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Entwurf und Realisierung eines universellen Prüfstandcontrollers für Motoren mit variablem Luftpfad

Masterarbeit 2014 105 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Fahrzeugtechnik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Stand der Technik
2.1 Downsizing und Aufladung
2.1.1 Downsizing
2.1.2 Aufladung
2.2 Thermodynamische Grundlagen
2.2.1 Carnot-Prozess
2.2.2 Konventionelle Kreisprozesse
2.2.3 Alternative Kreisprozesse
2.3 Ladungswechsel
2.3.1 Arbeitsverluste
2.3.2 Steuerzeiten
2.3.3 Ladungsbewegung
2.3.4 Der vollvariable Ventiltrieb
2.3.5 UniAir
2.3.6 VARIOVALVE
2.3.7 UniValve
2.4 Ottomotorisches Klopfen
2.5 VEMAC Test-Bench-Controller
2.6 Modellbasierte Softwareentwicklung
2.6.1 Matlab/ Simulink
2.6.2 Integration der Softwarekomponenten
2.7 Steuergeräteapplikation
2.7.1 ETAS INCA

3 Realisierung
3.1 Modellerstellung
3.1.1 Anforderungen eines universellen Prüfstandcontrollers
3.1.2 Funktionale Grundstruktur
3.1.3 Füllungssteuerung
3.1.4 Füllungserfassung
3.1.5 Zündungsfunktion
3.1.6 Berechnung der Grundeinspritzmasse
3.1.7 Reglerentwurf
3.1.8 Implementierung einer alternativen Klopfregelung

4 Ergebnis
4.1 Prüfstandsmotor
4.1.1 Ottomotor
4.1.2 Dieselmotor
4.2 Sensorik/ Aktuatorik Ottomotor
4.2.1 Drehzahlsensor
4.2.2 Temperatursensoren
4.2.3 Klopfsensoren
4.2.4 Drucksensoren
4.2.5 Lambdasensoren
4.2.6 Drosselklappenstellglied
4.2.7 Volume Control Valve (VCV)
4.3 Sensorik/ Aktuatorik Dieselmotor
4.4 Inbetriebnahme Prüfstandcontroller
4.4.1 Installation
4.4.2 Applikation Grunddaten
4.4.3 Applikation Ottomotor
4.4.4 Applikation Dieselmotor
4.5 Validierung

5 Zusammenfassung und Ausblick

6 Literaturverzeichnis

7 Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1 Erhöhung der spezifischen Leistung durch Downsizing

Abbildung 2.2 Abgasturboaufladung

Abbildung 2.3 Mechanische Aufladung

Abbildung 2.4 Carnot-Prozess /12/

Abbildung 2.5 Gleichraumprozess /13/

Abbildung 2.6 Gleichdruckprozess /13/

Abbildung 2.7 Seiligerprozess /13/

Abbildung 2.8 Kreisprozesswirkungsgrade /12/

Abbildung 2.9 Exergieverluste Gleichraumprozess /12/

Abbildung 2.10 Atkinsonprozess /13/

Abbildung 2.11 Millerprozess /13/

Abbildung 2.12 Ladungswechselverluste eines ungedrosselten Motors /5/

Abbildung 2.13 Steuerzeiten /6/

Abbildung 2.14 Leistungsverlauf Variation Eö /6/

Abbildung 2.15 Verlustteilung bei Variation Aö an der Volllast /6/

Abbildung 2.16 Drall und Tumble

Abbildung 2.17 Drosselverluste beim Ansaugen /8/

Abbildung 2.18 Nockenwellensteller

Abbildung 2.19 FIAT MultiAir

Abbildung 2.20 Vollvariabler Ventiltrieb UniValve

Abbildung 2.21 Ventilhubscharen und Spreizung

Abbildung 2.22 Anomale Verbrennung im Ottomotor

Abbildung 2.23 VTC /15/

Abbildung 2.24 Strukturmodell

Abbildung 2.25 Erzeugung des Programm- und Datenstands /17/

Abbildung 3.1 V-Modell

Abbildung 3.2 manuelle Grundstruktur und kennfeldbasierte Steuerung

Abbildung 3.3 funktionale Grundstruktur

Abbildung 3.4 Schematische Darstellung Drosselklappenregelung

Abbildung 3.5 Nockenwellenlageregelung

Abbildung 3.6 Grundansatz Vorwätspfad /10/

Abbildung 3.7 Ermittlung des Zündzeitpunkt-Sollwertes im Homogenbetrieb

Abbildung 3.8 Leerlaufregler

Abbildung 3.9 Drosselklappenregelung

Abbildung 3.10 Lambdaauswertung und -kalibrierung

Abbildung 3.11 Lambdasondenheizung

Abbildung 3.12 Ladedruckregelung

Abbildung 3.13 Durchflusskennlinie Proportionalventil

Abbildung 3.14 Steuerzeiten SES und FES

Abbildung 3.15 T-s-Diagramm Vergleich Otto/Miller-Prozess

Abbildung 3.16 SPI-Kommunikation Klopfchip

Abbildung 3.17 Klopfauswertung

Abbildung 3.18 Einleitung von Gegenmaßnahmen

Abbildung 3.19 Prinzip sukzessive Phasenverstellung

Abbildung 4.1 Prüfstandsmotor TU Kaiserslautern

Abbildung 4.2 Deutz TCD 4.1

Abbildung 4.3 Deutz Common Rail System (DCR)

Abbildung 4.4 Break-Out-Box

Abbildung 4.5 Stromprofil Peak&Hold Injektor

Abbildung 4.6 Leistungs- und Drehmomentenverlauf

Abbildung 4.7 Pedalkennfeld TRQ_PDL_DEM_MA2

Abbildung 4.8 PID-Regler nicht eingestellt

Abbildung 4.9 PID-Regler eingestellt

Abbildung 4.10 Einspritzdauerkennfeld

Abbildung 4.11 VCV schlechte Parametrierung

Abbildung 4.12 VCV gute Parametrierung

Abbildung 4.13 Leerlaufregler Parametrierung

Abbildung 4.14 Synchronisation

Abbildung A4. 1 Dieselmotor-Prüfstand

Abbildung A4. 2 Ottomotor-Prüfstand

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1 übliche Steuerzeiten /6/

Tabelle 3.1 Unterschiede Diesel/Otto

Tabelle 3.2 Gleichheiten Diesel/Otto

Tabelle 4.1 Leistungsdaten Ottomotor

Tabelle 4.2 Leistungsdaten Deutz TCD 4.1

Tabelle 4.3 Temperatursensoren

Tabelle 4.4 Regelparameter für einen Überschwingungsfreien Regelverlauf /21/

Tabelle 4.5 Regelparameter für einen Regelverlauf mit 10% Überschwingen /21/

Tabelle 4.6 Parametereinstellung Drosselklappe

Tabelle 4.7 Einstellwerte nach Ziegler und Nichols /21/

Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Symbole

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die geplante CO2 -Grenze von 95 g/km für eine mittlere Fahrzeugmasse von 1372kg erfordert deutliche Schritte zur Erhöhung der Effizienz von Verbrennungsmotoren. Das Downsizing von Motoren zur Reduzierung der Fahrzeugmasse und zur Minimierung der inneren Reibung leistet hierbei einen großen Beitrag. Dennoch ist ein Downsizing nur über aufwändige Aufladestrategien möglich, die zu immer höheren Spitzendrücken führen. Während der Zylinderspitzendruck bzw. die mechanische Belastung beim Dieselmotor der begrenzende Faktor ist, führt beim Ottomotor die Klopfproblematik zu einer Limitierung der Volllast-Mitteldrücke. /1/

Die Kombination von Downsizing mit einer Teilentdrosselung des Luftpfads durch einen vollvariablen Ventiltrieb verspricht zur Lösung dieses Zielkonfliktes beizutragen und erschließt durch Betriebspunktverlagerung deutliche Verbrauchspotenziale. Gleichzeitig verschärft sich jedoch die Problematik des ottomotorischen Klopfens. Die Miller-Strategie senkt das effektive Verdichtungsverhältnis durch frühen Einlassschluss und wirkt dieser Problematik entgegen, was neue Möglichkeiten eröffnet, wie beispielsweise eine alternative Klopfregelung.

In der praktischen Umsetzung steigern diese vielfältigen Luftpfad-Variabilitäten jedoch den Bedarf an angepassten elektronischen Steuerungen, deren Software-Struktur die Voraussetzung schafft, die neuen Möglichkeiten auch in etablierte Strukturen, wie die Klopfregelung, eingreifen zu lassen und gleichzeitig neue Funktionen hinzuzufügen. Dafür sind Controller, die eine Steuerung des kompletten Motors im Fullpass ermöglichen, gut geeignet, da sie den vollen Zugriff auf alle Steuerungsoptionen ermöglichen.

Ziel dieser Arbeit ist es daher, einen Prüfstandcontroller zu konzeptionieren und zu realisieren, der in der Lage ist die steigende Zahl der Luftpfad-Variabilitäten, sowohl in der Elektronik als auch in der Software zu berücksichtigen. Zudem soll es die Softwarestruktur ermöglichen, Prüfstandmesswerte in die Steuerung mit einzubeziehen. Als eine erste Anwendung des neuen Controllers soll auf Basis des Millerverfahrens eine alternative Klopfregelung für Ottomotoren implementiert werden, die nur noch bedingt auf die wirkungsgradverschlechternde Zündwinkelverstellung zurückgreifen muss.

2 Stand der Technik

2.1 Downsizing und Aufladung

Neben der Reduzierung der Schadstoff-Rohemissionen ist die Senkung des Kraftstoffverbrauchs der wesentliche Antreiber für die Motorenentwicklung. Insbesondere beim Ottomotor kann Downsizing dazu beitragen, die vereinbarten ACEA-Ziele (Association des Constructeurs Européens d' Automobiles) von 95g CO2 pro Kilometer bis 2020 zu erreichen. /2/

2.1.1 Downsizing

Beim Downsizing werden hubraumstarke Saugmotoren durch kleinere Motoren ersetzt. Die Verkleinerung wird zum einen durch die Reduzierung des Hubvolumens und zum anderen über die Reduzierung der Zylinderzahl erreicht. Durch den verkleinerten Hubraum erfolgt bei gleichem abgegebenem Drehmoment, im Vergleich zum großhubigen Saugmotor, eine innere Lastpunktverschiebung hin zu Kennfeldpunkten mit einem günstigeren effektiven Kraftstoffverbrauch. /3/

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1 Erhöhung der spezifischen Leistung durch Downsizing

Die Fahrwiderstandslinie im Motorkennfeld in Abbildung 2.1 gibt den Zusammenhang zwischen dem notwendigen Drehmoment zur Überwindung der Fahrwiderstände (Luftwiderstand, Rollwiderstand, usw.) und der zur Fahrzeuggeschwindigkeit äquivalenten Motordrehzahl wieder. Die Fahrwiderstandslinie des Saugmotors (blau) verläuft in diesem Beispiel in einem Bereich mit einem spezifischen Kraftstoffverbrauch, der weit über dem optimalen Niveau liegt. Gründe hierfür sind die Drosselverluste in der Teillast, sowie Reibungs- und Wandwärmeverluste /4/. Die Fahrwiderstandslinie des Turbomotors (rote Linie), verläuft hingegen in einem Bereich mit geringerem Kraftstoffverbrauch. Bedingt durch Downsizing steigt die Literleistung des aufgeladenen Motors um 50% von 50 KW pro Liter auf 75 KW pro Liter.

2.1.2 Aufladung

Um das gleiche Drehmoment- bzw. Leistungsniveau der großhubigen Saugmotoren zu erreichen, werden moderne Downsizingmotoren mit verschiedenen Aufladekonzepten versehen /3/. Dabei verdichtet eine Arbeitsmaschine die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft, wodurch eine größere Luftmasse in den Zylinder gelangt. Zur Steigerung der effektiven Leistung Pe können nach Formel 2.1 folgende Kenngrößen variiert werden:

Eine Vergrößerung des Hubraumes Vh und der Zylinderanzahl z stellt einen Widerspruch zum Downsizingkonzept dar. Die Drehzahl n kann nicht beliebig erhöht werden, wodurch die Erhöhung des mittleren spezifischen Drucks pme die sinnvolle Alternative ist um die Leistung des Verbrennungsmotors zu steigern, indem die eingesetzte Luftmasse durch Aufladung vergrößert wird. Dadurch kann, ausgehend vom Verbrennungsluftverhältnis, die Masse an zugeführtem Kraftstoff erhöht werden.

Gängige Aufladekonzepte sind die Abgasturboaufladung, die mechanische Aufladung und eine Kombination aus Abgasturbolader und mechanischem Lader /5/.

2.1.2.1 Abgasturboaufladung

Die Abgasturboaufladung ist das Aufladeverfahren mit der höchsten Verbreitung und hat ein thermodynamisches Antriebsprinzip /5/. Zum Antrieb des Abgasturboladers (ATL) wird dem heißen Abgas Energie entzogen, die sonst ungenutzt in die Umgebung entlassen wird. Dadurch verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad des Motors.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines ATL, bestehend aus Turbine und Verdichter, die über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2 Abgasturboaufladung

Die Turbine (T) wandelt die im Abgas enthaltene Energie teilweise in mechanische Energie um. Dabei wird das Abgas polytrop entspannt, wodurch Temperatur und Druck des Abgases abnehmen /5/. Diese Arbeit wird über die Welle dem Verdichter (V) zugeführt. Das Laufrad des Verdichters gibt diese kinetische Energie zunächst an die Verbrennungsluft ab und wandelt sie dann teilweise in Druckenergie um. In stationären Betriebspunkten herrscht, abgesehen von den thermischen und mechanischen Verlusten, ein Leistungsgleichgewicht zwischen Turbine und Verdichter /6/.

Grenzen der Aufladung durch den ATL sind die Abgastemperatur, die Pumpgrenze des Verdichters, die Turboladerdrehzahl und das Aufladedruckverhältnis /5/.

Bekannte Probleme bei Motoren mit ATL ist der starke Drehmomentabfall bei niedriger Motordrehzahl, das sogenannte „Turboloch“. Diesem niedrigen Low-End-Torque wird mit verschiedenen Maßnahmen entgegengetreten. Ein allgemein bewährtes Verfahren ist eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes, um die Massenträgheit zu reduzieren und somit das Ladedruckverhältnis zu erhöhen. Diese Lösung wird meist mit einer Abgasabblasung durch ein vom Ladedruck oder Abgasdruck gesteuertes Ventil kombiniert (Waste-Gate).

Des Weiteren werden Turbolader mit variabler Turbinengeometrie (VTG) eingesetzt, die durch veränderliche Anstellwinkel des Leitapparates der Turbine den Durchsatz verändern können.

Eine weitere Maßnahme ist die Registeraufladung /5/. Dabei ermöglicht eine Parallelschaltung mehrere Turbolader mit entsprechend kleinerem Turbinenquerschnitt eine Zuschaltung einzelner Lader mit steigender Last sowohl auf der Verdichter-, als auch auf der Turbinenseite. Auch eine mehrstufige Aufladung durch Hintereinanderschaltung von Turboladern ermöglicht ein höheres Gesamtdruckverhältnis, sowie eine Verbesserung des Drehmomentverhaltens.

2.1.2.2 Mechanische Aufladung

Bei der mechanischen Aufladung ist der Verdichter mechanisch an den Verbrennungsmotor gekoppelt. Die Verbrennungsluft wird durch einen Verdrängerlader zum Motor geleitet. Dabei wird jedoch ein Teil der erreichbaren Leistungssteigerung (bei PKW zwischen 10 und 15KW) durch die erforderliche Antriebsleistung wieder aufgezehrt. Dies stellt den größten Nachteil dieses Aufladekonzeptes dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3 Mechanische Aufladung

Durch die mechanische Kopplung bietet sich jedoch die Möglichkeit zur schnellen Ladedruckerhöhung und somit eine Steigerung des Drehmomentes auch bei niedrigen Drehzahlen (vgl. ATL). Auch die Abgastemperatur stellt keine Einschränkung der Aufladung dar /6/.

Bei mechanischen Verdichtern kommen grundsätzlich Kolbenarbeitsmaschinen oder Strömungsmaschinen in Frage /5/. Die gebräuchlichsten Typen sind das Roots-Gebläse, der Schraubenlader, der Ro-Lader, der Spirallader und der Radialverdichter. Die größte Verbreitung in PKW-Anwendungen hat aufgrund des einfachen Aufbaus, des akzeptablen Wirkungsgrads und des Geräuschverhaltens der Rootsverdichter.

2.2 Thermodynamische Grundlagen

Verbrennungsmotoren sind Wärmekraftmaschinen, bei denen eine Umwandlung von chemisch gebundener Energie in mechanische Energie erfolgt /11/. Ein Teil der bei der Verbrennung freigesetzten Wärme wird über den Kurbeltrieb in mechanische Energie umgewandelt, die restliche Energie wird entweder mit dem Abgas abgeführt oder über die Brennraumwände an ein Kühlmittel oder die Umgebung abgegeben.

Da die Umsetzungsprozesse insbesondere beim Verbrennungsvorgang sehr komplex sind, behilft man sich mit mehr oder weniger einfachen Modellen. Um grundsätzliche Aussagen bezüglich der Abhängigkeit bestimmter Prozessgrößen von vorgegebenen Parametern zu erhalten, bedient man sich der geschlossenen Kreisprozesse, bei denen aufeinanderfolgende Zustandsänderungen eines Arbeitsmittels wieder auf den Ausgangszustand zurückgeführt werden.

Der Prozess in Verbrennungsmotoren mit innerer Gemischbildung besteht aus den zwei aufeinanderfolgenden Teilprozessen Ladungswechsel und Hochdruckprozess /12/. Beim Ladungswechsel werden die Verbrennungsgase vom vorausgegangenen Arbeitsspiel durch Frischgemisch bzw. durch Frischluft ersetzt (siehe Kapitel 2.3). Während des Hochdruckprozesses wird die Zylinderladung verdichtet, Brennstoff wird eingespritzt (DI) und gezündet, die Verbrennung läuft ab und die Verbrennungsgase expandieren.

Die Theorie der Kreisprozesse geht auf Sadi Carnot zurück, der erkannte, dass zur Umwandlung von Wärme in Arbeit ein Temperaturgefälle vorhanden sein muss. Außerdem stellte er den Zusammenhang zwischen dem thermischen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine und der Temperatur bei der Wärmezu- und -abfuhr auf.

2.2.1 Carnot-Prozess

Der Carnot-Prozess gilt als der ideale Wärmekraftprozess, da er nur bei der Prozesshöchsttemperatur Wärme aufnimmt und nur bei der tiefsten Prozesstemperatur Wärme abgibt /12/. Der Wechsel des Temperaturniveaus findet ohne Wärmetransfer entlang von Isentropen statt.

Die Zustandsänderungen des Carnot-Prozesses sind:

- Isotherme Verdichtung und Wärmeabfuhr (1 – 2)
- Isentrope Verdichtung (2 – 3)
- Isotherme Expansion und Wärmezufuhr (3 – 4)
- Isentrope Expansion (4 – 1)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4 Carnot-Prozess /12/

Der thermische Wirkungsgrad nimmt, bei gegebenem Temperaturverhältnis, beim Carnot-Prozess den höchsten überhaupt erreichbaren Wert an. Um jedoch eine akzeptable Nutzarbeit, entsprechend der Diagrammfläche im p-v-Diagramm zu erhalten, müssten die Temperaturen und Drücke auf technisch nicht mehr vertretbare Höhen getrieben werden /10/.

2.2.2 Konventionelle Kreisprozesse

Die motorischen Kreisprozesse beschreiben eine Energieumwandlung, wobei die einzelnen Zustandsänderungen des Arbeitsmittels dem tatsächlichen Geschehen im Motor möglichst nahe kommen sollen. Man unterscheidet für konventionelle Otto- und Dieselmotoren die folgenden Vergleichsprozesse:

- Gleichraumprozess
- Gleichdruckprozess
- Seiligerprozess

Bei allen drei Prozessen erfolgen Verdichtung und Expansion adiabat und reibungsfrei, also isentrop. Außerdem werden Verbrennung und Ladungswechsel durch Wärmezu- und Wärmeabfuhr ersetzt. Die Wärmeabfuhr ist dabei immer isochor, die Wärmezufuhr unterscheidet sich jedoch in den einzelnen Prozessen (Gleichraum: isochor; Gleichdruck: isobar; Seiliger: isochor und nachfolgend isobar).

2.2.2.1 Gleichraumprozess

In Abbildung 2.5 ist der Gleichraumprozess dargestellt. Die Folge von Zustandsänderungen bei diesem Prozessablauf ist:

- Isentrope Verdichtung (1 – 2)
- Isochore Wärmezufuhr (2 – 3)
- Isentrope Expansion (3 – 4)
- Isochore Wärmeabfuhr (4 – 1)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5 Gleichraumprozess /13/

Der Gleichraumprozess ist der thermodynamisch günstigste Prozess, der in einer Maschine mit periodisch veränderlichem Arbeitsraum, unter vertretbarem technischem Aufwand, realisiert werden kann /10/. Er dient als Vergleichsprozess für Ottomotoren, deren schnelle Verbrennung im Zylinder nahe OT abläuft. Durch das näherungsweise konstante Volumen folgt eine isochore Wärmezufuhr (2 – 3).

2.2.2.2 Gleichdruckprozess

Der Gleichdruckprozess ist in Abbildung 2.6 dargestellt. Er wird als Vergleichsprozess herangezogen, wenn eine Begrenzung des Höchstdrucks bereits bei Verdichtungsende von Nöten ist. Dies kann z.B. aus Bauteilschutzgründen /13/ der Fall sein.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6 Gleichdruckprozess /13/

Folgende Zustandsänderungen beschreiben den Gleichdruckprozess:

- Isentrope Verdichtung (1 – 2)
- Isobare Wärmezufuhr (2 – 3)
- Isentrope Expansion (3 – 4)
- Isochore Wärmeabfuhr (4 – 1)

Der thermische Wirkungsgrad dieses Prozesses ist vom Isentropenexponenten, dem Verdichtungsverhältnis und der zugeführten Wärmemenge bei konstantem Druck abhängig /10/. Er erreicht den im Vergleich niedrigsten Wirkungsgrad der betrachteten konventionellen Kreisprozesse (vgl. Abbildung 2.8).

2.2.2.3 Seiligerprozess

Der in Abbildung 2.7 dargestellte Seiligerprozess zeichnet sich durch folgende Zustandsänderungen aus:

- Isentrope Verdichtung (1 – 2)
- Isochore Wärmezufuhr (2 – 3‘)
- Isobare Wärmezufuhr (3‘ – 3‘‘)
- Isentrope Expansion (3‘‘ – 4)
- Isochore Wärmeabfuhr (4 – 1)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7 Seiligerprozess /13/

Der Seiligerprozess stellt eine Kombination aus Gleichraum- und Gleichdruckprozess dar. Beim Seiligerprozess ist bei gegebenem Verdichtungsverhältnis eine Höchstdruckbegrenzung vorzugeben. Dabei erfolgt die zugeführte Wärme zum Teil isochor (2 – 3) und zum Teil isobar (3 – 3‘).

2.2.2.4 Vergleichende Betrachtung der Kreisprozesse

Abbildung 2.8 veranschaulicht die Kreisprozesswirkungsgrade als Funktion des Verdichtungsverhältnisses. Der Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses ist dabei bei gleichem Verdichtungsverhältnis der maximal erreichbare. Dies liegt darin begründet, dass bei gleichem Verdichtungsverhältnis und gleicher zugeführter Wärmemenge, im Vergleich zu den beiden anderen Prozessführungen, eine geringere Wärmemenge abzuführen ist. Mit zunehmendem Anteil der isochor zugeführten Wärme und somit ansteigendem Höchstdruck p3 nähert sich der Seiligerprozess dem Gleichraumprozess. Damit folgt für den Einsatz im Motor, dass durch eine Steigerung über ein Verdichtungsverhältnis von e=12 nur noch geringfügige Verbesserungen des Innenwirkungsgrades erzielt werden können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8 Kreisprozesswirkungsgrade /12/

2.2.3 Alternative Kreisprozesse

Die im vorherigen Abschnitt vorgestellten Kreisprozesse wandeln die Exergie der zugeführten Wärme nur unvollständig in mechanische Arbeit um. Exergieverluste bei der isochoren Rückkühlung auf den Ausgangszustand mindern den Wirkungsgrad der Prozesse. In Abbildung 2.9 sind beispielhaft die Exergieverluste des Gleichraumprozesses dargestellt. Im T-s-Diagramm wird deutlich, dass die dem Prozess zugeführte Exergie (1-6-3-2-1) um die ungenutzte Fläche I und II (1-6-4-1) größer ist, als die tatsächliche Prozessarbeit (1-4-3-2-1).

Ziel alternativer Kreisprozesse ist es, die Verlustexergie nutzbar zu machen. Dies kann zum Beispiel durch die Expansion bis auf den Umgebungsdruck pu erfolgen, wodurch die Fläche I nutzbar gemacht werden würde. Zur Nutzung der Fläche II müsste das Arbeitsmedium bis zur Temperatur T1=Tu expandieren und anschließend unter Wärmeabfuhr isotherm bis auf p1=pu komprimiert werden. /12/

Die Fläche III stellt die Anergie der zugeführten Wärme dar und erscheint deshalb nicht unmittelbar als ein durch die Prozessführung verursachter Exergieverlust. Zwei Beispiele für alternative Kreisprozesse sind der Atkinson- und der Millerprozess.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9 Exergieverluste Gleichraumprozess /12/

2.2.3.1 Atkinsonprozess

Der Atkinsonprozess macht sich eine Verlängerung der Expansion über das Ursprungsvolumen v1 hinaus zu nutzen, um den Wirkungsgrad des Kreisprozesses zu verbessern. Die Wirkungsgradsteigerung resultiert aus der zum Teil isobaren Wärmeabfuhr gegen Ende des Prozesses (vgl. Abbildung 2.10: 4‘ – 1) /13/. Entsprechend der Art der Wärmezufuhr wird zwischen Gleichraum-, Gleichdruck- und Seiliger-Atkinsonprozess unterschieden.

Der Grenzfall des Atkinsonprozesses stellt die Expansion bis auf den Druck p1 dar (Jouleprozess). Damit lässt sich der Wirkungsgrad beim Gleichdruck-Atkinsonprozess auf das Niveau des konventionellen Gleichraumprozesses bringen und beim Gleichraum-Atkinsonprozess sogar deutlich darüber hinaus.

Die Realisierung des Atkinsonprozesses mit einem vollvariablen Ventiltrieb geschieht über ein spätes Einlass schließt (SES). Dabei wird über den gesamten Ansaugvorgang geladen (vgl. Millerverfahren 2.2.3.2) und die überschüssige Ladungsmasse nach Ladungswechsel-UT wieder ausgeschoben. Im Volllastfall resultiert infolge des Rückschiebens der Ladung ein Ladungsverlust, der durch eine Ladedrucksteigerung ausgeglichen werden muss.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.10 Atkinsonprozess /13/

Die Zustandsänderungen des Atkinsonprozesses sind:

- Isentrope Verdichtung (1 – 2)
- Wärmezufuhr: isochor für Gleichraum- (v), isobar für Gleichdruck- (p) oder isobar und isochor für Seiliger- Atkinson (s) (2 – 3)
- Isentrope Expansion (3 – 4)
- Isochore Wärmeabfuhr (4 – 4‘)
- Isobare Wärmeabfuhr (4‘ – 1)

2.2.3.2 Millerprozess

Kombiniert man den Atkinsonprozess mit einer Aufladung und einer Ladeluftkühlung, spricht man vom Millerprozess. Hier wird zusätzlich zur verlängerten Expansion noch ein Verdichtungsschritt mit anschließender isobarer Zwischenkühlung vorgeschoben. Die Zustandsänderungen des Millerprozesses umfassen:

- Isentrope Verdichtung (1 – 1‘)
- Isobare Wärmeabfuhr (1‘ – 1‘‘)
- Isentrope Verdichtung (1‘‘ – 2)
- Isochore Wärmezufuhr (2 – 3)
- Isentrope Expansion (3 – 4)
- Wärmeabfuhr in Abhängigkeit der Expansionslänge (4 – 1)

Durch einen vollvariablen Ventiltrieb lässt sich der Millerprozess mittels Frühem-Einlass-Schließt (FES) umsetzen. Dabei wird der Einlassvorgang deutlich vor UT beendet und die Steuerzeit so gewählt, dass sich zum Einlassschluss die für den Teillastbetriebspunkt erforderliche Ladungsmasse im Zylinder befindet. Im Volllastfall wird der Ladedruck erhöht, um mit niedriger Temperatur im UT die erforderliche Füllung zu erreichen. Durch den verringerten Ventilhub in der Teillast verursacht der Millerprozess jedoch einen Tumble- und damit Turbulenzverlust mit negativen Folgen auf Verbrennung und Restgasverträglichkeit /14/. Daher müssen Maßnahmen zur Turbulenzsteigerung getroffen werden (Phasing, Masking, Tumblekanal, usw.).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.11 Millerprozess /13/

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Details

Seiten
105
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783656963776
ISBN (Buch)
9783656963783
Dateigröße
2.3 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v300139
Institution / Hochschule
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen – VKA
Note
1,0
Schlagworte
Motorsteuerung Prüfstandcontroller variabler Luftpfad Funktionsentwicklung Applikation Momentensteuerung alternative Klopfregelung Testbench controller Break-out-box Luftpfad Kraftstoffpfad Raildruckregelung Ladedruckregelung Klopfregelung Lambdaregelung Füllungssteuerung Füllungserfassung Drosselklappenregelung AGR

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