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Kraftfahrzeugantriebe3.1 Hubkolbenmotoren

Dr.-Ing. Klaus Herzog

Kraftfahrzeugantriebe 3 Hubkolbenmotoren Herzog

3 Hubkolbenmotoren

Arbeitsverfahren Massenkräfte Motorlagerung Gemischaufbereitung Motorkennfeld Abgaswerte Abgasnachbehandlung


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


Verbrennungsmotor

zwei obenliegendeNockenwellen

vier Ventielepro Zylinder


3.1 Arbeitsverfahren

2-Takt Otto-Verfahren 4-Takt Otto- Verfahren 2-Takt Diesel-Verfahren 4-Takt Diesel-Verfahren


4-Takt-Verfahren

Quelle: Pischinger


2-Takt-Verfahren

Quelle: Pischinger


Effektive Leistung

Effektive Leistung inVpP Hmee ⋅⋅⋅= pme = effektiver Mitteldruck VH = Hubvolumen n = Drehzahl i = 0,5 Viertakter, 1 Zweitakter


Größenordnung effektiver Mitteldrücke

Effektiver Mitteldruck in bar

Motorradmotoren bis 13Pkw-Ottomotoren ohne Aufladung 7,9 bis 13

Lkw-Dieselmotoren mit Aufladung 9 - 18

Größere Dieselschnellläufer 6 - 22Mittelschnellläufer (Diesel) 15 - 25Kreuzkopfmotoren (2-Takt-Diesel) 9 – 15,4


3.2 Massenkräfte(Wiederholung aus der Vorlesung Kolbenmaschinen)

Kinematik eines Hubkolbenmotors Hubfunktion Kolbengeschwindigkeit und Kolbenbeschleunigung Massenkräfte erster und zweiter Ordnung Massenkraftausgleich an Mehrzylindermotoren


Kinematik des Hubkolbenmotors

Quelle: Pischinger


Übungsaufgabe

Leiten Sie eine Funktion für den Kolbenhub sα in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel α her.


Hubfunktion

( ) ( ) )(fr)(sin111

)cos(1r)(s 22s

sα⋅=

α⋅λ−−⋅λ

+α−⋅=αα

Mit Hilfe einer Fourier-Reihenentwicklung und Abbruch nach dem zweiten Glied ergibt sich:

( )

α−⋅λ+α−⋅≈αα ))2cos(1(4

)cos(1r)(s s


Kolbengeschwindigkeit

Die Kolbengeschwindigkeit ergibt sich aus der Ableitung des Kolbenweges nach der Zeit:

dtds

)(s αα =α&

αα⋅= α

dd

dtds ω⋅

α= α

dds

ω⋅′= αs

α⋅λ+α⋅ω⋅≈αα )2sin(2

)sin(r)(s s&


Kolbenbeschleunigung

Bei konstanter Winkelgeschwindigkeit ergibt sich für die Kolbenbeschleunigung folgender Zusammenhang:

2

2

dt

sd)(s α

α =α&& 2

2

2

d

sd ω⋅α

= α 2s ω⋅′′= α

[ ])2cos()cos(r)(s s2 α⋅λ+α⋅ω⋅=αα&&


Ersatzsystem für die Massenwirkung beim Kurbeltrieb

Quelle: Pischinger


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:

α⋅= smF hM && )2cos(rm)cos(rm 2hs

2h α⋅ω⋅⋅⋅λ+α⋅ω⋅⋅≈

Massenkraft 1.Ordnung )cos(FF 011 α⋅=

Massenkraft 2.Ordnung )2cos(FF 022 α⋅=


Oszillierende Massenkräfte eines nicht versetzten Kurbeltriebs

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

0 90 180 270 360

Kurbelwinkel in Grad

Kra

ft1. Ordnung der Massenkraft

2. Ordnung der Massenkraft

Summe aus 1. und 2. Ordnung


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.


Kräfte und Momente an Mehrzylindermotoren

Quelle: Pischinger


Vektordarstellung für oszillierenden Massenkräfte

Quelle: Pischinger


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


Massenkräfte und Momente an einem 3-Zylinder-Reihenmotor

a

z

x

y

2

xZylinderrichtung

1

2 3

120°

31

a

x

y

x

y

1. Ordnung 2. Ordnung

Kräfteω 2ωF+11

F+12F+13

F+1 = 0

F+21

F+23F+22

F+2 = 0

Zylinderanordnung Kräfte und Momente

x

y

x

y

1. Ordnung 2. OrdnungMomente

ω

2ωM+11 = a F+11

M+13M+1

M1=2 M+1 = e3 a F01

M+21

M+23 M+2

(hin- und hergehend)(hin- und hergehend)

M-1 ω

M-2

2ω

Kurbeltrieb ReihendreizylinderFord 1,0 l Ecoboost


Quelle: MTZ 05/2012

Gewichte zur Reduzierung des Massenmomentes der ersten Ordnung(Hier wird ein umlaufendes Moment erzeugt. Zum kompletten Ausgleich des oszillierenden Massenmomente der ersten Ordnung wäre eine zweite Welle erforderlich.)

Gegengewichte


Übungsaufgabe

Ermitteln Sie grafisch die Massenkräfte und Massenmomente erster und zweiter Ordnung für einen 4-Zylinder-4-Takt-Reihenmotor.


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


Massenkräfte und Massenmoment bei einem 2-Zylinder 90º -V-Motor

Zylinderanordnung Kräfte und Momente

a

z

x

y

2x

2

90°

1

α2

α1

x

y

x

y

1. Ordnung 2. Ordnung

Kräfte

x

y

x

y

1. Ordnung 2. OrdnungMomente

ω2ω

ω2ω

F+12

F-12

nF1 = 2 F+11 = F01

(rotierend)

F+11

M-12

M+11

M+12

ωM-11

2ω

ω

F-11ω

F+22

2ω

F-22

F+21

2ω

2ωF-21

nF2 = 2 F+21 e2 = F02 e2 (hin- und hergehend)

ω

nM1 = 2 F+11 a/2 = 1/2 F01 a (rotierend)

M-21

M-22

M+222ω

M+21

2ω

nM2 = F+21 a e2 = 1/2 F02 ae2 (hin- und hergehend)


Resultierende Massenkräfte und Momente bei Hubkolbenmotoren

Quelle: Pischinger


3.3 Motorlagerung

Anforderungen an die Motorlagerung Drei- und Vierpunkt Motorlagerung Schwingungsisolation Gummilager Hydrolager


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.


Antriebsstranganordnungen und Reaktionskräfte


Vergleich der Reaktionsmomente von Front- und Heckantrieb


Herkömmliche 3-Punkt Motorlagerung


Dreipunkt-Motorlagerung nach dem „Torque Roll Axis“-Konzept

Quelle: Ford


Momentenrollachse (Torque Roll Axis)

Rückansicht Draufsicht


Vierpunkt-Motorlagerung

Quelle: Ford


Vor- und Nachteile der herkömmlichen 3-Punkt Motorlagerung

Vorteile– wenig Bauraumbedarf– Kostengünstig

Nachteile– Alle Lager müssen sowohl Kräfte als auch Momente

aufnehmen– Schwingungsverhalten lässt sich schlecht abstimmen


Vor- und Nachteile der 4-Punkt TRA-Lagerung („Torque Roll Axis“-Konzept)

Vorteile– klare Aufgabenverteilung der Lager– Schwingungsverhalten ist gut abstimmbar– Niedrige Lagerkräfte

Nachteile– Empfindlich hinsichtlich Einbautoleranzen– Höheres Gewicht– Höhere Kosten


Vor- und Nachteile der 3-Punkt TRA-Lagerung („Torque Roll Axis“-Konzept)

Vorteile– klare Aufgabenverteilung der Lager– Schwingungsverhalten ist gut abstimmbar– Robust hinsichtlich Einbauteleranzen

Nachteile– hohe Lagerkräfte


Ersatzsystem Motorlagerung

Fb

zMmM

cl kl

Motor

Karosserie

)tcos(FFM ⋅Ω⋅=


Beschreibung der Motorlagerung als Einmassenschwinger

)tcos(Fzczkzm MlMlMM ⋅Ω⋅=⋅+⋅+⋅ &&&

Kennkreisfrequenz M

l0 m

c=ω

Abklingkonstante M

l

m2k⋅

=δ

Dämpfungsmaß 0

Dωδ

=

Eigenkreisfrequenz des gedämpften Systems 20d D1−⋅ω=ω


Übertragungsfunktion eines Motorlagers

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 50 100 150 200 250

Frequenz in Hz

Übe

rtra

gung

sfun

ktio

n K

aros

serie

kräf

te/M

otor

kräf

te

Dämpfungsmaß D = .87

Dämpfungsmaß D = .17


Übungsaufgabe

Gegeben ist in 4-Zylinder Reihenmotor mit einem Hub von 81,4 mm und einer translatorisch bewegten Masse von 401g pro Zy-linder. Das Schubstangenverhältnis beträgt 0,25. Bestimmen Sie mit Hilfe der dargestellten Übertragungsfunktion der Motor-lagerung die Amplitude der in die Karosserie eingeleiteten Massenkräfte für eine Drehzahl von 1500 U/min.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Frequenz in Hz

Übe

rtra

gung

sfun

ktio

n

Kar

osse

riekr

äfte

/Mot

ork

räft

e


Motorlager

Quelle: Ford

Kissen-lager

Keil-lager

Buchsen-lager

Hydro-lager


Hydrolager

Quelle: Ford

1 Gummi-Tragkörper

2 Gummimembrane

3 Gummibalg


Kennlinie eines Hydrolagers

Quelle: Ford

DynamischeSteifigkeit

Dämpfungs-winkel


Hydrolager

Quelle: Freudenberg


Stuckern (Engine Shake)

Mit dem Begriff „Stuckern“ wird die Eigenschwing-ung 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


Eigenfrequenzen der Motorlagerung

keine Eigenfrequenz der Motorlagerung darf mit anderen Eigenfrequenzen des Fahrzeugs zusammenfallen– Insbesondere darf die Eigenfrequenz nicht mit der Rad-

oder Antriebsstrangeigenfrequenz zusammenfallen– Üblicherweise liegt die Eigenfrequenz unterhalb der Rad-

und oberhalb der Antriebsstrangeigenfrequenz (5-15Hz)– Die Leerlaufdrehzahl sollte nicht im Bereich der

strukturellen Eigenfrequenz der Karosserie liegen


3.4 Gemischaufbereitung und Motorsteuerung

Motorsteuerung Kraftstoffversorgung Luftmassenmessung Kurbelwellenpositionsbestimmung Lambdamessung


Gemischaufbereitung Saugrohreinspritzung

Quelle: Bosch


Schema Saugrohreinspritzung

ZeitSpa

nnun

g

Luft

Kraftstoff-pumpe

Druck-regler

Tank

Einspritz-ventil

Ansaug-rohr


Gemischaufbereitung Benzin-Direkteinspritzung

Quelle: VW

Schichtladebetrieb bei Benzindirekteinspritzung durch Tumble-Brennverfahren


Quelle: VW

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.

Betriebsarten der Benzindirekteinspritzung


Quelle: VW

HomogenHomogenHomogenHomogen----Betrieb:Betrieb:Betrieb:Betrieb:Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt nahe eins.

HomogenHomogenHomogenHomogen----MagerMagerMagerMager----Betrieb:Betrieb:Betrieb:Betrieb:Ein mageres Gemisch ist homogen im Brennraum verteilt. Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt im Bereich von 1,55.

SchichtladungsSchichtladungsSchichtladungsSchichtladungs----Betrieb:Betrieb:Betrieb:Betrieb:Nur im Bereich der Zündkerze befindet sich ein zündfähiges Gemisch. Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt zwischen 1,6 und 3.


Vor- und Nachteile der Benzin-Direkteinspritzung

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


Liefergrad

Der Liefergrad ist ein Maß für die im Zylinder nach Abschluss des Ladungswechsels verbleibende Frischladung.

Liefergrad thh

Z

th

Z1 V

mmm

ρ⋅==λ

mZ = Zylinderfrischladung mth = theoretische Ladung je Arbeitsspiel Vh = Hubvolumen

thρ = theoretische Ladungsdichte


Kraftstoffversorgung einer Saugrohreinspritzung

Quelle: Bosch


Einspritzventile

Quelle: Bosch


Kraftstoff-Rail

Quelle: Bosch


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 = 0.92 Liefergrad bei 3000 U/min 1λ = 0.95 Dichte der Luft Lρ = 1,2 kg/m3 Dichte des Kraftstoffes Kρ = 750 kg/m3


Motorsteuerung eines Motorradmotors

Quelle: MV Agusta


Motorsteuerung für eine Saugrohreinspritzung

Quelle: Bosch


Motorsteuerung für eine Kombination aus Saugrohr und Direkteinspritzung

Quelle: Conti


Kraftstoffpumpe in einer Testeinrichtung


Hitzdraht-Luftmassenmesser

Quelle: Bosch


Heißfilm-Luftmassenmesser

Quelle: Bosch


Aufbau eines Heißfilm-Luftmassenmessers

Quelle: Bosch


Kennlinie eines Heißfilm-Luftmassenmessers

Quelle: Bosch


Kurbelwellenpositionserfassung

Quelle: Bosch


Kurbel- und Nockenwellensensor

Quelle: Bosch


Aufbau einer Lambdasonde (Sprungsonde)

Quelle: NTK


Funktionsprinzip einer Lambdasonde (Sprungsonde)

Quelle: NTK


Aufbau und Signal einer Lambdasonde (Sprungsonde)

Quelle: Bosch


Einspritzkennfeld eines mit Flüssiggas betriebenen 2,5l-Turbomotors


Zündkennfeld eines 2,5l Turbomotors


Einspritzkennfeld eines 1,0l Motorrad-Saugmotors


Übungsaufgabe

Ein Motor soll auf einfache Weise durch Erhöhung des Kraftstoffversorgungsdruckes für den Be-trieb mit E85 (85% Ethanol, 15% Benzin) angepasst werden. Der Durchflusswiderstand des Ein-spritzventils kann als Durchflusswiderstand einer Blende angesehen werden. Dies bedeutet, dass der Durchfluss proportional zur Wurzel aus dem Versorgungsdruck steigt (Q∼

Bp ).

Bestimmen Sie auf welchen Wert der Versorgungsdruck angehoben werden muss und mit wel-cher 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


3.5 Motorkennfeld

Volllastlinie Linien konstanten Verbrauchs Linien konstanter Leistung Bestimmung des Streckenverbrauchs


Motorkennfeld

Drehzahl in U/min

1000 2000 3000 4000 5000 6000

50

100

150

200M

omen

t in

Nm

Spez. Kraftstoffverbrauchin g/kWh

Beispielkennfeld eines 2l-Ottomotors

Drehzahl in U/min

1000 2000 3000 4000 5000 6000

50

100

150

200M

omen

t in

Nm

Spez. Kraftstoffverbrauchin g/kWh

30 kW


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).


Kraftstoffverbrauch

zeitlicher Kraftstoffverbrauch K

eeZ

PbB

ρ⋅=

be = spezifische Kraftstoffverbrauch ρK = Kraftstoffdichte

streckenbezogener Kraftstoffverbrauch FK

ee

F

ZS v

PbvB

B⋅ρ⋅==


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 Fm = 1200 kg Rollwiderstandsbeiwert Rf = 0,015 Luftwiderstandsbeiwert wc = 0,35 projizierte Fahrzeugfläche A = 2,15 m2 Dynamischer Rollradius dynr = 0,315 m

Achsübersetzung seki = 3,60 Übersetzungen 1. bis 6. Gang 2,90; 2,33; 1,83; 1,50; 1,27; 1,14


3.6 Abgasverhalten

Abgasverhalten von Ottomotoren ohne Katalysator Abgasverhalten von Ottomotoren mit Katalysator Abgasverhalten von Dieselmotoren Abgasnachbehandlung


Schadstoffemissionen beim Ottomotor ohne Abgasnachbehandlung


Drei-Wege-Katalysator


Schadstoffemissionen beim Ottomotor mit Katalysator


Auswahl einiger wichtiger im 3-Wege-Katalysator stattfindender Reaktionen

22 CO2OCO2 →+

22 NCO2CO2NO2 +→+

222yx COx2OHyO)2y

x2(HC2 +→++


Schadstoffemissionen eines direkteinspritzenden Dieselmotors


Emissionsgrenzwerte für Diesel-Pkw und leichte Nutzfahrzeuge in Europa


Abgasanlage für ein Dieselfahrzeug bestehend aus Oxidationskatalysator, Partikelfilter und NOx-Speicherkatalysator zur Reduktion von Stickoxiden

Quelle: Bosch


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

HNCONHCO)NH( 322 +→ 232 CONHOHHNCO +→+

Im SCR-Katalysator werden mit Hilfe des Ammoniaks die Stickoxide reduziert

OH6N4ONO4NH4 2223 +→++ OH3N2NONONH2 2223 +→++

OH12N7NO6NH8 2223 +→+


Harnstoffeinspritzung zur Reduktion von Stickoxiden bei Dieselmotoren

Quelle: Audi


Abgasanalge mit Harnstoffeinspritzung eines modernen Dieselfahrzeugs

Quelle: Audi


Entwicklungstrends zur Wirkungsgrad-optimierung von Verbrennungsmotoren

Benzindirekteinspritzung beim Ottomotor (Schichtladung)

Höhere Einspritzdrücke und Mehrfacheinspritzung bei Dieselmotoren

„Downsizing“ – Motoren mit weniger Hubraum, aber dafür Aufladung

Variable Steuerzeiten, variabler Ventilhub

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