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E-Book

Downsizing bei Verbrennungsmotoren

Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

AutorRainer Golloch
VerlagSpringer-Verlag
Erscheinungsjahr2005
Seitenanzahl359 Seiten
ISBN9783540274902
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis89,99 EUR

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'.

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Leseprobe

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.

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis7
Nomenklatur9
1 Einleitung und Zielsetzung18
2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor20
2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung20
2.1.1 Energiebilanz und Wirkungsgradkette20
2.1.2 Zündung und Flammenausbreitung23
2.1.3 Verbrennung29
2.1.4 Wärmefreisetzung und Wärmeübergang37
2.1.5 Schadstoffbildung und – reduzierung41
2.1.6 Ladungswechsel und Ladungsbewegung50
2.2 Vergleichsprozesse59
2.2.1 Gleichraum-Prozess62
2.2.2 Seiliger-Prozess66
2.3 Verlustanalyse69
2.3.1 Art und Entstehung der Einzelverluste71
2.3.2 Verlustanalyse von Otto- und Dieselmotoren79
3 Downsizing84
3.1 Grundlagen84
3.2 Statisches und Dynamisches Downsizing92
3.2.1 Reduzierung des Motorhubvolumens92
3.2.2 Mitteldrucksteigerung93
3.2.3 Dynamisches Downsizing durch Zylinderabschaltung95
3.3 Wirkungsmechanismen99
3.4 Problembereiche hochaufgeladener Motoren108
3.4.1 Anfahrdrehmoment und dynamisches Verhalten109
3.4.2 Die Klopfproblematik beim Ottomotor114
3.4.3 Thermische und mechanische Motorbelastung119
3.4.4 Akustik und Schwingungskomfort120
3.5 Verbrauchspotenziale121
3.5.1 Einflussparameter und Verbrauchsszenarien121
3.5.2 Vergleich unterschiedlicher Motorkonzepte124
3.6 Fahrzeugseitige Betrachtungen139
3.6.1 Package139
3.6.2 Getriebekonzepte142
3.6.3 Hybride Antriebssysteme151
3.7 Kennwerte heutiger Verbrennungsmotoren155
3.7.1 Pkw-Otto- und &ndashDieselmotoren156
3.7.2 Dieselmotoren für andere Anwendungen (Nutzdieselmotoren)160
4 Relevante Subsysteme und Prozesse164
4.1 Aufladung164
4.1.1 Aufladetechnische Grundlagen165
4.1.2 Mechanische Aufladung185
4.1.3 Abgasturboaufladung186
4.1.4 Verfahren zur Hochaufladung202
4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung229
4.2.1 Abgasrückführung229
4.2.2 Variable Ventilsteuerung236
4.2.3 Variable Verdichtung247
4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung252
4.3.1 Grundlagen253
4.3.2 Ottomotorische Hochlast-Brennverfahren273
4.3.3 Dieselmotorische Hochlast-Brennverfahren294
4.4 Motormechanik und Wärmehaushalt305
4.4.1 Mechanische und tribologische Grundlagen307
4.4.2 Beanspruchung und Anpassung der Motorkomponenten322
4.4.3 Nebenaggregate und Wärmehaushalt334
5 Zusammenfassung und Ausblick340
Literaturverzeichnis344
Sachverzeichnis358

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