Handbuch Dieselmotoren

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Klaus Mollenhauer (Hrsg.)

Handbuch Dieselmotoren 2., korrigierte und neu bearbeitete Auflage

Mit 654 teilweise farbigen Abbildungen

i Springer

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

Die Deutsche Bibliothek- CIP-Einheitsaufnahme

Handbuch Dieselmotoren I Hrsg.: Klaus Mollenhauer. - 2. korrigierte und neu bearb. Auf!. (vDI-Buch) ISBN 978-3-663-07710-8 ISBN 978-3-662-07709-2 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-07709-2

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Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2002 Ursprnglich erschienen bei Springet-V erlag Betlin Heidelbetg New York 2002 Softcoverreprint of the hardcovet znd edition 2002

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Gedruckt auf surefreiem Papier 68/3020 CU - 5 4 3 2 1 0

Vorwort zur 1. Auflage

"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 RuooLF DIESELS von einem rationellen Wrmemotor in die Realitt. Nach der Patentanmeldung im Jahre 1892 und der Aufnahme der Arbeiten an seinem Motor im darauffolgen-den Jahr dauerte es weitere vier Jahre, bis der Verein Deutscher Ingenieure mit derVDI-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 Abriss der Geschichte des Dieselmotors Grundlagenwissen vermittelt, das u. a. auch die Auflade-technik und die dieseimotorische Verbrennung bis hin zu den Kraftstoffen umfasst. 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% ermittelt worden war [E. Diesel: Diesel, der Mensch, das Werk, das Schicksal. Stuttgart: Reclam 1953, a. a. 0., S. 194/ 195].

VI Vorwort zur 1. Auflage

samte Motorenpalette vom Einzylinder-Kleindieselmotor bis zum groen, langsamlaufenden Zweitakt-Dieselmotor vorgestellt. Den Abschluss 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 Bezeichnung 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 zur 1. Auflage VII

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

Dass 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.

Vorwort zur 2. Auflage

Die gute Aufnahme der 1. Auflage sowie die weitere Entwicklung der Dieselmo-torentechnik - ganz im Sinne des Diesel-Zitats im Vorwort zur 1. Auflage -bedingten eine 2. Auflage, um u. a. der sich bereits 1997 abzeichnenden Ablsung der indirekten Einspritzung durch die Hochdruck-Direkteinspritzung mittels des Common-Rail-Systems bei den Pkw-Dieselmotoren Rechnung zu tragen. Inzwischen ist das Common-Rail-System bei Dieselmotoren aller Gattungen zu finden. Dabei war die Dieselmotorenentwicklung auch weiterhin vorrangig da-rauf ausgerichtet, die Abgasreinheit zu verbessern: Konnten bisher die Abgas-Grenzwerte unter Einsatz von Abgasrckfhrung und Oxidations-Katalysatoren weitgehend mit innermotorischen Manahmen erreicht werden, so lassen sich die angekndigten Emissionsgrenzen oftmals nicht ohne eine aufwendige Abgas-Nachbehandlung einhalten.

Angesichts dieser Entwicklungen wurden die Abschnitte ber die dieseimo-torische Gemischbildung und Verbrennung, ber Einspritzsysteme und Verfah-ren zur Abgasnachbehandlung grndlich berarbeitet und ergnzt. Neu ist ein Abschnitt ber Brenngase und Gasmotoren. Obwohl genau genommen nicht in ein "Handbuch Dieselmotoren" gehrend, ist diese Erweiterung dadurch gerechtfertigt, dass zum einen Gasmotoren nahezu ausschlielich an den Gas-betrieb angepasste Dieselmotoren sind und zum anderen auch der Einsatz von Wasserstoff in Dieselmotoren diskutiert wird. Selbstverstndlich wurden auch neue Entwicklungen in anderen Bereichen der Motortechnik bercksichtigt.

Die Neubearbeitung war nur mglich, weil die Autoren bereit waren, trotz erheblicher beruflicher Belastung das Handbuch dem herrschenden Stand der Dieselmotorentechnik anzupassen. Einige Autoren sind inzwischen in den "Unruhestand" gewechselt und lieen es sich dennoch nicht nehmen, ihre Bei-trge zur 1. Auflage zu berarbeiten. Ihnen allen schulde ich aufrichtigen Dank! Ein besonderer Dank gilt den neu hinzugekommenen Autoren fr ihre Be-reitschaft, einzelne Abschnitte neu zu fassen. Schlielich habe ich auch den Mit-arbeitern des Springer-Verlages fr die fruchtbare Zusammenarbeit und die gute Betreuung zu danken, insbesondere Herrn Thomas Lehnert in der Planung und Frau Sigrid Cuneus im Lektorat des Verlages.

Auf dem an der Schwelle des neuen Jahrtausends erstmalig abgehaltenen Weltingenieurtag "World Engineers Convention 2000" waren "Energie" und "Mobilitt" zentrale Themen angesichts des in den nchsten 20 Jahren erwar-

Vorwort zur 2. Auflage IX

teten Anstiegs der Weltbevlkerung auf 8 Milliarden und der begrenzten fossi-len Ressourcen. Somit ist der kologische Imperativ, d.h.

rationellste Nutzung aller Ressourcen bei geringster Umweltbelastung, das Gebot der Stunde, wie nachdrcklich fr alle Energietrger gefordert wur-de.

Auf diese Weise ist die ber 100 Jahre alten Idee RunoLF DIESELS vom "ratio-nellen und rauchfreien Wrmemotor" auch in Zukunft von groer Aktualitt, was das ungebrochene Interesse an der z. Z. rationellsten Wrmekraftmaschine - dem Dieselmotor - beweist und durch die in den letzten Jahren fr Diesel-motoren jeglicher Art gestiegenen Produktionszahlen belegt wird. Bei den Pkw-Neuzulassungen wuchs der Anteil der Diesel-Pkw in den letzten fnfJahrenvon rund 20% auf etwa 30o/o!

So hoffe und erwarte ich, dass das "Handbuch Dieselmotoren" auch in der 2. Auflage von vielen Lesern genutzt wird, sei es von Studenten zur Vertiefung des Studiums, sei es von den in der Praxis Ttigen, um Informationen und Anre-gung fr ihre Arbeit zu gewinnen, oder einfach von all jenen, die sich fr die Technik des modernen Dieselmotors interessieren.

Berlin, im Frhjahr 2001 Klaus Mollenhauer

ABGASSYSTEME FR ALLE ANWENDUNGSBEREICHE Friedrich-Boysen-Strae 14-17 D-72213 Altensteig Telefon 0 7 4 53 I 20-0 Telefax 0 7 4 53 I 20-227 E-Mail: [email protected] Internet: http://www.boysen-online.de

Inhaltsverzeichnis

Autorenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XXXI

Teil I Der Arbeitsprozess des Dieselmotors

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

1.2 Motortechnische Grundlagen 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.3.1 1.2.3.2 1.2.4 1.2.4.1 1.2.4.2 1.2.5 1.2.5.1 1.2.5.2 1.2.5.3

Einleitung . . . . . . . ..... Konstruktive Grunddaten . . . . . Die motorische Verbrennung ... Grundlagen der Verbrennungsrechnung . Vergleich motorischer Verbrennungsverfahren . Thermodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . Ideale Zustandsnderungen von Gasen . . . . . . . . Idealer Kreisprozess und Vergleichsprozess . . . . . . . . Der reale Arbeitsprozess des Dieselmotors Zweitakt- und Viertakt-Verfahren ... Wirkungsgrade des realen Motors . . . 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

1.3.3.1

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermodynamische Grundlagen der Realprozess-rechnung .............. . Unterschiede zwischen idealem und realem Arbeitsprozess . . . . . . . . Thermodynamisches Modell . . . . . . . . . . . . . . . Indizierte und effektive Arbeit . . . . . . . . . . . . . . Typische Beispiele fr die Anwendung der Realprozess-rechnung Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

3

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

30

30

30

30 31 39

40 40

XII Inhaltsverzeichnis

1.3.3.2 1.3.3.3 1.3.3.4 1.3.4

Ergebnisse der Realprozessrechnung . . . . . . Parameterstudien . . . . . . . . . . . . . . . . . Weitere Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . Zuknftige Arbeiten auf dem Gebiet der Realprozess-rechnung ......................... .

2 Ladungswechsel und Aufladung 2.1 Ladungswechsel .......... .

2.1.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Viertaktverfahren . . . . . . . . 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

Steuerorgane . . . . . . . . . . . Ventilhubkurven und Steuerzeiten . . . . . . . . . . . Ventilquerschnitt und Durchflussbeiwert . . . . . . . Einlassdrall . . . . . . . . . . . Einfluss der Einlassleitung . . . . . . . . . . Zweitaktverfahren .............. . Besonderheiten des Zweitaktladungswechsels gegenber dem Viertaktladungswechsel . Splverfahren . . . . . . . . . . . . . . Messung des Splerfolgs, Splmodelle

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

2.2.3.5 2.2.4 2.2.4.1 2.2.4.2 2.2.5 2.2.6 2.2.7

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . Down-Sizing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sonderformen der Abgasturboaufladung . Zweistufige Aufladung . . . . . . . . . . . . . . . . Turbocompounding . . . . . . . . . . . . . . . . . Druckwellenaufladung ( COMPREX) Mechanische Aufladung . . . . . . . Elektrischer Ladeantrieb . . . . . .

2.3 Programmierte Ladungswechselberechnung

40 41 46

47

49

49 49 50 50 51 54 56 57 58

58 59 61

61 61 61

62 64 64 66 67 69 70 73 78

79 83 84 84 85 87 89 90 91

Inhaltsverzeichnis XIII

3 Kraftstoff und Verbrennung 94

3.1 Die dieseimotorische Verbrennung 94

3.1.1 Ablauf von Gemischbildung 94 3.1.1.1 Verfahrensmerkmale . 94 3.1.1.2 Gemischbildung 95 3.1.1.3 Zndung und Zndverzug 97 3.1.1.4 Verbrennung und Brennverlauf . 100 3.1.1.5 Ladungswechsel und Strmungsvorgnge

im Brennraum 103 3.1.2 Konstruktive Merkmale 106 3.1.2.1 Gestaltung des Brennraumes 106 3.1.2.2 Anordnung und Gestaltung der Einspritzdse 108 3.1.2.3 Auswirkungen der Aufladung 110 3.1.2.4 Abgasrckfhrung 111 3.1.3 Alternative Verbrennungsverfahren 113 3.1.4 Prozesssimulation von Einspritzverlauf und Brenn-

verlauf . 115

3.2 Dieselkraftstoff fr Fahrzeugmotoren 117

3.2.1 Einfhrung 117 3.2.2 Herstellung 117 3.2.3 Qualittsanforderungen .. . . 118 3.2.4 Wesentliche Kennwerte .. 119 3.2.4.1 Zndwilligkeit, Cetanzahl, Cetanindex 119 3.2.4.2 Siedeverhalten 120 3.2.4.3 Schwefelgehalt 120 3.2.4.4 Tieftemperatur-Fliefhigkeit 121 3.2.4.5 Dichte 121 3.2.4.6 Viskositt 122 3.2.4.7 Flammpunkt 122 3.2.4.8 Aromaten 122 3.2.4.9 Reinheit 122 3.2.4.10 Schmierfhigkeit 123 3.2.4.11 Sonstige Qualittsmerkmale 123 3.2.5 Einfluss der Kraftstoffqualitt auf motorisches Verhalten 123 3.2.6 Prfverfahren 124 3.2.6.1 Chemisch-physikalische Labormethoden 124 3.2.6.2 Cetanzahlprfmotoren und motorische Verfahren 124 3.2.7 Kraftstoffnormen 125 3.2.7.1 DIN 51601 125 3.2.7.2 EN590 125 3.2.7.3 World-Wide Fuel Charter 126 3.2.7.4 Referenzkraftstoffe 126

XIV Inhaltsverzeichnis

3.2.7.5 Biodiesel ..... . 3.2.8 Zukunftsaussichten

3.3 Schwerlbetrieb von Schiffs- und Stationrmotoren

3.3.1 3.3.2 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

Was ist Schwerl? Schwerlaufbereitung . . . . . . . . . Besonderheiten von Schwerlmotoren Schwerlmotoren und ihre Probleme Auswirkungen auf Motorkomponenten Betriebsverhalten von Schwerlmotoren Znd- und Brennverhalten Betriebsdaten . . . . . . . . . . . Emissionsverhalten . . . . . . . Schmierl fr Schwerlmotoren

3.4 Alternative Kraftstoffe fr Dieselmotoren

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

3.4.3 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

3.5 Brenngase und Gasmotoren . . .

3.5.1 3.5.2 3.5.2.1 3.5.2.2 3.5.3 3.5.3.1 3.5.3.2 3.5.4 3.5.4.1 3.5.4.2 3.5.5 3.5.5.1

Historischer Rckblick Brenngase, Kenngren . Brenngase fr Gasmotoren Brenntechnische Kenngren Gemischbildung . . . . . . . Mglichkeiten der Gemischbildung Gasmiseher . . . . . . . . . Zndung und Verbrennung Gas-Ottomotoren . . . . . Gas-Dieselmotor . . . . . . Abgasemission von Gasmotoren Verbrennung homogener Gasgemische

127 127

127

127 128 131 131 133 139 139 143 144 144

146

146 146 147 149 151

151

152 162

162

163 169

171

171 172 172 173 176 176 178 179 179 181 184 184

Inhaltsverzeichnis

3.5.5.2 Gasmotoren mit stchiometrischem Gemisch . 3.5.5.3 Mager-Gemisch-Motoren ........... .

XV

185 185

4 Kraftstoff-Einspritzsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

4.1 Anforderungen an Einspritzanlage und Einspritzvorgang

4.2 Einspritzsystem . . . . . . . . . . . . . . .

4.2.1 4.2.1.1 4.2.1.2 4.2.2 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.2.3

4.2.3 4.2.3.1 4.2.3.2 4.2.3.3 4.2.3.4 4.2.3.5 4.2.4 4.2.4.1 4.2.4.2

Systembersicht . . . . . . . . . Aufbau von Einspritzsystemen . Systemkomponenten Einspritzhydraulik .... Einfhrung . . . . . . . . Theoretische Grundlagen Simulationsprogramme fr die numerische Berechnung von Einspritzvorgngen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reiheneinspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verteilereinspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einzelpuropen-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . .. Speicher-Einspritz-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . .. Gropumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einspritzdsen und Dsenhalter . . . . . . . . . . . . . . Einspritzdsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dsenhalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4.3 Anpassen des Einspritzsystems an den Motor .

s

4.3.1 4.3.2 4.3.2.1 4.3.2.2

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

Regelung und Steuerung der Kraftstoffeinspritzung .

5.1 Mechanische Regelung der Dieseleinspritzung . . . .

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

188

193

193 193 195 200 200 201

203 206 206 214 222 226 230 236 236 239

242

242 244 244 244

248

248

248 249 251 252 252 253

XVI Inhaltsverzeichnis

5.2 Elektronische Regelung der Dieseleinspritzung 257

5.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 5.2.2 Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 5.2.3 Elektronisches Steuergert . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 5.2.4 Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 5.2.5 Regelkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 5.2.6 berwachungskonzept und Diagnose . . . . . . . . . . . 266

Teil II Zur Konstruktion von Dieselmotoren

6 Belastung von Motorbauteilen . . . . . . . . . . . 271

6.1 Mechanische und thermische Bauteilbelastung . . . . . . . . . . . 271

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 . . . . . . . .

271 274 275 275 276 281 283

6.2 Wrmebergang und Wrmebelastung im Motor . . . . . . . . . . 286

6.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 6.2.2 Wrmebergang im Verbrennungsmotor . . . . . . . . . 286 6.2.3 Wrmetransport Kolben-Kolbenring-Laufbuchse 302 6.2.4 Bestimmung der thermischen Belastung der Motorbauteile 307

7 Gestaltung und Beanspruchung des Triebwerkes . . . . . . . . 309

7.1 Bauformen und triebwerksmechanische Eigenschaften . . . . . . 309

7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.4.1 7.1.4.2 7.1.5 7.1.6

Anforderungen an das Triebwerk . . . . . . . . . . . . . . Krfte amTriebwerk .................... . Ermittlung der triebwerksmechanischen Eigenschaften Beispiele ausgefhrter Triebwerke . . . . . . . . . . . . . V-Motoren-Einfluss des V-Winkels ............ . Zustzliche Ausgleichsmanahmen . . . . . . . . . . . . Mehrzylindermotoren und Laufruhe . . . . . . . . . . . . Konstruktion und Werkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . .

309 310 312 314 314 317 320 322

Inhaltsverzeichnis

7.2 Massenausgleich

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

bersieht 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 . . . . . . . . . . . . . . . . bersieht zum Massenausgleich bei Einzylinder-motoren ........................... . Gegenmassen an Kurbelwangen . . . . . . . . . . . . . . Umlaufende Ausgleichsmassen an Ausgleichswellen . . . Gestaltung des Pleuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenkrfte und-momentebei Reihenmotoren: Massenausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenkrfte und-momentebei V-Motoren: Massenausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XVII

325

325

327 331 331

332

332

332 334 335 336

337

340

7.3 Drehschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342

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 7.3.7.2 7.3.7.3

berblick .......................... . Erregerdrehmomente fr das Hubkolbentriebwerk und fr den Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ersatzsysteme und Bestimmung der Systemparameter . . Ersatzsystem und Differenzialgleichung 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehschwingungstilger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweimassen-Schwungrad ................. .

342

345 346

346

348

349 350 351 352 352 353 354 355 356 357 357 359 360

XVIII Inhaltsverzeichnis

7.4 Kurbelwellenbeanspruchung 362

7 .4.1 Erfassen der Kubelwellenbeanspruchung . . . . . . . . . 362 7 .4.2 Formzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 7.4.3 Beanspruchungszustand bei Biegung und Torsion 367 7.4.4 Ist-Spannungskonzeptund Bauteildauerfestigkeit . . . . 367 7.4.5 Dauerfestigkeitssteigerung durch Randschicht-

verfestigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 71

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 ......................... .

373

373 374 374 376 380 382 382 383 385 386 387

387 388

389 390 390 392 393 393 394 395

7.6 Kolben, Kolbenringe und Kolbenbolzen . . . . . . . . . . . . . . . 396

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 7.6.4 7.6.4.1 7.6.4.2

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

396 396 398 398 399 404 410 418 418 418

Inhaltsverzeichnis XIX

8

7.6.4.3 7.6.5 7.6.6

labstreifringe ................... . Kolbenbolzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwicklungstendenzen . . . . . . . . . . . . . . .

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

420 422 425

426

8.1 Aufgabe der Motorkhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 8.1.1 Wrmebilanz und Wrmetransport . . . . . . . . . . . . 426 8.1.2 Rechnerischer Analyse des Wrmetransports . . . . . . . 429

8.2 Wasserkhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 8.2.1 Wrmebergang bei Wasserkhlung . . . . . . . . . . . . 430 8.2.2 Heikhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 8.2.3 Verdampfungskhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

8.3 lkhlung . . 439 8.4 Luftkhlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

9

8.4.1 Historischer Rckblick . . . . . . . . . . . . . . . 441 8.4.2 Wrmebertragung vom Bauteil an die Khlluft . . . . . 446 8.4.2.1 Wrmebergang und Khlflchengestaltung . . . . . . . 446 8.4.2.2 Einfluss von Khlluftfhrungen auf den Wrmebergang 450 8.4.3 Konstruktive Merkmale des luftgekhlten Motors . . . . 451 8.4.3.1 Gesamtaufbau des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 8.4.3.2 Kurbelgehuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 8.4.3.3 Zylinderrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 8.4.3.4 Zylinderkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 8.4.4 Das motorintegrierte Khlsystem . . . . . . . . . . . . . 457 8.4.4.1 Grundlegende Unterschiede zum externen Khlsystem

des flssigkeitsgekhlten Motors . . . . . . . . . . . . . . 457 8.4.4.2 Bauarten, Auslegungskenngren und Leistungs-

merkmale des Khlgeblses . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 8.4.4.3 Beispiele ausgefhrter Dieselmotoren . . . . . . . . . . . 461 8.4.5 Einfluss der Luftkhlung auf Liefergrad und NOx-Emission 464 8.4.6 Leistungsgrenzen des luftgekhlten Motors . . . . . . . . 464

Werkstoffe und ihre Auswahl ........ . 469

9.1 Bedeutung der Werkstoffe fr den Dieselmotor 469

9.2 Technische Werkstoffe fr Motorenteile . . . . . . . . . . . . . . . 471

9.2.1 Werkstoffe fr Triebwerksteile . . . . . . . . . . . . . . . 471 9.2.2 Werkstoffe fr Steuerungsteile und Einspritzausrstung 476

XX Inhaltsverzeichnis

9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8

Schraubenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffe fr Tragstrukturen . . Werkstoffe fr Heiteile . . . . . . . . . . . . . . Lagerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffe fr Korrosionsbeanspruchung . Sonderwerkstoffe fr Funktionsteile . .

9.3 Faktoren fr die Werkstoffauswahl . . . .

9.4 Lebensdauerkonzepte und Werkstoffdaten

9.5 Verfahren zur Lebensdauersteigerung . . . .

9.5.1 9.5.2 9.5.3

Urformungsverfahren . . . . . . . . . Oberflchenbehandlungsmethoden Beschichtungsverfahren .

9.6 Entwicklungstendenzen .

476 476 479 482 482 483

483

484

486

486 488 489

491

9.6.1 Werkstoffe 491 9.6.2 Verfahren 494 9.6.3 Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494

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 10.1.4.2 10.1.4.3 10.1.4.4 10.1.4.5 10.1.4.6 10.1.4.7

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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viskosittsverringerung durch Scherung . . . . . . . . . Viskosittsverringerung durch Kraftstoff . . . . Viskosittserhhung durch feste Fremdstoffe . . . . . . Versuerung . . . . . . . . . . . . . . . Rckstandsbildung . . . . . . . Schlammbildung . . . . . . . .

499

499

499 501 504 504 504 505 515 515 515 516 516 516 517 517

Inhaltsverzeichnis

10.2 Schmiersystem

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 ........................... . lft1ter ............................ . labscheider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . lstandsanzeige/lnachfllung . . . . . . . . . . . . . . . Schmierlpflege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XXI

518

518 518 518 519 523 523 525 525 526 528 528

11 Khlsysteme und Khlmittel bei Flssigkeitskhlung . . . . . . 532

11.1 Aufgabe von Motor-Khlsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532

11.2 Khlsystem und Wrmeabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535

11.2.1 11.2.2 11.2.2.1 11.2.2.2 11.2.2.3 11.2.2.4

Khlsysteme mit direkter Wrmeabfuhr . . . . . . . . . . Khlsysteme mit indirekter Wrmeabfuhr . . . . . . . . Wrmeabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau des Khlsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung der Khlmitteltemperatur . . . . . . . . . . . . Ausgefhrte Khlsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . .

535 535 535 537 545 551

11.3 Khlmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

11.3.1 11.3.2 11.3.2.1 11.3.2.2

Eigenschaften und Anforderungen . . . . . . . . . . . . . Khlwasserfhrung und Khlwasserpflege . . . . . . . . Einfluss der Khlwasserfhrung ............. . Khlwasserpflege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

555 557 557 558

12 Anlagen zur Start- und Zndhilfe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561

12.1 Motorbedingungen beim Anlassen und Starten . . . . . . . . . . . 561

12.1.1 uere Startbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 12.1.2 Innere Startbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562

12.2 Innere Znd- und Starthilfen 565

12.3 uere Znd- und Starthilfen 570 12.3.1 Elektrische Heizkerzen und Heizflansche . . . . . . . . . 570 12.3.2 Flammstartanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571

XXII Inhaltsverzeichnis

13 Ansaug- und Abgasanlagen

13.1 Luftfilter ........... .

13.1.1 13.1.2 13.1.3 13.1.4

Anforderungen . . . . Filtermaterialien und Leistungsdaten Bauformen ........ . Ansanggeruschdmpfung

13.2 Abgasanlagen . . . . . . . . . . .

13.2.1 13.2.1.1 13.2.1.2 13.2.1.3 13.2.2 13.2.2.1 13.2.2.2

13.2.2.3 13.2.2.4 13.2.3 13.2.3.1 13.2.3.2 13.2.3.3 13.2.3.4 13.2.3.5 13.2.3.6

Aufgabe und Aufbau . . Abgasanlagen fr Pkw . Abgasanlagen fr Nutzfahrzeuge Abgasanlagen fr Stationr- und Schiffsmotoren . Abgasgeruschdmpfung durch Schalldmpfer . . Allgemeine Zusammenhnge . . . . . . . . . . . . Vorschalldmpfer, Katalysator und Partikelfilter als Schalldmpfungselemente . . . . . . . . Mittelschalldmpfer und Nachschalldmpfer .. Dmpferbauarten . . . . . . . . . . . . Abgasnachbehandlung . . . . . . . . Probleme der Diesel-Abgasemission Oxidationskatalysator Denox-Katalysatoren ....... . Partikelfiltersysteme . . . . . . . . . Kombination von Abgasreinigungssystemen Neue Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

574

574

574 577 580 582

586

586 587 588 589 589 589

590 591 591 594 594 595 596 599 605 607

14 Abwrmeverwertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608

14.1 Grundlagen der Abwrmenutzung . . 608

14.1.1 14.1.2 14.1.3

Vorbemerkung . . . . . . . . Abwrme von Dieselmotoren Bestimmung der Abwrmeleistungen

14.2 Mglichkeiten der Abwrmenutzung . . . . . .

14.2.1 14.2.1.1 14.2.1.2

14.2.2 14.2.2.1 14.2.2.2

Abwrmenutzung in From von mechanischer Energie Turbo-Compound-Betrieb . . . . . . . . . . . . . Dampfkraftanlage (Bottoming Cycle oder Organic Rankine Cycle) ................... . Abwrmenutzung in Form von thermischer Energie Kraft-Wrme-Kopplung . . . . . Kraft-Wrme-Klte-Kopplung . . . . . . . . . . . .

608 608 610

614

614 614

614 616 616 625

Inhaltsverzeichnis

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 . . . . . . . . . Lsungsanstze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XXIII

630

630 636 641 643 649 649 651 653

15 berwachung, Wartung und Diagnose . . . . . . . . . . . . . . . 659 15.1 Motorwartung und Motordiagnose . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659

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 15.1.3.4 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 Kraftstofffilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Khlmittelkreislauf .................... . Sonstige Wartungsarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . Wartungssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konventionelles Wartungssystem . . . . . . . . . . . . . . Wartungssteuerung durch eine Betriebs-EDV ...... . Flexibles Service-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aktives Service System ASSYST . . . . . . . . . . . . . . . Diagnose und Diagnoseverfahren . . . . . . . . . . . . . Diagnosemethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronische Fahrzeug-Diagnosesysteme ........ . Diagnosesysteme fr Grodieselmotoren . . . . . . . . . Dynamisches Motormanagement . . . . . . . . . . . . .

659 661 661 662 663 664 665 665 667 669 671 672 672 672 673 675

15.2 Messtechnik fr Entwicklung und Betrieb von Dieselmotoren 676

15.2.1 15.2.2 15.2.3 15.2.3.1 15.2.3.2 15.2.4

15.2.4.1 15.2.4.2 15.2.4.3 15.2.4.4

Aufgabengebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messtechnische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Mess- und Prfstandstechnik . . . . . . . . . Traditionelle Prfstandstechnik . . . . . . . . . . . . . . Rechnergesttzte Prfstandstechnik . . . . . . . . . . . . Mess- und Prfstandstechnik fr ausgewhlte Messaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zylinderdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemischbildung und Verbrennung . . . . . . . . . . . . . Strmungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Verlustarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . .

676 678 685 685 693

703 703 707 714 717

XXIV Inhaltsverzeichnis

Teil IV Umweltbelastung durch Dieselmotoren

16 Abgasemission von Dieselmotoren ..

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

16.1.1 16.1.2 16.1.2.1 16.1.2.2

16.1.2.3 16.1.3

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

16.2 Abgasgesetzgebung ................ .

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 . . .

16.3 Abgasschadstoffe und ihre Entstehung .

16.3.1 16.3.2 16.3.3 16.3.4

Vollstndige und unvollstndige Verbrennung Entstehung von Stickoxiden . . . . Rubildung und Partikelemission Nicht limitierte Emissionen . . . .

721

721

721 723 723

723 726 726

729

729 732 732 735 736 740 741 741 741 743

747

747 747 748 750

16.4 Innermotorische Manahmen zur Emissionsminderung 751

16.4.1 Abgasemission und Verbrauch . . . . . . . . . . . 751 16.4.2 Einfluss des Verbrennungsverfahrens 753 16.4.3 Einfluss von Kalt- und Warmlauf . 756 16.4.4 Einfluss des Kraftstoffes . . . . . . . . 758

16.5 Manahmen zur Abgasnachbehandlung . . . . 759

16.5.1 16.5.2 16.5.3

Strategien zur Abgasnachbehandlung . Oxidationskatalysator . . . . Nachmotorische Entstickung . . . . . . .

759 759 760

Inhaltsverzeichnis

16.5.3.1 16.5.3.2 16.5.3.3 16.5.4

Verfahrensvergleich SCR-Katalysator .. NSCR-Katalysator . Partikelfiltersysteme

16.6 Messverfahren zur Bestimmung der Abgasemission 16.6.1 Messung der gasfrmigen Emission 16.6.1.1 Infrarot-Absorptionsanalysator 16.6.1.2 Flammenionisationsdetektor 16.6.1.3 Chemilumineszenz-Detektor . 16.6.1.4 Gaschromatograph ...... . 16.6.2 Messung der Partikel- und Staubemission 16.6.2.1 Partikelemission 16.6.2.2 Partikelanzahl ...... . 16.6.2.3 Staubemission ...... . 16.6.2.4 Alternative Messverfahren .

17 Geruschemission von Dieselmotoren

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

17.2 Gesetzliche Grenzwerte und Messverfahren

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

17.3.1 17.3.2 17.3.3

Geruschquellen von Verbrennungsmotoren Einfluss ausgewhlter Motorparameter Entwicklung der Motorgeruschemission

17.4 Reduktion des Motoroberflchengeruschs

17.4.1 17.4.1.1 17.4.1.2 17.4.1.3 17.4.1.4 17.4.1.5 17.4.2 17.4.2.1

17.4.2.2 17.4.2.3 17.4.3

Krperschallanregung . . . . . . Anregungsmechanismen . . . . . Direktes Verbrennungsgerusch . Indirektes Verbrennungsgerusch Mechanisches Gerusch ..... . Steuertriebsgerusch . . . . . . . Krperschallbertragung im Motor Krperschallbertragung durch Motorblock und Zylinderkopf . . . . . . . . . . . . . . . . Krperschallbertragung durch Anbauteile . Krperschallbertragung ber die Motorlagerung Reduktion der Geruschabstrahlung

17.5 Aerodynamische Motorgerusche

17.5.1 Ansang- und Abgassystem 17.5.2 Khlsystem ....... .

XXV

760 762 763 764

765 765 765 766 767 767 768 768 769 769 769

774

774

775

776 776 777 777

779

779 779 782 784 786 786 789

789 791 795 796

796 796 797

XXVI Inhaltsverzeichnis

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 Motors . . . . . . Teilkapselung . . . . . . . . . .

17.7 Gerteseilige Motorgeruschdmmung

18 Fahrzeugdieselmotoren

18.1 Pkw-Dieselmotoren

18.1.1 18.1.2 18.1.3 18.1.3.1 18.1.3.2 18.1.4 18.1.4.1 18.1.4.2 18.1.5

Verlauf der technischen Entwicklung . . . . . . . . . . . Stand der Technik, Entwicklungsziele und Lsungsanstze Konzeptionelle Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorgre und Schnelllufigkeit . . . . . . . . . . . Gemischbildungs- und Verbrennungsverfahren Motorkonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Merkmale und Kennzahlen . . . . . . . . Beispiele ausgefhrter Pkw-Dieselmotoren . Entwicklungspotenziale, neue Anstze

18.2 Dieselmotoren fr leichte Nutzfahrzeuge

18.2.1 18.2.2 18.2.3 18.2.3.1 18.2.3.2 18.2.4

Definition "leichte Nutzfahrzeuge" . . . . . . . . . . . . Anforderungen an Motoren fr leichte Nutzfahrzeuge . Ausgefhrte Motorisierungen leichter Nutzfahrzeuge . Gesamtbetrachtung . . . Ausgewhlte Beispiele . Ausblick ......... .

18.3 Dieselmotoren fr schwere Nutzfahrzeuge

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

Definition "schwere Nutzfahrzeuge" Klassifizierung . . . . . . . . . . Einsatzgebiete . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Motoren . . . . . . . . Anforderungen durch den Betreiber . . . . . Gesetzgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgefhrte Motorisierungen schwerer Nutzfahrzeuge Gesamtbetrachtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

798

798 799 801 802 802 804 804 804 805

805

807

807

807 808 813 813 815 819 819 821 835

837

837 839 841 841 845 848

849

849 849 849 851 851 863 865 865

Inhaltsverzeichnis

18.3.3.2 Ausgewhlte Ausfhrungen 18.3.4 Ausblick . . . . . . . . . . .

18.4 Schnelllaufende Hochleistungsdieselmotoren ..

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 schnelllaufenden 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 . . . . . . . . . . . . . Hub/Bohrungsverhltnis . . . . . . . . . . . . . . . . Khlverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau des luftgekhlten Einzylinder-Dieselmotors ... uere Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Innerer Motoraufbau

19.2 Einbau- und Industriemotoren

19.2.1 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

Definition und Einteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Angebot und Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . .

An~bobp~ette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auswahlkriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modifizierte Fahrzeugmotoren . . . . . . . . . . . . . . . Hinweise zur Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an die Modifikation . . . . . . . . . . . . Ausfhrungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Industriemotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Produktkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgefhrte Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . Ausblick ........................... .

XXVII

868 874

875

875 879 885 885 886 891 896 899

902

902

902 902 903 903 904 904 904 906 906 910

918

918 919 919 921 921 921 922 924 928 928 929 931

XXVIII Inhaltsverzeichnis

19.3 Mittelschnelliaufende Viertakt-Dieselmotoren 933

933 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 19.3.7

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

933 933 936 938 939 939 939 940 941 941 942 942 943 945 949 951 952 953 954 957

19.4 Langsamlaufende Zweitakt-Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . 958

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 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

19.4.5.4

Entwicklung und Merkmale langsamlaufender Zweitakt-Dieselmotoren ................ . Entwicklung des Zweitakt-Langsamlufers ....... . bergang zur Gleichstromsplung . . . . . . . . . . . . . Merkmale moderner Zweitakt-Langsamlufer ..... . Konstruktion des modernen Zweitakt-Langsamlufers Motorfamilien, Leistungskennfeld . . . . . . . . . . . . . Konstruktive Gestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsverhalten des Zweitakt-Langsamlufers .... . Zweitakt-Langsamlufer als Schiffsantrieb ....... . Abstimmen der Propulsionsanlage . . . . . . . . . . . . . Dmpfen von Schwingungen im Antriebsstrang . . . . . Ausblick ........................... . Trendabschtzung der knftigen Entwicklung . . . . . . Common-Rail-Technologie bei Zweitakt-Grodiesel-motoren ........................... . Experimentelle Untersuchung zum Entwicklungspotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgasemissionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

958 958 961 962 964 964 965 970 973 973 974 977 977

980

981 984

Inhaltsverzeichnis XXIX

Anhang

Farbbilder 989

Literaturverzeichnis 1009

Normen und Richtlinien fr Verbrennungsmotoren* 1043

Sachverzeichnis . . . . 1057

Inserentenverzeichnis 1068

* Die Zusammenstellung der Normen und Richtlinien wurde uns dankens-werterweise vom VDMA, Fachverband Power Systems, Frankfurt/M., zur Ver-fgung gestellt.

IN D Y- Druckindizierung mit dem PC INDY ist ein System zur Erfassung und Auswertung von Zylinderdruckverlufen und anderen Motordaten.

Als Plattform dient ein kompatibler Personal-Computer, der mit einer Transientenspeicherkarte ausgerstet ist. Der Einsatz von WINDOWS garantiert dem Benutzer ein Hchstma an Bedienungskomfort Mit dem Druckindiziersystem INDY steht dem Anwend er ein kostengnstiges System zur Verfgung, das

alle Funktionen zur Erfassung und thermodynamischen Auswertung von Zylinderdruckverlufen bietet. 8 Kanale (erweilerbar auf 80 Kanale) e hochgenaue Medalenerfassung durch 12 Bii-Auffsung,

Differenzeingange und Sampie & Hold- Bausleine

umfangreiche Zusalzlunktionen wie dynamisches Kalibriermodul, Drehzahlmessung und Oruckniveaukorreklur

schnelle Oalenerlassung (max. 1.2 MHzpro Kanal) Hchslma an Bedienungskomlori und universelle Schnillslellen zu

anderen Anwendungen durch EinsalZ von WINOOWS hohe Speicherfiele (2 MSamples. erweiterbar auf 4 MSemples) umfangreiche Drucker- und Plolterunlersl1Zung einfacher Anschlu der Sensoren und Drehwinkelgeber ber

BNC-Buchsen D:ll!l ,llrud:en,/Piallell lallllstik SPI

exakte Zuordnung zum Volumenverlauf durch kurbelwinkelge- a~~::;; .. .

sleuerle Messung OT '"'' On-Une-Berechnung und Oarslellung aller wichligen Be-

lriebspunkldaten wie indizierter Milteldruck, Spilzendruck, .,,.

Spilzendrucklage, Heizverlauf und p-V-Diagramm, gemilleller "'" Oruckverlaul (grafisch oder in Tabellenform) 11100

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Auswertung. INDY bietet eine Vielzahl von Mglichkeiten fr die Auswertung, Darstellur!Q und Interpretation der erlaBten Druckverlufe:

Gesellschaft fr Motoren- und Fahrzeugtechnik

Druckansliegsgeschwindigkeil IndiZierter Mitteldruck Gemittelter Druckverlauf p-V-Diagramm Heizverlauf Klopfintensitt Statistik

Mnchener Strae 12, 85123 Karlskron/lngolstadt, Tel. 08450/91161 , Fax 08450/91279 Internet: http://www.gmf.de

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Autorenverzeichnis der 2. Auflage

Aepler, Eberhard, Prof. Dr.-Ing. habil., Nedlitz b. Magdeburg (vorm. Technische Universitt Otto-von-Guericke Magdeburg): Abschn. 15.2

Anisits, Ferenc, Dr.-Ing., Haidershofen/ A (vorm. BMW Motorenges.m.b.H., Steyr/sterreich): Abschn.18.1

Boehner, Wolfgang, Dr. rer. nat., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 5.2 Bonse, Bernhard, Dr.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Ab sehn. 4.2.3.2, 4.2.3.3 und 4.2.4 Bozung, Hanns-Gnther, Dr.-Ing., Augsburg (vorm. MAN B&W Diesel AG, Augsburg): Ab-

sehn. 19.3

Egler, Walter, Dr.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 4.2.2 Esche, Dieter, Dipl.-Ing., Deutz AG, Kln: Abschn. 8.1 und 8.4 Frnkle, Gerhard, Dr. techn., Remshalden (vorm. DaimlerChrysler AG, Stuttgart): Kap. 16 Gairing, Max, Dip!.-Ing., Albmannsweiler (vorm. DaimlerChrysler AG, Stuttgart): Ab sehn. 3.2

und 10.1

Gerdes, ]rgen, Dipl.-Ing., Wrtsil NSD Switzerland Ltd., Winterthur/Schweiz: Abschn. 19.4 Gllnitz, Heinz, Dr. rer. nat., Ottobrunn (vorm. BERU Ruprecht GmbH & Co. KG, Ludwigs-

burg): Kap. 12 Herd in, Gnther, Dr. techn., Jenbacher Energie, Jenbach/sterreich: Abschn. 3.5 Hirschbichler, Pranz, Dr. techn., MDE Dezentrale Energiesysteme GmbH, Augsburg: Abschn.

14.1 und 14.2

Hlousek, ]aroslav, Dipl.-Ing., Robert Bosch AG, Hallein/sterreich: Abschn. 4.2.3.5 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: Ab sehn. 17.6 Kollmann, Kar/, Dr.-Ing., Leonberg (vorm. DaimlerChrysler AG, Stuttgart): Abschn. 3.1 Krieger, Klaus, Dipl.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 4.2.3.1

Lang, Otto R., Prof. Dr.-Ing., Neuenstadt a. Kocher (vorm. Mercedes-Benz AG, Stuttgart): Abschn. 7.1 und 7.4

Lochbichler, Wolfram, Dip!.-Ing., MAN B&W Diesel AG, Augsburg: Ab sehn. 19.3

XXXII Autorenverzeichnis der 2. Auflage

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

Mller Eckart, Prof. Dr.-Ing., Technische Universitt Braunschweig: Abschn. 8.1 und 8.2

Neitz, Alfred, lng. (grad.), Wendelstein (vorm. MAN Nutzfahrzeuge AG, Nrnberg): Abschn. 18.3

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 Pucher, Helmut, Prof. Dr.-Ing., Technische Universitt Berlin: Kap. 2

Rhrle, Manfred, Dr.-Ing., OstfiJ.dern (vorm. MAHLE GmbH, Stuttgart): Abschn. 7.6 Rottenkolber, Paul, Dipl.-Ing., Wolfsburg (vorm. Volkswagen AG, Wolfsburg): Abschn.18.2 Schmitt, Frank, Dr. rer. nat., Deutz AG, Kln: Abschn. 8.3 Schopf, Eckhart, Dr.-Ing., Federal Mogul Wiesbaden GmbH, Wiesbaden: Abschn. 7.5 Schreiner, Klaus, Prof. Dr.-Ing., FH Konstanz (vorm. MTU Friedrichshafen GmbH): Abschn.

1.3

Schulz, Gerhard, Dipl.-Ing., Volkswagen AG, Wolfsburg: Abschn.19.2

Schuster, Hubert, Dipl.-Ing. (FH), Fellbach (vorm. DaimlerChrysler AG, Stuttgart): Abschn. 15.1

Seidemann, Heinz, Dipl.-Ing., Friedberg (vorm. MAN B&W Diesel AG,Augsburg): Abschn. 6.1 Siebert, Hans-foachim, Ing. (grad.), Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 4.1 und 4.3 Spessert, Bruno, Prof. Dr.-Ing., Fachhochschule Jena: Kap. 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 Teetz, Christoph, Dr.-Ing., MTU Friedrichshafen GmbH, Friedrichshafen: Abschn.18.4 Trebs, foachim, Dipl.-Ing., Friedrichshafen, (vorm. MTU Friedrichshafen GmbH, Friedrichs-

hafen): Kap. 9 Treutlein, Wolfgang, Dipl.-Ing., Detroit Diesel Corporation, Michigan/USA: Abschn. 10.2 Tschke, Helmut, Prof. Dr.-Ing., Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg: Abschn. 4.2.1,

4.2.3.4 und Koordination von Kap. 4 und 5

Vilser, Leonhard, Dr.-Ing., J. Eberspcher, Esslingen: Abschn. 13.2 Weigand, Andreas, Dipl.-Ing., Siemens VDO Automotive AG, Regensburg: Abschn. 7.2 und 7.3 Wilken, Harald, Prof. Dr.-Ing., Stuttgart (vorm. BEHR GmbH & Co., Stuttgart): Abschn. 14.3 Woschni, Gerhard, Prof. Dr.-Ing., Mnchen (vorm. Technische Universitt Mnchen): Abschn.

6.2

Zacharias, Friedemann, Dr.-Ing., Weinheim (vorm. MWM Diesel- und Gastechnik GmbH, Mannheim): Abschn. 14.3.5

Zelenka, Paul, Dr.-Ing., AVL List GmbH, Graz/sterreich: Abschn. 3.4 Zigan, Detlef, Dr.-Ing., Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG, Kiel: Abschn. 3.3 Zima Stefan, Prof. Dr.-Ing., Fachhochschule Gieen-Friedberg: Kap. 11

Teil I Der Arbeitsprozess 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 "Arbeitsverfah-ren 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 verlsst.

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-prozess der Energiewandlung misst, 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, dass sich schon der Student DIESEL Gedan-ken 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, dass in einem Cylinder vom Arbeitskolben reine Luft oder anderes in-

4 1 Geschichte und Grundlagen des Dieselmotors

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

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Volumen V

differentes Gas (bzw. Dampf) mit reiner Luft so stark verdichtet wird, dass die hierdurch entstandene Temperatur weit ber der Entzndungstemperatur des zu benutzenden Brennstoffes liegt (Curve 1-2 des Diagramms Fig. 2), worauf die Brennstoffzufuhr vom toten Punkt ab so allmlig stattfindet, dass 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 Abschluss 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), dass eine isotherme Verbrennung und Expansion erfolgt, die nach Brenn-schluss 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 Arbeitsprozess, sodass 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, dass 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 bewusst, dass "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] verfasst, 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% bei 800 C erwartet er im praktischen Betrieb Verluste von maxi-mal30 bis 40%, was einem Nutzwirkungsgrad von ca. SO% 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-


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 150 mm Bohrung. Als Kraftstoff ist zwar Petroleum vorgesehen, doch wird am 10. August 1893 bei geschlepptem Motor zunchst Benzin eingespritzt, in der irrigen Annahme, dass 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-

...:

2

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


khlung erhlt, zeigt sich, dass der Kraftstoff nicht direkt, sondern nur mit Hil-fe 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 musste die im Grundpatent beanspruchte isotherme Wrmezufuhr auf-gegeben werden: Sptestens beim Auftragen der theoretischen Indikatordia-gramme (Bild 1-4), muss auch DIESEL klar geworden sein, dassangesichtsder 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 Gleichdruckprozess auf, der wegen "nicht wesent-licher Druckerhhung" in bereinstimmung mit dem Grundpatent gesehen wird. Mit der Patenterteilung wird bersehen, dass entgegen dem Grundpatent sowohl die Brennstoffmasse als auch die maximale Temperatur zunehmen!

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

a. ..l


So ist es nicht verwunderlich, dass 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, dass sein Motor keine Phase des Carnot-Prozesses realisiert, so vehement bestreitet er bis zuletzt, dass 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 ersetzen sollte. Damit schloss 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. Umso 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 Mess- 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 muss 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.

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

a c

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


Tabelle 1-1. Wegmarken zur Entwicklung des Dieselmotors

Entwicklungslinie "leistungsstarker Grodieselmotor"

1897 Erster Lauf eines Dieselmotors mit einem Wirkungsgrad von 'le = 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 lMANUEL 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 Gehr. 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 doppeltwirkenden Sechszylinder-Zweitaktmotors mit

2000 PS/Zyl. der MAN Nrnberg (s!D = 1050/850). 1951 Erster MAN-Viertakt-Dieselmotor (Typ 6KV30/45) mit Hochaufladung: 'le = 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 Markteinfhrung von Superlongstroke-Zweitaktmotoren mit s!D = 3 ( Sulzer, B & W). 1984 MAN B & Werzielt Verbrauch von 167,3 g/kWh (1Je = 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-Experimentiermotoren von Sulzer (RTX54 mit p zmax = 180 bar, PA= 8,5 W/mm2) und MAN B &W (4T50MXmitpzmax = 180 bar, PA= 9,45 W/mm2).

1997 Sulzer12RTA96C (s/D = 2500/960: 2T-Dieselmotor, Pe = 65880 kW bei n = 100 min-1 geht in Betrieb.

1998 Sulzer-Forschungsmotor RTX-3 zu Erprobung der Common-Rail-Technik bei 2T-Grodieselmotoren.

2000/01 MAN B&W 12K98MC-C (s/D = 2400/980): derzeit leistungsstrkster 2T-Dieselmo-tor mit Pe = 68520 kW bei n = 104 min-1

Entwicklungslinie "schnelllaufender 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 marktfahig).


Tabelle 1-1 (Fortsetzung)

Entwicklungslinie "schnelllaufender Fahrzeug-Dieselmotor"

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. 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-BenzAG (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-Motorenbau 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 schnelllaufender Hochleistungsdieselmotor der MTU mit Doppelaufladung in

Serie: Wemax = 2,94 kJ/1 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, Mercedes-Benz). 1998 Erster V8-Pkw-Dieselmotor: BMW 3,91 DE-Turbodiesel, P. = 180 kW bei 4000 min-1,

Mmax = 560 Nm (1750 ... 2500 min-1). 1999 "Smart -cdi'~ 0,8 dm3 Hubraum, derzeit kleinster Pkw-Turbo-Dieselmotor mit

LLK und Common-Rail-Hochdruckeinspritzung: P. = 30 kW bei 4200 min-I, mit 3,41/100 km erstes "3-Liter-Auto" der Fa. DaimlerChrysler.

sowie heutige Entwicklungen in der Bahntechnik [1-8] mit der durchaus realis-tischen Vision von ber Satellit ferngesteuerten, fahrerlosen Gterwagen vor-wegnehmend [1-4], sah in dem schweren Versuchsmotor mit dem samt Kreuz-kopftriebwerkvom 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.

1.1 Historie des Dieselmotors

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Bild 1-6. Vergleich von effektivem Wirkungsgrad IJe> maximalem Zylinderdruck Pzmax und Kolbenflchenleistung PA heute und vor gut 100 Jahren (Hchst- bzw. Bestwerte von Serien-motoren)

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 jahre-langen Kmpfen und Anstrengungen, die seine geistigen und krperlichen Krf-te auf das uerste beanspruchten, droht der finanzielle Zusammenbruch, trotz der enormen, millionenschweren Einknfte aus seiner Erfindung: Zu stolz, Fehl-spekulationen und Irrtmer einzugestehen oder Hilfe anzunehmen, sieht DIESEL, wie sein Sohn und Biograph darlegt, nur im Freitod einen Ausweg [ 1-10 ].

Geblieben ist sein Lebenswerk, der aus der Theorie der Wrmekraftmaschi-nen hervorgegangene Hochdruckmotor, der seinen Namen trgt und nach 100 Jahren noch das ist, was sein genialer Schpfer RunoLF 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 entspricht der von Diesel geschtzten Annherung an den Carnot-Wirkungsgrad. Der maxima-le Zylinderdruck Pzmax hat sich mehr als verfnffacht und erreicht bei heutigen Hochleistungs-Dieselmotoren (MTU 8000, s. Abschn. 18.4) mit 230 bar nahezu den von Diesel fr den Carnot-Prozess vorgeschlagenen Hchstwert bei mehr als zehnfacher Leistungsdichte PA heutiger Dieselmotoren.

Gemessen am "kologischen Imperativ" schont der Dieselmotor durch seinen hohen Wirkungsgrad und die Vielstofffhigkeit 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]: "dass die Abgase meines Motors rauch- und geruchlos sind".

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 Kreisprozess zufhren und als Druck-Volumen-Arbeit nutzen.

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

Es+EL + We+ LEv=O. 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 Ev.

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-

Bild 1-7. Der Dieselmotor als Energiewandler

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1.2 Motortechnische Grundlagen 13

Verbrennungssystem

Kraftstoffsystem

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

systemen bestehendem Motorsystem entwickelt hat, Bild 1-8. Charakteristisch fr diese Entwicklung ist das verstrkte Einbinden elektrischer und elektroni-scher Bauelemente sowie der bergang 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.

1.2.2 Konstruktive Grunddaten

Geometrie und Kinematik jeder Kolbenmaschine werden durch folgende geo-metrischen Kenngren eindeutig beschrieben: Hub/Bohrungsverhltnis t; = s/D, Schubstangenverhltnis A8 = r/l, Verdichtungsverhltnis E = Vmax1Vmin =(V,+ Vh)lv;,.


Bild 1-9. Konstruktive Grunddaten des Tauchkolben-triebwerks

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Dabei entspricht Vmin dem Kompressionsvolumen V.: und das max. Zylinder-volumen Vmax der Summe aus V.: und Hubvolumen Vh, fr das mit der Zylinder-bohrung D und dem Kolbenhub s gilt

Vh = s rrD2/4.

Entsprechend ist VH = zVh das Hubvolumen eines Motors mit z Zylindern. Durchgesetzt hat sich das Tauchkolbentriebwerk, Bild 1-9. Nur Zweitakt-Gro-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 cp als normierte Zeitgre und der Drehgeschwindigkeit w be-steht der Zusammenhang

w = dcp!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 Arbeitsprozess eines Verbrennungsmotors spielt sich in dem mglichst dichten Zylinderraum Y;; ab, der sich mit der Kolbenbewegung zK innerhalb der Grenzen Vmax und Vmin periodisch ndert:

Y;;(cp) = V.:+ zdcp) rrD2/4. Fr den Kolbenweg gilt mit dem Kurbelradius r abhngig von der momentanen Kurbelstellung cp in Grad Kurbelwinkel (KW) ausgehend vom oberen Totpunkt OT(cp=O)

ZK = r f(cp), wobei meist folgende Nherungsfunktion verwendet wird:

f( cp) = 1 - cos cp + (.A/4) sin2 cp.

1.2 Motortechnische Grundlagen 15

Fr die momentane Kolbengeschwindigkeit cK und -beschleunigung aK folgen daraus

cK = dzK/dt = rw [sin qJ + (A5/2) sin 2qJ] aK = d2zK(dt2 =- rwl [cos qJ + A5 cos 2qJ].

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

Cm = 2sn (mls) (1-1} ist eine wichtige Kenngre fr das kinematische und dynamische Motorverhal-ten, mit deren Zunahme auch Massenkrfte (- c~), Reibung und Verschlei steigen, sodass cm nur begrenzt steigerbar ist. Infolgedessen luft ein Gromotor mit niedrigen Drehzahlen, bzw. ist ein Schnelllufer ein Motor mit kleinen Ab-messungen. 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 mB 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 Av 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 A1 (s. Abschn. 2.1) und die Dichte (>L der Frisch-ladung unmittelbar am Eintritt in den Zylinderkopf aus:

(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, SchwefelS bei meist vernach-lssigbaren Anteilen an Sauerstoff 0 und Stickstoff N. Somit folgt aus der


Bilanzgleichung zur vollkommenen Oxidation eines allgemeinen Kraftstoff-molekles CxHySz zu Kohlendioxid C02, Wasser H20 und Schwefeldioxid S02

CxHz + [x + (y/2) + z] z ~ X COz + (y/2) HzO + 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 (kglkg} ( c, h, s, o: Masseanteil an 1 kg Kraftstoff gern. Elementaranalyse. Anhaltswert fr DK: Lmin = 14,5 kg/kg).

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

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

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

1.2.3.2 Vergleich motorischer Verbrennungsverfahren Der Verbrennung voraus geht das Aufbereiten des meist flssigen Kraftstoffes, um ein zndfhiges Gemisch aus g

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