Rainer Golloch

Downsizing bei Verbrennungsmotoren

Rainer Golloch

Downsizingbei Verbrennungsmotoren

13

Mit 220 Abbildungen

Ein wirkungsvolles Konzept zurKraftstoffverbrauchssenkung

Dr.-Ing. habil. Rainer GollochMTU Friedrichshafen GmbHMaybachplatz 188045 Friedrichshafengolloch@t-online.de

ISBN 3-540-23883-2 Springer Berlin Heidelberg New York

Bibliografische Information der Deutschen BibliothekDie deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.ddb.de> abrufbar.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die derÜbersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk-sendung, der Mikroverfilmung oder Verviefältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Da-tenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Verviel-fältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen dergesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. Sep-tember 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwi-derhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.

Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Mediaspringer.de© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005Printed in The Netherlands

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch be-rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne derWarenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jeder-mann benutzt werden dürften.

Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.B. DIN, VDI,VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für dieRichtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die ei-genen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzu-zuziehen.

Einbandgestaltung: medionet AG, BerlinSatz: Digitale Druckvorlage des AutorsHerstellung: medionet AG, Berlin

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

Vorwort

Der Verbrennungsmotor wird sich aufgrund seiner hohen Leistungsdichte, des zuverlässigen Betriebs und seiner flexiblen Einsatzmöglichkeiten, seines günsti-gen Emissionsverhaltens und nicht zuletzt durch die bestehende Infrastruktur zur Kraftstoffversorgung auch in den nächsten beiden Jahrzehnten als wichtigste An-triebsquelle für die unterschiedlichsten Anwendungen behaupten können. Die Anforderungen, die zukünftige Verbrennungsmotoren erfüllen müssen, werden jedoch deutlich umfangreicher und erfordern neue Lösungsansätze. Neben der Unterschreitung der gesetzlich vorgegebenen Schadstoffgrenzwerte gewinnt das Thema Kraftstoffverbrauch aufgrund steigender Rohölpreise und hoher Besteue-rung zunehmend an Bedeutung.

Ein wirkungsvolles Konzept zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs bei Verbrennungsmotoren stellt das sogenannte Downsizing dar. Die diesem Maß-nahmenpaket zu Grunde liegenden Mechanismen sind zwar seit langem bekannt, sie waren jedoch lange Zeit nur sehr eingeschränkt nutzbar. Die weitgehende Ausschöpfung der theoretischen Verbrauchspotenziale durch Downsizing ist eng mit der Entwicklung des Verbrennungsmotors und seiner Subsysteme an sich gekoppelt und erfordert sehr anspruchsvolle und komplexe Technologiebausteine. Eine weitreichende Beschreibung der zu einem Downsizing-Konzept gehörenden Technikbestandteile und Charakteristiken hat es bis dato nicht gegeben und war daher Anlass zur Erstellung dieser Arbeit.

Das vorliegende Buch entstand während meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Oberingenieur am Institut für Technische Verbrennung (ITV), Fachbereich Maschinenbau, der Universität Hannover und basiert auf meiner Habilitationsschrift, die ich zur Erlangung der Lehrbefugnis für das Fachgebiet Verbrennungsmotoren angefertigt habe.

Herrn Professor Dr.-Ing. habil. Günter P. Merker, dem Leiter und Vorstand des Instituts, gilt mein besonderer Dank für die stets angenehme, vertrauensvolle und sehr lehrreiche Zusammenarbeit sowie für die fachliche Begleitung und Begutach-tung der Arbeit. Ich danke ihm darüber hinaus für die stetige Förderung und Un-terstützung, die mir im Laufe unserer siebenjährigen Zusammenarbeit am Institut für Technische Verbrennung zuteil wurde.

Herzlich danken möchte ich auch Herrn Professor Dr.-Ing. Ulrich Spicher, dem Leiter des Instituts für Kolbenmaschinen der Universität Karlsruhe (TH) sowie Herrn Professor Dr.-Ing. Ulrich Seiffert, Geschäftsführer der WiTech Engineering GmbH, Braunschweig, für das Interesse an der Arbeit und die Mitwirkung als Gutachter im Rahmen des Habilitationsverfahrens.

VI Vorwort

Allen Kollegen und Mitarbeitern des ITV, die mir bei der Durchführung der Untersuchungen geholfen und zum Gelingen des Buches beigetragen haben, sei ebenfalls gedankt.

Meiner lieben Frau Audrey, die mich während der Erstellung dieses Buches in jeder Hinsicht unterstützt hat und mir mit viel Geduld und Verständnis zur Seite stand, möchte ich ganz besonders danken. Ihr und unseren beiden Kindern Lisa und Luis ist dieses Buch gewidmet.

Behringen, im Dezember 2004 Rainer Golloch

Inhaltsverzeichnis

Nomenklatur........................................................................................................IX

1 Einleitung und Zielsetzung .............................................................................. 1

2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor ................................................... 3 2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung ............................................ 3 2.1.1 Energiebilanz und Wirkungsgradkette.............................................. 3 2.1.2 Zündung und Flammenausbreitung .................................................. 6 2.1.3 Verbrennung ................................................................................... 12 2.1.4 Wärmefreisetzung und Wärmeübergang ........................................ 20 2.1.5 Schadstoffbildung und –reduzierung .............................................. 24 2.1.6 Ladungswechsel und Ladungsbewegung........................................ 33 2.2 Vergleichsprozesse.................................................................................... 42 2.2.1 Gleichraum-Prozess........................................................................ 45 2.2.2 Seiliger-Prozess .............................................................................. 49 2.3 Verlustanalyse ........................................................................................... 52 2.3.1 Art und Entstehung der Einzelverluste ........................................... 54 2.3.2 Verlustanalyse von Otto- und Dieselmotoren................................. 62

3 Downsizing ...................................................................................................... 67 3.1 Grundlagen ................................................................................................ 67 3.2 Statisches und Dynamisches Downsizing ................................................. 75 3.2.1 Reduzierung des Motorhubvolumens ............................................. 75 3.2.2 Mitteldrucksteigerung..................................................................... 76 3.2.3 Dynamisches Downsizing durch Zylinderabschaltung................... 78 3.3 Wirkungsmechanismen ............................................................................. 82 3.4 Problembereiche hochaufgeladener Motoren............................................ 91 3.4.1 Anfahrdrehmoment und dynamisches Verhalten............................ 92 3.4.2 Die Klopfproblematik beim Ottomotor .......................................... 97 3.4.3 Thermische und mechanische Motorbelastung............................. 102 3.4.4 Akustik und Schwingungskomfort ............................................... 103 3.5 Verbrauchspotenziale .............................................................................. 104 3.5.1 Einflussparameter und Verbrauchsszenarien ................................ 104 3.5.2 Vergleich unterschiedlicher Motorkonzepte................................. 107

VIII Inhaltsverzeichnis

3.6 Fahrzeugseitige Betrachtungen ............................................................... 122 3.6.1 Package......................................................................................... 122 3.6.2 Getriebekonzepte .......................................................................... 125 3.6.3 Hybride Antriebssysteme.............................................................. 134 3.7 Kennwerte heutiger Verbrennungsmotoren............................................. 138 3.7.1 Pkw-Otto- und –Dieselmotoren.................................................... 139 3.7.2 Dieselmotoren für andere Anwendungen (Nutzdieselmotoren) ... 143

4 Relevante Subsysteme und Prozesse ........................................................... 147 4.1 Aufladung................................................................................................ 147

5 Zusammenfassung und Ausblick................................................................. 323

Literaturverzeichnis.......................................................................................... 327

Sachverzeichnis ................................................................................................. 341

4.1.2 Mechanische Aufladung ............................................................... 168

4.1.4 Verfahren zur Hochaufladung ...................................................... 185 4.1.3 Abgasturboaufladung.................................................................... 169

4.2.1 Abgasrückführung ........................................................................ 212 4.2.2 Variable Ventilsteuerung .............................................................. 219

4.1.1 Aufladetechnische Grundlagen..................................................... 148

4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung ....................................................... 212

4.3.3 Dieselmotorische Hochlast-Brennverfahren................................. 277

4.3.1 Grundlagen ................................................................................... 236

4.4 Motormechanik und Wärmehaushalt ...................................................... 288

4.2.3 Variable Verdichtung ................................................................... 230

4.4.1 Mechanische und tribologische Grundlagen................................. 290

4.3 Gemischaufbereitung und Verbrennung.................................................. 235

4.4.2 Beanspruchung und Anpassung der Motorkomponenten ............. 305

4.3.2 Ottomotorische Hochlast-Brennverfahren.................................... 256

4.4.3 Nebenaggregate und Wärmehaushalt ........................................... 317

Nomenklatur

Abkürzungen

ACEA Association des Constructeurs Européens d’Automobiles AG Automatikgetriebe AGR Abgasrückführung AÖ Ventilsteuerzeit Auslass-Öffnet AS Ventilsteuerzeit Auslass-Schließt, Arbeitsspiel ASG Automatisiertes Schaltgetriebe ATL Abgasturbolader BDE Benzin-Direkteinspritzung CAI Controlled Auto Ignition CO Kohlenmonoxid COV Coefficient of Variance C Kohlenstoff CR Common-Rail (-Einspritzsystem) CVT Continuously Variable Transmission DI Direct Injection DISI Direct Injection Spark Ignition DKG Doppelkupplungsgetriebe DOD Displacement on Demand EAT Electrically Assisted Turbocharger EB Einspritzbeginn EBS Electric Boosting System EGR Emission Gas Recirculation EHVT Elektrohydraulischer Ventiltrieb ELR European Load Response EMVT Elektromechanischer Ventiltrieb

X Nomenklatur

EÖ Ventilsteuerzeit Einlass-Öffnet ES Ventilsteuerzeit Einlass-Schließt ESC European Stationary Cycle ETC European Transient Cycle EU Europäische Union, Elektrisch unterstützt FAS Ventilsteuerstrategie Frühes-Auslass-Schließt FEÖ Ventilsteuerstrategie Frühes-Einlass-Öffnet FES Ventilsteuerstrategie Frühes-Einlass-Schließt GDI Gasoline Direct Injection GGG Sphäroguss GGV Vermiculargraphitguss GJL Lamellarer Grauguss GJV Vermiculargraphitguss H Wasserstoff HC Unverbrannte Kohlenwasserstoffe HCCI Homogeneous Charge Compression Ignition HCF High Cycle Fatique HD Hochdruck HSG Handschaltgetriebe ITZ Integrale Tumble-Intensität KSM Kennfeldstabilisierende Maßnahme KSG Kurbelwellen-Starter-Generator KW Kurbelwinkel, Kurbelwelle LCF Low Cycle Fatique LLK Ladeluftkühler LTV Lufttaktventil LW Ladungswechsel LWOT Oberer Totpunkt im Ladungswechseltakt MPI Multi Point Injection NA Nebenaggregate, Naturally Aspirated ND Niederdruck NEDC New European Driving Cycle NEFZ Neuer Europäischer Fahrzyklus

Abkürzungen XI

Nfz Nutzfahrzeug NOx Stickoxide NVH Noise, Vibration and Harshness O Sauerstoff OEM Original Equipment Manufacturer OT Oberer Totpunkt PAK Polyzyklische Aromatische Kohlenwasserstoffe PFI Port Fuel Injection PD Pumpe-Düse (-Einspritzsystem) Pkw Personenkraftwagen PVD Physical Vapor Deposition ROZ Research Oktanzahl SAE Society of Automotive Engineers SAS Ventilsteuerstrategie Spätes-Auslass-Schließt SEÖ Ventilsteuerstrategie Spätes-Einlass-Öffnet SES Ventilsteuerstrategie Spätes-Einlass-Schließt SG Startergenerator SRE Saugrohreinspritzung STC Sequential Turbo Charging UT Unterer Totpunkt UV Ultraviolett VB Verbrennungsbeginn VCR Variable Compression Ratio VNT Variable Nozzle Turbine VST Variable Schieberturbine VTG Variable Turbinengeometrie VÜ Ventilüberschneidung VVT Variable Valve Train ZAS Zylinderabschaltung ZKG Zylinderkurbelgehäuse ZOT Oberer Totpunkt im Verbrennungstakt ZZP Zündzeitpunkt

XII Nomenklatur

Formelzeichen

A Faktor [ - ], Fläche [m2]B Faktor [ - ] be spezifischer, effektiver Kraftstoffverbrauch [g/kWh] bi spezifischer, indizierter Kraftstoffverbrauch [g/kWh] c Kohlenstoff-Massenanteil eines Brennstoffes [ - ],

absolute Strömungsgeschwindigkeit [m/s] cm mittlere Kolbengeschwindigkeit [m/s],

Meridiankomponente der Absolutgeschwindigkeit [m/s] cp spezifische, isobare Wärmekapazität [kJ/kgK] cv spezifische, isochore Wärmekapazität [kJ/kgK] cu Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit [m/s] cW Luftwiderstandsbeiwert [ - ]d Durchmesser [m] D Bohrung [m] F Kraft [N] FM Massenkraft [N] FGas Gaskraft [N] h spezifische Enthalpie des Abgases [kJ/kg], Schmierspalthöhe [m] Wasserstoff-Massenanteil eines Brennstoffes [ - ] h+ spezifische Totalenthalpie [kJ/kg] HG Gemischheizwert [kJ/m3]Hu Unterer Heizwert [kJ/kg] i Anzahl der Arbeitsspiele pro Kurbelwellenumdrehung [ - ] Übersetzungsverhältnis [ - ]jij Spezifische Dissipationsenergie [ K Faktor [ - ], Stoffkonstante [ - ] lP Pleuellänge [m] Lmin Mindestluftbedarf [ - ] M Molmasse [kg/kmol], Drehmoment [Nm] m Masse [kg]

m Massenstrom [kg/s]

Formelzeichen XIII

n Motordrehzahl [1/min], Stoffmenge [mol] o Sauerstoff-Massenanteil eines Brennstoffes [ - ] P Leistung [kW] Pe Effektive Leistung [kW] Pi Innere oder indizierte Leistung [kW] PR Reibleistung bzw. mechanisch bedingter Leistungsverlust [kW] Preib Verlustleistung durch Motorreibung [kW] Pv Leistung des Vergleichsprozesses [kW] p Druck [bar] p+ Totaldruck [bar] pme effektiver Mitteldruck [bar] pmi indizierter Mitteldruck [bar] pmr Reibmitteldruck [bar] pmax Maximaler Zylinderdruck oder Zünddruck [bar] q spezifische Wärme [kJ/kg] q* dimensionslose Wärmezufuhr [ - ] Q Wärme [kJ] QB durch Verbrennung eines Brennstoffes freigesetzte Wärme [kJ]QH Heizwärme [kJ] Qhydr Hydraulischer Durchfluss einer Einspritzdüse [cm3] (Einspritzdruck 100 bar, Zeitdauer 30 s) QW Wandwärme [kJ]r Radius [m] R spezifische Gaskonstante [kJ/kgK] R3z Grundrautiefe [µm] s spezifische Entropie [kJ/kgK], Hub [m]t Zeit [s] T Thermodynamische Temperatur [K] u spezifische innere Energie [kJ/kg], Messunsicherheit [ - ]

Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit [m/s] U innere Energie [kJ] v spezifisches Volumen [m3/kg], Strömungsgeschwindigkeit [m/s] V Volumen [m3]

XIV Nomenklatur

V Volumenstrom [m3/s]Vc Kompressionsvolumen [m3]Vh Zylinderhubvolumen [m3]VH Motorhubvolumen [m3]w Strömungsgeschwindigkeit [m/s] W Arbeit [kJ] wt spezifische technische Arbeit [kJ/kg] x Kolbenweg [m], Anzahl der C-Atome eines Brennstoffes [ - ],

Raumkoordinate xA Abgasgehalt [ - ] xAGR Abgasrückführrate [ - ] y Kolbenweg [m], Anzahl der H-Atome eines Brennstoffes [ - ],

Raumkoordinate z Zylinderzahl [ - ], Anzahl der O-Atome eines Brennstoffes [ - ], Raumkoordinate

Griechische Buchstaben

Wärmeübergangskoeffizient [W/m2K]Winkel [°]

DS Downsizing-Grad Geschwindigkeitsfunktion

A Aufladegrad [ - ] Differenz Wirkungsgraddifferenz [ - ] Verdichtungsverhältnis (geometrische Verdichtung) [ - ] Entspannungsgrad [ - ] Spreizung Wirkungsgrad [ - ], dynamische Viskosität [Ns/m2]

e effektiver Wirkungsgrad[ - ]

g Gütegrad [ - ]

i innerer Wirkungsgrad [ - ]

m mechanischer Wirkungsgrad [ - ]

Indizes XV

v Wirkungsgrad des Vergleichsprozesses [ - ]Isentropenexponent [ - ] Luftverhältnis [ - ]

a Luftaufwand [ - ]

l Liefergrad [ - ] µ Faktor [ - ], Durchflusszahl [ - ], Coulomb’scher Reibbeiwert [ - ]

OV Oberfläche-Volumen-Verhältnis des Brennraumes [ - ]

v Anteil isochor zugeführter Wärme [ - ]

T Turbinendruckverhältnis [ - ]

V Verdichterdruckverhältnis [ - ] Dichte [kg/m3]Standardabweichung [ - ] Kurbelwinkel [°KW] Ausflussfunktion Kreisfrequenz [1/s]

Indizes

A Abgas, Antrieb, Austritt ab abgeführt AS Arbeitsspiel aus austretend B Brennstoff Bb Blow-by bez bezogen DS Downsizing e effektivE Eintritt ein eintretend F, Fr Frisch G Gemisch ges gesamt GG Gegengewicht

XVI Nomenklatur

GRG Gleichraumgrad HD HochdruckHL Hauptlager hydr hydraulisch, hydrodynamisch HZ Hubzapfen i inneres, indiziert K Kolben, Kühlung Konv. Konvektion KP Kraftstoffpumpe krit kritisch L Luft, Ladung LW Ladungswechsel m mittleres, Meridian min minimal M Massen NA Nebenaggregate ND Niederdruck Nenn Nennpunkt osz oszillierend P Pleuel PL Pleuellager r realred reduziert R Radial RG Restgas rot rotierend s isentrop Spül Spülend, Spül- St Strahlung T Turbine, Tangential tats tatsächlich th theoretisch, thermisch u unverbrannt, unvollständig, Umfang

Indizes XVII

U Umgebung v verbrannt, isochor V Verdichter, Vergleichsprozess, Verbrennung VG Verbrennungsgas W Wand Ww Wandwärme zu zugeführt Zyl Zylinder

1 Einleitung und Zielsetzung

Der Verbrennungsmotor hat als Antrieb für Fahrzeuge, Schiffe und Generatoren mit Abstand die größte Bedeutung, und das wird – zumindest in den nächsten beiden Jahrzehnten – auch so bleiben. Die wesentlichen treibenden Faktoren für die Entwicklung von Verbrennungsmotoren sind nach wie vor die Einhaltung der gesetzlich festgelegten Schadstoffgrenzwerte sowie die Reduzierung des Kraft-stoffverbrauchs. Beiden Zielen kommt zukünftig eine wachsende Bedeutung zu. Die vom Verband der Europäischen Automobilhersteller (ACEA) getroffene Selbstverpflichtung zur Senkung des CO2-Ausstoßes der Fahrzeugflotten auf 140 g/km im Jahr 2008 entspricht einem Kraftstoffverbrauch von 5,3 bzw. 5,9 Liter/100 km (Diesel- bzw. Ottokraftstoff). Diese Grenze ist jedoch nur ein Etappenziel. Weitere Vereinbarungen zur Reduzierung der CO2-Emission auf 120, 100 oder sogar 90 g/km werden folgen. Mit Blick auf den heutigen CO2-Ausstoß von etwa 160 g/km (Flottenverbrauch ca. 6,9 Liter/100 km) und infolge der Tatsa-che, dass sich signifikante Verbrauchssenkungen aufgrund der hohen kundenseiti-gen Komfortansprüche sowie der strengen Emissionsgesetzgebung zunehmend schwieriger realisieren lassen, wird deutlich, dass zukünftig besondere Anstren-gungen erforderlich sind, um die Erwartungen erfüllen zu können.

Zu erreichen sind diese Ziele nur mit Hilfe einer umfassenden Gesamtstrategie, die alle verbrauchsbestimmenden Bestandteile (Fahrzeug, Antriebsquelle, Getrie-be) mit einbezieht. Sofern die Fahrdynamik und der Komfort als kundenseitige Anforderungen als gegeben vorausgesetzt werden, gibt es grundsätzlich drei We-ge, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Zum einen kann versucht werden, den Leistungsbedarf des Fahrzeugs durch Absenkung der Fahrwiderstände zu reduzie-ren. Dies erfordert geringe Fahrzeugmassen, ein strömungsgünstiges Fahrzeugde-sign sowie geringen Rollwiderstand. Zweitens besteht die Möglichkeit, einen gegebenen Motor über geeignete Getriebestrategien in verbrauchsgünstigen Kenn-feldbereichen zu betreiben. Dies erfordert jedoch stets einen Kompromiss zwi-schen Verbrauch und Fahrdynamik. Die dritte Möglichkeit ist die Steigerung des motorischen Wirkungsgrades entweder durch generelle, verbrauchssenkende Maßnahmen oder durch die Verlagerung der Motorbetriebspunkte in wirkungs-gradgünstigere Kennfeldbereiche. Letzterer ist der Inhalt der vorliegenden Arbeit gewidmet.

Trotzdem moderne Otto- und Dieselmotoren für Pkw im verbrauchsminimalen Betriebspunkt Wirkungsgrade von etwa 35% bzw. 43% erreichen, sind die auf den jeweiligen Fahrzyklus bezogenen Gesamtwirkungsgrade mit etwa 15-20% deut-lich niedriger. Über die Hälfte des resultierenden Kraftstoffverbrauchs von Pkw ist

2 1 Einleitung und Zielsetzung

demnach dafür aufzuwenden, dass der Motor nicht in den günstigen Wirkungs-gradbereichen – diese liegen bei höheren Lasten – betrieben werden kann.

Ein geeigneter Ansatz sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren ist daher die generelle Verlagerung der Betriebspunkte in Richtung höherer Mitteldrücke. Da das vom Motor zur Überwindung der Fahrwiderstände bereit zu stellende Dreh-moment proportional ist zum Produkt aus Mitteldruck und Hubvolumen, führt die Reduzierung des Hubvolumens – das sogenannte „Downsizing“ – zu der ge-wünschten Lastpunktverschiebung. Damit trotzdem genügend Drehmomentreser-ven für Beschleunigungsphasen zur Verfügung stehen, muss auch der Volllast-Mitteldruck entsprechend angehoben werden. Downsizing als Verbrauchskonzept erfordert daher stets ein leistungsfähiges Aufladesystem sowie weitere, speziell auf den Hochlastbetrieb abgestimmte Maßnahmen.

Ziel dieser Arbeit ist es, dem interessierten Leser einen umfassenden und detaillierten Überblick über das Downsizing als Maßnahmenpaket zur Kraftstoff-verbrauchssenkung zu geben. Dies betrifft sowohl die grundlegenden Zusammen-hänge beim Downsizing selbst, als auch – und dies im Besonderen – die Möglich-keiten und erforderlichen Maßnahmen zur Darstellung hoher spezifischer Leistun-gen und Drehmomente vor dem Hintergrund niedriger Kraftstoffverbräuche. In diesem Sinne ist es nötig, die für ein motorisches Hochlast-Downsizing-Konzept erforderlichen Subsysteme einer näheren Betrachtung zu unterziehen und Hinwei-se für eine geeignete Prozessführung zu geben. Die Arbeit beschränkt sich auf 4-Takt-Otto- und Dieselmotoren. Die Arbeit verzichtet weitgehend auf eine Be-schreibung konstruktiver Details, um genügend Raum für prozess- bzw. verfah-rensbedingte Betrachtungen zu lassen.

Nach einer Kurzbeschreibung der wesentlichen Einzelprozesse motorischer E-nergiewandlung in Kap. 2 sollen anhand einfacher Vergleichsprozesse die Einflüs-se grundlegender Parameter auf Wirkungsgrad, Mitteldruck, Abgastemperatur usw. beschrieben werden, um ein besseres Verständnis für die Auswirkung von Maßnahmen auf den Motorprozess zu bekommen. Da sich eine Laständerung unmittelbar auf die einzelnen Wirkungsgradverluste entlang der Prozesskette auswirkt, sollen diese ebenfalls kurz beschrieben werden. Kap. 3 widmet sich ganz dem Downsizing und erläutert neben den Grundlagen auch die Wirkungsmecha-nismen, die Problembereiche hochaufgeladener Motoren sowie die Kraftstoff-verbrauchspotenziale. Fahrzeugseitige Betrachtungen hinsichtlich Package, Ge-triebekonzepten und Mild-Hybriden umfassen auch motorübergreifende Maßnah-men, die eine Umsetzung von Downsizing-Konzepten unterstützen können. Das Kapitel schließt mit einer Analyse derzeitiger Verbrennungsmotoren hinsichtlich der relevanten motorischen Kennwerte. Die Ausweitung der Volllast-Mitteldrücke als wesentlicher Bestandteil des Downsizing wirkt sich insbesondere auf das Kraftstoff-Einspritzsystem, das Aufladesystem sowie die Motormechanik aus und erfordert spezielle Maßnahmen zur Prozessführung. Daher werden in Kap. 4 die Aufladung, die Gemischaufbereitung und Verbrennung sowie die Motormechanik vor dem Hintergrund des motorischen Hochlastbetriebs und generellen wirkungs-gradsteigernden Maßnahmen erläutert und geeignete Konzepte beschrieben.

2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung

Die Umsetzung der chemisch im Kraftstoff gebundenen Energie innerhalb des Verbrennungsmotors ist ein außerordentlich komplizierter Prozess. Neben den eigentlichen chemischen Umwandlungsvorgängen vor, während und nach der „Verbrennung“ sind Wärme- und Stofftransportprozesse von ausschlaggebender Bedeutung für die Güte des Energieumsatzes. Zudem finden die Zustandsände-rungen überwiegend bei hohen Drücken und Temperaturen statt und sind grund-sätzlich instationärer Natur. Um ein Verständnis für diese komplexen Vorgänge entwickeln und diese Informationen zur Steigerung des Wirkungsgrades gezielt nutzen zu können, muss das Gesamtsystem Verbrennungsmotor näher analysiert werden. Ausgehend von einer einfachen, globalen Betrachtung des Systems Verbrennungsmotor können an Hand einfacher Modellprozesse erste Aussagen zum theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad eines Motors gemacht werden. Im zweiten Schritt kann entlang der gesamten Prozesskette der Energieumsetzung eine detailliertere Beurteilung der einzelnen Verlustursachen erfolgen. Die hieraus gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage für gezielte Verbesserungen im Ablauf der entsprechenden Teilprozesse.

2.1.1 Energiebilanz und Wirkungsgradkette

Die Umwandlung der Kraftstoffenergie in mechanische Energie kann an Hand der in Abb. 2.1 dargestellten Teilprozesse grob beschrieben werden. Mit Hilfe geeig-neter Systeme für die Gemischaufbereitung werden Kraftstoff und Luft in einen zündfähigen Zustand versetzt, der nach Einleitung des Zündvorganges die Freiset-zung von Wärme durch die exotherme Reaktion der Verbrennung ermöglicht. Der rasante Druck- und Temperaturanstieg innerhalb des Brennraumes führt zu einer nutzbaren Volumenänderung, die durch das Triebwerk in eine Drehbewegung transformiert wird.

Eine erste und grobe Beschreibung der dem Verbrennungsmotor zu- und abge-führten Energieströme erfolgt mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Diese äußere Energiebilanz eines Motors kann durch Verbrauchs-, Leistungs-, Temperatur- und Durchflussmessungen erstellt werden. Eine Umwandlung der mit dem Kraftstoff zugeführten Energie in mechanische Bewegungsenergie (Nutzar-beit) ist jedoch nur zum Teil möglich. Während der Teilprozesse erfolgt die Ener-giewandlung stets verlustbehaftet. Je nach Ausführung des Motors, die durch das

4 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Brennverfahren, die Prozessführung, konstruktive Bedingungen etc. gegeben ist, und dem Betriebspunkt des Motors wird ein Großteil der Energie mit dem Abgas und durch Kühlung abgeführt.

Abb. 2.1. Prozesskette der motorischen Energiewandlung

Moderne Dieselmotoren für Pkw geben im Bestpunkt etwa 43% der mit dem Kraftstoff zugeführten Energie in Form von Nutzenergie ab. Ottomotoren errei-chen Werte unter 40%. Im Teillastbereich sind nur erheblich niedrigere Wir-kungsgrade zu realisieren.

Abb. 2.2. Energiebilanz für den Verbrennungsmotor

Abbildung 2.2 zeigt die im System Verbrennungsmotor ein- und austretenden Energie- bzw. Massenströme. Verluste durch Leckagen sind hierbei vernachläs-sigt. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik lautet für die globale Betrachtung des gesamten Motors

AALLabeuB hmhmQPHm , (2.1)

wobei der gesamte Abwärmestrom über das Kühlmedium, den Ölkreislauf sowie über Konvektion und Strahlung abgegeben wird. Der Abwärmestrom resultiert zum Teil auch aus der zur Überwindung der mechanischen Reibung und zum Antrieb der relevanten Hilfsaggregate des Motors erforderlichen Reibleistung.

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 5

Ziel der Motorenentwicklung ist demnach die Reduzierung der mit dem Abgas und über die Kühlung abgeführten Energieströme zur Erhöhung der vom Motor zur Verfügung gestellten Nutzleistung. Der Erfolg wird durch das Verhältnis von Nutzleistung zu Brennstoffenergiestrom – dem effektiven Wirkungsgrad e – ausgedrückt:

ueuB

ee HbHm

P 1 . (2.2)

Aus Gl. 2.2 wird deutlich, dass zwischen Wirkungsgrad und spezifischem Kraftstoffverbrauch des Motors eine direkte Abhängigkeit besteht. Der Proportio-nalitätsfaktor ist der untere Heizwert des Kraftstoffes. Diese Größe gibt den auf die Masse bezogenen Energieinhalt des Kraftstoffes an. Das im Verbrennungsgas befindliche Wasser liegt dabei per Definition in gasförmigem Aggregatzustand vor. Eine analoge Beziehung gilt für den inneren Wirkungsgrad:

uiuB

ii HbHm

P 1 . (2.3)

Eine erste Beurteilung realer Motorprozesse kann an Hand der in Abb. 2.3 dar-gestellten Wirkungsgradkette erfolgen. Ausgehend von einem zu definierenden Vergleichsprozess, der die Kraftstoffumsetzung im Brennraum idealisiert betrach-tet, können Kennwerte für den Erfolg der Kraftstoffumsetzung in den einzelnen Prozessschritten angegeben werden. Das Verhältnis der aus dem Vergleichspro-zess berechneten Leistung zur eingesetzten Brennstoffenergie wird durch den sogenannten Vergleichswirkungsgrad v beschrieben. Die effektive Motorleistung berechnet sich dann nach Gl. 2.4.

Abb. 2.3. Wirkungsgradkette bei der motorischen Energieumsetzung

6 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

euBRgvRie HmPPPPP . (2.4)

Der effektive Wirkungsgrad des Motors setzt sich aus dem Produkt von Ver-gleichswirkungsgrad, Gütegrad und mechanischem Wirkungsgrad zusammen:

mgvmie . (2.5)

Potenzial zur Senkung des Kraftstoffverbrauches von Verbrennungsmotoren besteht – sofern ein geeigneter Vergleichsprozess zu Grunde gelegt wird – aus-schließlich in der Steigerung des Güte- und des mechanischen Wirkungsgrades. Abweichungen vom Vergleichsprozess können dann durch entsprechende Wir-kungsgraddifferenzen ausgedrückt werden, die ihrerseits eine Aufschlüsselung durch die sogenannte Verlustanalyse erfahren, siehe Kap. 2.3.

mgvmie . (2.6)

Neben den beschriebenen Kenngrößen Leistung und Wirkungsgrad ist der Mit-teldruck eine viel benutzte und aussagekräftige Kenngröße. Der innere oder indi-zierte Mitteldruck berechnet sich definitionsgemäß aus dem Zylinderdruckverlauf und wird zur Ermittlung der inneren Leistung des Motors verwendet:

h

i

AShmi Vzni

PpdVV

p⋅⋅⋅

== ∫1 . (2.7)

Dabei ist n die Motor- bzw. Kurbelwellendrehzahl, i die Anzahl der Arbeits-spiele pro Kurbelwellenumdrehung (Viertaktmotor: i = 0,5; Zweitaktmotor: i = 1), z die Zylinderzahl und Vh das Hubvolumen eines Zylinders. Mit Blick auf die rechte Seite von Gl. 2.7 werden dementsprechend der effektive Mitteldruck pme sowie der Reibmitteldruck pmr bestimmt. Diese Kenngrößen stehen damit in glei-cher Beziehung zueinander wie die verschiedenen Leistungen, vergl. Abb. 2.3:

mrmemi ppp += . (2.8)

Die Mitteldrücke sind ausgezeichnete Kennwerte und lassen – unabhängig von den geometrischen Motorabmessungen, dem verwendeten Brennverfahren oder sonstigen Charakteristiken – einen direkten Vergleich unterschiedlicher Motoren zu.

2.1.2 Zündung und Flammenausbreitung

Durch die Aufbereitung des in den Brennraum eingebrachten Kraftstoffes sowie den Ablauf der chemischen Umsetzung des Kraftstoffes durch die Verbrennung werden die wesentlichen Eigenschaften des Verbrennungsmotors, wie z.B. Wir-kungsgrad, Leistungscharakteristik und Schadstoffemissionen, bestimmt. Neben den eigentlichen chemischen Reaktionen haben Strömungs- und Transportvorgän-ge großen Einfluss auf das Ergebnis der Verbrennung.

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 7

Nachdem eine genügend große Menge zündfähigen Gemisches aus Luft und Kraftstoff erzeugt worden ist, wird die Verbrennung durch den Zündvorgang ein-geleitet. Wesentlichen Einfluss auf die Zündung und anschließende Flammenaus-breitung haben die thermodynamischen Zustandsgrößen des Gemisches sowie der Kraftstoff selber.

Zündung

Die Zündung ist eine durch thermische und chemische Prozesse beschleunigte Kettenreaktion, die im den Zündherd umgebenden Gemisch zu einem schnellen Anstieg der Temperatur führt. Bei einer solchen Kettenreaktion tritt ein reaktions-freudiges Zwischenprodukt auf, das weitere Reaktionen nach sich zieht. Häufig ist dieses Zwischenprodukt ein freies Radikal, also ein Molekül- oder Atomfragment mit einem ungepaarten Elektron. Aktive Radikale spielen bei allen Zündprozessen eine wichtige Rolle. Beispiele sind die Radikale H, O und OH.

Am Beginn einer Kettenreaktion werden aus stabilen Molekülen zunächst freie Radikale gebildet, die in Folgereaktionen mit anderen Molekülen reagieren und weitere freie Radikale erzeugen. Bei der Kettenfortpflanzung bleibt die Anzahl der Radikale gleich, während bei der Kettenverzweigung die Radikalbildung be-schleunigt wird. Wenn die Geschwindigkeit der Kettenreaktion ansteigt, spricht man von einer Explosion. Im Gegensatz zur thermischen Explosion, bei der die Temperatur und damit die Reaktionsgeschwindigkeit durch exotherme Reaktionen erhöht wird, nehmen bei einer chemischen Explosion die Kettenverzweigungsre-aktionen durch zunehmende Anzahl freier Radikale zu. In Verbrennungsmotoren sind beide Arten von Explosionen zu beobachten.

Eine genügend große Anzahl aktiver Radikale zur Einleitung eines Zündvor-ganges kann durch hohe Temperaturen erzeugt werden, wie dies z.B. bei der Selbstzündung im Dieselmotor der Fall ist, oder durch einen Zündfunken (Fremd-zündung, Ottomotor), der die Reaktionsgeschwindigkeit stark erhöht. Charakteris-tisch für die chemische Explosion ist die Tatsache, dass diese erst nach der für Kettenreaktionen typischen Zündverzugszeit beginnt. Während dieser Zündver-zugszeit laufen Kettenverzweigungsreaktionen mit der Bildung von Radikalen ab, die zunächst zu keiner signifikanten Temperaturerhöhung führen, jedoch selber stark temperaturabhängig sind. Die erforderliche Zündenergie nimmt mit der zu erwärmenden Stoffmenge und der Wärmekapazität des Gemisches zu und ist somit proportional zum Zündvolumen und dem herrschenden Druck [PIS02].

Nach Einleitung des Zündvorganges läuft bei geeigneten thermodynamischen und chemischen Randbedingungen innerhalb des Gemisches der Prozess der Flammenausbreitung ab. Hierbei unterscheidet man zwischen vorgemischter und nicht-vorgemischter (auch: Diffusions-) Verbrennung. Beide Ausbreitungs- bzw. Verbrennungsarten können durch den Begriff Deflagration zusammengefasst werden.

8 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Vorgemischte Verbrennung

Im Fall der vorgemischten Verbrennung sind Luft und Kraftstoff innerhalb der Gemischwolke zum Zeitpunkt des Brennbeginns weitgehend homogen verteilt. Diese Art der Verbrennung verläuft mit hoher Geschwindigkeit, bei hohen Tem-peraturen und – sofern ausreichend Sauerstoff zur Verfügung steht – unter sehr geringer Rußbildung. Dabei bewegt sich eine Flammenfront durch den Brennraum und hinterlässt die verbrannte Zone. In Abhängigkeit des umgebenden Strömungs-feldes sowie der thermischen Randbedingungen kann eine laminare oder eine turbulente Flammenausbreitung beobachtet werden. Bei ersterer durchläuft eine in sich geschlossene Flammenfront mit einer bestimmten Geschwindigkeit den Brennraum. Die turbulente Flammenausbreitung ist durch eine räumlich verzerrte oder aufgerissene Flammenfront sowie einem stark instationären Verhalten cha-rakterisiert und bei innermotorischen Verbrennungsprozessen (z.B. im Ottomotor) häufig zu beobachten. Einzelne Flammeninseln (sogenannte Flamelets) können sich von der zerklüfteten Flammenfront ablösen. Abb. 2.4 stellt die Unterschiede zwischen laminarer und turbulenter Flammenausbreitung anschaulich dar.

Abb. 2.4. Laminare und turbulente Flammenausbreitung

Die laminare Flammengeschwindigkeit steigt mit zunehmender Temperatur und abnehmendem Druck. Das Maximum wird bei bestimmten Luftverhältnissen erreicht, deren Wert abhängig ist vom verwendeten Kraftstoff, vergleiche [GLA96], [WAR97]. Der deutliche Temperatureinfluss wirkt sich darüber hinaus besonders in den wandnahen Bereichen des Brennraumes aus. Sofern die Tempe-ratur des Gemisches zu gering ist, wird die weitere Flammenausbreitung durch ein Verlöschen der Flamme gestoppt. Dieses sogenannte „wall-flame-quenching“ kann in der Grenzschicht an relativ kühlen Brennraumwänden beobachtet werden und führt beim konventionellen Ottomotor mit äußerer Gemischbildung (Saug-rohreinspritzung) zur Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe. Nach [URL94] hat diese Grenzschicht eine Dicke von etwa 0,1-0,2 mm.

Einen deutlichen Einfluss auf die Ausbreitung von turbulenten Flammen und damit auf den motorischen Verbrennungsprozess hat die Turbulenz des umgeben-den Strömungsfeldes. Oberhalb einer bestimmten Reynoldszahl treten in Strö-mungen zeitlich und räumlich ungeordnete, turbulente Schwankungsbewegungen auf, die sich der Hauptströmung überlagern. Dadurch wird der Austausch von Masse, Impuls und Energie auch quer zur Hauptströmungsrichtung intensiviert und Energie in der Hauptströmung dissipiert.

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 9

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit turbulenter Flammen nimmt mit steigender Turbulenz, die z.B. durch höhere Strömungsgeschwindigkeiten im Ladungswech-sel erzeugt werden kann, zu. Aus diesem Grund läuft die Verbrennung bei höheren Motordrehzahlen im nahezu gleichen Kurbelwinkelbereich ab wie bei niedrigen Drehzahlen. Hohe Restgasgehalte verlangsamen die chemischen Reaktionen und damit die Flammenausbreitung aufgrund der im Vergleich zum Frischgemisch höheren Wärmekapazitäten und der geringeren Wärmeleitfähigkeit von Verbren-nungsgasen.

Klopfende Verbrennung (Detonation)

Eine Eigenart vorgemischter Verbrennung ist die latente Gefahr der Detonation. Darunter versteht man eine durch chemische Reaktionen ausgelöste Stoßwelle, bei der sehr hohe Flammengeschwindigkeiten bis über 1.000 m/s auftreten und die zur Anregung der Druck-Eigenresonanzen der im Brennraum eingeschlossenen Zylin-derladung führt. Diese Vorgänge werden bei der motorischen Verbrennung allge-mein als Klopfen bezeichnet und sind bereits kurz nach der Erfindung des Otto-motors bekannt geworden [MID20]. Schon in den zwanziger Jahren des vorigen Jahrhunderts wurden daher viele umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um kapitale Motorschäden durch Klopferscheinungen erklären bzw. vermeiden zu können [CLE26].

Klopfen entsteht durch Selbstzündung des noch nicht von der Flammenfront er-fassten Gemisches – das sogenannte Endgas. Die schlagartige Freisetzung großer Energiemengen führt zu einem starken Anstieg von Druck und Temperatur sowie zur Ausbreitung hochfrequenter Druckwellen (Frequenz > 5 kHz) innerhalb des Brennraumes, die kurzfristig sogar zur mechanischen Zerstörung des Motors füh-ren können [FIS03]. Das Klopfen ist zudem ein stochastischer Vorgang, da die Klopfintensitäten bei gleichen Betriebsparametern von Zyklus zu Zyklus schwan-ken. Abb. 2.5 zeigt schematisiert den bei intensiv klopfender Verbrennung verän-derten Zylinderdruckverlauf eines Ottomotors im Vergleich zur normalen, de-flagrierenden Verbrennung.

Abb. 2.5. Zylinderdruckverläufe bei normaler und klopfender Verbrennung

10 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Deutlich sind die Druckwellen im Druckverlauf zu erkennen, die mit hohen Druckgradienten zu Beginn der Verbrennung und ausgeprägten Spitzendrücken einher gehen. Der Ablauf der zum Klopfen erforderlichen Vorreaktionen benötigt einen bestimmten Zeitraum. Daher ist die Gefahr klopfender Verbrennung in ers-ter Linie bei niedrigen Drehzahlen gegeben. Für hochdrehende Motoren, die im Rennsport z.B. in der Formel 1 zu finden sind, spielt Klopfen dem entsprechend keine Rolle.

Neben der erosiven Wirkung der Druckwellen treten auch hohe thermische Be-lastungen in den Bauteilen auf, da der Wärmeübergang aufgrund der in Wandnähe hohen Strömungsgeschwindigkeiten intensiviert wird bzw. stark ansteigt. Klopfen ist im motorischen Betrieb somit unter allen Umständen zu vermeiden.

Die Klopfneigung kann grundsätzlich durch nderungen konstruktiver oder der Veränderung der Betriebsparameter vermindert werden. Niedrige Gemischtempe-raturen und hohe Rückführraten gekühlten Abgases senken das Temperaturniveau innerhalb des Brennraumes bei Verdichtungsende. Eine gezielte Ladungsbewe-gung z.B. durch Drall- und Tumble erhöht die Flammengeschwindigkeiten und verringert in Verbindung mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten der in den Brennraum eintretenden Ladung die für Vorreaktionen zur Verfügung stehende Zeit. Daher sinkt die Klopfneigung mit zunehmender Motordrehzahl. Kompakte Brennräume mit zentral angeordneter Zündkerze ermöglichen kurze Flammenwe-ge. Motoren mit großen Zylinderhubvolumina und entsprechend längeren Flam-menwegen sind daher i.A. klopfanfälliger. Allerdings kann eine Ladungsbewe-gung mit ähnlich hoher Strömungsgeschwindigkeit wie die Flammengeschwin-digkeit die Flammenausbreitung auch stark behindern, wenn sie genau entgegen läuft [WIN03].

Nicht-vorgemischte Verbrennung

Bei dieser Art der Verbrennung sind Luft und Kraftstoff zum Zeitpunkt des Brennbeginns nicht homogen vorgemischt. Erst im Laufe der chemischen Umset-zung durch den Verbrennungsprozess kommt es zu einer intensiveren Vermi-schung infolge Diffusion. Gemischbildung und Verbrennung laufen somit gleich-zeitig ab, wobei die Mischungsvorgänge während der Hauptverbrennungsphase langsamer sind als die chemischen Reaktionen und somit die geschwindigkeitsbe-stimmende Größe darstellen.

Die turbulente, nicht-vorgemischte Verbrennung tritt neben Brennern und Dü-sentriebwerken auch in Dieselmotoren sowie teilweise in direkteinspritzenden Ottomotoren auf. Aufgrund der Tatsache, dass auch die Gemischaufbereitung im Brennraum erfolgen muss und die chemisch-physikalischen Prozesse signifikant vom umgebenden turbulenten Strömungsfeld beeinflusst werden, ist der Ablauf nicht-vorgemischter Verbrennungsprozesse ein komplexer Vorgang.

Der flüssige Kraftstoff wird mit hohem Druck direkt in die kompromierte Luft eingespritzt und zerfällt infolge der Relativgeschwindigkeiten zwischen Luft und Kraftstoffstrahl in viele kleine Tröpfchen. Die umgebende Wärme führt an der Tropfenoberfläche zu einer fortlaufenden Abdampfung des Kraftstoffes und an-schließender Vermischung mit der umgebenden Luft. Dabei steigt das Luftver-

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 11

hältnis mit zunehmendem Abstand vom Tropfen an. Sobald sich das Mischungs- bzw. Luftverhältnis innerhalb der Zündgrenzen bewegt, kommt es in diesen Zonen zur Selbstzündung, obwohl der Kraftstofftropfen noch nicht vollständig verdampft ist, siehe Abb. 2.6. Die Verbrennung beginnt meist in leicht fetten Gemischberei-chen. Ein bestimmter Teil des eingespritzten Kraftstoffes mischt sich innerhalb des Zündverzuges intensiv mit der Luft und verbrennt dann relativ spontan mit hohen Druckgradienten. Nach dieser zeitlich begrenzten, vorgemischten Verbren-nung, die von der Reaktionskinetik bestimmt wird, läuft die weitere Verbrennung diffusions- bzw. mischungskontrolliert als nicht-vorgemischte Verbrennung ab.

Abb. 2.6. Schematische Darstellung der nicht-vorgemischten Verbrennung

In den Bereichen der Selbstzündung ist das lokale Luftverhältnis kleiner als eins, sodass die Verbrennung stets mit einer Rußbildung kombiniert ist. Infolge der sehr heterogenen Gemischzusammensetzung liegen darüber hinaus auch über-stöchiometrische Bereiche vor, in denen es vornehmlich zu Bildung von Stickoxi-den (NOx) kommt. Die nicht-vorgemischte Verbrennung erzeugt somit stets gleichzeitig Ruß und NOx.

Als Vorteil der nicht-vorgemischten Verbrennung ist die einfache Laststeue-rung durch Variation der eingebrachten Kraftstoffmenge zu nennen. Durch das heterogen zusammengesetzte Gemisch liegen immer Bereiche mit einer brennfä-higen Gemischzusammensetzung vor, sodass der Kraftstoff selbst bei sehr mage-ren Gemischen mit Luftverhältnissen bis 10 sicher entflammt werden kann, sofern nur die Zündtemperatur überschritten wird. Aus diesem Grund gibt es beim Die-selmotor im Gegensatz zum Ottomotor keine durch die Gemischzusammensetzung bedingten Zündgrenzen. Dadurch ist es möglich, den Dieselmotor mit der energe-tisch günstigeren Qualitätsregelung zu betreiben.

12 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

2.1.3 Verbrennung

Luftbedarf und Luftverhältnis

Bei der vollständigen Verbrennung von Kraftstoffen können der erforderliche Luftbedarf und die Zusammensetzung des Verbrennungsgases aus der chemischen Brutto-Reaktionsgleichung bestimmt werden, siehe Gl. 2.9. Die Brutto-Reaktions-gleichung der Verbrennung von sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffen gestattet naturgemäß keinen näheren Einblick in die Chemie. Stickstoff, eine Hauptkompo-nente der Luft, nimmt bei dieser modellhaften Vorstellung an der Reaktion nicht teil und wird daher zunächst nicht mit betrachtet. Es gilt:

OHyCOxOzyxOHC zyx 222 224. (2.9)

Zur vollständigen Verbrennung dieses Modell-Kraftstoffes wird eine bestimmte Menge Sauerstoff benötigt. Der Luftbedarf bei der stöchiometrischen Verbren-nung errechnet sich unter der Voraussetzung, dass der Sauerstoffanteil der Luft etwa 21% beträgt, wie folgt:

2421,01**

minzyxL . (2.10)

Die Einheit von Gl. 2.10 ist kmol Luft pro kmol Brennstoff. Da für reale Brennstoffe die chemische Zusammensetzung meist unbekannt ist, verwendet man die Massenanteile der einzelnen Komponenten. Diese werden durch eine Elemen-taranalyse ermittelt. Unter Berücksichtigung der Massenanteile sowie der Mol-massen der Brennstoffkomponenten erhält man in Gl. 2.11 die Einheit kmol Luft pro kg Brennstoff.

OHC Mo

Mh

McL

2476,4*

min. (2.11)

Zur Umrechnung auf eine für die Praxis relevante Einheit (kg Luft pro kg Brennstoff) muss die Molmasse der Luft berechnet werden. Sie ergibt sich ent-sprechend der Zusammensetzung der Luft aus den Hauptkomponenten Sauerstoff und Stickstoff zu 28,85 kg/kmol, sodass für den Luftbedarf der stöchiometrischen Verbrennung gilt:

00,32032,4011,124,137*

minminohcMLL L

. (2.12)

Konventioneller Dieselkraftstoff besteht zu etwa 86% aus Kohlenstoff und zu 13% aus Wasserstoff. Schwefel- und Sauerstoffanteile können bei dieser Betrach-tung meist vernachlässigt werden. Dann ist zur vollständigen Verbrennung von einem kg Dieselkraftstoff ein Mindestluftbedarf von etwa 14,5 kg Luft erforder-lich. Aufgrund der sehr ähnlichen, massenanteiligen Zusammensetzung der Haupt-komponenten Kohlenstoff und Wasserstoff hat Ottokraftstoff mit 14,7 etwa den

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 13

gleichen Mindestluftbedarf wie Dieselkraftstoff. Der Mindestluftbedarf ist also eine rein kraftstoffspezifische Größe. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Stoffwerte der häufigsten Kraftstoffe für Verbrennungsmotoren.

Tabelle 2.1. Stoffwerte flüssiger und gasförmiger Kraftstoffe [ROB95]

Diesel Super-Benzin Erdgasa Methana Wasserstoff Dichte [kg/dm3] 0,82-0,86 0,73-0,78 0,00083 0,00072 0,00009

Massenanteile [kg/kg]

c=0,86 h=0,13

c=0,86 h=0,14

c=0,76 h=0,24

c=0,75 h=0,25 h=1

Unterer Heizwert [kJ/kg] 42.500 43.500 47.700 50.000 120.000

Siedetemperatur [°C] 180-360 25-215 -162 -162 -253

Zündtemperatur [°C] 250 400 650 560

Mindestluftbedarf [kg/kg] 14,5 14,7 13,1 17,2 34

Molare Masse [kg/kmol] 190 98 18,54 16,04 2,01 a Angaben bezogen auf Normzustand (0 °C, 1.013 mbar)

Zur Beschreibung der dem Brennraum tatsächlich zugeführten Luftmenge ist das sogenannte Luftverhältnis als weiterer Parameter erforderlich. Das Luftver-hältnis beschreibt das Verhältnis von zugeführter Luftmenge zum stöchiometri-schem Luftbedarf:

minmin min

L L

L B

m mLL m L m

. (2.13)

Die Massen von zugeführter Luft und eingebrachtem Kraftstoff werden direkt am Motorprüfstand gemessen. Der Spülverlust, also die während des Zeitraumes der Ventilüberschneidung vom Ansaug- in den Abgaskanal strömende Luftmasse, wird dabei nicht gesondert berücksichtigt und ist somit in mL enthalten. Auch können mit dem so ermittelten Luftverhältnis keine Aussagen über den Restgas-gehalt im Brennraum gemacht werden.

Um die tatsächliche Zusammensetzung der Zylinderladung bestimmen zu kön-nen, wird das Verbrennungsluftverhältnis V definiert. Hierbei wird die tatsächlich im Zylinder eingeschlossene Luftmenge auf die zur vollständigen Verbrennung der eingebrachten Kraftstoffmenge erforderliche Mindestluftmenge bezogen.

B

tatsLV mL

m

min

, . (2.14)

Im Gegensatz zum globalen Luftverhältnis stellt das Verbrennungsluftver-hältnis V einen Momentanwert dar, der sich mit dem Kurbelwinkel ändern kann, was durch die Zusammensetzung der Ladung während des Verbrennungsprozesses

14 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

begründet ist. Für luftansaugende Motoren, bei denen der Kraftstoff direkt einge-spritzt und dann als sofort verbrannt betrachtet wird, sinkt das Verbrennungsluft-verhältnis mit steigendem Kurbelwinkel. Bei gemischansaugenden Motoren be-findet sich die gesamte Brennstoffmasse während des Hochdruckprozesses im Brennraum, sodass das Verbrennungsluftverhältnis konstant bleibt.

Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission

Für unterschiedliche Kraftstoffe werden in Abhängigkeit des effektiven Wir-kungsgrades auch verschiedene, spezifische Kraftstoffverbräuche erzielt. In Abb. 2.7 ist der Zusammenhang zwischen den beiden Kenngrößen auf Basis von Gl. 2.2 für die gängigen flüssigen und gasförmigen Kraftstoffe dargestellt. Mit zunehmenden Wirkungsgraden nimmt der spezifische Kraftstoffverbrauch degres-siv ab. Maßnahmen an Dieselmotoren, die bei einem Betriebspunkt mit Wir-kungsgrad von 40% zu einer Wirkungsgradsteigerung um 1%-Punkt führen, erge-ben eine Senkung des spezifischen Kraftstoffverbrauches von etwa 5 g/kWh.

Abb. 2.7. Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit des Wirkungsgrades für unterschiedliche Kraftstoffe