Fragesammlung-Sim VM-ZLLD PDF

Preview

Summary

Fragesammlung...

Description

Simulation von Verbrennungsmotoren 1.1. Stellen Sie schematisch einen aufgeladenen 6-Zylinder-Dieselmotor(!) dar (Benutzen Sie die ganze DIN A 4 Seite!): a) ein Abgasturbolader bestehend aus: i. einem Verdichterrad ii. einer Welle iii. zwei Turbinen (von je drei Zylindern beaufschlagt) b) Einlassleitungssystem c) Ladeluftkühler d) Abgasleitungssystem(e) b) Kurbelwelle c) Reibungsverluste und e) Abtrieb!

1.2. Stellen Sie schematisch einen aufgeladenen Dieselmotor dar (Benutzen Sie die gan-ze DIN A4-Seite!)! Berücksichtigen Sie folgende Bestandteile: a) 4-Zylinder b) 2-stufig aufgeladen i. 1. Stufe: Hochdruck-Abgasturbolader „1“ mit Waste-Gate „WG1“ ii. 2. Stufe: Niederdruck-Abgasturbolader „2“ mit Waste-Gate „WG2“ b) 2x Abgasleitungsvolumen („A31“ und „A32“ – jeweils vor der Turbine) c) 2x Ladeluftkühler als Zusatzvolumen („L31“ und „L32“ – jeweils nach dem Verdichter) d) notwendige Leitungssysteme e) Kurbelwelle f) Reibungsverluste und g) Leistungsbremse (Generator)!

1.3.Stellen Sie schematisch einen abgasturboaufgeladenen, direkteinspritzenden Otto-motor dar (Benutzen Sie die ganze DIN A 4 Seite!): a) 6 Zylinder, d) Einlassleitungssystem mit Ladeluftkuhler, b) Abgasleitungssystem, c) Abgasturbolader, d) mechanisch angetriebener Verdrangerlader vor dem Verdichter mit i. schaltbarer Umluftklappe ii. schaltbarer mechanischer Kupplung iii. Ubersetzungsverhaltnis: i=冎M(otor)/冎V(erdrangerlader) e) Kurbelwelle, f) Reibungsverluste und e) Abtrieb dar!

2. Zeichnen Sie für den Motor aus Frage 1.1 einen Zylinder mit: a) Zylinderkopf mit i. Ein-/Auslasskanal, ii. Ein-/Auslassventil, iii. Einspritzdüse, b) Kolben, c) Buchse! Tragen Sie für diesen Zylinder (den Arbeitsraum): a) alle Zustandsgrößen, b) die Systemgrenze und alle darüber fließenden Massen- und Energieströme ein!

3.1. Geben Sie für den Arbeitsraum des Zylinders aus Frage 2 die folgenden Gleichungen an

(Kurbelwinkelbereich Einlass-Schließt < φKW < Auslass-Öffnet; Herleitung der Gleichungen nicht notwendig): a) Differentialgleichung für Temperatur und Masse als Funktion des Kurbel-winkels, b) Zustandsgleichung für den Druck! Geben Sie nur Therme an, die im genannten Bereich relevant sind! 3.2. Geben Sie für den Arbeitsraum des Zylinders aus Frage 1 die folgenden Gleichungen an (Herleitung der Gleichungen nicht notwendig): a) Differentialgleichung für Temperatur und Masse als Funktion des Kurbel-winkels, b) Zustandsgleichung! Markieren Sie in den Gleichungen den/die Term(e), die im Kurbelwinkelbereich: a) Verbrennungsende < φKW < Auslass-Öffnet (Farbe a) und b) Auslass-Öffnet < φKW < Einlass-Öffnet (Farbe b) entfallen bzw. nicht relevant sind.

a)

,

b) c)

, ,

d)

3.3. Geben Sie unter Anwendung der Füllund Entleermethode für die Abgasleitungsvolumina „A31“ und „A32“ aus Frage 1.2: a) die Differentialgleichung für Temperatur und Masse in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel, b) die Zustandsgleichung für den Druck an!

Zustandsgleichung: 4.1.1. Geben Sie den Drallsatz für den Turbolader aus Frage 1.1 an! Berücksichtigen Sie dabei die am Verdichter und beiden Turbinen auftretenden Enthalpiedifferenzen und Massenströme! 4.1.2. Geben Sie für ein Tuboladerlaufzeug die Differentialgleichung für die Änderung der Winkelgeschwindigkeit über der Zeit unter Berücksichtigung der Verdichterleistung (PV) der an! Geben Sie an, um welchen Faktor sich die Hochlaufzeit von ω1 auf ω2 (bei sonst unveränderten Bedingungen) ändert, wenn das polare Massenträgheitsmoment des Laufzeuges nur noch 50% beträgt! Erläutern Sie diese Angabe auf Grundlage der Differentialgleichung!

4.2.Formulieren Sie den Drallsatz für das Drehschwingungssystem „Kurbelwelle mit Abtrieb“ aus Frage 1.3 unter der Annahme, dass die Kupplung des Verdrängerladers geschlossen ist!

4.3. Geben Sie für die Abgasleitungsvolumina „A31“ und „A32“ aus Frage 1.2 die Gleichungen zur Beschreibung der jeweils ein- und austretenden Massenströme an.

Einlassleitung

5. Geben Sie die Gleichung für die Berechnung des indizierten Kurbelwellendrehmoments für den Motor aus Frage 1.1 in Abhängigkeit der Zylinderzustandsgrößen an! Die effektive Motorleistung ergibt sich aus der Summe der indizierten Zylinderleistung

6.1. Stellen Sie für den Motor aus Frage 1.1 den Verlauf des Drucks vor Turbine 1 und 2 qualitativ in einem Diagramm über dem Kurbelwinkel dar (ein Arbeitsspiel, 0 °KW = ZündOT von Zylinder 1, Zuordnung zu Turbine 1 und 2)! 6.2.Zeichnen Sie für die zwei „Abgasleitungssysteme“ von Frage 1.1den Verlauf des Drucks der Abgasleitungssysteme qualitativ über dem Kurbelwinkel in ein Diagramm (für 720 °KW, 0 °KW = Zünd-OT von Zylinder 1; kennzeichnen Sie Bank 1 und 2)!

Turbinenbeaufschlagung mit zwei Zylindern

Turbinenbeaufschlagung mit drei Zylindern

7.1. Skizzieren Sie die üblichen Kennfelder zur Beschreibung des Betriebsverhaltens einer Radialturbine und geben Sie die Gleichung für die Turbinenleistung u.a. in Abhängigkeit vom Turbinendruckverhältnis an! Erläutern Sie am Beispiel dieser Kennfelder, wie man: a) den Massenstrom durch die Turbine und b) den isentropen Turbinenwirkungsgrad ermittelt!

Um den durch die Turbine durchgesetzten Massenstrom zu berechnen, ist die enntnis des geometrischen Turbinenquerschnitts sowie der Durchflussziffer T und die Zustandsgrößen am Einbzw. Austritt der Turbine erforderlich. Daraus ergibt sich:

7.2. Skizzieren Sie das Kennfeld eines Radialverdichters! Markieren und benennen Sie alle Betriebsgrenzen!

8. Geben Sie in einem Diagramm den Verlauf der spezifischen Wärmekapazität in Abhängigkeit von Luftverhältnis und Temperatur an!

9. Nennen Sie einen einfachen Ansatz zur Abbildung des Brennverlaufs in der Prozesssimulation und geben Sie hier für die Berechnungsgleichung an! Die nun bekannte Gastemperatur T (φ) geht zusammen mit dem Druck p (φ) und der Volumenänderung ΔV in den 1. Hauptsatz ein, angeschrieben in Differenzen-quotienten und bezogen auf die Winkeländerung Δφ zur schrittweisen Berechnung in einem EDV-Programm:

Neben der Erhöhung der inneren Energie U und der am Kolbenbolzen abgegebenen Arbeit pΔV führt die Verbrennung im realen Motor auch zu einem Wärmeverlust QW über alle den Brennraum einschließenden Flächen. Berücksichtigt man die Wärmeverluste, so erhält man den Brennverlauf ∆QB/∆φ:

Δu ist ein totales Differential und setzt sich aus den Änderungen der inneren Energie in Abhängigkeit von der Temperatur und der Gemischzusammensetzung cλ entsprechend dem Verbrennungsfortschritt zusammen:

mit

folgt dann die endgültige Form der Brennverlaufsberechnung:...