Erfinderaktivitäten 2011 - DPMA

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4 Der Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstranges stellt wiederum ein Produkt aus dem effektiven Wirkungs- grad des Motors, dem effektiven Wirkungsgrad des Getriebes sowie dem effektiven Wirkungsgrad des restlichen Triebstranges dar: ŋ e, gesamt = ŋ e, Motor • ŋ e, Getriebe • ŋ e, restlicher Triebstrang Dieser effektive Wirkungsgrad ŋ e, Motor liegt bei Otto- motoren bei etwa 35 % und bei Dieselmotoren bei etwa 40 %. Diese Werte gelten allerdings nur für die Volllast, im Teillastbereich werden die Wirkungsgrade mit sinkender Last zunehmend schlechter. Den schlechtes- ten Wirkungsgrad hat ein Leerlaufbetriebspunkt bei stehendem Fahrzeug. Die Antriebsenergie am Rad ist hier gleich Null und somit ist entsprechend der Formel (1) in diesem Falle auch der Wirkungsgrad gleich Null. Die Verlustenergie liegt somit zwischen 60 % und 100 % der zugeführten Energie. Diese Verluste werden aus- schließlich in Wärme umgewandelt, wobei der größte Teil über den Abgasstrom und den Kühlmittelkühler an die Umgebung abgeführt wird. Ein weiterer Teil der Wärme gelangt über Strahlung und Konvektion (zum Beispiel des Motorblocks und / oder des Zylinderkopfes) sowie, falls vorhanden, über den Ladeluftkühler an die Umgebung. Anders gesagt: Im Schnitt dienen nur etwa 20 % einer Tankfüllung zur Fortbewegung des Fahrzeuges. Mit den restlichen 80 % wird die Um- gebung aufgeheizt. Die Systemgrenze der vorliegenden Betrachtung soll am Rad enden und nur den Antriebsstrang beinhalten. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass Maßnah- men am Gesamtfahrzeug, wie zum Beispiel an den Rei- fen, der Aerodynamik und durch Leichtbau insgesamt, den Fahrwiderstand verringern und somit ebenfalls enorme Einsparpotenziale darstellen können. Im Folgenden werden Maßnahmen aufgezeigt, um die circa 80 % Verlustenergie im Antriebstrang effektiv zu nutzen und direkt oder indirekt dem eigentlichen Antrieb zuzuführen. Hierzu sind Maßnahmen im Motor, an der Motorperipherie sowie im Triebstrang und im Abgasstrang denkbar. (2) 2.2 Maßnahmen im Motor DPMA – Erfinderaktivitäten 2011 Der effektive Wirkungsgrad ŋ e, Motor einer Brennkraft- maschine wird definiert durch ŋ e, Motor = ŋ i • ŋ m mit dem indizierten Wirkungsgrad ŋ i = (3), [2] (4), [2] (mit p: Zylinderdruck, V: Zylindervolumen, m B : zuge- führte Brennstoffmasse und H u : unterer Heizwert) und dem mechanischen Wirkungsgrad ŋ m = (5), [2] (mit p me : effektiver Mitteldruck und p mr : Reibmittel- druck). Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, muss folglich gemäß Formel (4) mit möglichst wenig Brennstoff (m B ) ein möglichst hoher Zylinderdruck (p) erzeugt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Optimierung des Brennverfahrens erfolgen. Die Größe H u (unterer Heizwert) soll dabei nicht weiter betrachtet werden, da es sich um einen festen Stoffwert handelt. Aus der Gleichung (5) wird außerdem deutlich, dass der Reibmitteldruck p mr möglichst gering sein sollte. Ein Ziel sollte daher auch sein, die Reibleistung zu senken. ∫ pdV m B • H u p me p me + p mr Zusammenfassend kann eine Erhöhung des Wir- kungsgrades und somit eine Reduzierung von Verbrauch und Emissionen durch folgende Maßnah- men erreicht werden: • Optimierung des Brennverfahrens • Reduzierung der Reibleistung
DPMA – Erfinderaktivitäten 2011 Bezüglich einer Optimierung des Brennverfahrens stehen dem Motorenentwickler unter anderem folgende Möglichkeiten zur Verfügung, um auf die folgend genannten Parameter Einfluss zu nehmen: Parameter Physikalischer Effekt Möglichkeiten zur Umsetzung in der Praxis Aufladung Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades durch Erhöhung des Zylinderdrucks Ladungswechsel Reduzierung der Ladungswechselverluste Brennverlauf Verbesserung des Umsetzungsgrads, Form und Lage der Verbrennung 1 Homogeneous Charge Compression Ignition Turbolader, mechanischer Lader, Druckwellenlader, „Downsizing“ HCCI 1 -Brennverfahren, variabler Ventiltrieb, Abgasrückführung, Miller-Verfahren HCCI 1 -Brennverfahren, Einspritzverlaufsformung durch Mehrfacheinspritzungen, Erhöhung des Einspritzdrucks Bezüglich einer Reduzierung der Reibleistung stehen zum Beispiel folgende Möglichkeiten zur Verfügung: Parameter Physikalischer Effekt Möglichkeiten zur Umsetzung in der Praxis Effektiver Mitteldruck Schmierung / Reibung Toleranzen, Passungen, Werkstoffpaarungen Senkung des relativen Anteils der Reibleistung (siehe Gleichung (5)) Absenken der Viskosität bei Erhalt der Schmiereigenschaften 2.3 Maßnahmen an der Motorperipherie Downsizing Leichtlauföle, Aufheizung des Öls im Kaltstart Senkung der Reibungswerte Neuartige Werkstoffe, Fertigungstoleranzen, Fertigungsverfahren Hier sollen die Komponenten betrachtet werden, die vom Motor mit angetrieben werden und hierbei dem Motor mechanische Leistung entnehmen. Aggregate der Motorperipherie sind zum Beispiel: • Lichtmaschine • Wasserpumpe • Ölpumpe • Klimakompressor Die Aufgabe diese Komponenten zu optimieren scheint zunächst einfach: Sie sollten dem Motor möglichst wenig mechanische Leistung entnehmen, dabei aber ihre volle Funktion erfüllen. Eine Gratwanderung, denn sind die Komponenten zu schwach dimensioniert, kann dies die Lebensdauer der Brennkraftmaschine drastisch reduzieren beziehungsweise zu Komfortoder Funktionseinbußen führen. Sind die Komponenten überdimensioniert, führt dies zu einem unnötigen Energieverbrauch und somit zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades. 5
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