VKM 2 Kapitel 13: Aufladung

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Author:
toebber
ID:
278138
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VKM 2 Kapitel 13: Aufladung
Updated:
2014-07-04 08:35:55
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VKM
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VKM 2 Kapitel 13: Aufladung
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  1. Benennen sie die Vorteile der Aufladung und erläutern sie die einzelnen Punkte.
    • Leistungssteigerung: höhere Ladungsdichte durch höheren Druck, v.a. beim Downsizing angewendet
    • Drehmomentenverlauf: hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen, dadurch Verbesserung der Fahrbarkeit, Problem "Turboloch" im Instationärbetrieb bei AT
    • Leistungsverhalten im Höhenbetrieb: Ausgleich der geringen Luftdichte durch Erhöhung des Ladedrucks
    • Abgasverhalten: Verdichtungsabsenkung (weniger HC und NOx im Teillastbereich), Erhöhung Box im Volllastbereich, schnellere Katalysatorerwärmung, Partikelemission beim Diesel besser beherrschbar
    • Geräusch: Reduzierung des Zündverzugs beim Diesel, Dämpfung der Pulsation in Ladungswechselkanälen, Downsizing reduziert die schallabstrahlende Oberfläche, evtl. Erhöhung des Geräuschs je nach Aufladung
    • Kraftstoffverbauch: Downsizing Verbessert mechanischen Wirkungsgrad (Reibung), Entdrosselung im Teillastbereich, Verdichtungsverhältnisabsenkung (Klopfgefahr) reduziert thermischen Wirkungsgrad, Gemischanfettung
  2. Wie verändert sich das Abgasverhalten beim Diesel- und Ottomotor durch die Aufladung?
    • Diesel: NOx-Ausstoß ist etwa proportional zur Leistung, Partikelemission ist besser in den Griff zu bekommen (Luftüberschuss)
    • Otto: Teillast-> Reduzierung von NOx durch geringere Gastemperatur (Verdichtungsabsenkung), günstigere Brennraumform (weniger HC), Volllast -> Erhöhung des NOx-Ausstoßes durch Leistungssteigerung, schnellere Katalysatorerwärmung
  3. Welche Verfahren der Aufladung kennen sie? Erläutern sie in jeweils zwei kurzen Sätzen die Funktionsweise der verschiedenen Systeme.
    • Schwingungsaufladung: Nutzung des Nachladeeffekts der zyklischen Unter- und Überdruckschwingungen, Saugrohrlänge abhängig von Drehzahl
    • Resonanzaufladung: Helmholzresonator (Volumen) im Ansaugtrakt
    • Impulsaufladung: Zusätzliches Ventil im Ansaugtrakt, Kolben baut bei Ansaugvorgang einen Unterdruck auf, dieser wird bei Öffnung des Zusatzventils abgebaut -> Erhöhung der kinetischen Energie des Gases
    • Mechanische Aufladung: (Schraubenverdichter, Drehkolbenverdichter, Spirallader, Hubkolbenlader) Antrieb des Laders mittels Riementrieb über Kurbelwelle, sofortiges Ansprechverhalten, aber Verlustleistung
    • Abgasturboaufladung: Nutzung der Energie des Abgases zum Antrieb einer Turbine, welche mit dem Verdichter auf der Saugseite verbunden ist, verzögertes Ansprechverhalten, Erhöhung des Abgasgegendrucks
    • Comprex-Verfahren: Gasdynamsicher Druckaustauscher, Frischgas und Abgas kommen direkt in Kontakt, Energieaustausch erfolgt in Schallgeschwindigkeit
    • Elektrische Zusatzaufladung:Elektrisch angetriebener Verdichter
  4. Wie ist der Verlauf der Drücke p2 und p3 über der Motordrehzahl in der Volllast bei einem Pkw-Ottomotr mit Abgasturboaufladung? Unterscheiden sie zwischen den Verläufen mit und ohne Wastegate. In welchem Bereich liegt ein negatives Spülgefälle vor? Erläutern sie die Verläufe.
    • p2=Ladedruck, p3=Abgasdruck
    • positives Druckgefälle:  p2>p3
    • Druckbegrenzung/Steuerdruck der Ladedruckseite durch Wastegate (bei Steuerdruck der Abgasseite würde p2 wieder abfallen), positives Spülgefälle im Bereich niedriger Drehzahlen, ohne Wastegate wäre durchweg ein positives Spülgefälle vorhanden
  5. Wie funktioniert die Schwingsaugrohr-Aufladung?
    • Unter- und Überdruckschwingungen entstehen durch zyklische Ansaugvorgänge, dadurch entsteht ein Nachladeeffekt je nach Länge des Saugrohrs (Saugrohrlänge abhängig von Drehzahl), deshalb bei umgesetzten Motoren Schaltsaugrohr (Variation der Saugrohrlänge über Klappen)
    • hohe Drehzahlen = kurzes Saugrohr
    • Saugrohrlänge auch abhängig von Zylinder- und Ventilanzahl
  6. Wie verändert die Länge des Schwingsaugrohrs die Drehmoment-Charakteristik des Motors?
    • Langes Saugrohr: hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, aber abfallendes Drehmoment bei hohen Drehzahlen
    • Kurzes Saugrohr: niedriges Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, hohes Drehmoment bei hohen Drehzahlen
  7. Wie funktioniert die mechanische Aufladung? Was sind die Vor- und Nachteile?
    • Antrieb des mechanischen Laders über Kurbelwelle (Riementrieb), Verdichtung der Ansaugluft
    • Vorteile: Verzögerungsfreies Ansprechen, einfache Aufladegeräte, steile Drehzahlkennlinie, kein abgasseitiger Eingriff notwendig, Leistungssteigerung
    • Nachteile: Verdichter-Verlustleistung, v.a. im oberen Drehzahl-/Lastbereich, Spaltverluste möglichst gering (erfordert sehr genaue, teure Herstellung), großer Bauraum, Geräuschentwicklung
  8. Wieso sind die Verdränget als mechanische Lader gut geeignet?
    Verzögerungsfreies Ansprechen, einfache Aufladegeräte, steile Drehzahlkennlinie, kein abgasseitiger Eingriff notwendig
  9. Aus welchem Grund werden Ladeluftkühler bei Ottomotoren mit mechanischer Aufladung eingesetzt? Welche Nachteile haben diese in Verbindung mit dem Dieselmotor?
    • Senkung der Ladelufttemperatur und damit Senkung der Klopfneigung
    • Bei Dieselmotoren wird durch die Senkung der Ladelufttemperatur der Zündverzug vergrößert, wodurch in der ersten Phase der Verbrennung der Druckanstieg und damit die Bauteilbelastung und Geräuschemisssion zunehmen
  10. Wie ist der Prinzipaufbau einer mechanischen Aufladung? Welche beiden mechanischen Maßnahmen helfen bei der Verbrauchsreduzierung in der Teillast?
    • Mechanischer Lader wird durch Kurbelwelle angetrieben (Riementrieb)
    • Kupplung zum Zuschalten des Laders, bei nicht benötigter Leistung wird der Lader ausgekuppelt (vor allem im Leerlauf)
    • Umluftklappe: im Kreis fördern nicht benötigter Ladeluft (Zurückfordern der Luft von Hochdruck- zu Niederdruckseite), dadurch sanftes Zuschalten der Kompressors im Betrieb möglich, Begrenzung des Ladedrucks im Teillastbereich
  11. Skizzieren sie den Zusammenhang zwischen Leistungsaufnahme und Drehzahl für Kompressoren mit dem Ladedruck von 1 und 1,7 bar abs.
  12. Durch welchen Effekt wird bei der Verlustbetrachtung ein Teil der motorischen Verluste zum Antrieb des mechanischen Laders wieder aufgehoben (kompensiert)?
    Zurückgewinnung durch den Ladungswechsel. Mechanische Ladung reduziert die Ansaugarbeit gegenüber einem Saugmotor. positives Spülgefälle
  13. Erläutern sie die Funktion des Comprex-Laders.
    • Gasdynamischer Druckaustauscher, Abgas und Frischluft stehen in direktem Kontakt
    • Abgas wird in Zellenrad (angetrieben über Riementrieb) einströmen gelassen und trifft dort auf Frischgas, Übertragung der Energie des Abgases auf die Frischluft
    • Frischluft verlässt Rotor, Abgas wird an Wand des Stators reflektiert und ausgestoßen
    • Energieaustausch erfolgt mit Schallgeschwindigkeit
  14. Was sind die Vor- und Nachteile des Comprex-Laders?
    • Vorteile: geringe Antriebsleistung erforderlich (<1% Motorleistung), trägheitslos bei Laständerungen, kurze Ansprechzeit, hohes Drehmoment auch bei niedrigen Drehzahlen, AGR in der Ladeluft
    • Nachteile: Rotorlänge nur für eine Drehzahl optimal -> Kompromisse, eingeschränkte Anbauflexibilität, Anwendung am Ottomotor problematischer (größere Drehzahlbereiche, höhere Abgastemperatur), komplexe Fertigung durch geringes Axiales Spiel zwischen Rotor und Statur, empfindlich gegen Abgasgegendruck, Geräuschentwicklung (Pfeifen)
  15. Wie funktioniert die Abgasturboaufladung?
    Abgas strömt in Turbine, wird dort entspannt, Turbine ist über Welle mit Verdichter verbunden, welcher die angesaugte Frischluft verdichtet und dem Motor zuführt
  16. Welche Vor- und Nachteile hat die Abgasturboaufladung?
    • Vorteile: Leistungssteigerung, bis zu 3 bar Ladedruck, gedämpftes Abgasgeräusch, hohe Lebensdauer, positives Spülgefälle möglich, kompakte Bauweise
    • Nachteile: Verdichtungsabsenkung (Zunahme Klopfgefahr), verzögertes Ansprechverhalten (Turboloch),Anpassung zur sinnvollen Nutzung über gesamten Drehzahlbereich notwendig (VTG, zweistufige Aufladung), Anpassung von Strömungsmaschinen (Massendurchsatz - Drehzahl überproportional) auf Hubkolbenmaschine (Massendurchsatz - Drehzahl proportional), Gemischanfettung zur Bauteilschonung bei hohen Lasten und Drehzahlen
  17. Skizzieren sie ein Verdichterkennfeld eines Turboladers und nennen/erläutern sie die Betriebsgrenzen. Zeichnen sie Wirkungsgradlinien ein und beziffern diese.
    • Drehzahlgrenze: aufgrund der Festigkeit des Laufzeugs maximal mögliche Drehzahl
    • Stopfgrenze: Luft erreicht im engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit
    • Pumpgrenze: Strömungsabriss, instabiler Bereich durch Verminderung der Fördermenge, zyklisches Fördern und Rückströmen des komprimierten Mediums
    • Motorschlucklinie: vom Motor aufgenommener Volumenstrom
    • Wirkungsgradlinien: bester Wirkungsgrad etwa in der Mitte des Kennfelds
  18. Skizzieren sie eine typische Volllastbetriebslinie (Schlucklinie).
  19. Welche motorischen Größen werden durch die Dimensionierung der Turbine beeinflusst? Gehen sie auf die einzelnen Effekte ein und erläutern sie diese.
    • Drehmomentenverlauf: kleiner Lader = hohes Moment im unteren Bereich, im oberen Bereich nachlassend durch Strömungsverluste bzw Ladedruckbegrenzung
    • Maximalleistung: Großer Lader = hohe Maximalleistung
    • Instationärverhalten: Trägheit des Laders bestimmt das Instationäerverhalten, großer Lader weist großes Turboloch auf
    • Verbrauch: Große Turbinenquerschnitte = geringe Abgasgegendrücke = niedrigere Ausschiebearbeit
  20. Was versteht man unter Stoß- bzw. Stauaufladung? Was sind die individuellen Vor- und Nachteile beider Systeme?
    • Stoßaufladung: nutzt kinetische Energie des Abgases teilweise aus (Impulsaufladung), getrennte, kurze und enge Abgasleitungen erforderlich (Trennung bis kurz vor Turbinengehäuse), Turbinenwirkungsgrad geringer, aber effektiver Ladungswechsel (keine gegenseitige Beeinflussung)
    • Stauaufladung: Turbine wird mit konstantem Druck beaufschlagt, Abgase aller Zylinder werden in Ausgleichsbehälter gesammelt, besserer Turbinenwirkungsgrad, aber schlechteres Ansprechverhalten (Ladedruck im unteren Bereich schlechter)
  21. Erläutern sie die verschiedenen Möglichkeiten der Ladedruckregelung und diskutieren sie die individuellen Vor- und Nachteile.
    • Luftseitige Ablösung: Kostengünstig, Laderverschmutzung und Fertigungstoleranzen haben geringen Einfluss, Turbinengehäuse muss groß (für maximalen Durchsatz) ausgelegt werden, daher schlechtes Ansprechverhalten und ungünstiger Drehmomentenverlauf
    • Abgasseitige Ablassung (Steuerdruck = Ladedruck): Aufwendig, Turbine kann kleiner Ausgelegt werden, Ladedruck mit steigender Drehzahl konstant (entspricht Grenzwert der Ablösung)
    • Abgasseitige Ablassung (Steuerdruck = Abgasdruck): Großer Einfluss von Laderverschmutzung und Fertigungstoleranzen, Ladedruck sinkt mit steigender Drehzahl (Abgasdruck konstant), gut für Ottomotoren zur Reduzierung der Klopfgefahr
  22. Die Klopfgrenze beeinflusst den maximalen Ladedruck beim Ottomotor. Zeigen sie den Zusammenhang zwischen dem Verdichtungsverhältnis (x) und dem mögliche  max. Ladedruck (y) für ein Turbosystem mit und ohne Ladeluftkühler.
  23. Wodurch wird das Instationärverhalten eines Turbomotors bestimmt?
    • Trägheitsmoment des Laufzeugs
    • Ausgnagsdrehzahl des Laders beim Beschleunigen
    • Ladedruck im Saugrohr (soll im unteren Last- und Drehzahlbereich möglichst wenig abfallen)
    • Volumen zwischen Verdichter und Einlassventil
  24. Nennen sie die Gründe für die Entstehung des Rußstoßes beim Beschleunigungsvorgang von Dieselmotoren mit Abgasturbolader.
    • Erhöhter Luftbedarf beim Beschleunigen kann nicht sofort gedeckt werden (verzögertes Ansprechen), fehlende Luftmasse schränkt globales Lambda ein, verschlechterte Gemischbildung, weniger Durchmischung -> weniger zerstäubte Kraftstofftröpfchen -> Partikelbildung -> Rußstoß vorband
    • Zündverzug größer (niedrige Temperaturen aus vorangegangenem Betriebspunkt)
    • Verbesserung: Lufteinblasung, Beschränkung der Einspritzmenge (unerwünschter geringerer Drehmomentenaufbau)
  25. Vergleichen sie den abgasturboaufgeladenen Motor hinsichtlich der Ladungswechselschleife im pV-Diagramm mit einem Saugmotor (Volllast).
  26. Was bezeichnen die Größen p1 p2 p2s p3 und p4 bei einem Abgasturbosystem?
    • p1 = Umgebungsdruck Frischluft
    • p2 = Ladedruck vor LLK
    • p2s = Ladedruck nach LLK
    • p3 = Abgasdruck Turbine (Abgasgegendruck)
    • p4 = Umgebungsdruck Abgas
  27. Was versteht man unter einem VTG-LAder? Wie funktioniert er und welche Vorteile gegenüber herkömmlichen Lader weist er auf? Was sind die speziellen Probleme?
    • Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie. Leitschaufeln der Turbinenseite sind verstellbar, dadurch kann auch bei kleinem Abgasmassenstrom bereits eine hohe Drehzahl des Laufzeugs erreicht werden, wodurch sich das Ansprechverhalten des Laders verbessert. Bei hohem Abgasmassenstrom können die Leitschaufeln in Stellung offen einen zu hohen Abgasgegendruck vermeiden
    • Vorteile: gutes Ansprechverhalten im gesamten Drehzahlbereich, bei NFZ Bremswirkung im Schubbetrieb steigerbar
    • Nachteile: Rückstellkräfte auf Leitschuafelapparat durch Abgasgegendruck, Material muss hochtemperaturfest sein (daher anfangs Einsatz nur bei Dieselmotoren), Verschmutzung der Verstelleinrichtung möglich
  28. Skizzieren sie die Luftführung bei einem Motor mit Doppelaufladung (z.B. VW TSI) mit allen Klappen und Ventilen. Erläutern sie das System und gehen sie auf die verschiedenen Betriebsmodi ein.
    • Betriebsmodus sehr niedrige Last: Saugbetrieb, Regelklappe des Kompressors ist geöffnet, Kompressor und Turbolader sind nicht aktiv
    • Betriebsmodus hohe Last, niedrige Drehzahl: Regelklappe geschlossen, Kompressor läd Motor auf
    • Betriebsmodus mittlere Drehzahl, mittlere - hohe Last: Kompressor wird dynamisch zugeschaltet (über Kupplung und Regelklappe), Abgasturbolader unterstützt Aufladung
    • Betriebsmodus hohe Drehzahl: Abgasturbolader übernimmt alleinige Aufladung, Regelklappe offen, Kompressor ausgekuppelt
  29. Skizzieren sie den Aufbau der zweistufigen Abgasturboaufladung mit allen Einzelheiten. Zeigen sie den Abgasstromverlauf und den Luftverlauf für die folgenden vier Arbeitsbereiche. Wie ist jeweils die Position der Stell- und Regelventile?
    n < 1500 1/min
    1500 < n < 3250 1/min
    3250 < n < 4200 1/min
    n > 4200 1/min
  30. Welche Aufgabe hat das Wastegate-Ventil und das Umluft-Ventil als Bestandteil der Abgasturboaufladung? Skizzieren sie die beiden Bauteile in einem Prinzipbild der Aufladung.
    • Wastegate: Ladedruckregelung / Ladedruckbegrenzung durch vorbeileiten von Abgas an der Turbine 
    • Umluft-Ventil: Abbau des Ladedrucks bei sehr schnellem Schließen der Drosselklappe (Druckausgleich in Ansaugkanal vor Verdichter)(heute Drosselklappendämpfer zur Verhinderung von zu schnellem Schließen der Drosselklappe)

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