Thermodynamische Betrachtung Dieselmotor

[cool]

Guten Morgen,

ich bräuchte mal etwas "Schützenhilfe" zum Thema Dieselmotor. Und zwar konkret zum Unterschied zwischen ungeladenen, aufgeladenen und aufgeladenen/zwischengekühlten Motoren.
Konkret geht es mir auch um den Wirkungsgraddabei und nicht die mögliche Leistungsausbeute. Die Aufladung erfolgt mittels Abgasturbolader.

Mal angenommen ich habe ein und denselben Dieselmotor der eben in den drei Ausbaustufen betrieben werden kann. Wo ist zu erwarten, dass der spezifische Verbrauch am geringsten ist?
Meine These:
- Ungeladen wird der Wirkungsgrad wahrscheinlich eh nicht mit den anderen beiden Varianten mithalten können.

- aufgeladen mit zwischenkühlung (also Ladeluftkühler) ermöglicht zwar eine höhere Leistungsdichte (bei entsprechend mehr Treibstoff), funktioniert aber "nur" im hohen Lastbereich, wenn auch ordentlich Luft gefördert wird und entsprechend warm wird.
Vorteil: Durch die geringere Temperatur der Ladeluft muss der Motor selbst auch weniger Verdichterarbeit leisten. Die vorhandene Luftmasse bei jedem Zyklus steigt (weil gleiches Volumen, gleicher Ladedruck, weniger Temperatur = höhere Dichte).
Nachteil: Die zusätzliche Verrohrung und der Kühler selbst haben einen Widerstand und das muss ja letztendlich auch durch den Turbo kompensiert werden, oder andersrum, es kommt weniger in den Brennräumen an. Und man entzieht der Ladeluft ja wieder Energie, die vorher erstmal eingebracht wurde.

Ich denke nun, dass die Variante ohne Zwischenkühlung am effizientesten ist. Wenn ich die Systemgrenzen vor dem Turbokompressor und nach der Turboturbine ziehe, dann fungiert der Turbo ja als eine Art Energierückgewinnung, indem er nicht nur das Druckgefälle sondern auch die Temperaturdifferenz vor/nach der Turbine nutzt und diese Energie (in Teilen) wieder der Ansaugluft zuführt.
Bei stationären Gasturbinen wird sowas ja auch in Form einer Abgaswärmerückführung durchgeführt oder manch einer kennt das von den Klimaanlagen der Verkehrsflugzeuge, bei denen "Reheater" verbaut sind.

Wenn es so ist (ohne Zwischenkühlung am effizientesten), wo entsteht der "Mehrwert" unterm Strich? An der Turbine des Turbos, die bei gleichem Kraftstoffeinsatz (weil man warme Luft mit gleicher Menge Kraftstoff einfach wärmer bekommt als kältere Luft) über ein höheres Temperaturgefälle verfügt und so mehr Energie aus dem Abgas ziehen kann -> effizienter lädt?


Klar ist, dass man bei aktuellen Dieselmotoren dennoch immer einen Ladeluftkühler sieht um den Motor thermisch zu entlasten. Zudem wären anders die gefahrenen Leistungsdichten wohl nicht machbar (moderne Diesel gehen ja über 100PS/Liter). Außerdem kann man dann kleiner bauen und spart Platz/Gewicht was ja meist auch einen positiven Einfluss hat.

Vielen Dank

 

[pok]

Als ehemaliger Student im Fach Kolbenmaschinen kann ich dir bestätigen, dass bei ansonsten gleichen Rahmenbedingungen der zweifach aufgeladene Motor mit Ladeluftkühlung den besten Wirkungsgrad haben wird, da die Abgasenergie so optimal für die Verdichtung eingesetzt werden kann.

 

[pok]

Theoretisch würde jede weitere Verdichtung mit weiteren Ladern und Kühlung den Wirkungsgrad noch weiter steigern, aber das hat man soweit ich weiß noch nie gemacht und Gewicht und Bauaufwand würden unangemessen groß werden.
Der Grund warum die Kühlung hilft, ist das du so mehr Sauerstoff pro Takt in den Zylinder bekommst und du weniger Verdichtungsarbeit mit der Kurbelwelle leisten musst.

 

[cool]

Der Grund warum die Kühlung hilft, ist das du so mehr Sauerstoff pro Takt in den Zylinder bekommst und du weniger Verdichtungsarbeit mit der Kurbelwelle leisten musst.

Die Sauerstoffmenge absolut bei einer ohnehin sehr mageren Verbrennung wird ja sekundär sein. Es geht ja nicht darum mehr Sauerstoff für mehr Kraftstoff zur Verfügung zu stellen.

Die Frage ist ja wirklich, ob die geringere Verdichterarbeit des Motors unterm Strich die sonstigen "Nachteile" der Zwischenkühlung aufhebt. Ich habe da halt die Gasturbinen mit Rekuperator im Kopf, die durch eine Energierückführung deutlich an Effiziens gewinnen.
Der Knackpunkt: die machen das natürlich direkt vor der Brennkammer. Das geht beim Diesel ja nicht, weil zyklischer Betrieb und dann müsste man nach dem Verdichten und vor dem Verbrennen die Wärme "einführen".

 

[pok]

Je mehr Sauerstoff verdichtet wird, um so mehr Brennstoff kann eingespritzt werden, das ist nicht sekundär, sondern der Treiber für die Motorauslegung.
Die Abwärme der Ladeluftkühler wird nicht in den Brennraum geführt, sondern nach außen abgeführt.
Vergleichbar ist das ganze übrigens mit Hochdruckkompressoren, die zwischen den Stufen natürlich auch kühlen, da das Weiterverdichten von heißer Luft recht ineffektiv ist, weswegen Tauchkompressoren in den Tropen wesentlich schlechter arbeiten als der gleiche Kompressor im Herbst in Deutschland.

 

[cool]

Je mehr Sauerstoff verdichtet wird, um so mehr Brennstoff kann eingespritzt werden, das ist nicht sekundär, sondern der Treiber für die Motorauslegung.

Bei der Motorauslegung klar, ich wollte hier ja darauf hinaus, dass es um einen fixen Motor geht, der so einfach in unterschiedlichen Regimen gefahren wird. Bei der Betrachtung zwischen den drei Arten soll dabei nicht an anderen Motorenparameter "herumgedreht" werden.

Die Abwärme der Ladeluftkühler wird nicht in den Brennraum geführt, sondern nach außen abgeführt.

Auch das ist klar. Bei Gasturbinen geht man den anderen Weg und nimmt Wärme aus den Abgasen und leitet diese direkt vor die Brennkammer.


Hintergrund der Frage: Wenn ich einen Saugerdiesel habe, lohnt die Aufrüstung mit einem Turbo bzw. mit einem Turbo+Ladeluftkühler OHNE das ich am Motor selbst etwas ändere. Wir können getrost davon ausgehen, dass der Motor das mechanisch verkraftet.
Wird sich bei einer definierten abgerufenen Leistung dann eine Verbrauchsreduzierung einstellen?

 

[mg218]

Das stöchometrische Verhältnis ist dennoch nicht zu vernachlässigen.
Und da hast Du letztendlich den Luftmengenmesser, der dann sagt, Du brauchst größere Einspritzdüsen, stärkere Pumpe.

 

[pok]

Bei der Motorauslegung klar, ich wollte hier ja darauf hinaus, dass es um einen fixen Motor geht, der so einfach in unterschiedlichen Regimen gefahren wird. Bei der Betrachtung zwischen den drei Arten soll dabei nicht an anderen Motorenparameter "herumgedreht" werden.

Genau, deswegen kannst Du mehr Öl einspritzen und die Leistung steigt zusammen mit dem Wirkungsgrad. Denn höherer Mitteldruck bedeutet besserer Wirkungsgrad.

Wenn Du tatsächlich die Lader und Kühler an einen fertigen Motor schraubst, dann würde sich der Aufwand wohl nicht lohnen. Aber in der Auslegungspraxis würdest Du jetzt den Hubraum verringern können und die Kurbelwelle und die Ventilsteuerung verändern und so den Mitteldruck halten, aber mehr Arbeit „abzapfen“.

Ohne Anpassung der Ventilsteuerung und der Kurbelwelle würdest Du diese Vorteile nicht voll nutzen können.

 

[Doppelnik]

Die Ladeluftkühlung ist ein Schritt zur Carnotisierung, d.h. man nähert sich dem idealen Kreisprozess mit isothermer Wärmeabfuhr an (mehr Wärmeabfuhr im Ladeluftkühler bei niedriger Temperatur, weniger im heißeren Abgas). Mit einer Ladeluftkühlung erreicht man daher i.d.R. immer den besseren Wirkungsgrad.

Du solltest aber besser konkreter werden, mit dem was Du vorhast, wenn man z.B. einen Dieselmotor mit Turbolader und LLK versiehst, diesen hinterher aber nur mit der selben geringen Leistung betreibst, dann kann es sein, dass der Turbo nur als Strömungswiderstand wirkt und keineswegs den Verbrauch vermindert

 

[pok]

Das ist richtig, das was die Abgasturbine und der Wärmetauscher einem „zurückgibt“ kann man nur nutzen, wenn Verdichtung und/oder Steuerzeiten angepasst werden.

Wenn man strikt denselben Motor betrachtet und Nockenwelle und Kurbelwelle nicht mit austauscht, dann bringt die Aufladung wenig bis nichts.

 

[Doppelnik]

Verdichtung anpassen kann bei Aufladung ja eigentlich nur eine Verringerung bedeuten, damit sinkt der Wirkungsgrad aber in der Regel leicht ab. Ohne den Anwedungsfall zu kennen ist eine klare Aussage nicht möglich, bei PKW Antrieben spart man durch die Aufladung bei gleichen Hubraum eine Menge ein, wenn das zusätzliche Drehmoment für eine längere Übersetzung genutzt wird, aber i.d.R. nichts wenn man das originale Getriebe verwendet.

Bei BHKW würde ich auf eine Ladeluftkühlung nach Möglichkeit verzichten, weil die im LLK abgeführte Wärme auf einem zu niedrigen Temperaturniveau abgeführt wird um sie für Heizleistung nutzen zu können.

Kann man jetzt ewig drüber weiterspekulieren....

 

[Stovebolt]

Wenn man strikt denselben Motor betrachtet und Nockenwelle und Kurbelwelle nicht mit austauscht, dann bringt die Aufladung wenig bis nichts.

Ich frage mich was du immer mit der Kurbelwelle hast.
Verdichtung reduzieren? Das macht man über Kolben, dickere Kopfdichtung oder Reduzierplatten.
Mein Prof. für Aufladungstechnik, ehem. Motorenentwickler bei MTU (Leopard 2) und Mercedes (Gruppe-C) hatte mal gesagt, wenn man früher auf der Autobahn einen BMW 2002 Turbo im Rückspiegel gesehen hat konnte man ganz gelassen im Benz bleiben und dem entgehen indem man sachte aufs Gas drückt.
Gruß!

 

[Doppelnik]

Mit dickeren Kopfdichtungen und Reduzierplatten schafft man beim Diesel reichlich Toträume für die Luft welche für die Verbrennung nicht oder erst viel zu spät zur Verfügung stehen. Grade beim Diesel kann man dies überhaubt nicht gebrauchen und man versucht den Quetschspalt so klein wie möglich zu halten (ca. 0,5-0,6 mm). Welche Benze sind denn damals einem 2002 Turbo davongefahren? Viele werden es nicht gewesen sein (außer man berücksichtigt die Tankstopps...).

 

[pok]

Verdichtung anpassen kann bei Aufladung ja eigentlich nur eine Verringerung bedeuten, damit sinkt der Wirkungsgrad aber in der Regel leicht ab.

Nein, denn ich würde die Verdichtung nur so weit reduzieren, dass ich beim gleichen Betriebspunkt wieder den gleichen Mitteldruck habe wie vorher. Die Luft „weiss“ nicht, ob der Turbolader sie verdichtet hat, oder der hochfahrende Zylinder, aber mit der reduzierten Verdichtungsarbeit des Zylinders kann ich im gleichen Betriebspunkt diese delta W jetzt extern nutzen, deswegen besserer Wirkungsgrad.

 

[Doppelnik]

Ich denke, Du meinst den Spitzendruck, sonst wär das reichlich witzlos

Das Verdichtungsverhältnis (gilt für Flugmotoren ganz besonders) wird auch im Hinblick auf das Startverhalten gewählt, mit den alten Einspritzungen konnte man nicht 1:16 gehen (eher 1:22 für indirekte Einspritzung) ohne das Kaltstartverhalten dramatisch zu verschlechtern. Ich meine die SDI bei Volkswagen haben dassselbe Verdichtungsverhältnis wie die TDI damals gehabt

 

[pok]

Ich frage mich was du immer mit der Kurbelwelle hast.
Verdichtung reduzieren? Das macht man über Kolben, dickere Kopfdichtung oder Reduzierplatten.
Mein Prof. für Aufladungstechnik, ehem. Motorenentwickler bei MTU (Leopard 2) und Mercedes (Gruppe-C) hatte mal gesagt, wenn man früher auf der Autobahn einen BMW 2002 Turbo im Rückspiegel gesehen hat konnte man ganz gelassen im Benz bleiben und dem entgehen indem man sachte aufs Gas drückt.
Gruß!

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Verdichtung zu reduzieren. Mir fällt da ein:

Kopfdichtung

Kolbendicke oder Form

Zylinderkopf

Nockenwelle

Kurbelwellenlager nach unten verschieben

Strömungswiderstand im Ansaugbereich (Ottomotor), kann man beim Diesel auch machen.

Haben alle Vor- und Nachteile, aber wenn man den Motor neu auslegt wird man sicher die Kurbelwelle und die Nockenwelle anpassen um eine „saubere“ Lösung zu bekommen.

 

[Chopper80]

Welche Benze sind denn damals einem 2002 Turbo davongefahren

Die Bemerkung zielt wohl eher auf das recht grosse "Turboloch" des 2002 hin...

C80

 

[Doppelnik]

Beim Diesel sollte man den Quetschspalt (und damit das schädliche Volumen) so klein wie möglich lassen, damit entfäll Kopfdichtung, Zylinderkopf, Kurbelwellenlager verschieben. Den Strömungswiderstand zu erhöhen ist onehin widersinnig, da ich damit den Nutzen eines Turbos eleminiere aber die Nachteile (Abgasgegendruck) beibehalte, damit bleibt nur die größere Kolbenmulde und andere Steuerzeiten übrig. Mit anderen Steuerzeiten (Miller oder Atkinson), kann ich eventuell ein bisschen beim Verbrauch gewinnen, aber ich verzichte auf eine wirksame Leistungssteigerung.

Später Einspritzen oder den Motor für höhere Spitzendrücke anpassen ist daher der einzig gangbare Weg wenn man mehr Leistung durch Aufladung (oder höhere Aufladung) erzielen will.

 

[Stovebolt]

Die Bemerkung zielt wohl eher auf das recht grosse "Turboloch" des 2002 hin...

C80

Jepp. Bis der 2002 Turbo mal aufgewacht war, reichte beim Benz ein sanfter Druck aufs Gaspedal, um über alle Berge zu sein. Übertrieben gesagt.
Gruß!

 

[cool]

Du solltest aber besser konkreter werden, mit dem was Du vorhast

Stimmt, ganz klar. Erstmal vielen Dank für die guten Infos und die rege Beteiligung.

Konkret ist es so, dass ich einen alten Geländewagen mit einem 3,8L 4Zyl. Saugdiesel (OM314 von Mercedes) habe. Der wurde in der Konfig in Brasilien vertrieben. Der Motor ist auch in Ackerschleppern, kleinen Transportern, Unimogs usw zu finden. Ich hab da schon die "starke" Version mit 85PS.
Zum "guten Ton" gehört hier in Brasilien, den Motor aufzuladen. Tatsächlich fahren viele dieser Motoren nachträglich aufgeladen rum und aus den Praxiserfahrungen lässt sich ableiten, dass der Motor das wohl auch ganz gut weg steckt.

Ist halt aber auch nicht viel dran, also kein Spritzversteller, kein Luftmassenmesser, kein Kat, also eigentlich gar nichts.

Also ich habe meinen Motor auch nachträglich mit einem Turbo ausgestattet. Tatsächlich ist es so, dass der Motor ohne Anhebung der Dieselmenge trotzt Ladedruck (moderat, irgendwo 0.5bar) kaum Leistungszuwachs hat. Der kommt dann, wenn man dem Regler in der Einspritzpumpe erlaubt mehr Menge zu geben. Technisch ist das Ganze natürlich durch die mögliche Fördermenge der Pumpe begrenzt. Ist in der Praxis auch nicht sooo relevant, weil man mit der Abgastemperatur bei zuviel Menge (trotzt Ladedruck und damit ordentlich Luftmasse) schnell in Regionen kommt, die der Motor nicht mehr toleriert. Damit hat sich dann auch schnell das stöchiometrische Gemisch (bezogen auf die Gesamtmasse an Luft im Brennraum) erledigt.

Bisher habe ich noch keinen Ladeluftkühler, denke aber über eine Nachrüstung nach. Das sollte den Motor zum einen thermisch entlasten und (auch klar), damit kann ich die Menge noch etwas anheben -> mehr Leistung.
Aktuell komme ich aber mit der Leistung gut aus, da der Motor vor allem im mittleren Drehzahlbereich Kraft hinzugewonnen hat und das im Alltag wichtig ist.

Und dann habe ich mir Gedanken zum Thema Pro/Contra LLK gemacht und wo und wie er eigentlich Sinn macht. Und dann natürlich auch, wie der Einfluss auf den spezifischen Verbrauch ist.