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 Straße 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

Ursprünglich erschienen bei Springet-V erlag Betlin Heidelbetg New York 2002

Softcoverreprint of the hardcovet znd edition 2002

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Einbandgestaltung: Struve & Partner, Heidelberg Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg

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

Vorwort zur 1. Auflage

"Mein Motor macht immer noch große Fortschritte ... " 1

(RUDOLF DIESEL, 1895)

Diesen Fortschritten nachzugehen, den heute erreichten Stand der Dieselmoto­rentechnik zu dokumentieren, ist das Anliegen dieses Buches. Den Anstoß zur Herausgabe eines VDI-Handbuches Dieselmotoren gab das Gedenken an die vor rund hundert Jahren vollzogene Umsetzung der Idee RuooLF DIESELS von einem rationellen Wärmemotor in die Realität. 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 derVDI-Tagung in Kassel RuooLF DIESEL das Podium bot, von dem aus er am 16. Juni 1897 der Öffentlichkeit seinen Motor vorstellte, der bald darauf den Namen seines genialen Erfinders trug.

Das Handbuch ist weniger für den engen Kreis der Diesel-Experten gedacht als vielmehr für den ingenieurmäßig vorgebildeten oder zumindest technisch versierten "Diesel-Laien", der- möglicherweise angeregt durch die Diskussion um das Drei-Liter-Auto - einen umfassenden, fundierten Überblick über die Dieselmotorentechnik und ihren Entwicklungsstand gewinnen will, möglichst 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 ergänzen oder aufzufrischen.

Dieser Zielsetzung entspricht die Gliederung des Buches in fünf Haupt­teile. Zunächst wird dem Leser nach einem kurzen Abriss der Geschichte des Dieselmotors Grundlagenwissen vermittelt, das u. a. auch die Auflade­technik und die dieseimotorische Verbrennung bis hin zu den Kraftstoffen umfasst. In den folgenden drei Teilen werden Fragen zur Beanspruchung und konstruktiven Gestaltung ausgewählter Bauteile, zum Betrieb von Diesel­motoren und die dadurch verursachte Umweltbelastung einschließlich von Maßnahmen zu deren Verminderung behandelt. Im fünften 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 über 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 großen, langsamlaufenden Zweitakt-Dieselmotor vorgestellt. Den Abschluss bildet ein Exkurs zur weiteren Entwicklung der dieseimotorischen Verbrennung, der auch die Anfänge unter RunoLF DIESEL einerneuen Wertung unterzieht. Ein Anhang enthält auch eine Zusammenstellung der für Dieselmotoren wichtigsten Nor­men und Regeln.

Wegen der Allgemeingültigkeit werden mathematische Zusammenhänge als Größengleichungen dargestellt. Für Zahlenwerte werden die SI-Einheiten ver­wendet bei Angabe von Drücken in Bar (bar, mbar ). Auf eine Zusammenstellung der Formelzeichen wurde verzichtet, da sie jeweils im Text erläutert werden und eine durchgängig einheitliche Bezeichnung angestrebt wurde. Nur bei der Kenn­größe für die Arbeitsausbeute eines Motors, der spezifischen Nutzarbeit we bzw. dem mittleren effektivem Druck Pe konnte dies nicht erreicht werden, worauf im Text näher eingegangen wird.

Um den mit einem Handbuch Dieselmotoren verbundenen Erwartungen und Ansprüchen entsprechen zu können, war ich auf die Mitarbeit von hervor­ragenden Ingenieuren aus der Motorenindustrie ebenso angewiesen, wie auf die von Professoren an den Technischen Hochschulen und Universitäten. Besteht doch seit den Tagen Diesels, dessen Erfindung auf dem Ingenieurwissen seiner Zeit fußte, 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 hervorzu­heben.

Allen Autoren möchte ich für ihre Mitarbeit, das bereitwillige Eingehen auf meine Vorstellungen und die vielen fruchtbaren Diskussionen danken. Das gilt für die in der Industrie Tätigen, wo heutzutage oftmals das Äußerste an Einsatz abverlangt wird, ebenso wie für meine Kollegen an den Hochschulen, wo die Zeiten schöpferischer Muße längst der Vergangenheit angehören. Für jeden Autor ging die zusätzlich übernommene Arbeit zu Lasten der schon mageren Freizeit.

Deshalb möchte ich in meinen Dank auch die jeweiligen Lebenspartner und engeren Familienangehörigen einbeziehen. Ihr Verständnis unter Zurückstellen eigener Wünsche und Ansprüche - 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 Nebentätigkeit gestatteten, das Erstellen von Text und Bildvorlagen unterstützten sowie bereit­willig Unterlagen zur Verfügung stellten. Anerkennung gebührt auch den vielen Helfern in den Betrieben und Instituten für ihre Zuarbeit, ohne die ein derart umfangreiches Buchmanuskript nicht hätte entstehen können.

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

Vorwort zur 1. Auflage VII

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

Dass der Dieselmotor bis heute die wirtschaftlichste Wärmekraftmaschine 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 Universität Berlin, meiner langjährigen Wirkungsstätte, deren Namen mit der Entwicklung des Dieselmotors in beson­derem Maße verbunden sind:

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

Berlin, im Frühjahr 1997 Klaus Mollenhauer

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

Vorwort zur 2. Auflage

Die gute Aufnahme der 1. Auflage sowie die weitere Entwicklung der Dieselmo­torentechnik - ganz im Sinne des Diesel-Zitats im Vorwort zur 1. Auflage -bedingten eine 2. Auflage, um u. a. der sich bereits 1997 abzeichnenden Ablösung 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 da­rauf ausgerichtet, die Abgasreinheit zu verbessern: Konnten bisher die Abgas­Grenzwerte unter Einsatz von Abgasrückführung und Oxidations-Katalysatoren weitgehend mit innermotorischen Maßnahmen erreicht werden, so lassen sich die angekündigten Emissionsgrenzen oftmals nicht ohne eine aufwendige Abgas-Nachbehandlung einhalten.

Angesichts dieser Entwicklungen wurden die Abschnitte über die dieseimo­torische Gemischbildung und Verbrennung, über Einspritzsysteme und Verfah­ren zur Abgasnachbehandlung gründlich überarbeitet und ergänzt. Neu ist ein Abschnitt über Brenngase und Gasmotoren. Obwohl genau genommen nicht in ein "Handbuch Dieselmotoren" gehörend, ist diese Erweiterung dadurch gerechtfertigt, dass zum einen Gasmotoren nahezu ausschließlich an den Gas­betrieb angepasste Dieselmotoren sind und zum anderen auch der Einsatz von Wasserstoff in Dieselmotoren diskutiert wird. Selbstverständlich wurden auch neue Entwicklungen in anderen Bereichen der Motortechnik berücksichtigt.

Die Neubearbeitung war nur möglich, 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 ließen es sich dennoch nicht nehmen, ihre Bei­träge zur 1. Auflage zu überarbeiten. Ihnen allen schulde ich aufrichtigen Dank! Ein besonderer Dank gilt den neu hinzugekommenen Autoren für ihre Be­reitschaft, einzelne Abschnitte neu zu fassen. Schließlich habe ich auch den Mit­arbeitern des Springer-Verlages für 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 "Mobilität" zentrale Themen angesichts des in den nächsten 20 Jahren erwar-

Vorwort zur 2. Auflage IX

teten Anstiegs der Weltbevölkerung auf 8 Milliarden und der begrenzten fossi­len Ressourcen. Somit ist der ökologische Imperativ, d.h.

rationellste Nutzung aller Ressourcen bei geringster Umweltbelastung,

das Gebot der Stunde, wie nachdrücklich für alle Energieträger gefordert wur­de.

Auf diese Weise ist die über 100 Jahre alten Idee RunoLF DIESELS vom "ratio­nellen und rauchfreien Wärmemotor" auch in Zukunft von großer Aktualität, was das ungebrochene Interesse an der z. Z. rationellsten Wärmekraftmaschine - dem Dieselmotor - beweist und durch die in den letzten Jahren für Diesel­motoren jeglicher Art gestiegenen Produktionszahlen belegt wird. Bei den Pkw­Neuzulassungen wuchs der Anteil der Diesel-Pkw in den letzten fünfJahrenvon 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 Tätigen, um Informationen und Anre­gung für ihre Arbeit zu gewinnen, oder einfach von all jenen, die sich für die Technik des modernen Dieselmotors interessieren.

Berlin, im Frühjahr 2001 Klaus Mollenhauer

ABGASSYSTEME FÜR ALLE ANWENDUNGSBEREICHE

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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 Zustandsänderungen von Gasen . . . . . . . . Idealer Kreisprozess und Vergleichsprozess . . . . . . . . Der reale Arbeitsprozess des Dieselmotors Zweitakt- und Viertakt-Verfahren ... Wirkungsgrade des realen Motors . . . Motorbetrieb und Motorkenngrößen

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 für die Anwendung der Realprozess­rechnung 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 . . . . . . . . . . Zukünftige 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 gegenüber dem Viertaktladungswechsel . Spülverfahren . . . . . . . . . . . . . . Messung des Spülerfolgs, Spülmodelle

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 Stoß- und Stauaufladung . . . . . . . . . . . . . . . . Ladeluftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stationäres und instationäres 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 Zündung und Zündverzug 97 3.1.1.4 Verbrennung und Brennverlauf . 100 3.1.1.5 Ladungswechsel und Strömungsvorgänge

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 Einspritzdüse 108 3.1.2.3 Auswirkungen der Aufladung 110 3.1.2.4 Abgasrückführung 111 3.1.3 Alternative Verbrennungsverfahren 113 3.1.4 Prozesssimulation von Einspritzverlauf und Brenn-

verlauf . 115

3.2 Dieselkraftstoff für Fahrzeugmotoren 117

3.2.1 Einführung 117 3.2.2 Herstellung 117 3.2.3 Qualitätsanforderungen .. . . 118 3.2.4 Wesentliche Kennwerte .. 119 3.2.4.1 Zündwilligkeit, Cetanzahl, Cetanindex 119 3.2.4.2 Siedeverhalten 120 3.2.4.3 Schwefelgehalt 120 3.2.4.4 Tieftemperatur-Fließfähigkeit 121 3.2.4.5 Dichte 121 3.2.4.6 Viskosität 122 3.2.4.7 Flammpunkt 122 3.2.4.8 Aromaten 122 3.2.4.9 Reinheit 122 3.2.4.10 Schmierfähigkeit 123 3.2.4.11 Sonstige Qualitätsmerkmale 123 3.2.5 Einfluss der Kraftstoffqualität auf motorisches Verhalten 123 3.2.6 Prüfverfahren 124 3.2.6.1 Chemisch-physikalische Labormethoden 124 3.2.6.2 Cetanzahlprüfmotoren 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 Schwerölbetrieb von Schiffs- und Stationärmotoren

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 Schweröl? Schwerölaufbereitung . . . . . . . . . Besonderheiten von Schwerölmotoren Schwerölmotoren und ihre Probleme Auswirkungen auf Motorkomponenten Betriebsverhalten von Schwerölmotoren Zünd- und Brennverhalten Betriebsdaten . . . . . . . . . . . Emissionsverhalten . . . . . . . Schmieröl für Schwerölmotoren

3.4 Alternative Kraftstoffe für 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 Rückblick Wirtschaftliche Aspekte . . . . . Umweltaspekte . . . . . . . . . . Alkohole als Alternativkraftstoff Chemisch-physikalische und verbrennungstechnische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Möglichkeiten des Einsatzes von Alkoholen in Dieselmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pflanzenöle als Alternativkraftstoff . . . . . . . . . . . Chemisch-physikalische und verbrennungstechnische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Möglichkeiten des Einsatzes von Pflanzenölen 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 Rückblick Brenngase, Kenngrößen . Brenngase für Gasmotoren Brenntechnische Kenngrößen Gemischbildung . . . . . . . Möglichkeiten der Gemischbildung Gasmiseher . . . . . . . . . Zündung 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 stöchiometrischem 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

Systemübersicht . . . . . . . . . Aufbau von Einspritzsystemen . Systemkomponenten Einspritzhydraulik .... Einführung . . . . . . . . Theoretische Grundlagen Simulationsprogramme für die numerische Berechnung von Einspritzvorgängen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reiheneinspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verteilereinspritzpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einzelpuropen-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . .. Speicher-Einspritz-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . .. Großpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einspritzdüsen und Düsenhalter . . . . . . . . . . . . . . Einspritzdüsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Düsenhalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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 . . . . . . . . . . . . Ausgewählte 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 ....... . Proportionalitätsgrad (P-Grad) . . . . . . . . . . . . . . Aufbau und Wirkungsweise mechanischer Drehzahlregler Bauarten mechanischer Fliehkraftregler . . . . . . . . Reglerausführungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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 Steuergerät . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 5.2.4 Aktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262 5.2.5 Regelkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 5.2.6 Überwachungskonzept 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 Zusammenhänge . . . . . . . . . . . . . . . . Beanspruchung ausgewählter Motorbauteile . . . . . . . Festigkeitsnachweis der Bauteile . . . . . . . . . . . . . . Typische Bauteilschäden bei Dieselmotoren . . . . . . . .

271 274 275 275 276 281 283

6.2 Wärmeübergang und Wärmebelastung im Motor . . . . . . . . . . 286

6.2.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 6.2.2 Wärmeübergang im Verbrennungsmotor . . . . . . . . . 286 6.2.3 Wärmetransport 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 . . . . . . . . . . . . . . Kräfte amTriebwerk .................... . Ermittlung der triebwerksmechanischen Eigenschaften Beispiele ausgeführter Triebwerke . . . . . . . . . . . . . V-Motoren-Einfluss des V-Winkels ............ . Zusätzliche Ausgleichsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . 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

übersieht über Massenkräfte und -momente und ihre Wirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ersatzsystem und Kinematik des normalen Hubkolbentriebwerkes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenkräfte und-momentebeim Einzylindermotor ... Berechnung für konstante Drehwinkelgeschwindigkeit . . Massenkräfte und-momentebei veränderlicher Drehwinkelgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenausgleich bei Einzylindermotoren mit konstanter Drehwinkelgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . übersieht zum Massenausgleich bei Einzylinder-motoren ........................... . Gegenmassen an Kurbelwangen . . . . . . . . . . . . . . Umlaufende Ausgleichsmassen an Ausgleichswellen . . . Gestaltung des Pleuels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenkräfte und-momentebei Reihenmotoren: Massenausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenkräfte 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

überblick .......................... . Erregerdrehmomente für das Hubkolbentriebwerk und für den Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ersatzsysteme und Bestimmung der Systemparameter . . Ersatzsystem und Differenzialgleichung zur Ermittlung der Eigenschwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Massenreduktion des Hubkolbentriebwerks zur Ermittlung der Ersatzdrehmassen . . . . . . . . . . . Längenreduktion des Hubkolbentriebwerks zur Ermittlung der Ersatzdrehsteifigkeiten . . . . . . . . Reduktion von übersetzungsgetrieben . . . . . . . . . . Ermittlung der Dämpfung des Hubkolbentriebwerkes . . Ermittlung der Eigenschwingungen . . . . . . . . . . . . Determinantenmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verfahren von HoLZER-ToLLE . . ............ . Verfahren der übertragungsmatrizen . . . . . . . . . . . Ermittlung von Frequenzgängen . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung erzwungener Drehschwingungen . . . . . . . Reduzierung von Drehschwingungen . . . . . . . . . . . Drehschwingungsdämpfer . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Ausführungen . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundsätzlicher Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pleuellager und Kurbelwellenhauptlager . . . . . . . . . . Axiallager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lager von Kolbenbolzen, Kipphebeln und Nockenwellen Lagerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleitlagerbeanspruchungen und Funktion im Motorbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anforderungen an Gleitlagerwerkstoffe . . . . . . . . . . Basismaterialien und grundsätzlicher Aufbau von Gleitlagerwerkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einschichtwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zweischicht-Verbundwerkstoffe ............. . Dreischicht-Verbundwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . Lagerschäden und ihre Ursachen . . . . . . . . . . . . . . Beeinträchtigungen des Betriebs . . . . . . . . . . . . . . Verschleiß . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermüdung ......................... .

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 Kräfte am Kolben . . . . . . . . . . . Gestaltung und Beanspruchung des Kolbens . . . . . . . Hauptabmessungen des Kolbens . . . . . . . . . . . . . . Beanspruchungsverhältnisse 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

Ölabstreifringe ................... . Kolbenbolzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entwicklungstendenzen . . . . . . . . . . . . . . .

Motorkühlung . . . . . . . . . . . . . . .

420 422 425

426

8.1 Aufgabe der Motorkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

8.1.1 Wärmebilanz und Wärmetransport . . . . . . . . . . . . 426 8.1.2 Rechnerischer Analyse des Wärmetransports . . . . . . . 429

8.2 Wasserkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

8.2.1 Wärmeübergang bei Wasserkühlung . . . . . . . . . . . . 430 8.2.2 Heißkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 8.2.3 Verdampfungskühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . 436

8.3 Ölkühlung . . 439

8.4 Luftkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441

9

8.4.1 Historischer Rückblick . . . . . . . . . . . . . . . 441 8.4.2 Wärmeübertragung vom Bauteil an die Kühlluft . . . . . 446 8.4.2.1 Wärmeübergang und Kühlflächengestaltung . . . . . . . 446 8.4.2.2 Einfluss von Kühlluftführungen auf den Wärmeübergang 450 8.4.3 Konstruktive Merkmale des luftgekühlten Motors . . . . 451 8.4.3.1 Gesamtaufbau des Motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 8.4.3.2 Kurbelgehäuse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 8.4.3.3 Zylinderrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 8.4.3.4 Zylinderkopf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 8.4.4 Das motorintegrierte Kühlsystem . . . . . . . . . . . . . 457 8.4.4.1 Grundlegende Unterschiede zum externen Kühlsystem

des flüssigkeitsgekühlten Motors . . . . . . . . . . . . . . 457 8.4.4.2 Bauarten, Auslegungskenngrößen und Leistungs-

merkmale des Kühlgebläses . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 8.4.4.3 Beispiele ausgeführter Dieselmotoren . . . . . . . . . . . 461 8.4.5 Einfluss der Luftkühlung auf Liefergrad und NOx-Emission 464 8.4.6 Leistungsgrenzen des luftgekühlten Motors . . . . . . . . 464

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

9.1 Bedeutung der Werkstoffe für den Dieselmotor 469

9.2 Technische Werkstoffe für Motorenteile . . . . . . . . . . . . . . . 471

9.2.1 Werkstoffe für Triebwerksteile . . . . . . . . . . . . . . . 471 9.2.2 Werkstoffe für Steuerungsteile und Einspritzausrüstung 476

XX Inhaltsverzeichnis

9.2.3 9.2.4 9.2.5 9.2.6 9.2.7 9.2.8

Schraubenwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffe für Tragstrukturen . . Werkstoffe für Heißteile . . . . . . . . . . . . . . Lagerwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . Werkstoffe für Korrosionsbeanspruchung . Sonderwerkstoffe für Funktionsteile . .

9.3 Faktoren für die Werkstoffauswahl . . . .

9.4 Lebensdauerkonzepte und Werkstoffdaten

9.5 Verfahren zur Lebensdauersteigerung . . . .

9.5.1 9.5.2 9.5.3

Urformungsverfahren . . . . . . . . . Oberflächenbehandlungsmethoden 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 Motorenöle für Dieselmotoren Aufbau und Zusammensetzung . . . . Charakterisierung von Motorenölen . . . . . . . . Allgemeine Kennwerte . . . . . . . . . . . . . . . . SAE-Viskositätsklassen für Motorenöle . . . . . . . . . Klassifikationen, Spezifikationen, Tests . . . . . . . . . Betriebsbedingte Veränderungen des Motorenöls Verdampfungsverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Viskositätsverringerung durch Scherung . . . . . . . . . Viskositätsverringerung durch Kraftstoff . . . . Viskositätserhöhung durch feste Fremdstoffe . . . . . . Versäuerung . . . . . . . . . . . . . . . Rückstandsbildung . . . . . . . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgeführte Schmiersysteme . . . . . . . . . . . . . . . . Komponenten des Schmiersystems . . . . . . . . . . . . . Ölpumpen .......................... . Ölkühler ........................... . Ölft1ter ............................ . Ölabscheider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölstandsanzeige/Ölnachfüllung . . . . . . . . . . . . . . . Schmierölpflege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XXI

518

518 518 518 519 523 523 525 525 526 528 528

11 Kühlsysteme und Kühlmittel bei Flüssigkeitskühlung . . . . . . 532

11.1 Aufgabe von Motor-Kühlsystemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532

11.2 Kühlsystem und Wärmeabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535

11.2.1 11.2.2 11.2.2.1 11.2.2.2 11.2.2.3 11.2.2.4

Kühlsysteme mit direkter Wärmeabfuhr . . . . . . . . . . Kühlsysteme mit indirekter Wärmeabfuhr . . . . . . . . Wärmeabfuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau des Kühlsystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Regelung der Kühlmitteltemperatur . . . . . . . . . . . . Ausgeführte Kühlsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . .

535 535 535 537 545 551

11.3 Kühlmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

11.3.1 11.3.2 11.3.2.1 11.3.2.2

Eigenschaften und Anforderungen . . . . . . . . . . . . . Kühlwasserführung und Kühlwasserpflege . . . . . . . . Einfluss der Kühlwasserführung ............. . Kühlwasserpflege . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

555 557 557 558

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

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

12.1.1 Äußere Startbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561 12.1.2 Innere Startbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562

12.2 Innere Zünd- und Starthilfen 565

12.3 Äußere Zünd- 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 ........ . Ansanggeräuschdämpfung

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 für Pkw . Abgasanlagen für Nutzfahrzeuge Abgasanlagen für Stationär- und Schiffsmotoren . Abgasgeräuschdämpfung durch Schalldämpfer . . Allgemeine Zusammenhänge . . . . . . . . . . . . Vorschalldämpfer, Katalysator und Partikelfilter als Schalldämpfungselemente . . . . . . . . Mittelschalldämpfer und Nachschalldämpfer .. Dämpferbauarten . . . . . . . . . . . . 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 Abwärmeverwertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608

14.1 Grundlagen der Abwärmenutzung . . 608

14.1.1 14.1.2 14.1.3

Vorbemerkung . . . . . . . . Abwärme von Dieselmotoren Bestimmung der Abwärmeleistungen

14.2 Möglichkeiten der Abwärmenutzung . . . . . .

14.2.1 14.2.1.1 14.2.1.2

14.2.2 14.2.2.1 14.2.2.2

Abwärmenutzung in From von mechanischer Energie Turbo-Compound-Betrieb . . . . . . . . . . . . . Dampfkraftanlage (Bottoming Cycle oder Organic Rankine Cycle) ................... . Abwärmenutzung in Form von thermischer Energie Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung . . . . . . . . . . . .

608 608 610

614

614 614

614 616 616 625

Inhaltsverzeichnis

14.3 Wärmeübertrager

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

Wärmetechnische Auslegung . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlmittelkühler ...................... . Ölkühler ........................... . Ladeluftkühler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Abgaswärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bauarten, Ausführungsformen . . . . . . . . . . . . . . . Probleme der Heizflächenverschmutzung . . . . . . . . . Lösungsansätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XXIII

630

630 636 641 643 649 649 651 653

15 Überwachung, 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

Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wartungsarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ölstandskontrolle und Ölwechsel . . . . . . . . . . . . . . Luft- und Kraftstofffilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlmittelkreislauf .................... . 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 für Großdieselmotoren . . . . . . . . . Dynamisches Motormanagement . . . . . . . . . . . . .

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

15.2 Messtechnik für 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 Prüfstandstechnik . . . . . . . . . Traditionelle Prüfstandstechnik . . . . . . . . . . . . . . Rechnergestützte Prüfstandstechnik . . . . . . . . . . . . Mess- und Prüfstandstechnik für ausgewählte Messaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zylinderdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemischbildung und Verbrennung . . . . . . . . . . . . . Strömungsgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . 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 Zusammenhänge ............ .

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), Kohlen­wasserstoffe (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 für Pkw-Motoren ...... . Abgasgesetzgebung für Nutzfahrzeugmotoren . . Prüfmodus und Abgasgrenzwerte . . . . . US-Transienttest . . . . . . . . . . Europäischer Prüfzyklus . . . . . . . . . . . Japantest .................. . Abgasgesetzgebung für stationäre 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

Vollständige und unvollständige Verbrennung Entstehung von Stickoxiden . . . . Rußbildung 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 Maßnahmen 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 Maßnahmen 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 gasförmigen 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 Geräuschemission von Dieselmotoren

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

17.2 Gesetzliche Grenzwerte und Messverfahren

17.3 Geräuschentstehung . . . . . . . . . . . . .

17.3.1 17.3.2 17.3.3

Geräuschquellen von Verbrennungsmotoren Einfluss ausgewählter Motorparameter Entwicklung der Motorgeräuschemission

17.4 Reduktion des Motoroberflächengeräuschs

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

Körperschallanregung . . . . . . Anregungsmechanismen . . . . . Direktes Verbrennungsgeräusch . Indirektes Verbrennungsgeräusch Mechanisches Geräusch ..... . Steuertriebsgeräusch . . . . . . . Körperschallübertragung im Motor Körperschallübertragung durch Motorblock und Zylinderkopf . . . . . . . . . . . . . . . . Körperschallübertragung durch Anbauteile . Körperschallübertragung über die Motorlagerung Reduktion der Geräuschabstrahlung

17.5 Aerodynamische Motorgeräusche

17.5.1 Ansang- und Abgassystem 17.5.2 Kühlsystem ....... .

XXV

760 762 763 764

765

765 765 766 767 767 768 768 769 769 769

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789 791 795 796

796

796 797

XXVI Inhaltsverzeichnis

17.6 Geräuschreduktion 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 . . . . . . . Oberflächengeräusch . . . . . . . . . . . . Mündungsgeräusche . . . . . . . . . . . .... Kühlung und Kühlungsgeräusche . . . . . . . Einbau von Kapselmotoren . . . . . . . . . . . Motorlagerung und Geräteantrieb . . . . . . . Wartung des Motors . . . . . . Teilkapselung . . . . . . . . . .

17.7 Geräteseilige Motorgeräuschdämmung

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 Lösungsansätze Konzeptionelle Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorgröße und Schnellläufigkeit . . . . . . . . . . . Gemischbildungs- und Verbrennungsverfahren Motorkonstruktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Allgemeine Merkmale und Kennzahlen . . . . . . . . Beispiele ausgeführter Pkw-Dieselmotoren . Entwicklungspotenziale, neue Ansätze

18.2 Dieselmotoren für 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 für leichte Nutzfahrzeuge . Ausgeführte Motorisierungen leichter Nutzfahrzeuge . Gesamtbetrachtung . . . Ausgewählte Beispiele . Ausblick ......... .

18.3 Dieselmotoren für 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgeführte 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 Ausgewählte Ausführungen 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgeführte Konstruktionen . . . . . . . . . . . . . . Ausblick ........................... .

19 Stationär- 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/Bohrungsverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . Kühlverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufbau des luftgekühlten Einzylinder-Dieselmotors ... Äußere 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 . . . . . . . . . . . . Ausführungsbeispiele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Industriemotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Produktkonzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgeführte 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 Mittelschnellläufer . . . . . . . . . . . . . . . Auslegungskriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezifische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Maximaler Zylinderdruck . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hub/Bohrungsverhältnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . Drehzahl .......................... . Weitere Kriterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktive Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Motorgrundaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Triebwerk .......................... . Brennraumbauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einspritzsystem ...................... . Aufladesystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsüberwachung und Wartung . . . . . . . . . . . . Abgasemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgeführte 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-Langsamläufers ....... . Übergang zur Gleichstromspülung . . . . . . . . . . . . . Merkmale moderner Zweitakt-Langsamläufer ..... . Konstruktion des modernen Zweitakt-Langsamläufers Motorfamilien, Leistungskennfeld . . . . . . . . . . . . . Konstruktive Gestaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Betriebsverhalten des Zweitakt-Langsamläufers .... . Zweitakt-Langsamläufer als Schiffsantrieb ....... . Abstimmen der Propulsionsanlage . . . . . . . . . . . . . Dämpfen von Schwingungen im Antriebsstrang . . . . . Ausblick ........................... . Trendabschätzung der künftigen Entwicklung . . . . . . Common-Rail-Technologie bei Zweitakt-Großdiesel-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 für Verbrennungsmotoren* 1043

Sachverzeichnis . . . . 1057

Inserentenverzeichnis 1068

* Die Zusammenstellung der Normen und Richtlinien wurde uns dankens­werterweise vom VDMA, Fachverband Power Systems, Frankfurt/M., zur Ver­fügung gestellt.

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

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

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'"'' • On-Une-Berechnung und Oarslellung aller wichligen Be-lriebspunkldaten wie indizierter Milteldruck, Spilzendruck,

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Autorenverzeichnis der 2. Auflage

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

Anisits, Ferenc, Dr.-Ing., Haidershofen/ A (vorm. BMW Motorenges.m.b.H., Steyr/Österreich): 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-Günther, 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, Köln: Abschn. 8.1 und 8.4

Fränkle, 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, ]ürgen, Dipl.-Ing., Wärtsilä NSD Switzerland Ltd., Winterthur/Schweiz: Abschn. 19.4

Göllnitz, Heinz, Dr. rer. nat., Ottobrunn (vorm. BERU Ruprecht GmbH & Co. KG, Ludwigs­burg): Kap. 12

Herd in, Günther, Dr. techn., Jenbacher Energie, Jenbach/Österreich: 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/Österreich: Abschn. 4.2.3.5

Hummel, Karsten, Dipl.-Ing., Robert Bosch GmbH, Stuttgart: Abschn. 5.1

Kampichler, Günter, 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 Universität Berlin): Abschn. 1.1

und 1.2

Müller Eckart, Prof. Dr.-Ing., Technische Universität Braunschweig: Abschn. 8.1 und 8.2

Neitz, Alfred, lng. (grad.), Wendelstein (vorm. MAN Nutzfahrzeuge AG, Nürnberg): 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. Eberspächer, Esslingen: Abschn. 13.2

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

Röhrle, 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, Köln: 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. Eberspächer, Esslingen: Abschn. 13.2

Stühler, Waldemar, Prof. Dr.-Ing., Technische Universität 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, Friedrichs­hafen): Kap. 9

Treutlein, Wolfgang, Dipl.-Ing., Detroit Diesel Corporation, Michigan/USA: Abschn. 10.2

Tschöke, Helmut, Prof. Dr.-Ing., Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg: Abschn. 4.2.1, 4.2.3.4 und Koordination von Kap. 4 und 5

Vilser, Leonhard, Dr.-Ing., J. Eberspächer, 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., München (vorm. Technische Universität München): 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/Österreich: Abschn. 3.4

Zigan, Detlef, Dr.-Ing., Caterpillar Motoren GmbH & Co. KG, Kiel: Abschn. 3.3

Zima Stefan, Prof. Dr.-Ing., Fachhochschule Gießen-Friedberg: Kap. 11