Seit einigen Jahren zählt das Verfahren des Downsizing zu den Hauptzielen bei der Konstruktion von neuen aufgeladenen Motoren. Mit Downsizing kann der Kraftstoffverbrauch und somit die Abgasemissionen eines Fahrzeugs reduziert werden. In der heutigen Zeit werden diese Ziele immer wichtiger, da der hohe Energieverbrauch durch fossile Brennstoffe stark zur Luftverschmutzung beiträgt und immer härtere Gesetzgebungsmaßnahmen die Automobilhersteller zum handeln zwingen.
Unter Downsizing versteht man zum einen die Substitution eines Motors durch einen hubraumverkleinerten, aufgeladenen Motor und zum anderen eine Steigerung der effektiven Leistung des Motors, wenn bei gleichem Hubraum der Mitteldruck erhöht wird. Das Ziel ist es, mit den kleinvolumigen Motoren die gleichen Leistungswerte zu erreichen, wie mit leistungsgleichen Saugmotoren. Infolgedessen müssen downgesizte Motoren über weitere Bereiche mit höherer Last betrieben werden, als die Saugmotoren. Daraus folgt eine Verschiebung der am meisten durchfahrenen Betriebspunkte in Bereiche höherer Motorwirkungsgrade, was sich positiv auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch auswirkt.
Im Laufe dieser Arbeit, wird der Kraftstoffverbrauch eines Mittelklasse-Pkw, mit Antrieb durch einen Ottomotor, im ECE-Zyklus bestimmt. Der Hubraum des Motors wird von 2,8l auf 2,0l verkleinert, wobei die Motornennleistung durch Aufladung konstant gehalten wird. Nach Bestimmung des ECE-Verbrauchs des kleinen Motors, werden die Verbrauchwerte und weitere Kennzahlen der beiden Aggregate miteinander verglichen. Hierbei ist eindeutig eine Verringerung des ECE-Verbrauchs durch Downsizing zu erkennen.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen
Abkürzungen
1. Einleitung
1.1. Geschichtlicher Rückblick
1.2. Ziel der Studienarbeit
2. Hubkolbenmotoren
2.1. Kurbeltrieb
2.2. Kenngrößen
2.3. Arbeitsverfahren eines Viertaktmotors
2.4. Verbrauchskennfeld
3. Aufladung
3.1. Grundlagen und Ziel der Aufladung
3.2. Downsizing: Neue Perspektiven
3.3. Aufladeverfahren
3.3.1. Mechanische Aufladung
3.3.1.1. Der Rootslader
3.3.1.2. Der Schraubenverdichter
3.3.1.3. Der Spirallader
3.3.2. Abgasturboaufladung
3.3.2.1. Stau-Aufladung
3.3.2.2. Stoß-Aufladung
3.3.2.3. Variable Abgasturboaufladung
3.3.2.4. Elektrisch unterstützte Turbolader
3.3.2.5. Abgasturbolader mit Schieberturbine
3.3.3. Druckwellenaufladung
3.4. Ladeluftkühlung
3.5. Probleme beim aufgeladenen Ottomotor
3.5.1. Klopfende Verbrennung
3.5.2. Die Quantitätsregelung von Ottomotoren
4. Grundlagen der Antriebsdynamik
4.1. Fahrwiderstände
4.1.1. Rollwiderstand Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
4.1.2. Steigungswiderstand Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
4.1.3. Luftwiderstand Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
4.1.4. Beschleunigungswiderstand Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
4.2. Zusammenfassung
5. Bestimmung des Kraftstoffverbrauchs
5.1. Der Neue Europäische Fahrzyklus
5.2. Das Fahrzeug
5.2.1. Die Grundmaße des Pkw
5.2.2. Der Motor
5.3. Grundlagen der Berechnungen
5.3.1. Berechnung der Leistungshyperbeln und Widerstandslinien
5.3.2. Berechnung des Kraftstoffmassenstroms
5.3.3. Berechnung des Kraftstoffverbrauchs in l/100km
5.4. Ergebnisse für den 2,8l Motor
5.4.1. Ergebnisse der Leistungshyperbeln und Widerstandslinien für den 2,8l Motor
5.4.2. Die Kraftstoffmassenströme des 2,8l Motors
5.4.3. Ergebnis der Berechnung des Kraftstoffverbrauchs in l/100km
5.5. Downsizing: Ergebnisse für den 2,0l Motor
5.5.1. Ergebnisse der Leistungshyperbeln und Widerstandslinien für den 2,0l Motor
5.5.2. Die Kraftstoffmassenströme des 2,0l Motors
5.5.3. Ergebnis der Berechnung des Kraftstoffverbrauchs in l/100km
6. Zusammenfassung der Ergebnisse
7. Ausblick
8. Anhang
8.1. DIN 6262: Arten der Aufladung
8.2. Prüfanlage für den Neuen Europäischen Fahrzyklus
8.3. Abgasgrenzwerte für Europa, USA und Japan
8.4. Motorprozessprogramm: Input-Datei Dat_01
8.5. Motorprozessprogramm: Output-Datei Erg_01
8.6. Pkw in verschiedenen Verkehrssituationen
8.7. Auszüge aus dem Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaft
Fußnotenverzeichnis
Zusätzliche Literatur
Vorwort
Die vorliegende Studienarbeit entstand während meines Studiums an der Universität Siegen, am Institut für Energietechnik Kolbenmaschinen
Mein besonderer Dank gilt meinem Profeesor Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Walter Kleinschmidt für die Betreuung der Studienarbeit vor allem für die hilfreichen Tipps, Anregungen und Fachgespräche. Er stand mir stets mit seinem Fachwissen und wertvollen Anregungen zur Seite
Herrn Dipl.-Ing. Heiko Pohl von der Audi AG möchte ich für den Erfahrungsaustausch und die Bereitstellung von wichtigen Daten danken
Herrn Gerhard Bär vom Autohaus Schneider in Siegen, möchte ich meinen Dank dafür aussprechen, dass er mir bei der Informationsbeschaffung sehr hilfreich zur Seite stand
Diese Studienarbeit wurde von mir selbständig und ausschließlich mit der Unterstützung der genannten Personen und angegebenen Quellen erstellt
Siegen, den 01.09
Petra Locskai
Zusammenfassung
Die Studienarbeit beschäftigt sich mit dem Kraftstoffverbrauch eines PKW im ECE-Zyklus bei „downsizing“ des Antriebsmotors
Für einen VW Passat, mit Antrieb durch einen Ottomotor, wird der Kraftstoffverbrauch im ECE-Zyklus ermittelt. Die dazugehörigen Werte des spezifischen Kraftstoffverbrauchs werden mit Hilfe eines Motorprozessprogramms berechnet
Die Berechnungen erfolgen auf Grundlage des Neuen Europäischen Fahrzyklus. Als Erstes werden die Werte für den VW, ausgestattet mit einem 2,8l V6 Benzinmotor errechnet. Anschließend werden durch downsizing des Motors, auf ein Motorhubvolumen von 2,0l, die gleichen Berechnungen wiederholt. Zur Vereinfachung der Betrachtung wird der tatsächlich aufgeladene, kleine Motor wie ein kleiner Saugmotor, mit verringertem Verdichtungsverhältnis behandelt. Da die ECE-Betriebspunkte alle im unteren Teillastbereich liegen, kann die Aufladewirkung des Laders vernachlässigt werden
Die Ergebnisse werden im Anschluss miteinander verglichen. Dabei kann man feststellen, dass durch das Downsizing des Antriebmotors der Kraftstoffverbauch in l/100km geringer ist, als für den großen Motor
Abbildungsverzeichnis
Bild 1.1. Nicolaus August Otto [2]
Bild 1.2. Rudolf Diesel [3]
Bild 2.1 Bewegungen der Triebwerksteile [5]
Bild 2.2. Hubvolumen und Verdichtungsverhältnis [5]
Bild 2.3. Arbeit am Kolben [5]
Bild 2.4. Vier Takte eines Motors
Bild 2.5 Viertaktverfahren bei Verbrennungsmotoren [8]
Bild 2.6. Beispiel eines Verbrauchskennfeldes [9]
Bild 3.1 Potenziale und Risiken beim Downsizing von Motoren [22]
Bild 3.2 Aufladeverfahren nach DIN 6262 [10]
Bild 3.3 Prinzip der mechanischen Aufladung [5]
Bild 3.4 Der Rootslader [5]
Bild 3.5 Der Schraubenlader [5]
Bild 3.6 Der Spirallader [5]
Bild 3.7 Abgasturboaufladung [13]
Bild 3.8 Kennfeld eines Turboradialverdichters [8]
Bild 3.9 Prinzip der Stau-Aufladung [8]
Bild 3.10 Prinzip der Stoß-Aufladung [8]
Bild 3.11 Variable Turbinengeometrie [25]
Bild 3.12 Abgasturbolader mit variabler Schieberturbine [25]
Bild 3.11 Druckwellenlader [8]
Bild 4.1 Antriebsstrang eines PKW [8]
Bild 4.2 Fahrwiderstände an einem Fahrzeug [8]
Bild 4.3 rotatorische Massen für Beschleunigungswiderstand [15]
Bild 4.4 Fahrwiderstand eines PKW bei gleichförmiger Fahrt [8]
Bild 5.1 Entwicklung der NOx-Grenzwerte für Pkw [16]
Bild 5.2 Der Europäische Fahrzyklus [23]
Bild 5.3 Abmessungen 1 VW Passat [18]
Bild 5.4 Abmessungen 2 VW Passat [18]
Bild 5.5 Der V6-Motor von Audi [17]
Bild 5.6 Leistung- und Drehmoment-Vollastkurven [17]
Bild 5.7 Fahrzustands- und Motorbetriebspunkt [9]
Bild 5.8 Berechung der Stirnfläche [18]
Bild 5.9 Verbrauchskennfeld 2,8l Motor
Bild 5.10 Verbrauchskennfeld 2,0l Motor
Bild 8.1 Abgasgrenzwerte für Dieselmotoren für Pkw und Nfz in EUropa, den USA und Japan [4]
Tabellenverzeichnis
Tabelle 3.1 Drehzahlen variable Turbinengeometrie [5]
Tabelle 4.1 Rollwiderstandsbeiwerte [14]
Tabelle 4.2 Beispiele für Luftwiderstandsbeiwerte [14]
Tabelle 5.1 EU-Abgasgrenzwerte für Ottomotoren gemessen im ECE/EG-Testzyklus [4]
Tabelle 5.2 Eckdaten des NEFZ [23]
Tabelle 5.3 Fahrzeugmaße [18]
Tabelle 5.4 Technische Daten des V6-Motors [17]
Tabelle 5.5 Definition der Kenngrößen für den 2,8l Motor [17]; [18]; [24]
Tabelle 5.6 Ergebnisse Leistungshyperbeln; 2,8l Motor
Tabelle 5.7 Ergebnisse Widerstandslinien; 2,8l Motor
Tabelle 5.8 Ergebnisse für den 2,8l Motor
Tabelle 5.9 Definition der Kenngrößen für den 2,0l Motor
Tabelle 5.10 Ergebnisse Leistungshyperbeln und Widerstandslinien; 2,0l Motor
Tabelle 5.11 Ergebnisse Widerstandslinien; 2,0l Motor
Tabelle 5.12 Ergebnisse für den 2,0l Motor
Tabelle 8.1 Grenzwerte für USA-FED (49 Staaten) und Kalifornien. FTP 75-Testzyklus [14]
Tabelle 8.2 Grenzwerte Kalifornien für die "Clean Fuel Vehicle Fleet" [14]
Tabelle 8.3 Grenzwerte für Japan. Japan-Testzyklus [14]
Tabelle 8.4 Grenzwerte für Schweiz, Österreich, Schweden, Norwegen, Finnland, Mexiko, Brasilien, Australien, Kanada, Südkorea. FTP 75-Testzyklus [14]
Formelzeichen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abkürzungen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1. Einleitung
1.1. Geschichtlicher Rückblick
Die Entwicklungen im Bereich von Kraftfahrzeugen und Verbrennungsmotoren blicken auf eine mehr als 120-jährige Geschichte zurück. Schon auf den ersten Blick lassen sich am Aussehen der heutigen Fahrzeuge erkennen, welche Fortschritte in diesem Zeitraum gemacht worden sind. Bei den Motoren ist es anders, denn der Grundaufbau des Triebwerks ist noch bis heute beibehalten worden. Allein an den Dimensionen, Ausführungsarten und an vielen Details lässt sich erkennen, dass auch in der Motorenentwicklung viele Neuerungen durchgeführt worden sind. Die Grundbausteine hierfür legten zwei bedeutsame Männer: Nicolaus August Otto (1832 -1891) und Rudolf Diesel (1858 – 1913) [1].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 1.1. Nicolaus August Otto [2]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 1.2. Rudolf Diesel [3]
Die Geschichte der Aufladung reicht ebenfalls weit in die Vergangenheit zurück. Die ersten Untersuchungen und Versuche zur Aufladung von Verbrennungsmotoren liegen fast soweit zurück, wie die Entwicklung des schnelllaufenden Benzinmotors selbst. Bereits 1885 [4] hat der bekannte Gottlieb Daimler (1834-1900) [1] seine ersten Motoren aufgeladen und als Patent, unter der Nummer DRP34926 [4], angemeldet. Er wollte damals eine Drehzahl- und Füllungssteigerung erreichen. Während der Umsetzung seiner Idee sind allerdings Probleme aufgetaucht, die ihn schließlich zwangen, diese wieder zu verwerfen. Somit sind einige Jahre vergangen, bis die ersten aufgeladenen Motoren in Serie gebaut wurden. Diese waren allerdings keine Fahrzeugmotoren, sondern Flugmotoren, die zur Steigerung der Höhenleistungen dienten.
In den Jahren von 1920-1940 wurden die Strömungslader immer wieder kontinuierlich weiterentwickelt [4].
In der Automobilindustrie wurden erst knapp 40 Jahre nach dem ersten Versuch Daimlers, also im Jahre 1920, die ersten Motoren mit mechanischer Aufladung für Motorsportrennen, Sport- und Luxusfahrzeuge zur kurzzeitigen Leistungssteigerung eingesetzt [4]. Dabei wurden meist ein- oder zweistufige Rootsgebläse zur Aufladung verwendet.
Die Entwicklung der Abgasturboaufladung hatte mit dem Patent des Schweizer Ingenieurs Alfred Büchi (DRP204630), für die Aufladung eines Viertakt-Dieselmotors, im Jahre 1905 seinen Anfang [4]. Allerdings wurden erst 1925 die ersten Motoren mit Abgasturboaufladung nach Büchi gefertigt und an Kunden verkauft [4]. Zu ihnen gehörten zum einen zwei Zehnzylinder-Viertaktmotoren mit Abgasturboaufladung für Passagierschiffe und zum anderen ein Stationärdieselmotor mit Abgasturboaufladung [4]. Die Lader waren noch in beiden Fällen neben dem Motor angeordnet. Der Mitteldruck konnte bei den Schiffsmotoren um 40% auf insgesamt 11bar gesteigert werden und man erkannte, dass diese Motoren sehr überlastfähig sind und sich im Betrieb selbst regeln [4]. In diesen Jahren meldete Büchi ein weiteres Patent für eine Druckwellenaufladung an.
1960 wurden die ersten Ottomotoren mit Abgasturboaufladung auf den Markt gebracht, wie beispielsweise der des Chevrolet-Corvair [5]. Ihren Durchbruch hatten die aufgeladenen Ottomotoren hingegen erst in den vergangenen Jahren. Dazu gehören der 2,3l Kompressormotor von Daimler Chrysler im SLK und in der C-Klasse und die Motoren mit Abgasturboaufladung von den Automobilherstellern Audi, Opel und Saab [4].
1.2. Ziel der Studienarbeit
Das Ziel der Studienarbeit ist es, den Kraftstoffverbrauch eines Mittelklasse-Pkw, mit Antrieb durch einen Ottomotor, im ECE-Zyklus zu bestimmen. Des Weiteren ist festzustellen, inwieweit der ECE-Verbrauch durch Verkleinerung des Antriebsmotors, auch downsizing genannt, verringert werden kann. Dabei soll die Motornennleistung durch Aufladung des Motors konstant gehalten werden.
Zur Vereinfachung der Betrachtung wird der tatsächlich aufgeladene, kleine Motor wie ein kleiner Saugmotor, mit verringertem Verdichtungsverhältnis behandelt. Da die ECE-Betriebspunkte alle im unteren Teillastbereich liegen, kann die Aufladewirkung des Laders vernachlässigt werden.
Als erstes wird in Kapitel 2 auf die Hubkolbenmotoren im Allgemeinen eingegangen. Dabei wird erklärt, wie sie definiert sind, wie sie funktionieren und durch welche Kenngrößen sie beschrieben werden können.
In 3. Kapitel erkläre ich das Thema Aufladung. Im Rahmen meiner Ausführungen werden die Ziele der Aufladung angesprochen und erläutert, sowie die einzelnen Wege dorthin. Ein aktuelles Thema bezüglich der Aufladung ist das Downsizing von Motoren, das neue Perspektiven in der Motorenentwicklung aufzeigt. Im Weiteren werden die bekannten Aufladeverfahren vorgestellt und die drei wichtigsten werden näher erörtert. Diese sind die mechanische Aufladung, die Abgasturboaufladung und die Druckwellenaufladung. Ich gehe dabei auf ihre Funktionsweise, Vorteile und auch Nachteile ein. Im Anschluss wird die Ladeluftkühlung vorgestellt und die Probleme, die bei aufgeladenen Ottomotoren auftauchen können.
Im 4. Kapitel werden die Grundlagen der Antriebsdynamik behandelt wobei auch auf die einzelnen Fahrwiderstände näher eingegangen wird.
Das 5. Kapitel befasst sich mit den Berechnungen des Kraftstoffverbrauchs für den Mittelklasse-Pkw im ECE-Zyklus. Dabei gliedert sich das Kapitel in die Ergebnisse für den 2,8l Motor und den aufgeladenen hubraumverkleinerten 2,0l Motor. Als erstes wird der Neue Europäische Fahrzyklus, sowie das Mittelklasse-Fahrzeug und der Motor, die den Berechnungen zugrunde liegen vorgestellt. Im Anschluss folgen die Definitionen, Berechnungen und Ergebnisse des ursprünglichen Motors und des verkleinerten, aufgeladenen Motors. Die Betrachtungen werden mit Hilfe eines Motorprozessprogramms durchgeführt.
Im siebten Kapitel werden die Ergebnisse miteinander verglichen und interpretiert.
Die Arbeit wird mit einem kurzen Ausblick abgerundet und beendet
2. Hubkolbenmotoren
„Kolbenmaschinen sind Maschinen, bei denen Energie von einem Fluid (Gas oder Flüssigkeit) auf einen bewegten Verdränger (z.B. einen Kolben) oder von dem Kolben auf das Fluid übertragen wird.“ [5] Verbrennungsmotoren sind solche Kolbenmaschinen, und lassen sich in zwei grundsätzliche Gruppen einteilen: die Hubkolbenmotoren und die Rotationskolbenmotoren. Diese unterscheiden sich in der Ausbildung ihres Brennraumes bzw. in ihrer Kolbenbewegung. Hubkolbenmotoren haben eine oszillierende Kolbenbewegung und Rotationskolbenmotoren, ihrem Namen nach, eine rotierende Kolbenbewegung. Die Rotationskolbenmotoren lassen sich wiederum in zwei Arten teilen: zum einen gibt es die Drehkolbenmotoren und zum anderen die Kreiskolbenmotoren. Zu der Familie der Kreiskolbenmotoren gehört der Wankelmotor, der als einziger an Bedeutung erlangt hat und im Moment von dem Automobilhersteller Mazda in Serie produziert wird. Im Bereich der Hubkolbenmotoren sind in den letzten Jahrzehnten einige verschiedene Bauarten entstanden, die sich durch die Art ihrer Zylinderanordnung unterscheiden. Zu diesen gehören:
- der Reihenmotor (Zylinderanordnung in einer Reihe),
- der V-Motor (Anordnung der Zylinder in zwei Ebenen in V-Form),
- der Boxermotor (Zylinder liegen sich gegenüber),
- der Sternmotor (Zylinder sind sternenförmig angeordnet),
- der U-Motor (Kolben bewegen sich gleichläufig),
- der Gegenkolbenmotor (Kolben bewegen sich gegenläufig).
Von den aufgezählten Arten werden heute allerdings nur noch der Reihen-, V- und Boxermotor verwendet.
2.1. Kurbeltrieb
Der Kurbeltrieb von Kfz-Motoren, der auch einfach Triebwerk genannt wird, besteht hauptsächlich aus drei Teilen, dem Kolben, der Pleuelstange und der Kurbelwelle.
Der Kolben verrichtet im Zylinder eine oszillierende Bewegung, also er bewegt sich von oben nach unten und wieder zurück. Im Gegensatz zum Kolben führt die Kurbelwelle eine rotierende Bewegung aus. Der Kolben und die Kurbelwelle sind durch die Pleuelstange miteinander verbunden. Der obere Teil des Pleuels, der mit dem Kolben verbunden ist, führt wie dieser eine oszillierende Bewegung durch. Der untere Teil allerdings, der mit der Kurbelwelle verbunden ist, rotiert. Somit schwingt der Pleuelschaft in der Kurbelkreisebene hin und her. Die Triebwerksteile und deren Bewegungen sind im unteren Bild 2.1 dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 2.1 Bewegungen der Triebwerksteile [5]
Die Funktion des Triebwerks besteht darin, die durch die Verbrennung im Brennraum entstehende Gaskraft in die Hubbewegung des Kolbens und danach in ein Nutzdrehmoment umzuwandeln.
2.2. Kenngrößen
Kenngrößen von Verbrennungsmotoren sind charakteristische Größen und dienen als Hilfsmittel zur Verbrauchs- oder Leistungsbetrachtung, dem Vergleich und Beurteilung von verschiedenen Motoren und der Bestimmung der Grundabmessungen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 2.2. Hubvolumen und Verdichtungsverhältnis [5]
Man unterscheidet dabei zwischen Motorkenngrößen und Betriebskenngrößen. Zu den Motorkenngrößen zählen unter anderem Hub, Hubvolumen und Verdichtungsverhältnis. Zu den Betriebskenngrößen gehören beispielsweise Leistung, Drehmoment, Drehzahl, Mitteldruck, Liefergrad und Kraftstoffverbrauch. Im Folgenden werden diese verschiedenen Kenngrößen definiert und näher erläutert (Bild 2.2).
Eines der wichtigsten Kennwerte für Verbrennungsmotoren ist das Hubvolumen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Es ist für einen Motorzylinder der Raum, den der Kolben bei einem Kolbenhub vom unteren Totpunkt (uT) bis zum oberen Totpunkt (oT) durchläuft. Der untere Totpunkt ist dadurch charakterisiert, dass dort das Zylindervolumen maximal ist (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten). Im Gegenzug erreicht das Zylindervolumen beim oberen Totpunkt seinen geringsten Wert, nämlich Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und wird dort auch als Kompressionsvolumen oder Totvolumen bezeichnet. Das Hubvolumen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten für einen Zylinder ist wie folgt definiert:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.1)
Das Gesamthubvolumen eines Motors ist somit das Hubvolumen multipliziert mit der Anzahl der Zylinder:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.2)
Um das Arbeitsvolumen in Abhängigkeit des Kurbelwinkels bestimmen zu können, gehen wir von der folgenden Gleichung aus:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.3)
Gleichung 2.3 gibt das Verhältnis zwischen Kolbenweg vom oT Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten und dem Kolbenhub Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten an. Eine wichtige Größe in dieser Gleichung ist das Schubstangenverhältnis Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten). Dieses ist deutlich kleiner ist als eins und liegt bei Pkw-Motoren zwischen 0,2 bis 0,35 [5]. Die Berechnungen mit der oben verwendeten Gleichung 2.3 sind anhand der Wurzelfunktion etwas schwierig. Deshalb ist es sinnvoll diese durch eine Näherungsformel zu vereinfachen. Damit ergibt sich die folgende vereinfachte Gleichung 2.4:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.4)
Für das Arbeitsraumvolumen in Abhängigkeit von dem Kurbelwinkel Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ergibt sich somit:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.5)
Zwei weitere entscheidende Kenngrößen für einen Motor sind zum einen das Verdichtungsverhältnis Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, das aus dem Quotienten von maximalem und minimalem Zylindervolumen gebildet wird
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.6)
und die Drehzahl Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, die die Anzahl der Umdrehungen pro Zeiteinheit angibt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2.7)
Wichtige Kenngrößen, vor allem auch bei der Aufladung, sind Arbeit und Leistung. „Bei allen Verbrennungskraftmaschinen entsteht Arbeit und Leistung durch Wandlung der im Kraftstoff gespeicherten Energie in Wärmeenergie durch Verbrennung bzw. Oxidation sowie nachfolgende Umwandlung der Wärmeenergie in mechanische Energie.“ [4] Der Sauerstoff, der zur Verbrennung nötig ist, wird aus der Luft entnommen, das sich im Arbeitsraum befindet. Daraus kann man schließen, dass die Arbeit einer Verbrennungskraftmaschine von der Luftmenge im Zylinder abhängt.
Man unterscheidet induzierte (innere) und effektive Werte. Die Arbeitsbilanz ohne Reibung stellen die effektiven Werte dar und die inneren Werte charakterisieren die Arbeitsbilanz mit Reibung.
Die physikalische Definition der Arbeit lautet:
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] (2.8)
Bild 2.3. Arbeit am Kolben [5]
Aus diesem Zusammenhang lässt sich die Kolbenarbeit bestimmen, die bei einer differentiellen Verschiebung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenam Kolben verrichtet wird (siehe Bild 2.3).
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](2.9)
Die Kraft Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ist die Kraft, die der Druck Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten auf die Kolbenfläche Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ausübt Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten. Diese Fläche berechnet sich durch die allgemeine Flächenformel für einen Kreis, also:
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](2.10)
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](2.11)
Gleichung 2.11 lässt sich nach dem Druck umformen und man erhält den inneren Mitteldruck:
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](2.12) [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](2.13)
Aus der allgemeinen Definition für die Leistung ergibt sich die Formel für die induzierte Leistung eines Zylinders.
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](2.14)
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](2.15)
Setzt man nun Gleichung 2.12 in die Gleichung 2.14 ein, so erhält man für die innere Leistung:
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](2.16)
Die effektive Leistung an einem Betriebspunkt eines Motors ergibt sich nicht nur aus der Differenz zwischen induzierter Leistung und Reibleistung, sondern sie errechnet sich auch aus dem Drehmoment und der Drehzahl:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
2.3. Arbeitsverfahren eines Viertaktmotors
„Das Arbeitsverfahren ist der Vorgang, nach dem sich im Motor die Umwandlung der im Kraftstoff zurückgeführten Energie in mechanische Arbeit vollzieht.“ [7] Man unterscheidet zwei Arbeitsverfahren, das Zweitakt- und das Viertaktprinzip. Ottomotoren, als auch Dieselmotoren arbeiten heutzutage nach beiden Verfahren. In diesem Kapitel wird ausschließlich das Viertaktverfahren behandelt, weil dieses die wesentliche Grundlage für weitere Ausführungen bildet.
Der Viertaktmotor führt, wie der Name schon sagt, während seines Arbeitsspiels 4 Takte aus. Diese setzen sich, wie aus dem unteren Bild 2.4 ersichtlich ist, aus dem Ansaugen, dem Verdichten, dem Arbeiten und dem Ausschieben zusammen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 2.4. Vier Takte eines Motors
Im Folgenden werden die einzelnen Takte näher erläutert. Sie sind außerdem bildlich in Bild 2.5 mit dem entsprechenden Druck- und Temperaturverlauf dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 2.5 Viertaktverfahren bei Verbrennungsmotoren [8]
Im ersten Takt, dem Ansaugen, ist das Einlassventil geöffnet und das Auslassventil geschlossen. Der Kolben bewegt sich im Kolbengehäuse von oT nach unten zu uT, in Richtung der Kurbelwelle. Durch diese Bewegung vergrößert sich der Verbrennungsraum über dem Kolben und es entsteht ein Unterdruck, mit dessen Hilfe ein Luft-Kraftstoffgemisch angesaugt wird. Zum Ende des Taktes ist der Verbrennungsraum vollständig mit dem Gemisch gefüllt. Während des Vorganges sinkt die mittlere Gastemperatur ab.
Im zweiten Takt, dem Verdichten, schließt sich nun das Einlassventil und somit sind beide Ventile geschlossen. Der Kolben bewegt sich zurück nach oben, wobei das Luft-Kraftstoffgemisch stark verdichtet wird. Durch diese Aufwärtsbewegung steigen der Druck und die Temperatur an.
Im dritten Takt, dem Arbeitstakt wird kurz vor Erreichen des oT das Gemisch durch einen Funken an der Zündkerze gezündet, dies nennt man auch den Zündzeitpunkt. Durch die Zündung steigen Temperatur und Druck im Verbrennungsraum nochmals sprunghaft an, wobei erst die Temperatur erhöht wird und dann der Druck ansteigt. Durch den hohen Druck wird der Kolben wieder nach unten in Richtung der Kurbelwelle gepresst. Die Ventile sind auch bei diesem Takt geschlossen. Nach der Verbrennung dehnt sich das Gas im Brennraum aus und es wird Arbeit auf den Kolben übertragen. Dies ist der einzige der vier Takte, bei dem Arbeit auf den Kolben übertragen wird, in den anderen drei Takten muss der Kolben Arbeit am Gas leisten.
Im vierten Takt, dem Ausschieben, ist das Auslassventil geöffnet und das Einlassventil geschlossen. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens werden die Verbrennungsgase aus dem Verbrennungsraum geschoben. Der Druck und die Temperatur sinken wieder ab.
Insgesamt hat sich die Kurbelwelle nach den 4 Takten 2-mal gedreht.
2.4. Verbrauchskennfeld
Das Kennfeld (Bild 2.6) eines Verbrennungsmotors dient zur Darstellung von bestimmten Motoreigenschaften in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt. Der Betriebspunkt eines Verbrennungsmotors wird durch die beiden Kenngrößen Drehzahl und Drehmoment bestimmt. „Die Gesamtheit aller Betriebspunkte spannt in einer zweidimensionalen Darstellung das so genannte Motorkennfeld auf. In diesem Kennfeld wird der Betriebsbereich des Verbrennungsmotors durch die Volllastkurve sowie die minimale und maximale Drehzahl begrenzt.“ [5]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 2.6. Beispiel eines Verbrauchskennfeldes [9]
Die in einem Betriebspunkt vom Motor abgegebene Leistung berechnet sich aus der schon bekannten Gleichung 2.17:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Im Kennfeld werden die Betriebspunkte mit konstanter Leistung durch Linien miteinander verbunden, den so genannten Leistungshyperbeln.
Typisch für Kennfelder sind die Isolinien. Diese Linien verbinden viele einzelne Punkte mit gleicher Ausprägung der jeweiligen Motoreigenschaft. Im Bezug auf Verbrauchskennfelder werden diese Isolinien auch Muschelkurven oder Muschellinien genannt, und verbinden alle Punkte mit dem gleichen konstanten spezifischen Kraftstoffverbrauch. Im Bereich hoher Last und kleinen Drehzahlen erhält man den kleinsten spezifischen Kraftstoffverbrauch. In einem größeren Bereich um dieses Verbrauchsminimum, steigt der spezifische Kraftstoffverbrauch nur gering an. Betrachtet man allerdings den Bereich niedriger Last erhöht sich der spezifische Kraftstoffverbrauch erheblich mehr. Hierfür gibt es verschiedene Ursachen: zum einen steigen die Drosselverluste beim Ottomotor an, zum anderen erhöht sich die Reibung im Verhältnis zum abgegebenen Nutzmoment stärker. Diese genannten Punkte führen dazu, dass der Kraftstoffverbrauch bei ansteigender Drehzahl und konstanter Last zunimmt. Je näher man der Volllastkurve kommt, entstehen wiederum neue Probleme. Der Motor neigt dann zur klopfenden Verbrennung, dass heißt bei der Verbrennung treten Flammgeschwindigkeiten im Bereich der Schallgeschwindigkeit auf. Gegen die klopfende Verbrennung gibt es Maßnahmen, auf die erst im 3. Kapitel Bezug genommen wird. Eine weitere Schwierigkeit bringt die Abgastemperatur mit sich. Diese darf eine gewisse Grenztemperatur nicht überschreiten, um der Katalysatoralterung vorzubeugen. Diese Faktoren führen somit zu einem erhöhten Verbrauchsanstieg.
„Das Verbrauchskennfeld eines Motors kann bei Kenntnis der wesentlichen fahrzeugspezifischen Daten wie Fahrwiderstände und Übersetzungen auch zur Berechnung des Kraftstoffverbrauchs des Fahrzeugs verwendet werden.“ [5] Auf diese Möglichkeiten und Rechnungen wird in Kapitel 5 eingegangen.
3. Aufladung
3.1. Grundlagen und Ziel der Aufladung
Nach DIN 6262 versteht man unter Aufladung die „[…] Vergrößerung der Ladungsmenge durch Vorverdichten der gesamten oder eines Teils der Ladung […]“.[11] Auf diese Weise kann mehr Brennstoff in den Zylinder zugeführt werden und ein größerer Mitteldruck erreicht werden.
Das Ziel der Aufladung ist es, das Arbeitsmedium mit einem geeigneten System vor dem Einströmen in den Zylinder, vorzuverdichten. Durch den Prozess der Anhebung der Ladungsdichte kommt es zu einer Temperaturerhöhung. Diese sollte jedoch nicht zu hoch sein, da sich dies nachteilig auf das Temperaturprofil des Arbeitsprozesses auswirken kann. Die Dichteerhöhung des Arbeitsmediums bringt natürlich auch einige Vorteile mit sich, wie zum Beispiel die Verbesserung des Brennverlaufs, niedrigere Abgasemission, niedrigere Geräuschemission und natürlich die Steigerung der Leistungsdichte.
Die Leistungssteigerung gehört zu den wichtigsten Zielen der Aufladung. Die Zusammenhänge der einzelnen Kenngrößen, die auf die Leistungssteigerung einwirken, lassen sich durch die Bestimmungsgleichung für die effektive Motorleistung Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten erläutern:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3.1)
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](3.2)
Will man eine Erhöhung der Nennleistung erreichen, so lässt sich das anhand dieser übrig gebliebenen Variablen bestimmen.
Da der Ottomotor einen relativ kleinen Zündbereich hat, liegt das Luftverhältnis Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten praktisch fest. Der LiefergradAbbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, das ein Maß für die verbleibende Frischluft nach Abschluss des Ladungswechsels im Zylinder ist, bietet für diesbezüglich optimierte Motoren keine nennenswerten Möglichkeiten mehr. Betrachtet man die Motordrehzahl, so muss man bedenken, dass bei einer Leistungssteigerung über Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten die Massenkräfte und demzufolge auch die Belastung der Triebwerke mit Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten ansteigen. Versucht man die Leistungssteigerung mit der Erhöhung des effektiven Wirkungsgrads zu erreichen, so muss man es in dessen beiden Komponenten aufspalten. Dabei geht man von der schon bekannten Gleichung 2.21 aus
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Nun erkennt man, dass der effektive Wirkungsgrad Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten einmal durch die Steigerung des inneren Wirkungsgrades Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten, zum anderen des mechanischen Wirkungsgrades Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten erhöht werden kann.
Bei einer Leistungssteigerung über die Luftdichte müssen weitere Größen in die Betrachtung mit einfließen, denn diese hängt vom Ladedruck und von der Ladetemperatur ab.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3.3)
Da die Temperatur Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten im Normalfall nicht unter die Umgebungstemperatur abgesenkt werden kann, „[…] versteht sich die Aufladung in erster Linie als eine Anhebung des Drucks vor Einlass über den Atmosphärendruck auf den so genannten Ladedruck Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten.“ [11] Das dazu benötigte Aggregat wird Lader genannt. Mit der Erhöhung der Luftdichte wird somit die Leistung des Motors erheblich gesteigert.
3.2. Downsizing: Neue Perspektiven
Seit einigen Jahren zählt das Verfahren des Downsizings zu den Zielen bei der Konstruktion von neuen aufgeladenen Motoren. Unter Downsizing versteht man zum einen die Substitution eines Motors durch einen hubraumverkleinerten, aufgeladenen Motor und zum anderen eine Steigerung der effektiven Leistung des Motors, wenn bei gleichem Hubraum der Mitteldruck erhöht wird.
Das Ziel ist es mit den kleinvolumigen Motoren die gleiche Leistungswerte zu erreichen, wie mit leistungsgleichen Saugmotoren. Infolgedessen müssen downgesizte Motoren über weitere Bereiche mit höherer Last betrieben werden, als die Saugmotoren. Daraus folgt eine Verschiebung der am meisten durchfahrenen Betriebspunkte in Bereiche höherer Motorwirkungsgrade, was sich positiv auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch auswirkt.
Laut dem Herausgeber der Zeitschriften MTZ und ATZ, Richard van Basshuysen, kann in den nächsten Jahren eine erhebliche Verbrauchseinsparung beim Ottomotor erreicht werden. Er spricht dabei von Verbrauchseinsparungen von 15 bis 22 Prozent beim Downsizing [19]. Eine effektivere Lösung ergibt sich, wenn Downsizing-Maßnahmen mit einer Verringerung der Zylinderzahl kombiniert werden. Beim Downsizing durch Hochaufladung, über einen Mitteldruck von 25bar, und Verringerung des Hubvolumens, durch eine Reduzierung der Zylinderzahl, kann eine sogar eine Verbrauchseinsparung von 20 bis 25% erreicht werden [19].
Beim Downsizing muss der Motor so ausgelegt werden, dass er in dem Bereich vom Kunden „[…] genutzten Lastkollektivs […]“ [5] mit hoher Last betrieben wird. Die Maximalleistung des Motors ist damit geringer und wird dadurch von den Kunden nur schwer akzeptiert. Allerdings wissen nur die wenigsten, dass die Leistungsreserven bei großen Motoren äußerst selten genutzt werden.
Trotz der geringeren Akzeptanz bei der Käuferschicht, werden immer neue aufgeladene Motoren mit verkleinertem Hubvolumen konstruiert und gebaut. Die Firma Fiat-GM Powertrain zum Beispiel produziert derzeit Ottomotoren, wo Downsizing-Konzepte mit Turboaufladung zum Einsatz kommen [20]. Diese 2,0l Motoren werden in unterschiedliche Marken wie Opel, Fiat, Saab, Alfa oder Chevrolet eingebaut [20].
Downsizing hat verschiedene Vorteile, aber es beinhaltet auch einige Risiken für die Motorenbauer. Diese sind im Bild: 3.1 zusammengefasst. Vorteilhaft sind die geringeren Werte im Kraftstoffverbrauch, beim Motorgewicht und bei der Schadstoffemission. Weiterhin benötigt man für den Motor mit kleinerem Hubraum einen geringeren Bauraum und die Reibungsverluste fallen kleiner aus.
Aber auch das Downsizing birgt einige Risiken und Nachteile. Zu ihnen gehören das Ansprechverhalten, die geringere Lebensdauer des Motors, die Komplexität bzw. Regelung und die lautere Akustik im Vergleich zu leistungsgleichen Saugmotoren, da sie bei größeren Lasten betrieben werden. Ebenso kritisch ist die schon diskutierte Akzeptanz bei Kunden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 3.1 Potenziale und Risiken beim Downsizing von Motoren [22]
Eine Grundlage für Downsizing-Konzepte bietet das Zusammenspiel von Benzin-Direkteinspritzung und Turboaufladung. Verschiedene Firmen nutzen erfolgreich die Vorteile der Benzin-Direkteinspritzung. Beim 24-Stunden-Rennen von Le Mans siegte Audi in den Jahren 2001, 2002 und 2004, Bosch in 2001 und 2004 und Bentley im Jahre 2003 mit Motoren mit Direkteinspritzung [21]. Benzin-Direkteinspritzung wird gleichermaßen in Serienfahrzeuge, zum Beispiel von Audi und Volkswagen, eingebaut.
Das Hauptaugenmerk und der größte Vorteil der kleinvolumigen Motoren, ist die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemissionen. In wieweit das Möglich ist zeigen die späteren Berechnungen des 5. Kapitels
3.3. Aufladeverfahren
Um die genannten Ziele der Aufladung zu erreichen, gibt es für Motoren verschiedene Arten der Aufladung, die in der DIN 6262 (siehe Anhang 7.1) definiert und beschrieben sind.
Die Aufladung lässt sich in zwei Hauptgruppen unterteilen: die Fremdaufladung und die Selbstaufladung. Diese beiden unterscheiden sich in der Hinsicht, dass bei der Fremdaufladung die Leistung von einer auswärtigen Energiequelle erzeugt wird (Bsp. Elektromotor), während bei der Selbstaufladung der Verbrennungsmotor selbst die Leistung aufbringen muss.
Die meisten Verfahren gehören zur Selbstaufladung, die sich unterteilen lässt in Verfahren mit Verdichter und ohne Verdichter. Zu den Verfahren mit Verdichter gehören die mechanische Aufladung und die Abgasturboaufladung, wobei es aber auch Aufladeverfahren gibt, wo diese beiden kombiniert sind. Bei der mechanischen Aufladung wird das Abgas nicht genutzt und die Leistung wird mechanisch von der Welle des Verbrennungsmotors erzeugt. Die Abgasturboaufladung funktioniert mit Abgasnutzung, indem die Turbine, die die Leistung zur Aufladung aufbringen soll, durch die Abgase des Verbrennungsmotors angetrieben wird. Zu diesen Verfahren gehören die Stau- und die Stoßaufladung (Pulseconverter-Aufladung). Bei der Kombination der mechanischen Aufladung mit der Abgasturboaufladung gibt es drei Möglichkeiten Diese unterscheiden sich in ihrer Art der Verbauung zwischen mechanischem Verdichter und dem Verdichter des Abgasturboladers. Zu diesen drei Arten zählen: die Serienaufladung, die Parallelaufladung und die Verbundaufladung. Bei der Serienaufladung sind den Verdichtern der Abgasturbolader mechanische Lader vor- oder nachgeschaltet. Die Parallelaufladung charakterisiert sich dadurch, dass die jeweiligen Komponenten parallel arbeiten. Als letztes bleibt die Verbundaufladung zu erwähnen. Hierbei handelt es sich um eine Abgasturboaufladung, wobei allerdings eine mechanische Verbindung zwischen der Kurbelwelle und der Verdichterwelle des Abgasturboaufladers besteht.
Die bisher beschriebenen Verfahren gehören zu den Aufladeverfahren der Selbstaufladung mit Verdichter, aber es sind auch welche ohne Verdichter möglich.
Hierbei muss die Resonanzaufladung genannt werden, bei der die Ladung mit Hilfe einer Druckwelle in der Ansaugleitung vorverdichtet wird. Diese Art der Aufladung funktioniert ohne Abgasnutzung und lässt sich zur Schwingsaugrohraufladung und auch zur Differenzsaugrohraufladung verfeinern.
Ebenfalls ohne Verdichter, aber mit Abgasnutzung funktioniert die Druckwellenaufladung, bei der die Abgasleitung und die Ansaugleitung durch einen Drucktauscher miteinander verbunden sind. Dabei werden Druckwellen des Abgases ausgenutzt, die dann auf die Frischladung übertragen werden. Als letztes bleibt die kombinierte Fremd- und Abgasturboaufladung zu erwähnen. Hierbei werden den Verdichtern der Abgasturbolader Verdichter vor- bzw. nachgeschaltet, die fremd angetrieben werden.
Die gerade erwähnten Aufladeverfahren und deren Zusammenhänge sind im Bild 3.1 nochmals aufgelistet und bildlich dargestellt. Einige der heute wichtigsten Aufladeverfahren sind in den nachfolgenden Kapiteln näher erläutert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 3 . 2 Aufladeverfahren nach DIN 6262 [10]
3.3.1. Mechanische Aufladung
Bei der mechanischen Aufladung (Bild 3.3) wird der Verdichter mechanisch vom Motor angetrieben. Der Motor muss dabei die Verdichterarbeit aufbringen. Dabei hat dessen Drehzahl und die Drehzahl des Laders ein festes bzw. über ein Getriebe festgelegtes Übersetzungsverhältnis.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 3.3 Prinzip der mechanischen Aufladung [5]
Die mechanische Aufladung wird hauptsächlich bei kleinen Fahrzeugmotoren eingesetzt, beim Ottomotor in einem Bereich von bis zu 3 – 4l Hubraum. Diese Art von Aufladung ist in vieler Hinsicht sehr vorteilhaft [5]. Zum einen ist es nicht notwendig in das Abgassystem des Motors einzugreifen und zum anderen werden relativ einfache Aufladegeräte verwendet. Allerdings muss man anmerken, dass durch die Tatsache, dass die Verdichterleistung von der Nutzleistung des Motors abgenommen werden muss, sich der Kraftstoffverbrauch erhöhen kann.
Es gibt heutzutage verschiedene Verdichter. Zu ihnen gehören zum Beispiel der Rootslader, der Schraubenverdichter, der Spirallader, die zu der Gruppe der Verdrängerlader gehören. Ansonsten gibt es noch die Gruppe der Strömungslader. Die Bauform der Strömungslader unterscheidet sich von der des Turboladerverdichters nicht. Es wird nur anstelle der Turbine ein mechanischer Antrieb oder ein Elektromotor verwendet.
Im Folgenden soll auf die aufgezählten Bauformen der Verdrängerlader näher eingegangen werden.
3.3.1.1. Der Rootslader
Der Rootslader (Bild 3.4) ist der bekannteste und meist verwendete mechanische Lader. Er besteht aus einem „[…]außenachsigen Zweiwellengebläse mit einem zwei- oder auch dreiflügeligem Drehkolbenpaar […] [4]. Dieses Drehkolbenpaar dreht sich gegeneinander und bewegt sich gegenüber dem Gehäuse und einander gegenüber berührungslos. Die synchronisierende Drehung der beiden Kolben wird durch ein Zahnradpaar koordiniert.
Der Rootslader weist viele Vorteile auf. Zu ihnen gehören die relativ niedrigen Herstellungskosten, die durch die einfache Bauart zustande kommen. Des Weiteren hat es eine hohe Lebensdauer mit konstant bleibenden Wirkungsgraden, ein kleines Bauvolumen und hohe Laderdrehzahlen. Da diese Art von Lader hauptsächlich für Ottomotoren eingesetzt wird, entstehen bei diesen keine Probleme mit heißen Abgasen und es entsteht das berüchtigte Turboloch nicht, da er direkt vom Motor angetrieben wird. Unter einem Turboloch versteht man einen kurzzeitigen Luftmangel durch Förderverzögerung des Laders bedingt durch die Massenträgheit des Laufzeuges [12].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 3.4 Der Rootslader [5]
Der Rootslader hat nicht nur Vorteile, sondern auch Nachteile, die nicht außer Acht gelassen werden dürfen. Bei dieser Art von Lader entsteht praktisch keine innere Verdichtung, sondern nur eine Förderung der Luft, die allerdings auch, bedingt durch die Bauart, mit großen Schwankungen erfolgt. Dies führt zu hohen Geräuschemissionen.
3.3.1.2. Der Schraubenverdichter
Der Schraubenverdichter wurde zum ersten Mal in den dreißiger Jahren von Lysholm gebaut. „Es handelt sich dabei um einen zweiwelligen außenachsigen Drehkolbenlader mit Haupt- und Nebenrotor. Der Hauptrotor hat dabei 4, der Nebenrotor 6 Zähne. Der Hauptrotor läuft mit der 1,5 fachen Drehzahl des Nebenrotors.“ [4]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 3.5 Der Schraubenlader [5]
Zu den Vorteilen dieser Art von Lader gehören zum einen die hohe innere Verdichtung, aber auch die hohen Druckverhältnisse und die hohen Wirkungsgrade, die erreicht werden können. Im Gegensatz zum Rootslader hat der Schraubenverdichter einen gleichmäßigeren Förderverlauf. Es sind hohe Laderdrehzahlen erreichbar und dadurch braucht man kleinere Laderabmessungen.
Der Schraubenlader birgt neben seinen Vorteilen auch gewisse Risiken. Die Fertigung des Schraubenverdichters ist allein durch die verwundenen Zahnprofile sehr aufwendig. Durch die hohen Druckverhältnisse, die erreicht werden, treten Spaltverluste auf und auch die Rotorträgheitsmomente sind höher als beim Rootslader.
Die Schraubenverdichter werden beispielsweise beim Automobilhersteller Daimler Chrysler im AMG C32 verwendet und sollen in Zukunft vor allem bei modernen Hochleistungsfahrzeugen oder Boots-Ottomotoren eingesetzt werden. [4]
3.3.1.3. Der Spirallader
Der Spirallader besteht aus zwei Spiralen, die ineinander abrollen und von einem Exzenter gesteuert werden, dass „[…] zwei Spiralsegmente von inneren Einlässen in zwei außenliegende Auslässe fördern.“ [4] Dabei wird das innere Volumen verkleinert und das führt zu einer inneren Verdichtung. Der Spirallader hat ein kleines Trägheitsmoment, verursacht wenig Geräusche und ist relativ leicht im Gewicht.
Es gibt aber viele Nachteile, wie die schwierige Herstellung, die hohen Kosten bei der Herstellung und die Probleme der Leistungskonstanz. Hinzu kommt, dass eine gute Dichtung zwischen den Spiralförderelementen und dem Gehäuse, sowie beim Auslassbereich von Nöten ist.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Bild 3.6 Der Spirallader [5]
Der Spirallader wurde einige Zeit von dem Automobilhersteller Volkswagen in der Serienproduktion verwendet. Dabei war er unter dem Namen G-Lader bekannt und diente in den verschiedensten Fahrzeugtypen zur Darstellung der Top-Motorisierung. [4] Durch die aufgezählten Nachteile hat aber auch Volkswagen auf weitere Produktion verzichtet.
[...]
- Citar trabajo
- Petra Locskai (Autor), 2005, Der Kraftstoffverbrauch eines PKW im ECE-Zyklus bei "downsizing" des Antriebmotors, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/44656
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