Gemischbildung und Verbrennung im Ottomotor

A. Einleitung.- B. Physikalische und chemische Grundlagen.- I. Luft.- 1. Zusammensetzung der Luft.- 2. Bezugszustände für Leistungsvergleiche.- 3. Gleichungen zur Umrechnung auf den Bezugszustand.- 4. Anreicherung der Luft mit Sauerstoff.- 5. Einfluß von Abgasgehalt und Aufladung.- II. Kraftstoff.- 1. Allgemeine Anforderungen an die Kraftstoffe.- 2. Chemische Zusammensetzung und Eigenschaften der Kraftstoffe.- 3. Kraftstoffzusätze.- 4. Heizwert der Kraftstoffe.- 5. Gemischheizwert und Wirkungsgrad.- 6. Änderung der Molekülzahl während der Verbrennung (Molverhältnis).- 7. Stoffwerte für Kohlenwasserstoffe.- 8. Siedelinien von Kraftstoffgemischen.- III. Gemischbildung.- 1. Gemischbildung im Vergaser.- 2. Kraftstoffverdampfung.- a) Kraftstoffverdampfung aus einer ruhenden Kraftstoffoberfläche.- b) Berechnung des Gleichgewichtszustandes im Vergaser.- c) i, x-Diagramme für Gemische aus Luft, Wasser und Kraftstoff.- d) Einfluß des Verlaufes der Siedekennlinie auf den Motorbetrieb.- e) Einfluß der Verdampfung auf Kraftstoffvolumen und Vergasertemperaturen.- 3. Vergaservereisung.- a) Einflüsse auf Vergaservereisung.- b) Grund für die Eisbildung.- c) Ort und Folgen der Eisbildung.- d) Temperaturen des Vergasers.- e) Beobachtung der Eisbildung.- f) Vereisungskennzahl zur Beurteilung von Kraftstoffen.- g) Maßnahmen gegen Vergaservereisung.- 4. Gemischbildung und -verteilung in der Saugleitung.- a) Richtlinien zur Erreichung gleichen Liefergrades.- b) Richtlinien zur Erreichung gleicher Gemischverteilung.- c) Abhängigkeit der Gemischverteilung von Drehzahl, Belastung und Saugfolge.- d) Einfluß der Lage der Drosselklappe und der Hauptdüse auf die Gemischverteilung.- e) Einfluß des Kraftstoffilmes auf die Gemischverteilung.- f) Einfluß des Druckes in der Saugleitung auf die Ausbildung des Kraftstoffilmes.- g) Einfluß der Kraftstofftropfen auf die Gemischverteilung.- h) Einfluß der qualitativen Verteilung der Kraftstoffkomponenten auf die Oktanzahl.- i) Gemischverteilung bei gasförmigem Kraftstoff.- j) Eintritt des Kraftstoffilmes in den Zylinder.- 5. Gemischvorwärmung.- a) Kraftstofferwärmung in geheizter Einspritzdüse.- b) Vorwärmung des Luft-Kraftstoff-Gemisches.- c) Kraftstoffverdampfung durch abgasbeheizten Heißpunkt.- d) Gemisch- und Luftvorwärmung.- e) Temperaturverteilung an der Saugleitung.- f) Vergleich von Heißpunktbeheizung, Gemisch- und Luftvorwärmung.- 6. Kraftstoffeinspritzung.- a) Ort und Art der Kraftstoffeinspritzung.- b) Vor- und Nachteile der Kraftstoffeinspritzung bei der Gemischbildung.- c) Auflösung des Kraftstoffstrahles.- d) Anforderungen an die Einspritzdüse.- e) Einfluß der Motortemperatur und des atmosphärischen Zustandes auf die Einspritzmenge.- f) Möglichkeiten der Leistungssteigerung durch Einspritzung.- g) Einfluß von Drosselklappen- und Düsenlage, Einspritzbeginn und Einspritzdauer.- h) Kraftstoffeinspritzung in die Saugleitung.- i) Kraftstoffeinspritzung vor das Einlaßventil jedes Zylinders.- j) Kraftstoffeinspritzung in die Zylinder.- k) Gemischbildung und Verdampfung bei Zylindereinspritzung.- 1) Einspritzzeiten bei Zylindereinspritzung.- m) Herstellen einer geschichteten Ladung (Hybridmotor).- n) Kraftstoffeinspritzung beim Zweitaktmotor.- 7. Alkohol- und Wassereinspritzung.- a) Wirkung der Verdampfungswärme.- b) Berechnung des Einflusses der Wassereinspritzung beim vollkommenen Motor.- c) Sättigungsgrenze für Wasseraufnahme.- d) Einfluß der Alkohol- und Wassereinspritzung auf Brennraumtemperaturen und Klopfneigung.- IV. Verbrennung.- 1. Vorreaktionen.- a) Temperaturen bei Verdichtungsbeginn.- b) Reaktionen der Kraftstoffe vor der Zündung.- c) Untersuchung der Vorreaktionen in fremd angetriebenen Motoren.- d) Ausmaß und Entstehungszeit der Vorreaktionsenergie.- e) Temperatursteigerung durch Vorreaktionen.- f) Druck- und Energieentwicklung bei verschiedenen Kraftstoffen.- g) Zusammenhang zwischen Klopftendenz und Vorreaktionen bei verschiedenen Kraftstoffen.- h) Strahlung und Bereich der kalten Flamme.- i) Abhängigkeit der Vorreaktionsenergie von Kraftstoffzusätzen.- j) Kaltflammenbereich für verschiedene Kraftstoffe und Zusätze.- k) Wirkung von Bleitetraäthyl auf die zweite kalte Flamme.- l) Vorreaktionsprodukte.- m) Einfluß von Temperatur, Zeit und Ablagerungen auf Vorreaktionen.- n) Unterschiedliche Reaktionsarten der langsamen Oxydation bei verschiedenen Kraftstoffen.- 2. Glühzündung (Frühzündung).- a) Ursachen und Folgen der Glühzündung.- b) Abgrenzung der Glühzündung vom Klopfen.- c) Bedingungen für die Einleitung der Glühzündung.- d) Druckverlauf bei Glühzündung.- e) Verbrennungsablauf bei Glühzündung.- f) Verbrennungsablauf bei Wild Ping.- g) Unterschiedliche Neigung der Kraftstoffe zur Glühzündung.- h) Beurteilung der Glühzündungsneigung von Kraftstoffen.- i) Einfluß von atmosphärischen Bedingungen und Betriebsbedingungen auf Glühzündung.- j) Entstehung der Ablagerungen.- k) Stärke der Glühzündung abhängig von der Ablagerungsart.- l) Katalytische Wirkung bei Glühzündung.- m) Maßnahmen gegen Glühzündung.- 3. Zündung.- a) Zündung durch Wärmeleitung, Molekülanregung und Dissoziation.- b) Abhängigkeit der Zündtemperatur.- c) Abhängigkeit der Flammengesohwindigkeit.- d) Einfluß von Stärke und Zahl der Zündfunken.- e) Einfluß des Zündzeitpunktes.- f) Größe der minimalen Zündenergie.- 4. Zündverzug.- a) Auftreten und Messung des Zündverzuges.- b) Art der auftretenden Reaktionen.- c) Unterschiede des Zündverzuges bei Bomben- und Motorversuchen.- d) Einfluß von Kraftstoffart und Luftverhältnis auf den Zündverzug.- e) Einfluß von Kraftstoffzusätzen auf den Zündverzug.- f) Einfluß des Zündzeitpunktes auf den Zündverzug.- g) Druckabhängigkeit des Zündverzuges.- h) Einfluß der Kraftstoffart auf den Druckverlauf.- i) Berechnungsmöglichkeit des Zündverzuges.- 5. Verbrennungsablauf (Flammenbewegung).- a) Entstehung der Flammenfront.- b) Flammenbewegung und Energieentwicklung.- c) Verdrängungswirkung der Flammenfront.- d) Form der Flammenfront.- e) Unterschiede der einzelnen Zyklen.- f) Unterschiede zwischen Zünd-, Verbrennungs- und Flammengeschwindigkeit.- g) Einfluß der Wirbelung auf die Flammengeschwindigkeit.- h) Einfluß des Luftverhältnisses und der Zündeinstellung auf die Flammengeschwindigkeit.- i) Einfluß des Verdichtungsverhältnisses auf die Flammengeschwindigkeit.- j) Einfluß der Zahl und Lage der Zündkerzen auf die Flammengeschwindigkeit.- k) Einfluß von Zusätzen auf die Flammengeschwindigkeit.- 6. Klopfen.- a) Klopfen als Wärmeexplosion oder Kettenreaktion.- b) Ablauf der langsamen Oxydation in mehreren Stufen.- c) Schema des Energieumsatzes.- d) Detonations- und Verdichtungstheorie.- e) Temperatur bei Klopfeintritt.- f) Druck- und Ionisationsmessungen.- g) Flammenaufnahmen beim Klopfen.- h) Flammengeschwindigkeit beim Klopfen.- i) Leistungsabfall beim Klopfen.- j) Einfluß der Betriebsbedingungen auf das Klopfen.- k) Einfluß von Luftverhältnis und Kraftstoff art auf das Klopfen.- l) Einfluß von Brennraumablagerungen auf das Klopfen.- m) Einfluß von Brennraumform und Brennraumgröße auf das Klopfen.- n) Verwendung von Antiklopfmitteln.- o) Wirkungsmechanismus von Bleitetraäthyl.- p) Zersetzung von Bleitetraäthyl.- q) Klopfminderung durch Abgas-, Wasser- und Alkoholbeimischung.- r) Einfluß des Materials der Brennraumwand.- s) Berechnung des Spitzendruckes bei Klopfen.- V. Abgas.- 1. Ursachen unvollkommener Verbrennung.- 2. Wassergasgleichgewicht und Dissoziation.- 3. Einfluß des Luftverhältnisses und der Kraftstoff art auf die Abgaszusammensetzung.- 4. Abhängigkeit des Kohlenoxidgehaltes vom Betriebspunkt.- 5. Abhängigkeit des Kohlenwasserstoffgehaltes von Probenahmeort und -zeit.- 6. Einfluß der Aufbereitungsart des Kraftstoffes.- C. Ausgeführte Anlagen.- I. Vergaser.- 1. Aufgaben des Vergasers.- a) Gemischzusammensetzung.- b) Zerstäubung des Kraftstoffes.- c) Beeinflussung der Gemischmenge.- 2. Wirkungsweise des Vergasers.- a) Prinzip des Vergasers.- b) Regeleingriffe am Vergaser.- ?) Mengenregelung.- ?) Regelung des Mischungsverhältnisses.- 1. Querschnittsänderungen im Kraftstoffzufluß.- 2. Änderung des wirksamen Luftdruckes.- 3. Zusatz von Verbrennungsluft.- 4. Vergrößerung des spezifischen Volumens des Kraftstoffes.- 5. Mittel zur Änderung der Luftquerschnitte.- 3. Gestaltung des Vergasers.- a) Einstellung des Kraftstoffspiegels.- b) Leerlauf, Übergang und Beschleunigung.- c) Anlassen des Motors.- d) Vollastanreicherung.- e) Abstellen des Motors.- f) Höhenkorrektur.- g) Luftsäulenschwingungen im Vergaser.- h) Mehrfach-Venturi-Düse.- i) Steuerung der Zündverstellung.- j) Begrenzung der Höchstdrehzahl.- k) Öffnungsverzögerung der Drosselklappe.- 4. Beispiele ausgeführter Vergaser.- a) Vergaser mit konstantem Lufttrichterquerschnitt und konstantem Hauptdüsenquerschnitt.- ?) Solex-Vergaser 28 PICT, 32/34 PICB.- 1. Aufbau und Leerlaufbetrieb.- 2. Beschleunigung und Vollastanreicherung.- 3. Startautomatik.- 4. Anlaßhilfsvergaser nach dem Solex-Drehschiebersystem.- ?) Der Bendix-Stromberg Carburetor, Serie W.- ?) Zenith-Vergaser 28 IFE 3 mit Höhenkorrektur.- ?) Weber-Vergaser 40 DCM 2.- ?) Zenith-Vergaser von Bendix, Serie 29.- ?) Vergaser mit getrennt liegender Schwimmerkammer.- b) Vergaser mit konstantem Lufttrichter und veränderlichem Hauptdüsenquerschnitt.- ?) Carter-Opel-Vergaser.- ?) Carter-Vergaser Typ AFB mit Bemessung der Kraftstoffmenge bei Teillast durch Unterdruck.- ?) Carter-Vergaser Typ YF mit pneumatisch-mechanischer Teillaststeuerung.- c) Vergaser mit zwei nacheinander zur Wirkung kommenden Lufttrichtern mit konstanten oder veränderlichen Hauptdüsen (Stufenvergaser, Registervergaser).- ?) Zenith-Vergaser 35/40 INAT.- ?) Solex-Vergaser 44 PHH.- ?) Solex-Vergaser 34 PAITA.- ?) Stufenvergaser der Holley-Carburetor Co.- ?) Carter-Carburetor AFB.- d) Vergaser mit veränderlichem Lufttrichter und veränderlicher Hauptdüse.- ?) Amal-Vergaser 363.- ?) Bing-Vergaser.- ?) Amal-Vergaser GP.- e) Vergaser mit Drosseleinrichtung und mit konstantem Unterdruck im veränderlichen Lufttrichter und im veränderlichen Kraftstoffdüsenquerschnitt.- ?) SU-Horizontalvergaser.- ?) Stromberg-Vergaser CD.- f) Drehzahlbegrenzungseinrichtungen.- ?) Drehzahlregler der Pierburg KG 28 DR.- ?) Rochester 4 G Governor.- g) Membranvergaser.- Stromberg-Membranvergaser für Flugmotoren.- II. Kraftstoffeinspritzanlagen.- 1. Ort der Kraftstoffeinspritzung.- a) Einspritzung in die Saugleitung.- b) Einspritzung vor das Einlaßventil.- c) Einspritzung in den Zylinder.- 2. Regelung bei der Einspritzung.- a) Mechanische Regelung.- b) Regelung nach Druck vor Einlaßventil und nach Motordrehzahl.- c) Regelung durch Luftmengenmessung.- 3. Ausgeführte Einspritzanlagen für Viertaktmotoren.- a) Kraftstoffeinspritzanlagen für Flugmotoren.- ?) Mechanische Regelung bei Einspritzung in die Zylinder am BMW-800-Sternmotor.- ?) Regelung durch Messung des Druckes vor dem Einlaßventil und der Drehzahl bei Einspritzung in die Zylinder am BMW-801-Doppelsternmotor.- ?) Regelung durch Luftmengenmessung bei Einspritzung in die Zylinder bei der Bendix-Einspritzeinrichtung.- b) Kraftstoffeinspritzanlagen für Kraftfahrzeuge.- ?) Einspritzeinrichtungen mit mechanischer Regelung.- 1. Kraftstoffeinspritzung Bosch für Mercedes-Motoren.- 2. Kraftstoffeinspritzanlage Kugelfischer.- 3. Verteiler-Einspritzsystem nach F. A. F. Schmidt.- ?) Nach Ladedruck und Motordrehzahl geregelte Einspritzeinrichtungen.- 1. Einspritzanlage von Lucas.- 2. Simmonds Kraftstoffeinspritzung.- 3. Unterbrochene Einspritzung der American Bosch.- 4. Unterbrochene Einspritzung von Marvel-Schebler.- 5. Dauereinspritzung von Holley.- 6. Electrojector von Bendix.- ?) Regelung nach der Ansaugluftmenge.- Kraftstoffeinspritzung der General Motors nach der Rochester Products Division.- ?) Unterbrechereinspritzanlage von Dröschel.- 4. Vergleich zwischen Vergaser und Einspritzung.- 5. Kraftstoffeinspritzung beim Zweitaktmotor.- Zweitakteinspritzanlage am Goliath GP 700.- III. Saugleitung.- 1. Aufgaben der Saugleitung.- a) Gemischbildung in der Saugleitung.- b) Gemischtransport in der Saugleitung.- c) Gemischvorwärmung in der Saugleitung.- d) Gemischverteilung in der Saugleitung.- 2. Gestaltung der Saugleitung.- a) Grundsätzliches zur Gestaltung der Saugleitung.- b) Verlauf der Saugleitung.- ?) Verlauf der Saugleitung beim Einzylindermotor.- ?) Verlauf der Saugleitung beim Reihenmotor.- ?) Verlauf der Saugleitung beim V-Motor.- ?) Verlauf der Saugleitung beim Boxermotor.- c) Konstruktive Richtlinien für die Gestaltung der Saugleitung.- ?) Abmessungen der Saugleitung.- ?) Schwingungen in der Saugleitung.- ?) Überschneidung der Einlaßventilzeiten von zwei nacheinander saugenden Zylindern.- ?) Überschneidung der Steuerzeiten bei einem Zylinder.- 3. Beispiele ausgeführter Saugleitungen.- a) Saugleitung eines Einzylindermotors.- b) Saugleitung eines Dreizylinder-Reihenmotors.- c) Saugleitungen an Vierzylindermotoren.- ?) Saugleitungen an Vierzylinder-Reihenmotoren.- ?) Saugleitung an einem Vierzylinder-V-Motor.- ?) Saugleitungen an Vierzylinder-Boxermotoren.- d) Saugleitungen an Sechszylindermotoren.- ?) Saugleitungen an Sechszylinder-Reihenmotoren.- ?) Saugleitung an einem Sechszylinder-V-Motor.- ?) Saugleitung an einem Sechszylinder-Boxermotor.- e) Saugleitung eines Achtzylinder-V-Motors.- 4. Vergleichskennwerte ausgeführter Saugleitungen.- IV. Brennraumform.- 1. Strömungsverhältnisse im Brennraum.- a) Ladungsbewegung durch Einströmvorgang.- b) Erzeugung von Quetschströmungen.- 2. Brennraum mit seitlich stehenden Ventilen.- 3. Brennraum mit hängenden Ventilen.- a) Brennraum ohne Quetschfläche.- ?) Zylindrische Brennraumform.- ?) Dach- oder kugelkalottenförmige Brennräume.- b) Brennraum mit Quetschfläche.- ?) Amerikanische Entwicklungen.- ?) Brennraum des Motors Daimler-Benz 300.- ?) Brennraum des Rover-Motors.- ?) Brennraum des Sechszylinder-Motors von Rolls Royce.- ?) Brennraum der 2,2- bzw. 2,3-ltrMotoren von Daimler-Benz.- ?) Brennraum des Borgward-1,5-ltrMotors.- ?) Brennraum des BMW-Vierzylinder-Motors.- ?) Brennraum im Kolben des Rover-Motors.- 4. Zündkerzen in Vorkammern.- D. Kennlinien eines ausgeführten Ottomotors mit Vergaser.- Anhang: Bezeichnungen und Formeln der im Text erwähnten chemischen Verbindungen.- Schrifttum.