Ausgew. Kap. Verbrennungsmotoren TU Dresden
Vorbereitung Prüfung SS 16 Ausgewählte Kapitel VMot
Vorbereitung Prüfung SS 16 Ausgewählte Kapitel VMot
Fichier Détails
| Cartes-fiches | 31 |
|---|---|
| Utilisateurs | 12 |
| Langue | Deutsch |
| Catégorie | Mécatronique |
| Niveau | Université |
| Crée / Actualisé | 09.07.2016 / 06.02.2025 |
| Lien de web |
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Nennen und erläutern Sie 3 Möglichkeit der Druckregelung bei einem Common-Rail Einspritzsystem.
Die Druckregelung erfolgt hochdruckseitig druch ein Druckregelventil ,welches den unter hohem Druck stehenden kraftstoff absteuert sowie (energetisch sinnvoller) niederdruckseitig durch eine volumenstromdrosselung am Pumpenelementeinlass. Die Hochdruckdsteuerung wird für dynamische Betriebspunktanpassungen eigesetzt.
Skizzieren Sie qualitativ den Verlauf des mittleren Tropfendurchmessers nach Sauter in Abhängigkeit vom Einspritzdruck und Spritzloch-Durchmesser.
3.3. Zeichnen Sie die p-V-Diagramme (in ein gemeinsames Diagramm) für den La-dungswechsel eines Ottomotors in der Teillast für den Fall der Lastregelung über:
a) Drosselklappe
b) variabler Einlassventilsteuerung nach Verfahren Miller
Markieren Sie in der Skizze das Öffnen und Schließen von Ein- und Auslassventil!
3.4 Skizzieren Sie schematisch einen Parallel-Hybridantrieb bestehend aus:
a)Verbrennungsmotor
b)elektrischer Maschine (Motor oder Generator)
c)Speicher
d)Klimakompressor
e)Kupplungen
f)Abtrieb (Schaltgetriebe,Hinterachsegetrieb,Rad)
3.5. Nennen und Erläutern Sie die möglichen Betriebsmodi (Frage 3.4) und geben die Stellung der Kupplungen an!
-Start Stop Betrieb: V-Mot entkoppelt, E-Mot treibt Nebenaggregate an, Getriebe entkoppelt
-rein elektrisch Fahren: V-Mot entkoppelt, Getriebe gekoppelt
-Vernrennerbetrieb: V-Mot gekoppelt, Getriebe gekoppelt, E-Mot mitgeschleppt
-Boosten: gleiche Kopplung wie bei Verbrennerbetrieb + E-Mot gibt zusätzliches Moment ab
-Segelbetrieb: V-Mot entkoppelt, E-Mot entkoppelt
-Rekuperation: V-mot entkoppelt, E-Mot gekoppelt
3.6 Zeichnen Sie für die 2-stufig geregeltes Aufladesystem für einen PKW-Dieselmotor. Benennen Sie einzelnen Bauteile/Baugruppen.
3.7 Zeichnen Sie schematisch die 2-stufige Aufladung aus Frage 3.6 in ein gemeinsames p2/p1-Volumenstrom-Diagramm das Kennfeld (Wirkungsgrad und Drehzahllinien) des Hochdruck-und Niederdruckverdichters ein. Zeichnen Sie in dasselbe Diagramm für die Motorvolllast die folgenden Betriebslinien ein: a)den Hochdruckverdichter alleine b)den Niederdruckverdíchter alleine
c)die gesamte Aufladergruppe.
2.1. Skizzieren Sie eine Sacklochdüse und bezeichnen Sie alle Bauteile bzw. konstruktiven Merkmale!
Konstruktive Merkmale: Nadel dichtet nicht die Spritzlöcher ab, sondern verschließt den Nadelsitz davor -> es verbleibt Kraftstoff im Sackloch, der die Rußemissionen verschlechtern kann. Dafür tritt der Kraftstoff gleichmäßig aus den Löchern aus.
2.2. Skizzieren Sie für die Einspritzdüse aus Frage 2.1 den Verlauf des Durchflusskoeffizienten der Einspritzdüse über dem Düsennadelhub!
Erläutern Sie anhand dieses Verlaufes und Ihrer Skizze in Frage 2.1 den Wirkmechanismus „Nadelsitzdrosselung“ und beschreiben Sie dessen Einfluss auf den Tropfendurchmesser!
Bei der Nadelsitzdrosselung wird der Sacklochdruck so verändert, das die Form der Haupteinspritzrate (Boot, Ramp, Square) erzielt wird. Dies geschieht durch Variation des Nadelhubes und damit einhergehendem Durchlaufen der Nadelsitzdrosselung. In diesem Zeitbereich wird der Durchfluss vor dem Spritzloch gedrosselt und somit der Druck vom Spritzloch nach Innen zum Nadelsitz verschoben. Je geringer der Nadelhub, desto geringer der Durchflusskoeffizient. Der Tropfendurchmesser steigt dadurch.
Zusätzliche Effekte:
Durch die Reduzierung der während der Zündverzugsphase aufbereiteten Kraftstoffmasse kann der vorgemischte Verbrennungsanteil reduziert werden. Dies führt zu einer Verringerung der Stickoxidemission und des Verbrennungsgeräusches. Die Verbrennungstemperaturen sind bei einem rampenförmigen Einspritzverlauf geringer. Durch die Einspritzdrucksteigerung am Ende der Einspritzung kann die Rußoxidation beschleunigt werden.
2.3. Zeichnen Sie für einen direkteinspritzenden PKW-Dieselmotor in Diagramme über der Abgasrückführrate für 2 verschiedene Raildrücke (z.B. 1650 bar und 2000 bar) den qualitativen Verlauf für:
a) die Brenndauer,
b) die Schwärzung!
2.4. Skizzieren Sie schematisch eine 2-stufig geregelte Abgasturboaufladung für einen 6-Zylinder-PKW-Dieselmotor (2 Abgasturbolader) mit allen erforderlichen Klappen/Ventilen. Geben Sie für die Volllastkurve die Stellung der Klappen über der Drehzahl an!
2.6. Skizzieren Sie schematisch das SCR-Harnstoff-Verfahren zur Reduzierung der NOx-Emission mit allen notwendigen Komponenten und bezeichnen Sie diese!
Der SCR–Katalysator dient der Reduzierung von Stickstoffoxiden mittels Ammoniak
(NH3) zu atomarem Stickstoff (N2) und Wasser (H2O).
Da der Einsatz von Ammoniak problematisch ist, kommt Harnstoff (CO(NH2)2)
zum Einsatz, der über eine Dosiereinheit vor dem Katalysator eingespritzt wird.
Der Harnstoff reagiert dann zunächst, ab Temperaturen über 200°C, zu NH3 und
CO2.
2.7. Skizzieren Sie schematisch ein Hybrid-Antriebssystem (Parallelhybrid) mit Schaltgetriebe, Kupplung(en) und Speicher!
2.8. Beschreiben Sie kurz 2 Möglichkeiten, um mit dem Hybridsystem aus Frage 2.7 im Stadtverkehr effektiv den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren!
2.1. Skizzieren Sie schematisch einen Verbrennungsmotor mit dem Aufladesystem „Abgasturbolader mit integriertem Elektromotor“!
2.2. Berechnen Sie anhand des Drallsatzes für die Turboladerwelle den zeitlichen Gradienten der Turboladerwinkelgeschwindigkeit dω/dt für den Fall:
a) „Abgasturbolader Standard (ohne integrierten Elektromotor)“,
b) „Abgasturbolader mit integriertem und aktiviertem Elektromotor“
unter folgenden Randbedingungen:
a) Startgeschwindigkeit: ωATL,0 = 1000 s-1
b) Ausgangsladedruck (absolut): pL,0 = 1 bar
c) polares Massenträgheitsmoment des Abgasturboladerlaufzeuges:
JATL = 2.0*10-5 kgm2
d) zusätzliches polares Massenträgheitsmoment des Elektromotors:
JEM = 3.0*10-5 kgm2
e) Summe aus Turbinen- und Verdichtermoment: MT + MV = 0,04 Nm
f) Moment des Elektromotors: MEM = 0,5 Nm
Geben Sie die erforderlichen Gleichungen an!
Geben Sie an, welches System dynamischer beschleunigt!
a) \({dω\over dt} = {Mv+Mt \over Jatl}\)
\({dω\over dt} = {Mv+Mt+Mem \over Jatl+Jem}\)
2.2. Skizzieren Sie den Aufbau einer modernen Zweikreis-Abgasrückführung für einen PKW-Dieselmotor und benennen Sie sämtliche relevanten Komponenten!
Erläutern Sie den/die Vorteil(e) dieses Konzeptes!
Vorteil: Mit einem Zweikreis-AGR-System bestehend aus Hochdruck- und Niederdruck-AGR lassen sich in jedem Motorbetriebszustand beinahe beliebige Abgasruckfuhrraten und wählbare Mengenanteile von HD- und ND-AGR einstellen → in Verbindung mit außermotorisch nach geschalteten Oxidations- und NOX-Speicherkatalysatoren kann die Emission von Stickoxiden um bis zu 90 Prozent reduziert werden!
HD- und ND-AGR zusammen für niedrige Lasten, bei hohen Lasten nur ND-AGR
2.4. Geben Sie die frei einstellbaren Parameter zur Regulierung der dieselmotorischen Verbrennung für ein Common-Rail-Einspritzsystem an!
Einspritzdruck und Druckgradient
Zeitpunkt
Anzahl der Einspritzungen (Vor-, Haupt-, und Nacheinspritzung)
Einspritzdauer
Einspritzverlauf
2.5. Geben Sie an, mit welchen Maßnahmen Sie mit dem System aus Aufgabe 2.4 die folgenden Forderungen umsetzen können: Erläutern Sie Ihre Entscheidung kurz!
a) Reduzierung des Geräusches
b) Absenkung des maximalen Zylinderdruckes
c) Absenkung der Schwärzung
d) Aufheizen des Oxidationskatalysators!
a)
Booteinspritzung oder Vor- und Haupteinspritzung, der Bootanteil und die Voreinspritzung erhöhen die Temperatur um Brennraum, senken damit den Zündverzug und verringern damit den Premixed Anteil und damit auch die Geräuschemmision
b)
→ geringere Einspritzmenge, dadurch besitzt die Verbrennung eine geringere Energie → geringerer Druck
c)
→ Nacheinspritzung führt zu nachoxidieren der Rußpartikel--> Smokezahl sinkt
d)
→ Zeitpunkt der Einspritzung nach spät, Abgas wird wärmer, wodurch KAT aufgeheizt wird
2.3. Skizzieren Sie schematisch für einen auch geschichtet betriebenen (λ > 1) 6-Zylinder-Ottomotor den Abgasstrang mit allen für die Abgasnachbehandlung notwendigen Komponenten und benennen Sie diese.
3.1. Skizzieren Sie schematisch ein Common-Rail-Einspritzsystem mit allen Komponenten, die zum Betrieb notwendig sind! (Sensoren, Aktuatoren etc.)
3.7. Skizzieren Sie schematisch die 1-stufige Registeraufladung mit 2 Abgasturboladern! Benennen Sie die notwendigen Aktuatoren! Kennzeichnen Sie den Abgas- und Frischluftstrom, wenn nur 1 Abgasturbolader in Betrieb ist!
1 ATL in Betrieb → 10, 11 geschlossen
3.1. Zeichnen Sie für einen direkteinspritzenden PKW-Dieselmotor in verschiedene Diagramme in Abhängigkeit des Verbrennungsschwerpunktes (Bereich: 6 °KW nach OT bis 20 °KW nach OT) für 3 verschiedene Raildrücke (z.B. 1000, 1200 ,1600 bar) qualitativ die folgenden Größen auf:
a) der indizierte spezifische Kraftstoffverbrauch bi
b) die Stickoxidemission NOx
c) die Schwärzung (FSN)!
3.5. Skizzieren Sie für einen aufgeladen 4 Zylinder-Ottomotor einen Zündfolgekrümmer mit Twin-Flow-Turbolader (Zwillingsstromturbine)! Erläutern Sie Wirkungsweise und Vorteile dieser Abgasführung.
Durch Leiten des Abgasstränge [1 und 4] und [2 und 3] zusammen zu der Turbine, werden negative Abgasrückflüsse beim Ladungswechsel vermieden.
Positive Effekte:
längere Gaslaufzeit--> Druckwelle der Parallelflut wird verzögert
abgesenktes Druckmaximum während der Ventilüberschneidung
positives Spülgefälle während der Überschneidung
3.7. Zur Verbesserung des Warmlaufverhaltens eines Ottomotors sollen gezielte Maßnahmen hinsichtlich des Wärmemanagements ergriffen werden.
a) Nennen Sie zwei Möglichkeiten zur Beschleunigung des Motorwarmlaufes!
b) Skizzieren Sie qualitativ die Leistungskennlinie einer Wasserpumpe!
c) Auf welches weitere Nebenaggregat hat der verbesserte (schnellere)
Warmlauf maßgeblichen Einfluss und wodurch ist dies zu begründen?
a)
elektrisch bzw. mechanisch abschaltbare Wasserpumpe
integrierter Abgaskrümmer
b) siehe Bild
c) Auf den Katalysator, da dieser für den Betrieb eine Mindesttemperatur erreichen muss (Light Off Temp. ca.250°), um die Emissionen zu konvertieren
3.6. Skizzieren Sie schematisch für einen Dieselmotor das gesamte Abgasnachbehandlungssystem bestehend aus:
a) Oxidationskatalysator,
b) Partikelfilter
c) SCR-Harnstoff-Verfahren
mit allen notwendigen Komponenten (z.B.: Sensoren)!
3.7. Woraus resultiert der Kraftstoffverbrauchsvorteil eines direkt einspritzenden Ottomotors mit Schichtladung gegenüber dem Ottomotor mit
externer Gemischbildung ( λ=1) in der Teillast?
Erläutern Sie die Effekte mit Hilfe eines p-V-Diagramms (großer Maßstab!)
und eines Diagramms be über λ!
Im Schichtladebetrieb wird gezielt ein Zündfähiges Gemisch an der Zündkerze generiert. Global auf den Brennraum gesehen bedeutet dies ein heterogenen Gemisch (Zündfähig an der Zündkerze, Luftmantel am Brennraumrand). Es wird immer mit der gleichen Luftmenge in jedem Lastpunkt gefahren und nur die Krafstoffmenge variiert (Qualitätsregelung).
Der Vorteil resultiert im wesentlichen aus der Entdrosselung bei Schichtladebetrieb und den damit gesenkten Ladungswechselverlusten. Außerdem werden die Wandwärmeverluste verringert.
3.2 Wie verhält sich der Durchsatz durch den Abgasturbolader bei Niederdruckabgasrückführung im Vergleich zur Hochdruckabgasrückführung?
Begründen Sie Ihre Angabe!
Der Durchsatz durch den ATL bei NDAGR ist im Vergleich zur HDAGR höher, da bei HDAGR die ABgasluft vor der Turbine entnommen wird und dadurch der Druck am Schaufelrad geringer ist.
3.3. Welche Auswirkung hat die Umstellung von Hochdruckabgasrückführung
auf Niederdruckabgasrückführung auf die Größe des Abgasturboladers?
Erläutern Sie anhand einer Gleichung wie sich die geänderte
Größe auf das Beschleunigungsverhalten (Änderung der Laufzeugdrehzahl)
des Abgasturboladers auswirkt!
Leistung der Turbine wird durch den höheren Druck größer
mit siehe Bild folgt:
Beschleunigung steigt
Der ATL müsste größer ausgelegt werden, da jetzt eher die Gefahr besteht, dass er eher in die Pumpgrenze aufgrund des höheren Druckverhältnisses läuft.
3.6. Skizzieren Sie einen Verbrennungsmotor (vereinfacht) mit 3 parallel
angeordneten Abgasturboladern und Schaltklappen zum wahlweisen
Zuschalten einzelner Turbolader (Registeraufladung)! Welche zusätzlichen
Einrichtungen sind im Luftpfad erforderlich, damit das System
funktioniert? Begründen Sie Ihre Antwort!
In der Darstellung fehlt noch ein ATL parallel zu den beiden anderen!
Es sind Ladelukühlerft und Wastegate bzw. Bypass Ventile erforderlich, damit die ATL´s nach Bedarf zu- oder abgeschalten werden.
3.7. Begründen Sie den Vorteil der Registeraufladung mit 3 Atls (davon 2
zuschaltbar) gegenüber dem 1 ATL-Betrieb!
Je nach Last können 1,2,oder 3 ATL genutzt werden. In Vollastbereichen wird nur ein ATL genutzt womit die Trägheit des Laufzeuges insgesammt sehr gering ist. Außerdem können die ATLs kleiner ausgelegt werden, womit das polare Massenträgheitsmoment sehr gering ist. Dadurch ist zwar die Pumpgrenze schnell erreicht, jedoch können die 2 weiteren ATLs zugeschaltet werden. Man hat quasi eine Lastoptimierte Trägheit und Massenträgheit.
