Vorlesung Ackerschlepper und selbstfahrende Landmaschinen
Verständnisfragen:
Kap. 3 Leistungsbedarf und Leistungsbereitstellung
1. Welche Fahrwiderstände müssen von Traktoren überwunden werden. Geben Sie Formeln für
diese Widerstände an.
- Fges = Fr + Fl + Fst + Fb + Fz
- Rollwiderstand -> Fr = Fg * = m *g *
(Straße: 0,01-0,02; Feld: 0,05-0,3)
- Luftwiderstand -> Fl = ½ * * v^2 * A * cw
( = Luftdichte, cw = Luftwiderstandsbeiwert)
- Steigungswiderstand -> Fs = m * g * sin (sin = q/100% - bis 15°))
- Beschleunigungswiederstand -> Fb = -m * a (translatorisch)* (1,1-1,4 rotatorisch)
- Zugwiderstrand -> Fz
2. Skizzieren sie die Summe der Fahrwiderstände über der Fahrgeschwindigkeit und zeichnen
Sie die Linie der maximalen Motorleistung mit ein.
Skizze: Skript 3-3
3. Wie ist der Leistungsbedarf von einer selbstfahrenden Erntemaschine (z.B. Mähdrescher)?
Aus welchen Anteilen setzt sich dieser zusammen?
- Schneidwerk
- Förderkanal
- Dreschwerk (2-größter Anteil) -> 20%
- Schüttler
- Fahrantrieb (größter Anteil) -> 30%
- Hydraulik (mit Lenkung)
- Strohhäcksler (3-größter Anteil) -> 15%
- Gebläse
- Nebenaggregate (mit Klimaanlage, Elektrischer Anlage)
4. Was sind die Volllastkennlinien von Dieselmotoren? Erklären Sie deren Verläufe und die
charakteristischen Punkte und Bereiche
, - Die Charakteristik eines Motors kann auf dem Leistungsprüfstand ermittelt werden. Sie
ergibt sich aus dem Verlauf der Leistung und des Drehmoments. Diese Werte werden
üblicherweise über der Drehzahl angezeigt. Die Last, die der Motor überwindet, ohne
dass die Drehzahl absinkt, entspricht der jeweiligen Leistung. Die Werte werden über den
gesamten Drehzahlbereich ermittelt. Drehmoment und Kraftstoffverbrauch werden
hierbei in der Regel mit ermittelt.
- Überleistung: Pü = Pmax – Pn
- Drehmomentenanstieg: am = (Mman – Mn) / Mn * 100%
- Konstantleistungsbereich: K = (nn – nk) / nn * 100%
- Drehzahlabfall: an = (nn-nMmax)/nn *100%
- Nennleistung = Leistung bei Nenndrehzahl
5. Was ist der Unterschied zwischen Spitzen- und Konstantleistungscharakteristik von
Dieselmotoren? Welchen Einfluss haben diese beiden Charakteristiken auf das Arbeiten mit
den Traktoren?
- Konstantleistungscharakteristik: Motoren mit dieser Charakteristik haben einen breiten
Drehzahlbereich unterhalb der Nennleistung, wo sie annähernd die gleiche Leistung
abgeben können. Breites Drehzahlfenster, bei der der Traktor mit konstanter Leistung
und nahezu konstanten Kraftstoffverbrauch betrieben werden kann.
- Spitzenleistungscharakteristik: Motoren mit dieser Charakteristik besitzen ihre
Maximalleistung bei der Nennleistung. Schiffsmotoren, oder Motoren von Biogasanlagen
werden oft so ausgelegt, da diese meist nur bei einer bestimmten Drehzahl betrieben
werden und hier möglichst effizient arbeiten sollen. -> Effizientester Betriebspunkt bei
Pmax
- Bei Motoren mit einer höchsten Leistung unterhalb der Nenndrehzahl bezeichnet man
den Drehzahlbereich zwischen Nenndrehzahl und der Drehzahl, bei der der Motor bei
„gedrückter“ Drehzahl dieselbe Leistung abgibt, als Konstantleistungsbereich. Er wird in
Prozent der Nenndrehzahl angegeben. Über den Verlauf der Leistung innerhalb dieses
Bereichs ist damit nichts ausgesagt, sie kann also höher liegen oder immer auf
demselben Niveau.
6. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Motorleistung P, Motormoment M und der
Motordrehzahl n?
- P = 2*Pie * M * n
- P = (M * n) / 9549
7. Wie kann der Kraftstoffverbrauch von Motoren angegeben werden?
- Mit Verbrauchskennwerten aus dem sogenannten Muscheldiagrammen, die bei der
Leistungsprüfung des jeweiligen Motors im Versuch bestimmt worden sind. Die
einzelnen Verbrauchsbereiche (Muscheln) se befinden sich alle unterhalb der
Volllastkennlinie und werden mit g/kWh angegeben.
8. Was ist bei der Gemischbildung von Dieselmotoren wichtig?
- Bei der Gemischbildung ist wichtig, dass im Brennraum eine nahezu homogene
Verbrennung abläuft. Da wir hier eine heterogene innere Gemischbildung im Brennraum
haben ist für eine optimale Verbrennung wichtig, dass sich das Dieselöl um Brennraum so
homogen wie möglich verteilt. Je besser die Durchmischung, desto besser Verbrennung,
Leistungsausbeute. Zusätzlich ist es wichtig, dass die Abgasemissionen so gering wie
möglich sind, was auch durch Vermischung und Drücke geregelt werden kann.
- 1. Direkteinspritzverfahren – Standardverfahren – hier findet die Gemischbildung
innerhalb des Zylinders statt (der Kolben hat hierzu eine Kolbenmulde, die dafür sorgt
das bei der Einspritzung direkt in den Zylinder eine homogene Gemischbildung innerhalb
des Zylinders stattfindet.
, - 2. Vorkammerverfahren – hier wird in einer Vorkammer die Gemischbildung
durchgeführt. Beim Vorkammerdieselmotor von Prosper L’Orange wird der Kraftstoff von
einer mechanischen Pumpe ohne Spritzdüse bei zu Beginn des Kompressionshubs noch
mäßigem Druck in einen Zwischenkanal zwischen Brennraum und Vorkammer
eingebracht. Für die Zerstäubung sorgt die vom Kolben komprimierte Luft, die vom
Brennraum in die Vorkammer wirbelt. Ein Teil des zerstäubten Kraftstoffs entzündet sich
in der Vorkammer, die Expansion drückt und zerstäubt den restlichen im Zwischenkanal
enthaltenen Kraftstoff in den Brennraum, wo dann die Hauptverbrennung erfolgt.
- 3. Wirbelkammerverfahren - Während der Verdichtung wird Luft aus dem
Hauptbrennraum durch den Schusskanal in die Wirbelkammer gepresst und wegen der
tangentialen Mündung des Schusskanals in starke Rotation versetzt (Luftwirbel). Der
Kraftstoff wird nun in Richtung der Luftbewegung in die Wirbelkammer eingespritzt.
Durch den Zentrifugaleffekt entsteht eine Gemisch-Schichtung mit fettem Gemisch am
Umfang der Kammer, wobei sich jedoch kaum Kraftstoff an den Kammerwandungen
anlagert.[1] Dadurch ergibt sich eine gute Kraftstoff-Luft-Mischung.
- 4. M-Verfahren (MAN – Verfahren, Mulde Verfahren) -> Vielstoffmotoren
- 5. Duotherm Verfahren (Kraftstoffverwirbelung in der Kolbenmulde) -> Vielstoffmotoren
9. Was ist der Vorteil von Common Rail Einspritzsystemen gegenüber Reiheneinspritzpumpen?
- Beim Common Rail – Verfahren kann genauer eigespritzt werden, zu unterschiedlichen
Zeiten (unabhängig von der KW), je nachdem wann das Steuergerät das Signal zum
Einspritzen gibt. (Homogenere Gemischbildung – bessere Verbrennung – weniger
Schafstoffe – mehr Leistung)
- Beim Common Rail – Verfahren können auch Mehrfacheinspritzungen durchgeführt
werden, da durch die Hochdruckpunkt und Das Rail permanent ein geeigneter Druck für
die Einspritzung zur Verfügung steht.
10. Wie kann mehr Leistung aus Verbrennungsmotoren herausgeholt werden?
- Nutzung der im Abgasstrom enthaltene Leistung:
Thermische Leistung (Stirling Motor, Clausius Rankine Kreisprozess)
Kinetische Leistung (Turbo Lader, Turbo Compound, Turbo Generator (Elektrik))
Chemische Leistung (Ruß Verbrennung)
Verdampfungswärme (Kondensationsboiler)
- Der Motor kann durch zusätzliche Aufladung einen höheren Luftdurchsatz du somit
eine höhere Leistungsdichte bekommen. (Bei gleichbleibenden Hubraum und
Motordrehzahl)
- Bei der Aufladung wird durch eine Arbeitsmaschine die für den motorischen
Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet, so dass pro Arbeitsspiel eine größere
Luftmasse in den Zylinder gelangt. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der
Mitteldruck (Arbeit/Hubraum) gesteigert werden.
- Es gibt 4 Aufladeverfahren:
- 1. Mechanische Lader – durch KW angetrieben - Kompressor (Rootslader)
- 2. Abgasturboaufladung – Der Verdichter wird von der Abgasturbine angetrieben
(Ausnutzung der Abgasenergie) / Comprexlader gehört hier auch dazu - Ladeluftkühlung
- 3. Druckwellenlader: Comprexlader (Direkter Energieaustausch zwischen Abgas und
Ansaugluft)
11. Erklären Sie Aufbau und Funktion von Abgasturboladern.
- Der Abgasturbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichterrad. Die Turbine
ist direkt an den Krümmer des Motors angeschlossen, um dort direkt die Abgasenergie
die aus den Zylindern rauskommt in kinetische Energie umzuwandeln. Hiermit wird dann
ein Verdichterrad angetrieben mit der Luft aus dem Luftfilter angesaugt und verdichtet
Verständnisfragen:
Kap. 3 Leistungsbedarf und Leistungsbereitstellung
1. Welche Fahrwiderstände müssen von Traktoren überwunden werden. Geben Sie Formeln für
diese Widerstände an.
- Fges = Fr + Fl + Fst + Fb + Fz
- Rollwiderstand -> Fr = Fg * = m *g *
(Straße: 0,01-0,02; Feld: 0,05-0,3)
- Luftwiderstand -> Fl = ½ * * v^2 * A * cw
( = Luftdichte, cw = Luftwiderstandsbeiwert)
- Steigungswiderstand -> Fs = m * g * sin (sin = q/100% - bis 15°))
- Beschleunigungswiederstand -> Fb = -m * a (translatorisch)* (1,1-1,4 rotatorisch)
- Zugwiderstrand -> Fz
2. Skizzieren sie die Summe der Fahrwiderstände über der Fahrgeschwindigkeit und zeichnen
Sie die Linie der maximalen Motorleistung mit ein.
Skizze: Skript 3-3
3. Wie ist der Leistungsbedarf von einer selbstfahrenden Erntemaschine (z.B. Mähdrescher)?
Aus welchen Anteilen setzt sich dieser zusammen?
- Schneidwerk
- Förderkanal
- Dreschwerk (2-größter Anteil) -> 20%
- Schüttler
- Fahrantrieb (größter Anteil) -> 30%
- Hydraulik (mit Lenkung)
- Strohhäcksler (3-größter Anteil) -> 15%
- Gebläse
- Nebenaggregate (mit Klimaanlage, Elektrischer Anlage)
4. Was sind die Volllastkennlinien von Dieselmotoren? Erklären Sie deren Verläufe und die
charakteristischen Punkte und Bereiche
, - Die Charakteristik eines Motors kann auf dem Leistungsprüfstand ermittelt werden. Sie
ergibt sich aus dem Verlauf der Leistung und des Drehmoments. Diese Werte werden
üblicherweise über der Drehzahl angezeigt. Die Last, die der Motor überwindet, ohne
dass die Drehzahl absinkt, entspricht der jeweiligen Leistung. Die Werte werden über den
gesamten Drehzahlbereich ermittelt. Drehmoment und Kraftstoffverbrauch werden
hierbei in der Regel mit ermittelt.
- Überleistung: Pü = Pmax – Pn
- Drehmomentenanstieg: am = (Mman – Mn) / Mn * 100%
- Konstantleistungsbereich: K = (nn – nk) / nn * 100%
- Drehzahlabfall: an = (nn-nMmax)/nn *100%
- Nennleistung = Leistung bei Nenndrehzahl
5. Was ist der Unterschied zwischen Spitzen- und Konstantleistungscharakteristik von
Dieselmotoren? Welchen Einfluss haben diese beiden Charakteristiken auf das Arbeiten mit
den Traktoren?
- Konstantleistungscharakteristik: Motoren mit dieser Charakteristik haben einen breiten
Drehzahlbereich unterhalb der Nennleistung, wo sie annähernd die gleiche Leistung
abgeben können. Breites Drehzahlfenster, bei der der Traktor mit konstanter Leistung
und nahezu konstanten Kraftstoffverbrauch betrieben werden kann.
- Spitzenleistungscharakteristik: Motoren mit dieser Charakteristik besitzen ihre
Maximalleistung bei der Nennleistung. Schiffsmotoren, oder Motoren von Biogasanlagen
werden oft so ausgelegt, da diese meist nur bei einer bestimmten Drehzahl betrieben
werden und hier möglichst effizient arbeiten sollen. -> Effizientester Betriebspunkt bei
Pmax
- Bei Motoren mit einer höchsten Leistung unterhalb der Nenndrehzahl bezeichnet man
den Drehzahlbereich zwischen Nenndrehzahl und der Drehzahl, bei der der Motor bei
„gedrückter“ Drehzahl dieselbe Leistung abgibt, als Konstantleistungsbereich. Er wird in
Prozent der Nenndrehzahl angegeben. Über den Verlauf der Leistung innerhalb dieses
Bereichs ist damit nichts ausgesagt, sie kann also höher liegen oder immer auf
demselben Niveau.
6. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Motorleistung P, Motormoment M und der
Motordrehzahl n?
- P = 2*Pie * M * n
- P = (M * n) / 9549
7. Wie kann der Kraftstoffverbrauch von Motoren angegeben werden?
- Mit Verbrauchskennwerten aus dem sogenannten Muscheldiagrammen, die bei der
Leistungsprüfung des jeweiligen Motors im Versuch bestimmt worden sind. Die
einzelnen Verbrauchsbereiche (Muscheln) se befinden sich alle unterhalb der
Volllastkennlinie und werden mit g/kWh angegeben.
8. Was ist bei der Gemischbildung von Dieselmotoren wichtig?
- Bei der Gemischbildung ist wichtig, dass im Brennraum eine nahezu homogene
Verbrennung abläuft. Da wir hier eine heterogene innere Gemischbildung im Brennraum
haben ist für eine optimale Verbrennung wichtig, dass sich das Dieselöl um Brennraum so
homogen wie möglich verteilt. Je besser die Durchmischung, desto besser Verbrennung,
Leistungsausbeute. Zusätzlich ist es wichtig, dass die Abgasemissionen so gering wie
möglich sind, was auch durch Vermischung und Drücke geregelt werden kann.
- 1. Direkteinspritzverfahren – Standardverfahren – hier findet die Gemischbildung
innerhalb des Zylinders statt (der Kolben hat hierzu eine Kolbenmulde, die dafür sorgt
das bei der Einspritzung direkt in den Zylinder eine homogene Gemischbildung innerhalb
des Zylinders stattfindet.
, - 2. Vorkammerverfahren – hier wird in einer Vorkammer die Gemischbildung
durchgeführt. Beim Vorkammerdieselmotor von Prosper L’Orange wird der Kraftstoff von
einer mechanischen Pumpe ohne Spritzdüse bei zu Beginn des Kompressionshubs noch
mäßigem Druck in einen Zwischenkanal zwischen Brennraum und Vorkammer
eingebracht. Für die Zerstäubung sorgt die vom Kolben komprimierte Luft, die vom
Brennraum in die Vorkammer wirbelt. Ein Teil des zerstäubten Kraftstoffs entzündet sich
in der Vorkammer, die Expansion drückt und zerstäubt den restlichen im Zwischenkanal
enthaltenen Kraftstoff in den Brennraum, wo dann die Hauptverbrennung erfolgt.
- 3. Wirbelkammerverfahren - Während der Verdichtung wird Luft aus dem
Hauptbrennraum durch den Schusskanal in die Wirbelkammer gepresst und wegen der
tangentialen Mündung des Schusskanals in starke Rotation versetzt (Luftwirbel). Der
Kraftstoff wird nun in Richtung der Luftbewegung in die Wirbelkammer eingespritzt.
Durch den Zentrifugaleffekt entsteht eine Gemisch-Schichtung mit fettem Gemisch am
Umfang der Kammer, wobei sich jedoch kaum Kraftstoff an den Kammerwandungen
anlagert.[1] Dadurch ergibt sich eine gute Kraftstoff-Luft-Mischung.
- 4. M-Verfahren (MAN – Verfahren, Mulde Verfahren) -> Vielstoffmotoren
- 5. Duotherm Verfahren (Kraftstoffverwirbelung in der Kolbenmulde) -> Vielstoffmotoren
9. Was ist der Vorteil von Common Rail Einspritzsystemen gegenüber Reiheneinspritzpumpen?
- Beim Common Rail – Verfahren kann genauer eigespritzt werden, zu unterschiedlichen
Zeiten (unabhängig von der KW), je nachdem wann das Steuergerät das Signal zum
Einspritzen gibt. (Homogenere Gemischbildung – bessere Verbrennung – weniger
Schafstoffe – mehr Leistung)
- Beim Common Rail – Verfahren können auch Mehrfacheinspritzungen durchgeführt
werden, da durch die Hochdruckpunkt und Das Rail permanent ein geeigneter Druck für
die Einspritzung zur Verfügung steht.
10. Wie kann mehr Leistung aus Verbrennungsmotoren herausgeholt werden?
- Nutzung der im Abgasstrom enthaltene Leistung:
Thermische Leistung (Stirling Motor, Clausius Rankine Kreisprozess)
Kinetische Leistung (Turbo Lader, Turbo Compound, Turbo Generator (Elektrik))
Chemische Leistung (Ruß Verbrennung)
Verdampfungswärme (Kondensationsboiler)
- Der Motor kann durch zusätzliche Aufladung einen höheren Luftdurchsatz du somit
eine höhere Leistungsdichte bekommen. (Bei gleichbleibenden Hubraum und
Motordrehzahl)
- Bei der Aufladung wird durch eine Arbeitsmaschine die für den motorischen
Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet, so dass pro Arbeitsspiel eine größere
Luftmasse in den Zylinder gelangt. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der
Mitteldruck (Arbeit/Hubraum) gesteigert werden.
- Es gibt 4 Aufladeverfahren:
- 1. Mechanische Lader – durch KW angetrieben - Kompressor (Rootslader)
- 2. Abgasturboaufladung – Der Verdichter wird von der Abgasturbine angetrieben
(Ausnutzung der Abgasenergie) / Comprexlader gehört hier auch dazu - Ladeluftkühlung
- 3. Druckwellenlader: Comprexlader (Direkter Energieaustausch zwischen Abgas und
Ansaugluft)
11. Erklären Sie Aufbau und Funktion von Abgasturboladern.
- Der Abgasturbolader besteht aus einer Turbine und einem Verdichterrad. Die Turbine
ist direkt an den Krümmer des Motors angeschlossen, um dort direkt die Abgasenergie
die aus den Zylindern rauskommt in kinetische Energie umzuwandeln. Hiermit wird dann
ein Verdichterrad angetrieben mit der Luft aus dem Luftfilter angesaugt und verdichtet
