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Verbrennungskraftmaschinen (Fach) / Die Dieselmotorische Verbrennung (Lektion)

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• Wie funktioniert die Gemischbildung beim Dieselmotor? Kraftstoff wird direkt in hoch verdichtete Luft eingespritzt Selbstentzündung / Unterstützung durch Glühkerze beim Kaltstart Verbrennungseigenschaften der Diffusionsflamme Keine Bindung an Zündgrenzen → Qualitätsregelung Einstellung des abgegebenen Drehmoments durch die eingespritzte Brennstoffmenge
• Welche Unterscheidungen lassen sich allgemein bei den Dieselmotorischen Verbrennungsverfahren treffen? Man unterscheidet nach der Ausführung des Brennraumes in•unterteilt•nicht unterteilt (Direkteinspritzung) und nach der Verteilung des Kraftstoffes in•luftverteilt•wandverteilt Heute sind für fast alle Anwendungen Dieselmotoren mit Direkteinspritzung und luftverteilten Kraftstoff zu finden.
• Welche Verfahren gibt es im Rahmen des Unterteilten Brennraumes? Vorkammerverfahren Wirbelkammerverfahren (historisch)
• Welche Vor- und Nachteile haben unterteilte Brennräume? Vorteile:•geringere Druckanstiegsgeschwindigkeit (Geräusch, mechanische Belastung).•geringere NOx-Entstehung durch verschleppten Brennverlauf Nachteile:•Verbrauch höher als bei der Direkteinspritzung (ca. 10%) durch der verschleppten Verbrennung•Überströmverluste bei Spülung und Verbrennung
• Welche Vor- und Nachteile hat die Direkteinspritzung? Vorteil:•geringerer Verbrauch, aber: harter Brennverlauf, da während des Zündverzugs viel Kraftstoff aufbereitet wird. Ursprüngliche Gegenmaßnahme:Wandverteilung des Kraftstoffs (er wird auf die Kolbenmulde gespritzt), von dort muss Kraftstoff erst abdampfen, damit steht in der ersten Phase der Verbrennung weniger aufbereiteter Kraftstoff zur Verfügung. Nachteile:•verlängerte Brenndauer, damit verbrauchsungünstig•Bildung von Aldehyden; Blaurauch und Weißqualm an kalter Brennraumwand•Kaltstartprobleme
• Nennen Sie einige Ziele der Brennverfahrensentwicklung! → Verzögerung des Brennverlaufs am Anfang→ Beschleunigung im anschließenden Teil Der Brennverlauf soll langsam ansteigen, damit die Verbrennung nicht „hart“ abläuft, da sonst hohe NOx-Emissionen entstehen und das Verbrennungsgeräusch laut ist (Nageln des Dieselmotors bei Kaltstart). Auf der anderen Seite muss die Verbrennung schnell und vollständig ablaufen, damit der thermische Wirkungsgrad hoch ist. Ausschlaggebend für den Erfolg der Verbrennung hinsichtlich des Wirkungsgrads und der Emissionen ist die Gemischaufbereitung. Hier kommt der Einspritzung eine Schlüsselrolle zu, wobei sie durch eine gezielte Luftbewegung (Drall, Tumble) unterstützt wird.
• Nennen Sie die sechs Phasen des Hochdruckprozesses! Einspritzung Strahlauflösung Verdampfung Vermischung Zündung Verbrennung
• Geben Sie an, wovon der Einspritzverlauf bei einem Mechanischen, bzw. bei einem Common Rail System abhängt! Mechanisch•Förderverlauf•Leitungsgeometrie•Düsengeometrie•Entlastungsventil (falls vorhanden) Common Rail•Raildruck•Düsengeometrie•Ansteuerung
• Stellen Sie den Zusammenhang zwischen Strahleindringtiefe und Zerstäubungsgüte her! Strahleindringtiefe ≈ 1/Zerstäubungsgüte
• Was bewirkt eine geschlossene Drallklappe, bzw. eine ganz geöffnete Drallklappe? Was bewirkt eine geschlossene Drallklappe? niedrige Drehzahl, ECE-Zyklus → geringer Drall,verschleppte Verbrennung, reduzierte NOx-Emissionen Was bewirkt eine ganz geöffnete Drallklappe? bei steigender Drehzahl und Luftmenge → hoher Drall, gute Gemischbildung, zusätzlich lässt sich die Gemischbildung durch verstärkte Luftbewegung verbessern.
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• Erläutern Sie die Einflussgrößen auf die Strahlauflösung! Gehen Sie dabei auch auf Gefahren ein! →höhere Einspritzintensität führt zu einer besseren Strahlauflösung (Raildruck bzw. Drehzahl bei mechanischer Einspritzung) →hohe Luftbewegung (Drall, Tumble) verbessert ebenfalls die Strahlauflösung Problematik: während des Zündverzugs sollte nicht zu viel Kraftstoff aufbereitet werden →harter Brennverlauf (Schall, mechanische Belastung) bei zu hohen Verbrennungsdruckspitzen → vermehrte Stickoxidbildung (NOx) Verwehen der Einspritzstrahlen → Gemischaufbereitungverschlechtert sich, Rußentstehung
• In welchem lambda-Bereich spricht man von einem zündfähigen Gemisch? 0,6 < λ < 1,3
• Wovon hängen tauphys und tauchem im Zusammenhang mit der Vermischung und Verbrennung ab? τphys.: Strahlauflösung, Verdampfung und Vermischungτchem.: nur abhängig von Druck, Temperatur und Kraftstoffart
• Beschreiben Sie die Aufgaben einer Pumpe! Festlegung des Einspritzzeitpunktes (Brennbeginn) und –im Zusammenwirken mit Leitung und Düse –des Einspritzverlaufes Einspritzmenge veränderlich zumessen (Dosieren durch Hubänderung, Schrägkantenregelung, Hubänderung durch Kolbendrehung) Verteilung auf die einzelnen Zylinder
• Was sind die Aufgaben einer Einspritzdüse? Aufgaben der Einspritzdüse: im Zusammenwirken mit Pumpe und Leitung Festlegung des Einspritzzeitpunktes und des Einspritzverlaufes, Zerstäubung des Kraftstoffs, Verteilung des Kraftstoffs (gutes Mikro-und Makrogemisch)
• Listen Sie die Baugruppen einer Axialverteilerpumpe auf! Förderpumpe, Hochdruckpumpe, Verteilereinheit, Elektrisches Abstellventil, Drehzahleregler
• Nennen Sie die Bauteile sowie Eigenschaften einer Radialverteilerpumpe! Spritzverstellung am Nockenring, Rolle, Nockenring, Radialkolben, Hochdrukcmagnetventil, Hochdruckraum, Kraftstofffluss zur Einspritzdüse, Steuerschlitz Eigenschaften: elektrische Regelung erforderlich Druckerzeugung steifer 2 bis 4 Elemente können den Druck erzeugen Einspritzdrücke 1500 bis 2000 bar
• Nennen Sie Teile und Eigenschaften der Pumpe-Düse! Antriebsnocken, Pumpenkolben, Hochdruckmagnetventil, Einspritzdüse Eigenschaften hohe hydraulische Steifigkeit→wenig Kraftstoff, der kompressibel ist→keine Leitungselastizität hoher hydraulischer Wirkungsgrad hohe Einspritzdrücke (bis zu 2050 bar) benötigt Bauraumim Zylinderkopf Druckerzeugung nur bei Abwärtsbewegung→Mehrfacheinspritzung schwierig darzustellen
• Nennen Sie Eigenschaften und und Komponenten der Pumpe-Leitung-Düse Eigenschaften: Einzelpumpenprinzip, meist bei Großmotoren zu finden Die bauliche Trennung von Pumpe und Düse ist durch die in der Regel seitliche Nockenwelle bei Großmotoren notwendig Motornockenwelle kann für den Pumpenantrieb verwendet werden Komponenten: Einspritzdüse, Düsenhalterkombination, Hochdruckleitung, Hochdruckmagnetventil, Pumpenkolben, Antriebsnocken auf Motornockenwelle
• Beschreiben Sie den Aufbau und die Eigenschaften eines Common Rail-Systems! Eigenschaften eines CR-Systems:•Entkoppelung von Druckerzeugung und Einspritzung•Einspritzdruck von Motordrehzahl und Last unabhängig•Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck (bis max. Raildruck) frei einstellbar•Mehrfacheinspritzung möglich•Individuell Dosierung einzelner Zylinder•Verluste durch Absteuermenge Bestandteile eines CR-Systems: Hochdruckpumpe, Rail, Hochdruckmagnetventil, Injektor, Einspritzdüse
• Welchen Einfluss hat die Form des Einspritzverlaufes? Reduzierung von HC  und Geräusch (Zustand), Erhöhung von NOx (Steigung), Erhöhung von NOx und Leistung (Steigung), Leistungserhöhung (Zustand, Peak), Erhöhung der Leistung und Ruß (-Steigung), Reduzierung von Ruß (Flanke);
• Was bewirken die einzelnen Mehrfacheinspritzungen? Geräusch, Geräusch&Stabilität der HE, Drehmoment & NOx & be [Peak], Reduktion von Partikeln & DPF Regeneration, DPF Regeneration; Insgesamt fünf Einzeleinspritzungen.
• Nennen Sie Randbedingungen für Einspritzdüsen! hoher Druck (über 2000 bar) hohe Temperatur (Kühlung durch Kraftstoff, höchste Temperatur im Schiebebetrieb) hohe Anzahl von Öffnungs-und Schließvorgängen (über eine Milliarde) hohe Genauigkeitsanforderung an Dosierung ( 1 mm³ (Voreinspritzung) bis 50 mm³ bei Pkw, 3 mm³ (Voreinspritzung) bis 350 mm³ bei Lkw) hohe Fertigungsgenauigkeit (Führungsspiel 0,002 mm (2 μm),z.B. Durchmesser eines menschlichen Haares ca. 0,06 mm (Faktor 30))
• Welche unterschiedlichen Arten von Diesel-Einspritzdüsen kennen Sie? Lochdüsen (Mehrlochdüsen), Strahlform: Strahlkeule •Sacklochdüsen•Minisacklochdüse•Sitzlochdüsen Zapfendüsen, Strahlform: Kegelmantel [heute kaum noch verwendet] •Drosselzapfendüse•Flächenzapfendüse
• Welche Bedingungen (formelmäßig) müssen gegeben sein, damit die Düsennadel öffnet, bzw. schließt`? Öffnen: FFeder < pÖ*(D2-d2)*π/4 Schließen: FFeder > pS*D2*π/4
• Aus welchen Komponenten besteht ein Standard-Düsenhalter? Zulauf, Haltekörper, Druckkanal, Feder, Druckbolzen, Druckschalter, Einspritzdüse
• Wann spricht man von einem Injektor, bzw. wie ist dieser aufgebaut? Man spricht von Injektoren, wenn der Einspritzvorgang elektronisch gesteuert wird. Öffnen und Schließen wird elektronisch ausgelöst hohe Einspritzdrücke und Mehrfacheinspritzungen (Auslösen ist nicht mehr druckabhängig) möglichAufbau Aufbau: Düse → ausschließlich Lochdüsen Hydraulisches Servosystem Magnetventil oder Piezo
• Wie erfolgt die Lastanpassung bei der Dieselmotorischen Verbrennung? Beim Diesel erfolgt eine innere Gemischbildung (Diffusionsflamme). Die Drosselklappe fällt weg, und die Last kann durch die eingespritzte Kraftstoffmenge angepasst werden. Man spricht von einer Qualitätsregelung. Pkw: 1,2 < λ < 6 Großmotoren: 2 < λ < 7
• Nennen Sie Ziele für eine Homogene Dieselverbrennung! Ziele einer Brennverfahrensentwicklung Vermeidung von „hotspots“, um NOx-Bildung niedrig zu halten Rußfreie Verbrennung Kraftstoffeinsparung durch schnelle Umsetzungsgeschwindigkeit --> Frühzeitig einspritzen, da für die Gemischaufbereitung Zeit benötigt wird; Bei hohen Drehzahlen/Last wird auf Diffusion umgeschaltet. (Einbußen!)
• Nennen Sie Probleme bei der homogenen Dieselverbrennung! Probleme •Zündzeitpunkt (Selbstzündung ist unkontrolliert) / wird durch hohe AGR-Rate gezielt beeinflusst•Wandanlagerung durch frühe Einspritzung•hohe HC-und CO-Emissionen•hohe Druckanstiegsgeschwindigkeiten (große Menge an aufbereitetem Gemisch)
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• Vergleichen Sie Otto- und Dieselmotor hinsichtlich Gemisch und Verdichtungsverhältnis! Gemisch: Otto - homogen, Diesel - heterogen Verdichtungsverhältnis: Otto - ε von 7 bis 12; Diesel - ε von 17 bis 22
• Nennen Sie die 4 Phasen der Dieselverbrennung! 1. Abschnitt: Zündverzug (Einspritzbeginn bis thermische Entflammung) 2. Abschnitt: Einsetzten der thermischen Entflammung bis zur merklichen Absenkung der Umsetzungsgeschwindigkeit (Umsetzung der Wasserstoffanteile, plötzliche Entflammung, rascher Anstieg von Druck und Temperatur) 3. Abschnitt: Umsetzung mit etwa konstanter Geschwindigkeit (Ende Einspritzung, echte Diffusionsflamme, Temperatur @max) 4. Abschnitt: Verschlepptes Nachbrennen (abfallende O2-Konzentration, Rußverbrennung)

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