VKM 2 Kapitel 11: Motorische Verbrennung

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Author:
toebber
ID:
278073
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VKM 2 Kapitel 11: Motorische Verbrennung
Updated:
2014-07-07 05:13:28
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VKM
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VKM 2 Kapitel 11: Motorische Verbrennung
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  1. Wo liegen die Zündgrenzen (x: Lambda, y: Temperatur) bei einem reinen Benzin-Luft-Gemisch? Wie verändern sich diese unter dem Beisein von Abgas? wie ist dies zu erklären?
    • Reines Benzin-Luft-Gemisch: Zündgrenzen bei 2000K 0,5<Lambda<1,5
    • mit AGR: Zündgrenzen bei 2000K 0,9<Lambda<1,1
    • Abgas wirkt als Inertgas und reduziert die Wahrscheinlichkeit von erfolgreichen Stößen zwischen den Reaktionspartnern Kraftstoff und Sauerstoff
  2. Wie wirkt sich die Abgasrückführung beim Ottomotor und wie beim Dieselmotor aus?
    • Ottomotor:
    • Absenkung der Temperatur im Brennraum, da bei erhöhter Wärmekapazität die gleiche Wärmemenge aus dem Kraftstoffzugeführt wird

    • Dieselmotor:
    • Ladungsmasse ist annähernd konstant, es erfolgt keine Temperaturabsenkung global, lokal findet jedoch eine Temperaturabsenkung statt
  3. Was bewirkt die Abgasrückführung im Hinblick auf die Verbrennung?
    • Einschränkung der Zündgrenzen
    • Senkung der Verbrennungstemperatur (Otto)
    • dadurch Senkung des NOX-Ausstoßes
    • Verringerung der Reaktionsgeschwindigkeit (Inertgas)
  4. Wie ist der Verlauf der Reaktionsgeschwindigkeit für ein Gemisch über der Temperatur? Zeichnen sie die Kurve für Superkraftstoff und Wasserstoff.
  5. Erläutern sie den chemischen Verzug mit allen Einzelphasen.
    • Peroxydbildung: geringe Aktivierungsenergie, hohe chemische Aktivität, keine merkliche Wärmefreisetzung
    • Peroxydzerfall und Aldehydbildung
    • Aldehydzerfall: leichter Druckanstieg, blaue Flamme, Entstehung von CO
  6. Wie verhält sich der Zündverzug in Abhängigkeit von Druck und Temperatur? Skizzieren sie die entsprechenden Verläufe in ein Diagramm. Wie ist dies zu erklären?
    • Der Zündverzug nimmt mit steigender Temperatur bzw. steigendem Druck ab, da sich die Abstände der Reaktionspartner verringern und ihre Stoßenergie zunimmt.
  7. Was sind die Einflussgrößen auf den Zündverzug? Wie wirkt sich der Zündverzug auf das Klopfen aus? Welche motorischen Parameter reduzieren die Klopfneigung?
    • Einflussgrößen auf den Zündverzug:
    • Druck, Temperatur, Lambda, Restgasgehalt

    • Auswirkungen auf Klopfen:
    • je größer der Zündverzug des Kraftstoffes (Oktanzahl) desto geringer ist die Klopfneigung

    • Reduzierung der Klopfneigung:
    • Niedriges Verdichtungsverhältnis, Ansaugdruck und Temperatur niedrig, kompakter Brennraum, Doppelzündung, hohe Flammengeschwindigkeit, später ZZP, Vermeidung heißer Stellen im Brennraum
  8. Was versteht man unter einer Diffusionsflamme?
    • Dieselmotor
    • Mischung der Reaktionspartner erfolgt zum Teil erst bei der Verbrennung selbst.
    • Zusätzlich zum chemischen auch noch physikalischer Zündverzug (Kraftstoff mischt sich mit Luft, Mischung durch Diffusion)
    • Heterogenes Gemisch, Lambda örtlich verschieden, Aufhetzung der fetten Bereiche führt zu thermischem Cracker -> gelbe Flamme und Rußbildung
  9. Was bezeichnet der Ausdruck "Verbrennung mit vorgemischter Flamme"? Was ist kennzeichnend für eine derartige Verbrennung?
    • Verbrennung eines vorgemischten Luft-Kraftstoff-Gemisch
    • homogenes Gemisch
    • Lambda örtlich konstant
    • Zündgrenzen bedingt durch Lambda, Temperatur, Restgasgehalt,Druck
    • Flammenausbreitung von Stelle der Fremdenergiezufuhr
    • Verbrennungsreaktion in der Brennzone (zwischen verbranntem und unverbrammten gas)
    • blaue Flamme
  10. Skizzieren und erläutern sie das Modell der Verbrennung eines Kraftstoffströpchens.
  11. Erläutern sie die Rußentstehung am Modell der Verbrennung eines Kraftstofftröpfchens.
    Durch hohe Temperaturen und den Luftmangel entsteht eine Verkokung des Inneren des Kraftstofftröpfchens, eine Verbrennung findet nur in der Zone mit entsprechendem Lambda statt. Die kleinen entstandenen Primärpartikel agglomerieren zu größeren Teilchen, von welchen aber etwa 80% durch Nachreaktionen verbrannt werden.
  12. Erläutern sie die verschiedenen Abschnitte beim Ablauf der Rußbildung im Verlauf der Verbrennung in allen Phasen ausgehend von der Einspritzung bis zur endgültigen Partikelmenge und Partikelgrößenverteilung.
    • Ausgangssituation: Tröpfchenverteilung und -größe durch Einspritzung des Kraftstoffes
    • Verdampfung, Mischung, Slebstzündung im Bereich Lambda=1
    • Thermisches Cracker, Verkoken und Bildung von Primärpartikeln
    • Agglomeration von Primärpartikeln zu größeren Rußteilchen
    • Oxidation von etwa 80% der Rußteilchen im Brennraum
    • Schwerpunkt der Masse liegt bei größerem Partikeldurchmesser als der Schwerpunkt der Partikelanzahl
  13. Erläutern sie die Unterschiede der motorischen Verbrennung zwischen Otto- und Dieselmotor.
    • Ottomotor:
    • homogenes Gemisch, vorgemischte Flamme, globales Lambda=1, hohe Ladungswechselverluste im Teillastbereich (Drosselklappe), mit zunehmender Drehzahl nehmen Strömungsverluste ab -> Drehmoment nimmt ab, Entflammung durch Zündquelle, Verbrennungsreaktion in der Brennzone

    • Dieselmotor:
    • inhomogenes Gemisch, Diffusionsflamme, globales Lambda>1, örtlich verschieden, lokales Lambda rund um Kraftstofftropfen in Brennzone nahe 1, Ladungswechselverluste im Teillastbereich nahezu konstant, Zündverzug=chemisch+physikalisch
  14. Wie verhalten sich NOx-Emissionen und der Verbrauch in Abhängigkeit des Verbrennungsschwerpunktes? Erläutern sie bitte.
    • Der optimale Verbrennungsschwerpunkt hinsichtlich des Wirkungsgrades bzw. Verbrauchs liegt bei etwa 8° KW nach OT. Der Wirkungsgrad ist hier am besten, eine weitere Verschiebung des Schwerpunktes Richtung früh bringt trotz ansteigender Drücke und Temperaturen keine Wirkungsgradverbesserung, da hier die Wandwärmeverluste zunehmen.
    • Für die NOx-Emissionen ist eine spätere Schwerpunktlage besser, da hier die Entstehung von NOx aufgrund der niedrigeren Temperaturen und Drücke im Brennraum nicht so stark begünstigt wird. Der Verbrauch steigt aber wieder an, da der Schwerpunkt außerhalb des wirkungsgradoptimalen Bereichs liegt.
  15. Von welchen Größen hängt die Flammengeschwindigkeit ab?
    Die Flammengeschwindigkeit hängt von der Flammengeschwindigkeit im ruhenden Medium, der Geschwindigkeit der Einlassströmung und der Geschwindigkeit der Ladung durch Volumenänderung ab

    • Flammengeschwindigkeit im ruhenden Medium w_F,R=f(Lambda, T, p, Restgas)
    • Geschwindigkeit der Einlassströmung w_S,E=f(Einlassgestaltung, Brennraumgeometrie, mittlere Kolbengeschwindigkeit cM)
    • Geschwindigkeit der Ladung durch Volumenänderung w_T
  16. Wie verhält sich die mittlere Flammengeschwindigkeit beim Ottomotor in Abhängigkeit vom Kraftstoff-Luft-Verhältnis? Wie verändert die Abgasrückführung diese Kurve und wo liegt die Ursache?
    • Verläuft umgekehrt wie die Zündgrenzen, beim mageren Gemisch nimmt die Flammengeschwindigkeit durch Luft als Inertgas ab, bei (zu) fettem Gemisch nimmt die Wahrscheinlichkeit von erfolgreichen Stößen zwischen der Reaktionspartnern ab

    Durch AGR nimmt die Flammengeschwindigkeit ab, da das Abgas als Inertgas wirkt und somit die Wahrscheinlichkeit der erfolgreichen Zusammenstöße der Reaktionspartner abnimmt
  17. Was versteht man unter Drall bzw. Tumble?
    • Drall: Ladungsbewegung um die Kolbenhochachse, automatisch bei 2-Ventilern
    • Tumble: Ladungsbewegung um eine zur Kurbelwelle parallele Achse, automatisch bei 4-Ventiler
  18. Welche Möglichkeiten der Drall- bzw. Tumblegenerierung stehen zur Verfügung?
    • Drall: Kanalabschaltung, Ventildeaktivierung
    • Tumble: Gestaltung des Einlasskanals, Tumbleklappe
  19. Welche Auswirkung auf die Verbrennung haben derartige Turbulenzmaßnahmen? Skizzieren sie zur Erläuterung zwei Brennverläufe.
    Turbulenzmaßnahmen erhöhen die Flammengeschwindigkeit um etwa Faktor 10 gegenüber dem ruhenden Medium, es muss der ZZP angepasst werden, außerdem erhöht sich die AGR- und Magerlauffähigkeit des Motors
  20. Welche Korrekturmaßnahmen müssen erfolgen? Wo wird die erhöhte Gemischverwirbelung notwendig? Welche Nachteile sind damit verbunden?
    • Der Zündzeitpunkt muss aufgrund der schnelleren Verbrennung angepasst werden.
    • Die Gemischverwirbelung wird benötigt um die AGR- und Magerlauffähigkeit des Motors zu verbessern.
    • Nachteile: erhöhter Aufwand durch Maßnahmen zur Turbulenzgenerierung
  21. Bei welchem Lambdawert ist der Wirkungsgrad eines Ottomotors (homogen) optimal? Wieso ist der Wirkungsgrad bei kleineren und größeren Werten Schlechter?
    Der Ottomotor hat bei Lambda=1,05-1,1 den besten Wirkungsgrad. Bei magereren Gemischen nimmt die Flammengeschwindgkeit ab, die Brenndauer steigt, wodurch der Wirkungsgrad abnimmt. Bei fetteren Gemischen kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung (Luftmangel), auch hier sinkt der Wirkungsgrad. Durch den dabei höheren Gemischheizwert kann der Wirkungsgradverlust ausgeglichen und die höchste Leistung bei Lambda=0,8-0,9 erreicht werden.
  22. Wie ist der Verlauf des effektiven Mitteldrucks und des spezifischen Verbrauchs in Abhängigkeit vom Kraftstoff-Luft-Verhältnis? (Fischhaken-Kurve) Erläutern sie den Verlauf.
    • Der Ottomotor hat bei Lambda=1,05-1,1 den besten Wirkungsgrad. Bei magereren Gemischen nimmt die Flammengeschwindgkeit ab, die Brenndauer steigt, wodurch der Wirkungsgrad abnimmt. Bei fetteren Gemischen kommt es zu einer unvollständigen Verbrennung (Luftmangel), auch hier sinkt der Wirkungsgrad. Durch den dabei höheren Gemischheizwert kann der Wirkungsgradverlust ausgeglichen und die höchste Leistung bei Lambda=0,8-0,9 erreicht werden.
  23. Was versteht man unter Glühzündungen?
    Als Glühzündung wird die ungewollte Entzündung vor der eigentlichen Entzündung des Gemisches an heißen Teilen im Brennraum bezeichnet. Dies kann an überhitzten Zündkerzenelektroden, heißen Auslassventilen oder glühenden Brennraumablagerungen geschehen. Eine Glühzündung nach der eigentlichen Zündung wird als klopfende Glühzundung bezeichnet
  24. Welche Brennverfahren beim DI-Dieselmotor kennen sie? Erläutern sie anhand einer Skizze. Welches neue Verfahren befindet sich derzeit in der Entwicklungsphase?
  25. Wie erfolgt die Lastregelung beim Ottomotor und wie beim Dieselmotor? Erläutern sie anhand der Formel für p_me. Wie bezeichnet man jeweils die Lastregelung?
    • Otto: Quantitätsregelung, Arbeitsgasmasse bzw. Liefergrad wird angepasst
    • Diesel: Qualitätsregelung, Gemischzusammensetzung wird angepasst
  26. Welche Möglichkeiten zur Beeinflussung des Verbrennungsverlaufs bestehen beim Ottomotor, welche beim Diesel?
    • Otto: Brennraumform, Zylinderinnenströmung, Lambda, AGR/Restgas, Ladedruck
    • Diesel: Förderbeginn/Einspritzmenge, Einspritzdruck, Ladedruck, Zylinderinnenströmung, AGR/Restgas, Lambda
  27. Wie sieht der typische Brennverlauf eines DI-Dieselmotors aus? Zeichnen sie den entsprechenden Kurvenverlauf mit dem dazugehörigen Einspritzverlauf. Kennzeichnen sie die erst und die zweite Phase der Verbrennung. Erläutern sie den Verlauf in Relation zum Einspritzverlauf.
    • 1. Phase: zündfähiger Luft-Kraftstoffdampf verbrennt schlagartig
    • 2. Phase: Verdampfungs- und Verbrennungsvorgänge laufen parallel ab
  28. Was versteht man unter der Brennfunktion und dem Brennverlauf? Zeichnen sie die beiden Kurvenverläufe in ein entsprechendes Diagramm.
    • Brennfunktion q=  Angabe der bereits zugeführten Wärme

    • Brennverlauf/Heizverlauf  dq/dalpha = momentane Wärmezufuhr
  29. Vergleichen sie den Heizverlauf eines Dieselmotors mit einem Ottomotor. Wie sind die Unterschiede zu erklären?
    • Diesel: Starker Anstieg durch 1. Phase der Verbrennung (schlagartige Verbrennung des verdampften Luft-Krafttoffgemisches), 2. Phase in welcher Verdampfung und Verbrennung gleichzeitig stattfinden
    • Otto: gleichmäßige Verbrennung des homogenen Gemisches
  30. Was versteht man unter Klopfen? Welche motorischen Parameter reduzieren die Klopfneigung?
    • Klopfen = Selbstentzündung von noch umverbrannten Gemischresten
    • Reduzierung der Klopfneigung: Niedriges Verdichtungsverhältnis, Ansaugdruck und Temperatur niedrig, kompakter Brennraum, Doppelzündung, hohe Flammengeschwindigkeit, später ZZP, Vermeidung heißer Stellen im Brennraum
  31. Was sind Ursachen für zyklische Schwankungen der Verbrennung beim Ottomotor? In welchem Lambdabereich sind die zyklischen Schwankungen am größten? Welcher Motor (Otto vs. Diesel) weist die kleineren zyklischen Schwankungen auf? Wieso ist das so?
    • Ursachen: verschiedene Turbulenzen, Flammengeschwindigkeiten, unterschiedlicher Restgasanteil, örtliche Unterschiede in der Gemischzusammensetzung
    • Größte Schwankungen im mageren Bereich, da fetter Bereich höhere Flammengeschwindigkeiten aufweist und der Einfluss von Inhomogenität des Gemisches geringer ist.
    • Ottomotor weist deutlich größere zyklische Schwankungen auf, der Dieselmotor weist ein unempfindlicheres, robusteres Verbrennungsverfahren gegenüber den Schwankungen von Turbulenz und Gemischzusammensetzung auf.
  32. Wie ist der Einfluss des Zündwinkels auf den Brennraumdruckverlauf? Skizzieren sie unterschiedliche Kurvenverläufe in einem p-alpha-Diagramm.
    • Früher ZZP = hoher Brennraumspitzendruck
  33. Welche Größen beeinflussen die Flammengeschwindigkeit (bei ruhenden Medien, Ottomotor)?
    • Druck
    • Temperatur
    • Lambda
    • Restgasanteil
  34. Welche Effekte hat ein verspäteter Brennbeginn?
    Niedrigere Spitzendrücke und Spitzentemperaturen im Brennraum, dadurch geringere NOx-Emissionen, aber auch geringerer Wirkungsgrad
  35. Skizzieren sie die Flammenausbreitung bei klopfender Verbrennung beim 2-Ventiler. Zeichnen sie bitte auch die Flammenfrontlinien zu unterschiedlichen Kurbelwinkeln und kennzeichnen sie den Bereich, in dem Klopfen entsteht.
  36. Welche Verfahren sind beim Otto-DI-Motor bekannt? Skizzieren sie die Brennraumform mit Düsen- und Kerzenposition sowie ev. Einlassventile. Erläutern sie die Verfahren.
  37. Skizzieren sie den Verlauf einer klopfenden Verbrennung im Vergleich zur normalen Verbrennung.

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