KIM II Kapitel 19: Aufladung

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  1. Durch welche Grenzen wird der Arbeitsbereich eines Abgasturboladers begrenzt? Gehen sie kurz auf die Grenzen ein. Skizzieren sie ein Verdichterkennfeld mit den genannten Grenzen und zeichnen sie die Linien konstanten Wirkungsgrades ein. Geben sie Zahlenwerte für die Isolieren an.
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    • Drehzahlgrenze: maximale Drehzahl durch Festigkeit des Laufzeugs
    • Stopfgrenze: Luft erreicht im engsten Querschnitt Schallgeschwindigkeit
    • Pumpgrenze: Strömungsabriss, instabiler Bereich, zyklisches Fördern und Rückströmen der Luft
  2. Skizzieren sie den Aufbau eines Kompressorsystems mit allen notwendigen Komponenten, Bauteilen und Schläuchen. Gehen sie auf die Funktion der verschiedenen Bauteile ein.
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  3. Wieso kann ein Kompressor-aufgeladener Motor durchaus verbrauchsgünstig arbeiten, obwohl die Verluste zum Antrieb der Nebenaggregate durch den zusätzlichen Kompressorantrieb als weiteres Nebenaggregat stark ansteigen?
    • weniger Zylinder
    • weniger Hubraum
    • Downspeeding
    • Bypassdrosselklappe
    • positive Ladungswechselschleife kompensiert Verlustleistung durch Antrieb von zusätzlichem Nebenaggregat
    • -> Reduzierung der Ansaugarbeit
    • -> Entdrosselung
  4. Welche Maßnahmen müssen / können ergriffen werden um die Antriebsleistung des Kompressors im Teillastbereich zu reduzieren? Nutzen sie hierzu wenn nötig Skizzen.
    • schalbare Kupplung (komplettes Abkoppeln des Kompressors im Leerlauf)
    • Bypass-Drosselklappe (fördert der Luft im Kreis -> nur noch Eigenreibung überwinden)
  5. Wie funktioniert der G-Lader? Was sind die wesentlichen Probleme hinsichtlich des Serieneinsatzes?
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    • Funktionsweise
    • Der G-Lader besteht aus einem Gehäuse, in dessen spiralförmigen Kammern sich ein ebenfalls spiralförmiger Verdränger exzentrisch bewegt.
    • Der Verdrängerwelle wird durch einen Riementrieb von der Kurbelwelle angetrieben.
    • Durch die exzentrische Bewegung des Verdrängers wird die einströmende Luft verdichtet und beschleunigt.

    • Probleme
    • Schwierige Herstellung (Großserienfertigung ist teuer)
    • Begrenzte Ladergröße (Durchbiegung der Spiralen)
    • -Nur für kleine Motoren gut geeignet

    • Vorteile
    • Geringes Ansauggeräusch
    • Nahezu vibrationsfreier Lauf
    • Geringe Streuung in der Fördercharakteristik
    • Geringe bewegte Massen
  6. Wie ist der mechanisch angetriebene Strömungsverdichter aufgebaut? Wie erfolgt der Antrieb?
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    • Der mechanisch angetriebene Strömungsverdichter wird über einen Riemen angetrieben
    • Um der Strömungsverdichter in einem günstigen Drehzahlbereich anzutreiben wird eine sehr hohe Übersetzung benötigt
    • Dazu wird ein Planetengetriebe an das Verdichtergehäuse angeflanscht.
  7. Zur Erweiterung der Produktpalette sollen sie aus einem bestehenden Saugdieselmotor eine abgasturboaufgeladene Variante ableiten. An welchen Komponenten des Motors und seines Umfeldes müssen sie welche Veränderungen durchführen?
    ATL (-> höhere Gaskräfte, höhere Temperaturbelastung)

    • Wegen Gaskräften:
    • stärkere Kolben
    • verstärkte Kolbenbolzen
    • stärkere Pleuel
    • hochwertige Lagerspezielle Wärmebehandlung der Kurbelwelle
    • verstärkte Zylinderkopfschrauben
    • stärkere Zylinderkopfdichtung

    • Wegen höheren Temperaturen:
    • Ölspritzkühlung Kolbenunterseite
    • hochwarmfeste Auslassventile
    • Abgaskrümmer und Befestigung hochwarmfest
    • Verbesserung der Motorkühlung
    • Ladeluftkühler
  8. Aus welchen Gründen ist es bei aufgeladenen Dieselmotoren erforderlich, einen ladedruckabhängigen Volllastanschlag zu verwenden.
    Weil die Volllastmenge / Füllgrad vom Ladedruck abhängig ist

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  9. Beschreiben sie das Funktionsprinzip eines COMPREX-Druckwellenladers und erläutern sie die Vor- und Nachteile gegenüber anderen Verfahren zur Aufladung von Verbrennungsmotoren
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    • Gasdynamischer Druckaustauscher
    • Abgas und Frischluft stehen in direktem Kontakt
    • Abgas strömt in durch Riemen angetriebenes Zellenrad -> dort befindet sich Frischladung -> Druckausgleich -> Erhöhung des Frischluftdrucks
    • Frischluft verlässt Rotor -> Schließkante verhindert Abgas im Ansaugbereich (Reflektion)
    • p_Abgas > p_Abgastrakt -> Strömung aus Zellenrad in Abgasttrakt und dabei Ansaugung von Frischluft

    • Vorteile:
    • nahezu trägheitslos bei Laständerungen
    • hohes Moment bei niedrigen Drehzahlen
    • Partikelüberhöhung durch geringe Ansprechzeit vermeidbar
    • geringe Antriebsleistung

    • Nachteile:
    • Anbauflexibilität
    • Platzbedarf
    • Fertigungskosten
    • Gegendruckempfindlich
    • Geräusch
    • Nur ideal für einen kleinen Drehzahlbereich
  10. Zeichnen sie schematisch die Volllast-Ladedruckverläufe bei verschiedenen Möglichkeiten zur Regelung des Ladedrucks und vergleichen sie mit dem Ladedruckverlauf eines ungeregelten Laders. Wo liegen die jeweiligen Vor- und Nachteile der Varianten?
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    3 verschiedene Lader mit dem Zeil bei 100% Drehzahl 100% Ladedruck zu haben

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    Einlassseitige Regelung: 

    • Vorteile:
    • einfach und zuverlässig

    • Nachteile:
    • energetisch sinnlos (-> Ladedruck wird ungenutzt abgebaut)

    Abgasseitig p2:

    • Vorteile:
    • gleichmäßiger Lededruckverlauf
    • kleine Turbine -> besseres Ansprechverhalten; energetisch sinnvoll

    • Nachteile:
    • Waste-Gate mit Abgaskontakt

    Abgasseitig p3:

    • Vorteile:
    • Druckerhöhung unterer / mittlerer Drehzahlbereich
    • Ladedruck singt mit steigender Drehzahl -> verringert die Klopfneigung beim Ottomotor

    • Nachteile:
    • Nutzung von verunreinigtem Abgas zur Steuerung -> kann zu Funktionsstörungen führen
  11. Erläutern Sie die Vorteile einer Wastegate-Regelung anhand eines Diagramms in dem bei gegebenem maximalen Ladedruck der Wastegate-geregelte Lader mit dem ungeregleten Lader verglichen wird
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    • Ungeregelt entspricht einen Verdichter der so ausgelegt ist, dass er max. Druck bei max. Drehzahl erreicht. 
    • - Entspricht ein sehr große (träge) Lader
    • - Großes Turboloch

    • Bei der Wastegate Regelung kann einen kleineren Lader verwendet werden der schneller auf seinem Drehzahl kommt
    • Waste Gate vermeidet überschüssige Ladedruck indem es bei der notwendige Ladedruck Abgase teilweise um der Turbine herum ableitet.
  12. Welche Möglichkeiten der Ladedruckregelung über die ECU (Modulation des Ladedruckverlaufs) gibt es? Erläutern Sie die Wirkprinzipien / Funktionsweise.
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    • 1: Einlassseitigen Regelung:
    • Überschüssige Ladedruck wird über ein Abblasventil direkt in den Motorraum abgeblasen.
    • Einfach und zuverlaessig
    • Energetisch nicht optimal (Ladedruck nutzlos abgebaut)

    • Abgasseitige Regelung P2
    • Ladedruck wird über den Abgasdurchfluss durch die Turbine geregelt
    • Lader ist mit einem Bypassventil (Waste Gate) ausgerüstet
    • Der Waste Gate leitet ddie Abgase bei Erreichen des gewunschten Ladedrucks teilweise im Bypass um die Turbine herum
    • + Energetisch sinnvoll
    • - Waste Gate in Kontakt mit heiße Abgase (thermisch hoch belastet)

    • Abgasseitige Regelung P3
    • Ähnlich wie P2 Regelung
    • Abgasgegendruck wird als Regelgröße verwendet
    • Ladedruck überhöht im unteren und mittleren Drehzahlen
    • Heißes, verunreinigtes Abgas zur Steuerung benutzt kann Funktionsstörungen am Ladedruckregelventil führen. 

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  13. Skizzieren sie schematisch eine 2-Stufen Aufladung. Erläutern sie das System und gehen sie kurz auf die Steuerung bei unterschiedlichen Lasten und Drehzahlen ein.
    Es gibt ein kleiner und ein großer Lader Vorhanden.

    • In niedrigen Drehzahl und Lastbereichen
    • -> komplette Abgasstrom über die kleine Turbine geleitet -> bringt diese so zu einen günstigen Arbeitsbereich.


    • Bei höheren Abgasströme
    • -> der kleine Lader läuft an seine Schluckgrenze -> Ventil wir geöffnet was ermöglicht die Abgasse den kleinen Turbine umzugehen -> Diese Teilmassenstrom bringt den großen Lader auf Drehzahl

    • Bei eine bestimmte Drehzahl
    • -> gesamt Abgasstrom auf große Turbine geleitet

    • Bei Volllast
    • -> Entweder beide Turbine in Parrallel (Teil über großen, Teil über kleinen) oder in Reihe (vorverdichtung durch den kleinen Lader) geschaltet
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  14. Skizzieren si schematisch eine doppelte Aufladung. Erläutern sie das System und gehen sie auf die Steuerung bei unterschiedlichen Lasten und Drehzahlen ein
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    Zwei verschiedene Aufladeaggregate

    • kleine n -> Kompressor
    • mittlere n -> Kompressor und ATL in Reihe
    • hohe n -> ATL
  15. Wo liegen die Vor- und Nachteile von wassergekühlten Turboladergehäusen? In welchem Betriebszustand sind diese vor allem von Nutzen?
    • Kühlung des Laders
    • Besonders beim Abstellen des Motors nach hoher Belastung -> Nachkühlung durch elektrische Wasserpumpe
  16. Wo liegen die Vor- und Nachteil der Ladeluftkühlung?
    • Vorteile:
    • Leistung / Moment steigt
    • p2 kann niedriger gewählt werden (bei M=const)
    • Verdichterleistung bei Otto sinkt
    • Wirkungsgradoptimale Verbrennung beim Otto -> Verbrauchsreduzierung

    • Nachteile:
    • Kosten durch Systemaufwand
    • Platzbedarf
    • Luftführung
    • größerer Zündverzug bei Diesel (-> Vergrößerung der ersten Phase -> Bauteilbelastung / Geräusch)
  17. Worin unterscheiden sich einflutige Lader von zweiflutigen Exemplaren? Was sind die Vorteile der zweiflutigen Variante? Wo liegen die Probleme?
    • einflutiger Lader: gesamtes Abgas strömt durch einen Kanal zur Turbine
    • zweiflutiger Lader: Abgas strömt ungestört durch zwei getrennte Kanäle zur Turbine -> Trennung der sich negativ beeinflussenden Zylinder beim Ladungswechsel -> Umsetzung der Stoßaufladung
    • Problem: Steg zwischen fern Abgasmassenströmen thermisch sehr hoch belastet ( Kühlung schwierig)
  18. Zeichnen sie ein Verdichterkennfeld und integrieren sie die Volllast-Schlucklinie eines Motors. Welche Ziele sind bei der Kombination des Motors mit dem Verdichter zu erfüllen?
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    • Ziele:
    • Volllast-Schlucklinie im Bereich hoher Wirkungsgrade
    • Abstand zur Pumpgrenze
    • hohe Laderdrehzahlen vermeiden
    • hohe Dynamik -> kleiner ATL mit geringem MTM -> kleines Turbinengehäuse -> volle Laderdrehzahl bei geringem Abgasmassenstrom
  19. Wie erfolgt die Lagerung der Turboladerwelle? Welche besonderen Herausforderungen sind hierbei zu bewältigen? Welche Alternative für die Zukunft zeichnet sich ab? Was ist bei dieser die besondere Problematik und der möglich Benefit?
    • Herausforderungen:
    • Sehr hohe Drehgeschwindigkeiten
    • Radialkräften verschleißfrei abfangen.
    • Axialkräfte abfangen (durch die unterschiedliche Gaskräften auf Turbinenrad und Verdichterrad in axiale Richtung)

    • Die Turbolagerwelle wird über zweiseitige Gleiltlagern gelagert. (Relativ Drehgeschwindigkeiten reduzieren) 
    • Lagerung über eine Ölfilm. (verschleißfrei)
    • Axiallagerung passiert über eine Keilfläche-Gleitlager 

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  20. Skizzieren Sie den Flußplan der modifizierten 2-Stufenaufladung mit drei Turboladern wie sie BMW verwendet mit allen notwendige Stellern und Komponenten. Erläutern Sie anhand unterschiedlicher Drehzahlen welche Teilsysetem im Eingriff sind und wie diese arbeiten.
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  21. Erläutern und vergleichen Sie Stau- und Stoßaufladung.
    • Stauaufladung
    • Abgase werden zusammengeführt, gesammelt und erst dann auf die Abgasturbine geleitet.
    • Die Turbine ist vorrangig darauf ausgelegt, den Druckunterschied zwischen Abgassammelrohr und Auspuffleitung zu nutzen. Sie wird nahezu gleichmäßig angeströmt.

    • Stoßaufladung
    • Turbine is vorrangig darauf ausgelegt, die Bewegungsenergie der ausgestoßenen Abgase für die Aufladung zu nutzen
    • Dazu ist sie über enge und möglichst kurze Leitungen mit den Auslässen der Zylinder verbunden

    Der Abgasdruck an der Turbine schwankt wesentlich stärker bei Stoßaufladung als bei der Stauaufladung.
  22. Was versteht man unter VTG-Turboladern? Wie funktionieren diese? Was sind die besonderen Probleme bei derartigen Ladern? Bei welchen Motoren werden diese Lader bisher vornehmlich eingesetzt und warum ist das so?
    Turbolader mit variabler Turbinengeometrie -> Regelung der Turbinenleistung durch Veränderung von Anströmwinkel und Anströmgeschwindigkeit

    • Funktion:
    • Leitschaufel geschlossen
    • -> niedrige Drehzahl
    • -> verengter Durchschnitt
    • -> höhere Strömungsgeschwindigkeiten
    • -> höhere Umfangsgeschwindigkeit der Turbine (=Drehzahl)
    • -> mehr Ladedruck bei wenig Abgasmassenstrom

    • Leitschaufeln offen
    • -> hohe Drehzahl
    • -> maximaler Durchsatz möglich
    • -> Reduzierung des abgasgegendrucks

    Bisher vornehmlich bei Dieselmotoren (wegen niedrigerer Abgastemperatur)

    • Vorteile:
    • gutes Ansprechverhalten im gesamten Drehzahlbereich
    • keine Verschwendung von Abgasenergie
    • Bremswirkung im Schub steuerbar (NFZ)

    • Nachteile:
    • hohe Rückstellkräft auf Leitschaufeln durch Abgasgegendruck
    • hohe thermische Belastung der Schaufeln / Verstellung
    • Verschmutzung der Verstelleinrichtung möglich

Card Set Information

Author:
Iblignic
ID:
327745
Filename:
KIM II Kapitel 19: Aufladung
Updated:
2017-03-13 17:42:47
Tags:
KIM Motorenbau
Folders:

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Fragenkatalog von KIM II Original Karten von Toebber Updated von Iblignic
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