V - oeppi

Verbrennungs-
kraftmaschinen
Folie 1

HISTORISCHER RÜCKBLICK
Folie 2

Kolbendampfmaschine
war lange Zeit die einzige Wärmekraftmaschine. Zur Dampferzeugung wurde ein
Kessel benötigt. Dieser wurde von einem Heizer bedient und brauchte eine
polizeiliche Genehmigung. Somit eignete sich diese Anlagen nicht für Kleinbetriebe
und Handwerker.
Nikolaus August Otto Otto
(1832-1891, Kaufmann mit technischem Interesse) gelang es den ersten Viertaktmotor
1876 fertig zu stellen (2,2 kW bei 180 min -1 )
Rudolf Diesel
(1858-1913) hat 1897 den ersten Dieselmotor entwickelt (13,1 kW bei 154 min-1)
Folie 3

EINTEILUNG

Nach Nach Arbeitsverfahren
•• Viertaktverfahren
ein Arbeitsspiel Arbeitsspiel = 2 Umdrehungen der Kurbelwelle = 4 Hübe des Kolbens
• Zweitaktverfahren
ein Arbeitsspiel Arbeitsspiel = 1 Umdrehungen der Kurbelwelle Kurbelwelle = 2 Hübe des des Kolbens
Nach Kraftstoffzufuhr
Kraftstoffzufuhr
• gemischansaugende Motoren
-- das Gemisch wird im Wesentlichen außerhalb des Zylinders gebildet
-- z.B.: Vergaser- Motoren, Gas-Motoren mit mit Mischkammern Mischkammern oder Mischventilen
• luftansaugende Motoren
- Luft wird angesaugt
- der Kraftstoff wird gleichzeitig oder später in den Zylinder eingespritzt
- z.B.: z.B.: Diesel- oder Gaseinblasmotoren

Nach Ansaugzustand
•• Saugmotoren
Saugmotoren
das Kraftstoff- Luft- Gemisch wird mit Umgebungszustand angesaugt
• Aufgeladene Motoren
die Ladung wird vor dem Ansaugen verdichtet (größere Ladungsmenge >>
größere Leistung) Leistung)
Nach Art der der der der Kolbenbewegung
• Hubkolbenmotor
•• Kreiskolbenmotor
Nach Art der der Kühlung
• flüssigkeitsgekühlter Motor
• luftgekühlter Motor

ALLGEMEINES
Folie 7

Seiliger-Prozeß

Otto-Motor-Prozeß

Diesel-Prozeß

charakteristische Größen
H
V
Hubvolumen
Kompressions-
volumen
Verdichtungs-
volumen
C
V
2
1
V
V
V
V
V
C
C
H
Drucksteiger-
ungsverhältnis 2
3
p
p
Verdichtungs-
volumen
Einspritz-
verhältnis
2
1
V
V
V
V
V
C
C
H
2
4
3
4
V
V
V
V

Wirkungsgrade
Idealer Otto-Prozeß Idealer Diesel-Prozeß
1
th 1 1
10
th
1
1
1
1
1

Unterschied idealer zu realen Motor
• Wärmezufuhr erfolgt nicht isochor/isobar
• Wärme wird nicht nicht nur über die die Abgase, sonder auch zufolge von
Kühlung an den Zylinderwänden abgeführt.
• An den Ventilen treten Drosselverluste auf
• Der Zylinder ist nicht absolut dicht.

Effektiv nutzbare Arbeit
W W W
e
w
i
W
e
ev
V H
e
R
K
H
VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN
W F s p z A s p z V
p V
p
W
e
me
VH
HZ
ALLGEMEINES
H

Effektiv Mitteldruck
p
W
e
me
VH

Effektive Leistung
Pe We
n
2
n
Pe
wev
VH
pme
VH
2
n
2

ARBEITSVERFAHREN
4Takt-Motor
Aufbau
Funktionsweise
2Takt-Motor

Ist die Umwandlung der im im Kraftstoff gespeicherten Energie in die mechanische Arbeit
Je nach nach Anwendungsbereich unterscheiden wir:
• 4- Takt- Motoren
Leistungsstark, gut steuerbare Verbrennung, eigenes Schmiersystem
erforderlich, getrennter Gaswechsel
Gaswechsel
z.B.: Auto, schwere Krafträder
• 2- Takt- Motoren
leichter, kleiner, geringere Leistung, Schmiermittel im Kraftstoff
enthalten enthalten
z.B.: Mofa, Mofa, Motorsäge

ARBEITSVERFAHREN
4Takt-Motor
Aufbau
Funktionsweise
2Takt-Motor

Folie 20

MFDT
•• Kolben (Werkstoff: Al-Si-Legierung Al-Si-Legierung od. Gusseisen) Gusseisen)
-- führt die die Linearbewegung im im Zylinder aus aus
•• Pleuelstange
Pleuelstange
- überträgt überträgt die Kolbenkraft (der (der Kolben bewegt sich durch die Expansion der heißen heißen
Verbrennungsgase) auf die Kurbelwelle.
-- die geradlinige Kolbenbewegung wird in eine Drehbewegung umgewandelt.
• Kurbelwelle
• Kurbelgehäuse
Kurbelgehäuse
• Zylinderkopf
• Zylinder
• Ventile
-- ermöglichen das Einströmen Einströmen des Kraftstoff-Luft- Kraftstoff-Luft- Gemisch und und das Ausströmen Ausströmen der heißen heißen
Abgase,
-- Abdichten des Zylinders beim Verdichten und Entspannen
Entspannen
• Nockenwelle
-- steuert die Ventile
- läuft beim Viertaktmotor Viertaktmotor mit der halben Kurbelwellendrehzahl.
-- Der Antrieb erfolgt meist mit mit Steuerkette oder oder Zahnriemen.

MFDT
VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN
ARBEITSVERFAHREN
4Takt-Motor
Aufbau
Funktionsweise
2Takt-Motor
AUFBAU

1.Takt – Ansaugen
• Das Einlassventil Einlassventil (EV) (EV) öffnet.
• Der Kolben bewegt sich vom oberen
Todpunkt (OT) nach unten, wobei wobei ein ein
Unterdruck von 0,1 bis 0,2 bar
entsteht.
• Durch Durch diese diese Saugwirkung Saugwirkung wird die
frische Ladung (Gemisch oder
Frischluft) angesaugt.
• Um eine möglichst möglichst große große Menge
ansaugen (erhöht die Leistung) Leistung) zu
können, öffnet das Einlaßventil schon
kurz vor vor dem OT und schließt erst 40
– 60° nach dem dem UT (Strömung wird
erst durch den aufwärts gehenden
Kolben gebremst).

2. 2. Takt – Verdichten
Verdichten
• beide Ventile sind sind geschlossen
geschlossen
• Beim Aufwärtsgehen des Kolbens wird
das Frischgas auf auf den 7. bis bis 10. Teil
des des ursprünglichen Zylinderraumes Zylinderraumes ( ( = =
Hubraum V h + + Verdichtungsraum V Vc) c)
verdichtet.
• Verdichtungstemperatur
- Ottomotoren 350 – 450°C
-- Dieselmotoren Dieselmotoren 550 550 - 700°C 700°C
Vergasung des Kraftstoffes wird
gefördert
•• Verdichtungsdruck
-- Ottomotoren Ottomotoren 10 bis 16 bar bar
- Dieselmotoren 30 bis 50 bar-

3. Takt – Entspannen, Arbeiten
= = Verbrennen Verbrennen und Ausdehnen
• beide Ventile sind sind geschlossen
geschlossen
• die Verbrennung beginnt etwa bei bei OT-
Stellung des Kolbens
• Druck und Temperatur steigen steigen dabei dabei auf
bist zu:
- Ottomotoren 2500°C und 40 - 70 bar
- Dieselmotoren 2000°C und 60 - 100 bar
• Das Gemisch Gemisch verbrennt, verbrennt, die
Verbrennungsgase dehnen dehnen sich aus und
geben geben ihre Energie an den Kolben ab.

4. Takt Takt – Ausstoßen
• das Auslassventil öffnet bereits kurz vor vor
dem UT.
• Die Altgase Altgase strömen mit
Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit (300 km/h) aus dem
Zylinder
• Der nachfolgende Schalldämpfer dämpft dämpft
den hohen Druck
• Beim Aufwärtsgehen des Zylinders wird der
Altgas- Rest ausgestoßen.
• Um das das Abströmen Abströmen der Altgase zu
begünstigen, begünstigen, schließt schließt das Auslaßventil erst
kurz nach dem OT, während das
Einlaßventil schon angehoben angehoben wird.

• Die Vorgänge während des Betriebes werden damit damit ersichtlich gemacht
• Der Druckverlauf (= Kolbenkraft) über die Kolbenbewegung ergibt die geleistete
Arbeit des Kolbens
•• Anhand Anhand des Arbeits- Diagramms Diagramms können Fehler in der Motoreinstellung festgestellt
werden
• Die Steuerzeiten der Ventile (= Öffnungs- Öffnungs- und Schließzeiten des Einlass- und
Auslassventils) bestimmen entscheidend die Leistung Leistung des Motors Motors
• Im Steuerungsdiagramm werden werden die Steuerzeiten über die Kurbelwellendrehung von
360° aufgetragen
• Die Steuerungszeiten werden von von der Nockenwelle des des Motors bestimmt

ARBEITSVERFAHREN
4Takt-Motor
Aufbau
Funktionsweise
2Takt-Motor
Folie 30

1. Takt, Spülen und Verdichten
Verdichten
der Kolben bewegt bewegt sich von UT nach OT.
Solange der Kolben die Einlass- und
Auslassschlitze nicht verdeckt, spült die die
frische Ladung die Verbrauchte Verbrauchte aus dem
Zylinder.
Die frische Ladung kann durch durch ein
eigenes Spulgebläse verdichtet werden
(Diesel), oder oder die Kolbenunterseite
(Ottomotoren)
Nach Abschluss der der Schlitze durch durch den
Zylinder wird die Ladung verdichtet
Es entstehen Temperaturen und Drücke Drücke
ähnlich denen bei 4-Takt- Motoren Motoren

2. Takt, Arbeitstakt
Arbeitstakt
die Verbrennung beginnt etwa bei bei OT-
Stellung des Kolbens das Gas dehnt
sich aus.
Sobald Sobald der Kolben die Auslassschlitze
freigibt, pufft das das verbrannte Gas in in
die Abgasanlage.
Kurz Kurz darauf darauf öffnet öffnet sich sich die die EinlassEinlassschlitze und die die frische Ladung spült spült
das Abgas aus dem Zylinder

VENTILSTEUERUNG
Allgemeines
Bauarten
Stoßstangensteuerung
Schwinghebelsteuerung
Kipphebelsteuerung
Tassenstößelsteuerung
Folie 34

Allgemeines
Aufgaben der Ventilsteuerung
• Ermöglichen und Steuerung des Gaswechsel
Ventilsteuerung besteht aus
• Ventilfedern
• Nockenwelle
• Übertrgaungsmechanismus
Antrieb geschieht
• formschlüssig
• Im Übersetzungsverhältnis 2:1
Ventilsteuerung ist ein sehr dynamisches System

Stoßstangensteuerung Schwinghebelsteuerung

Kipphebelsteuerung
Tassenstößelsteuerung

Aufladung von VKM
Leistungserhöhung
Mechanische Aufladung
Abgasturboladung
Dynamische Aufladung
Folie 38

Leistungserhörhung
durch Vergrößerung des Hubvolumen
• mehr Luft angesaugt, deshalb kann mehr Brennstoff verbrannt
werden.
• Hubraumvergrößerung lässt sich durch Hinzufügen Hinzufügen einzelner
Zylinder Zylinder
• durch Vergrößerung der vorhandenen Zylinder erreichen. erreichen.
Das Ergebnis Ergebnis sind schwerere Motoren. In Bezug auf Verbrauch und
Schadstoffemissionen sind keine Vorteile zu erzielen. erzielen.

Leistungserhörhung
durch Erhöhung der Drehzahl
• die die Grenze ist durch durch die Triebwerksbelastung Triebwerksbelastung (Trägheitskräfte)
gesetzt.
• Reibungs- und Strömungsverluste steigen überproportional mit mit
der Drehzahl Drehzahl der Wirkungsgrad Wirkungsgrad sinkt. sinkt.

Leistungserhörhung
durch Erhöhung des Mitteldrucks
• Motor Motor saugt die Luft nicht an, sondern die Luft wird vorher
verdichtet
• Der Motor arbeitet mit dem gleichen Volumen, aber die
Gasmasse Gasmasse ist ist größer größer
• mehr mehr Sauerstoff am Prozess mehr mehr Brennstoff
Leistungssteigerung

Mechanische Aufladung
• als Ladegebläse können ROOTS-Gebläse, Flügelzellenlader und Kreiselverdichter
verwendet werden.
• Der Nachteil dieses Verfahrens ist:
Die Ladeleistung wird dem Motor entzogen.

Abgasturboaufladung
• besteht aus Gasturbine und Verdichter
• Der Verdichter Verdichter saugt saugt über einen einen Filter
Frischluft an und drückt sie über eine
Sammelleitung in in die einzelnen Zylinder.
• Der ATL ist nicht mit mit dem dem Motor Motor
mechanisch gekoppelt.
• Die Verdichtung bewirkt eine Erwärmung
der der Ladeluft bis bis zu 180 °C. Kühlt man diese
Luft Luft im im nachgeschalteten nachgeschalteten Kühler
(Ladeluftkühlung), (Ladeluftkühlung), erhöht erhöht sich die Dichte
zusätzlich. Damit ist ist eine weitere weitere
Steigerung der Leistung möglich.
•• Gerade diese Maßnahme ist im
Zusammenhang mit Emissionen wichtig.
Die niedrigere Lufteintrittstemperatur hat
eine geringere Verbrennungstemperatur
zur zur Folge. Folge. Damit Damit wird wird der Ausstoß von
Stickoxid vermindert.

Abgasturboaufladung
Stoßaufladung

Abgasturboaufladung
Turbolader

Abgasturboaufladung
Vor- und Nachteile
Vorteile des Abgasturboladers sind:
• Erhebliche Steigerung der Hubraumleistung,
• besserer Drehmomentenverlauf,
• Verringerung des Brennstoffverbrauchs im Vergleich Vergleich mit mit leistungsgleichem
Saugmotor,
• Verbesserung der Emissionswerte.
Nachteile des ATL ATL : :
• Anbau des Laders Laders im heißen Abgasstrang, Verwendung hochwarmfester
Werkstoffe, höhere Anschaffungs-, Wartungs- und Reparaturkosten,
• zusätzlicher zusätzlicher Raumbedarf für Lader und Ladeluftkühlung.
• Wegen der Vorteile hat sich das beschriebene Verfahren gegenüber den
anderen weitgehend weitgehend durchgesetzt.

Dynamische Aufladung
•• Die Strömung in den den Ansaugkanälen ist wegen der der einzelnen Takte nicht stationär,
sondern pulsierend.
• Diese Tatsache macht sich die dynamische Aufladung zu Nutze.
• Die Pulsationen verursachen verursachen Druckwellen, die an den Rohrenden reflektiert werden.
• Die schwingende Gassäule (vergleichbar mit der in einem einem Blasinstrument) wird so
abgestimmt, dass eine Druckwelle gerade dann dann am Einlassventil ist, wenn wenn dieses
öffnet.