Verbrennungsmotoren in Hubkolbenbauart sind technisch anspruchsvolle Energiewandler, deren Wirkungsrad vom Brennstoff zur mechanischen Antriebsleistung insbesondere bei großen Dieselmotoren den höchsten Wert aller vergleichbaren Maschinen aufweist.
Nach einem Blick auf die Anfänge der Motorenentwicklung wird ausführlich die physikalische Wirkungsgradgrenze bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit am Beispiel des Carnot-Prozesses behandelt und aus den dargelegten Ergebnissen die Randbedingungen einer wirkungsgradoptimalen Prozessführung für modernste Motoren abgeleitet.
Die bekannten Kenngrößen zur Auslegung und Beschreibung des Betriebsverhaltens von Verbrennungsmotoren werden durch Betrachtungen zur geometrischen und mechanischen Ähnlichkeit erweitert.
Die reale Motorkreisprozessrechnung steht im Mittelpunkt des folgenden Kapitels. Die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge werden erläutert und daraus die beschreibenden Differentialgleichungen zur Energie- und Massenbilanz des Brennraums abgeleitet. Die notwendigen Detailmodelle werden einzeln dargestellt, wobei die versuchstechnische Bestimmung der Rechnungsrandbedingungen erläutert und der Bezug zu modernsten rechnergestützten Analyseverfahren des Motorenversuchs hergestellt wird. Abschließend runden interessante Berechnungsbeispiele die Erläuterungen zu diesem hochmodernen und heute unverzichtbaren Entwicklungswerkzeug ab.
Die Aufladung und besonders die verschiedenen Aufladeverfahren werden anschließend vertieft betrachtet. Eingebettet in die Entwicklung zukunftsfähiger Antriebskonzepte nimmt die Abgasturboaufladung einen zentralen Stellenwert ein, dem durch die ausführliche Behandlung der thermodynamischen Koppelbedingungen zwischen den beiden Strömungsmaschinen und dem Verbrennungsmotor bis hin zu Sonderfragen zu Stau- und Stoßaufladung, mehrstufiger Aufladung und Registeraufladeverfahren Rechnung getragen wird.
In einem weiteren Kapitel werden die aus dem Zylinderprozess und der Bauform des Hubkolbentriebwerks resultierenden Kräfte behandelt, so dass die Studierenden am Ende des ersten Teils der Lehrveranstaltung die thermodynamisch und mechanisch gegebenen Belastungen der Bauteilstrukturen eines Motors beurteilen können.
Der zweite Teil der Lehrveranstaltung setzt daher genau hier auf, in dem anhand umfangreicher Beispiele ausgeführter Motoren die Auslegungs- und Funktionsgrundsätze erläutert werden, wobei besonders auf die Bewertung unterschiedlicher Motorkonzepte eingegangen wird.
Dem Kraftfluss eines Hubkolbentriebwerks folgend werden ausführliche Darstellungen des Kolbens mit den notwendigen Maßnahmen zur Beherrschung der mechanischen und thermischen Beanspruchungen, des Kolbenbolzens und der Pleuelstange, der Kurbelwelle bis hin zur Lagerauslegung und schließlich die konstruktive Gestaltung des Kurbelgehäuses gebracht. Schließlich werden Zylinderköpfe zusammen mit der Ventilsteuerung im Zusammenhang mit der Erzeugung der für die Verbrennung relevanten Zylinderinnenströmung durchgesprochen.
Neben der konstruktiven und Ausgestaltung der Motorenbauteile werden die Besonderheiten unterschiedlicher Motorenkonzepte vor dem Hintergrund der jeweiligen Zielsetzungen herausgestellt, um dem Studierenden die Gestaltungsmethodik hierdurch näher zu bringen.
Die Vorlesung wird durch Übungen ergänzt, die zu den behandelten Themenblöcken nach Möglichkeit vereinfachende Darstellungen und Lösungswege aufzeigen, ohne den komplexen Kern des technischen Problems aus den Augen zu verlieren. Die zweiteilige Lehrveranstaltung ermöglicht den alleinigen Besuch des ersten Teils, wohingegen der zweite Teil den Besuch des ersten Teils voraussetzt.
Die Lehrveranstaltung MESSEN AN VERBRENNUNGSMOTOREN führt theoretisch und praktisch in die motorenspezifischen Mess- und Analyseverfahren ein. Hieraus ergibt sich die Unterteilung in Vorlesung und praktische Übungen am Prüfstand, welche in kleinen Gruppen erfolgen.
Im Rahmen der Vorlesung werden zunächst die Konzeptionen von Prüfständen erläutert, wie sie für die Fahrzeug- und Motorenentwicklung eingesetzt werden. Vor dem Hintergrund der geltenden gesetzlichen Vorschriften für Emissions- und Fahrleistungsmessungen lernen die Studierenden den Aufbau von Fahrzeugrollen- und besonders von Motorenprüfständen kennen.
Weiterhin werden allgemeine Messtechniken zur Temperatur- und Druckmessung behandelt, wie sie standardmäßig an allen betrachteten Prüfständen eingesetzt werden. Hierbei wird auf klassische mechanische wie auch zu rechnergestützten Messwerterfassungssystemen kompatiblen elektrische Messverfahren eingegangen.
Eine wichtige und daher auch umfangreich behandelte Messtechnik ist die Zylinderdruckindizierung. Die schnelle rechnergestützte Messung und Speicherung des Zylinderdrucksignals stellt ein unverzichtbares Verfahren zur Motorenentwicklung dar und wird heute weltweit eingesetzt. Daher wird nicht nur die gesamte Messkette behandelt, sondern auch Fragen zur erreichbaren Genauigkeit werden ausführlich besprochen mit dem Ziel, dass die Studierenden diese Techniken bei einer späteren Anwendung innerhalb einer STUDIEN- oder MASTERARBEIT sicher beherrschen und kritisch beurteilen können.
Neben der Erfassung des Zylinderdrucks wird ausführlich die weiterführende thermodynamische Auswertung des Messsignals bis hin zur Berechnung des Verbrennungsablaufs behandelt. Der Studierende erlernt die praktische Anwendung des zuvor in der Lehrveranstaltung VERBRENNUNGMOTOREN I vermittelten Stoffs und eignet sich somit vertiefendes Wissen für nachfolgende Studien- und Masterarbeiten an.
Für die praktischen Versuche am Prüfstand werden im Rahmen der ÜBUNGEN Messungen des Zylinderdruckverlaufs an einem Einzylinder-Forschungs-Ottomotor mit im Betrieb veränderlichen Verdichtungsverhältnis, Emissionsmessungen an einem Forschungs-Ottomotor mit elektronisch gesteuerter Saugrohreinspitzung und Einspritzverlaufsmessungen an einer rechnergesteuerten Common-Rail-Diesel-Einspritzanlage ausgeführt.
Jeweils ein Prüfstandsversuch wird von einer Teilnehmergruppe durchgeführt und ausgewertet, um die Vorgehensweisen anschließend allen Teilnehmern ausführlich im Rahmen eines Lehrveranstaltungstermins zu erläutern.
Die Studierenden erkennen das Zusammenspiel zwischen physikalisch basierten theoretischen Zusammenhängen und den Anwendungen der daraus abgeleiteten prüfstandsseitigen Analyseverfahren und bereiten sich auf diese Weise bestens auf das VERTIEFUNGSLABOR und die noch folgenden Studien- und Masterarbeiten vor.
Am Lehrstuhl für Antriebssystemtechnik werden Versuche zum VERTIEFUNGSLABOR des Masterstudiengangs Fahrzeugtechnik angeboten, wodurch die Studierenden ein Drittel des gesamt zu absolvierenden Umfangs abdecken können.
Die Untersuchungen gliedern sich in zwei Abschnitte. Zunächst wird mit Hilfe der Zylinderdruckindizierung die thermodynamische Analyse des Zylinderdrucks im Hochdruckteil des 4-Takt-Prozesses eines direkteingespritzten abgasturboaufgeladenen Dieselmotors ausgeführt. Als Ergebnis dieser Analyse liegt der reale Brennverlauf dieses Motors für verschiedene Betriebspunkte vor.
In einem weiteren Versuch wird mit Hilfe des Durchströmungsprüfstands der Zylinderkopf des verwendeten Motors hinsichtlich der Durchströmungseigenschaften der Ein- und Auslasskanäle in Abhängigkeit der Ventilerhebungen der Ein- und Auslassventile vermessen. In einem weiteren Schritt wird das Rechenmodell zur Realkreisprozessrechnung des untersuchten Motors mit Hilfe der zuvor ermittelten Ergebnisse bedatet, wobei der Brennverlauf für die Simulation des Hochdruckteils und die Durchströmungseigenschaften des Zylinderkopfes für die Berechnung des Ladungswechsels wichtig sind.
Abschließend beurteilen die Studierenden den Simulationserfolg durch einen Vergleich zwischen Messung und Rechnung, bei dem zum einen die Ergebnisse der Zylinderdruckindizierung und zum anderen die globalen Luft- und Kraftstoffverbrauchswerte zusammen mit anderen Prüfstandsmesswerten herangezogen werden.
Insgesamt vertiefen die Studierenden durch praktische Anwendungen die Inhalte der Lehrveranstaltungen VERBRENNUNGSMOTOREN I und MESSEN AN MOTOREN und können auf diesem Weg die Prüfungsvorbereitungen für diese Fächer geschickt ergänzen. Zusätzlich dienen die vermittelten Lehrinhalte der praxisnahen Vorbereitung auf die STUDIEN- und MASTERARBEITEN.
Am Lehrstuhl für Antriebssystemtechnik werden STUDIEN-AREBEITEN vergeben, die in der Regel einem direkten Bezug zu den aktuellen Forschungsthemen haben.
Es wird den Studierenden empfohlen, zur rechtzeitigen Abklärung einer Aufgabenstellung mit den Wissenschaftlichen Mitarbeitern Kontakt aufzunehmen. Auf diese Weise kann sehr individuell eine thematische Ausrichtung gefunden werden, die den eigenen Neigungen und Wünschen folgt.
Die Studienarbeit dient innerhalb des Master-Studiums der praktischen Anwendung der bis zu diesem Zeitpunkt erworbenen vertieften Fachkenntnisse und soll sich mit einem Themengebiet befassen, das die Erkenntnisse des Masterstudiums ergänzt. Dies kann auf einem konstruktiven, theoretischen oder versuchstechnischen Gebiet erfolgen.
Am Lehrstuhl für Antriebssystemtechnik werden MASTER-ARBEITEN vergeben, die in der Regel einem direkten Bezug zu den aktuellen Forschungsthemen haben.
Es wird den Studierenden empfohlen, zur rechtzeitigen Abklärung einer Aufgabenstellung mit den Wissenschaftlichen Mitarbeitern Kontakt aufzunehmen. Auf diese Weise kann sehr individuell eine thematische Ausrichtung gefunden werden, die den eigenen Neigungen und Wünschen folgt.
Die Masterarbeit ist als Abschlussarbeit die letzte Prüfungsleistung am Ende des Studiums, wodurch erfahrungsgemäß die Studierenden ein hohes Maß an Eigenständigkeit bei der Bearbeitung erreichen. Diesem Umstand wird auch bei der Themenfestlegung Rechnung getragen, dennoch sind der betreuende Wissenschaftliche Mitarbeiter und die anderen Mitarbeiter des Lehrstuhls jederzeit gern bereit, notwendige Unterstützung und Hilfestellung bei der Durchführung der Master-Arbeit zu geben.
Bereits während des letzten Drittels der Bearbeitungszeit stellen die Studierenden im Rahmen eines Kolloquiums die bis dahin erzielten Ergebnisse in einem kurzen Vortrag institutsintern zur Diskussion.
Letzte Änderung: 13. November 2017