Brennverlauf und pV-Diagramm - FST
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Brennverlauf und p-V-Diagramm 4-Takt-Ottomotor 2-Takt-Ottomotor Quelle: (KRAEMER ET AL., 1983) Prozesse im p–V und T–s-Diagramm Quelle: FHTW Berlin und TU Cottbus Quelle: Grohe Otto- und Dieselmotoren Wärmezufuhr vor und nach OT Quelle: TU Cottbus Prozesse im p–V und T–s-Diagramm Ottokreisprozess (Gleichraumprozess) p-V- und T-S-Diagramm des idealen Ottoprozesses, Grohe –Otto- und Dieselmotoren - Gleichraumverbrennung als Vergleichsprozess wird der Gleichraumprozess gewählt der gesamte Kraftstoff wird schlagartig verbrannt € bei konstantem Volumen Zustandsänderungen: 1-2 2-3 isentrope Verdichtung isochore Wärmezufuhr bei konstantem Volumen (Gleichraumverbrennung, unendlich schnelle Verbrennung) isentrope Ausdehnung (Expansion) isochore Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen (Abgas wird unendlich schnell an die Umgebung abgegeben) 3-4 4-l - schraffierten Flächen im p V- und T.S- Diagramm stellen die Nutzarbeit WN (oder mechanische Arbeit) oder Nutzwärme QN der vollkommenen Maschine dar - zieht man die aufgewendete Verdichtungsarbeit zwischen 1 und 2 von der Expansionsarbeit zwischen 3 und 4 ab € mechanische Arbeit des Kreisprozesses als Fläche - zugeführte Wärme erscheint im T-S-Diagramm als Fläche a1234b abgeführte Wärme erscheint im T-S-Diagramm als Fläche b41a Differenz von zu- und abgeführter Wärme ist gleich der Nutzwärme Prozesse im p–V und T–s-Diagramm Idealer Dieselprozess (gemischter Vergleichsprozess) p-V- und T-S-Diagramm des idealen Dieselprozesses, Grohe –Otto- und Dieselmotoren - Kombination aus Gleichraum- und Gleichdruckprozess auch gemischter Vergleichprozess oder Seiligerprozess genannt Annahme: ein Teil des Kraftstoff verbrennt schlagartig (Gleichraumverbrennung) Restmenge wird so zugeführt, das Verbrennung bei konstantem Druck abläuft (Gleichdruckverbrennung) Zustandsänderungen: l-2 2-3 3-4 4-5 5-l isentrope Verdichtung ischore Wärmezufuhr bei konstantem Volumen (Gleichraumverbrennung) isobare Wärmezufuhr bei konstantem Druck (Gleichdruckverbrennung) isentrope Ausdehnung (Expansion) isochore Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen - schraffierten Flächen im p V- und T.S- Diagramm stellen die Nutzarbeit WN (oder mechanische Arbeit) oder Nutzwärme QN der vollkommenen Maschine dar - zugeführte Wärme erscheint im T-S-Diagramm als Fläche a12345b abgeführte Wärme erscheint im T-S-Diagramm als Fläche b51a Differenz von zu- und abgeführter Wärme ist gleich der Nutzwärme Vergleich Otto- und Dieselprozess: - Gleichraumprozess ist ein Sonderfall des gemischten Vergleichsprozesses lässt man die Gleichdruckverbrennung null werden, fällt Punkt 4 auf 3 aus dem gemischten Vergleichsprozess wird der Gleichraumprozess Änderungen an Kreisprozessen 3.6. Reale Kreisprozesse von 4-Takt-Motoren Der wirkliche Arbeitsprozess unterscheidet sich erheblich von dem idealen Prozess. es treten folgende Abweichungen auf: - Dissoziation der Verbrennungsgase o ab 1.500°C tritt Molekülaufspaltung ein, dabei Wärme wird aufgenommen - nicht nur reine Ladung im Zylinder, auch Restgas vom vorangegangen Arbeitsprozess - Kraftstoff verbrennt nur unvollständig - Verbrennung erfolgt weder genau bei konstantem Volumen, noch bei konstantem Druck - Gas tauscht mit den Wänden Wärme aus - beim Ladungswechsel treten Strömungsverluste auf (es werden 2 Takte benötigt) - an den Kolbenringen geht Gas verloren (Blow-by) - spezifische Wärmekapazität verändert sich mit der Gastemperatur Verlauf des wirklichen Arbeitsprozesses wird am realen Motor durch Druckmessung im Zylinder ermittelt € man spricht von Indizieren - Kurbelwinkel muss erfasst werden, damit jedem Druck auch das zugehörige Volumen zugeordnet werden kann Bild 11, Indikator und Gleichraumdiagramm (4-Takt-Motor), Quelle 2 1. ist Ladungswechselschleife € negative Arbeit € indizierte Arbeit = Hochdruckschleife – Ladungswechselschleife (Flächenbetrachtung) Durch Indizierung können verschiedene Wirkungsgrade (Gütegrad, indizierte oder Innenwirkungsgrad, mechanischer Wirkungsgrad, effektiver Wirkungsgrad) ermittelt werden. Einfügen FK neu Seite 191 p-V—Diagramm + Fehlererkennung, Tabelle 5.2-3 HB 189 Änderungen an Kreisprozessen 4. Weitere Kenngrößen 4.1. Mittlerer indizierter Kolbendruck oder Mitteldruck indizierte Arbeit = Hochdruckschleife – Ladungswechselschleife (Flächenbetrachtung) - kann als Fläche dargestellt werden (Fläche A des Indikatordiagramms) - entspricht der in einem Zylinder je Arbeitsspiel geleisteten Arbeit W - Umwandlung der Fläche in flächengleiches Rechteck (Bild 12) € Höhe h entspricht dem mittleren Kolbendruck p Bild 12 - mittlerer Kolbendruck, Quelle TU Cottbus damit kann man die Zylinder je Arbeitsspiel geleistete Arbeit beschreiben: W • p iVh pi Vh [pi] mittlerer (indizierter) Kolbendruck = pmi Hubvolumen bar (4.18) andere Bezeichnung: spezifische Kolbenarbeit pi • W Vh € Arbeit pro Hubvolumen meist [kJ/dm3] (4.19) Änderungen an Kreisprozessen 4.2. Leistung - man unterscheidet verschiedene Leistungen abhängig von Ermittlungsstelle, Betriebszustand Innenleistung Pi - heißt auch indizierte Leistung - Grundlagen: Leistung ist Arbeit in der Zeiteinheit - weil sie aus dem Indikatordiagramn bestimmt wird - sie wird vom Arbeitsgas auf den Kolben übertragen - Berechnung mit Hilfe des mittleren Kolbendrucks Pi • piVh zni z = Zylinderzahl n = Drehzahl i = l / 0,5 (2-T-M / 4-T-M) (4.20) Nutzleistung Peff oder Pe - oder effektive Leistung (DIN 1940) - nach DIN 70020 € Nettoleistung - Leistung die an der Motorkupplung zur Verfügung steht - wird mit einer Leistungsbremse gemessen o Messwerte hängen vom Betriebszustand des Motors ab - um die Reibungsleistung kleiner als die Innenleistung Pe • peVh zni - (4.21) Nutzleistung unterschiedet sich von der Innenleistung durch die Reibungsleistung Änderungen an Kreisprozessen Verlauf des indizierten Wirkungsgrades eines Ottomotors mit Drosselregelung über Last und Drehzahl. Alle Rechte vorbehalten. © Robert Bosch GmbH, 2002 Pe • Pi€ m (4.22) Reibungsleistung setzt sich zusammen aus: 1.Reibungsleistung an/in - Kolben und Kolbenringen - in den Lagern und anderen Triebwerksteilen des Motors. 2. Leistung zum Antrieb der für den Motorbetrieb notwendigen Hilfsrmaschinen - Wasserpumpe - Einspritzpumpe - Ölpumpe - Lichtmaschine - Lüfter Leistungsmessung 1 Leistungsmessung nach DIN-Norm o Motor wird so gemessen, wie er im Betrieb gefahren wird o mit Ansaugfilter, Abgasanlage, o treibt alle seine Hilfsmaschinen selbst an 2. - Leistungsmessung nach SAE-Norm (Society of Automotive Engineers) Messwerte liegen 5-20% über den DIN-Werten Motoren laufen ohne die serienmäßige Ansaug- und Abgasanlage alle Hilfsmaschinen werden fremdangetrieben Vergaser/Einspritzung und Zündung speziell für die Messung auf Höchstleistung eingestellt nach der neuen SAE-Norm wird der Motor auch wie nach DIN mit Ansaug- und Auspuffanlage und mit allen Hilfsmaschinen betrieben Änderungen an Kreisprozessen - ----daher weisen Leistungswerte zwischen neuen SAE- und der DIN-Messung nur noch kleine Unterschiede auf (SAE-Norm liefert geringfügig kleinere Leistungswerte als die DIN-Norm) o rühren von unterschiedlichen Bezugsgrößen (Luftdruck, Lufttemperatur) her Hubraumleistung Pl - oder Literleistung - Kenngröße für Motorbelastung und Bauvolumen - große Hubraumleistung € hohe Motorbelastung bei kleinem Motor - lange Lebensdauer € kleine Hubraumleistung P1 • Pe VH mit Erfahrungswerte: VH • zVh [VH]=l Pkw – Ottomotor Pkw – Dieselmotor Pkw – Dieselmotor mit Aufladung Motorradmotor (2- und 4-T) Rennmotor Rennmotor mit Aufladung Lkw – Dieselmotor Lkw – Dieselmotor mit Aufladung und Ladeluftkühlung (4.23) ‚i = 35 … 65 kW/l ‚i = 20 … 35 kW/l ‚i = 30 … 45 kW/l ‚i = 50 … 80 kW/l ‚i ca 120 kW/l ‚i ca 450 kW/l ‚i = 13 ... 20 kW/l ‚i = 15 ... 25 kW/l ‚i = 25 ... 40 kW/l 4.3 Wirkungsgrad - ist das Verhältnis zweier Leistungen über Wirkungsgrade kann ein Motor beurteilt werden Durch Indizierung können verschiedene Wirkungsgrade (Gütegrad, indizierte oder Innenwirkungsgrad, mechanischer Wirkungsgrad, effektiver Wirkungsgrad) ermittelt werden. Gütegrad - Quotient aus Innenleistung und Leistung der vollkommenen Maschine - sagt aus wie nahe der reale Arbeitsprozess dem Vergleichsprozess kommt €G • P indizierte Leistung • i Leistung der vollkommenen Maschine Pv Erfahrungswerte: Ottomotor ‚G = 0,4 ... 0,7 Dieselmotor ‚G = 0,6 ... 0,8 (4.24) Änderungen an Kreisprozessen Indizierter Wirkungsgrad oder Innenwirkungsgrad - Verh€ltnis von Innenleistung (indizierte Leistung) zur W€rmezufuhr) €i • P indizierte Leistung • i zugeführteWärmestrom Qzu mit Qzu • BH u (4.25) B • Kraftstoffverbrauch (Masse / Zeit) Hu • unterer Heizwert (spezifischer Heizwert) Mechanischer Wirkungsgrad - es werden alle Leistungsverluste durch Reibung erfasst - einschlie‚lich der Antriebsleistung fƒr die Hilfsmaschinen €m • P effektive Leistung • e indizierte Leistung Pi betr€t ca. 80 % (4.26) Effektiver Wirkungsgrad oder Nutzwirkungsgrad - Verh€ltnis von Nutzleistung zur W€rmezufuhr - Optimalwerte werden nur in bestimmtem Betriebszustand erreicht - im Leerlauf (Nutzleistung = 0) ist der Nutzwirkungsgrad = 0 €e • Pe P P P • e i v • € m€ G€ th • € m€ i BH u Pi Pv BH u Optimalwerte: Ottomotor (4.27) ‚eff = 0,25 ... 0,3 Bestwerte fƒr „e: Pkw - Ottomotor: „e = ... 0,38 LKW - Dieselmotor: „e = ... 0,45 Dieselotor ‚eff = 0,3 ... 0,45 PKW - Direkteinspritzer - Diesel: gro‚er Schiffsdieselmotor: „e = ... 0,42 „e > ... 0,50 4.4. Mittlerer effektiver Kolbendruck ist eine Rechengr…‚e (peff = pe) - genau mittlerer indizierte Kolbendruck pi - wichtig fƒr Konstrukteure zur Motorenauslegung aus Pe • peVh zni und Pe • Pi€ m € pe • pi€ m € p e • Pe Vh zni (4.28) fƒr Neukonstruktionen werden Erfahrungswerte fƒr den mittleren effektiven Kolbendruck mit Hilfe dieser Gleichung ermittelt weitere M…glichkeit der Ermittlung des effektiven mittleren Kolbendruckes ƒber Heizwert und Liefergrad (siehe Seiten 52 und 53) € pe • € m€ G€ th ‚l H G •a •o (4.29)
