Gebyrudveksling

Gasudvekslingen i firetaktcyklussen inkluderer slag 4 (skubber ud) og 1 (suger ind)

Den udveksling af arbejdsdagen medium i intermitterende drift forskydning maskiner kaldes ladning udveksling . De vigtigste repræsentanter er frem- og tilbagegående forbrændingsmotorer, hvor arbejdsområdet brændte udstødningsgas fra forbrændingsaktiveret frisk gas (den nye ladning udveksles). Det er et væsentligt element i arbejdsprocessen motorer med forskellige forbrændingsprocesser, dvs. benzin motorer og dieselmotorer , både for totaktsmotorer og firetakts tilbagegående stempel og roterende stempelmotorer såsom Wankelmotoren .

Grundlæggende

Især ved høje motorhastigheder påvirker dårlig gasudveksling med reduceret friskladning og øget udstødningsgasretention både motorens ydeevne og forbrændingens kvalitet. Kun en gasudveksling, der er optimalt tilpasset de foretrukne hastighedsområder, sikrer effektiv drift med maksimal ydelse og lave emissioner af forurenende stoffer. Den væsentlige parameter er frem for alt leveringsgraden eller luftforbruget som et mål for effektiviteten af ​​gasudvekslingen. Når totaktsmotor også den volumenbaserede er Spülgrad og fældefangst effektivitet vigtigt.

Afhængig af den hastighed, der har betydelig indflydelse på optimeringen af ​​opladningscyklussen, er ventiltimingen , antallet af ventiler pr. Cylinder og åbningstværsnittet og diameteren resultatet af ventilløft samt de dynamiske trykforhold i både indsugningssystemet og i udstødningskanalen , hvor der eventuelt tages hensyn til en afgift inkl. intercooling . Optimering af gasudvekslingen kræver derfor omhyggelig koordinering af alle elementer, inklusive indtagskanalen og udstødningssystemet . Dermed udnyttes dynamiske resonanseffekter også specifikt ved foretrukne hastigheder ( resonansopladning ), hvilket er særligt nyttigt til motorer, der overvejende kører med en fast hastighed ( generatorsæt & kraftvarmeenheder eller også til plæneklippere osv.).

Gasudveksling i en firetakts frem- og tilbagegående motor

I firetaktsmotoren bruges skiftet i arbejdsrummet skiftevis til arbejdsydelse og til gasudveksling: Det stempelstempel udfører gasudvekslingen i to af de fire cyklusser: skubber ud og suger ind :

Gasudvekslingen i firetaktsmotorer styres normalt af ind- og udløbsventiler på topstykket , som forsegler forbrændingskammeret og frigiver frisk gas og udstødningsgas separat, så når stemplet bevæger sig opad, skubbes udstødningsgassen ind i udløbet kanaler, og når stemplet bevæger sig nedad, suges den friske blanding ind gennem indløbskanalerne. Indtil kort efter afslutningen af ​​anden verdenskrig blev der også bygget motorer med glidekontrol . I moderne motorer anvendes klodeventiler, der opfylder kravene lettere og bedre til lavere omkostninger. Ventilerne betjenes af en knastaksel via armaturer og vippearme eller vippearme .

Tab af gasudveksling og timing

Forløbet af gastrykket i arbejdsområdet (cylinder) kan vises i et p-α-diagram eller i et pV-diagram , hvor α angiver krumtapvinklen og V forskydningen :

Gasudvekslingen kan sammenlignes med en pumpeproces, der bruger en bestemt del af motorkraften. I forhold til den skematiske gengivelse af en firetaktsmotorproces kan gasudvekslingstab opdeles som følger:

Firetaktscyklus af en ideel typisk langsomt kørende Otto-motor ➯ rigtig hurtig kørsel af udløbsventilen åbner allerede i slutningen af ​​ur 3 mellem ur 4 og 1, der overlapper åbningstiderne for udstødnings- og indsugningsventilen, og efter ur 1 forbliver indløbet over UT- tilføjelsen åbnet for at give mere tid til den nye ladning at strømme ind, mens stemplet allerede starter komprimeringsslaget

Bestræbelser på at gøre motorer mere effektive inkluderer ud over mange andre tiltag såsom reduktion af friktionstab også en reduktion i gasudvekslingstab, hvorved belastningskontrol med især gashåndtagsventil skal undgås, så der ikke er behov for at suge mod undertryk i indsugningsmanifolden: En variabel ventilstyring minimerer tab ved i stedet at kontrollere fyldningsniveauet ved at justere lukningen af ​​indløbsventilen ( Miller-motor ).

Påvirkning af ventiltimingen

Med konventionel ventilstyring med faste styretider har designet følgende indflydelse på ydeevneegenskaberne:

• Aö (udløb åbner): Tidligt (sent) AÖ forårsager høje (lave) tab i ekspansionsarbejde, men reducerer (øger) ekspansionsarbejdet.
• Det (indløbet lukker) påvirker påfyldningen og dermed drejningsmomentegenskaberne for en motor meget stærkere end den anden timing: tidlig ES er gunstig for højt drejningsmoment i det lavere hastighedsområde, men kræver svag påfyldning ved nominel hastighed; sent ES (sportsmotor) resulterer i høj nominel effekt med tab af fyldning ved lave hastigheder.
• Eö og As (område med ventiloverlappende ): Hvis der er en stor ventiloverlapping, kan en del af den friske gas, der allerede strømmer ind på samme tid, stadig undslippe ubrugt, når udstødningsgassen trækkes ind (udluftningstab svarer til det af totaktsmotoren), som i motorer med blandingsindtag forværrer den effektive effektivitet og λ _l <λ _a . På den anden side øges leveringsgraden og dermed ydelsen gennem de omfattende restgasemissioner og det udvidede indtag , hvilket hovedsageligt bruges i sportsmotorer.

I moderne motorer uden variabel ventilstyring er den faste timing omtrent på følgende værdier ( ° KW betyder grader krumtapvinkel ; timing i parentes er ekstreme fortolkninger):

Opladningsændring i en roterende motor (4 cyklusser)

Gasudveksling i en roterende motor

Den wankelmotor også arbejder efter firetakts proces, men anvender en spalte kontrol (svarende til totaktsmotorer ) i stedet for ventiler , hvorved stemplet overtager styringen af udvekslingen gas ved åbning eller lukning af åbninger i indkapslingen eller sidevindue. Timingen bestemmes af slotsens geometri. Også her kan både indtagskanalen og udstødningssystemet indstilles til resonans for specifikke hastigheder.

Gasudveksling i en totaktsmotor

Skematisk repræsentation af en cross-scavenged Otto totaktsmotor med en membran indløb

I stempelmotorer med stempel, der fungerer i henhold til totaktsprocessen, ændres ladningen mellem arbejdsslagene ved at skylle udstødningsgasserne ud med en frisk ladning. De har kontrolåbninger, som stemplet frigiver eller lukker, så de i modsætning til firetaktsmotoren ikke har et ventiltog. For at gøre dette har du brug for en pumpe til den friske gas. I små totakts benzinmotorer er dette normalt stemplets underside i krumtaphuset. Lufttilførslen til krumtaphuset åbnes via en membranventil eller gennem stemplets underkant, mens stemplet bevæger sig opad skaber et undertryk, der suger ind i brændstof-luft-blandingen. I arbejdsslaget komprimerer stemplet blandingen i krumtaphuset. Kort før bundens dødpunkt åbnes overløbskanalen, der fører fra krumtaphuset til arbejdskammeret, hvorigennem den friske gas strømmer ind i arbejdskammeret og skubber udstødningsgassen ud.

Store totakts dieselmotorer har eksterne blæsere kombineret med turboladere. Udstødningsventilerne, der styres af en knastaksel, lukkes inden indsugningen, så de kan oplades. Indgang via slidser styres af stemplet.

Totaktsmotoren udfører dybest set gasudvekslingen i bunden af ​​dødcenter, med frisk gas, der skubber udstødningsgassen ud af cylinderen. Denne dynamisk ekstremt komplekse rensningsproces fungerer imidlertid ikke optimalt og opnår normalt kun ufuldstændig udveksling i et kompromis med mindst muligt tab af uforbrændt frisk gas, der strømmer igennem (se også: grad af opsamling ). I princippet kan tre teoretiske grænsesager overvejes:

• Deplacement scavenging : Frisk gas og udstødningsgas er ideelt adskilt af en front og må ikke blandes: Scavenging fungerer optimalt, da frisk gas skubber udstødningsgassen ud af cylinderen så fuldstændigt som muligt.
• Fortyndingsskylning : indgående frisk gas blandes kontinuerligt ind i cylinderindholdet, hvis overskud strømmer ud via udstødningsgasvejen, hvorved andelen af ​​frisk gas stiger støt i løbet af processen.
• Kortslutningsspyling (uønsket): Frisk gas undslipper direkte til udløbet uden at bidrage til at rense cylinderens ladning.

En effektiv gasudveksling = skylningsproces bør undgå udslip af frisk ladning direkte i udløbet så langt som muligt uden at efterlade for meget udstødningsgas i forbrændingskammeret: En overdreven udstødningsgasandel kan forringe motorens kørsel, hvis blandingen ikke brænder igennem korrekt, så ydeevnen og emissionerne falder Ufuldstændigt forbrændte kulbrinter stiger kraftigt.

Skylningsmetode

Der er udviklet en række skyllemetoder til totaktsmotoren . I de fleste af dem styres gasudvekslingen af ​​slots. Dette betyder, at der er åbninger i cylinderens løbeflade, som stemplet passerer over og således lukker eller åbner. Ikke kun den øvre kant af stemplet, men også den nederste kant såvel som lommer eller åbninger i stemplets nederdel kan tjene som kontrolelement.

Opladningsændring i en totaktsmotor ( omvendt rensning )

• Ved omvendt skylning er der et udløb på den ene side af cylinderen mellem to indløbsslidser. Gassen strømmer fra indløbsslidserne gennem hele arbejdsområdet og afbøjes af den modsatte cylindervæg mod udløbet.

• Cross-flow skylning : indløb og udløb er modsatte. Den nye gasstrømledes opadgennem en indløbsslids, der åbnertangentielt ind i cylinderen eller en næse på toppen af ​​stemplet. Denne type udrensning kan også tilsluttes en glideventil i udstødningsporten for at opnå asymmetriske kontroltider, men indsatsen er meget høj.

Langsgående skylning i en udstødningsstyret totakts dieselmotor

• Langsgående skylning ( jævnstrømsskylning ): Her er der normalt en løfteventil i topstykket, som er ansvarlig for udløbet, mens indløbet styres via slidser gennem stemplet. På denne måde kan det opnås, at udløbet åbnes tidligere og lukkes tidligere end indløbet, hvilket muliggør opladning. Imidlertid er det tekniske og dermed økonomiske udlæg i produktionen betydeligt højere end med en slotkontrol. Processen bruges til store dieselmotorer i skibe.
• Langsgående skylning med modstående stempel : to stempler kører i en cylinder. Mens den friske gas tilføres i slot-styret i et stempel, slipper den også gennem slots i det andet. Ulemper er de høje produktionsomkostninger og den store temperaturforskel mellem de to stempler. Et asymmetrisk kontroldiagram er også muligt her.
• Langsgående rensning med dobbeltstempler : to cylindre, der står direkte ved siden af ​​eller bag hinanden, deler et fælles forbrændingskammer. Stemplerne sidder på en delt eller gaffelformet forbindelsesstang. Det ene stempel styrer indløbsslidserne i den ene cylinder, det andet styrer udløbsåbningerne i overensstemmelse hermed.

Skylning i længderetningen er den mest effektive variant af alle processer.

Undgåelse af skylningstab

I princippet er skylningstab ikke kritisk i motorer med indsprøjtning i cylinderen ( dannelse af intern blanding ), da kun luft bruges til skylning, og derved går intet brændstof tabt.

For totaktsmotorer, der er ladet med en ekstern kompressor, kan en ekstern blandingsdannelse ved hjælp af indsugningsmanifoldinjektion eller indsprøjtning af brændselsgas moduleres på en sådan måde, at udrensningen først udføres med ren luft, og brændstoffet kun er tilføjet kort inden slutningen. Dette tillader en generøs udrensning af udstødningsgasserne med udluftningstab kun fra brændstoffri luft.

Dette princip bruges også til totaktsmotor med en simpel karburator implementeret af stemplet i de fræsede lommer til overførselsåbninger i det øverste døde center forbundet til rene luftkanaler, så overløbskanalen er til stede en ren luftkolonne. Hvis stemplet åbner overløbskanalen i bundens dødpunkt, skylles udstødningsgassen først ud af arbejdsområdet med den rene luft indeholdt deri. Først derefter strømmer den alt for rige blanding ind, som næppe kan gå tabt.

Resonansopladning

For at optimere leveringsgraden eller luftforbruget kan gasudvekslingen understøttes væsentligt ved resonansopladning med et system af kanaler og resonanskamre, der er tilpasset hastigheden, både i indtagskanalen og på udstødningssiden. Dette fungerer for en enkelt cylinder eller for motoren som helhed med de periodiske suge- og udstødningscyklusser for de enkelte cylindre oven på hinanden med deres antal tilsvarende øget frekvens.

Resonansopladning er især velegnet til motorer, der overvejende kører med en fast hastighed ( generatorsæt og kraftvarmeenheder eller til plæneklippere osv.), Men det optimerer også køretøjsmotorer til foretrukne hastighedsområder. I motorer med turboladning bruges resonansopladning ofte ved lave hastigheder for at kompensere for turboladers drejningsmoment .

Sugeresonans

Gasudvekslingen er signifikant påvirket af indtagskanalen: Når indsugningsventilerne åbnes, løber undertrykket gennem indsugningsmanifolden som en bølgefront ved lydens hastighed og vendes i sin åbne ende som en positiv trykbølge, der løber tilbage mod cylinderen, hvor det forårsager en ekstra opladning eller lige før indsugningen -Konklusion kan forhindre, at den friske opladning, der allerede er bragt ind, strømmer tilbage. Koordineringen af ​​indtagskanalen over længden af ​​indsugningsmanifolden bestemmer trykbølgens kørselstid og dermed effektiviteten afhængigt af hastigheden. De første systemer i den såkaldte oscillerende røropladning tilbød kun en optimal gasudveksling i et snævert hastighedsområde, men de første variable variable indsugningsmanifoldsystemer med to og senere tre forskellige indsugningsmanifoldlængder dukkede tidligt op. Nogle motorfabrikanter bruger nu trinløst indsugningsmanifold, afhængigt af hastigheden.

I tilfælde af seks og tolvcylindrede motorer er der en kombination af resonans og resonansrøropladning. Resonanseffekterne er effektive ved lave motorhastigheder, mens gassvingningerne derefter kommer i spil i det øvre motorhastighedsområde på grund af de korte indsugningsmanifolder. I dette tilfælde er sugerørene på seks cylindre forbundet via en opsamlingsbeholder, i midten der er en klap. To yderligere resonansrør fører fra beholderen til en resonansopsamler. Klappen er lukket i det lavere hastighedsområde. Tre cylindre suger derfor ud af en opsamlingsbeholder og via et resonansrør fra den fælles resonansopsamlingsbeholder; kan sammenlignes med et langt sugerør. I effektindstillingen til højere hastigheder (med normale benzinmotorer fra ca. 4000 omdr./min.) Åbnes klappen, og alle seks cylindre leveres fra en container via korte oscillerende rør.

Udstødningsgasresonans

I lighed med indtagskanalen kan trykbølgerne genereret af den periodiske udstødning også bruges på udstødningssiden med en resonansudstødning , som understøtter gasudvekslingen , især til totaktsmotorer. Ved hjælp af en passende geometri af udstødningssystemet, der er optimeret til den nominelle hastighed, kan det opnås, at den friske gasblanding, der oprindeligt er flygtet ind i udstødningssystemet, skubbes tilbage i forbrændingskammeret af en reflekteret trykbølge.

Totaktsmotoren er - som i mindre grad firetaktsmotoren og generelt og i varierende grad andre varmemotorer - et resonanssystem, hvis ydeevne dog i modsætning til firetaktsmotoren er meget afhængig af de anvendte gassers vibrationsegenskaber ( inerti ).

litteratur

• Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert: Vieweg håndbog bilteknologi. 2. udgave, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig / Wiesbaden, 2001, ISBN 3-528-13114-4 .
• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Automobile paperback. 25. udgave, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3 .
• Pischinger, Franz: Forbrændingsmotorer, genoptryk af forelæsningen. Formand for anvendt termodynamik, 1987, selvudgivet.