21_aufgaben

Basiswissen Verbrennungsmotor: Aufgaben Seite 1 von 18

2013-02-27

HTWG Konstanz Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner Labor für Verbrennungsmotoren

Verwendung nur zum persönlichen Gebrauch im Rahmen der Seminarmitschrift zulässig

www.vmot.htwg-konstanz.de

21 Aufgaben Änderungsdokumentation: Datum Änderung 2008-02-11 komplett überarbeitet 2008-09-26 Hinweise zu Musterlösungen 2012-09-07 neu: 1.3 und 12.2 2013-02-18 neu:

Inhalt 21 Aufgaben ............................................................................................................... 1

Tabellen mit wichtigen Daten von Motoren ...................................................................... 2

Kennfeld des Ottomotors der A-Klasse............................................................................ 4

Kennfeld des Dieselmotors der A-Klasse ........................................................................ 4

1 Überblick ............................................................................................................... 5

2 Kraftstoffe .............................................................................................................. 5

3 Thermodynamik .................................................................................................... 6

4 Kenngrößen .......................................................................................................... 7

6 Kräfte und Momente............................................................................................ 17

7 Konstruktionselemente........................................................................................ 17

8 Ladungswechsel ................................................................................................. 17

12 Aufladung ............................................................................................................ 18

Hinweise zu den Übungsaufgaben Bitte verwenden Sie für die Lösung der Übungsaufgaben die Formelsammlung und die Tabellen mit wichtigen Daten aktueller Motoren auf den folgenden Seiten. Bei manchen Aufgaben müssen Sie unbekannte Größen (z.B. Luftverhältnis λ, Luftaufwand λ

a,

Verdichtungsverhältnis ε, Kraftstoffverbrauch be im Wirkungsgradoptimum, Umgebungsbedingungen)

sinnvoll abschätzen. Bitte begründen Sie in solchen Fällen Ihre Entscheidung. Sie sollten Werte aber nur abschätzen, wenn Sie sie nicht aus der Formelsammlung oder aus den Motortabellen entnehmen können. Am Ende der Aufgabenstellung finden Sie jeweils einen Hinweis darauf, ob die Aufgabe zu Vorlesung „Einführung in die Kfz-Technik“ (EKFZ) oder zur Vorlesung „Verbrennungsmotoren“ (VM) gehört, sowie einen Hinweis auf den Schwierigkeitsgrad der Aufgabe. Hinweise und Tipps zu den Lösungen finden Sie für einige der Aufgaben auf der Homepage des Labors für Verbrennungsmotoren. Bei den Aufgaben ist auch angegeben, in welchem Abschnitt des Buches „Verbrennungsmotorische Berechnungen“ die für die Lösung benötigten Gleichungen hergeleitet werden (z. B. Tipps: VB 4.8).


2013-02-27




Tabellen mit wichtigen Daten von Motoren

1,8-l-Ottomotor von Opel (2005)

TDI-Dieselmotor von Audi (2004) CDI-Dieselmotor 320

von Mercedes (2004) Arbeitsverfahren 4-Takt-Otto 4-Takt-Diesel 4-Takt-Diesel Hubvolumen 1796 cm

3 2967 cm3 2987 cm

3 Zylinderabstand 86 mm 90 mm 106 mm Bohrung 80,5 mm 83 mm 83 mm Hub 88,2 mm 91,4 mm 92 mm Hub-Bohrung-Verhältnis 1,1 1,10 1,11 Zylinderanordnung R4 V6 (90°) V6 (72°) Pleuellänge 129,75 mm Schubstangenverhältnis 0,340 Zahl der Ventile 2 EV, 2 AV 2 EV, 2 AV Ventil-Durchmesser EV: 31,2 mm

AV: 27,5 mm

Ventil-Hub EV: 9,0 mm AV: 8,5 mm

Verdichtungsverhältnis 10,5 17 18 max. Drehmoment 175 Nm 510 Nm 510 Nm max. eff. Mitteldruck 12,25 bar bei einer Drehzahl von 3800/min 1400/min 1600…2800/min Nennleistung 103 kW 165 kW 165 kW bei einer Drehzahl von 6300/min 4000/min 3800/min Verbrennungshöchstdruck 180 bar Verbrauch bei 2000/min und pe = 2 bar

364 g/kWh

Motormasse 118 kg 220 kg 208 kg Leistungsgewicht 1,33 kg/kW 1,26 kg/kW Abgasklasse Euro 4 Euro 4


2013-02-27




2-l-Ottomotor der A-Klasse A 200 (2004) 2-l-Dieselmotor der A-Klasse A

200 CDI (2004) Arbeitsverfahren 4-Takt-Otto 4-Takt-Diesel Hubvolumen 2034 cm

3 1991 cm3

Zylinderabstand 90 mm Bohrung 83 mm 83 mm Hub 94 mm 92 mm Hub-Bohrung-Verhältnis 1,11 Zylinderanordnung R4 R4 Pleuellänge 147,85 mm Ventil-Durchmesser EV: 28,5 mm; AV: 25,4 mm Ventil-Hub EV: 8,5 mm; AV: 8,5 mm Verdichtungsverhältnis 18 max. Drehmoment 185 Nm 300 Nm max. eff. Mitteldruck 11,43 bar bei einer Drehzahl von 3500/min … 4000/min 1600/min … 3000/min Nennleistung 100 kW 103 kW bei einer Drehzahl von 5500/min 4200/min Bestverbrauch 230 g/kWh 202 g/kWh Motormasse 105 kg Leistungsgewicht 1,05 kg/kW

Schiffsmotor von MTU 12V 2000 M91 (2000)

Schiffsmotor von MTU 10V 2000 M93 (2004)

Arbeitsverfahren 4-Takt-Diesel 4-Takt-Diesel Hubvolumen 23,88 dm

3 22,30 dm3

Zylinderhubvolumen 1,99 dm3 2,23 dm

3 Zylinderanordnung V12 V10 Zahl der Ventile 2 EV, 2 AV 2 EV, 2 AV Aufladung 2 ATL mit LLK 2 ATL mit LLK max. absoluter Ladedruck 4,0 bar Nennleistung 1119 kW 1120 kW bei einer Drehzahl von 2300/min 2450/min Einspritzsystem Pumpe – Leitung - Düse Common-Rail (max. 1800 bar) Motormasse 2660 kg 2210 kg Leistungsgewicht 2,38 kg/kW 1,97 kg/kW


2013-02-27




Kennfeld des Ottomotors der A-Klasse

Kennfeld des Dieselmotors der A-Klasse


2013-02-27




1 Überblick

1.1 Der Kurbeltrieb des 1,8-l-Ottomotors von Opel soll bei Nennleistung untersucht werden. (Tipps: VB 5.1)

• Berechnen Sie die Kolbengeschwindigkeit und die Kolbenbeschleunigung,

wenn sich der Kolben in der Stellung 30°KW vor dem OT befindet. (EKFZ – leicht: 18,83 m/s; 19885 m/s

2)

• Berechnen Sie die entsprechenden Werte zu dem Zeitpunkt, an dem sich der

Kolben 20 mm unterhalb des oberen Totpunktes befindet. (EKFZ – mittel: 27,10 m/s; 11301 m/s

2)

• Berechnen Sie weiterhin die maximale Kolbengeschwindigkeit, die während

einer Kurbelwellenumdrehung auftritt, und vergleichen Sie sie mit der mittleren Kolbengeschwindigkeit. (EKFZ – mittel: 30,59 m/s; 18,5 m/s; 1,65)

• Berechnen Sie den maximalen prozentualen Fehler, der bei Verwendung der Näherungsformel für den Kurbelweg entsteht. (EKFZ – mittel: 0,500 %)

1.2 Manche Autoren behaupten, dass die größte Kolbengeschwindigkeit dann auftritt, wenn Pleuelstange und Kurbelkröpfung einen rechten Winkel bilden. Stimmt das? (VM - mittel)

1.3 Erklären Sie mit Hilfe des Zündabstandes, warum Sternmotoren immer eine

ungerade Anzahl von Zylindern haben. (EKFZ – schwer)

2 Kraftstoffe 2.1 Kontrollieren Sie den in der Formelsammlung gegebenen Wert für die

Mindestluftmenge Lmin bei Ottokraftstoff. (Tipps: VB 2.4) (EKFZ – leicht: 14,38)

2.2 Bestimmen Sie die Zusammensetzung CxHy eines Diesel-Modellkraftstoffes mit

einer Molmasse von 190 kg/kmol. (Tipps: VB 2.4) (EKFZ – mittel: 13,6; 26,6)

2.3 BMW gibt den Kraftstoffverbrauch seines 6-Zylinder-Ottomotors im M3 CSL mit

11,9 l/100 km an. Gleichzeitig behauptet BMW, dass die CO2-Emission des Motors 287 g/km betrage. Kontrollieren Sie diesen CO2-Wert. (Tipps: VB 2.2) (EKFZ – mittel (Klausur): 278,6 g/km)


2013-02-27




2.4 Die Verwaltung einer deutschen Großstadt überlegt sich, ob Sie die städtischen Busse auf den Betrieb mit Wasserstoff statt Diesel umrüsten sollen. Die Befürworter freuen sich über die Tatsache, dass Wasserstoffmotoren kein CO2 emittieren und somit die Umwelt entlastet wird. Die Gegner des Projektes befürchten, dass sich im Winter folgendes Problem ergeben könnte: Wasserstoffmotoren emittieren Wasser als Reaktionsprodukt der Verbrennung. Dieses Wasser könnte im Winter kondensieren und einen Eisfilm auf der Straße bilden, der dann zu unerwarteter Straßenglätte führen könnte. Führen Sie einige überschlägige Berechnungen durch und versuchen Sie abzuschätzen, ob das geschilderte Problem wirklich auftreten kann. (Tipps: VB 2.6) (VM – schwer)

3 Thermodynamik 3.1 Berechnen Sie den thermischen Wirkungsgrad (Gleichraumprozess) des 1,8-l-

Ottomotors von Opel bei Nennleistung. (Tipps: VB 4.1) (EKFZ – leicht: 0,6096)

3.2 Berechnen Sie den Gleichraum-Wirkungsgrad eines typischen Ottomotors. (Tipps:

VB 4.1) (EKFZ – mittel: 0,62)

3.3 Berechnen Sie den Gleichdruck-Wirkungsgrad eines typischen Dieselmotors.

(Tipps: VB 4.2) (EKFZ – schwer: 0,60)

3.4 Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad eines Dieselmotors, wenn folgende

Daten gegeben sind:

Verdichtungsverhältnis ε = 20 Ansaugdruck p = 0,9 bar Ansaugtemperatur t = 60°C Verbrennungshöchstdruck pmax = 80 bar Luftverhältnis λ = 1,28

Verwenden Sie als Idealprozess den Gleichdruckprozess und den Seiligerprozess. (Tipps: VB 4.2) (EKFZ – schwer: 0,6039; 0,6394)

3.5 Erstellen Sie eine Excel-Tabelle, mit der man den Seiliger-Prozess im p,V-

Diagramm für verschiedene Eingabegrößen darstellen kann. (Tipps: VB 4.4) (VM – schwer)

3.6 Erklären Sie, warum die Wirkungsgradlinie des Gleichdruckprozesses bei kleinen

Verdichtungsverhältnissen endet und nicht bis zur waagerechten Achse verläuft. (Tipps: VB 4.5) (VM – schwer)


2013-02-27




4 Kenngrößen

4.1 Berechnen Sie in einer Tabelle den effektiven Wirkungsgrad des Audi-TDI-Motors, wenn der spezifische effektive Kraftstoffverbrauch be-Werte von 180 g/kWh, 200 g/kWh, ... 320 g/kWh, 340 g/kWh annimmt. (Tipps: VB 3.2)

(EKFZ – leicht: 0.467 … 0,247)

4.2 Berechnen Sie für den Mercedes-CDI-Motor

- die Hubraumleistung bei Nennleistung und - den effektiven Mitteldruck sowie den effektiven Wirkungsgrad im Punkt des maximalen Drehmomentes. Gehen Sie dabei davon aus, dass der spez. eff. Kraftstoffverbrauch dort 200 g/kWh beträgt. (Tipps: VB 3.2)

(EKFZ – leicht: 55,24 kW/l; 21,46 bar; 0,421)

4.3 An einem 4-Zylinder-Viertakt-Otto-Motor (V

H = 1,76 dm

3, ε = 10,2) wurden auf dem

Prüfstand folgende Daten ermittelt: Drehzahl n = 5500/min

Bremskraft FB = 127,8 N

Hebelarm der Bremse x = 1 m stündl. Kraftstoffverbrauch Bm = 20,8 kg/h

Bei einer Zylinderdruckindizierung ergab sich eine indizierte Arbeit von W

i = 506 J.

Berechnen Sie die effektive Leistung Pe, den effektiven Mitteldruck p

e, den spez.

effektiven Kraftstoffverbrauch be, den mechanischen Wirkungsgrad η

m, die

Reibleistung Pr, den inneren Wirkungsgrad η

i und den Gütegrad. (Verwenden Sie

als Idealprozess den Gleichraumprozess.) (Tipps: VB 4.6) (EKFZ – mittel: 73,6 kW; 9,12 bar; 282,6 g/kWh; 0,793; 19,16 kW; 0,382; 0,632)

4.4 An einem Viertakt-Saugdiesel-Motor (VH = 1,9 dm

3) wurden auf einem Prüfstand

folgende Daten in einem Betriebspunkt ermittelt: Drehzahl n = 3230/min

Drehmoment MD = 67,1 Nm

stündl. Kraftstoffverbrauch Bm = 6,65 kg/h stündl. Luftbedarf Lm = 192 kg/h Umgebungsdruck p

u = 1 bar

Umgebungstemperatur tu = 30°C


2013-02-27




Berechnen Sie den Luftaufwand λa, das Luftverhältnis λ, die Motorleistung P

e, den

eff. Mitteldruck pe, den spez. effektiven Kraftstoffverbrauch b

e und den effektiven

Wirkungsgrad ηe.

(EKFZ – mittel: 0,907; 1,978; 22,70 kW; 4,44 bar; 293 g/kWh; 0,287)

4.5 In der Turbo-Ära der Formel 1 Anfang der 80er Jahre war einer der erfolgreichsten

Motoren der Porsche TAG-Motor. Die wichtigsten Kenndaten des 4-Takt-Motors waren:

V

H = 1,5 l

pLade, absolut

= 3,5 bar P

e,max = 625 kW bei n = 11000/min

z = 6

• Berechnen Sie für diesen Punkt der max. effektiven Leistung den effektiven Mitteldruck. Wie beurteilen Sie diesen Zahlenwert im Vergleich zu „normalen“ PKW-Motoren? (EKFZ – leicht)

• Als Rennmotor hat der Porsche-Motor ein Hub-Bohrungs-Verhältnis von 0,577. Wie beurteilen Sie diesen Zahlenwert? (EKFZ – mittel)

• Berechnen Sie Hub und Bohrung des TAG-Motors. (EKFZ – mittel)

• Schätzen Sie den effektiven spezifischen Kraftstoffverbrauch des Motors bei max. Leistung ab. Wählen Sie hierfür einen geeigneten λ

a–Wert.

(EKFZ – schwer (Klausur)) (45,45 bar; 47,3 mm; 82,0 mm; 1; 192,8 g/kWh)

4.6 DAF hat für die Super-Race-Truck-Klasse einen 4-Takt-Dieselmotor mit einer

Leistung von 1103 kW entwickelt. (Damit kann der Race-Truck übrigens innerhalb von 6,5 Sekunden von 60 km/h auf 160 km/h beschleunigen.) In einer Veröffentlichung in der MTZ (November 2000) werden folgende Zahlen genannt:

P

e = 1103 kW p

e = 52 bar

VH = 12 l p

lade,abs = 5 bar

tlade

= 45°C pZyl,max,abs

= 310 bar λ = 1 (DAF gibt wirklich einen λ-Wert von eins für den Dieselmotor an.)

• Berechnen Sie die zu diesen Motordaten passende Motordrehzahl.

(EKFZ – leicht)

• Schätzen Sie einen Zahlwert für den Luftaufwand λa und berechen

Sie damit den effektiven Wirkungsgrad ηe sowie den effektiven


2013-02-27




spezifischen Kraftstoffverbrauch be.

(EKFZ – mittel) • Berechnen Sie das Verdichtungsverhältnis ε unter der Annahme, dass der

maximale Druck im Zylinder pZyl,max

um 10% größer ist als der Kompressionsenddruck, der am Ende der Kompressionsphase erreicht wird. (VM – mittel (Klausur)) (2121/min; 1; 0,324; 259,7 g/kWh; 17,8)

4.7 Das folgende Bild zeigt das Kennfeld des effektiven spezifischen Kraftstoff-

verbrauchs (in g/kWh) des unaufgeladenen Ford-Duratorq-Motors (4-Takt-Motor, Motorhubvolumen V

H = 2,4 l) :

• Geben Sie an, ob es sich um das Kennfeld eines Otto- oder eines Dieselmotors handelt, und begründen Sie Ihre Entscheidung. (EKFZ – mittel)

• Berechnen Sie die Motorleistung in den Kennfeldpunkten A (eff. Mitteldruck = 1050 kN/m

2) und B (825 kN/m

2).

(EKFZ – leicht: 63 kW; 66 kW)

• Lesen Sie aus dem Kennfeld den minimalen effektiven spez. Kraftstoffverbrauch ab und berechnen Sie daraus den maximalen effektiven Wirkungsgrad. (EKFZ – mittel: 205 g/kWh; 0,410)


2013-02-27




4.8 Merker gibt in seinem Lehrbuch folgendes Kennfeld für einen Verbrennungsmotor an. Klären Sie, ob es sich hierbei um einen Otto- oder um einen Dieselmotor handelt und ob es ein Saugmotor sein kann. (EKFZ – mittel)

4.9 Der Fiat Multipla ist auch als Erdgasfahrzeug lieferbar. Hierbei besitzt der Multipla

vier Erdgasflaschen mit einem Volumen von jeweils 54 Liter, in denen sich Erdgas bei einem maximalen Druck von 200 bar befindet.

Berechnen Sie, welcher Tankfüllung mit Ottokraftstoff diese Energiemenge entspricht. (Tipps: VB 2.7) (EKFZ – schwer (Klausur): 43,4 l)

4.10 Das stärkste Serienmotorrad der Welt, die Münch Mammut 2000, wird mit einem

aufgeladenen 4-Takt-4-Zylinder-Ottomotor ausgeliefert. Münch gibt die Motorleistung mit 191 kW bei einer Drehzahl von 5650/min an.

• Berechnen Sie in diesem Leistungspunkt den effektiven Mitteldruck, wenn das

Motorhubvolumen VH = 2000 cm

3 beträgt.

• Berechnen Sie weiterhin, wie lange man das Motorrad bei maximaler Leistung betreiben könnte, wenn der Volllastkraftstoffverbrauch auf 250 g/kWh geschätzt wird und der Tankinhalt 26,5 l beträgt.


2013-02-27




• Berechnen Sie den effektiven Wirkungsgrad des Motors bei Volllast unter Verwendung des oben genannten Kraftstoffverbrauchs.

• Berechnen Sie den Wirkungsgrad des Vergleichsprozesses (Gleichraumprozess), wenn das Verdichtungsverhältnis des Motors zu ε = 10 geschätzt wird, und vergleichen Sie den Zahlenwert mit dem zuvor berechneten effektiven Wirkungsgrad.

(EKFZ – mittel (Klausur): 20,28 bar; 25,31 min; 0,3428; 0,6019; 0,5696) 4.11 Schätzen Sie den maximalen Mitteldruck, den man mit einem modernen Saug-

Ottomotor und mit einem modernen Saug-Dieselmotor erreichen kann. (Tipps: VB 3.8) (EKFZ – mittel: 11 bar; 10 bar)

4.12 Das folgende Kennfeld zeigt den effektiven spezifischen Kraftstoffverbrauch eines

4-Takt-TDI-Dieselmotors mit einem Gesamthubvolumen von 0,9 dm3:

Ein Pkw wird von diesem Dieselmotor angetrieben und benötigt für eine konstante

Geschwindigkeit von 60 km/h eine Motorleistung von 10 kW. Je nach eingelegtem Getriebegang kann diese Geschwindigkeit bei hoher Drehzahl (niedriger Gang) oder niedriger Drehzahl (hoher Gang) gefahren werden.

Geben Sie an, wie viel Liter Diesel-Kraftstoff der Autofahrer pro 100 km sparen kann, wenn er den Motor bei einer Drehzahl von 2000/min statt 5000/min betreibt. (Tipps: VB 6.4)

(EKFZ – mittel (Klausur): 3,57 l/100 km) 4.13 Ein 4-Takt-Ottomotor mit vier Zylindern und 3-Wege-Katalysator (λ = 1) wird bei

Umgebungsbedingungen (pU = 1 bar, tU = 20°C) betrieben. Vom Motor sind folgende Daten bekannt:

Hub-Bohrung-Verhältnis s/D = 0,913

Motorhubvolumen VH = 2,5 l


2013-02-27




In einem Betriebspunkt werden folgende Werte gemessen: Motordrehmoment Md = 202,3 Nm

Motordrehzahl n = 6750/min stündlicher Kraftstoffverbrauch Bm = 38,6 kg/h innere Arbeit eines Zylinders Wi,Zyl = 794 J

Berechnen Sie folgende Motorkennwerte: • effektive Motorleistung

• Kolbenhub s und Zylinderbohrung D • spezifischer effektiver Kraftstoffverbrauch • Luftaufwand λa • Reibleistung

Während der Motor in dem oben berechneten Betriebspunkt läuft, fällt eine

Zündkerze aus. Die Motorelektronik reagiert zunächst nicht und spritzt die gleiche Kraftstoffmenge wie zuvor ein. Berechnen Sie so genau, wie es mit den gegebenen Daten möglich ist, welche effektive Leistung der Motor abgibt. (Die Antwort „¾ der ursprünglichen Leistung“ ist nicht genau genug. Bitte rechnen Sie genauer.) (Tipps: VB 4.9) (EKFZ – schwer (Klausur): 143 kW; 87,2 mm; 95,5 mm;269,9 g/kWh; 0,994; 35,65 kW; 68,77 %)

4.14 An einem 6-Zylinder-Zweitakt-Diesel-Motor (V

H = 1227 dm

3) wurde bei

n = 225/min und Volllast ein Kraftstoffverbrauch von 864 kg/h gemessen, was einem spezifischen effektiven Kraftstoffverbrauch b

e = 217 g/kWh entspricht. Bei

der gleichen Drehzahl und verschiedenen Teillasten wurden folgende Kraftstoffverbräuche gemessen:

pe / bar 2,16 4,32 6,48 m_pkt_B / (kg/h) 261 440 619

• Berechnen Sie für Volllast die effektive Leistung P

e, den eff. Mitteldruck p

e, den

indizierten Mitteldruck pi und den Reibmitteldruck p

r, wenn der mechanische

Wirkungsgrad ηm auf einen Wert von 92% geschätzt wird.

(VM – leicht): 3981 kW, 8,65 bar, 9,41 bar, 0,75 bar

• Schätzen Sie den stündlichen Kraftstoffverbrauch bei Leerlauf in der max. Drehzahl (n = 225/min) ab. (Tipps: VB 6.1) (VM – mittel): ca. 82 kg/h

• Der Motor wird in ein Schiff eingebaut und dort auf der Propellerkurve (Pe ∼ n

3)

belastet. Welche max. Drehzahl stellt sich ein, wenn die Einspritzleitung eines


2013-02-27




Zylinders gebrochen ist und im dazu gehörenden Zylinder keine Verbrennung mehr stattfindet? Dabei soll vorausgesetzt werden, dass die indizierte Leistung der restlichen Zylinder und die Reibleistung des Motors konstant bleiben. Welche Nutzleistung wird dann an die Schiffsschraube abgegeben? (VM – schwer): 210/min, 3260 kW

4.15 Wenn man die Verbrauchskennfelder realer Motoren genau anschaut, so kann

man erkennen, dass im Allgemeinen die Linien konstanten spezifischen effektiven Verbrauchs (be) im Leerlaufbereich (pe sehr klein) mit einer kleinen positiven Steigung verlaufen. (be wird mit zunehmender Drehzahl größer.) Versuchen Sie, dieses Verhalten thermodynamisch zu erklären.

(VM – schwer) 4.16 Versuchen Sie thermodynamisch zu berechnen, wie groß der Kraftstoffverbrauch

Bm (in kg/h) eines 2-Liter-Ottomotors im Leerlauf bei n = 1000/min mindestens ist. Schätzen Sie dazu die Ladungswechselarbeit und die Reibungsverluste und stellen Sie eine Gleichung zur Berechnung von Bm auf. Begründen Sie dann mit dieser Gleichung, warum ein großer Pkw-Ottomotor (z.B. ein 6-Liter-Ottomotor) einen deutlich größeren Kraftstoffverbrauch im Leerlauf hat. ca. 0,4 l/h

(VM – schwer) 4.17 BMW hat in der MTZ 12/2004 das folgende Verbrauchskennfeld des 6-Zylinder-

Reihenottomotors veröffentlicht. Im Bestpunkt beträgt der spez. eff. Kraftstoffverbrauch 240 g/kWh. Bei den anderen Linien konstanten Kraftstoff-verbrauchs hat BMW die Zahlenwerte weggelassen. (Die blauen Balken geben die Verbrauchsverbesserung gegenüber dem Vorgängermodell an und können vernachlässigt werden.) Zeigen Sie ohne Rechnung durch eine kurze Überlegung, dass Sie trotzdem in der Lage sind, die Verbrauchslinien zu beschriften, und bestimmen Sie den Volllastverbrauch bei n = 6000/min. (Tipps: VB 4.12) (VM – schwer)


2013-02-27




4.18 In den Unterlagen finden Sie Verbrauchskennfelder eines Otto- und eines

Dieselmotors der A-Klasse. Ermitteln Sie den effektiven Kraftstoffverbrauch bei Leerlauf (n = 1000/min und n = 3000/min) für beide Motoren. (Tipps: VB 6.1) ca. 0,66 kg/h bzw. 0,37 kg/h bei 1000/min ca. 1,8 kg/h bzw. 2,1 kg/h bei 3000/min (VM – schwer)

4.19 Der Fahrer eines Pkws versucht, den Kraftstoffverbrauch im Leerlauf

abzuschätzen. Der Bordcomputer des Pkws kann leider nicht den aktuellen Kraftstoffverbrauch angeben, wohl aber den durchschnittlichen Verbrauch seit dem Nullsetzen des Tageskilometerzählers. Der Fahrer geht folgender-maßen vor: Er setzt den Tageskilometerzähler auf Null, fährt eine gewisse Strecke (7,2 km) mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 36,6 km/h, hält dann an und lässt den Motor im Leerlauf weiterlaufen. Dabei beobachtet er die Anzeige des Bordcomputers. Es ergeben sich die in der Tabelle angegebenen Werte ab dem Zeitpunkt 0 (Anhalten). Ermitteln Sie daraus den Kraftstoff-verbrauch im Leerlauf des Motors. (Tipps: VB 6.2) (VM – schwer) ca. 0,4 l/h

Zeit in s Verbrauch in l / (100 km) Zeit in s Verbrauch in l / (100 km)

0 4,55 111 4,72

20 4,57 123 4,74

35 4,61 145 4,76

58 4,63 156 4,78

70 4,65 166 4,81

80 4,67 190 4,83


2013-02-27




90 4,69

4.20 MTU hat im Jahr 2004 die neue Version der Baureihe 2000 mit einer großen

Werbekampagne vorgestellt. Eine wesentliche Aussage war, das bei der neuen BR 2000 der 10-Zylinder-Motor (10V 2000 M93) die gleiche Leistung hat wie der alte 12-Zylinder-Motor (12V 2000 M91), obwohl der neue Motor zwei Zylinder weniger hat. In den Unterlagen finden Sie alle Kenndaten, die MTU in den Werbeaussagen angibt. Versuchen Sie, mit diesen Daten zu erklären, warum es nichts Besonderes ist, dass der neue Motor die gleiche Leistung hat wie der alte. (Das Besondere an der neuen Baureihe ist aber, dass die neuen Motoren bei gleicher Leistung wesentlich leichter sind als die alten.) (VM – mittel)

4.21 Hyundai hat in der Ausgabe 10/2011 der Zeitschrift MTZ den Theta-GDI-Motor

vorgestellt und dieses Kennfeld veröffentlicht:

Das Kennfeld zeigt den eff. Wirkungsgrad des Motors in Prozent. Die max. eff. Leistung des Motors beträgt 204 kW bei 6000/min. Entscheiden Sie, ob es sich dabei um einen Otto- oder einen Dieselmotor handelt. Rechnen Sie weiterhin die Wirkungsgradangaben in eff. spez. Kraftstoffverbräuche um. Beschriften Sie zusätzlich die senkrechte Achse mit geeigneten Werten.

(EKFZ - mittel) 4.22 Bosch hat in der Ausgabe 9/2011 der Zeitschrift MTZ Motorschleppleistungen von

verschiedenen Motoren in Abhängigkeit von der Motordrehzahl angegeben:


2013-02-27




Die Angabe der Schleppverluste als Leistung ist nicht besonders sinnvoll, wenn man verschiedene Motorkonzepte miteinander vergleichen möchte. Überlegen Sie sich eine bessere spezifische Art der Darstellung. Vergleichen Sie das Ergebnis zusätzlich mit den Reibungsverlusten von Verbrennungsmotoren. Wie kann man den Unterschied erklären?

(VM - schwer) 4.23 VW hat in der Sonderausgabe 9/2011 der Zeitschrift ATZ den VW up! vorgestellt

und folgendes Diagramm veröffentlicht:

Es zeigt den Schleppmitteldruck des 3-Zylinder-Ottomotors (VH = 999 cm3, Pmax = 50 kW bei n = 6200/min). Die Beschriftungen der Koordinatenachsen wurden von VW entfernt. Können Sie trotzdem abschätzen, was an den Achsen wo steht?

(VM - schwer) 4.24 In der Sonderausgabe 2/2013 der Zeitschrift AMS wird der Polo R WRC

vorgestellt. Dieses Rallye-Fahrzeug unterliegt dem WRC-Regelment. Insbesondere gilt: Der Motor ist ein direkt einspritzender Ottomotor, der auf einen max. Ladedruck von 2,5 bar aufgeladen sein darf. Das Motorhubvolumen ist auf


2013-02-27




1,6 l begrenzt. Die angesaugte Luft muss durch einen Restriktor mit einem Durchmesser von 33 mm angesaugt werden. Der Motor hat einen 3-Wege-Katalysator. Die AMS gibt an, dass solche Motoren typischerweise eine eff. Motorleistung von 315 PS bei einer Drehzahl von 6000/min haben. Der Drehmomentbestwert liegt bei 415 Nm bei einer Drehzahl von 5000/min. Klären Sie, ob die Angabe des Ladedrucks von 2,5 bar einen relativen oder einen absoluten Ladedruck darstellt.

(VM - schwer) 6 Kräfte und Momente

6.1 Der V8-Motor im Volvo XC90 hat einen V-Winkel von 60°. Bestimmen Sie den

Zündabstand eines „normalen“ V8-Motors bei einem V-Winkel von 60°. Volvo hat durch eine spezielle Konstruktion der Kurbelwelle dafür gesorgt, dass der Zündabstand gleichmäßig ist. Machen Sie hierfür einen konstruktiven Vorschlag. (VM – mittel)

7 Konstruktionselemente

7.1 Klären Sie anhand der Tabelle mit den Motordaten, ob es sich bei dem 1,8-l-Ottomotor von Opel um einen 2-Ventiler oder um einen 4-Ventiler handelt. (VM – leicht)

8 Ladungswechsel

8.1 Der Antrieb der Nockenwelle über eine Kette ist nie ganz spielfrei. Insbesondere

durch Schwingungsvorgänge kann es vorkommen, dass die Nockenwelle nicht exakt synchron zur Kurbelwelle läuft, sondern um einen gewissen Verdrehwinkel vor- oder nacheilt. (Bei der Auslegung wird versucht, den maximalen Nockenwellenverdrehwinkel auf ±1,5° zu begrenzen.) Je größer dieser Verdrehwinkel ist, umso größer ist die Gefahr, dass die Ventile den Kolben berühren. Schätzen Sie mit einfachen Gleichungen ab, wie sehr sich beim


2013-02-27




1,8-l-Motor von Opel der minimale Abstand zwischen Einlassventil und Kolben im Extremfall verringert, wenn der Nockenwellenverdrehwinkel 1,5° beträgt.

(VM – schwer)

12 Aufladung

12.1 In Technik-Profi 16/2004 erklärt Werner Hofmockel die Aufladung von Motoren und

meint: „Bei aufgeladenen Otto- und Dieselmotoren wird das Verdichtungsverhältnis zurückgenommen. Das schafft zusätzliche Leistung, weil sich der Motor beim Verdichten weniger anstrengen muss.“ Was halten Sie von dieser Aussage?

(VM – schwer) 12.2 In den VDI-Nachrichten vom 17.8.2012 ist zu lesen: Der französische Automobil-

zulieferer Valeo möchte einen elektrisch angetriebenen Kompressor als Ergän-zung oder Alternative zum Abgasturbolader einführen. (Der Einsatz werde aber nach Aussage von Valeo im Allgemeinen in dem Bereich „Ergänzung“ liegen.) Der Vorteil des elektrischen Kompressors liegt darin, dass er unabhängig von Motor-Drehzahl und –Drehmoment Ladedruck aufbauen kann. Die Antriebsleistung beträgt bei einer Bordnetzspannung von 12 V maximal 2 kW. Dabei kann ein „Ladedruck“ von maximal 1,45 bar aufgebaut werden. (Die VDI-Nachrichten schreiben nicht, ob es sich dabei um einen Absolutdruck oder um einen Überdruck handelt.) Der Kompressor soll bei Motoren mit einem Gesamthubvolumen von 2 l einsetzbar sein. • Geben Sie einen Kommentar zur elektrischen Energieversorgung des

Kompressors ab. • Schätzen Sie mit einfach Berechnungen ab, welchen Luftmassenstrom man mit

einer Antriebsleistung von 2 kW auf einen Ladedruck von 1,45 bar verdichten kann.

• Machen Sie dann eine Aussage zum Einsatzbereich des Kompressors. (VM – schwer: 167 A / 0,042 kg/s bzw. 0,016 kg/s / Absolutdruck / 2000/min )

Documents

21_aufgaben