Handbuch Dieselmotoren

Am 27. Februar 1892 meldet der Ingenieur Rudolf Diesel beim Kaiserlichen Patentamt zu Berlin ein Patent auf „Neue rationelle Wärmekraftmaschinen“ an, worauf ihm am 23. Februar 1893 das DRP 67207 über „Arbeitsverfahren und Ausführungsart für Verbrennungskraftmaschinen“, datiert auf den 28. Februar 1892, erteilt wird: Ein wichtiger, erster Schritt auf dem Weg zu dem selbst gesetzten Ziel, das Diesel seit seiner Studienzeit beschäftigt, wie seiner Biographie zu entnehmen ist:

Mit Abschluß des Expansionshubes setzt der Ladungswechsel ein. Dieser übernimmt im Grunde zwei Aufgaben, nämlich

In Verbrennungskraftmaschinen wird die im zugeführten Kraftstoff gebundene Energie durch Oxidation mit dem in der Verbrennungsluft enthaltenen Sauerstoff freigesetzt. Die Verbrennung erfolgt in realen Motoren unvollständig und verlustbehaftet. Erkennbar ist dies daran, daß das native Motorabgas außer Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf (H₂O) auch Substanzen wie Kohlenmonoxid (CO), Stickstoffoxide (NO_x), Kohlenwasserstoffe (HC) und Rußpartikel (PM) enthält.

Die Einspritzanlage hat die Aufgabe, den Kraftstoff vom Tank zum Motor zu fördern, unter hohem Druck zeitgerecht in den Brennraum des Dieselmotors einzuspritzen und die Motorleistung über die Einspritzmasse zu steuern. Dazu werden in der Regel ein Niederdruckkreislauf, die eigentliche dieseltypische Hochdruckeinspritzung, Spritzverstellung und Steuerungsfunktionen sowie ein Regler benötigt.

Minimierung der Schadstoffemissionen, Senkung des Kraftstoffverbrauches, Leistungssteigerung und Komfortoptimierung des Fahrzeug-Dieselmotors sind nur möglich, wenn das Kraftstoff-Einspritzsystem hohe Anforderungen erfüllt (siehe auch Abschn. 4.1):

Fragen der Beanspruchung und Festigkeit der Bauteile spielen bei Dieselmotoren eine bedeutende Rolle, wobei sie aus vielen Quellen der Belastung, seien sie mechanischer oder thermischer Art, resultieren können.

An die Gestaltung von Dieselmotoren und ihrer Triebwerke werden in Zukunft weiter verschärfte und wohl auch neue Anforderungen gestellt werden, die sich unter technischen Aspekten oft widersprechen, so daß nur unter Einsatz von Optimierungsstrategien ein der Zielvorgabe angemessener Kompromiß zu erzielen ist. Die Forderungen nach niedrigem Verbrauch und höherer Leistung der Motoren, nach immer stärkerer Reduktion der Abgasschadstoffe und der Geräuschemission resultieren aus dem wachsenden ökologischen Bewußtsein. Durch die Verschärfung des internationalen Wettbewerbs erhalten aber auch Forderungen, wie Leistungsdichte und -masse, Wartungsaufwand, Zuverlässigkeit, Gewährleistung, Recyclingfähigkeit und nicht zuletzt die Anschaffungskosten einen immer höheren Stellenwert. Dies führt sehr häufig zu höheren Triebwerksbeanspruchungen, welche mechanisch und thermisch von den Triebwerkskomponenten aufzunehmen sind. Direkteinspritzung, Hochdruckeinspritzung, Aufladung — auch mehrstufig — mit Ladeluftkühlung werden immer mehr Verbreitung finden. Die höhere Beanspruchung führt zusammen mit harter Verbrennung in zunehmendem Maße zu dynamischen Problemen, denen gesteigerte Anforderungen an das Schwingungs- und Geräuschverhalten entgegenstehen. Erst nach Ausschöpfen konstruktiver Maßnahmen in Form steifer, aber leichter Bauteile werden sekundäre Maßnahmen, z. B. Schwingungsdämpfer, Zweimassen-Schwungrad oder gar Motorkapselung aus Preisgründen akzeptiert. Die hohe Auslastung der Triebwerkskomponenten bis an die Grenzen der Dauerfestigkeit erfordert den Einsatz möglichst realistischer Auslegungsverfahren. Hierbei sind auch neue Werkstoffe und Fertigungstechnologien zu bewerten, um eine Reduktion der Kosten in Konstruktion, Versuch und Fertigung zu erreichen. Diese Forderungen führen zusammen mit der zunehmenden Automatisierung von Arbeitsabläufen, die ihrerseits wieder eine intensive Auslastung der Fabrikationsinvestitionen erfordern, bei Neukonzeptionen zu Motorenbaureihen mit möglichst vielen Gleichbauteilen bei optimiertem Zusammenwirken von Thermodynamik, Gasdynamik und Mechanik. Dabei werden Motorbauformen und Zylinderzahlen angesprochen, die über den bisher üblichen Stand der Technik hinausgehen: Bevorzugte man bislang einen optimalen Massenausgleich 1. Ordnung, so verschob sich in jüngerer Zeit der Auslegungschwerpunkt unter dem Aspekt der Laufruhe. Dabei wird den freien Gasdrehkraftwirkungen mehr Gewicht beigemessen als den in der Größe begrenzten freien Massenwirkungen, zumal die der niedrigen Ordnung erst mit steigender Drehzahl nennenswerte Beträge annehmen und durch elastische Motorlagerungen und überkritischen Betrieb zu beherrschen sind. Mehr Probleme bereiten die freien Gasdrehkräfte aus ungleichförmigen Zündfolgen, die zusätzliche, tieffrequente Erregungen mit größerer Amplitude hervorrufen. Diese wirken erregend nicht nur auf den Motor, sondern auch auf den Abtriebsstrang, so daß es z. B. bei Fahrzeugen auch im Getriebe, der Gelenkwelle und im Achsgetriebe zu unzulässigen Schwingungserscheinungen kommen kann.

Beim Dieselmotor wird die zugeführte Brennstoffenergie je nach Größe des Hubvolumens und der Art des Arbeits- und Verbrennungsverfahrens zu 30 bis 50% in Nutzarbeit umgesetzt. Der übrige Anteil der Brennstoffenergie tritt in Form von Wärme auf und wird, wie aus Bild 8-1 zu ersehen ist, überwiegend mit dem heißen Abgas und über das Kühlsystem des Motors abgeführt; ein relativ kleiner Anteil gelangt über die Motoroberfläche durch freie Konvektion und Strahlung an die Umgebung. Die über das Kühlsystem abgeführte Wärme umfaßt neben der an das Kühlmittel übertragenen Bauteilwärme auch die im Schmieröl- und Ladeluftkühler abgeführten Wärmen.

Die Werkstofftechnik gehört seit jeher zu den Schlüsseltechnologien des Dieselmotors. Entstehung und Weiterentwicklung der neuen wirtschaftlichen Kraftmaschine Rudolf Diesels waren und sind eng verbunden mit den Fortschritten in Theorie und Praxis der Werkstoffherstellung, -behandlung und -mechanik. Entsprechend der Grundidee müssen beim Dieselmotor höhere Drücke und Temperaturen beherrscht werden als bei anderen Motoren. Aufgrund der größeren Drucksteigerungsgeschwindigkeit liegen stärkere Schwingungsanregungen vor. Da zu den mechanischen und thermischen Hauptbelastungen (vgl. Abschn. 6.1) noch korrosive und tribologische Einwirkungen hinzukommen, werden die Werkstoffe im Motor komplex beansprucht und hoch ausgenutzt. Die Werkstoffauswahl muß diesen Bedingungen Rechnung tragen. Sie hat sich primär an den Zielsetzungen zu orientieren. Der erreichte Stand [9-1], [9-2] wird am besten dadurch charakterisiert, daß ausgehend von Leitungsgewichten von 25 bis 50 kg/kW zu Anfang des Jahrhunderts heute teilweise nur noch ein Zehntel dieses Materialeinsatzes benötigt wird. Dabei werden trotz höherer Beanspruchungen wesentlich größere Anforderungen an Gebrauchsdauer und Zuverlässigkeit erfüllt.

Der Dieselmotor stellt nicht nur an die Belastungsfähigkeit aller Bauteile höchste Ansprüche, sondern auch an den Schmierstoff, also an das Motorenöl, das deswegen ein technisch komplexer Betriebsstoff ist [10–1] bis [10–3]. Kann daher im Pkw-Bereich vielleicht noch das gleiche Motorenöl für Diesel- und Ottomotoren verwendet werden, so wurden für moderne Hochleistungsmotoren, insbesondere für Nutzfahrzeug-Dieselmotoren mit sehr langen Wechselabständen, aber auch für mit Schweröl betriebene Großdieselmotoren gesonderte Motorenöle entwickelt, die sich von Ottomotorenölen erheblich unterscheiden.

Luftfilter haben die Aufgabe, den in der Ansaugluft enthaltenen Staub vom Eintritt in den Motor fernzuhalten. Sie verhindern dadurch vorzeitigen Motoren-verschleiß. Über das Luftfilter wird außerdem das Ansauggeräusch des Motors gedämpft.

Der Dieselmotor erzeugt, wie alle Wärmekraftmaschinen, bei dem Prozeß der Umwandlung von Primärenergie in mechanische Leistung mehrere Arten von Abwärmen, nämlich

In dem Bemühen, die Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und Umweltverträglichkeit zu optimieren, spielen Diagnose und Wartung eine wichtige Rolle. Sie können unter dem Oberbegriff „Instandhaltung“ zusammengefaßt werden, wobei man die drei Maßnahmen Inspektion, Wartung und Instandsetzung unterscheidet. Dabei beinhaltet die Inspektion die Diagnose, die vielfach mit der unmittelbar folgenden Wartung bzw. Instandsetzung einhergeht.

Emissionen z. B. von Staub, Schwefeldioxid, Spurenstoffen, Fotooxidantien der unterschiedlichsten, natürlichen und anthropogenen Quellen werden durch atmosphärischen Transport über große Entfernungen verteilt. Dabei ereignen sich komplexe Abfolgen physikalischer und chemischer Prozesse, in deren Folge orts- und zeitspezifische Immissionen entstehen, Bild 16-1.

Wie viele andere Maschinen erzeugen auch Dieselmotoren Schwankungen des Luftdruckes, die sich als Longitudinal-Schwingungen in der Luft ausbreiten. Innerhalb eines Frequenzbereiches von ca. 16 Hz bis 16 kHz können diese Druckschwankungen vom menschlichen Ohr als Luftschall wahrgenommen werden. Dabei werden „tief-“ bzw. „hoch-“frequente Luftschallanteile aus dem genannten Frequenzbereich weit weniger laut empfunden als Luftschall im Frequenzbereich 0,5 kHz bis 5 kHz. Dieser frequenzabhängigen Empfindlichkeit des menschlichen Ohres kann durch ebenfalls frequenzabhängige Bewertungskurven Rechnung getragen werden (z. B. „A-Bewertung“).

Nach seiner ersten betriebsfähigen Ausführung im Jahr 1897 wurde der Dieselmotor relativ spät als Pkw-Antrieb eingesetzt. Erst mit der Serieneinführung der ersten dieselmotorisch angetriebenen Personenkraftwagen im Jahr 1936 gelang dem Dieselmotor der Durchbruch als alternatives Antriebskonzept zum Ottomotor [18-1].

Der Einzylinder-Industrie-Dieselmotor hat eine traditionsreiche Geschichte, die vom ersten, betriebsfähigen Dieselmotor bis zu dem heutigen, luftgekühlten, vielfältig einsetzbaren Einzylinder-Kleindieselmotor reicht. Wegen geringerer leistungsspezifischer Herstellkosten, günstigerer Schmierbedingungen und besserer Abgasqualität wird er nur noch als Viertaktmotor ausgeführt. Ungeachtet des erreichten hohen Entwicklungsstandes werden auch weiterhin Verbesserungspotentiale erforscht, die vor allem in der Nutzung neuer, hochwertiger Materialien gesehen werden.

Neben Fragen der beanspruchungs-, werkstoff- und kostengerechten Motorkonstruktion konzentrieren sich die Entwicklungsarbeiten an heutigen Diesel- und Ottomotoren noch immer auf die gleichen Details, mit denen beide Erfinder bereits vor über 100 Jahren ihre Probleme hatten, nämlich:

die Zündung und Verbrennung des vorverdichteten Ladungsgemisches im Motor bei maximaler Energieausbeute und — entsprechend der ökologischen Forderung unserer Tage — minimaler Umweltbelastung.