Handbuch Dieselmotoren

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Klaus Mollenhauer (Hrsg.)

Handbuch Dieselmotoren

Mit 638 Abbildungen und 14 Farbtafeln

~ Springer

Bandherausgeber: Professor Dr.-Ing. Klaus Mollenhauer Orber Strae 25 14193 Berlin

Die Deutsche Bibliothek - Cip-Einheitsaufnahme Handbuch Dieselmotoren I Hrsg.: Klaus Mollenhauer.

(VDI-Buch) ISBN 978-3-662-07712-2 ISBN 978-3-662-07711-5 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-07711-5

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Springer-V erlag Berlin Heidelberg 1997 Ursprnglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997 Softcover reprint of the bardeover 1st edition 1997

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annah-me, da solcheN arnen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wren und daher von jedermann benutzt werden drften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, vm, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewhr fr die Richtigkeit, Vollstndigkeit oder Aktualitt berneh-men. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fr die eigenen Arbeiten die vollstndigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gltigen Fassung hinzuzuziehen. Satz: Fotosatz-Service, Khler OHG, Wrzburg Herstellung: ProduServ GmbH Verlagsservice, Berlin SPIN: 10568068 68/3020 - 5 4 3 2 1 o - Gedruckt auf surefreiem Papier

Vorwort

"Mein Motor macht immer noch groe Fortschritte ... " 1 (RUDOLF DIESEL, 1895)

Diesen Fortschritten nachzugehen, den heute erreichten Stand der Dieselmoto-rentechnik zu dokumentieren, ist das Anliegen dieses Buches. Den Ansto zur Herausgabe eines VDI-Handbuches Dieselmotoren gab das Gedenken an die vor rund hundert Jahren vollzogene Umsetzung der Idee Rudolf Diesels von einem rationellen Wrmemotor in die Realitt. Nach der Patentanmeldung im Jahre 1892 und der Aufnahme der Arbeiten an seinem Motor im darauffolgenden Jahr dauerte es weitere vier Jahre, bis der Verein Deutscher Ingenieure mit der VDI-Tagung in Kassel RuooLF DIESEL das Podium bot, von dem aus er am 16. Juni 1897 der ffentlichkeit seinen Motor vorstellte, der bald darauf den Namen seines genialen Erfinders trug.

Das Handbuch ist weniger fr den engen Kreis der Diesel-Experten gedacht als vielmehr fr den ingenieurmig vorgebildeten oder zumindest technisch versierten "Diesel-Laien", der- mglicherweise angeregt durch die Diskussion um das Drei-Liter-Auto- einen umfassenden, fundierten berblick ber die Dieselmotorentechnik und ihren Entwicklungsstand gewinnen will, mglichst aus erster Hand. Aber auch dem Motorenfachmann soll das Buch im Sinne einer Gesamtschau helfen, seine Kenntnisse abseits der eigenen, oft sehr speziellen Erfahrungen zu ergnzen oder aufzufrischen.

Dieser Zielsetzung entspricht die Gliederung des Buches in fnf Haupt-teile. Zunchst wird dem Leser nach einem kurzen Abri der Geschichte des Dieselmotors Grundlagenwissen vermittelt, das u. a. auch die Auflade-technik und die dieseimotorische Verbrennung bis hin zu den Kraftstoffen umfat. In den folgenden drei Teilen werden Fragen zur Beanspruchung und konstruktiven Gestaltung ausgewhlter Bauteile, zum Betrieb von Diesel-motoren und die dadurch verursachte Umweltbelastung einschlielich von Manahmen zu deren Verminderung behandelt. Im fnften Teil wird die ge-

1 Das Zitat entstammt einem Brief Diesels vom 3. Juli 1895 an seine Frau, nachdem zuvor am 26.Juni erstmals ein Nutzwirkungsgrad von ber 16% ermitteltworden war. [E.Diesel: Diesel, der Mensch, das Werk, das Schicksal. Stuttgart: Reclam 1953, a. a. 0. S. 194/195].

VI Vorwort

samte Motorenpalette vom Einzylinder-Kleindieselmotor bis zum groen, langsamlaufenden Zweitakt-Dieselmotor vorgestellt. Den Abschlu bildet ein Exkurs zur weiteren Entwicklung der dieseimotorischen Verbrennung, der auch die Anfnge unter RunoLF DIESEL einerneuen Wertung unterzieht. Ein Anhang enthlt auch eine Zusammenstellung der fr Dieselmotoren wichtigsten Nor-men und Regeln.

Wegen der Allgemeingltigkeit werden mathematische Zusammenhnge als Grengleichungen dargestellt. Fr Zahlenwerte werden die SI-Einheiten ver-wendet bei Angabe von Drcken in Bar (bar, mbar ). Auf eine Zusammenstellung der Formelzeichen wurde verzichtet, da sie jeweils im Text erlutert werden und eine durchgngig einheitliche Bezeichhung angestrebt wurde. Nur bei der Kenn-gre fr die Arbeitsausbeute eines Motors, der spezifischen Nutzarbeit we bzw. dem mittleren effektivem Druck Pe konnte dies nicht erreicht werden, worauf im Text nher eingegangen wird.

Um den mit einem Handbuch Dieselmotoren verbundenen Erwartungen und Ansprchen entsprechen zu knnen, war ich auf die Mitarbeit von hervor-ragenden Ingenieuren aus der Motorenindustrie ebenso angewiesen, wie auf die von Professoren an den Technischen Hochschulen und Universitten. Besteht doch seit den Tagen Diesels, dessen Erfindung auf dem Ingenieurwissen seiner Zeit fute, in der Motorenforschung eine besonders enge Verbindung zwischen Theorie und Praxis, zwischen Hochschule und Industrie. Hier ist die durch die Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV), Frankfurt a. M., initiierte und betreute Gemeinschaftsforschung hervorzu-heben.

Allen Autoren mchte ich fr ihre Mitarbeit, das bereitwillige Eingehen auf meine Vorstellungen und die vielen fruchtbaren Diskussionen danken. Das gilt fr die in der Industrie Ttigen, wo heutzutage oftmals das uerste an Einsatz abverlangt wird, ebenso wie fr meine Kollegen an den Hochschulen, wo die Zeiten schpferischer Mue lngst der Vergangenheit angehren. Fr jeden Autor ging die zustzlich bernommene Arbeit zu Lasten der schon mageren Freizeit.

Deshalb mchte ich in meinen Dank auch die jeweiligen Lebenspartner und engeren Familienangehrigen einbeziehen. Ihr Verstndnis unter Zurckstellen eigener Wnsche und Ansprche - hier spreche ich aus eigener Erfahrung - hat letztlich mit zum Entstehen des gemeinsamen Werkes beigetragen.

Zu danken ist auch den Firmen, die ihren Mitarbeitern die Nebenttigkeit gestatteten, das Erstellen von Text und Bildvorlagen untersttzten sowie bereit-willig Unterlagen zur Verfgung stellten. Anerkennung gebhrt auch den vielen Helfern in den Betrieben und Instituten fr ihre Zuarbeit, ohne die ein derart umfangreiches Buchmanuskript nicht htte entstehen knnen.

Mein Dank gilt auch den beteiligten Verlagen: Dem VDI-Verlag bzw. seinem Fachlektorat, das die Idee zu diesem Buch hatte, bei der Verlagsleitung durch-setzte und zunchst verfolgte, insbesondere jedoch dem Springer-Verlag und seiner Produktion, die das ins Stocken geratene Projekt aufgriffen und tatkrftig vorantrieben, um es noch im Jubilumsjahr des 100. Geburtstages des Diesel-motors auf den Markt zu bringen, um somit, wie schon einmal vor ber

Vorwort VII

100 Jahren 2, dazu beizutragen, die Idee Rudolf Diesels vom "rationellen Wr-memotor" zu verbreiten.

Da der Dieselmotor bis heute die wirtschaftlichste Wrmekraftmaschine ist und sich zu dem heutigen Stand eines High-Tech-Produktes entwickelte, ist der Arbeit vieler Generationen von Werkern, Ingenieuren, Wissenschaftlern und Professoren zu danken. Ich widme daher dieses Buch dem Andenken meiner akademischen Lehrer an der Technischen Universitt Berlin, meiner langjhrigen Wirkungssttte, deren Namen mit der Entwicklung des Dieselmotors in beson-derem Mae verbunden sind:

WALTER PFLAUM (1896 bis 1989), FRIEDRICH SASS (1883 bis 1968) und HEINRICH TRIEBNIGG (1896 bis 1969).

Berlin, im Frhjahr 1997 Klaus Mollenhauer

2 Diesel, R.: Theorie und Konstruktion eines rationellen Wrmemotors zum Ersatz der Dampf-maschinen und der heute bekannten Verbrennungsmotoren. Berlin: Springer-Verlag 1893.

Inhaltsverzeichnis

Autorenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXIX

Teil I Der ArbeitsprozeR des Dieselmotors

1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors 1.1 Historie des Dieselmotors ............... .

1.2 Motortechnische Grundlagen . . . . 1.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . 1.2.2 Konstruktive Grunddaten . 1.2.3 Die motorische Verbrennung . . . . . . 1.2.3.1 Grundlagen der Verbrennungsrechnung .. 1.2.3.2 Vergleich motorischer Verbrennungsverfahren 1.2.4 Thermodynamische Grundlagen . . . . . 1.2.4.1 Ideale Zustandsnderungen von Gasen . 1.2.4.2 Idealer Kreisproze und Vergleichsproze 1.2.5 Der reale Arbeitsproze des Dieselmotors 1.2.5.1 Zweitakt- und Viertakt-Verfahren ......... . 1.2.5.2 Wirkungsgrade des realen Motors . . . . . . . . . . 1.2.5.3 Motorbetrieb und Motorkenngren

1.3 Berechnung des realen Arbeitsprozesses . . . . .

1.3.1 1.3.2

1.3.2.1

1.3.2.2 1.3.2.3 1.3.3

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermodynamische Grundlagen der Realprozerechnung . . . . . . . . . Unterschiede zwischen idealem und realem Arbeitsproze . . . . . . . . Thermodynamisches Modell . . . . . Indizierte und effektive Arbeit . . . . . Typische Beispiele fr die Anwendung der Realprozerechnung . . . . . . . .

3

3

12

12 13 15 15 16 17 17 18 21 21 21 22

29

29

30

30 30 39

40

X Inhaltsverzeichnis

2

1.3.3.1 1.3.3.2 1.3.3.3 1.3.3.4 1.3.4

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ergebnisse der Realprozerechnung . . . . . . . . . . . . Parameterstudien . . . . . . . . . . . . . . Weitere Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . Zuknftige Arbeiten auf dem Gebiet der Realprozerechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ladungswechsel und Aufladung

2.1 Ladungswechsel ........ .

2.1.1 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.1.2.3 2.1.2.4 2.1.2.5 2.1.3 2.1.3.1

2.1.3.2 2.1.3.3

Allgemeines . . . . . . . . . . . Viertaktverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . Steuerorgane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ventilhubkurven und Steuerzeiten . . . . . . . . . . . . . Ventilquerschnitt und Durchflubeiwert . . . . . . . . . Einladrall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einflu der Einlaleitung .......... . Zweitaktverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Besonderheiten des Zweitaktladungswechsels gegenber dem Viertaktladungswechsel . . Splverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . Messung des Splerfolgs, Splmodelle . . .

40 40 41 46

47

49

49 49 50 50 51 54 56 57 58

58 59 61

2.2 Aufladung von Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2

2.2.2 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 2.2.3.4

2.2.4 2.2.4.1 2.2.4.2 2.2.5 2.2.6 2.3

Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition und Ziele der Aufladung . . . . . . Vergleich von Abgasturboaufladung und mechanischer Aufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zusammenwirken von Motor und Lader . . . . . . . . . . Laderbauarten und ihre Kennfelder . . . . . . . . Motorschlucklinie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorbetriebslinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasturboaufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Turboladerhauptgleichungen, Turboladerwirkungsgrad Sto- und Stauaufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ladeluftkhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stationres und instationres Motorbetriebsverhalten bei Abgasturboaufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonderformen der Abgasturboaufladung . . . . . . . . . Zweistufige Aufladung . . . . . . . . . . . . . . . Turbocompounding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckwellenaufladung (COMPREX) .......... . Mechanische Aufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . Programmierte Ladungswechselberechnung . . . . . . .

61 61

62 64 64 66 67 69 70 73 78

79 84 84 85 86 89 90

Inhaltsverzeichnis XI

3 Kraftstoff und Verbrennung 93

3.1 Die dieseimotorische Verbrennung .. 93

3.1.1 Ablauf von Gemischbildung und Verbrennung .. . . 93 3.1.1.1 Verfahrensmerkmale 93 3.1.1.2 Gemischbildung ... . . 93 3.1.1.3 Zndung und Zndverzug 95 3.1.1.4 Verbrennung und Brennverlauf . . .. 99 3.1.1.5 Strmungsvorgnge im Brennraum .. 101 3.1.2 Konstruktive Merkmale der Verbrennungsverfahren 104 3.1.2.1 Verfahren mit direkter Einspritzung .. 104 3.1.2.2 Verfahren mit indirekter Einspritzung . . .. 105 3.1.2.3 Hybride Verbrennungsverfahren . . .. 109 3.1.3 Qualitative Bewertung von Verbrennungsverfahren 110 3.1.4 Verbrennungsforschung .. . . 111

3.2 Dieselkraftstoff fr Fahrzeugmotoren .. . . 113 3.2.1 Einfhrung .. 113 3.2.2 Herstellung . . . ... . . 113 3.2.3 Qualittsanforderungen 114 3.2.4 Wesentliche Kennwerte .. 115 3.2.4.1 Zndwilligkeit, Cetanzahl, Cetanindex 115 3.2.4.2 Siedeverhalten . . . . . . . . .. 116 3.2.4.3 Schwefelgehalt . . ... . . . . 116 3.2.4.4 Tieftemperatur-Fliefhigkeit .. 117 3.2.4.5 Dichte .. . .. . . . . 117 3.2.4.6 Viskositt .. ... . 117 3.2.4.7 Flammpunkt . . .. . . 118 3.2.4.8 Aromaten . . .. 118 3.2.4.9 Reinheit .. . . . . 118 3.2.4.10 Sonstige Qualittsmerkmale 118 3.2.5 Einflu der Kraftstoffqualitt auf motorisches Verhalten 119 3.2.6 Prfverfahren .. . . 120 3.2.6.1 Chemisch-physikalische Labormethoden . . .. 120 3.2.6.2 Cetanzahlprfmotoren und motorische Verfahren 120 3.2.7 Kraftstoffnormen .. 121 3.2.7.1 DIN 51601 . . . . . . . .. . . 121 3.2.7.2 EN 590 . . . . . . . . .. 121 3.2.7.3 Firmeneigene Kraftstoffnormen 122 3.2.7.4 Referenzkraftstoffe .. 122 3.2.8 Zukunftsaussichten . . . . .. 122

3.3 Schwerlbetrieb von Schiffs- und Stationrmotoren .. 123

3.3.1 Was ist Schwerl? 123 3.3.2 Schwerlaufbereitung .. 125

XII

3.3.3 3.3.3.1 3.3.3.2 3.3.4 3.3.4.1 3.3.4.2 3.3.4.3 3.3.5

Inhaltsverzeichnis

Besonderheiten von Schwerlmotoren . . . . . . . . . . . Schwerlmotoren und ihre Probleme . . . . . . . . . . . Auswirkungen auf Motorkomponenten . . . . . . . . . . Betriebsverhalten von Schwerlmotoren . . . . . . . . . . Znd- und Brennverhalten ................ . Betriebsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Emissionsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schmierl fr Schwerlmotoren . . . . . . . . . . . . . .

128 128 129 135 135 137 139 140

3.4 Alternative Kraftstoffe fr Dieselmotoren 142

142 1_42 142 144 146

3.4.1 3.4.1.1 3.4.1.2 3.4.1.3 3.4.2 3.4.2.1

3.4.2.2

3.4,j 3.4.3.1

3.4.3.2

3.4.4

Verwendung von Alternativkraftstoffen . . . . . . . . . . Geschichtlicher Rckblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftliche Aspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Umweltaspekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alkohole als Alternativkraftstoff . . . . . . . . . . . . . . Chemisch-physikalische und verbrennungstechnische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Mglichkeiten des Einsatzes von Alkoholen in Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pflanzenle als Alternativkraftstoff . . . . . . . . . . . . . Chemisch-physikalische und verbrennungstechnische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Mglichkeiten des Einsatzes von Pflanzenlen in Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dirnethylether (DME) als Alternativkraftstoff ...... .

146

147 157

157

158 164

4 Kraftstoff-Einspritzsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

4.1 Anforderungen an Einspritzanlage und Einspritzvorgang . . . . . 167

4.2 Einspritzsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

4.2.1 Systembersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.2.1.1. Aufbau von Einspritzsystemen . . . . . . . . . . . . . . . 171 4.2.1.2 Systemkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 4.2.2 Einspritzhydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.2.2.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.2.2.2 Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 4.2.2.3 Simulationsprogramme fr die numerische Berechnung

von Einspritzvorgngen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.2.3 Einspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4.2.3.1 Reiheneinspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4.2.3.2 Verteilereinspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 4.2.3.3 Pumpe-Dse-Einheit, Steckpumpe und Speicher-

Einspritzsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198

Inhaltsverzeichnis

4.2.3.4 4.2.4 4.2.4.1 4.2.4.2 4.2.5

Gropumpen ........................ . Einspritzdsen und Dsenhalter . . . . . . . . . . . . . . Einspritzdsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dsenhalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einspritzleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XIII

202 208 208 211 212

4.3 Kraftstoffilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

4.4 Anpassen des Einspritzsystems an den Motor . . . . . . . . . . . . 217

4.4.1 4.4.2 4.4.2.1 4.4.2.2

Eingespritzte Kraftstoffmasse . . . . . . . . . . . . . . . . Einspritzsystem und Motorproze . . . . . . . . . . . . . Kraftstoffaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgewhlte Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

217 218 218 220

4.5 Prfung von Einspritzsystemen und Systemkomponenten . . . . . 222

4.5.1 4.5.1.1 4.5.1.2 4.5.1.3 4.5.1.4 4.5.2

Megren an Einspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . Frderbeginn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frdervolumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einspritzverlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Druck in der Einspritzleitung . . . . . . . . . . . . . . . . Megren an Dsenhalterkombinationen . . . . . . . .

222 222 222 223 223 223

5 Regelung und Steuerung der Kraftstoffeinspritzung . . . . . . 225

5.1 Mechanische Regelung der Dieseleinspritzung . . . . . . . . . . . 225

5.1.1 5.1.1.1 5.1.1.2 5.1.2 5.1.2.1 5.1.2.2

Aufgaben des mechanischen Drehzahlreglers . . . . . . . Haupt- und Zusatzfunktionen .............. . Proportionalittsgrad (P-Grad) . . . . . . . . . . . . . . Aufbau und Wirkungsweise mechanischer Drehzahlregler Bauarten mechanischer Fliehkraftregler . . . . . . . . . . Reglerausfhrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

225 226 228 228 228 230

5.2 Elektronische Regelung der Dieseleinspritzung . . . . . . . . . . . 236

5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.4.1 5.2.4.2

5.2.4.3

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sensoren .......................... . Motor-Steuergert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktoren ........................... . Magnetstellwerk zur Kraftstoffdosierung . . . . . . . . . Magnetventil zur Verstellung des Einspritzbeginns (Verteilerpumpe) ..................... . Hochdruck-Magnetventile ................ .

236 236 238 240 240

241 241

XIV Inhaltsverzeichnis

5.2.4.4 5.2.5 5.2.5.1 5.2.5.2 5.2.5.3 5.2.5.4 5.2.5.5 5.2.5.6 5.2.6 5.2.6.1 5.2.6.2 5.2.6.3

Teil II

Elektropneumatische Wandler fr ARF und ATL Regelkreise . . . . . Kraftsstoffdosierung Drehzahl ..... . Einspritzbeginn Fahrgeschwindigkeit Abgasrckfhrung (ARF) .. Ladedruck ......... . Diagnose, Ersatzfunktionen . Selbstberwachung . . . . . Diagnose in der Werkstatt . . . Ersatzfunktionen . . . . . . . . . . . .

Zur Konstruktion von Dieselmotoren

6 Belastung von Motorbauteilen .

6.1 Mechanische und thermische Bauteilbelastung

6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.3.1 6.1.3.2 6.1.4 6.1.5

Mechanische Bauteilbelastung . . . . Thermische Bauteilbelastung . . . . . . . . Bauteilbeanspruchung (Spannungsverteilung) Allgemeine Zusammenhnge . . . . . . . . . . Beanspruchung ausgewhlter Motorbauteile . Festigkeitsnachweis der Bauteile . . . . . . Typische Bauteilschden bei Dieselmotoren

6.2 Wrmebergang und Wrmebelastung im Motor . .

241 241 241 242 243 243 243 243 244 244 244 244

247

247

247 250 251 251 252 257 259

262

6.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 6.2.2 Wrmebergang im Verbrennungsmotor . . . . . 262 6.2.3 Bestimmung der thermischen Belastung der Motorbauteile 278

7 Gestaltung und Beanspruchung des Triebwerkes 280

7.1 Bauformen und triebwerksmechanische Eigenschaften . . 280

7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.4.1 7.1.4.2

Anforderungen an das Triebwerk . . . . . . . . . . Krfte am Triebwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung der triebwerksmechanischen Eigenschaften Beispiele ausgefhrter Triebwerke . . . . . . . . . V-Motoren - Einflu des V-Winkels . . . . . . . Zustzliche Ausgleichsmanahmen . . . . . . .

280 281 283 285 285 288

Inhaltsverzeichnis XV

7.1.5 Mehrzylindermotoren und Laufruhe . . . . . . . . . . . . 291 7.1.6 Konstruktion und Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . 293

7.2 Massenausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296

7.2.1

7.2.2

7.2.3 7.2.3.1 7.2.3.2

7.2.4

7.2.4.1 7.2.4.2 7.2.4.3 7.2.4.4 7.2.5

7.2.6

bersicht ber Massenkrfte und -momente und ihre Wirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ersatzsystem und Kinematik des normalen Hubkolbentriebwerkes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenkrfte und-momentebeim Einzylindermotor ... Berechnung fr konstante Drehwinkelgeschwindigkeit Massenkrfte und-momentebei vernderlicher Drehwinkelgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenausgleich bei Einzylindermotoren mit konstanter Drehwinkelgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . bersicht zum Massenausgleich bei Einzylindermotoren Gegenmassen an Kurbelwangen . . . . . . . . . . . . . . Umlaufende Ausgleichsmassen an Ausgleichswellen . . . Gestaltung des Pleuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenkrfte und-momentebei Reihenmotoren: Massenausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenkrfte und-momentebei V-Motoren: Massenausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

296

298 302 302

303

303 303 305 306 307

308

311

7.3 Drehschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

7.3.1 7.3.2

7.3.3 7.3.3.1

7.3.3.2

7.3.3.3

7.3.3.4 7.3.3.5 7.3.4 7.3.4.1 7.3.4.2 7.3.4.3 7.3.5 7.3.6 7.3.7 7.3.7.1

berblick .......................... . Erregerdrehmomente fr das Hubkolbentriebwerk und fr den Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ersatzsysteme und Bestimmung der Systemparameter . . Ersatzsystem und Differentialgleichung zur Ermittlung der Eigenschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenreduktion des Hubkolbentriebwerks zur Ermittlung der Ersatzdrehmassen . . . . . . . . . . . Lngenreduktion des Hubkolbentriebwerks zur Ermittlung der Ersatzdrehsteifigkeiten . . . . . . . . Reduktion von bersetzungsgetrieben . . . . . . . . . . Ermittlung der Dmpfung des Hubkolbentriebwerkes . . Ermittlung der Eigenschwingungen . . . . . . . . . . . . Determinantenmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahren von HoLZER-TOLLE . . . . . . . . . . . . . . . Verfahren der bertragungsmatrizen . . . . . . . . . . . Ermittlung von Frequenzgngen . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung erzwungener Drehschwingungen . . . . . . . Reduzierung von Drehschwingungen . . . . . . . . . . . Drehschwingungsdmpfer . . . . . . . . . . . . . . . . .

313

316 317

317

319

320 321 322 323 323 324 325 326 327 328 328

XVI Inhaltsverzeichnis

7.3.7.2 7.3.7.3

DrehschwingungstilgeT . . . . Zweimassen-Schwungrad ...

7.4 Kurbelwellenbeanspruchung . . . . . . . . .

7.4.1 7.4.2 7.4.3 7.4.4 7.4.5

Erfassen der Kubelwellenbeanspruchung . . . . . Formzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beanspruchungszustand bei Biegung und Torsion Ist-Spannungskonzeptund Bauteildauerfestigkeit Dauerfestigkeitssteigerung durch Randschicht-verfestigung . . . . . . . . . . . . . . . . .

7.5 Lager und Lagerwerkstoffe

7.5.1 7.5.2 7.5.2.1 7.5.2.2 7.5.2.3 7.5.3 7.5.3.1 7.5.3.2 7.5.3.3 7.5.3.4 7.5.4 7.5.4.1

7.5.4.2 7.5.4.3

7.5.4.4 7.5.4.5 7.5.4.6 7.5.5 7.5.5.1 7.5.5.2 7.5.5.3

Lagerstellen im Triebwerk von Dieselmotoren Funktionsweise und Beanspruchungen . . . . . . . Hydrodynamik der Gleitlager . . . . . . . . . . . . . . Berechnung der Lagerbeanspruchungen . . . . . . . . Betriebskennwerte heutiger Lager . . . . . . . . . Konstruktive Ausfhrungen . . . . . . . . . . . . . . . Grundstzlicher Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . Pleuellager und Kurbelwellenhauptlager . . . . . . . . . . Axiallager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lager von Kolbenbolzen, Kipphebeln und Nockenwellen Lagerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleitlagerbeanspruchungen und Funktion im Motorbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an Gleitlagerwerkstoffe . . . . . Basismaterialien und grundstzlicher Aufbau von Gleitlagerwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . Einschichtwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweischicht-Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . Dreischicht-Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . Lagerschden und ihre Ursachen . . . . . . . . . . . Beeintrchtigungen des Betriebs . . . . . . . . . . . . Verschlei . . . . . . . Ermdung

7.6 Kolben, Kolbenringe und Kolbenbolzen .....

7.6.1 7.6.2 7.6.3 7.6.3.1 7.6.3.2 7.6.3.3 7.6.3.4

Funktion des Kolbens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperaturen und Krfte am Kolben . . . . . . . . . . Gestaltung und Beanspruchung des Kolbens . . . . . . . Hauptabmessungen des Kolbens . . . . . . . . . Beanspruchungsverhltnisse am Kolben . . . . . . . Kolbenbauarten . . . . . . . . . . . . Werkstoff-Fragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

330 331

333

333 335 338 338

342

344

344 345 345 347 351 353 353 354 356 357 358

358 359

360 361 361 363 365 365 365 366

367

367 368 369 369 369 376 382

Inhaltsverzeichnis

8

7.6.4 7.6.4.1 7.6.4.2 7.6.4.3 7.6.5 7.6.6

Kolbenringe . . . . . . . . . . . Allgemeine Beschreibung . . Verdichtungsringe . . labstreifringe ..... . Kolbenbolzen . . . . . . . Entwicklungstendenzen .

Motorkhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.1 Aufgabe der Motorkhlung . . . . . . . . . . .

8.2 Wasserkhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XVII

389 389 391 391 394 396

398

398

401

8.2.1 Wrmebergang bei Wasserkhlung . . . . . . . . . . . . 401 8.2.2 Rechnerische Analyse des Wrmetransports . . . . . 407 8.2.3 Heikhlung . . . . . . . . . . . . . 408 8.2.4 Verdampfungskhlung . . . . . . . . . 408

8.3 lkhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.4 Luftkhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8.4.1 8.4.2 8.4.2.1 8.4.2.2 8.4.3 8.4.3.1 8.4.3.2 8.4.3.3 8.4.3.4 8.4.4 8.4.4.1

8.4.4.2

8.4.4.3 8.4.5 8.4.6

Historischer Rckblick . . . . . . . . . . . . . . Wrmebertragung vom Bauteil an die Khlluft .. Wrmebergang und Khlflchengestaltung . . . . . . . Einflu von Khlluftfhrungen auf den Wrmebergang Konstruktive Merkmale des luftgekhlten Motors .. Gesamtaufbau des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kurbelgehuse . . . . . . . . . . . . . . . ..... Zylinderrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zylinderkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das motorintegrierte Khlsystem . . . . . . Grundlegende Unterschiede zum externen Khlsystem des flssigkeitsgekhlten Motors . . . . . . . . . . . Bauarten, Auslegungskenngren und Leistungs-merkmale des Khlgeblses . . . . . . . . . . . . . . Beispiele ausgefhrter Dieselmotoren . . . . . . . . . . . Einflu der Luftkhlung auf Liefergrad und NOx-Emission Leistungsgrenzen des luftgekhlten Motors . . . . . . . .

411

413

413 418 418 421 423 423 425 426 426 429

429

430 433 435 436

XVIII Inhaltsverzeichnis

9 Werkstoffe und ihre Auswahl 441

9.1 Bedeutung der Werkstoffe fr den Dieselmotor . . . . . . . . . . . 441

9.2 Technische Werkstoffe fr Motorenteile . . . . . . . . . . . . . . . 443

9.2.1 Werkstoffe fr Triebwerksteile . . . . . . . . . . . . . . 443 9.2.2 Werkstoffe fr Steuerungsteile und Einspritzausrstung . 448 9.2.3 Schraubenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448 9.2.4 Werkstoffe fr Tragstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . 448 9.2.5 Werkstoffe fr Heiteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 9.2.6 Lagerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 9.2.7 Werkstoffe fr Korrosionsbeanspruchung . . . . . . 454 9.2.8 Sonderwerkstoffe fr Funktionsteile . . . . . . . . . . . . 454

9.3 Faktoren fr die Werkstoffauswahl . . . . . . 455

9.4 Lebensdauerkonzepte und Werkstoffdaten . . . . . . . . . . . . . 456

9.5 Verfahren zur Lebensdauersteigerung . . . . . 457

9.5.1 Urformungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 9.5.2 Oberflchenbehandlungsmethoden . . . . . . . . . . . . 460 9.5.3 Beschichtungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

9.6 Entwicklungstendenzen . . . . . . . . . . . . . . 9.6.1 Werkstoffe 9.6.2 Verfahren ..... . 9.6.3 Umwelt . . . . . ..

Teil 111 Betrieb von Dieselmotoren

10 Schmierstoffe und Schmiersystem

10.1 Schmierstoffe ............ .

10.1.1 10.1.2 10.1.3 10.1.3.1 10.1.3.2 10.1.3.3 10.1.4 10.1.4.1

Anforderungen an Motorenle fr Dieselmotoren . . . . Aufbau und Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . Charakterisierung von Motorenlen . . . . . . . . . . . . Allgemeine Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . SAE-Viskosittsklassen fr Motorenle . . . . . . Klassifikationen, Spezifikationen, Tests . . . . . . Betriebsbedingte Vernderungen des Motorenls Verdampfungsverluste . . . . . . . . . . . . . . . .

462 462 465 465

469

469

469 471 474 474 474 475 485 485

Inhaltsverzeichnis XIX

10.1.4.2 Viskosittsverringerung durch Scherung 486 10.1.4.3 Viskosittsverringerung durch Kraftstoff 486 10.1.4.4 Viskosittserhhung durch feste Fremdstoffe . 486 10.1.4.5 Versuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487 10.1.4.6 Rckstandsbildung . . . . . . . . . . . . . . . 487 10.1.4.7 Schlammbildung 487

10.2 Schmiersystem ..... . 488

488 488 488 490 494 494 495 496 497 498 498

11

10.2.1 10.2.2 10.2.2.1 10.2.2.2 10.2.3 10.2.3.1 10.2.3.2 10.2.3.3 10.2.3.4 10.2.3.5 10.2.4

Aufgaben und Anforderungen Aufbau ............ . Auslegungskriterien . . . . . . . Ausgefhrte Schmiersysteme . . Komponenten des Schmiersystems . . . . . . lpumpen .. lkhler .. . lfilter ... . labscheider lstandsanzeige/lnachfllung . Schmierlpflege . . . . . . . . . . . . .

Khlsysteme und Khlmittel bei Flssigkeitskhlung 502

11.1 Aufgabe von Motor-Khlsystemen ...

11.2 Khlsystem und Wrmeabfuhr . . . . .

502

505

11.2.1 Khlsysteme mit direkter Wrmeabfuhr . . 505 11.2.2 Khlsysteme mit indirekter Wrmeabfuhr 505 11.2.2.1 Wrmeabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505 11.2.2.2 Aufbau des Khlsystems . . . . . . . . . . . . . . . 507 11.2.2.3 Regelung der Khlmitteltemperatur . . . . . . 515 11.2.2.4 Ausgefhrte Khlsysteme . . . . . . . . . . . . 521

11.3 Khlmittel . . . . . . . . . . . . . . . . .

11.3.1 11.3.2 11.3.2.1 11.3.2.2

Eigenschaften und Anforderungen . . . . . . Khlwasserfhrung und Khlwasserpflege . Einflu der Khlwasserfhrung Khlwasserpflege . . . . . . . . . . . . . . .

12 Anlagen zur Start- und Zndhilfe . . . . . . .

12.1 Motorbedingungen beim Anlassen und Starten

525 525 527 527 528

531

531

12.1.1 uere Startbedingungen 531 12.1.2 Innere Startbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532

XX Inhaltsverzeichnis

12.2 Innere Znd- und Starthilfen 535

12.3 uere Znd- und Starthilfen 540 12.3.1 Elektrische Heizkerzen und Heizflansche . . . . . . . . . 540 12.3.2 Flammstartanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541

13 Ansaug- und Abgasanlagen 544

13.1 Luftfilter ........... . 544 13.1.1 Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 13.1.2 Filtermaterialien und Leistungsdaten . . . . . . . . . . . 547 13.1.3 Bauformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 13.1.4 Ansanggeruschdmpfung . . . . . . . . . . . . . . . . . 552

13.2 Abgasanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 13.2.1 Aufgabe und Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 13.2.1.1 Abgasanlagen fr Pkw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 13.2.1.2 Abgasanlagen fr Nutzfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . 558 13.2.1.3 Abgasanlagen fr Stationr- und Schiffsmotoren . . . . . 559 13.2.2 Abgasgeruschdmpfung durch Schalldmpfer . . . . . . 559 13.2.2.1 Allgemeine Zusammenhnge . . . . . . . . . . . . . . . . 559 13.2.2.2 Vorschalldmpfer, Katalysator und Partikelfilter

als Schalldmpfungselemente . . . . . . . . . . . . . . . 560 13.2.2.3 Mittelschalldmpfer und Nachschalldmpfer . . . . . . . 561 13.2.2.4 Dmpferbauarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 13.2.3 Abgasnachbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564 13.2.3.1 Probleme der Diesel-Abgasemission . . . . . . . . . . . . 564 13.2.3.2 Oxidationskatalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565 13.2.3.3 Denox-Katalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566 13.2.3.4 Partikelflltersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568

14 Abwrmeverwertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579

14.1 Grundlagen der Abwrmenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579

14.1.1 Gebot der Primrenergieeinsparung . . . . . . . . . . . . 579 14.1.2 Bestimmung der Abwrme von Dieselmotoren . . 581 14.1.3 Kennwerte der Abwrmeverwertung . . . . . . . . . . . . 584

14.2 Mglichkeiten der Abwrmenutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . 586

14.2.1 Abwrmenutzung als mechanische Energie . . . . . . . . 586 14.2.1.1 Turbo-Compound-Betrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . 586

Inhaltsverzeichnis

14.2.1.2 14.2.2 14.2.2.1 14.2.2.2 14.2.2.3 14.2.3

Dampfkraftanlage (Bottoming Cycle) Abwrmenutzung als thermische Energie . . Vorbemerkung . . . . . . . . . . . . . Kraft-Wrme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . Kraft-Wrme-Klte-Kopplung . . . . . . . . . . . . . Wirtschaftliche und energiepolitische Aspekte .

14.3 Wrmebertrager

14.3.1 14.3.2 14.3.3 14.3.4 14.3.5 14.3.5.1 14.3.5.2 14.3.5.3

Wrmetechnische Auslegung Khlmittelkhler . . . . . lkhler ........... . Ladeluftkhler . . . . . . . . Abgaswrmebertrager . . . . . . . . . . Bauarten, Ausfhrungsformen . . . . . . Probleme der Heizflchenverschmutzung Lsungsvorschlge . . . . . . . . . . . . .

1 S berwachung, Wartung und Diagnose 15.1 Motorwartung und Motordiagnose .

15.1.1 15.1.2 15.1.2.1 15.1.2.2 15.1.2.3 15.1.2.4 15.1.3 15.1.3.1 15.1.3.2 15.1.3.3 15.1.4 15.1.4.1 15.1.4.2 15.1.4.3 15.1.4.4

Einfhrung . . . . . . . . . Wartungsarbeiten . . . . . lstandskontrolle und lwechsel .. Luft- und Kraftstoffliter . . . . . . . Khlmittelkreislauf . . . . . . . . . Sonstige Wartungsarbeiten . . . . . . . . Wartungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . Konventionelles Wartungssystem . . . . . . . Wartungssteuerung durch eine Betriebs-EDV . . . . . Flexibles Service-System . . . . . . Diagnose und Diagnoseverfahren . . . . . . Diagnosemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronische Fahrzeug-Diagnosesysteme ........ . Diagnosesysteme fr Grodieselmotoren . . . . . . . . . Dynamisches Motormanagement . . . . . . . . . . . . .

XXI

586 588 588 589 594 596

597

597 603 607 610 616 616 618 620

625

625

625 627 627 628 629 630 631 631 633 635 637 637 637 638 640

15.2 Metechnik fr Entwicklung und Betrieb von Dieselmotoren . . . 641

15.2.1 Aufgabengebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641 15.2.2 Metechnische Grundlagen . . . . . . . . . 643 15.2.3 Allgemeine Me- und Prfstandstechnik . 650 15.2.3.1 Traditionelle Prfstandstechnik . . . . . . 650 15.2.3.2 Rechnergesttzte Prfstandstechnik . . . . 658 15.2.4 Me- und Prfstandstechnik fr ausgewhlte

Meaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667

XXII Inhaltsverzeichnis

15.2.4.1 Zylinderdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 667 15.2.4.2 Gemischbildung und Verbrennung . . . . . . . . . . . . . 670 15.2.4.3 Strmungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 674

Teil IV Umweltbelastung durch Dieselmotoren

16 Abgasemission von Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . 679

16.1 Allgemeine Zusammenhnge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679

16.1.1 16.1.2 16.1.2.1 16.1.2.2

16.1.2.3 16.1.3

Emission und Immission . . . . . . . . . . . . . . . . . . Emisionsbilanzen und Emissionsquellen . . . . . . . . . Stickoxide (NOx) ...................... . Kohlendioxid (C02), Kohlenmonoxid (CO), Kohlen-wasserstoffe (HC), Schwebstaub, Schwefeldioxid (S02) Emissionen des Verkehrs . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkung von Abgasschadstoffen . . . . . . . . . . . . . .

679 681 681

681 684 685

16.2 Abgasgesetzgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687

16.2.1 16.2.2 16.2.2.1 16.2.2.2 16.2.2.3 16.2.2.4 16.2.3 16.2.3.1 16.2.3.2 16.2.3.3

Abgasgesetzgebung fr Pkw-Motoren .......... . Abgasgesetzgebung fr Nutzfahrzeugmotoren . . . . . . Prfmodus und Abgasgrenzwerte . . . . . . . . . . . . . US-Transienttest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Europischer Prfzyklus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Japantest .......................... . Abgasgesetzgebung fr stationre Motorenanlagen . . . . Technische Anleitung Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . Industriemotoren, ISO 8178 . . . . . . . . . . . . . . . . . Schiffsmotoren, EN 8178 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

687 687 687 692 693 697 697 697 699 699

16.3 Abgasschadstoffe und ihre Entstehung . . . . . . . . . . . . . . . . 700

16.3.1 Vollstndige und unvollstndige Verbrennung . . . . . . 700 16.3.2 Entstehung von Stickoxiden . . . . . . . . . . . . . . . . . 701 16.3.3 Rubildung und Partikelemission . . . . . . . . . . . . . 702 16.3.4 Nicht limitierte Emissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . 703

16.4 Innermotorische Manahmen zur Emissionsminderung . . . . . 705

16.4.1 Abgasemission und Verbrauch . . . . . . . . . . . . . . . 705 16.4.2 Einflu des Verbrennungsverfahrens . . . . . . . . . . . . 706 16.4.3 Einflu von Kalt- und Warmlauf . . . . . . . . . . . . . . 708 16.4.4 Einflu des Kraftstoffes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711

Inhaltsverzeichnis

16.5 Manahmen zur Abgasnachbehandlung

16.5.1 16.5.2 16.5.2.1 16.5.2.2 16.5.2.3 16.5.3

Oxidationskatalysator . . . . Nachmotorische Entstickung Verfahrensvergleich SCR-Katalysator . . NSCR-Katalysator . Partikelfiltersysteme

16.6 Meverfahren zur Bestimmung der Abgasemission .

16.6.1 16.6.1.1 16.6.1.2 16.6.1.3 16.6.1.4 16.6.2 16.6.2.1 16.6.2.2 16.6.2.3

Messung der gasfrmigen Emission Infrarot-Absorptionsanalysator Flammenionisationsdetektor Chemilumineszenz-Detektor . Gaschromatograph . . . . . . . Messung der Partikel- und Staubemission Partikelemission . . . . . Staubemission . . . . . . Alternative Meverfahren

17 Geruschemission von Dieselmotoren

17.1 Grundlagen der Akustik . . . . . . . . .

17.2 Gesetzliche Grenzwerte und Meverfahren

17.3 Geruschentstehung ............ .

17.3.1 17.3.2 17.3.3

Geruschquellen von Verbrennungsmotoren Einflu ausgewhlter Motorparameter . . Entwicklung der Motorgeruschemission

XXIII

712

712 713 713 714 715 716

717

717 717 719 719 720 720 720 722 722

726

726

727

729 729 729 730

17.4 Reduktion des Motoroberflchengerusches 731

17.4.1 Krperschallanregung . . . . . . 731 17.4.1.1 Anregungsmechanismen . . . . . 731 17.4.1.2 Direktes Verbrennungsgerusch . 734 17 .4.1.3 Indirektes Verbrennungsgerusch 73 7 17.4.1.4 Mechanisches Gerusch . . . . . . 738 17 .4.1.5 Steuertriebsgerusch . . . . . . . 739 17.4.2 Krperschallbertragung im Motor 741 17 .4.2.1 Krperschallbertragung ber den Motorblock 7 41 17 .4.2.2 Krperschallbertragung ber Anbauteile . . . . 7 43 17 .4.2.3 Krperschallbertragung ber die Motorlagerung 7 46 17.4.3 Reduktion der Geruschabstrahlung . . . . . . . . 747

XXIV Inhaltsverzeichnis

17.5 Reduktion der aerodynamischen Motorgerusche 17.5.1 Ansaug- und Abgassystem .... . 17.5.2 Khlsystem ............... .

17.6 Geruschreduktion durch Kapselung . . 17.6.1 17.6.2 17.6.3 17.6.4 17.6.5 17.6.6 17.6.6.1 17.6.6.2 17.6.7

Einsatz von Kapseln und Kapselmotoren . . . . . . . Teilschallquellen der Vollkapsel . . . . . . . . . . . . . . . Oberflchengerusch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mndungsgerusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Khlung und Khlungsgerusche . . . . . . . . . . . . . Einbau von Kapselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorlagerung und Gerteantrieb . . . . . . . . . . . . . Wartung des Kapselmotors . . . . . . . . . . . . . . Teilkapselung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17.7 Gerteseilige Motorgeruschdmmung

Teil V Ausgefhrte Motoren

18 Fahrzeugdieselmotoren 18.1 Pkw-Dieselmotoren

18.1.1 18.1.2 18.1.2.1 18.1.2.2 18.1.3 18.1.3.1 18.1.3.2 18.1.3.3 18.1.4 18.1.4.1 18.1.4.2 18.1.4.3 18.1.4.4 18.1.5 18.1.5.1 18.1.5.2 18.1.5.3

Verlauf der technischen Entwicklung . . . . . . . . . . . Fahrzeugspezifische Anforderungen . . . . . . . . . . . . Eigenschaftskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aspekte der Antriebsauslegung . . . . . . . . . . . . . . . Konzeptionelle Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorgre und SehneHufigkeit . . . . . . . . . . . . . . Gemischbildungs- und Verbrennungsverfahren . . . . . . Motorkonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kraftstoffverbrauch und C02- Emission . . . . . . . . . . Abgasemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Komfort ........................... . Entwicklungspotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbesserungspotential durch andere Ausgangsstoffe Entwicklungspotential im Arbeitsproze . . . . . . . Energieverwertung und Nachbehandlung der Abgase

18.2 Dieselmotoren fr leichte Nutzfahrzeuge

747

747 748

749

749 750 751 752 753 755 755 755 756

756

761

761

761 762 762 764 764 764 766 771 782 782 784 785 787 789 790 790 791

792 18.2.1 Definition "leichte Nutzfahrzeuge" . . . . . . . . . . . . 792 18.2.2 Anforderungen an Motoren fr leichte Nutzfahrzeuge . . 795

Inhaltsverzeichnis

18.2.3 18.2.3.1 18.2.3.2 18.2.4

Ausgefhrte Motorisierungen leichter Nutzfahrzeuge Gesamtbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgewhlte Beispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausblick ........................... .

XXV

796 796 800 806

18.3 Dieselmotoren fr schwere Nutzfahrzeuge . . . . . . . . . . . . . . 807

18.3.1 18.3.1.1 18.3.1.2 18.3.2 18.3.2.1 18.3.2.2 18.3.3 18.3.3.1 18.3.3.2 18.3.4

Defmition "schwere Nutzfahrzeuge" . . . . . . . . . . . . Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Motoren . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen durch den Setreiber . . . . . . . . . . . . Gesetzgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgefhrte Motorisierungen schwerer Nutzfahrzeuge Gesamtbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgewhlte Ausfhrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausblick ........................... .

807 807 807 809 809 821 822 822 825 833

18.4 Schnellaufende Hochleistungsdieselmotoren . . . . . . . . . . . . 834

18.4.1

18.4.2 18.4.3 18.4.3.1 18.4.3.2 18.4.3.3 18.4.3.4 18.4.4

Einordnung der schnellaufenden Hochleistungs-dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Darstellung hoher Leistungen beim Dieselmotor . . . . . Konstruktion von Hochleistungsdieselmotoren . . . . . . Vorbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufladeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgefhrte Konstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . Ausblick ........................... .

19 Stationr- und Schiffsmotoren

19.1 Einzylinder-Kleindieselmotoren 19.1.1 19.1.2 19.1.3 19.1.3.1 19.1.3.2 19.1.3.3 19.1.3.4 19.1.4 19.1.4.1 19.1.4.2

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abstimmung des Pflichtenheftes . . . . . . . . . . . . . . Wahl der Grunddaten von Einzylinder-Dieselmotoren .. Leistungsbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verbrennungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bub/Bohrungsverhltnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . Khlverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau des luftgekhlten Einzylinder-Dieselmotors ... uere Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innerer Motoraufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

834 837 843 843 844 850 855 856

859

859 859 859 860 860 861 861 861 863 863 867

19.2 Einbau- und Industriemotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875 19.2.1 Defmition und Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875

XXVI

19.2.2 19.2.2.1 19.2.2.2 19.2.3 19.2.3.1 19.2.3.2 19.2.3.3 19.2.4 19.2.4.1 19.2.4.2 19.2.5

Inhaltsverzeichnis

Angebot und Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Angebotspalette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modifizierte Fahrzeugmotoren . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise zur Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Modifikation . . . . . . . . . . . . Ausfhrungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Industriemotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Produktkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgefhrte Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausblick ........................... .

876 876 878 878 878 879 881 885 885 886 888

19.3 Mittelschnellaufende Viertakt-Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . 890

19.3.1 19.3.1.1

19.3.1.2 19.3.1.3 19.3.1.4 19.3.2 19.3.2.1 19.3.2.2 19.3.2.3 19.3.2.4 19.3.2.5 19.3.3 19.3.3.1 19.3.3.2 19.3.3.3 19.3.3.4 19.3.3.5 19.3.4 19.3.5 19.3.6

Definition und Beschreibung . . . . . . . . . . . . . . . . Einordnung der mittelschnelllaufenden Viertakt-Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einsatz mittelschnellaufender Dieselmotoren . . . . . . . Kraftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vorteile der Mittelschnellufer . . . . . . . . . . . . . . . Auslegungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maximaler Zylinderdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hub/Bohrungsverhltnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehzahl .......................... . Weitere Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktive Lsungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorgrundaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triebwerk .......................... . Brennraumbauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einspritzsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufladesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsberwachung und Wartung . . . . . . . . . . . . Ausgefhrte Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausblick ........................... .

890

890 890 893 895 896 896 896 897 898 898 899 899 900 902 906 907 909 911 913

19.4 Langsamlaufende Zweitakt-Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . 914

19.4.1

19.4.1.1 19.4.1.2 19.4.1.3 19.4.2 19.4.2.1 19.4.2.2 19.4.3

Entwicklung und Merkmale langsamlaufender Zweitakt-Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwicklung des Zweitakt-Langsamlufers ....... . Obergang zur Gleichstromsplung . . . . . . . . . . . . . Merkmale moderner Zweitakt-Langsamlufer ..... . Konstruktion des modernen Zweitakt-Langsamlufers Motorfamilien, Leistungskennfeld . . . . . . . . . . . . . Konstruktive Gestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsverhalten des Zweitakt-Langsamlufers .....

914 914 916 917 920 920 921 925

Inhaltsverzeichnis

19.4.4 19.4.4.1 19.4.4.2 19.4.5 19.4.5.1 19.4.5.2

19.4.5.3

Exkurs:

Zweitakt-Langsamlufer als Schiffsantrieb Abstimmen der Propulsionsanlage . . . . . . . . . . . . . Dmpfen von Schwingungen im Antriebsstrang . . . . . Ausblick ........................... . Trendabschtzung der knftigen Entwicklung . . . . . . Experimentelle Untersuchung zum Entwicklungspotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasemissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Die Gemischbildung und Verbrennung im Dieselmotor und ihr Einflu

XXVII

928 928 930 931 931

935 940

auf die Schadstoffemission - Rckblick und Ausblick . . . . . . . . . . 942

Anhang

Farbtafeln 957

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 969

Normen und Richtlinien fr Verbrennungsmotoren . . . . . . . . . . . . . . 1003

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025

Autorenverzeichnis

Aepler, Eberhard, Prof. Dr.-Ing. habil., Nedlitz b. Magdeburg (vorm. Otto-von-Guericke-Uni-versitt Magdeburg): Abschn. 15.2 Anisits, Ferenc, Dr.-Ing., BMW Motorenges.m.b.H., Steyr/sterreich: Abschn. 18.1 Banzhaf, Werner, Dipl.-Ing., Robert Bosch GmbH, Elasis/Italien: Abschn. 4.5 Bauer, Hans-Peter, Dr. rer. nat., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 5.2

Bonse, Bernhard, Dr.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 5.2 Bozung, Hanns-Gnther, Dr.-Ing., MAN B & W Diesel AG, Augsburg: Abschn. 19.3 Dietrich, Werner R., Dr.-Ing., Heppenheim (vorm. Deutz Motoren-Werke Mannheim AG): Exkurs Egler, Walter, Dr.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 4.2.2 Esche, Dieter, Dipl.-Ing., DEUTZ-Motor GmbH, Kln: Abschn. 8.1, 8.3 und 8.4 Faupel, Werner, Ing. (grad.) (vorm. Robert Bosch GmbH, Stuttgart): Abschn. 4.4 Frnkle, Gerhard, Dr. techn., Mercedes-Benz AG, Stuttgart: Abschn. 16 Gairing, Max, Dipl.-Ing., Mercedes-Benz AG, Stuttgart: Abschn. 3.2 und 10.1 Gllnitz, Heinz, Dr. rer. nat., Ottobrunn (vorm. BERU Ruprecht GmbH & Co. KG, Ludwigs-burg): Abschn. 12 Gwinner, Dietrich, Prof. Dipl.-Ing., Allmersbach im Tal (vorm. Mercedes-Benz AG, Stuttgart): Abschn. 3.1

Hummel, Karsten, Dipl.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 5.1 Kampichler, Gnter, Ing. (grad.), Hatz GmbH & Co. KG, Ruhstorf/Rott: Abschn. 19.1 Kochanowski, Hans-Alfred, Dr.-Ing., Hatz GmbH & Co. KG, Ruhstorf/Rott: Abschn. 17.6 Krieger, Klaus, Dipl.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 4.2.3.1 Lang, Otto R., Prof. Dr.-Ing. (vorm. Mercedes-Benz AG, Stuttgart): Abschn. 7.1 und 7.4 Lauvin, Pierre, Dipl.-Ing., Robert Bosch Frankreich, Paris: Abschn. 4.2.2.3 Lehner, Gerhard, Dr. techn., Hailein/sterreich (vorm. Robert Bosch sterreich AG): Abschn. 4.2.3.4

Lochbichler, Wolfram, Dipl.-Ing., MAN B&W Diesel AG, Augsburg: Abschn. 19.3 Lustgarten, Georg, Dr. sc. techn., West Lafayette/USA, (vorm. New Sulzer Diesel AG, Winter-

thur/Schweiz): Abschn. 19.4

XXX Autorenverzeichnis

Mollenhauer, Klaus, Prof. Dr.-Ing., Berlin (vorm. Technische Universitt Berlin): Abschn. 1.1 und 1.2

Mller Eckart, Prof. Dr.-Ing., Technische Universitt Braunschweig (vorm. Volkswagen AG, Wolfsburg): Abschn. 8.1 und 8.2 Neitz, Alfred, Ing. (grad.), MAN Nutzfahrzeuge AG, Nrnberg: Abschn. 18.3 Neumann, Karl-Heinz, Dr.-Ing., Volkswagen AG, Wolfsburg: Abschn. 13.2

Paehr, Georg, Dr.-Ing., Volkswagen AG, Wolfsburg: Abschn. 8.1 und 8.2

Parr, Oswald, Dr.-Ing., Ludwigsburg (vorm. Mann & Hummel GmbH, Ludwigsburg): Abschn. 13.1 Pfister, Wolfgang, Dipl.-Ing., J. Eberspcher, Esslingen: Abschn. 13.2 Po/ach, Wilhelm, Dr.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 4.1

Projahn, Ulrich, Dr.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 4.3 Pucher, Helmut, Prof. Dr.-Ing., Technische Universitt Berlin: Abschn. 2

Puttkamer, Eberhard von, Ludwigsburg (BERU Ruprecht GmbH & Co. KG, Ludwigsburg): Abschn. 12

Rhrle, Manfred, Dr.-Ing., Stuttgart (vorm. MAHLE GmbH, Stuttgart): Abschn. 7.6 Rottenkolber, Paul, Dipl.-Ing., Volkswagen AG, Wolfsburg: Abschn. 18.2

Schirra, Manfred, Dipl.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 4.2.5 Schopf, Eckhart, Dr.-Ing., GLYCO-Metall-Werke KG, Wiesbaden: Abschn. 7.5 Schreiner, Klaus, Dr.-Ing., MTU Friedrichshafen GmbH: Abschn. 1.3

Schulz, Gerd, Dipl.-Ing., Volkswagen AG, Wolfsburg: Abschn. 19.2 Schuster, Hubert, Dipl.-Ing. (FH), Mercedes-Benz AG, Stuttgart: Abschn. 15.1 Schwartz, Reinhard, Prof. Dipl.-Ing., Stuttgart (vorm. Robert Bosch GmbH, Stuttgart): Abschn. 4.2.1

Seidemann, Heinz, Dipl.-Ing., MAN B & W Diesel AG, Augsburg: Abschn. 6.1

Spessert, Bruno, Prof. Dr.-Ing., Fachhochschule Jena (vorm. DEUTZ Motor GmbH, Kln): Abschn. 17

Steinle, Wolfgang, Dipl.-Ing., J. Eberspcher, Esslingen: Abschn. 13.2 Sthler, Waldemar, Prof. Dr.-Ing., Technische Universitt Berlin: Abschn. 7.2 und 7.3

Stumpp, Gerhard, Dipl.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 4.2.4

Teetz, Christoph, Dr.-Ing., MTU Friedrichshafen GmbH, Friedrichshafen: Abschn. 18.4

Trebs, ]oachim, Dipl.-Ing., MTU Friedrichshafen GmbH, Friedrichshafen: Abschn. 9 Treutlein, Wolfgang, Dipl.-Ing., Michigan/USA (vorm. Mercedes-Benz AG, Stuttgart): Abschn. 10.2 Tschke, Helmut, Prof. Dr.-Ing., Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg (vorm. Robert Bosch GmbH, Stuttgart): Abschn. 4.2.3.2, Koordination von Abschn. 4 und 5 Vilser, Leonhard, Dr.-Ing., J. Eberspcher, Esslingen: Abschn. 13.2

Weigand, Andreas, Dipl.-Ing., Alcan Deutschland GmbH, Nrnberg: Abschn. 7.2 und 7.3

Autorenverzeichnis

Wilken, Harald, Prof. Dr.-Ing., BEHR GmbH & Co., Stuttgart: Abschn. 14.3

Wolschendorf, ]oachim, Dr.-Ing., FEV Motorentechnik, Aachen: Abschn. 17 Woschni, Gerhard, Prof. Dr.-Ing., Technische Universitt Mnchen: Abschn. 6.2

XXXI

Zacharias, Friedemann, Dr.-Ing., Weinheim (vorm. MWM Diesel- und Gastechnik GmbH, Mannheim): Abschn. 14.1, 14.2 und 14.3.5 Zelenka, Paul, Dr.-Ing., AVL List GmbH, Graz/sterreich: Abschn. 3.4 Zigan, Detlef, Dr.-Ing., MaK Motoren GmbH, Kiel: Abschn. 3.3 Zima Stefan, Prof. Dr.-Ing., Fachhochschule Gieen-Friedberg: Abschn. 11

Teil I Der Arbeitsproze des Dieselmotors

1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

1.1 Historie des Dieselmotors

Am 27. Februar 1892 meldet der Ingenieur RunOLF DIESEL beim Kaiserlichen Patentamt zu Berlin ein Patent auf "Neue rationelle Wrmekraftmaschinen" an, worauf ihm am 23. Februar 1893 das DRP 67207 ber "Arbeitsverfahren und Ausfhrungsart fr Verbrennungskraftmaschinen", datiert auf den 28. Februar 1892, erteilt wird: Ein wichtiger, erster Schritt auf dem Weg zu dem selbst gesetzten Ziel, das DIESEL seit seiner Studienzeit beschftigt, wie seiner Biographie zu entnehmen ist:

Geboren am 18. Mrz 1858 in Paris als Sohn deutscher Eltern verschlgt es ihn, noch ein Schuljunge, mit Ausbruch des Deutsch-franzsischen Krieges 1870/71 ber London nach Augsburg, wo er bei Pflegeeltern aufwchst. Ohne familiren und finanziellen Rckhalt ist der junge RunoLF DIESEL gezwungen, sein Leben selbst zu organisieren und u. a. durch Nachhilfeunterricht zum Unterhalt beizutragen. Stipendien ermglichen ihm schlielich ein Studium am Polytechnikum Mnchen, der spteren Technischen Hochschule, das er 1880 als bester aller bis dahin Examinierten verlt.

Dort, in den Vorlesungen von Professor LINDE ber die "Theorie der Calori-schen Maschinen", wird dem Studenten DIESEL klar, welche enorme Energie-verschwendung die Dampfmaschine, die dominierende Wrmekraftmaschine jener Zeit, betreibt, wenn man sie an dem von CARNOT 1824 formulierten Ideal-proze der Energiewandlung mit, s. Abschn. 1.2. Bei Wirkungsgraden von ca. 3 o/o wird auerdem durch die lstige Rauchentwicklung damaliger Kessel-feuerungen die Luft erheblich verschmutzt!

Erhaltene Kolleghefte bezeugen, da sich schon der Student DIESEL Gedanken ber eine Realisierung des Carnot-Prozesses machte, mglichst durch un-mittelbare Nutzung der in der Steinkohle enthaltenen Energie ohne Dampf als Zwischenmedium. Auch whrend seiner Ttigkeit fr Lindes Eismaschinen, die ihn ber Paris nach Berlin fhrt, verfolgt er ehrgeizig die Idee eines rationellen Motors, von dessen Erfindung er sich wirtschaftliche Unabhngigkeit verbun-den mit sozialem Aufstieg verspricht. Schlielich kommt es zur bereits erwhn-ten Anmeldung und Erteilung des Patents [1-1] mit folgendem Anspruch 1:

"Arbeitsverfahren fr Verbrennungskraftmaschinen, gekennzeichnet da-durch, da in einem Cylinder vom Arbeitskolben reine Luft oder anderes in-

4

Bild 1-1. Arbeitsproze des idealen Diesel-motors (1-2-3-4) nach Fig. 2 in [1-1], ergnzt durch genderte "Admissionsperioden" (1-2-3'-4' bzw.l-2-3"-4") gem BriefDIESELs vom 16.10.1893 an KRUPP [1-2, S. 404]

Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

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differentes Gas (bzw. Dampf) mit reiner Luft so stark verdichtet wird, da die hierdurch entstandene Temperatur weit ber der Entzndungstemperatur des zu benutzenden Brennstoffes liegt (Curve 1-2 des Diagramms Fig. 2), worauf die Brennstoffzufuhr vom todten Punkt ab so allmlig stattfindet, da die Ver-brennung wegen des ausschiebenden Kolbens und der dadurch bewirkten Expansion der verdichteten Luft (bzw. des Gases) ohne wesentliche Druck- und Temperaturerhhung erfolgt (Curve 2-3 des Diagramms Fig. 2), worauf nach Abschlu der Brennstoffzufuhr die weitere Expansion der im Arbeitscylinder befindlichen Gasmasse stattfindet (Curve 3-4 des Diagramms Fig. 2)".

Nach der Entspannung auf den Ausgangsdruck erfolgt lngs der Isobaren 4-1 (Bild 1-1) die Wrmeabfuhr und somit das Schlieen des Prozesses.

Ein 2. Anspruch erhebt Patentschutz auf eine mehrstufige Kompression und Expansion, wozu DIESEL einen dreizylindrigen Compoundmotor vorschlgt, Bild 1-2. In zwei, um 180 versetzt laufenden Hochdruckzylindern 2, 3 erfolgt die adiabate Kompression sowie die Selbstzndung des im oberen Totpunkt ber den Trichter B so zugefhrten Brennstoffs (DIESEL spricht zunchst von Kohlen-staub), da eine isotherme Verbrennung und Expansion erfolgt, die nach Brenn-schlu in eine adiabate bergeht. Nach berschieben des Verbrennungsgases in den doppeltwirkenden, mittleren Zylinder 1 findet dort die Restexpansion auf Umgebungsdruck und nach Bewegungsumkehr das Ausschieben statt, gleichzei-tig mit der isothermen Vorverdichtung unter Wassereinspritzen bzw. dem vor-hergegangenen Ansaugen der Frischladung fr den parallel dazu ablaufenden zweiten Arbeitsproze, so da pro Umdrehung ein Arbeitsspiel erfolgt.

DIESEL greift also zur Realisierung des Carnot-Prozesses auf das seit NIKO-LAUS TTO zum "Stand der Technik" gehrende Viertakt-Verfahren zurck. Er glaubt, durch die isotherme Verbrennung bei maximal 800 oc die Temperatur-belastung im Motor so gering halten zu knnen, da er ohne Khlung aus-kommt. Diese Grenztemperatur bedingt Kompressionsdrcke von ca. 250 at, womit sich DIESEL weit ber den geltenden "Stand der Technik" erhebt: Das ver-leiht dem "Seiteneinsteiger" DIESEL einerseits die notwendige Unbedarftheit

1.1 Historie des Dieselmotors 5

Bild 1-2. Konstruktion DIESELS fr einen Compoundmotor [1-4)

zur Durchsetzung seiner Idee, andererseits schrecken im Motorenbau erfahrene Firmen, wie die Gasmotoren-Fabrik Deutz, vor dem Diesel-Projekt zurck.

Sich bewut, da "eine Erfindung aus zwei Teilen besteht: der Idee und ihrer Aus-fhrung" [1-3], hatte DIESEL dazu eine Druckschrift "Theorie und Konstruktion eines rationellen Wrmemotors" [1-4] verfat,die er zum Jahreswechsel1892/93 an Professoren und Industrielle, also auch nach Deutz, verschickte, um seine Ideen zu propagieren und die Industrie fr sich zu gewinnen: Bei einem Carnot-Wirkungs-grad von ca. 73 o/o bei 800 C erwartet er im praktischen Betrieb Verluste von maxi-mal30 bis 40%, was einem Nutzwirkungsgrad von ca. SOo/o entsprche [1-4, S. 51] .

Endlich kommt es nach fast einjhrigem Bemhen und Taktieren im Frhjahr 1893 zum Vertrag zwischen DIESEL und der renommierten, von HEINRICH Buz geleiteten Maschinenfabrik Augsburg AG, die u. a. fhrend im Bau von Dampf-

6 1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

maschinen ist. Der Vertrag enthlt Konzessionen Diesels an den Idealmotor: Der Hchstdruck wird von 250 at auf 90 at, spter auf 30 at gesenkt, die 3-zylindrige Verbundmaschine auf einen Hochdruckzylinder reduziert sowie Kohlenstaub als Kraftstoff verworfen. Dem fr DIESEL lukrativen Vertrag treten mit Krupp und bald danach Sulzer zwei weitere Firmen des Schwermaschinenbaus bei.

Im Frhsommer 1893 beginnt man in Augsburg mit dem Bau des ersten, ungekhlten Versuchsmotors mit einem Hub von 400 mm bei ISO mm Bohrung. Als Kraftstoff ist zwar Petroleum vorgesehen, doch wird am 10. August 1893 bei geschlepptem Motor zunchst Benzin eingespritzt, in der irrigen Annahme, da es leichter zndet: Das Prinzip der Selbstzndung erfhrt zwar seine Bestti-gung, wenn auch bei Drcken von ber 80 bar der Indikator platzt!

Die weitere Entwicklung kann man anhand ausgewhlter Indikatordia-gramme verfolgen, Bild 1-3: Nach Umbau des 1. Motors, der spter eine Wasser-

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1 . Versuchsreihe 10.8 .1893 1. Zndung

2. Versuchsreihe 17 .2 .1894 1. Leerlauf

4. Versuchsreihe 11 .10.1894 1. "richtiges" Diagramm

5. Versuchsreihe 26.6.1895 1 . Bremsversuch

6. Versuchsreihe 17.2.1897 1 . Abnahmeversuch

Bild 1-3. Indikatordiagramme zur Entstehung des Dieselmotors nach [1-3]. Die vom Druck-verlauf ber dem Zylindervolumen eingeschlossene Flche entspricht der inneren Arbeit des Motors, s. Abschn. 1.2

1.1 Historie des Dieselmotors 7

khlung erhlt, zeigt sich, da der Kraftstoff nicht direkt, sondern nur mit Hilfe von Druckluft eingespritzt, zerstubt und verbrannt werden kann. Mit dem 1. Leerlauf des bisher geschleppten Motors wird der Motor am 17. Februar 1894 selbstndig. Schlielich erfolgt am 26. Juni 1895 ein erster Bremsversuch: Mit Petroleum als Kraftstoff und fremderzeugter Einblaseluft wird bei einem Ver-brauch von 382 g/PSh ein indizierter Wirkungsgrad von 'li = 30,8% und ein Nutzwirkungsgrad von 'le = 16,6% ermittelt.

Doch erst mit einer Neukonstruktion, dem mit einer einstufigen Luftpumpe versehenen 3. Versuchsmotor [1-2], gelingt der Durchbruch: Am 17. Februar 1897 fhrt Professor MoRITZ ScHRTER von der Technischen Hochschule Mnchen Abnahmeversuche durch, deren Ergebnisse er gemeinsam mit DIESEL und Buz am 16. Juni 1897 auf einer VDI-Hauptversammlung in Kassel vorstellt, damit die erste Wrmekraftmaschine mit einem seinerzeit sensationellen Wir-kungsgrad von 26,2% [1-5] prsentierend!

Dazu mute die im Grundpatent beanspruchte isotherme Wrmezufuhr auf-gegeben werden: Sptestens beim Auftragen der theoretischen Indikatordia-gramme (Bild 1-4), mu auch DIESEL klar geworden sein, da angesichts der schmalen Diagrammflche, die der indizierten Arbeit proportional ist, und der infolge der hohen Drcke zu erwartenden Reibungsverluste der Motor keine Nutzarbeit leisten wrde. Bemht, das Grundpatent nicht zu gefhrden, stellt er frhzeitig berlegungen zur Verlngerung der "Admissionsperiode" an, womit ein Anheben der Linie der isothermen Wrmezufuhr im p, V-Diagramm gemeint ist, Bild 1-1. Eine zweite Patentanmeldung vom 29. November 1893 (DRP 82168) fhrt auch den Gleichdruckproze auf, der wegen "nicht wesent-licher Druckerhhung" in bereinstimmung mit dem Grundpatent gesehen wird. Mit der Patenterteilung wird bersehen, da entgegen dem Grundpatent sowohl die Brennstoffmasse als auch die maximale Temperatur zunehmen!

Bild 1-4. Theoretisches 250 Indikatordiagramm des Carnot-Prozesses nach [1-4] at

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8 1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

So ist es nicht verwunderlich, da DIESEL und das Diesel-Konsortium bald nach Kassel in Patentstreitigkeiten verwickelt sind. Diesels Motor, so der Vor-wurf, realisiert keinen seiner Patentansprche: Weder kommt der Motor ohne Khlung aus, noch erfolgt die Expansion ohne wesentliche Druck- und Tempe-raturerhhung gegenber der Kompression. Nur die im Anspruch 1 erwhnte Selbstzndung erfolgt. Doch ebenso wie DIESEL nie zugibt, da sein Motor keine Phase des Carnot-Prozesses realisiert, so vehement bestreitet er bis zuletzt, da die Selbstzndung ein Wesensmerkmal seiner Erfindung sei [1-2, S. 406].

Leichter wiegt der Vorwurf, auch keinen Kohlenstaub zu verwenden [1-5], [ 1-6]: DIESEL, ein Ingenieur des 19. Jahrhunderts, konnte zunchst nicht an der Kohle, der Hauptenergiequelle seiner Zeit, vorbeigehen, zumal sein Motor die Dampfmaschine ersetzten sollte. Damit schlo er aber andere Kraftstoffe nicht aus, wie sptere Versuche, u.a. auch mit Pflanzenlen, belegen [1-3]. Gemessen am damaligen "Stand der Technik" konnte niemand, auch nicht DIESEL, wissen, welcher Kraftstoff sich am besten fr den Dieselmotor eignet. Um so mehr ist sein durch viele konstruktive Vorschlge belegtes, geniales Einfhlungsverm-gen in ihm weithin unbekannte Vorgnge der dieseimotorischen Verbrennung zu bewundern (Bild 1-5), denen wir oft erst heute unter Einsatz modernster Me- und Rechentechnik auf die Spur kommen (s. Abschn. 3.1 und 15.2).

Abgesehen von den erfolgreich bestandenen Patenstreitigkeiten ist der wei-tere Weg des Dieselmotors berschattet von Auseinandersetzungen zwischen dem Erfinder und dem Diesel-Konsortium: Letzteres ist daran interessiert, den als Ersatz fr stationre und Schiffs-Dampfmaschinen gedachten Motor mg-lichst bald gewinnbringend zu "vermarkten" [1-7]. Dazu mu zunchst die in Kassel voreilig konstatierte Marktreife hergestellt werden, was vor allem dem Geschick und dem zhen Einsatz von IMMANUEL LAUSTER in Augsburg zu verdanken ist. Damit ist jedoch auch die Entwicklungslinie "leistungsstarker Dieselmotor" vorgezeichnet, Tabelle 1-1.

RuooLF DIESEL dagegen, vornehmlich an einer dezentralisierten Energie-erzeugung interessiert [1-4, S. 89ff.], damit die Blockheizkraftwerk-Technik

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Bild 1-5. Vorschlge DIESELS zum Verbrennungssystem. a Kolben mit Kolbenmulde (1892); b Nebenbrennraum (1893); c Pumpe-Dse-Aggregat (1905), s. Abschn. 4.2

1.1 Historie des Dieselmotors 9

Tabelle 1-1. Wegmarken zur Entwicklung des Dieselmotors

Entwicklungslinie "leistungsstarker Grodieselmotor"

1897 Erster Lauf eines Dieselmotors mit einem Wirkungsgrad von rz. = 26,2% bei der Maschinenfabrik Augsburg.

1898 Auslieferung des ersten Zweizylinder-Dieselmotors mit 2 x 30 PS bei 180 min-1 an die Vereinigten Zndholzfabriken AG in Kempten.

1899 Erster Zweitakt-Dieselmotor der MAN von HuGo GLDNER (nicht marktfhig). 1899 Erster kreuzkopfloser Dieselmotor, Typ W, der Gasmotorenfabrik Deutz. 1901 Erster MAN-Tauchkolben-Dieselmotor von IMANUEL LAUSTER (Typ DM 70). 1903 Erster Einbau eines Zweizylinder-Viertakt-Gegenkolben-Dieselmotors mit 25 PS in

ein Schiff (Kanalboot PETIT PIERRE) durch die Firma Dyckhoff, Bar le Duc. 1904 Erstes MAN-Dieselkraftwerkmit 4 x 400 PS geht in Kiew in Betrieb. 1905 ALFRED BcHI schlgt die Nutzung der Abgasenergie zur Aufladung vor. 1906 Erster umsteuerbarer Zweitaktmotor der Gebr. Sulzer, Winterthur, fr den Schiffs-

antrieb mit 100 PS/Zyl. (s!D = 250/155) vorgestellt. 1912 Erstes seegehendes Schiff, MS SELANDIA, mit zwei umsteuerbaren Viertakt-Diesel-

motoren der Firma Burmeister & Wain mit je 1088 PS in Dienst gestellt. 1914 Erster Probelauf eines dappeltwirkenden Sechszylinder-Zweitaktmotors mit

2000 PS/Zyl. der MAN Nrnberg (s!D = 1050/850). 1951 Erster MAN-Viertakt-Dieselmotor (Typ 6KV30/45) mit Hochaufladung: rz. = 44,5%

bei Wemax = 2,05 kJ/l,pzmax = 142 bar und PA= 3,1 W/mm2 1972 Bisher grter Zweitakt-Dieselmotor (s/D = 1800/1050,40000 PS) geht in Betrieb. 1982 Markteinfhrungvon Superlongstroke-Zweitaktmotoren mit s!D"" 3 (Sulzer, B & W). 1984 MAN B &W erzieltVerbrauch von 167,3 g/kWh (rz. = 50,4%). 1987 Grte dieselelektrische Antriebsanlage mit neun MAN-B & W-Viertakt-Dieselmo-

toren und einer Gesamtleistung von 95 600 kW zum Antrieb der "Queen Elizabeth 2" wird in Dienst gestellt.

1991/92 Zweitakt- und Viertakt-E:xperimentiermotoren von Sulzer (RTX54 mit Pzmax = 180 bar, PA= 8,5W/mm2) undMAN B &W (4T50MXmitPzmax= 180bar,PA = 9,45 W/mm2).

Entwicklungslinie "schnellaufender Fahrzeug-Dieselmotor"

1898 Erster Lauf eines Zweizylinder-Viertakt-Gegenkolbenmotors ("5-PS-Kutschen-wagen-Motor") von LUCIAN VoGEL bei MAN Nrnberg (Versuchsmotor, nicht marktfhig).

1905 Versuchsmotor von RuooLF DIESEL auf der Basis eines Vierzylinder-Saurer-Otto-motors mit Luftkompressor und direkter Einspritzung (nicht marktfhig).

1906 DRP 196514 fr die Firma Deutz auf Einspritzung in Nebenkammer. 1909 Grundpatent DRP 230 517 von L'ORANGE auf Vorkammer. 1910 Brit. Patent 1059 von McKENCHIE auf direkte Hochdruckeinspritzung. 1912 Erster kompressorloser Deutz-Dieselmotor, Typ MKV, geht in Serie.

10 1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

Tabelle 1-1 (Fortsetzung)

Entwicklungslinie "schnellaufender Fahrzeug-Dieselmotor"

1913 Erste Diesel-Lokomotive mit Vierzylinder-Zweitakt-V-Motor der Gehr. Sulzer vorge-stellt (Leistung 1000 PS).

1914 Erster diesel-elektrische Triebwagen mit Sulzer-Motorenbei den Preuischen und Schsischen Staatsbahnen.

1924 Erste Nutzfahrzeug-Dieselmotoren der MAN Nrnberg (direkte Einspritzung) bzw. der Daimler-Benz AG (indirekte Einspritzung in Vorkammer) vorgestellt.

1927 Beginn der Serienfertigung von Oiesei-Einspritzanlagen bei Bosch. 1931 Musterprfung des Sechszylinder-Zweitakt-Gegenkolben-Flugdieselmotors JUMO 204

der Junkers-Motorenban GmbH: Leistung 530 kW (750 PS), Leistungsmasse 1,0 kg/PS. 1934 V8-Viertakt-Dieselmotor mit Vorkammer der Daimler-BenzAG fr LZ 129 HINDEN-

BURG mit 1200 PS bei 1650 min-1 (Leistungsmasse: 1,6 kg/PS einschl. Getriebe). 1936 Erste Pkw-Dieselmotoren mit Vorkammer der Daimler-Benz AG (Pkw Typ 260 D)

und Hanomag in Serie. 1953 Erster Pkw-Dieselmotor mit Wirbelkammer von Borgward bzw. Fiat. 1978 Erster Pkw-Dieselmotor mit Abgasturboaufladung in Serie (Daimler-Benz AG). 1983 Erster sehneHaufender Hochleistungsdieselmotor der MTU mit Doppelaufladung in

Serie: Wemax = 2,94 kJ/l bei Pzmax = 180 bar, Kolbenflchenleistung PA= 8,3 W/mm2 1988 Erster Pkw-Dieselmotor mit direkter Einspritzung in Serie (Fiat). 1989 Erster Pkw-Dieselmotor mit Abgasturboaufladung und direkter Einspritzung bei

Audi in Serie (Pkw Audi 100 DI). 1996 Erster Pkw-Dieselmotor mit direkter Einspritzung und Vierventilbrennraum (Opel-

Ecotec-Dieselmotor) 1997 Erster aufgeladener Pkw-Dieselmotor mit direkter Common-Rail-Hochdruckein-

spritzung und variabler Turbinengeometrie (Fiat)

sowie heutige Entwicklungen in der Bahntechnik [1-8] mit der durchaus reali-stischen Vision von ber Satellit ferngesteuerten, fahrerlosen Gterwagen vor-wegnehmend [1-4], sah in dem schweren Versuchsmotor mit dem samt Kreuz-kopftriebwerk vom Dampfmaschinenbau entlehnten A-Gestell nur die Vorstufe auf dem Weg zu einem leichten, "kompressorlosen" Dieselmotor.

Mit dem widerwillig zugestandenen Bau eines Compoundmotors, der die in ihn gesetzten Hoffnungen nicht erfllen konnte, und einigen Tastversuchen mit Kohlenstaub und anderen, alternativen Kraftstoffen, endete die Entwicklungs-ttigkeit Diesels bei der Maschinenfabrik Augsburg.

Ein spterer Versuch Diesels, zusammen mit der kleinen Firma Safir der Ent-wicklungslinie "Fahrzeug-Dieselmotor" zum Durchbruch zu verhelfen, scheitert u. a. an der unzureichenden Kraftstoffdosierung. Ein Problem, das erst durch das Diesel-Einspritzsystem der Firma Bosch gelst wird [ 1-9].

Das Schicksal Rudolf Diesels erfllt sich whrend einer berfahrt von Ant-werpen nach Harwich vom 29. zum 30. September 1913, nur wenige Wochen nach Erscheinen seines Buches: "Die Entstehung des Dieselmotors"! Nach den jahrelangen Kmpfen und Anstrengungen, die seine geistigen und krperlichen Krfte auf das uerste beanspruchten, droht der finanzielle Zusammenbruch,

1.1 Historie des Dieselmotors

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Bild 1-6. Vergleich von effektivem Wirkungsgrad rz., maximalem Zylinderdruck Pzmax und Kolbenflchenleistung PA heute und vor 100 Jahren

trotz der enormen, millionenschweren Einknfte aus seiner Erfmdung: Zu stolz, Fehlspekulationen und Irrtmer einzugestehen oder Hilfe anzunehmen, sieht DIESEL, wie sein Sohn und Biograph darlegt, nur im Freitod einen Aus-weg [1-10].

Geblieben ist sein Lebenswerk, der aus der Theorie der Wrmekraftma-schinen hervorgegangene Hochdruckmotor, der seinen Namen trgt und nach 100 Jahren noch das ist, was sein genialer Schpfer RuooLF DIESEL zum Ziel hatte: Die rationellste Wrmekraftmaschine ihrer und auch noch unserer Zeit, Bild 1-6: Gegenber 1897 hat sich der Wirkungsgrad etwa verdoppelt und ent-spricht der von Diesel geschtzten Annherung an den Carnot-Wirkungsgrad. Der maximale Zylinderdruck Pzmax hat sich etwa verfnffacht und nhert sich heute dem von Diesel vorgeschlagenen Hchstwert bei mehr als zehnfacher Leistungsdichte PA heutiger Dieselmotoren.

Gemessen am "kologischen Imperativ" schont der Dieselmotor durch seinen hohen Wirkungsgrad und die Vielstoffhigkeit unsere begrenzten Ressourcen und mindert die Belastung der Umwelt mit dem Treibhausgas Kohlendioxid. Doch nur eine konsequent betriebene Entwicklung zur weiteren Verringerung der Abgas- und Geruschemission ber das Erreichte hinaus, sichert auch knf-tig die Akzeptanz des Dieselmotors. Gleichzeitig knnte sich dann auch die Vision Diesels erfllen [ 1-10]: "da die Abgase meines Motors rauch- und geruchlos sind".

12 1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

1.2 Motortechnische Grundlagen

1.2.1 Einleitung

Dieselmotor wie Ottomotor sind prinzipiell Energiewandler, die im Kraftstoff chemisch gebundene Energie in mechanische Energie (Nutzarbeit) wandeln, indem sie die im Motor durch Verbrennung freigesetzte Wrme einem thermo-dynamischen Kreisproze zufhren und als Druck-Volumen-Arbeit nutzen.

Die Energiebilanz ber die Systemgrenzen des als "Black-Box" dargestellten Wandlers (Bild 1-7) lautet

Ba+ EL + We + LEv = 0. Ist die auf den Umgebungszustand bezogene Energie der Verbrennungsluft EL = 0, so ist die mit dem Kraftstoff m8 zugefhrte Energie gleich der Nutzarbeit We und der Summe aller Energieverluste .L Bv.

Das technische System "Dieselmotor" ist auch Teil eines vielfach vernetzten globalen Systems, das durch die Begriffe "Ressourcen" und "Umweltbelastung" umrissen wird. Eine nur energetische, konomische Sicht mit dem Ziel, die Ver-luste .LEv zu minimieren, gengt nicht heutigen, durch den kologischen Im-perativ beschriebenen Ansprchen, wonach jede Wandlung von Energie und Materie mit maximalem Wirkungsgrad bei minimaler Umweltbelastung zu erfolgen hat. Das Ergebnis der angesichts dieser Forderung notwendigen, auf-wendigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist der Dieselmotor unserer Tage, der sich vom einfachen Motor zu einem komplexen, aus mehreren Teil-systemen bestehendem Motorsystem entwickelt hat, Bild 1-8. Charakteristisch fr diese Entwicklung ist das verstrkte Einbinden elektrischer und elektroni-scher Bauelemente sowie der Obergang von offenen Steuerungen zu geschlosse-nen Regelkreisen. Zudem zwingt der internationale Wettbewerb zu minimalem Fertigungsaufwand und Materialeinsatz, was u. a. beanspruchungsgerechte Konstruktionen zur optimalen Bauteilnutzung bedingt.

Bild 1-7. Der Dieselmotor als Energiewandler

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Kreisproze

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1.2 Motortechnische Grundlagen 13

Verbrennungssystem

Abgassystem Kraftstoffsystem

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Bild 1-8. Der moderne Dieselmotor als ein Komplex von Teilsystemen

1.2.2 Konstruktive Grunddaten

Geometrie und Kinematik jeder Kolbenmaschine werden durch folgende geo-metrischen Kenngren eindeutig beschrieben: Hub/Bohrungsverhltnis t; = s/D, Schubstangenverhltnis A5 = r/l, Verdichtungsverhltnis c = V maxi Vmin = ( \';; + Vh)/ \';;. Dabei entspricht Vmin dem Kompressionsvolumen V.: und das max. Zylinder-volumen V max der Summe aus \';; und Hubvolumen Vh, fr das mit der Zylinder-bohrung D und dem Kolbenhub s gilt

Vh = s rrD2/4. Entsprechend sind VH = zVh das Hubvolumen eines Motors mit z Zylindern. Durchgesetzt hat sich das Tauchkolbentriebwerk, Bild 1-9. Nur Zweitakt-Gro-

14 1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

Bild 1-9. Konstruktive Grunddaten des Tauchkolben-triebwerks

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motoren, s. Abschn. 19.4, besitzen ein Kreuzkopftriebwerk zur Entlastung des Kolbens von den Seitenfhrungskrften (s.Abschn. 7.4). Beide Bauarten werden nur noch mit einseitig beaufschlagten Kolben eingesetzt. Zwischen dem Kur-beldrehwinkel qJ als normierte Zeitgre und der Drehgeschwindigkeit w be-steht der Zusammenhang

w = dqJ/dt = 2 rrn. Wird die Drehzahl n nicht als Drehzahlfrequenz (s-1) sondern, wie im Motoren-bau blich, in Umdrehungen pro Minute (min-1) angegeben, so ist w = rrn/30.

Der Arbeitsproze eines Verbrennungsmotors spielt sich in dem mglichst dichten Zylinderraum V. ab, der sich mit der Kolbenbewegung zK innerhalb der Grenzen Vmax und Vmin periodisch ndert:

V,(qJ) =V.:+ zK((/)) rr.Dl/4. Fr den Kolbenweg gilt mit dem Kurbelradius r abhngig von der momentanen Kurbelstellung (/)in Grad Kurbelwinkel (KW) ausgehend vom oberen Totpunkt OT (({J = O)

ZK = T 'j(qJ), wobei meist folgende Nherungsfunktion verwendet wird:

f( (/)) = 1 - cos (/) + (A./4) sin2 qJ. Fr die momentane Kolbengeschwindigkeit cK und -beschleunigung aK folgen daraus

cK = dzK/dt = rw [sin (/) + (A5/2) sin 2qJ] aK = d2zddt2 =- rw2[cos qJ+ A5 cos 2qJ].

Die aus Kolbenhub s in m und Drehzahlfrequenz n in s-1 folgende mittlere Kolbengeschwindigkeit

cm = 2sn {m/s) {1-1)

1.2 Motortechnische Grundlagen 15

ist eine wichtige Kenngre fr das kinematische und dynamische Motorverhal-ten, mit deren Zunahme auch Massenkrfte (- c~), Reibung und Verschlei steigen, so da cm nur begrenzt steigerbar ist. Infolgedessen luft ein Gromotor mit niedrigen Drehzahlen, bzw. ist ein Schnellufer ein Motor mit kleinen Abmessungen. Fr Dieselmotoren mit einem Bohrungsdurchmesser von 0,1 m < D < 1 m besteht nherungsweise folgende Korrelation zur Motorgre:

(1-2)

1.2.3 Die motorische Verbrennung

1.2.3.1 Grundlagen der Verbrennungsrechnung

Die Verbrennung ist chemisch betrachtet eine Oxidation der Kraftstoffmolekle mit dem Luftsauerstoff als OxidationsmitteL Damit ist die maximal umsetzbare Kraftstoffmasse m8 durch die im Motorzylinder befindliche Luftmasse be-schrnkt. Mit der kraftstoffspezifischen Mindestluftmasse Lmin (kg Luft/kg Kraft-stoff) zur vollstndigen und vollkommenen Verbrennung des Kraftstoffes beschreibt das Luftverhltnis A.v das Verhltnis von "Angebot zu Nachfrage" bei der Verbrennung

(1-3) Fr das "Angebot" der im gesamten Motor enthaltenen Luftmasse mLz aller Zylinder (V z = z Vz) gilt

(1-4) Bei meist unbekannter Dichte ~z der Zylinderladung weicht man i. allg. auf die Definition des Liefergrades A.1 (s. Abschn. 2.1) und die Dichte ~L der Frisch-ladung unmittelbar am Eintritt in den Zylinderkopf aus:

~L = PtiRLTL. (1-5) Der Luftbedarf folgt aus der Kraftstoff-Elementaranalyse: Dieselkraftstoff DK ist als Erdlderivat ein Konglomerat von Kohlenwasserstoffen und besteht hauptschlich aus Kohlenstoff C, Wasserstoff H, Schwefel S bei meist vernach-lssigbaren Anteilen an Sauerstoff 0 und Stickstoff N. Somit folgt aus der Bilanzgleichung zur vollkommenen Oxidation eines allgemeinen Kraftstoff-molekles CxHz zu Kohlendioxid C02 , Wasser H20 und Schwefeldioxid S02

CxHySz + [x + (y/2) + z] 0 2 ~ xC02 + (y/2) H20 + zS02 + Qex der minimale Luftbedarf Lmin entsprechend dem Sauerstoffgehalt der Luft und den jeweiligen Molzahlen zu

Lmin = 11,48 (c + 2,98 h) + 4,3 S- 4,31 0 (kg/kg) ( c, h, s, o: Masseanteil an 1 kg Kraftstoff gern. Elementaranalyse. Anhaltswert fr DK: Lmin = 14,5 kg/kg).

16 1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

Die bei der Verbrennung freigesetzte Wrme Qex entspricht dem kraft-stoffspezifischen Heizwert Hu, der sich ebenfalls aus der Elementaranalyse berechnen lt [ 1-11]

Hu = 35,2 c + 94,2 h + 10,5 (s - o) in MJ/kg. Auf die Kraftstoffdichte ~B bei 15 oc sttzt sich folgende Nherungsbeziehung

Hu = 46,22-9,13 ~ + 3,68 ~Bin MJ/kg. Damit gilt fr die durch "innere Verbrennung" dem Arbeitsproze zugefhrte Wrme

1.2.3.2 Vergleich motorischer Verbrennungsverfahren

Der Verbrennung voraus geht das Aufbereiten des meist flssigen Kraftstoffes, um ein zndfhiges Gemisch aus gasfrmigem Kraftstoffdampf und Luft zu erhalten. Ein Vorgang, der bei Diesel- und Ottomotor unterschiedlich verluft, Tabelle 1-2.

Beim Dieselmotor, s. Abschn. 3.1, setzt die innere Gemischbildung mit dem Einspritzen des Kraftstoffes in die hoch verdichtete und erwrmte Luft kurz vor OT ein, wogegen die uere Gemischbildung beim Ottomotor auerhalb des Arbeitsraumes mittels Vergaser oder durch Einspritzen in das Saugrohr erfolgt und sich oft ber Ansaug- und Verdichtungstakt erstreckt.

Im Gegensatz zum homogenen Kraftstoff-Luft-Gemisch eines Ottomotors weist der Dieselmotor vor der Entzndung ein heterogenes Gemisch auf, be-stehend aus ber den Brennraum verteilten Kraftstofftrpfchen von wenigen Tausendstel Millimeter Durchmesser, die teils flssig, teils von einem Kraftstoff-dampf-Luft-Gemisch umgeben sind.

Beim Ottomotor wird die Verbrennung ber eine gesteuerte Fremdzndung durch Auslsen einer elektrischen Entladung an einer Zndkerze eingeleitet,

Tabelle 1-2. Vergleich von Merkmalen der motorischen Verbrennung

Merkmale Dieselmotor Ottomotor

Gemischbildung innerhalb Vz auerhalb Vz Gemischart heterogen homogen Zndung Selbstzndung bei Fremdzndung innerhalb

Luftberschu Zndgrenzen Luftverhltnis A.v ~.Amin> 1 0,6 < A.v < 1,3 Verbrennung Diffusions-Flamme Vormisch-Flamme Drehmoment-nderung nderung von A.v Gemischdrosselung durch ( Qualittsnderung) ( Quantittsnderung) Kraftstoff zndwillig zndunwillig

1.2 Motortechnische Grundlagen 17

vorausgesetzt das Luftverhltnis des homogenen Gemisches liegt innerhalb der Zndgrenzen. Beim Dieselmotor erfolgt an bereits aufbereiteten, d. h. von einem zndfhigen Gemisch umgebenen Trpfchen eine Selbstentzndung, wobei nur fr das Mikro-Gemisch im Bereich des Kraftstofftrpfchens Zndgrenzen im Bereich des stchiometrischen Gemisches (A.v = 1) bestehen (s.Abschn. 3.1).

Der Dieselmotor bentigt fr eine normale Verbrennung einen Luftber-schu: A.v ~ Amin > 1. Folglich erfolgt das Anpassen der Energiezufuhr an die Motorbelastung beim Dieselmotor ber das Luftverhltnis, also die Gemisch-qualitt (Qualittssteuerung), beim Ottomotor wegen der Zndgrenzen ber die Gemischquantitt (Quantittssteuerung) durch verlustreiches Drosseln beim Ansaugen der Frischladung.

Art der Zndung und Gemischbildung bestimmen die Anforderungen an den Kraftstoff. Dieselkraftstoff mu zndwillig sein, ausgedruckt durch die Cetan-Zahl, Benzin fr Ottomotoren zndunwillig, d. h. hohe Oktanzahlen aufweisen, um keine unkontrollierte Verbrennung durch ungesteuerte Selbstzndungen aus-zulsen. Letzteres wird durch leichtsiedende, kurzkettige, somit thermisch stabile Kohlenwasserstoffe ( C5 bis C10) erfllt. Dieselkraftstoff besteht dagegen aus schwersieden den, langkettigen Kohlenwasserstoffen ( C9 bis C30), die eher zerfallen und dabei die Selbstzndung begnstigende freie Radikale bilden (s.Abschn. 3.1).

1.2.4 Thermodynamische Grundlagen

1.2.4.1 Ideale Zustandsnderungen von Gasen

Der Zustand einer Gasmasse m ist durch zwei thermische Zustandsgren ber die allgemeine Zustandsgleichung fr ideale Gase bestimmbar

pV=mRT (p absoluter Druck in Pa, T Temperatur in K, V Volumen in m\ R spezifische Gaskonstante, z. B. fr Luft RL = 287,04 J/kg K). Ideale Gase zeichnen sich durch einen von Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung unabhngigen, kon-stanten lsentropenexponenten x aus (Luft: x = 1,4; Abgas x ~ 1,36).

Der Zustand eines Gases lt sich somit mit dem Wertepaar (p, V) in einem p, V-Diagramm darstellen und verfolgen, wobei sich Zustandsnderungen durch Konstantsetzen einer Zustandsgre einfach berechnen lassen, in dem fr Isobaren (p = konst.), Isothermen (T = konst.) und Isochoren (V= konst.) einfache, geschlossene Gleichungen existieren [1-12]. Ein Sonderfall ist die adiabate Zustandsnderung,

p V" = konst., bei der kein Wrmeaustausch zwischen Gas und Umgebung erfolgt. Ist dieser Vorgang reversibel, so spricht man von isentroper Zustandsnderung, was in der Realitt nie zutrifft, ebenso wie der reale lsentropenexponent von Gaszustand und -Zusammensetzung abhngt [1-13].

18 1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

1.2.4.2 Idealer Kreisproze und Vergleichsproze

Bei einem idealen Kreisproze erfhrt das Gas eine in sich geschlossene Zustandsnderung, so da es nach Durchlaufen des Prozesses wieder den An-fangszustand erreicht. Somit gilt fr die innere Energie U = U ( T)

gidU= 0. Aus dem 1. Hauptsatz der Thermodynamik, der die Erhaltung der Energie in geschlossenen Systemen beschreibt,

aQ=dU+pdV, folgt damit, da die im Verlauf des Kreisprozesses umgesetzte Wrme Q als mechanische Arbeit anfllt

g>aQ=g>pdv= wth, d.h. die Druck-Volumen-nderung entspricht der theoretisch nutzbaren Arbeit w;h des idealen Prozesses.

Ein idealer Kreisproze wird zum Vergleichsproze fr eine thermische Maschine, wenn man ihn den Realitten anpat. Fr den Hubkolbenmotor bedeutet dies, da sich Ideal-Proze und realer Arbeitsproze gleichermaen zwischen zwei Volumen- bzw. Druckgrenzen abspielen, gegeben durch Vmax und Vmin bzw. Pmax und Pmin. Die obere Druckgrenze Pmax entspricht dem aus Festig-keitsgrnden zulssigen maximalen Zylinderdruck Pzmax und Pmin dem Druck Pt vor Einla in den Motor, Bild 1-10a. Als weitere Vorgaben mssen Verdich-tungsverhltnis e und die zugefhrte Wrme Qzu bzw. Q8 bereinstimmen:

Qzu = QB = msHu. Dabei wird die Kraftstoffmasse m8 bei gegebener Masse der Frischladung mLz, Gl. (1-4), durch das Luftverhltnis Av bzw. den Gemischheizwert hu beschrnkt,

hu = Qzuf(ms + mLz) = Hul(l + AvLmin). Angelehnt an den Arbeitsproze des Dieselmotors bei