Zweitakt-Dieselmotoren erzielen sehr hohe Leistungsdichten. Als herausragendes Beispiel erreichte der Flugmotor JUMO 207 der Junkers Flugzeug- und Motorenwerke AG bereits 1944 einen Maximalwert von 98 kW/dm3. Höchste effektive Wirkungsgrade von bis zu 54 % werden mit langsamlaufenden, gleichstromgespülten Zweitakt-Schiffsdieselmotoren erzielt. Im Bereich der Personen- und Nutzkraftwagen dominiert aber seit Jahrzehnten klar der Viertaktmotor. Zur Abschätzung gegenwärtiger und zukünftiger Einsatzmöglichkeiten des schnelllaufenden Zweitakt-Dieselmotors wird mit dieser Arbeit unter Berücksichtigung des modernen Forschungs- und Entwicklungsstands das Potenzial des Zweitakt-Dieselbrennverfahrens in der Voll- und Teillast untersucht. Zum Nachweis dieses Potenzials wurde ein gleichstromgespülter Einzylinder-Zweitakt- Dieselmotor mit einem Hubraum von 321 cm3 aufgebaut und am Prüfstand optimiert. Der Motor verfügt über ein Common-Rail-Einspritzsystem, eine Restgasrückhaltung und eine externe Abgasrückführung. Am Strömungsprüfstand erfolgten Optimierungen des Ein- und des Auslasssystems. Der volumetrische Spülgrad wurde mit dem Spurgasverfahren bestimmt. Der Zweitakt-Versuchsmotor erreicht in der Volllast gegenüber einem Einzylinder-Viertakt-Dieselmotor mit einem Hubraum von 416 cm3 bei 2000 min-1 etwa 140 % und bei 3500 min-1 etwa 120 % des spezifischen indizierten Drehmoments. Bei 3500 min-1 entspricht dies für den Zweitakt-Versuchsmotor einer spezifischen indizierten Leistung von 83 kW/dm3 gegenüber 69 kW/dm3 beim Viertakt-Vergleichsmotor. Zur Berücksichtigung weiterer perspektivischer Optimierungsmöglichkeiten erfolgte eine Arbeitsprozessrechnung mit einer Thermodynamischen Verlustanalyse und einer Vorausberechnung des Volllastpotenzials. Als entwicklungstechnisch realisierbar wurde für den Zweitakt- Dieselmotor eine spezifische indizierte Leistung von 104 kW/dm3 abgeschätzt. Im indizierten Wirkungsgrad besteht für den Zweitakt-Dieselmotor ein prinzipbedingter Nachteil. In einer Fahrzyklussimulation wurden eine Lastreduzierung des Zweitaktmotors gegenüber dem Viertaktmotor ermittelt und äquivalente Teillast-Betriebspunkte bestimmt. Mit einer Restgasrückhaltung ergeben sich für den Zweitakt-Versuchsmotor bei niedrigen Drehzahlen und geringen Lasten niedrige HC- und CO-Emissionen. Bei hohen Drehzahlen und großen Lasten können die Ruß- und NOx-Emissionen zukünftiger Abgasnormen nicht mehr eingehalten werden. Mit einer zusätzlichen Abgasrückführung können vom Zweitakt- Dieselmotor Emissionen auf dem Niveau von Viertakt-Dieselmotoren erzielt werden. Der Zweitakt-Versuchsmotor erreichte gegenüber den Viertakt-Versuchsmotoren bei äquivalenten Betriebspunkten geringere Ruß- / NOx-Emissionen bei einem höheren indizierten Kraftstoffverbrauch. Für die HC- und CO-Emissionen ergeben sich im Vergleich zum Viertaktmotor in Abhängigkeit des Betriebspunkts niedrigere oder höhere Werte.

    Two-stroke diesel engines achieve very high power densities. An very good example for this is the JUMO 207 aero engine built by the Junkers company in 1944 with a maximum power density value of 98 kW/dm3. The greatest effective efficiencies of internal combustion engines are achieved with slow-running two-stroke diesel marine engines. These engines achieve efficiencies of up to 54 % using uniflow scavenging. Regarding passenger cars and commercial vehicles however, the four-stroke internal combustion engine has clearly dominated for decades. To evaluate the current and future opportunities for the application of the fast-running two-stroke diesel engine, this study examines the potential, of the two-stroke diesel combustion process for full- and partial-load conditions based on modern developments in combustion engines. To verify the potential of this engine technology a single-cylinder two-stroke diesel engine with uniflow scavenging and a cylinder capacity of 321 cm3 was build and optimised on a test bench. The engine is equipped with a common-rail fuel injection system as well as an external exhaust gas recirculating system for the maximum theoretically possible residual gas retention. The inlet and outlet ports were optimised on an air flow bench. The volumetric scavenging ratio was determined using the tracer gas method. Compared to a four stroke test engine, the partly-optimised two stroke engine achieved a specific indicated torque at 2000 RPM / full load of approximately 140 % and approx. 120 % at 3500 RPM. This corresponds to a specific indicated power density of 83 kW/dm3 for the two-stroke development engine at 3500 RPM. To further evaluate the concept, a working-process calculation was carried out with a thermodynamic loss analysis and a full-load potential projection. It was estimated that a specific indicated power of 104 kW/dm3 could be technically realised for the two-stroke diesel engine. The indicated efficiency for the fast-running two-stroke diesel engine is in principal disadvantageous. In an emission driving cycle simulation a load reduction of the two-stroke engine compared to the four-stroke was identified. For the cycle operation equivalent part-load operating points were determined. With the residual gas retention, the HC and CO emissions of the two-stroke test engine are small at low speeds and light loads. At high speeds and large loads, soot and NOx emissions may no longer comply with future exhaust criteria emissions standards. By incorporating an exhaust gas recirculating system to the two-stroke diesel engine it is possible to achieve similar emission levels of a four-stroke diesel engine. In comparison to the four-stroke test engines the two-stroke development engine had lower soot and NOx emissions at a higher indicated fuel consumption. HC and Co emissions of the two-stroke can be lower or higher than emissions of a four-stroke engine depending on the operating point and characteristics of the comparison engine.


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    Titel :

    Potenzialabschätzung Zweitakt-Dieselbrennverfahren für schnelllaufendende Motoren mit Direkteinspritzung


    Beteiligte:
    Walter, Maik (Autor:in)

    Erscheinungsdatum :

    2011


    Format / Umfang :

    136 Seiten, 70 Bilder, 11 Tabellen, 152 Quellen


    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch





    Zweitakt-Kleinmotoren mit Direkteinspritzung

    Kuhnt,H.W. / Burger,W. / Knapp,G. et al. | Kraftfahrwesen | 1996


    Untersuchungen an Zweitakt-Motoren

    Schmidt, Ulrich ;Froede, Walter | SLUB | 1939