Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

Подождите немного. Документ загружается.

2.2 Vergleichsprozesse 45

bezogene zugeführte Wärme q

wird mit steigenden Luftverhältnissen immer

geringer, da die Ladung zunehmend weniger Kraftstoff enthält.

Abb. 2.24. Zugeführte spezifische Wärme für den Otto- und Dieselprozess

Somit gilt allgemein für den Mitteldruck der geschlossenen Vergleichsprozesse

unter Berücksichtigung der Gln. 2.36, 2.37 und 2.38:

thzuthVGVm

qHp









1,,

(2.41)

Der Mitteldruck der geschlossenen Vergleichsprozesse berechnet sich demnach

aus dem Produkt von zugeführter Wärme, der Ladungsdichte im Zustand 1, dem

thermodynamischen Wirkungsgrad sowie dem Luftaufwand, der sich bei dieser

idealisierten Betrachtung aus dem geometrischen Verdichtungsverhältnis berech-

nen lässt.

2.2.1 Gleichraum-Prozess

Der Gleichraum-Prozess, siehe Abb. 2.25, ist der thermodynamisch günstigste

Prozess, der in einer Verbrennungskraftmaschine theoretisch auch realisiert wer-

den kann, und besteht aus den Zustandsänderungen isentrope Kompression (1

Æ2),

isochore Wärmezufuhr (2

Æ3), isentroper Expansion (3Æ4) und isochorer Wärme-

abfuhr (4

Æ1). Aufgrund des im Vergleich zu den anderen Modellprozessen höchs-

ten Wirkungsgrades weist der Gleichraum-Prozess, verglichen mit den anderen

Modellprozessen, die höchste thermische Belastung des Brennraumes und die

niedrigsten Abgastemperaturen auf. Die isochor, d.h. im oberen Totpunkt und

damit unendlich schnell ablaufende Verbrennung würde infolge hoher Zylinder-

spitzendrücke und -druckgradienten zu hohen Geräusch- und Stickoxidemissionen

sowie schwer beherrschbaren mechanischen Belastungen führen.

46 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Abb. 2.25. p,V- und T,s-Diagramm des Gleichraumprozesses

Auch ein isochor verlaufender Ladungswechsel mit unendlich schnellem Aus-

schieben der Abgasmenge und Ansaugen des Frischgases ist praktisch nicht mög-

lich. Der thermodynamische oder thermische Wirkungsgrad dieses Prozesses ist

neben dem Isentropenexponenten nur noch vom Verdichtungsverhältnis des Mo-

tors abhängig:



vth

(2.42)

Für den Mitteldruck des Gleichraum-Prozesses gilt unter Verwendung des

thermischen Wirkungsgrades für diesen Prozess:









zuvm

(2.43)

Abbildung 2.26 zeigt, dass zur Erreichung hoher Wirkungsgrade möglichst ho-

he Verdichtungsverhältnisse und Arbeitsgase mit hohen Isentropenexponenten

erforderlich sind. Ein höheres Verdichtungsverhältnis steigert die Druck- und

Temperaturverhältnisse im Brennraum und ermöglicht damit einen höheren Ar-

beitsdruck. Der Wirkungsgradzuwachs resultiert im Wesentlichen aus der bei

hohem Verdichtungsverhältnis gegebenen vollkommeneren Expansion des Ar-

beitsgases. Während das Verdichtungsverhältnis beim Ottomotor durch die Gefahr

klopfender Verbrennung begrenzt wird, müssen beim Dieselmotor festigkeitsbe-

dingt hohe Spitzendrücke vermieden werden. Bei konstanter Ladungs- bzw. Ge-

mischdichte ist eine Steigerung des Mitteldruckes nur durch Steigerung der zuge-

führten, spezifischen Wärme

bzw. durch Absenkung des Luftverhältnisses Ȝ

möglich. Soll zeitgleich zu einer Steigerung des Mitteldruckes der Wirkungsgrad

erhöht werden oder zumindest gleich bleiben, so sind Maßnahmen erforderlich,

die zu einer Steigerung der Ladungsdichte führen. Bei realen, aufgeladenen Moto-

ren besteht daher stets der Wunsch nach hohen Ladedrücken bei gleichzeitig ho-

hen Luftverhältnissen.

2.2 Vergleichsprozesse 47

Abb. 2.26. Wirkungsgrad und Mitteldruck des Gleichraum-Prozesses in Abhängigkeit des

Luftverhältnisses

Aus den Ergebnissen des Gleichraum-Prozesses lassen sich unter thermodyna-

mischen Gesichtspunkten für den realen Motorprozess mehrere, allgemein gültige

Schlussfolgerungen ableiten: Die Zylinderladung ist möglichst hoch zu verdich-

ten, und die Verbrennung sollte in einem sehr engen Kurbelwinkelbereich um den

oberen Totpunkt ablaufen. Eine zu frühe oder zu späte Verbrennung reduziert den

Wirkungsgrad sowie den Mitteldruck merklich. Dieser Sachverhalt lässt sich auch

sehr anschaulich durch den sog. Gleichraumgrad beschreiben. Da der reale Brenn-

verlauf stets von der Gleichraumverbrennung abweicht, entstehen selbst bei voll-

ständiger Verbrennung des Brennstoffes thermodynamische Verluste. Die Höhe

dieser Verluste wird durch den Gleichraumgrad beschrieben, der seinerseits mit

guter Näherung wie folgt berechnet werden kann: Der reale Brennverlauf eines

Motors wird entsprechend Abb. 2.27 in infinitesimal kleine Teil-Brennraten zer-

legt, deren Form näherungsweise der Brennrate des Gleichraumprozesses ent-

spricht. Zur Berechnung des Wirkungsgrades nach Gl. 2.42 wird nun anstelle des

Verdichtungsverhältnisses der sog. Entspannungsgrad verwendet, der folgender-

maßen definiert ist:





(2.44)

48 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Abb. 2.27. Aufteilung des realen Brennverlaufes in infinitesimal kleine Gleichraum-

Brennraten

Der Entspannungsgrad kann – je nach Kurbelwinkel – Werte zwischen 1 und İ

annehmen. Im oberen Totpunkt entspricht der Entspannungsgrad dem Verdich-

tungsverhältnis. Der Gleichraumgrad berechnet sich dann zu



vth

GRG

(2.45)

und beschreibt damit den Anteil der Wärme, der im Vergleich zum Gleich-

raumprozess in Arbeit umgewandelt werden kann. Abb. 2.28 zeigt den Verlauf des

Gleichraumgrades für einen Isentropenexponenten von 1,3 für zwei unterschiedli-

che Verdichtungsverhältnisse in Abhängigkeit des Kurbelwinkels.

Abb. 2.28. Verlauf des Gleichraumgrades in Abhängigkeit des Kurbelwinkels

2.2 Vergleichsprozesse 49

Je weiter entfernt vom OT die Wärme zugeführt wird, desto weniger kann diese

in nutzbare Arbeit umgewandelt werden. Brennstoff, der bei 40 °KW nach OT

umgesetzt wird, kann je nach Verdichtungsverhältnis nur zu 65–78% des Gleich-

raumwirkungsgrades in Arbeit transformiert werden. Niedrig verdichtete Motoren

weisen hierbei gegenüber hoch verdichteten Motoren geringfügige Vorteile auf.

Zur Berechnung des Gleichraumgrades der Verbrennung werden die Gleichraum-

grade der Teilprozesse mit der jeweils umgesetzten Energie multipliziert und über

die gesamte Brenndauer integriert. Dieser Kennwert ist damit ein Maß für die

Verluste durch realen Verbrennungsablauf im Vergleich zur Gleichraumverbren-

nung.

GRG

GRG ,



(2.46)

Mit Bezug auf die Wandwärmeverluste, die als negative Zufuhr von Brenn-

stoffwärme betrachtet werden können, führen Wärmeströme, die deutlich nach OT

an die Brennraumbegrenzungen übergehen, im Umkehrschluss zu geringeren

Wirkungsgradverlusten als solche, die im Bereich des oberen Totpunktes übertra-

gen werden. Neben der Höhe des Wandwärmestroms ist daher die Lage des

Wandwärmestromverlaufs hinsichtlich des Wirkungsgrades sehr viel bedeutender.

2.2.2 Seiliger-Prozess

Beim Seiliger-Prozess, siehe Abb. 2.29, erfolgt die Wärmezufuhr sowohl isochor

als auch isobar. Es liegt demnach ein kombinierter Gleichraum-Gleichdruck-

Prozess vor. Verdichtung und Expansion verlaufen isentrop.

Abb. 2.29. p,V- und T,s-Diagramm des Seiliger-Prozesses

Dieser Modellprozess wird verwendet, wenn bei gegebener Verdichtung zu-

sätzlich der Höchstdruck begrenzt werden muss. Wie bei den anderen Prozessen

auch, wird die Abwärme isochor und damit unendlich schnell abgeführt. Der Wir-

kungsgrad des Seiliger-Prozesses wird von den Wirkungsgrades des Gleichraum-

und Gleichdruck-Prozesses eingerahmt und berechnet sich wie folgt:

50 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor





















HNN

vpth

(2.47)

mit:

HN[H



(2.48)

und:

pzuvzu

vzu



[

(2.49)

Ein hohes Verdichtungsverhältnis, ein hoher Spitzendruck

und eine niedrige

dimensionslose Wärmezufuhr

= q

/(c

·T



) , das bedeutet eine Verbrennung bei

hohem Luftverhältnis

Ȝ, führen zu einem hohen Wirkungsgrad. Durch Einsetzen

der Grenzfälle

= 1 (Gleichraum-Prozess) bzw. ȟ

= 0 (Gleichdruck-Prozess)

können aus den Gln. 2.47, 2.48 und 2.49 die Wirkungsgrade der beiden anderen

geschlossenen Kreisprozesse sehr einfach berechnet werden. Dabei gilt für den

Gleichraum-Prozess

HNH



(2.50)

und für den Gleichdruck-Prozess:

(2.51)

Abbildung 2.30 zeigt den Verlauf von thermischem Wirkungsgrad und Druck-

verhältnis



in Abhängigkeit des Verdichtungsverhältnisses für unterschiedli-

che Anteile isochor zugeführter Wärme. Je mehr Wärme isochor übertragen wird

bzw. je schneller die Verbrennung abläuft, desto größer ist die Nähe zum Gleich-

raum-Prozess und desto höher sind der Wirkungsgrad und das während des Pro-

zesses erreichbare Druckverhältnis. Die Grafik zeigt den für eine dimensionslose

Wärmezufuhr von

= 5 erreichbaren Mitteldruck bei Annahme eines konstanten

Isentropenexponenten von N = 1,4.

Je höher der Anteil isochor zugeführter Wärme ist, desto größer ist auch der er-

reichbare Mitteldruck, wobei die Differenz mit steigendem Verdichtungsverhältnis

geringer wird. Soll der Spitzendruck für steigende Verdichtungsverhältnisse kon-

stant gehalten werden (Höchstdruckbegrenzung), so muss die Wärmezufuhr zu-

nehmend isobar erfolgen. Die Verbrennung wird in der Folge weit in den Expan-

sionstakt ausgedehnt. Der Wirkungsgrad verläuft damit für höhere Verdichtungen

sehr flach, bis die Wirkungsgradkurve des Gleichdruck-Prozesses erreicht wird.

2.2 Vergleichsprozesse 51

Abb. 2.30. Wirkungsgrad und Druckverhältnis des Seiliger-Prozesses

Die bessere Ausnutzung der Energie spiegelt sich auch im erreichbaren Mittel-

druck wider, siehe Abb. 2.31.

Abb. 2.31. Mitteldruck des Seiliger-Prozesses

Der nach DIN 1940 definierte Prozess des Vollkommenen Motors zählt zu den

offenen Vergleichsprozessen und ermöglicht eine bessere Annäherung an die

komplexen Verhältnisse des realen Motors im Vergleich zu den geschlossenen

Kreisprozessen. Jedoch werden die wesentlichen Verluste, wie Reibung, Wärme-

52 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

übergang, Ladungswechsel etc., auch durch diesen Modellprozess nicht erfasst,

sodass auf eine Beschreibung verzichtet wird. Es lassen sich jedoch einige allge-

mein gültige Aussagen für die motorische Energieumsetzung machen, die im

Folgenden zusammenfassend wiedergeben werden sollen. Damit wird deutlich,

welchen Einflüssen der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren grundsätzlich

unterworfen ist und welche Möglichkeiten zumindest theoretisch bestehen, die

Effizienz der Energieumsetzung zu steigern.

x Der Wirkungsgrad nimmt mit steigendem Verdichtungsverhältnis

und steigendem Luftverhältnis zu

x Eine möglichst schnelle Verbrennung im Bereich des oberen Tot-

punktes (Gleichraumverbrennung) weist den besten Wirkungsgrad

auf

x Hohe Isentropenexponenten bzw. niedrige Wärmekapazitäten des

Arbeitsgases führen zu hohen Wirkungsgraden. Realisiert werden

kann dies durch hohe Restgasanteile und geringe Temperaturen der

Frischladung

x Die erreichbaren Mitteldrücke nehmen unter sonst gleichen Bedin-

gungen mit steigendem Luftverhältnis ab

Es bleibt jedoch noch einmal zu erwähnen, dass nur vergleichsweise wenige

Phänomene, die im Rahmen der motorischen Energiewandlung auftreten, durch

die einfachen Vergleichsprozesse erfasst bzw. abgebildet werden können. So füh-

ren hohe Restgasanteile beispielsweise auch zu längeren Brenndauern und können

damit einen Teil des Wirkungsgradvorteils aufgrund vorteilhafterer Stoffwerte der

Zylinderladung aufzehren. Darüber hinaus kann eine intensive Abgasrückführung

bei Gemisch ansaugenden Ottomotoren auch zu ausgeprägteren zyklischen

Schwankungen führen, die das Komfortverhalten des Verbrennungsmotors negativ

beeinflussen.

2.3 Verlustanalyse

Im Gegensatz zur globalen Energiebilanz, die zur grundsätzlichen Beurteilung

eines Motorkonzeptes sowie z.B. für die Auslegung des Kühlsystems heran gezo-

gen wird, stellt die Verlustanalyse eine detaillierte Auflistung und Quantifizierung

theoretisch vermeidbarer Einzelverluste des realen Motors in Bezug auf den idea-

lisierten Vergleichsprozess dar. Da viele innermotorische Prozesse zu Verlusten

bei der Umsetzung der im Kraftstoff chemisch gebundenen Energie führen, die

nicht durch die Vergleichsprozesse ermittelt werden können, ist die Verlustanalyse

ein unverzichtbares Mittel zur Beurteilung der motorischen Brennverfahren. Sie

setzt dort an, wo der gewählte Vergleichsprozess mit der Wirkungsgradberech-

nung aufhört und ermöglicht damit die Ermittlung des inneren bzw. effektiven

Wirkungsgrades. Diese Wirkungsgraddifferenzen berechnen sich aus den auf die

zugeführte Brennstoffwärme bezogenen Arbeitsdifferenzen. Abb. 2.32 zeigt das

Sankey-Diagramm für die motorischen Wirkungsgrade.

2.3 Verlustanalyse 53

Abb. 2.32. Sankey-Diagramm der motorischen Wirkungsgrade

Da vom Wirkungsgrad des Vergleichsprozesses Ș

ausgegangen wird, spielen

die Wirkungsgradverluste des Vergleichsprozesses ǻ

für die nachfolgende Ver-

lustanalyse keine Rolle. Für den effektiven Wirkungsgrad gilt:

mgVmimimgVe

KKKKKKKKKKK

'' '   )()(

(2.52)

mit

LWBbWwrVuVrLg

KKKKKKK

'''''' '

(2.53)

und

 '' '

,Re

eNAAibm

KKKK

(2.54)

Eine Steigerung des effektiven Wirkungsgrades ist demnach nur durch Erhö-

hung des Güte- und mechanischen Wirkungsgrades möglich. Die Verluste zwi-

schen dem indizierten und Vergleichsprozess setzen sich aus Einzelverlusten

durch reale Ladung ǻ

, unvollkommene Verbrennung ǻȘ

, realen Verbren-

nungsablauf ǻ

, Wärmeübergang an die Brennraumwände ǻȘ

, Leckagen bzw.

Blow-by ǻ

sowie aus Ladungswechselverlusten ǻȘ

zusammen. Mechanische

Verluste teilen sich auf in Reibungsverluste ǻ

Reib

und Verluste aus der Antriebs-

leistung für die Nebenaggregate ǻ

A,NA

. Die einzelnen Verluste treten grundsätz-

lich immer auf, sind jedoch hinsichtlich ihrer Höhe von vielen Faktoren abhängig.

Neben der Wahl des Brennverfahrens spielen sowohl konstruktive Besonderheiten

(Triebwerk, Nebenaggregate, Ventilsteuerung, Zylinderkopf etc.) als auch der

54 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Motorbetriebspunkt eine beträchtliche Rolle, sodass die Einzelverluste unter-

schiedliche Größenordnungen annehmen können. Infolge der gegenseitigen Beein-

flussung der Verluste ist neben der Art der Berechnung auch deren Reihenfolge

von Bedeutung. Eine getrennte messtechnische Erfassung der Einzelverluste ohne

eine Rückwirkung auf den motorischen Prozess und andere Verluste ist generell

nicht möglich.

2.3.1 Art und Entstehung der Einzelverluste

Verlust durch reale Ladung

ǻȘ

Der Einfluss auf den Wirkungsgrad durch reale Ladung ist ausschließlich auf

geänderte Stoffeigenschaften der Zylinderladung zurückzuführen. Er kann positiv

oder negativ sein und ist in der Regel von geringer Bedeutung. Die Ursache sind

bnderungen von Masse und Zustand des Arbeitsgases infolge von Drosselverlus-

ten im Einlass (Strömungsverluste, Verluste durch Ladungsbewegung, Quantitäts-

regelung), Erwärmung und Abgasrückführung [PIS02]. Auswirkungen hat die

reale Ladung nur auf den Hochdruckprozess, in dem die Kompressionslinie im

Vergleich zum Vollkommenen Motor mit idealer Ladung bei einem geringeren

Druck beginnt und durch nicht-isentrope Verdichtung vor ES flacher und nach ES

steiler verläuft.

Die Verluste durch reale Ladung können sich jedoch auch aus einer anderen

Betrachtungsweise ergeben, indem für den Vergleichsprozess ausschließlich mit

reiner Luft als Arbeitsgas gerechnet wird. Der Unterschied im Prozess, der sich

dann aus der Verwendung der realen Ladungszusammensetzung ergibt, kenn-

zeichnet dann den Verlust durch reale Ladung. Bei dieser Art der Betrachtung sind

die entsprechenden Verluste u.U. recht groß und damit von hoher Bedeutung für

die Verlustanalyse.

Verlust durch unvollkommene Verbrennung ǻȘ

Bei der unvollkommenen Verbrennung läuft die Verbrennung nicht bis zum che-

mischen Gleichgewicht ab. Dabei kennzeichnet das chemische Gleichgewicht

einen Zustand, bei dem sich die an der Reaktion beteiligten Komponenten in Kon-

zentrationen einstellen, die sich auch nach unendlich langer Zeit nicht mehr än-

dern. Unabhängig vom Luftverhältnis entstehen somit – auch bei hohem Luftüber-

schuss – stets unvollständig verbrannte Kraftstoffanteile bzw. die Komponenten

Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H

), Kohlenwasserstoffe (HC) und Ruß (C),

deren chemische Energie dem Verlust zugeordnet wird. Zur Bestimmung dieser

Komponenten sowie der entsprechenden Konzentrationen ist eine Abgasanalyse

erforderlich.

Nach [PIS02] sind die Verluste durch unvollkommene Verbrennung bei Die-

selmotoren im Stationärbetrieb vernachlässigbar und bei Ottomotoren mit weniger

als 1% einzustufen. Sie können jedoch bei Motorbetrieb am Rande der Zündgren-

zen zu spürbaren Wirkungsgradeinbußen führen.