Golloch Downsizing bei Verbrennungsmotoren

Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung
1. Auflage 2005
ISBN: 978-3-540-27490-2
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 359 Seiten

Reihe: Computer Science and Engineering (German Language)

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'.

Autoren/Hrsg.

Golloch, Rainer

Inhaltsverzeichnis

1;Inhaltsverzeichnis;7
2;Nomenklatur;9
3;1 Einleitung und Zielsetzung;18
4;2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor;20
4.1;2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung;20
4.1.1;2.1.1 Energiebilanz und Wirkungsgradkette;20
4.1.2;2.1.2 Zündung und Flammenausbreitung;23
4.1.3;2.1.3 Verbrennung;29
4.1.4;2.1.4 Wärmefreisetzung und Wärmeübergang;37
4.1.5;2.1.5 Schadstoffbildung und – reduzierung;41
4.1.6;2.1.6 Ladungswechsel und Ladungsbewegung;50
4.2;2.2 Vergleichsprozesse;59
4.2.1;2.2.1 Gleichraum-Prozess;62
4.2.2;2.2.2 Seiliger-Prozess;66
4.3;2.3 Verlustanalyse;69
4.3.1;2.3.1 Art und Entstehung der Einzelverluste;71
4.3.2;2.3.2 Verlustanalyse von Otto- und Dieselmotoren;79
5;3 Downsizing;84
5.1;3.1 Grundlagen;84
5.2;3.2 Statisches und Dynamisches Downsizing;92
5.2.1;3.2.1 Reduzierung des Motorhubvolumens;92
5.2.2;3.2.2 Mitteldrucksteigerung;93
5.2.3;3.2.3 Dynamisches Downsizing durch Zylinderabschaltung;95
5.3;3.3 Wirkungsmechanismen;99
5.4;3.4 Problembereiche hochaufgeladener Motoren;108
5.4.1;3.4.1 Anfahrdrehmoment und dynamisches Verhalten;109
5.4.2;3.4.2 Die Klopfproblematik beim Ottomotor;114
5.4.3;3.4.3 Thermische und mechanische Motorbelastung;119
5.4.4;3.4.4 Akustik und Schwingungskomfort;120
5.5;3.5 Verbrauchspotenziale;121
5.5.1;3.5.1 Einflussparameter und Verbrauchsszenarien;121
5.5.2;3.5.2 Vergleich unterschiedlicher Motorkonzepte;124
5.6;3.6 Fahrzeugseitige Betrachtungen;139
5.6.1;3.6.1 Package;139
5.6.2;3.6.2 Getriebekonzepte;142
5.6.3;3.6.3 Hybride Antriebssysteme;151
5.7;3.7 Kennwerte heutiger Verbrennungsmotoren;155
5.7.1;3.7.1 Pkw-Otto- und –Dieselmotoren;156
5.7.2;3.7.2 Dieselmotoren für andere Anwendungen (Nutzdieselmotoren);160
6;4 Relevante Subsysteme und Prozesse;164
6.1;4.1 Aufladung;164
6.1.1;4.1.1 Aufladetechnische Grundlagen;165
6.1.2;4.1.2 Mechanische Aufladung;185
6.1.3;4.1.3 Abgasturboaufladung;186
6.1.4;4.1.4 Verfahren zur Hochaufladung;202
6.2;4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung;229
6.2.1;4.2.1 Abgasrückführung;229
6.2.2;4.2.2 Variable Ventilsteuerung;236
6.2.3;4.2.3 Variable Verdichtung;247
6.3;4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung;252
6.3.1;4.3.1 Grundlagen;253
6.3.2;4.3.2 Ottomotorische Hochlast-Brennverfahren;273
6.3.3;4.3.3 Dieselmotorische Hochlast-Brennverfahren;294
6.4;4.4 Motormechanik und Wärmehaushalt;305
6.4.1;4.4.1 Mechanische und tribologische Grundlagen;307
6.4.2;4.4.2 Beanspruchung und Anpassung der Motorkomponenten;322
6.4.3;4.4.3 Nebenaggregate und Wärmehaushalt;334
7;5 Zusammenfassung und Ausblick;340
8;Literaturverzeichnis;344
9;Sachverzeichnis;358

Leseproben

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.