dieselmotoren. 13. Aufl. Vogel 2003.
Groth, K.: Grundzüge des Kolbenmaschinenbaus I. Verbrennungskraftmaschinen. Vieweg
1995.
Groth, K.: Grundzüge des Kolbenmaschinenbaus II. Kompressoren. Vieweg 1995.
Groth, K.: Grundzüge des Kolbenmaschinenbaus III. Hydraulische Kolbenmaschinen.
Vieweg 1996.
Mau, G.: Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb. Vieweg 1984.
Basshuysen, van R.; Schäfer, F. (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotor. 2. Aufl. 2002.
Urlaub, A.: Verbrennungsmotoren. 2. Aufl. Springer 1995.
Köhler, E.: Verbrennungsmotoren. 3. Aufl. Vieweg 2002.
Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Kraftfahrzeugtechnischnisches Handbuch. 24. Aufl. Vieweg
2002.
Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Dieselmotor-Management. 3. Aufl. Vieweg 2002.
Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Ottomotor-Management. Vieweg 1999.
Merker, Günter P.: Verbrennungsmotoren. Teubner 2004.
Merker, Günter P.: Technische Verbrennung. Teubner 1999.
van Basshuysen, R.; Schäfer, F (Hrsg.): Lexikon Motorentechnik. Vieweg 2004.
Pischinger, R. u. a.: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. Springer 2002.
List, F. (Hrsg.): Die Verbrennungskraftmaschine. Mehrere Bände. Springer Verlag ab etwa
1950.
Küntscher, V.: Kraftfahrzeugmotoren. Verlag Technik 2005.
Ricardo, H. R., Niermeyer, H.: Der schnellaufende Verbrennungsmotor. Springer 1954.
Fröhlich, F.: Kolbenverdichter. Springer 1961.
Bouché, Ch.; Wintterlin, K.: Kolbenverdichter. 3. Aufl. Springer 1960.
Fachzeitschrift:
MTZ (Motortechnische Zeitschrift). Vieweg.
45
Kostenlose Literatur-Downloads:
RWTH Aachen Prof. Dr.-Ing. S. Pischinger
http://www.vka.rwth-aachen.de/
http://www.vka.rwth-aachen.de/sfb_224/bericht.htm
TU Berlin Prof. Dr.-Ing. H. Pucher
http://www.vkm.tu-berlin.de/
FH Aachen Prof. Dr.-Ing. K. Schwarzer
http://www.sij.fh-aachen.de/download, z.B.: http://www.sij.fhaachen.de/download/Verbrennungsmotoren_Skript.pdf
Uni Duisburg Prof. Dr.-Ing. P. Roth
http://www.vug.uni-duisburg.de/~kock/lehre.html
FH Koblenz Prof. Dr.-Ing. A. Huster
http://www.fhkoblenz.de/maschinenbau/modules.php?op=modload&name=Downloads&file=index&req=vi
ewsdownload&sid=23
FH Frankfurt
http://www.fh-frankfurt.de/2_studium/introseiten/index_2fb2.html
46