Verbrennungskraftmaschinen (Subject) / Vorlesung Verbrenner (Lesson)

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• Definieren Sie Verbrennungskraftmaschine! In einer VKM muss eine Verbrennung mit einem Bewegungsvorgang kombiniert sein, in dessen Verlauf chemische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.
• Definieren Sie Verbrennungsmotor! Offener Kreislauf Intermittierende Arbeitsweise Chemische Energie im Brennstoff wird über Wärme in mechanische Energie umgewandelt. Veränderlicher Arbeitsraum
• Listen Sie die zentralen Komponenten eines Hubkolbenmotors auf! Zylinderkopf, Kolben, Kolbenbolzen, Büchse, Pleuel, Kurbelwelle, Kurbelgehäuse
• Welche Komponenten gehören zum Kurbeltrieb? Kolben, Kolbenringe, Kolbenbolzen, Lager, Pleuel, Kurbelwelle
• Geben Sie Schritte und Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses an! 1 → 2: isotherme Verdichtung2 → 3: isentrope Wärmezufuhr3 → 4: isotherme Expansion4 → 1: isentrope Wärmeabfuhr ηth = 1- (T3,4/T1/2)
• Geben Sie die Schritte sowie den thermodynamischen Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses an! 1 → 2: isentrope Verdichtung2 → 3: isochore Wärmezufuhr3 → 4: isentrope Expansion4 → 1: isochore Wärmeabfuhr ηth = 1-(T1/T2) = 1-(1/ε)κ-1 --> ηth ist von der Last (qzu) unabhängig!
• Geben Sie die Schritte sowie den thermodynamischen Wirkungsgrad des Gleichdruckprozesses an! 1 → 2: isentrope Verdichtung2 → 3: isobare Wärmezufuhr3 → 4: isentrope Expansion4 → 1: isochore Wärmeabfuhr ηth = 1- [(1/κ) * (1/ε)κ-1 * (ρκ-1)/(ρ-1)]
• Geben Sie die Prozessschritte sowie den thermodynamischen Wirkungsgrad zum Seiliger-Grenzdruckprozess an! 1 → 2: isentrope Verdichtung2 → 3: isochore Wärmezufuhr3 → 3‘: isobare Wärmezufuhr3‘ → 4: isentrope Expansion4 → 1: isochore Wärmeabfuhr ηth = 1-[(1/ε)κ-1 * ((pi*rhoκ)-1)/(pi-1+κ*pi*(rho-1))] pi = 1 : Gleichdruck rho = 1 : Gleichraum
• Welche Anforderungen werden heutzutage typischerweise an Kraftstoffe gestellet? Speicher-/ Volumenbedarf Energiedichte Verteilungslogistik Entflammungsverhalten Brennverhalten Emissionsverhalten Verträglichkeit für den Motor Langzeitstabilität Verfügbarkeit
• Beschreiben Sie die Bindung & Struktur der Ihnen bekannten Kohlenwasserstoffe! Alkane: Einfachbindung C ─ C, Kettenstruktur Alkene: Doppelbindung C = C, Kettenstruktur Alkine: Dreifachbindung C ≡ C, Kettenstruktur Cyklane alizyklische KW: Einfachbindung C ─ C, Ringstruktur Aromate: hybride Bindung, Ringstruktur
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• Welche Verfahren zur Herstellung von Kraftstoff aus Erdöl kennen Sie? Fraktionierte Destillation: Ist das gebräuchlichste Verfahren, die Einzelkomponenten werden „Zerschlagen“ Cracken: Lange Molekülketten werden gebrochen –entweder thermisch oder katalytisch Reformieren: Umwandlung von Ketten in Ringe Polymerisieren:  Zusammenschließen kurzer Ketten zu langen – gasförmig wird flüssig Hydrieren: Anlagern von H2 an ungesättigte Verbindungen, damit wird die Oxidations-und Verharzungsneigung verringert und bestimmte Verbrennungseigenschaften eingestellt Isomerisieren: Verzweigen von einfachen Ketten
• Vergleichen Sie Schweröl und Diesel hinsichtlich Dichte, Viskosität und Einspritztemperatur, Schwefelgehalt, Aschegehalt und Vanadiumgehalt! Dichte: Schweröl > Diesel Viskosität/Einspritztemperatur: Schweröl >> Diesel Schwefelgehalt: Schweröl >> Diesel Aschegehalt: Schweröl > Diesel Vanadium: Schweröl >> Diesel
• Geben Sie den Ablauf der Verbrennung an! Zündzeitpunkt Initialisierung der Flammenzone Übergang von laminarer zu voll turbulenter Flammenausbreitung Hauptverbrennung mit voll turbulenter Flammenausbreitung Ausbrandphase
• Was sagt die kinetische Gastheorie aus? Gase bestehen aus Molekülwolken, in denen sich die Moleküle ungeordnet bewegen. Die Molekülgeschwindigkeiten wachsen mit der Temperatur. Bewegungsrichtung der Moleküle ist völlig verschieden
• Was sind die Voraussetzungen für die Reaktion zweier Partner? Sehr schnelle, in entgegen gesetzter Richtung bewegende Moleküle treffen aufeinander Auftreffenergie groß genug, dass innere Bindungsenergie überwunden wird Kritische Aktivierungsenergie E muss überschritten werden.
• Wie ist die Anzahl der wirksamen Zusammenstöße definiert? A=e-(E/RT) mit 0<A<1 und E: Kritische Aktivierungsenergie
• Was geben die Zündgrenzen an? Gibt das Mischungsverhältnis in Abhängigkeit der Temperatur an, bei der die Reaktion eines Gas-/ Sauerstoff-bzw. Luftgemisches nach einer einmal erfolgten Zündung ohne weitere Energiezufuhr abläuft.
• Was sagt die Oktanzahl OZ aus? Ein Kraftstoff hat die Oktanzahl x, wenn ein Vergleichskraftstoff aus x Volumenprozent Iso-Oktan und (100 –x) Volumenprozent n-Heptan die gleiche Klopfintensität zeigt wie der betreffende Kraftstoff.
• Definieren Sie ROZ und MOZ! Research-Methode (ROZ): Mildere Bedingungen, charakterisiert die Beschleunigung aus  niedrigen Drehzahlen Motor-Methode (MOZ): Schärfere Bedingung, Verhalten bei Volllast und höheren Drehzahlen
• Was versteht man unter der sogenannten Empfindlichkeit/Sensitivity S? Die Differenz S = ROZ –MOZ wird „sensitivity“ (Empfindlichkeit) genannt und stellt ein Maß dar für die „thermische Belastung“ des Kraftstoffes, d. h. gegenüber einer Änderung der Vorreaktionsgeschwindigkeit durch höhere Gastemperaturen.
• Wie kommt man auf die sogenannte Mischoktanzahl? Auf Werte von OZ > 100 gelangt man über eine einfache Extrapolation auf die sog. Mischoktanzahl. Es werden 25% zu einem Kraftstoff bekannter Oktanzahl gemischt. Beispiel:der bekannte Kraftstoff habe eine OZ von 60,die Mischung eine OZ von 72Damit:0,25∙x + 0,75∙60 = 72 -> x = 108
• Was sagt die Cetanzahl eines Dieselkraftstoffes aus? Die Cetanzahleines Dieselkraftstoffes:Anteil an n-Hexadekaneines Vergleichskraftstoffes, der unter gleichen Prüfbedingungen die gleiche Zündverzugszeit besitzt wie der betreffende Kraftstoff. zündunwillig: CaZ = 0 zündwillig: CaZ = 100
• Wie hängen Oktan- und Cetanzahl zusammen? CaZ= 60 –0,5 MOZ (Motor-Methode) oder für ROZ > 80 (Research Methode) CaZ= 100 -ROZ
• Was können Sie über die Entflammung von Kohlenwasserstoffen sagen? Kohlenwasserstoffe entflammen in mehreren Phasen.Die tatsächliche Verbrennung erfolgt nicht nach der SummenformelBrennstoff + O2 --> Reaktionsproduktsondern läuft über viele Zwischenreaktionen ab. Reaktion beginnt meist langsam --> Bildung aktiver Zwischenprodukte (reaktionsfreudig, d.h. geringe Aktivierungsenergie E) --> Kettenreaktion
• Beschreiben Sie die Eigenschaften einer vorgemischten Flamme! homogenes Gemisch Verbrennungsluftverhältnis λ örtlich konstant Zündgrenzen bedingt durch p, T,λ , E Flammenausbreitung von Zündkeimen aus einer Stelle, wo Fremdenergie zugeführt wurde Brenngeschwindigkeit ist ebenfalls eine Funktion von p, t,λ , E Als Zwischenprodukt entsteht bei der Verbrennung im allgemeinen kein freier Kohlenstoff --> blaue Flamme bei λ< 1 setzt sich das Abgas gemäß dem Wassergasgleichgewicht zusammen: k=(nCO*nH2O/nCO*nH2); k=f(T) im Abgas findet man keinen Ruß, dafür aber CO.
• Beschreiben Sie die Eigenschaften der Diffusionsflamme (Diesel)! heterogenes Gemisch, Mischung erst während der Reaktion durch Diffusion; in der Reaktionszone liegt irgendwo immer ein richtiges Mischungsverhältnis vor (0< λ< ∞). Es bestehen keine Zündgrenzen über λges; Die Aufheizung der fetten Bereiche von der Reaktionszone her führt zur Crackung --> leuchtende Flamme oder Ruß im Abgas. CO kommt kaum als Abgasbestandteil vor.
• Wie berechnet sich der Mindestsauerstoffbedarf ? nO2,min = 0,5*h/2+c/12+s/32-o/32 nc = c/12; nH2 = h/2
• Wie berechnet sich der Mindestluftbedarf? Lmin = MLuft*(nO2min/0,21)
• Wie groß ist die erforderliche Sauerstoffmolzahl für Kraftstoffe aus flüssigen Kohlenwasserstoffen? nO2min = 0,105
• Wie groß ist der Mindestluftbedarf für eine vollständige Verbrennung von flüssigen Kohlenwasserstoffen? Lmin = 14,425 kg Luft/kg Brennstoff --> Zur Verbrennung von einem kg Kraftstoff werden 14,4kg Luft benötigt.
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• Wie ist das Verbrennungsluftverhältnis λ definiert? λ = mLuft/mLuft,st = Ltatsächlich/Lmin λ=1: stöchiometrisch λ>1: mager λ<1: fett
• Was ist der untere Wert der Wassergas-Gleichgewichtskonstante für Benzin nach Boyd und Christoph? k = 3,4 - 3,6
• Nennen Sie einen Vorteil der Direkteinspritzung bei Ottomotoren! Besseres Molverhältnis --> Es kommt zu einer Volumenvergrößerung und damit zu einerDruckerhöhung bzw. Leistungsverbesserung von 3-5%, je nach der Größe von λ.
• Geben Sie den Heizwert (Erfahrungswert) von 1kg Kraftstoff an! HU = ca. 42000 kJ/kg Kraftstoff
• Definieren Sie den Umsetzungsgrad! ηu = (Hu-Ha)/Hu Ha : Heizwert der im Abgas brennbaren Bestandteile
• Definieren Sie den Gemischheizwert! HG = (Hu*ηu)/(1+λ*Lmin) [kJ / kg Gemisch]
• Wo liegt die Grenze für λ beim Dieselmotor? λ = 1,2 - 1,3 Optimum der Leistungsausbeute liegt bei λ = 1
• Wie berechnet sich die Umsetzungsgeschwindigkeit? dqz = kdv dqz/dφ = k * dv/dφ
• Definieren Sie den Gleichraumgrad! Gleichraumgrad: ηgl = (η/ηtheor.gl.)         <1
• Welche verschiedenen Ventilbetätigungen kennen Sie? Stoßstange, Schlepphebel, Tassenstößel, Kipphebel, Tassenstößel
• Welche Kenngrößen beim Ladungswechsel sind Ihnen bekannt? mG : gesamte eingeströmte Frischladungsmasse mGZ : Frischladungsmasse im Zylinder bei Ladungswechselende mG,th = ρG * VH : theoretisch mögliche Frischladungsmasse im Zylinder λa : Luftaufwand λl : Liefergrad λz = λl/λa = mGZ/mG
• Was wissen Sie zur akustischen Theorie? Da Druckwellen immer mit Schallgeschwindigkeit durch die Rohre laufen, bleibt die Laufzeit von einem Ende (z.B. Ansaugsammler) bis zum anderen Ende (Einlassventil) immer gleich. Die Öffnungsperioden der Ventile verändern sich jedoch mit der Drehzahl im absoluten Zeitmaßstab. Deshalb ist eine fest angepasste Ansaugrohrlänge nur für die abgestimmte Drehzahl optimal. Um den Füllungseffekt durch Druckwellen in einem weiten Drehzahlbereich nutzen zu können, hat man variable Saugrohrlängen entwickelt.
• Welche Motivationen gibt es für eine variable (Ventil?)-Hubverstellung? Begrenzung Frischgasmasse geringere Ladungswechselverluste (Verbrauch) bessere Gemischbildung (Emissionen)
• Welche Motivationen gibt es für eine diskrete Hubverstellung? Beeinflussung des Ladungswechsels Anpassung an Drehzahl / Last Beeinflussung der Restgasmenge Ladungsbewegung
• Was können Sie zusammenfassend zur λL-Auslegung sagen? 4-Ventil-Technik bringt Verbesserung im gesamten Auslegungsbereich Verstellung der Saugrohrlänge: am besten stufenlos -->  je höher die Drehzahl, desto kürzer sollte das Saugrohr sein Längere Steuerzeiten (vor allem späteres ES) sind besser je höher die Drehzahl, aber schlechter bei niedrigeren Drehzahlen --> Verstellung der Steuerzeiten
• Geben Sie die Formel zur Berechnung der theroetischen und indizierten Leistung an! Pth = pm th * VGH * n * i Pi = pmi* VGH * n * i
• Geben Sie jeweils eine Formel zur Berechnung des theoretischen sowie des indizierten Mitteldruckes an! pm th = ηth * (mB * Hu)/VH pm i = ηi * (mB * Hu)/VH
• Welche Ursachen haben die Unterschiede zwischen Pth und Pi? Verhalten realer Gase (cp, cv, κ konstant, Änderung der Molzahl und der Gaszusammensetzung) Ladungswechselverluste (Drosselung, negative Ladungswechselschleife, Restgas) Verluste durch den tatsächlichen Brennverlauf (endliche Brenndauer, Form, Lage) Wärmeverluste an Zylinderwänden, die primär den Unterschied zwischen ηth und ηi bewirken Umsetzungsgrad ηu (λ< 1, beim Ottomotor unverbrannte Bestandteile im Abgas) Liefergrad λL< 1 (Zylinderfüllung); wirkt sich vorwiegend auf P und pm aus
• Welche Kennzahlen zur mechanischen, thermischen Belastung und zur Güte kennen Sie? Literleistung: Pe/VGH = pme * n * i [kW/l] Kolbenflächenleistung: Pe/AK = pme * s * n * i [kW/cm2] Laufwert: a = (s/D) * D2 * n2 * 10-3 [m2/min2]
• Geben Sie Beispiele zu Möglichkeiten der Leistungssteigerung an! pme, Md, Pe erhöhen. Konkret: Aufladung, Ladungswechsel, λ bis auf 1 senken, Baugröße entgegen Downsizing verändern, mechanische Belastbarkeit erhöhen, Brennverlauf anpassen, Wandwärme besser abführen;                        

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