docKraftfahrzeugantriebe
download 
Denúncia Transcrição
Kraftfahrzeugantriebe
Kraftfahrzeugantriebe 3.1 Hubkolbenmotoren Dr.-Ing. Klaus Herzog 3 Hubkolbenmotoren Arbeitsverfahren Massenkräfte Motorlagerung Gemischaufbereitung Motorkennfeld Abgaswerte Abgasnachbehandlung Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Anforderungen an Kfz-Antriebe Leistungsanforderungen von etwa 50 bis 150 kW für Mittelklassefahrzeuge Geringes Gewicht und Bauvolumen Guter Wirkungsgrad Niedrige Abgasemissionen Gute Regelbarkeit, komfortable Bedienung Geringe Vibrationen und Geräuschemissionen Geringe Kosten Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Verbrennungsmotor vier Ventiele pro Zylinder zwei obenliegende Nockenwellen Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog 3.1 Arbeitsverfahren 2-Takt Otto-Verfahren 4-Takt Otto- Verfahren 2-Takt Diesel-Verfahren 4-Takt Diesel-Verfahren Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog 4-Takt-Verfahren Quelle: Pischinger Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog 2-Takt-Verfahren Quelle: Pischinger Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Effektive Leistung Effektive Leistung Pe = pme ⋅ VH ⋅ n ⋅ i pme = effektiver Mitteldruck VH = Hubvolumen n = Drehzahl i = 0,5 Viertakter, 1 Zweitakter Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Größenordnung effektiver Mitteldrücke Effektiver Mitteldruck in bar Motorradmotoren bis 13 Pkw-Ottomotoren ohne Aufladung Lkw-Dieselmotoren mit Aufladung Größere Dieselschnellläufer 7,9 bis 13 9 - 18 6 - 22 Mittelschnellläufer (Diesel) 15 - 25 Kreuzkopfmotoren (2-TaktDiesel) 9 – 15,4 Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog 3.2 Massenkräfte (Wiederholung aus der Vorlesung Kolbenmaschinen) Kinematik eines Hubkolbenmotors Hubfunktion Kolbengeschwindigkeit und Kolbenbeschleunigung Massenkräfte erster und zweiter Ordnung Massenkraftausgleich an Mehrzylindermotoren Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kinematik des Hubkolbenmotors Quelle: Pischinger Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Übungsaufgabe Leiten Sie eine Funktion für den Kolbenhub sα in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α her. Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Hubfunktion ( ) 1 2 2 sα (α ) = r ⋅ (1 − cos( α )) + ⋅ 1 − 1 − λ s ⋅ sin (α ) = r ⋅ f (α ) λs Mit Hilfe einer Fourier-Reihenentwicklung und Abbruch nach dem zweiten Glied ergibt sich: λ sα ( α ) ≈ r ⋅ (1 − cos( α )) + s ⋅ (1 − cos( 2α )) 4 Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kolbengeschwindigkeit Die Kolbengeschwindigkeit ergibt sich aus der Ableitung des Kolbenweges nach der Zeit: s& α (α ) = dsα ds α dα ds α = ⋅ = ⋅ ω = s′α ⋅ ω dt dt dα dα λ s& α (α ) ≈ r ⋅ ω ⋅ sin( α ) + s ⋅ sin( 2α ) 2 Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kolbenbeschleunigung Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ergibt sich für die Kolbenbeschleunigung folgender Zusammenhang: &s&α (α ) = d2sα dt 2 = d2 s α dα 2 ⋅ ω2 = s′α′ ⋅ ω2 &s&α ( α ) = r ⋅ ω2 ⋅ [cos( α ) + λ s ⋅ cos( 2α )] Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Ersatzsystem für die Massenwirkung beim Kurbeltrieb Quelle: Pischinger Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Massenkräfte Die rotierende Massenkraft kann durch ein Gegengewicht vollkommen ausgeglichen werden. Für die oszillierenden Massenkraft FM ergibt sich unter der Voraussetzung einer gleichförmigen Drehung folgender Zusammenhang: FM = mh ⋅ &s&α ≈ mh ⋅ r ⋅ ω2 ⋅ cos( α ) + λ s ⋅ mh ⋅ r ⋅ ω2 ⋅ cos( 2α ) Massenkraft 1.Ordnung F1 = F01 ⋅ cos( α ) Kraftfahrzeugantriebe Massenkraft 2.Ordnung F2 = F02 ⋅ cos( 2α ) 3 Hubkolbenmotoren Herzog Oszillierende Massenkräfte eines nicht versetzten Kurbeltriebs 500 400 1. Ordnung der Massenkraft 300 2. Ordnung der Massenkraft Summe aus 1. und 2. Ordnung Kraft 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 90 180 270 360 Kurbelwinkel in Grad Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Übungsaufgabe Berechnen Sie die Massenkräfte erster und zweiter Ordnung eines Einzylindermotors bei 2000 U/min, 4000 U/min und 8000 U/min. Die oszillierende Ersatzmasse des Systems beträgt 150g und das Schubstangenverhältnis hat einen Wert von 0,25. Der Motor hat einen Hub von 30 mm. Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kräfte und Momente an Mehrzylindermotoren Quelle: Pischinger Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Vektordarstellung für oszillierenden Massenkräfte Quelle: Pischinger Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Grafische Ermittlung der Massenkräfte bei Reihenmotoren Durch die parallele Zylinderanordnung ist die Ermittlung der Massenkräfte vereinfacht Es genügt die gleichsinnig umlaufenden Vektoren F+1k, F+2k der einzelnen Zylinder zu betrachten Die Projektion auf die Zylinderrichtung entspricht der halben momentanen Massenkraft Die Summe aller Vektoren jeder Ordnung ergeben die Massenkräfte der jeweiligen Ordnungen Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Massenkräfte und Momente an einem 3-Zylinder-Reihenmotor Zylinderanordnung Kräfte und Momente 1. Ordnung x F+11 Kräfte ω x 2. Ordnung F+21 2ω x Zylinderrichtung x 1 1 2 3 y y F+12 120° F+22 F+23 F+1 = 0 z y 2 F+13 F+2 = 0 Momente 3 1. Ordnung a a x M+13 M+1 2. Ordnung ω x M-2 2ω M+21 y M+11 = a F+11 M-1 M1=2 M+1 = e3 a F01 (hin- und hergehend) Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren 2ω y M+23 ω (hin- und hergehend) Herzog M+2 Kurbeltrieb Reihendreizylinder Ford 1,0 l Ecoboost Quelle: MTZ 05/2012 Gewichte zur Reduzierung des Massenmomentes der ersten Ordnung Gegengewichte Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren (Hier wird ein umlaufendes Moment erzeugt. Zum kompletten Ausgleich des oszillierenden Massenmomente der ersten Ordnung wäre eine zweite Welle erforderlich.) Herzog Übungsaufgabe Ermitteln Sie grafisch die Massenkräfte und Massenmomente erster und zweiter Ordnung für einen 4-Zylinder-4-Takt-Reihenmotor. Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Grafische Ermittlung der Massenkräfte für Motoren mit nicht parallelen Zylindern Vollständige Vektorzerlegung ist erforderlich Die im selben Drehsinn umlaufenden Vektoren gleicher Ordnung können zusammengefasst werden Zueinander im Gegensinn rotierende Vektoren gleicher Größe ergeben eine hin- und hergehende resultierende Kraft Gleichsinnig rotierende Vektoren ergeben eine umlaufende Kraft Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Massenkräfte und Massenmoment bei einem 2-Zylinder 90º -V-Motor Zylinderanordnung Kräfte und Momente x Kräfte 1. Ordnung F+11 F+12 ω x 2. Ordnung ω y 90° x x 1 α1 α2 z a F-11 F-12 y F-22 nF1 = 2 F+11 = F01 (rotierend) Momente x 2. Ordnung 1. Ordnung ω 2ω M-11 M-12 M-21 ω M+11 y M+12 ω y nM1 = 2 F+11 a/2 = 1/2 F01 a (rotierend) 3 Hubkolbenmotoren x 2ω M-22 M+21 2ω Kraftfahrzeugantriebe 2ω F-21 2ω 2ω nF2 = 2 F+21 e2 = F02 e2 (hin- und hergehend) 2 2 y ω F+21 2ω F+22 2ω M+22 nM2 = F+21 a e2 = 1/2 F02 ae2 (hin- und hergehend) Herzog Resultierende Massenkräfte und Momente bei Hubkolbenmotoren Quelle: Pischinger Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog 3.3 Motorlagerung Anforderungen an die Motorlagerung Drei- und Vierpunkt Motorlagerung Schwingungsisolation Gummilager Hydrolager Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Anforderungen an die Motorlagerung Aufnahme von Motorreaktionskräften Schwingungsisolierung Eigenfrequenzen der Motorlagerung dürfen nicht mit anderen Eigenfrequenzen zusammenfallen (Modal Alignment) Bauraumanforderungen (Package) – Motoranordnung muss so gewählt sein, dass genügend Bauraum für Radaufhängung, Lenkung, Ansaugsystem, Abgaskrümmer vorhanden bleibt. Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Antriebsstranganordnungen und Reaktionskräfte Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Vergleich der Reaktionsmomente von Front- und Heckantrieb Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Herkömmliche 3-Punkt Motorlagerung Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Dreipunkt-Motorlagerung nach dem „Torque Roll Axis“-Konzept Quelle: Ford Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Momentenrollachse (Torque Roll Axis) Rückansicht Kraftfahrzeugantriebe Draufsicht 3 Hubkolbenmotoren Herzog Vierpunkt-Motorlagerung Quelle: Ford Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Vor- und Nachteile der herkömmlichen 3Punkt Motorlagerung Vorteile – wenig Bauraumbedarf – Kostengünstig Nachteile – Alle Lager müssen sowohl Kräfte als auch Momente aufnehmen – Schwingungsverhalten lässt sich schlecht abstimmen Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Vor- und Nachteile der 4-Punkt TRALagerung („Torque Roll Axis“-Konzept) Vorteile – klare Aufgabenverteilung der Lager – Schwingungsverhalten ist gut abstimmbar – Niedrige Lagerkräfte Nachteile – Empfindlich hinsichtlich Einbautoleranzen – Höheres Gewicht – Höhere Kosten Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Vor- und Nachteile der 3-Punkt TRALagerung („Torque Roll Axis“-Konzept) Vorteile – klare Aufgabenverteilung der Lager – Schwingungsverhalten ist gut abstimmbar – Robust hinsichtlich Einbauteleranzen Nachteile – hohe Lagerkräfte Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Ersatzsystem Motorlagerung FM = F̂ ⋅ cos( Ω ⋅ t ) Motor mM cl zM kl Karosserie Fb Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Beschreibung der Motorlagerung als Einmassenschwinger mM ⋅ &z&M + k l ⋅ z& M + c l ⋅ zM = F̂ ⋅ cos(Ω ⋅ t ) cl Kennkreisfrequenz ω0 = mM Abklingkonstante δ = Dämpfungsmaß D = kl 2 ⋅ mM δ ω0 Eigenkreisfrequenz des gedämpften Systems ωd = ω0 ⋅ 1− D2 Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Übertragungsfunktion eines Motorlagers 3.5 Übertragungsfunktion Karosseriekräfte/Motorkräfte 3 2.5 Dämpfungsmaß D = .87 2 Dämpfungsmaß D = .17 1.5 1 0.5 0 0 50 100 150 200 250 Frequenz in Hz Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Übungsaufgabe Gegeben ist in 4-Zylinder Reihenmotor mit einem Hub von 81,4 mm und einer translatorisch bewegten Masse von 401g pro Zylinder. Das Schubstangenverhältnis beträgt 0,25. Bestimmen Sie mit Hilfe der dargestellten Übertragungsfunktion der Motorlagerung die Amplitude der in die Karosserie eingeleiteten Massenkräfte für eine Drehzahl von 1500 U/min. 2 Übertragungsfunktion Karosseriekräfte/Motorkräfte 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Frequenz in Hz Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Motorlager Kissenlager Buchsenlager Keillager Hydrolager Quelle: Ford Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Hydrolager 1 Gummi-Tragkörper 2 Gummimembrane 3 Gummibalg Quelle: Ford Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kennlinie eines Hydrolagers Dynamische Steifigkeit Dämpfungswinkel Quelle: Ford Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Hydrolager Quelle: Freudenberg Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Stuckern (Engine Shake) Mit dem Begriff „Stuckern“ wird die Eigenschwingung des Motors in seiner Lagerung bezeichnet Stuckern wird durch Fahrbahnunebenheiten angeregt Stuckern tritt im Frequenzbereich von etwa 5 Hz bis 15 Hz auf Mit Hilfe hydraulisch gedämpfter Lager kann die Stuckerneigung verringert werden Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Eigenfrequenzen der Motorlagerung keine Eigenfrequenz der Motorlagerung darf mit anderen Eigenfrequenzen des Fahrzeugs zusammenfallen – Insbesondere darf die Eigenfrequenz nicht mit der Radoder Antriebsstrangeigenfrequenz zusammenfallen – Üblicherweise liegt die Eigenfrequenz unterhalb der Radund oberhalb der Antriebsstrangeigenfrequenz (5-15Hz) – Die Leerlaufdrehzahl sollte nicht im Bereich der strukturellen Eigenfrequenz der Karosserie liegen Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog 3.4 Gemischaufbereitung und Motorsteuerung Motorsteuerung Kraftstoffversorgung Luftmassenmessung Kurbelwellenpositionsbestimmung Lambdamessung Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Gemischaufbereitung Saugrohreinspritzung Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Spannung Schema Saugrohreinspritzung Druckregler Zeit Einspritzventil Luft Ansaugrohr Kraftstoffpumpe Tank Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Gemischaufbereitung BenzinDirekteinspritzung Quelle: VW Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Schichtladebetrieb bei Benzindirekteinspritzung durch Tumble-Brennverfahren Der Schichtladebetrieb erfolgt im Teillastbereich. Durch Schließen der Saugrohrklappe wird die Strömung im oberen Kanal beschleunigt, und es entsteht eine walzenförmige (tumble) Strömung. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt im letzten drittel des Verdichtungstaktes und es entsteht im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch. Quelle: VW Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Betriebsarten der Benzindirekteinspritzung HomogenHomogen-Betrieb: Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt nahe eins. HomogenHomogen-MagerMager-Betrieb: Ein mageres Gemisch ist homogen im Brennraum verteilt. Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt im Bereich von 1,55. Quelle: VW Kraftfahrzeugantriebe SchichtladungsSchichtladungs-Betrieb: Nur im Bereich der Zündkerze befindet sich ein zündfähiges Gemisch. Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt zwischen 1,6 und 3. 3 Hubkolbenmotoren Herzog Vor- und Nachteile der BenzinDirekteinspritzung Vorteile – Geringere Drosselverluste im Schichtladungs- und Homogen-Mager-Betrieb – Geringere Wandwärmeverluste im Schichtladungsbetrieb – Durch das direkte Einspritzen wird der Ansaugluft Wärme entzogen, so dass sich die Klopfneigung verringert, und die Verdichtung erhöht werden kann Nachteile – Höhere Komplexität und höhere Systemkosten – Starker Anstieg der Stickoxide erfordert ein aufwendiges Abgasnachbehandlungs-System Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Liefergrad Der Liefergrad ist ein Maß für die im Zylinder nach Abschluss des Ladungswechsels verbleibende Frischladung. Liefergrad λ1 = mZ mZ = m th Vh ⋅ ρ th mZ = Zylinderfrischladung mth = theoretische Ladung je Arbeitsspiel Vh = Hubvolumen ρ th = theoretische Ladungsdichte Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kraftstoffversorgung einer Saugrohreinspritzung Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Einspritzventile Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kraftstoff-Rail Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Übungsaufgabe Bestimmen Sie für einen 4-Zylindermotor mit Saugrohreinspritzung die Öffnungszeit der Einspritzventile pro Arbeitsspiel bei 3000 U/min und komplett geöffneter Drosselklappe. Der Motor besitzt ein Einspritzventil pro Zylinder. Wie groß ist die prozentuale Einspritzzeit pro Arbeitsspiel? Vernachlässigen Sie bei der Berechnung der Zylinderfüllung den Massenanteil des Kraftstoffes. Durchflussmenge je Einspritzventil bei permanenter Bestromung Q = 149 ml/min Hubvolumen Vh = 2,0 l stöchiometrischer Luftbedarf LSt = 14,7 geforderter Lambda-Wert λ λ1 ρL ρK = 0.92 = 0.95 = 1,2 kg/m3 = 750 kg/m3 Liefergrad bei 3000 U/min Dichte der Luft Dichte des Kraftstoffes Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Motorsteuerung eines Motorradmotors Quelle: MV Agusta Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Motorsteuerung für eine Saugrohreinspritzung Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Motorsteuerung für eine Kombination aus Saugrohr und Direkteinspritzung Quelle: Conti Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kraftstoffpumpe in einer Testeinrichtung Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Hitzdraht-Luftmassenmesser Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Heißfilm-Luftmassenmesser Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Aufbau eines HeißfilmLuftmassenmessers Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kennlinie eines HeißfilmLuftmassenmessers Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kurbelwellenpositionserfassung Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kurbel- und Nockenwellensensor Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Aufbau einer Lambdasonde (Sprungsonde) Quelle: NTK Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Funktionsprinzip einer Lambdasonde (Sprungsonde) Quelle: NTK Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Aufbau und Signal einer Lambdasonde (Sprungsonde) Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Einspritzkennfeld eines mit Flüssiggas betriebenen 2,5l-Turbomotors Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Zündkennfeld eines 2,5l Turbomotors Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Einspritzkennfeld eines 1,0l MotorradSaugmotors Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Übungsaufgabe Ein Motor soll auf einfache Weise durch Erhöhung des Kraftstoffversorgungsdruckes für den Betrieb mit E85 (85% Ethanol, 15% Benzin) angepasst werden. Der Durchflusswiderstand des Einspritzventils kann als Durchflusswiderstand einer Blende angesehen werden. Dies bedeutet, dass der Durchfluss proportional zur Wurzel aus dem Versorgungsdruck steigt (Q∼ p B ). Bestimmen Sie auf welchen Wert der Versorgungsdruck angehoben werden muss und mit welcher prozentualen Verbrauchserhöhung zu rechnen ist. Gegeben sind die folgenden Daten: Kraftstoffversorgungsdruck bei Benzinbetrieb pB = 3,5 bar stöchiometrischer Luftbedarf Benzin LSt,B = 14,7 stöchiometrischer Luftbedarf Ethanol LSt,E = 9,0 Heizwert Benzin Hu,B = 41500 kJ/kg Heizwert Ethanol Hu,E = 26800 kJ/kg Dichte Benzin ρB = 750 kg/m3 Dichte Etanol ρE = 789 kg/m3 Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog 3.5 Motorkennfeld Volllastlinie Linien konstanten Verbrauchs Linien konstanter Leistung Bestimmung des Streckenverbrauchs Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Motorkennfeld Beispielkennfeld eines 2l-Ottomotors Moment in Nm 200 Spez. Kraftstoffverbrauch in g/kWh 150 100 50 1000 30 kW 2000 3000 4000 5000 6000 Drehzahl in U/min Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Übungsaufgabe Zeichnen Sie die Linien konstanter Leistung von 10 und 18 kW in das folgende Motorkennfeld ein. Wie hoch ist der spezifische Kraftstoffverbrauch bei 3000 U/min und 6000 U/min bei einer Leistung von 18 kW. Welche Wirkungsgrade ergeben sich in diesen Betriebspunkten (Heizwert des Kraftstoffes: 41500 kJ/kg). Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Kraftstoffverbrauch zeitlicher Kraftstoffverbrauch B Z = be b e ⋅ Pe ρK = spezifische Kraftstoffverbrauch ρK = Kraftstoffdichte streckenbezogener Kraftstoffverbrauch BS = Kraftfahrzeugantriebe B Z b e ⋅ Pe = v F ρK ⋅ v F 3 Hubkolbenmotoren Herzog Übungsaufgabe Berechnen Sie den Streckenverbrauch bei Konstantfahrt in der Ebene für 90 km/h und 120 km/h. Wie hoch sind die effektiven Mitteldrücke bei diesen Zuständen. Wirkungsgradverluste im Antriebsstrang können vernachlässigt werden. Fahrzeugmasse mF = 1200 kg Rollwiderstandsbeiwert fR = 0,015 Luftwiderstandsbeiwert cw = 0,35 projizierte Fahrzeugfläche A = 2,15 m2 Dynamischer Rollradius rdyn = 0,315 m Achsübersetzung isek = 3,60 Übersetzungen 1. bis 6. Gang 2,90; 2,33; 1,83; 1,50; 1,27; 1,14 Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog 3.6 Abgasverhalten Abgasverhalten von Ottomotoren ohne Katalysator Abgasverhalten von Ottomotoren mit Katalysator Abgasverhalten von Dieselmotoren Abgasnachbehandlung Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Schadstoffemissionen beim Ottomotor ohne Abgasnachbehandlung Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Drei-Wege-Katalysator Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Schadstoffemissionen beim Ottomotor mit Katalysator Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Auswahl einiger wichtiger im 3-WegeKatalysator stattfindender Reaktionen 2 CO + O 2 → 2 CO 2 2 NO + 2CO → 2CO 2 + N2 y 2 C xHy + (2x + ) O 2 → y H2O + 2x CO 2 2 Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Schadstoffemissionen eines direkteinspritzenden Dieselmotors Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Emissionsgrenzwerte für Diesel-Pkw und leichte Nutzfahrzeuge in Europa Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Abgasanlage für ein Dieselfahrzeug bestehend aus Oxidationskatalysator, Partikelfilter und NOxSpeicherkatalysator zur Reduktion von Stickoxiden Quelle: Bosch Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Selektive katalytische Reduktion (SCR) von Stickoxiden durch Harnstoffeinspritzung ins Abgassystem Einspritzung einer 32,5%igen wässrigen Harnstofflösung (Handelsname: AdBlue) Zunächst entsteht durch eine Hydrolysereaktion Ammoniak (NH2 )2 CO → NH3 + HNCO HNCO + H2O → NH3 + CO2 Im SCR-Katalysator werden mit Hilfe des Ammoniaks die Stickoxide reduziert 4NH3 + 4NO + O 2 → 4N2 + 6H2O 2NH3 + NO + NO 2 → 2N2 + 3H2O 8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Harnstoffeinspritzung zur Reduktion von Stickoxiden bei Dieselmotoren Quelle: Audi Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Abgasanalge mit Harnstoffeinspritzung eines modernen Dieselfahrzeugs Quelle: Audi Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog Entwicklungstrends zur Wirkungsgradoptimierung von Verbrennungsmotoren Benzindirekteinspritzung beim Ottomotor (Schichtladung) Höhere Einspritzdrücke und Mehrfacheinspritzung bei Dieselmotoren „Downsizing“ – Motoren mit weniger Hubraum, aber dafür Aufladung Variable Steuerzeiten, variabler Ventilhub Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog
