VKM 2 Kapitel 12: Ladungswechsel

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Author:
toebber
ID:
278085
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VKM 2 Kapitel 12: Ladungswechsel
Updated:
2014-07-08 05:30:27
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VKM
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VKM 2 Kapitel 12: Ladungswechsel
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  1. Kennzeichnen und erläutern sie die Ladungswechselverlustanteile im p-V-Diagramm.
    • Verluste setzen sich zusammen aus:
    • Verluste durch Ausschiebearbeit (Ausschieben des Abgases gegen Überdruck)
    • Expansionsverluste (Öffnen des Auslasses vor UT)
    • Verlustdurch Ansaugarbeit (Ansaugen der Frischladung gegen Unterdruck)
  2. Was sind die Einflussgrößen auf den Liefergrad?
    Drosselung, Erwärmung, atmosphärische Höhe, Spülverluste
  3. Skizzieren sie den Verlauf des Öffnungsquerschnitts (Ein- und Auslass) über dem Kurbelwinkel. Kennzeichnen sie die signifikanten Punkte, Kurvencharakteristika und Bereiche. Wie verändern diese Größen die Charakteristika des Motors?
    Beeinflussen P,M,Abgas, Verbrauch, Laufruhe, Emissionen

    • ES: Einfluss auf Volllast-Drehmomentcharakteristik (früh: hohes Drehmoment unterer Bereich)
    • : Einfluss auf Ausschiebearbeit und Expansionsarbeit
    • Ventilüberschneidung: Spülverluste, aber höhere Leistung durch größere Füllung
  4. Welche Vor- und Nachteile bringt ein später EÖ-Zeitpunkt mit sich?
    Erzeugung von Unterdruck im Brennraum, dadurch hoher Differenzdruck, welcher nur kurze Öffnungsdauer erfordert, Steuerung des Restgases durch AS-Zeitpunkt

    • Vorteile: Strömungsgeschwindigkeit, Ladungsbewegung, Gemischaufbereitung, Erhöhung der Ladungstemperatur
    • Nachteile: schnelle Ventilsteuerung erforderlich, hohe Ladungswechselverluste
  5. Skizzieren sie die Flammenausbreitung bei einem typischen 2-Ventil bzw. einem typischen 4-Ventil Motor. Wo liegen die Unterschiede? Wie wirkt sich dies auf den Zündzeitpunkt und die motorische Verbrennung aus?
    • 4-Ventiler: Zentrale Zündkerzenlage, Flamme breitet sich in alle Richtungen gleichmäßig aus, deshalb geringe Gefahr des Klopfen (kurze Flammenwege)
    • 2-Ventiler: Dezentrale Zündkerze, Flammenwege sind unterschiedlich lang, Gefahr des Klopfen/Glühzündung durch Entzündung am heißen Auslassventil
    • 4-Ventiler kann höher verdichtet werden bzw. ZZP weiter Richtung früh gelegt werden (geringere Klopfneigung)
  6. Skizzieren sie eine drosselklappenlose Laststeuerung im p-V-Diagramm im Vergleich zur herkömmlichen Variante. Erläutern sie die Unterschiede, insbesondere im Hinblick auf eine Verbrauchsreduktion.
    gegenüber der Drosselregelung wird die Luft umgedrosselt angesaugt und das Einlassventil früher geschlossen (oder später geschlossen, Ladungsmasse wird wieder ausgeschnoben), sodass nur die für die Last erforderliche Ladungsmasse in den Brennraum gelangt. Die Verdrängerregelung variiert damit den für die Ansaugung wirksamen Kolbenhub. Es entstehen also weniger Verluste beim Ladungswechsel, was zu einer Verbrauchssenkung führt.
  7. Skizzieren sie die folgenden beiden Varianten für eine drosselklappenlose Laststeuerung im pV-Diagramm im Vergleich zur herkömmlichen Variante der Drosselung. Erläutern sie die Unterschiede insbesondre im Hinblick auf eine Verbrauchsreduktion. Welche Systeme sind für den DI geeignet, wlelche für den MPFI? Begründen sie.
    • Frühes ES:
    • Gegenüber der Drosselregelung wird die Luft umgedrosselt angesaugt und das Einlassventil früher geschlossen, sodass nur die für die Last erforderliche Ladungsmasse in den Brennraum gelangt. Die Verdrängerregelung variiert damit den für die Ansaugung wirksamen Kolbenhub. Es entstehen also weniger Verluste beim Ladungswechsel, was zu einer Verbrauchssenkung führt.
    • Für MPFI und DI geeignet

    • Spätes ES:
    • Das Einlassventil wird später geschlossen, sodass wieder Frischladung in den Ansaugtrakt ausgeschnoben wird und nur die für die Last erforderliche Frischladung verbleibt. Vorteil bei hohen Drehzahlen ist hier die Ausnutzung der Trägheit der Gassäule, sodass sich die Füllung des Brennraums verbessert. Spätes Es ist für MPFI nur bedingt geeignet, da hier Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Ansaugtrakt zurückgeschoben wird und sich dort anreichert (fettes Gemisch), für DI geeignet
  8. Wie werden die Einlass- und Auslass-Steuerzeiten und damit die Ventilüberschneidung bei Ottomotoren mit Phasenstellern für die folgenden Lastpunkte gewählt?
    Kaltstart
    Leerlauf
    Teillast
    Volllast, niedrige Drehzahl
    Volllast, hohe Drehzahl
    • Kaltstart: spätes Einlass öffnen -> verbessert Gemischaufbereitung durch hohen Differenzdruck beim Ansaugen, Restgassteuerung durch AS-Zeitpunkt
    • Leerlauf: spätes Einlass öffnen -> verbessert Gemischaufbereitung durch hohen Differenzdruck beim Ansaugen, Restgassteuerung durch AS-Zeitpunkt
    • Teillast: Frühes Einlass schließt (nicht benötigte Frischladung wird gar nicht angesaugt) oder spätes Einlass schließt (nicht benötigte Frischladung wird wieder in Ansaugtrakt geschoben), Ventilhubreduzierung.
    • Volllast, niedrige Drehzahl: Frühes Einlass schließt, dadurch hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen (Ladungsmasse wird nicht wieder in Ansaugung geschoben)
    • Volllast, hohe Drehzahl: spätes Einlass schließt, daher Ausnutzung der Trägheit der Gassäule zur besseren Füllung, ergibt höheres Drehmoment, Ventilüberschneidung groß zur Restgasausspüllung, Gefahr von Spülverlusten
  9. Wo liegen die Vor- und Nachteile einer vollvariablen Ventilsteuerung?
    • Vorteile: Vollastverbesserung (variables ES), Verbrauchsreduzierung (Verdrängerregelung), Gemischaufbereitung durch Ladungsbewegung (Drall durch Ventilabschaltung), Zylinderabschaltung, Reibungsreduzierung
    • Nachteile: Aufwendigere Konstruktion, Kosten
  10. Welche Möglichkeiten zur Qualitätsregelung bestehen?
    Veränderung von Lambda, Zumischen von Inertgas
  11. Welche Möglichkeiten zur Quantitätsregelung bestehen?
    • Veränderung des Gemischmassenstroms:
    • - Veränderung der Gemischdichte: Ansaugtemperatur oder Ansaugdichte
    • - Änderung des Volumenstroms (Verdrängerregelung): Ventilsteuerung (variabel)
    • - Motorgeometrie( Zylinderzahl, Kurbeltriebgeometrie)
  12. Wo liegen die Vor- und Nachteile der Mehrventiltechnik?
    • Vorteile: geringere Klopfneigung (Zentrale Zündkerzenlage), bessere Füllung, Tumble entsteht automatisch
    • Nachteile: aufwendiger, mehr Teile = höhere Reibung des Ventiltriebs, zur Erzeugung von Drahlmaßnahmen erforderlich (Ventilabschaltung)
  13. Wieso öffnen und schließen die Ventile nicht in den Totpunkten?
    • Ventieltriebbeanspruchung beim Öffnen/Schließen durch Massenträgheit der Ventile: limitiert den zeitlichen Verlauf des Öffnungsquerschnittes (Ventilbeschleunigung)
    • Massenträgheit des Gasstroms
    • Nutzung der Ventilüberschneidung zur Zylinderfüllung und Restgassteuerung
  14. Aus welchen Elementen besteht der Ventiltrieb? (Skizze) Wie lassen sich Ventiltriebe einteilen?
    • Untenliegende Nockenwelle
    • Obenliegende Nockenwelle
    • Stehende Ventile
    • Hängende Ventile
  15. Zeichnen sie die typischen Verläufe von Nockenhub, -geschwindigkeit und -beschleunigung. Wie kann abheben der Ventiltriebe voneinander zu höheren Drehzahl verschoben werden?
    • Abheben wird durch Erhöhung der Federkraft Fred oder Verringerung der trägen Masse m_red vermieden.
    • Kein Abheben wenn: x_pp < F_red/m_red
  16. Skizzieren sie den Verlauf der Nockenbeschleunigung über den Nockenwinkel für den starren Ventiltrieb bei zwei unterschiedlichen Drehzahlen. Zeichnen sie ebenso den Verlauf der reduzierten Federkraft ein. Wo wird es am ehesten zum Abheben kommen?
    Abheben tritt in der Verzögerungsphase des Hauptnockens auf, wenn die Beschleunigung die Kurve -F_red/m_red schneidet
  17. Welche Arten der internen Restgassteuerung gibt es bei der Verwendung variabler Ventieltriebe? Skizzieren sie die Prozessführung im pV-Diagramm.
    • Einlasskanalrückführung: Das Einlassventil wird früh geöffnet, dadurch werden Abgase in den Einlasstrakt ausgeschnoben, welche beim anschließenden Ansaugvorgang wieder angesaugt werden.
    • Auslasskanalrückführung: Das Auslassventil wird spät geschlossen, es werden Abgase aus dem Abgastrakt wieder angesaugt
    • Brannraumrückführung: Einschluss von Restgas im Brennraum
  18. Was versteht man unter einem Rastkurvengetriebe für eine variable Ventilsteuerung? Skizzieren sie ein Übertragungselement mit Rastkurve und erläutern sie die Funktion.
    • Zwischenschalten eines Übertragungsgliedes, dadurch kontinuierliche Verstellung des Ventilhubs und der Phase möglich, Einsatz u.a. in BMW Valvetronic
    • Raumkurve des Zwischenelements besteht aus Rastabschnitten (kein Ventilhub trotz Bewegung des Zwischenelements) und Steuerabschnitten (Ventilhub bei Bewegung)
  19. Wie ergibt sich der Ventilhub bei einem mechanischen, variablen Ventiltrieb mit Additionsgetriebe? Wieso sinkt die Reibung eines Ventiltriebs mit dem Ventilhub?
    • Steuerung erfolgt durch zwei mit gleicher Geschwindigkeit gegeläufig rotierenden Nockenwellen (Öffnungs- und Schließnockenwelle), deren Kontur sich überlagert und per Rollenpaket auf den Schlepphebel übertragen wird. Die beiden Nockenwellen lassen sich in der Phase zueinander verstellen.
    • Die Reibung des Ventiltriebs sinkt mit dem Ventilhub, da die Kraft der Ventilfeder wegproportional ist. Bei geringerem Ventilhub ist somit die Kraft, mit welcher das Ventil auf das Übertragungselement gedrückt wird geringer.
  20. Erläutern sie den Grundaufbau eines elektrohydraulischen Ventiltriebs. Welche Betriebsstrategien des Motors lässt ein elektromechanischer Ventiltrieb zu?
    • Elektrohydraulisch: Nockenwelle wirkt auf einen Arbeitskolben, durch welchen Öl in Druckraum bewegt wird. Das Öl kann aus dem Druckraum abgelassen werden und damit die Bewegung der Nockenwelle reduziert übertragen werden. Die Grenzen liegen im maximalen Ventilhub, er ist durch die Kontur der Nocken bestimmt.Vorteile: vorzeitiges Schließen des Ventils, späteres Öffnen des Ventils (kein maximaler Ventilhub möglich), variabler VentilhubNachteile: Bauaufwand, Energieverluste durch Strömungen
    • Elektromechanisch: Einmassenschwinger im Magnetfeld, lässt neben variablen Steuerzeiten auch Zylinderdeaktivierung, 8 bzw. 12 Takt Betrieb und Ventildeaktivierung zu, benötigt aber vollständigen Ventilfreigang, hohen Regelungsaufwand und hohe Leistungsaufnahme
  21. Auf welche motorischen Größen wirkt sich der Ladungswechsel aus?
    • Leistung
    • Drehmoment
    • Verbrauch
    • Abgas
    • Laufruhe
    • Verbrennungsgeschwindigkeit
  22. Wieso kann sich eine Zylinderabschaltung positiv auf den Verbrauch auswirken? Wo liegen die Nachteile der Zylinderabschaltung?
    • Zylinderabschaltung senkt den Teillastverbrauch, da die Zylinder im Bereich höherer Last und damit bei höheren Zylinderdrücken (entdrosselt) und in einem besseren Wirkungsgrad arbeiten
    • Nachteile: abgeschaltete Zylinder kühlen aus, Erhöhung des NOx-Ausstoßes durch höhere Zylinderlast, Drehungleichförmigkeit nimmt zu
  23. Wieso kann sich eine Zylinderabschaltung positiv auf den Verbrauch auswirken? Wie kann die Zylinderabschaltung praktisch umgesetzt werden? Beurteilen sie die Verfahren im Hinblick auf den Einsatz am Ottomotor.
    Zylinderabschaltung senkt den Teillastverbrauch, da die Zylinder im Bereich höherer Last und damit bei höheren Zylinderdrücken (entdrosselt) und in einem besseren Wirkungsgrad arbeiten

    • Umsetzungsmöglichkeiten:
    • Abschaltung der Einspritzung: Beim Ottomotor auf Grund von Lambda =1 -Konzept nicht möglich, da abgeschaltete Zylinder von Luft durchströmt werden und somit die Abgaswerte verändert werden (nur möglich bei getrennten Abgassträngen für arbeitende und nicht arbeitende Zylinder)
    • Mechanische Trennung des Motors: sehr aufwendig, deshalb nicht praktikabel
    • Ventilabschaltung: verhindert Gasdurchsatz durch abgeschaltete Zylinder, erfordert variablen Ventiltrieb
  24. Aufgrund welcher Mechanismen kann mit dem Hilfsmittel der variablen Ventilsteuerung eine Verbrauchsreduktion erreicht werden?
    • Verdrängerregelung statt Drosselregelung
    • Zylinderabschaltung
    • Gemischaufbereitung durch Ladungsbewegung (Drall durch Ventilabschaltung)
    • Reibungsreduzierung (Ventilhub reduzieren, Anzahl betätigte Ventile reduzieren)
  25. Wo liegen die Vor- und Nachteile der elektromechanischen Ventilsteuerung?
    • Vorteile: Variable Steuerzeiten, Reduzierung Verbrauch, höheres Volllastdrehmoment, keine Nockenwelle erforderlich, Eliminierung der Ladungswechselverluste, Zylinderabschaltung, Ventildeaktivierung, 8 bzw 12 Takt Betrieb
    • Nachteile: Vollständiger Freigang erforderlich, hoher Regelungsaufwand, hohe Leistungsaufnahme (2000W), Ventilaufsetzgeschwindigkeit kritisch, verschlechterte Gemischbildung, Applikationsaufwand, Geräuschemission, vor Motorstart Einschwingen notwendig, Ventilhub nicht variable
  26. Welche Anforderungen werden an die Steuerungsorgane des Ladungswechsels gestellt?
    Verlustarmer Ladungswechsel, günstige Herstellung, Erzeugung von Ladungsbewegung, gute Zylinderfüllung, geringer Verhauch, hohe Leistung,geringe Emissionen, gute Laufruhe, Haltbarkeit
  27. Wo liegt der Nutzen bei der Ventilhubreduktion? Wie wirkt sich das System auf den Verbrauch und die Ladungswechselverluste aus?
    • Drosselung der Ladungsmenge nicht an der Drosselklappe, sondern am Ventilspalt
    • Drosselverluste teilweise größer als an der Drosselklappe
    • Gemischaufbereitung besser durch engen Ventilspalt
    • durch Reibungsreduzierung aufgrund des geringen Ventilhubs verbessert sich der Verbrauch
  28. Aus welchen Komponenten besteht der BMW Valvetronic-Ventilhub? Wieso wirkt sich dieses System positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus und in welchen Kennfeldbereichen sind Verbesserungen zu erreichen?
    • Rastkurvengetriebe zur Reduzierung des Ventilhubs
    • Einsatz im Teillastbereich (Drosselklappenfreie Laststeuerung), Reduzierung der Reibung durch geringeren Ventilhub, höhere Ladungsturbulenz bei Teillast (enger Ventilspalt)
  29. Erläutern sie den Unterschied zwischen hängenden und stehenden Ventilen. Welche Variante wird heute vorwiegend eingesetzt? Welches sind die wesentlichen Nachteile der selten eingesetzten Variante?
    • Stehend: Ventilschaft zeigt zur Kurbelwelle, Antrieb durch unterliegende Nockenwelle, Nachteile: Brennraumform ist ungünstig (langgezogen, nicht kompakt -> erhöhte Emissionen)
    • Hängend: Ventilschaft zeigt von Kurbelwelle weg, Antrieb durch unterliegende Nockenwelle mit Stößelstangen oder obenliegender Nockenwelle, kompakter Brennraum -> heute vorwiegend eingesetzt

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