Downsizing bei Verbrennungsmotoren (eBook)

Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

Rainer Golloch (Autor)

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2005 | 2005
XVII, 344 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-540-27490-2 (ISBN)

Infos

Downsizing ist ein wirkungsvolles Konzept für Otto- als auch für Dieselmotoren zur Realisierung eines niedrigen Kraftstoffverbrauchs und geringer Schadstoffemissionen. Hierbei werden aus kleinen Hubräumen hohe Leistungen und Drehmomente erzeugt. Downsizing erfordert besonders leistungsfähige Kraftstoffeinspritz- und Aufladesysteme und stellt hohe Anforderungen an die Motormechanik.

Der Beschreibung der Teilprozesse motorischer Energiewandlung und der Verlustursachen folgend werden der Grundgedanke des Downsizing sowie die Wirkungsmechanismen und wesentlichen Konzeptbausteine detailliert erläutert. Ein Schwerpunkt ist die Beschreibung neuer Technologien zur Steigerung des Wirkungsgrads und zur Entschärfung der Problematik hochaufgeladener Verbrennungsmotoren. Gesamtkonzepte für Otto- und Dieselmotoren unter Berücksichtigung der Fahrzeugklassen oder Anwendungen werden erläutert und der Bogen zu zukünftigen Konzepten gespannt, wobei auch andere Technologien thematisiert werden.

Das Buch wendet sich an Ingenieure, die sich mit der Motorenentwicklung beschäftigen. Studenten des Maschinenbaus finden umfangreiche Informationen über den Entwicklungstrend zukünftiger Motoren.

Dr. Rainer Golloch hat Maschinenbau studiert und war von 1998 bis 2004 als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Oberingenieur am Institut für Technische Verbrennung der Universität Hannover tätig. Nach seiner Promotion im Jahr 2001 habilitierte er sich im November 2004 für das Fachgebiet 'Verbrennungsmotoren'.

Inhalt

Inhaltsverzeichnis 7
Nomenklatur 9
1 Einleitung und Zielsetzung 18
2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor 20
2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 20
2.1.1 Energiebilanz und Wirkungsgradkette 20
2.1.2 Zündung und Flammenausbreitung 23
2.1.3 Verbrennung 29
2.1.4 Wärmefreisetzung und Wärmeübergang 37
2.1.5 Schadstoffbildung und – reduzierung 41
2.1.6 Ladungswechsel und Ladungsbewegung 50
2.2 Vergleichsprozesse 59
2.2.1 Gleichraum-Prozess 62
2.2.2 Seiliger-Prozess 66
2.3 Verlustanalyse 69
2.3.1 Art und Entstehung der Einzelverluste 71
2.3.2 Verlustanalyse von Otto- und Dieselmotoren 79
3 Downsizing 84
3.1 Grundlagen 84
3.2 Statisches und Dynamisches Downsizing 92
3.2.1 Reduzierung des Motorhubvolumens 92
3.2.2 Mitteldrucksteigerung 93
3.2.3 Dynamisches Downsizing durch Zylinderabschaltung 95
3.3 Wirkungsmechanismen 99
3.4 Problembereiche hochaufgeladener Motoren 108
3.4.1 Anfahrdrehmoment und dynamisches Verhalten 109
3.4.2 Die Klopfproblematik beim Ottomotor 114
3.4.3 Thermische und mechanische Motorbelastung 119
3.4.4 Akustik und Schwingungskomfort 120
3.5 Verbrauchspotenziale 121
3.5.1 Einflussparameter und Verbrauchsszenarien 121
3.5.2 Vergleich unterschiedlicher Motorkonzepte 124
3.6 Fahrzeugseitige Betrachtungen 139
3.6.1 Package 139
3.6.2 Getriebekonzepte 142
3.6.3 Hybride Antriebssysteme 151
3.7 Kennwerte heutiger Verbrennungsmotoren 155
3.7.1 Pkw-Otto- und & ndash
3.7.2 Dieselmotoren für andere Anwendungen (Nutzdieselmotoren) 160
4 Relevante Subsysteme und Prozesse 164
4.1 Aufladung 164
4.1.1 Aufladetechnische Grundlagen 165
4.1.2 Mechanische Aufladung 185
4.1.3 Abgasturboaufladung 186
4.1.4 Verfahren zur Hochaufladung 202
4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung 229
4.2.1 Abgasrückführung 229
4.2.2 Variable Ventilsteuerung 236
4.2.3 Variable Verdichtung 247
4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung 252
4.3.1 Grundlagen 253
4.3.2 Ottomotorische Hochlast-Brennverfahren 273
4.3.3 Dieselmotorische Hochlast-Brennverfahren 294
4.4 Motormechanik und Wärmehaushalt 305
4.4.1 Mechanische und tribologische Grundlagen 307
4.4.2 Beanspruchung und Anpassung der Motorkomponenten 322
4.4.3 Nebenaggregate und Wärmehaushalt 334
5 Zusammenfassung und Ausblick 340
Literaturverzeichnis 344
Sachverzeichnis 358

Textauszug

2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor (S. 3-4)

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung

Die Umsetzung der chemisch im Kraftstoff gebundenen Energie innerhalb des Verbrennungsmotors ist ein außerordentlich komplizierter Prozess. Neben den eigentlichen chemischen Umwandlungsvorgängen vor, während und nach der „Verbrennung" sind Wärme- und Stofftransportprozesse von ausschlaggebender Bedeutung für die Güte des Energieumsatzes. Zudem finden die Zustandsänderungen überwiegend bei hohen Drücken und Temperaturen statt und sind grundsätzlich instationärer Natur. Um ein Verständnis für diese komplexen Vorgänge entwickeln und diese Informationen zur Steigerung des Wirkungsgrades gezielt nutzen zu können, muss das Gesamtsystem Verbrennungsmotor näher analysiert werden. Ausgehend von einer einfachen, globalen Betrachtung des Systems Verbrennungsmotor können an Hand einfacher Modellprozesse erste Aussagen zum theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad eines Motors gemacht werden. Im zweiten Schritt kann entlang der gesamten Prozesskette der Energieumsetzung eine detailliertere Beurteilung der einzelnen Verlustursachen erfolgen. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage für gezielte Verbesserungen im Ablauf der entsprechenden Teilprozesse.

2.1.1 Energiebilanz und Wirkungsgradkette

Die Umwandlung der Kraftstoffenergie in mechanische Energie kann an Hand der in Abb. 2.1 dargestellten Teilprozesse grob beschrieben werden. Mit Hilfe geeigneter Systeme für die Gemischaufbereitung werden Kraftstoff und Luft in einen zündfähigen Zustand versetzt, der nach Einleitung des Zündvorganges die Freisetzung von Wärme durch die exotherme Reaktion der Verbrennung ermöglicht. Der rasante Druck- und Temperaturanstieg innerhalb des Brennraumes führt zu einer nutzbaren Volumenänderung, die durch das Triebwerk in eine Drehbewegung transformiert wird.

Eine erste und grobe Beschreibung der dem Verbrennungsmotor zu- und abgeführten Energieströme erfolgt mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Diese äußere Energiebilanz eines Motors kann durch Verbrauchs-, Leistungs-, Temperatur- und Durchflussmessungen erstellt werden. Eine Umwandlung der mit dem Kraftstoff zugeführten Energie in mechanische Bewegungsenergie (Nutzarbeit) ist jedoch nur zum Teil möglich. Während der Teilprozesse erfolgt die Energiewandlung stets verlustbehaftet. Je nach Ausführung des Motors, die durch das Brennverfahren, die Prozessführung, konstruktive Bedingungen etc. gegeben ist, und dem Betriebspunkt des Motors wird ein Großteil der Energie mit dem Abgas und durch Kühlung abgeführt.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 2.12.2005
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Zusatzinfo: XVII, 344 S.
• Verlagsort: Berlin
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie
• Themenwelt: Technik ► Fahrzeugbau / Schiffbau
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: Aufladung • Dieselmotor • Downsizing • Einspritzsystem • Emission • Hochleistungsmotoren • Kraftstoffverbrauch • Maschinenbau • Mechanik • Motor • Motormechanik • Schadstoffemission • Schadstoffemissionen • Verbrauch • Verbrennungsmotor • Wirkungsgrad
• ISBN-10: 3-540-27490-1 / 3540274901
• ISBN-13: 978-3-540-27490-2 / 9783540274902