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About this book

Samir Kadunic stellt ein wirkungsvolles Modell zur Brennverlaufsvoraussage im Ottomotor vor und veranschaulicht die Vorteile, die sich durch das Einbinden der PKW-Klimaanlage in die Ladeluftkühlung ergeben. Eine kontrollierbare niedrige Ladelufttemperatur erlaubt danach eine von der Außenlufttemperatur unabhängige Auslegung der ottomotorischen Verbrennung. Diese niedrige Ladelufttemperatur hat ein erhebliches Potenzial, den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte des aufgeladenen Ottomotors noch weiter zu steigern. Dafür ist es notwendig, die erreichbare Ladelufttemperatur möglichst weitgehend von den Umgebungsbedingungen zu entkoppeln. Die PKW-Klimaanlage steht für die Ladeluftkühlung als bisher ungenutztes Kältereservoir zu Verfügung. Mit Messungen auch am Motorprüfstand konnte der Autor zeigen, dass trotz eingeschalteter Klimaanlage der Kraftstoffverbrauch verringert und die Leistung gesteigert werden kann.

Table of Contents

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung
Der Wohlstand in den Industrienationen basiert nicht zuletzt auch auf der Nutzung von chemisch gespeicherter Energie fossiler Brennstoffe. Fossile Brennstoffe wie Kohle, Erdöl und Erdgas sind letztlich zwar auch natürliche regenerative, biologische Brennstoffe, doch besteht zweifellos eine erhebliche Diskrepanz zwischen deren Regenerationsdauer und ihrem aktuellen schnellen Verbrauch durch die Menschheit. Zudem herrscht Einigkeit darüber, dass das durch die Nutzung fossiler Brennstoffe entstehende CO2 einen Anteil an den anthropogenen Treibhausgasemissionen1 hat. Nur etwa 14% des gesamten anthropogenen CO2-Ausstoßes werden durch den Verkehrssektor, das heißt Schiffs-, Flug- und Straßenverkehr verursacht [52]. Trotz der geringen Einflussmöglichkeit auf die anthropogenen CO2-Emissionen hat man sich in der Europäischen Union darauf verständigt, den Klimaschutz durch Reglementierung der CO2-Emissionen von Automobilneufahrzeugen voranzutreiben.
Samir Kadunic

2. Zielsetzung

Zusammenfassung
Die Ziele dieser Arbeit sind die Identifikation des Potenzials der Ladelufttemperatur zur Anhebung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrads des aufgeladenen Ottomotors, eine Untersuchung der seriennahen Entkopplung der Ladelufttemperatur von der Umgebungstemperatur und die Untersuchung der Eignung vorhandener Ansätze zur Brennverlaufsumrechnung im Rahmen der Motorprozess-Simulation zur Vorausberechnung der Motorbetriebsgrenzen.
Samir Kadunic

3. Grundlagen und Stand der Technik

Zusammenfassung
Erst die Direkteinspritzung, im Gegensatz zur äußeren Gemischbildung durch Vergaser oder Saugrohreinspritzung, hat dem aufgeladenen Ottomotor zur breiten Marktdurchdringung verholfen. Die direkte Einspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum und die mit der anschließenden Verdampfung einhergehende Innenkühlung ermöglichen es, klopffrei so hohe Verdichtungsverhältnisse darzustellen, dass auch in der Motorteillast ein akzeptabler Kraftstoffverbrauch erreicht wird [112]. Im Gegensatz zum Dieselbrennverfahren sind beim Ottomotor Gemischbildung und Verbrennung grundsätzlich zeitlich voneinander getrennte Vorgänge.
Samir Kadunic

4. Versuchsaufbau und Methodik

Zusammenfassung
Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse basieren auf Motorprüfstandsversuchen, die an einem aufgeladenen 4-Zylinder-Reihen-Ottomotor durchgeführt werden. Die Spezifikation dieses Versuchsträgers ist in Tab. 4 aufgeführt. Der Zylinderkopf sowie der Einlass- und der Auslasskrümmer werden mit Messstellen für Hoch- bzw. Niederdruckindizierung versehen. Medienführende Bauteile werden mit Sensoren, mehrheitlich für Druck und Temperatur, bestückt.
Samir Kadunic

5. Sensitivitätsanalyse von Einflussgrößen auf den Motorbetrieb

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird für die Ladelufttemperatur, im Vergleich zu anderen Betriebsparametern, der Einfluss auf den Brennverlauf und andere Motorbetriebsgrößen mithilfe einer Sensitivitätsanalyse bestimmt. Eine Sensitivitätsanalyse beschreibt Einflussrichtung und -stärke des jeweiligen Betriebsparameters auf Brennverlauf und Kenngrößen des Motorbetriebs. Die dafür notwendigen Versuche werden am Motorenprüfstand gemäß der statistischen Versuchsplanung [100] anhand eines teilfaktoriellen Versuchsplans durchgeführt, Abb. 28 rechts. Zunächst sind Betriebsparameter zu definieren, die unabhängige Variablen (Variationsparameter) darstellen. Es wurden Betriebsparameter gewählt, die einen Betriebspunkt wesentlich charakterisieren (Abb. 28 links).
Samir Kadunic

6. Einfluss der Ladelufttemperatur auf die Verbrennung

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird der Einfluss der Ladelufttemperatur auf
  • die Abgas-Emissionen und den Motorwirkungsgrad im zertifizierungsrelevanten Kennfeldbereich,
  • den Brennverlauf und die Motorbetriebskenngrößen bei konstantem Betriebspunkt,
  • und den Motorwirkungsgrad an den Motorbetriebsgrenzen untersucht.
Samir Kadunic

7. Einfluss der Ladelufttemperatur auf Leistungsdichte und Wirkungsgrad

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird das Potenzial der Ladelufttemperatursenkung zur Erhöhung von Leistungsdichte und Motorwirkungsgrad über dem Motordrehzahlbereich untersucht. Es werden dabei folgende Strategien verfolgt und ihre Ergebnisse unter den für den Motor gegebenen Belastungsgrenzen analysiert:
(1)
Lastanhebung bei wirkungsgradoptimalem Verbrennungsschwerpunkt
 
(2)
Lastanhebung bei stöchiometrischem Luftverhältnis
 
(3)
Verbesserung des Motorwirkungsgrads bei konstanter Volllast
 
(4)
Anhebung der Volllast
 
(5)
Erhöhung des maximalen Zylinderdrucks bis zur Klopfgrenze und Steigerung der Nennleistung
 
Samir Kadunic

8. Potenzial der Ladeluftkühlung mittels Pkw-Klimaanlage

Zusammenfassung
Die Darlegungen in den vorangegangenen Kapiteln zeigen, dass eine niedrige Ladelufttemperatur den Wirkungsgrad des Ottomotors verbessern und seine Leistungsdichte erhöhen kann. Aktuell in Serie verwendete Ladeluftkühlersysteme können nur im theoretischen Bestfall die Temperatur der Ladeluft bis auf die Umgebungstemperatur absenken. Um die Ladeluft unter realen Bedingungen auf Werte sogar noch unterhalb der Umgebungstemperatur kühlen zu können, wird ein Kühlmedium mit einer entsprechend niedrigeren Temperatur am Ladeluftkühlereintritt benötigt. Mithilfe einer Pkw-Klimaanlage ließe sich solch ein Kühlmedium darstellen.
Samir Kadunic

9. Brennverlaufsvoraussage für aufgeladene Ottomotoren

Zusammenfassung
In diesem Kapitel soll analysiert werden, inwieweit der ermittelte Einfluss der Ladelufttemperatur auf die Verschiebung der Motorbetriebsgrenzen hin zu höheren Lasten bereits bei der Auslegung von Ottomotoren berücksichtigt werden könnte. Dazu soll die Leistungsfähigkeit relevanter Ansätze zur Brennverlaufsvoraussage im Hinblick auf deren Vorhersagegüte von Brennverlauf und Motorbetriebsgrenzen des Versuchsträgers untersucht werden. Die verlässliche Abschätzung der Verbrennung steht dabei im Fokus. Die aus der Literatur und Forschung bekannten empirischen und phänomenologischen Ansätze zur Brennverlaufsvorausberechnung werden vergleichend bewertet.
Samir Kadunic

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