Begrenzung des maximalen Ladedrucks bei aufgeladenen Motoren

Beitrag vom 31.03.2016

Die mechanische und thermische Belastung eines aufgeladenen Verbrennungs-Motors hängt wesentlich vom maximalen Druck der verdichteten Ansaug-Luft und von deren Temperatur ab.

Um eine Überlastung  kritische Motor-Komponenten, wie Kolben, Lager und Ventile zu vermeiden, muss also der maximale Ladedruck begrenzt werden.

Zu dessen Begrenzung bieten sich unterschiedliche technische Lösungen an, die wir bei „Komo-Tec“ auf Wirksamkeit, Funktion, Betriebssicherheit und „Value for Money“ untersucht haben.

Als Resultat haben wir uns bei der Auslegung unserer „ROTREX“ Lader-Systeme für einen „Restriktor“ in der Ansaugluft entschieden.

„Restriktoren“  zur Begrenzung des maximal möglichen Durchsatzes der Ansaugluft haben sich in zahlreichen Kategorien des internationalen  Motorsports durchgesetzt und werden in der Formel 3, der NASCAR-Serie, der DTM und der Rallye-Weltmeisterschaft eingesetzt.

So leistet der VW Polo in der Rallye-Weltmeisterschaf mit 1,6 Liter Direkteinspritzer-Turbo – Motor und dem vorgeschriebenen  33 mm Restriktor etwa 315 PS.

Das nahezu baugleiche Triebwerk für den Rallye-Cross Einsatz legt mit einem Restriktor von 45 mm Durchmesser um über 200 PS zu und kommt auf eine Leistung von 540 PS.

Wie aber, funktioniert ein „Restriktor“ und wo liegen seine Vor-und Nachteile ?

Der „Restriktor“ ist eine Düse im Saugtrakt des Motors, durch den der gesamte,angesaugte Luftmassenstrom fließen muss.

Mit zunehmendem Unterdruck im Ansaugsystem nimmt der Luftmassenstrom durch diese Düse kontinuierlich zu.

Mit einer optimal ausgelegten Form (Laval-Düse), wie man sie von Formel 3 Rennwagen kennt, werden dabei auch die Strömungsverluste gering gehalten.

Das funktioniert allerdings nur, bis im engsten Querschnitt der Düse die Schallgeschwindigkeit erreicht wird.

Auch mit weiter steigendem Unterdruck über das  kritische Druckverhältnis hinaus, ist eine Zunahme des Luftmassenstroms dann nicht mehr möglich.

Und da die Leistung eines Verbrennungsmotors direkt von der angesaugten Luftmasse abhängt, wird deren maximaler Wert damit wirksam begrenzt.

„Restriktoren“ zur Ladedruckbegrenzung lassen sich thermodynamisch sicher berechnen, können veränderten Ansprüchen an Ladedruck und Leistung einfach angepasst werden, erfordern keine elektronische Ansteuerung und sind in ihrer Funktion absolut „Narrensicher“

Als Beispiel kann das nachstehende Leistungsdiagramm einer Lotus Elise Mk1 mit Rover

Motor dienen.

leistung

Der Kunde legte Wert auf einen Motor mit einer „fülligen“ Drehmomentkurve und einem nur moderaten Zuwachs der maximalen Leistung auf  etwa 200 PS, die aber bereits bei einer Drehzahl von etwa 6.000 U/min anliegen musste.

Ein relativ niedriger Ladedruck von 0,4 bar sollte die Triebwerksbelastung in Grenzen halten und einen langen, störungsfreien Betrieb gewährleisten.

Nach Ermittlung des bestgeeigneten „ROTREX“ Laders und der zugehörigen Antriebsübersetzung, wurde der engste Querschnitt des Restriktors berechnet.

Der so gefundene Durchmesser von 28,2 mm wurde im Laufe der Prüfstandabstimmung dann auf 28,6 mm korrigiert.

Das Diagramm zeigt den Anstieg des Ladedrucks mit einem konstanten Gradienten bis auf  400 mbar bei 5.500 U/min. (braune Linie)

Der Luftdurchsatz durch den Restriktor fällt dann in dieSchallgeschwindigkeit und lässt keinen weiteren Anstieg des Massenstroms mehr zu.

Da das „Schluckvermögen“ des Motors aber weiter zunimmt, nimmtderLadedruck, relativ steil ab und mit ihm Drehmoment und Leistung.

Das höchste Drehmoment (blaue Linie) wird im Bereich des maximalen Ladedrucks erreicht und stellt mit 240 Nm einen ausgezeichneten Wert für eine 1,8 Liter Motor dar.

Und, die 200,3 PS (rote Linie) können sich auch sehen lassen.


Tech talk

Einfluss der Ladeluftkühlung auf die Leistung eines Verbrennungsmotors

Beitrag vom 31.03.2016

Die Forderung von Markt und Gesetzgeber nach immer effizienteren Motoren mit niedrigem spezifischen Verbrauch  und geringen Emissionswerten haben den Trend zu kleineren Motoren (Downsizing) verstärkt und den Anteil an  aufgeladenen Motoren deutlich erhöht.

Diese Entwicklung hat dieLadeluftkühlung  stärker in den Fokus der Ingenieure gerückt und zu einem wesentlichen Bestandteil moderner  Motoren-Konzepte gemacht.

Im Zuge der Entwicklung unserer Leistungsstufen „EX 460“ und „EX 500“ haben wir zahlreiche thermodynamische Berechnungen und anschließende Ergebniskontrollen auf dem Prüfstand durchgeführt.

Dabei sind wir zu einigen interessanten Ergebnissen gekommen, die wir Ihnen nachstehend kurz vorstellen möchten.

 

Bekanntlich hängen Drehmoment und Leistung eines Verbrennungs-Motors direkt von der Masse der einströmenden Luft ab

 

Gleichzeitig gilt:

  • Die polytrope Zustandsänderung der verdichteten Lade-Luft führt zu deren Temperaturerhöhung.
  • Das Maß der Temperaturerhöhung hängt im wesentlichen von der Größe des Ladedrucks ab.
  • Die Temperaturerhöhung verringert die Dichte der einströmenden Luft und damit deren Masse.

Die nachstehende Grafik zeigt den Anstieg der Ladeluft-Temperaturin Abhängigkeit von der Höhe des Ladedrucks.

(Basierend auf dem effektiven isotropen Wirkungsgrad des untersuchten Laders)

Ladeluft

 

Der Vergleich der einströmenden Luftmassen von 3 Varianten des gleichen Motors zeigt den großen Einfluss der Ladeluft-Kühlung auf die Leistung:

 

Variante 1

Saugmotor

Ansaugtemperatur = 20°C                       Luftmasse = 1,19 kg/m       =          100%

 

Variante 2

Motor mit Verdichter

Ladedruck = 0,8 bar

Temperatur der Ladeluft = 88°C               Luftmasse = 1,73 kg/m       =          145%

 

Variante 3

Motor mit Verdichter und Ladeluft-Kühler

Ladedruck = 0,8 bar

Temperatur der Ladeluft = 50°C               Luftmasse = 1,95 kg/m       =          163%


Die Reduzierung der Ladeluft-Temperatur um 38°C bringt also einen Leistungszuwachs

von 18%

 

Resultat:

Ohne Ladeluftkühlung müsste der Ladedruck von 0,8 bar auf 1,1 bar erhöht werden, um die gleiche Leistung zu erzielen.

Dabei handelt es sich allerdings um einen rechnerischen Wert, der folgende Einflussgrößen nicht berücksichtigt:

  • Höhere erforderliche Antriebsleistung des Verdichters um den erhöhten Ladedruck zu liefern.
  • Höhere Prozesstemperaturen, die eine Reduzierung des Vorzündwertes erforderlich machen.
  • Verlassen der Insel mit dem höchsten Wirkungsgrad im Verdichterkennfeld und damit eine Verschlechterung der thermischen Effizienz des Laders.

 

In der Praxis müsste der Ladedruck damit auf etwa 1,2 bar, also um 50%  steigen.


Ausblick

Die aktuellen Entwicklungsarbeiten an den Komo-Tec Leistungsstufen „EX 460“ und

„EX 500“ konzentrieren sich also auf die weitere Optimierung des Gesamtsystems der Ladeluft –Kühlung.

  • Weitere Reduzierung des luftseitigen Druckverlusts des Ladeluft-Kühlers durch strömungsoptimierte Kühlernetze
  • Reduzierung der Strömungsverluste im gesamten Ansaugtrakt.

„ Auch aufgeladene Motoren reagieren negativ auf  eine Drosselung im Ansaugsystem“

und als langfristige Studie

  • „chargeairsubcooling“ durch partielle Integration der Klimaanlage  in das Ladeluft-Kühlsystem, mit dem Ziel, die Ansaugtemperatur bis unter die Umgebungstemperatur zu kühlen.

 

 


Tech talk

Technik Talk

Beitrag vom 31.03.2016

Kreative Ideen, technisches „knowhow“, langjährige Erfahrung und handwerkliches Geschick bilden die Basis unserer technischen Entwicklungen.

Begleitet werden diese Entwicklungen von  theoretischen Untersuchungen,

die wir Ihnen in Zukunft und in loser Folge in unserem „Technik Talk“ vorstellen möchten.


Tech talk

Elise „RS400“ Audi conversion „Part3“

Beitrag vom 24.03.2016

Unser Umbau der Elise auf Audi 2,0TFSI mit DSG Getriebe geht in die nächste Runde, der Audi Motor und Getriebe sowie der RS400 Turbolader wurden eingebaut nun geht es an Auspuff und Wassersystem.

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Lotus Elise

Ariel Atom ausgeliefert

Beitrag vom 18.03.2016

unser Ariel Atom Kompressor Upgrade wurde bei schönstem Wetter an den Kunden ausgeliefert

 

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Ariel Atom

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