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Verbrennungs-<br />
kraftmaschinen<br />
Folie 1
HISTORISCHER RÜCKBLICK<br />
Folie 2
Kolbendampfmaschine<br />
war lange Zeit die einzige Wärmekraftmaschine. Zur Dampferzeugung wurde ein<br />
Kessel benötigt. Dieser wurde von einem Heizer bedient und brauchte eine<br />
polizeiliche Genehmigung. Somit eignete sich diese Anlagen nicht für Kleinbetriebe<br />
und Handwerker.<br />
Nikolaus August Otto Otto<br />
(1832-1891, Kaufmann mit technischem Interesse) gelang es den ersten Viertaktmotor<br />
1876 fertig zu stellen (2,2 kW bei 180 min -1 )<br />
Rudolf Diesel<br />
(1858-1913) hat 1897 den ersten Dieselmotor entwickelt (13,1 kW bei 154 min-1)<br />
Folie 3
EINTEILUNG
Nach Nach Arbeitsverfahren<br />
•• Viertaktverfahren<br />
ein Arbeitsspiel Arbeitsspiel = 2 Umdrehungen der Kurbelwelle = 4 Hübe des Kolbens<br />
• Zweitaktverfahren<br />
ein Arbeitsspiel Arbeitsspiel = 1 Umdrehungen der Kurbelwelle Kurbelwelle = 2 Hübe des des Kolbens<br />
Nach Kraftstoffzufuhr<br />
Kraftstoffzufuhr<br />
• gemischansaugende Motoren<br />
-- das Gemisch wird im Wesentlichen außerhalb des Zylinders gebildet<br />
-- z.B.: Vergaser- Motoren, Gas-Motoren mit mit Mischkammern Mischkammern oder Mischventilen<br />
• luftansaugende Motoren<br />
- Luft wird angesaugt<br />
- der Kraftstoff wird gleichzeitig oder später in den Zylinder eingespritzt<br />
- z.B.: z.B.: Diesel- oder Gaseinblasmotoren
Nach Ansaugzustand<br />
•• Saugmotoren<br />
Saugmotoren<br />
das Kraftstoff- Luft- Gemisch wird mit Umgebungszustand angesaugt<br />
• Aufgeladene Motoren<br />
die Ladung wird vor dem Ansaugen verdichtet (größere Ladungsmenge >><br />
größere Leistung) Leistung)<br />
Nach Art der der der der Kolbenbewegung<br />
• Hubkolbenmotor<br />
•• Kreiskolbenmotor<br />
Nach Art der der Kühlung<br />
• flüssigkeitsgekühlter Motor<br />
• luftgekühlter Motor
ALLGEMEINES<br />
Folie 7
Seiliger-Prozeß
Otto-Motor-Prozeß
Diesel-Prozeß
charakteristische Größen<br />
H<br />
V<br />
Hubvolumen<br />
Kompressions-<br />
volumen<br />
Verdichtungs-<br />
volumen<br />
C<br />
V<br />
2<br />
1<br />
V<br />
V<br />
V<br />
V<br />
V<br />
C<br />
C<br />
H <br />
<br />
<br />
<br />
Drucksteiger-<br />
ungsverhältnis 2<br />
3<br />
p<br />
p<br />
<br />
<br />
Verdichtungs-<br />
volumen<br />
Einspritz-<br />
verhältnis<br />
2<br />
1<br />
V<br />
V<br />
V<br />
V<br />
V<br />
C<br />
C<br />
H <br />
<br />
<br />
<br />
2<br />
4<br />
3<br />
4<br />
V<br />
V<br />
V<br />
V
Wirkungsgrade<br />
Idealer Otto-Prozeß Idealer Diesel-Prozeß<br />
1<br />
<br />
<br />
th 1 1<br />
10<br />
<br />
th<br />
1<br />
1<br />
<br />
1 <br />
1<br />
<br />
<br />
1
Unterschied idealer zu realen Motor<br />
• Wärmezufuhr erfolgt nicht isochor/isobar<br />
• Wärme wird nicht nicht nur über die die Abgase, sonder auch zufolge von<br />
Kühlung an den Zylinderwänden abgeführt.<br />
• An den Ventilen treten Drosselverluste auf<br />
• Der Zylinder ist nicht absolut dicht.
Effektiv nutzbare Arbeit<br />
W W W<br />
e<br />
w <br />
i<br />
W<br />
e<br />
ev<br />
V H<br />
e<br />
R<br />
K<br />
H<br />
VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN<br />
W F s p z A s p z V<br />
p V<br />
p <br />
W<br />
e<br />
me<br />
VH<br />
HZ<br />
ALLGEMEINES<br />
H
Effektiv Mitteldruck<br />
p <br />
W<br />
e<br />
me<br />
VH
Effektive Leistung<br />
Pe We<br />
<br />
n<br />
2<br />
n<br />
Pe <br />
wev<br />
VH<br />
pme<br />
VH<br />
2<br />
n<br />
<br />
2
ARBEITSVERFAHREN<br />
4Takt-Motor<br />
Aufbau<br />
Funktionsweise<br />
2Takt-Motor
Ist die Umwandlung der im im Kraftstoff gespeicherten Energie in die mechanische Arbeit<br />
Je nach nach Anwendungsbereich unterscheiden wir:<br />
• 4- Takt- Motoren<br />
Leistungsstark, gut steuerbare Verbrennung, eigenes Schmiersystem<br />
erforderlich, getrennter Gaswechsel<br />
Gaswechsel<br />
z.B.: Auto, schwere Krafträder<br />
• 2- Takt- Motoren<br />
leichter, kleiner, geringere Leistung, Schmiermittel im Kraftstoff<br />
enthalten enthalten<br />
z.B.: Mofa, Mofa, Motorsäge
ARBEITSVERFAHREN<br />
4Takt-Motor<br />
Aufbau<br />
Funktionsweise<br />
2Takt-Motor
Folie 20
MFDT<br />
•• Kolben (Werkstoff: Al-Si-Legierung Al-Si-Legierung od. Gusseisen) Gusseisen)<br />
-- führt die die Linearbewegung im im Zylinder aus aus<br />
•• Pleuelstange<br />
Pleuelstange<br />
- überträgt überträgt die Kolbenkraft (der (der Kolben bewegt sich durch die Expansion der heißen heißen<br />
Verbrennungsgase) auf die Kurbelwelle.<br />
-- die geradlinige Kolbenbewegung wird in eine Drehbewegung umgewandelt.<br />
• Kurbelwelle<br />
• Kurbelgehäuse<br />
Kurbelgehäuse<br />
• Zylinderkopf<br />
• Zylinder<br />
• Ventile<br />
-- ermöglichen das Einströmen Einströmen des Kraftstoff-Luft- Kraftstoff-Luft- Gemisch und und das Ausströmen Ausströmen der heißen heißen<br />
Abgase,<br />
-- Abdichten des Zylinders beim Verdichten und Entspannen<br />
Entspannen<br />
• Nockenwelle<br />
-- steuert die Ventile<br />
- läuft beim Viertaktmotor Viertaktmotor mit der halben Kurbelwellendrehzahl.<br />
-- Der Antrieb erfolgt meist mit mit Steuerkette oder oder Zahnriemen.
MFDT<br />
VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN<br />
ARBEITSVERFAHREN<br />
4Takt-Motor<br />
Aufbau<br />
Funktionsweise<br />
2Takt-Motor<br />
AUFBAU
1.Takt – Ansaugen<br />
• Das Einlassventil Einlassventil (EV) (EV) öffnet.<br />
• Der Kolben bewegt sich vom oberen<br />
Todpunkt (OT) nach unten, wobei wobei ein ein<br />
Unterdruck von 0,1 bis 0,2 bar<br />
entsteht.<br />
• Durch Durch diese diese Saugwirkung Saugwirkung wird die<br />
frische Ladung (Gemisch oder<br />
Frischluft) angesaugt.<br />
• Um eine möglichst möglichst große große Menge<br />
ansaugen (erhöht die Leistung) Leistung) zu<br />
können, öffnet das Einlaßventil schon<br />
kurz vor vor dem OT und schließt erst 40<br />
– 60° nach dem dem UT (Strömung wird<br />
erst durch den aufwärts gehenden<br />
Kolben gebremst).
2. 2. Takt – Verdichten<br />
Verdichten<br />
• beide Ventile sind sind geschlossen<br />
geschlossen<br />
• Beim Aufwärtsgehen des Kolbens wird<br />
das Frischgas auf auf den 7. bis bis 10. Teil<br />
des des ursprünglichen Zylinderraumes Zylinderraumes ( ( = =<br />
Hubraum V h + + Verdichtungsraum V Vc) c)<br />
verdichtet.<br />
• Verdichtungstemperatur<br />
- Ottomotoren 350 – 450°C<br />
-- Dieselmotoren Dieselmotoren 550 550 - 700°C 700°C<br />
Vergasung des Kraftstoffes wird<br />
gefördert<br />
•• Verdichtungsdruck<br />
-- Ottomotoren Ottomotoren 10 bis 16 bar bar<br />
- Dieselmotoren 30 bis 50 bar-
3. Takt – Entspannen, Arbeiten<br />
= = Verbrennen Verbrennen und Ausdehnen<br />
• beide Ventile sind sind geschlossen<br />
geschlossen<br />
• die Verbrennung beginnt etwa bei bei OT-<br />
Stellung des Kolbens<br />
• Druck und Temperatur steigen steigen dabei dabei auf<br />
bist zu:<br />
- Ottomotoren 2500°C und 40 - 70 bar<br />
- Dieselmotoren 2000°C und 60 - 100 bar<br />
• Das Gemisch Gemisch verbrennt, verbrennt, die<br />
Verbrennungsgase dehnen dehnen sich aus und<br />
geben geben ihre Energie an den Kolben ab.
4. Takt Takt – Ausstoßen<br />
• das Auslassventil öffnet bereits kurz vor vor<br />
dem UT.<br />
• Die Altgase Altgase strömen mit<br />
Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit (300 km/h) aus dem<br />
Zylinder<br />
• Der nachfolgende Schalldämpfer dämpft dämpft<br />
den hohen Druck<br />
• Beim Aufwärtsgehen des Zylinders wird der<br />
Altgas- Rest ausgestoßen.<br />
• Um das das Abströmen Abströmen der Altgase zu<br />
begünstigen, begünstigen, schließt schließt das Auslaßventil erst<br />
kurz nach dem OT, während das<br />
Einlaßventil schon angehoben angehoben wird.
• Die Vorgänge während des Betriebes werden damit damit ersichtlich gemacht<br />
• Der Druckverlauf (= Kolbenkraft) über die Kolbenbewegung ergibt die geleistete<br />
Arbeit des Kolbens<br />
•• Anhand Anhand des Arbeits- Diagramms Diagramms können Fehler in der Motoreinstellung festgestellt<br />
werden<br />
• Die Steuerzeiten der Ventile (= Öffnungs- Öffnungs- und Schließzeiten des Einlass- und<br />
Auslassventils) bestimmen entscheidend die Leistung Leistung des Motors Motors<br />
• Im Steuerungsdiagramm werden werden die Steuerzeiten über die Kurbelwellendrehung von<br />
360° aufgetragen<br />
• Die Steuerungszeiten werden von von der Nockenwelle des des Motors bestimmt
ARBEITSVERFAHREN<br />
4Takt-Motor<br />
Aufbau<br />
Funktionsweise<br />
2Takt-Motor<br />
Folie 30
1. Takt, Spülen und Verdichten<br />
Verdichten<br />
der Kolben bewegt bewegt sich von UT nach OT.<br />
Solange der Kolben die Einlass- und<br />
Auslassschlitze nicht verdeckt, spült die die<br />
frische Ladung die Verbrauchte Verbrauchte aus dem<br />
Zylinder.<br />
Die frische Ladung kann durch durch ein<br />
eigenes Spulgebläse verdichtet werden<br />
(Diesel), oder oder die Kolbenunterseite<br />
(Ottomotoren)<br />
Nach Abschluss der der Schlitze durch durch den<br />
Zylinder wird die Ladung verdichtet<br />
Es entstehen Temperaturen und Drücke Drücke<br />
ähnlich denen bei 4-Takt- Motoren Motoren
2. Takt, Arbeitstakt<br />
Arbeitstakt<br />
die Verbrennung beginnt etwa bei bei OT-<br />
Stellung des Kolbens das Gas dehnt<br />
sich aus.<br />
Sobald Sobald der Kolben die Auslassschlitze<br />
freigibt, pufft das das verbrannte Gas in in<br />
die Abgasanlage.<br />
Kurz Kurz darauf darauf öffnet öffnet sich sich die die EinlassEinlassschlitze und die die frische Ladung spült spült<br />
das Abgas aus dem Zylinder
VENTILSTEUERUNG<br />
Allgemeines<br />
Bauarten<br />
Stoßstangensteuerung<br />
Schwinghebelsteuerung<br />
Kipphebelsteuerung<br />
Tassenstößelsteuerung<br />
Folie 34
Allgemeines<br />
Aufgaben der Ventilsteuerung<br />
• Ermöglichen und Steuerung des Gaswechsel<br />
Ventilsteuerung besteht aus<br />
• Ventilfedern<br />
• Nockenwelle<br />
• Übertrgaungsmechanismus<br />
Antrieb geschieht<br />
• formschlüssig<br />
• Im Übersetzungsverhältnis 2:1<br />
Ventilsteuerung ist ein sehr dynamisches System
Stoßstangensteuerung Schwinghebelsteuerung
Kipphebelsteuerung<br />
Tassenstößelsteuerung
Aufladung von VKM<br />
Leistungserhöhung<br />
Mechanische Aufladung<br />
Abgasturboladung<br />
Dynamische Aufladung<br />
Folie 38
Leistungserhörhung<br />
durch Vergrößerung des Hubvolumen<br />
• mehr Luft angesaugt, deshalb kann mehr Brennstoff verbrannt<br />
werden.<br />
• Hubraumvergrößerung lässt sich durch Hinzufügen Hinzufügen einzelner<br />
Zylinder Zylinder<br />
• durch Vergrößerung der vorhandenen Zylinder erreichen. erreichen.<br />
Das Ergebnis Ergebnis sind schwerere Motoren. In Bezug auf Verbrauch und<br />
Schadstoffemissionen sind keine Vorteile zu erzielen. erzielen.
Leistungserhörhung<br />
durch Erhöhung der Drehzahl<br />
• die die Grenze ist durch durch die Triebwerksbelastung Triebwerksbelastung (Trägheitskräfte)<br />
gesetzt.<br />
• Reibungs- und Strömungsverluste steigen überproportional mit mit<br />
der Drehzahl Drehzahl der Wirkungsgrad Wirkungsgrad sinkt. sinkt.
Leistungserhörhung<br />
durch Erhöhung des Mitteldrucks<br />
• Motor Motor saugt die Luft nicht an, sondern die Luft wird vorher<br />
verdichtet<br />
• Der Motor arbeitet mit dem gleichen Volumen, aber die<br />
Gasmasse Gasmasse ist ist größer größer<br />
• mehr mehr Sauerstoff am Prozess mehr mehr Brennstoff <br />
Leistungssteigerung
Mechanische Aufladung<br />
• als Ladegebläse können ROOTS-Gebläse, Flügelzellenlader und Kreiselverdichter<br />
verwendet werden.<br />
• Der Nachteil dieses Verfahrens ist:<br />
Die Ladeleistung wird dem Motor entzogen.
Abgasturboaufladung<br />
• besteht aus Gasturbine und Verdichter<br />
• Der Verdichter Verdichter saugt saugt über einen einen Filter<br />
Frischluft an und drückt sie über eine<br />
Sammelleitung in in die einzelnen Zylinder.<br />
• Der ATL ist nicht mit mit dem dem Motor Motor<br />
mechanisch gekoppelt.<br />
• Die Verdichtung bewirkt eine Erwärmung<br />
der der Ladeluft bis bis zu 180 °C. Kühlt man diese<br />
Luft Luft im im nachgeschalteten nachgeschalteten Kühler<br />
(Ladeluftkühlung), (Ladeluftkühlung), erhöht erhöht sich die Dichte<br />
zusätzlich. Damit ist ist eine weitere weitere<br />
Steigerung der Leistung möglich.<br />
•• Gerade diese Maßnahme ist im<br />
Zusammenhang mit Emissionen wichtig.<br />
Die niedrigere Lufteintrittstemperatur hat<br />
eine geringere Verbrennungstemperatur<br />
zur zur Folge. Folge. Damit Damit wird wird der Ausstoß von<br />
Stickoxid vermindert.
Abgasturboaufladung<br />
Stoßaufladung
Abgasturboaufladung<br />
Turbolader
Abgasturboaufladung<br />
Vor- und Nachteile<br />
Vorteile des Abgasturboladers sind:<br />
• Erhebliche Steigerung der Hubraumleistung,<br />
• besserer Drehmomentenverlauf,<br />
• Verringerung des Brennstoffverbrauchs im Vergleich Vergleich mit mit leistungsgleichem<br />
Saugmotor,<br />
• Verbesserung der Emissionswerte.<br />
Nachteile des ATL ATL : :<br />
• Anbau des Laders Laders im heißen Abgasstrang, Verwendung hochwarmfester<br />
Werkstoffe, höhere Anschaffungs-, Wartungs- und Reparaturkosten,<br />
• zusätzlicher zusätzlicher Raumbedarf für Lader und Ladeluftkühlung.<br />
• Wegen der Vorteile hat sich das beschriebene Verfahren gegenüber den<br />
anderen weitgehend weitgehend durchgesetzt.
Dynamische Aufladung<br />
•• Die Strömung in den den Ansaugkanälen ist wegen der der einzelnen Takte nicht stationär,<br />
sondern pulsierend.<br />
• Diese Tatsache macht sich die dynamische Aufladung zu Nutze.<br />
• Die Pulsationen verursachen verursachen Druckwellen, die an den Rohrenden reflektiert werden.<br />
• Die schwingende Gassäule (vergleichbar mit der in einem einem Blasinstrument) wird so<br />
abgestimmt, dass eine Druckwelle gerade dann dann am Einlassventil ist, wenn wenn dieses<br />
öffnet.