Grundlagen Verbrennungsmotoren

Aktuelle Ottomotoren sowohl mit Saugrohr‐ als auch mit Direkteinspritzung sind in der Lage, die schärfsten internationalen Emissionsvorschriften zu erfüllen. Vor dem Hintergrund aktueller Kraftstoffverbrauch‐ bzw. Kohlendioxid(CO₂)‐Anforderungen gilt es, bei Erhaltung des hohen Emissionspotenzials des Ottomotors seine Wirkungsgradpotenziale auszubauen.Die wesentlichen gesetzgeberischen Vorgaben hinsichtlich des Emissionsverhaltens von PKW‐Ottomotoren stellen die Normen aus der Europäischen Union (EU), den USA (US) und der Volksrepublik China (PRC) dar. Sämtliche Gesetzgeber entwickeln ihre Vorgaben ständig weiter, verschärfen i. d. R. die Grenzwerte für bereits limitierte Abgaskomponenten und führen erstmalig Grenzwerte für bisher nicht limitierte Komponenten ein. Somit können Angaben zu jeweiligen Grenzwerten nur im Rahmen ihrer zeitlichen Gültigkeit und im Zusammenhang mit der dafür zugeordneten Testprozedur (Fahrzyklus, Konditionierungsregularien, Fahrzeugklassen etc.) betrachtet werden. Die folgenden Darstellungen (Abb. 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4) dienen somit vorrangig dem Hinweis auf die Größenordnungen von Emissionsgrenzwerten und dem Spektrum der gesetzesrelevanten Emissionen.

Der Schadstoffausstoß von Dieselmotoren ist gesetzlich reglementiert. Der Grundstein der Abgasgesetzgebung wurde bereits in den 1960er‐Jahren in Kalifornien in den USA gelegt. Die meisten der weltweit gültigen Vorschriften orientieren sich an den sich parallel entwickelnden Gesetzgebungen in den USA, Europa und Japan. Verantwortlich für die Abgasemissionsgesetzgebungen sind die Environmental Protection Agency (EPA) und die California Air Resources Board (CARB) für die USA, die Europäische Kommission für die EU und das Ministry of the Environment (MOE) für Japan.Die Prüfung auf Einhaltung der jeweils geltenden Grenzwerte erfolgt bei PKW und leichten Nutzfahrzeugen (NFZ) im Prüflabor auf einem Fahrzeugrollenprüfstand mit standardisierten Fahrzyklen und festgelegten Umgebungsrandbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchte. Eine Übersicht der wichtigsten Prüfzyklen für die Typzulassung in den jeweiligen Regionen ist in Abb. 3.1 dargestellt.Die Testverfahren, Abläufe und Bewertungen unterscheiden sich entsprechend der jeweiligen Gesetzgebung. Um einen Fahrzeugtyp zuzulassen, ist eine Typprüfung verbunden mit einem Typzulassungsverfahren durchzuführen. Im Rahmen einer Qualitätskontrolle des Herstellers erfolgt die Überprüfung der Einhaltung der Abgasgrenzwerte während der laufenden Produktion. Zusätzlich erfolgt eine Feldüberwachung durch den Gesetzgeber.

Durch die erforderliche Schonung fossiler Energieträger und der sich laufend verschärfenden CO₂‐Gesetzgebung ergibt sich als Hauptaufgabe für die Automobilindustrie, kraftstoffverbrauchssenkende Maßnahmen umzusetzen. Gleichzeitig haben alternative Antriebsformen, wie z. B. die Elektromobilität, zu einer beschleunigten Entwicklung auch bei den konventionellen Antrieben im Fahrzeug geführt. Generell ist zu beobachten, dass bemerkenswerte Verbrauchseinsparungen beim Verbrennungsmotor v. a. auch durch Downsizing‐Konzepte in den Fahrzeugen erzielt werden. Das Downsizing als Maßnahme zur CO₂‐Reduzierung bei Diesel‐ und Ottomotoren steht hierbei allerdings im Spannungsfeld mit der zukünftigen RDE‐Gesetzgebung.Unter dem Begriff Downsizing wird allgemein die Verkleinerung des Hubraums von Verbrennungsmotoren verstanden (Golloch 2005). Allein für sich betrachtet würde die Verkleinerung des Hubraums jedoch zu einem Absinken des maximalen Drehmoments und der maximalen Leistung führen. Da der Kunde in den verschiedenen Fahrzeugklassen Einbußen bei den Fahrleistungen nicht akzeptieren würde, ist beim Downsizing der Erhalt der Fahrdynamik gegenüber einem hubraumstärkeren Motor unbedingte Voraussetzung. Dies führt zu spezifisch höher belasteten Aggregaten. Hauptaugenmerk liegt dabei auch auf dem transienten Drehmomentaufbau in dynamischen Fahrsituationen.

Als 1923 die ersten Verbrennungsmotoren nach dem Dieselbrennverfahren als Antriebe für NFZ eingesetzt wurden, sank der Fahrverbrauch gegenüber den bis dahin eingesetzten Ottomotoren um 25 % (Wikipedia 2013). Damit war der Weg der NFZ‐Antriebe vorgezeichnet. Der Anteil der Dieselmotoren in NFZ wuchs stetig und hat heute praktisch 100 % erreicht. Der Dieselmotor ist somit der überragende NFZ‐Antrieb.Aufgrund der vielfältigen Einsatzbedingungen von NFZ‐Dieselmotoren ist eine präzise Zuordnung oder Einteilung schwierig. Weitestgehend durchgesetzt hat sich eine Einteilung in zwei Gruppen, die aus dem US‐amerikanischen Sprachgebrauch entnommen ist. Die Bezeichnungen lauten Medium‐Duty‐ und Heavy‐Duty‐Motoren. Diese Motoren werden hauptsächlich in mittelschweren und schweren NFZ eingesetzt. Im Gegensatz dazu werden in den leichten NFZ Dieselmotoren eingesetzt, die meist von PKW‐Motoren abgeleitet sind. Diese werden dann als Light‐Duty‐Motoren bezeichnet.

Seit dem Beginn der Entwicklung werden Motoren unterschiedlichster Größe und Ausführung eingesetzt. In diesem Abschnitt wird erläutert, was sich hinter dem Begriff Großdieselmotoren verbirgt. Die Tab. 6.1 zeigt dafür entsprechende Kennwerte. Wie aus der linken Spalte zu sehen ist, werden hiermit überwiegend Motoren mit Zylinderhubvolumina von mehr als 2,5 l charakterisiert. Die Werte für Bohrung und Hub sind üblicherweise größer als bei Dieselmotoren z. B. für LKW.In der rechten Spalte sind maximale Werte für diese Motoren angegeben, wie sie heute im Feld ausgeführt sind. Technisch ist es denkbar, dass die hier aufgeführten Werte zukünftig noch weiter nach oben getrieben werden. Ob dies, insbesondere bei der erzielten Maximalleistung, wirtschaftlich vertretbar ist, kann aktuell nicht abgesehen werden.Im Folgenden werden Dieselmotoren betrachtet, die sich in den hier definierten Grenzen befinden.Nach dieser Definition waren die ersten produzierten Dieselmotoren ausschließlich Großmotoren. Erst der Einsatz in LKW in den 1920er‐Jahren und in PKW in den 1930er‐Jahren führte zu den heute weit verbreiteten kleinen Dieselmotoren.Die Geschichte der Großmotoren ist ausgesprochen vielfältig. Viele Basismotortechnologien, die heute umfassend eingesetzt werden, wurden im Rahmen der Großmotorenentwicklung beim Streben nach höherer Leistungsdichte und besserem Wirkungsgrad bereits sehr frühzeitig erfunden und wurden im Lauf der Zeit weiter optimiert. Heute findet häufig ein Techniktransfer in umgekehrter Richtung statt, insbesondere beim Einsatz der Elektronik und Regelung.

Schnelllaufende Dieselmotoren sind üblicherweise durch eine hohe Leistungsdichte, d. h. hohe Antriebsleistung bei geringem Bauvolumen und geringem Gewicht charakterisiert. Dieses Kapitel beschäftigt sich ausschließlich mit schnelllaufenden Off‐Highway‐Motoren, d. h. mit Motoren, die abseits der Straßen betrieben werden. PKW‐ und LKW‐Dieselmotoren sind auch schnelllaufende Motoren, sind aber nicht Gegenstand dieses Kapitels. Es wird auf Abschn. 3.3 und 3.5 verwiesen.Im Allgemeinen werden die schnelllaufenden Dieselmotoren zu den mittelschnelllaufenden Dieselmotoren (s. Abschn. 3.8.8) dahingehend abgegrenzt, dass die obere Drehzahlgrenze des Auslegungspunkts des mittelschnelllaufenden Dieselmotors und damit die untere Grenze des schnelllaufenden Dieselmotors bei 1000 min−1 liegen. Der Übergangsbereich beider Motorentypen liegt zwischen 900 und 1200 min−1, sodass man erst bei Motoren oberhalb von 1200 min−1 von schnelllaufenden Motoren sprechen sollte. Die obere Grenze liegt, mit Ausnahme von Extremanwendungen, bei 2500 min−1. Ein weitere wichtige Eigenschaft zur Charakterisierung des schnelllaufenden Dieselmotors ist die mittlere Kolbengeschwindigkeit (s. Kap. 9). Im Auslegungspunkt liegt dieser Wert im Bereich zwischen 12 und 14 m/s. Mit einem üblichen Hub‐Bohrungs‐Verhältnis von 1,2 können zunächst der maximale Hub und dann die maximale Bohrung berechnet werden:

Mittelschnelllaufende Viertaktdieselmotoren sind zwischen den langsamlaufenden Zweitaktmotoren und den schnelllaufenden Viertaktdieselmotoren angeordnet. Ausschlaggebend für die Klassifizierung ist die Nenndrehzahl, die bei Mittelschnellläufern im Bereich von etwa 300 bis 1200 min−1 liegen kann. Üblich sind heute Nenndrehzahlen von 500 bis 1000 min−1. Wie auch Langsamläufer, aber im Gegensatz zu Schnellläufern, sind die mittelschnelllaufenden Dieselmotoren dadurch gekennzeichnet, dass sie außer mit herkömmlichem (Destillat‑)Dieselkraftstoff auch mit Rückstandsölen, dem sog. Schweröl, betrieben werden können. Die heute üblichen mittleren Kolbengeschwindigkeiten liegen zwischen 10 und gut 11 m/s, sodass bei den oben genannten Nenndrehzahlen Kolbenhübe zwischen etwa 240 und maximal 900 mm resultieren können. Nahezu alle aktuellen Motoren sind langhubig ausgelegt, sodass die entsprechenden Zylinderbohrungen im Bereich von etwa 160 bis 640 mm liegen. Die Leistungen reichen damit theoretisch von etwa 100 bis 2000 kW pro Zylinder, wobei das oberste Leistungssegment heute weitgehend vom langsamlaufenden Zweitaktmotor besetzt ist. Die Tab. 8.1 fasst exemplarisch die Kenndaten einiger ausgewählter Mittelschnellläufer zusammen.

Mit den in Abschn. 20.4.2 abgeleiteten Kenngrößen können bei Festlegung weniger Kennwerte die Hauptabmessungen eines Motors abgeschätzt werden. Aus (20.49) folgt für Viertaktmotoren, dass die auf das Hubvolumen bezogene Zylinderleistung proportional zum Mitteldruck und zur Drehzahl ist:$$ P_{\text{e}} \propto n p_{\mathrm{m,e}}V_{\text{H}}. $$Pe∝npm,eVH.Mit (20.58) folgt aus (20.49) für die Zylinderleistung$$ P_{\mathrm{e,z}} \propto {{D}^{2}} \cdot p_{\mathrm{m,e}} \cdot c_{\text{m}} $$Pe,z∝D2⋅pm,e⋅cmund für die auf die Kolbenfläche bezogene Zylinderleistung$$ P_{\mathrm{z,A}}\propto p_{\mathrm{m, e}} \cdot c_{\text{m}}. $$Pz,A∝pm,e⋅cm.Aus dem Hubvolumen erhält man mit dem Hub‐Bohrungs‐Verhältnis für die Bohrung$$ D = \sqrt[3]{\frac{\uppi}{4}\frac{V_{\text{H}}}{\left( \frac{s}{D} \right)}}. $$D=π4VHsD3.Die mittlere Kolbengeschwindigkeit wird im Wesentlichen durch die Tribologie des Systems Kolben‐Kolbenringpaket‐Laufbuchse festgelegt, der effektive Mitteldruck durch das Einspritz‐ und Aufladesystem. Mit der geforderten Leistung pro Zylinder liegt damit praktisch der Kolbendurchmesser fest.Bei der Festlegung eines geeigneten Motorkonzepts wird zunächst immer von einfachen Abschätzungen ausgegangen. Diese werden untermauert durch die Betrachtung von ausgeführten Konstruktionen. Im Entwurfsstadium kommen dann umfangreiche Berechnungen zur Voroptimierung der Motorkonstruktion hinzu. Dies ist notwendig, um die Konstruktion mit den Forderungen des Lastenhefts in Übereinstimmung zu bringen (Köhler und Flierl 2009).

Der Aufbau von langsamlaufenden Zweitaktkreuzkopfmotoren unterscheidet sich deutlich von den ansonsten nahezu ausschließlich eingesetzten Tauchkolbenmotoren, wie prinzipiell in vorangegangenen Kapiteln beschrieben wurde. Der Ursprung dieser Unterschiede liegt in der speziellen Anwendung des Langsamläufers als Hauptantriebsmaschine von großen Schiffen. Langsamläufer werden zwar neben ihrem Einsatz als Schiffshauptantrieb auch als Stationärmotoren zur Stromerzeugung betrieben und hier oftmals als Grundlastwerk; dies ist jedoch eine Nischenanwendung, da die Motoren spezifisch teuer sind und die Generatoren wegen der für die niedrige Drehzahl notwendigen hohen Polanzahl und den geringen Stückzahlen hohe Kosten verursachen.Über 95 % aller Langsamläufer werden für den maritimen Bereich gefertigt und deshalb liegt der Entwicklungsfokus auch auf dieser Anwendung. Die Produktion von Langsamläufern unterscheidet sich deutlich von den kleineren Motoren. Langsamläufer werden fast ausschließlich in Lizenz gefertigt und dies oft in geografischer Nähe zu den Werften. Da der globale Schiffsbau inzwischen in Fernostasien (Korea, Japan, China) konzentriert ist, ist auch der überwiegende Teil der Motorenfertigung dort angesiedelt. Die Entwicklung und Konstruktionsarbeit der Motoren liegt aber weiterhin in Europa – mit MAN Diesel & Turbo und der in der Schweiz ansässigen, aber in chinesischer Hand befindlichen Firma WinGD als marktführende Unternehmen.

Der Gasmotor besitzt eine ebenso lange Historie wie der Verbrennungsmotor selbst, da der von Jean Joseph Étienne Lenoir entwickelte und mit Gas betriebene Motor aus dem Jahr 1860 allgemein als die erste Verbrennungskraftmaschine (VKM) angesehen wird und damit die verbrennungsmotorische Entwicklung einleitete (Zacharias 2001). Gasmotoren erlebten seither eine wechselvolle Geschichte, spielen aber heute aufgrund der begrenzten Erdölressourcen, der Entwicklung der Kraftstoffpreise und der ausgezeichneten Umweltverträglichkeit eine zunehmende Rolle für die stationäre Energieerzeugung sowie den Antrieb von Schiffen und Fahrzeugen. Dies gilt insbesondere für Großgasmotoren, die aufgrund der Entwicklungsfortschritte der letzten Jahre mittlerweile zu den effizientesten Antriebsmaschinen, Strom‐ und Wärmeerzeugern zählen und dadurch ihre Stellung im Segment der Großmotoren wesentlich ausbauen konnten. Die Abb. 11.1 zeigt in diesem Zusammenhang die Entwicklung des Wirkungsgrads und des Mitteldrucks von Großgasmotoren in den letzten zwei Jahrzehnten. Mit modernen Großgasmotoren können mittlerweile Wirkungsgrade von über 50 % und Mitteldrücke bis zu 24 bar dargestellt werden.

Fasst man die vorangegangenen Kapitel aus Technologiesicht zusammen, so haben verbrennungsmotorische Antriebe gerade in den letzten Jahren signifikante Verbesserungen insbesondere in ihrem Verbrauchs‐ und Emissionsverhalten erfahren. Ausschlaggebend dafür sind neben dem besseren Verständnis innermotorischer Vorgänge v. a. die intelligenten Steuer‐ und Regelsysteme, die neue Technologien ermöglichen und weitere Optimierungspotenziale erschließen. Beispielsweise erlauben Technologien wie variables Kompressionsverhältnis, variabler Ventilhub oder auch ND‐EGR eine weitere Absenkung der Rohemissionen bei gleichzeitiger Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs – sofern die Abstimmung gut gemacht ist. Damit verbunden ist die große Herausforderung einer zunehmenden Komplexität in der Entwicklung, die in besonderem Maß für Fahrzeugmotoren gilt, aber letztlich für alle Antriebssysteme einen Schlüsselaspekt darstellt. Dementsprechend kann eine Entwicklung nur dann erfolgreich durchgeführt werden, wenn eine systematische Vorgehensweise die große Zahl der Freiheitsgrade adressiert und einer gezielten Optimierung unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Gesamtsystems zuführt.

In Kap. 12 wurde die Methodik der modellbasierten Optimierung unter Nutzung der empirischen, mathematischen Modelle (gemäß Abb. 12.2) mit ihren Möglichkeiten – hauptsächlich für die stationäre Basisbedatung von Verbrennungsmaschinen – dargestellt.Es gibt darüber hinaus aber eine Vielzahl von weiteren Anforderungen bei der Bedatung moderner Steuergeräte, die sich aus dem Verbund von mehreren mechatronischen Systemen, aus der Realfahrt, aus dem transienten Betrieb und aus veränderten Umweltbedingungen, in denen unsere Fahrzeuge später betrieben werden, ergeben.Dementsprechend wird in diesem Kapitel auf die erweiterten Anwendungen der modellbasierten Optimierung eingegangen, die sich im Verbund mit den Nachbargebieten aus Abb. 12.2 („Semiphysikalische Modelle“ und „Kennfeldstrukturen“) eröffnen.

Eine möglichst kraftsparende Ortsveränderung und der damit verbundene Transport von Gütern und Personen war seit Beginn der Menschheit ein wesentliches Bedürfnis. Sehr früh wurde erkannt, dass dazu Transportmittel und Kraft‐ bzw. Antriebsquellen erforderlich waren. Je nach Transportaufgabe entwickelte sich daraus eine Vielzahl unterschiedlicher Symbiosen von Transportmitteln und Antriebssystemen.Heute ist der Verbrennungsmotor die dominierende Antriebsquelle. Das ist ein Ergebnis des aktuellen Stands der Entwicklung. Das war nicht immer so und muss in Zukunft auch nicht so bleiben. Der Verbrennungsmotor ist technologisch nur eine Möglichkeit von vielen, die wir heute als alternative Antriebe bezeichnen. Ein Motor allein ist auch noch kein Antriebssystem. Wie lange der Verbrennungsmotor eine wesentliche Antriebsquelle sein wird, hängt – neben vielen nicht technischen Randbedingungen – von der technologischen Entwicklung des Motors selbst und der Kombinationsfähigkeit mit anderen Antriebssystemen und Transportmitteln ab. Für einen zukunftsweisenden Weg des Verbrennungsmotors ist es erforderlich, die Eigenschaften alternativer Antriebssysteme zu kennen und zu erkennen, aus welchen Gründen sich bestimmte Technologien durchgesetzt haben und andere nicht, und darauf abgestimmte Motoren zum Einsatz zu bringen.

Die für unsere heutige individuelle Mobilität mit dem Automobil erforderliche Energie ist zu etwa 95 % fossiler Herkunft und dabei überwiegend erdölbasiert. Gleiches gilt für den Gütertransport auf Straße und Wasser sowie für den Betrieb mobiler Arbeitsmaschinen. Aber auch im internationalen Zugverkehr und beim Betrieb stationärer Kraftmaschinen werden fossile flüssige oder gasförmige Kraftstoffe in großem Umfang eingesetzt. Die Reduzierung der CO₂‐Emission bei steigendem Mobilitätsbedarf, die Endlichkeit der fossilen Energieträger und der Wunsch nach größtmöglicher politischer und wirtschaftlicher Unabhängigkeit im Energiesektor beeinflusst mittel‐ und langfristig die Energiewandlungsprozesse zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie. Trotzdem wird der Verbrennungsmotor, abhängig von der Anwendung, noch für lange Zeit der zentrale Energiewandler bleiben.Seit Jahrzehnten wird in Teilbereichen der konventionelle Kraftstoff zunehmend mit biogenen oder nicht erdölbasierten, aber immer noch fossilen Kraftstoffen ergänzt oder gar substituiert (Kap. 21). Eine weitere und gerade in den letzten etwa zehn Jahren intensiv entwickelte Technologie ist die Anwendung der lokal emissionsfreien elektrischen Energie für den Antrieb von Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.

Brennstoffzellen (BZ) werden seit vielen Jahren als vielversprechende Technologie in Hinblick auf ein effizientes und emissionsfreies Transport‐ und Energiesystem diskutiert. In den vergangenen zehn Jahren gab es enorme Entwicklungsfortschritte und alle wesentlichen technologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen wurden gelöst. BZ erreichen heute die geforderten Lebensdauern, sind kompakt und von der Leistungsdichte mit Motoren vergleichbar und bei entsprechenden Stückzahlen auch zu wettbewerbsfähigen Kosten herstellbar. Dies wird auch belegt durch die einsetzende Markteinführung zahlreicher BZ‐Produkte. So sind im Moment drei BZ‐Fahrzeugmodelle kommerziell erhältlich, in Japan sind über 200.000 BZ‐Heizgeräte verkauft und Produkte für stationäre Energieerzeugung gewinnen Marktanteile. Im Folgenden sollen die wichtigsten technischen Aspekte von BZ beleuchtet werden.Die BZ ist ein elektrochemischer Energiewandler. Es wird chemische Energie direkt, ohne Umweg über mechanische Energie, in elektrische Energie umgewandelt. Grundlage für das Funktionsprinzip ist das Zustandekommen eines freien Elektronenflusses durch eine Reduktions‐ und Oxidationsreaktion. Zwischen diesen beiden Reaktionen findet nur ein Ionenaustausch über einen für Elektronen nicht durchgängigen Elektrolyten statt. Damit werden die Elektronen über einen externen Stromleiter gezwungen, wo elektrische Verbraucher angetrieben werden können. Durch die Reduktion von Wasserstoff werden Elektronen abgegeben, die bei der Oxidation mit Sauerstoff wieder aufgenommen werden (Abb. 16.1).

Die verbrennungsmotorischen Antriebe stehen im Augenblick vor der größten Herausforderung ihrer mehr als hundertjährigen Geschichte. Die Entwicklung alternativer Antriebe, insbesondere von batterieelektrischen Antrieben, wird teilweise so euphorisch eingeschätzt, dass sogar über ein generelles Verbot von Verbrennungsmotoren ab 2030 offen diskutiert wird. Doch selbst bei einer realistischen Einschätzung der technischen, wirtschaftlichen und marktpolitischen Realitäten ergeben sich für den Verbrennungsmotor signifikante Herausforderungen (Fraidl et al. 2017):

Der Verbrennungsmotor ist die am weitesten verbreitete Energiewandlungsmaschine. Weit über eine Milliarde Verbrennungsmotoren sind heute als Antrieb für Fahrzeuge (Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge, Zweiräder, Schiffe), zur Energieversorgung (Heizkraftwerke, Notstromaggregate, Generatorantrieb) oder für andere Zwecke wie beispielsweise als handgehaltene Arbeitsgeräte (Motorsägen, Motorsensen, Trennschleifer) im Einsatz. Als Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung ist er zudem die effizienteste Wärmekraftmaschine überhaupt. Bei alleiniger Nutzung der abgegebenen mechanischen Energie werden in Großgasmotoren bereits Antriebswirkungsgrade von etwa 50 % erreicht. Wird die bei der Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzte Wärme zusätzlich zur Beheizung genutzt. Beispielsweise können in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) deutlich höhere Systemwirkungsgrade bis zu 90 % erreicht werden. Vor dem Hintergrund dieses außerordentlichen Erfolgs ist die weitere Entwicklung von Verbrennungsmotoren auch zukünftig von großer Bedeutung. Der Bedarf an mechanischer, elektrischer und insbesondere auch thermischer Energie hat durch die Industrialisierung kontinuierlich zugenommen und wird auch in Zukunft weltweit weiter steigen. Aufgrund seiner hohen Flexibilität und seiner einfachen Bauform wird der Hubkolbenmotor weiterhin eine wichtige Rolle bei der Energieumwandlung spielen und in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Die Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren befindet sich jedoch dabei in einem besonderen Spannungsfeld zwischen tatsächlichem Nutzen, Umweltanforderungen sowie politischer und öffentlicher Diskussion. Höchste Ansprüche werden v. a. bei der Reduzierung des Schadstoffausstoßes und des Kraftstoffverbrauchs bzw. der CO‐Konzentration in der Luft (CO‐Emission) als ein wesentlicher Verursacher des als real existierenden und weltweit diskutierten Klimawandels gestellt. Darüber hinaus ist das bereits seit Anfang der 1970er‐Jahre diskutierte begrenzte Vorkommen fossiler Kraftstoffe, und hier insbesondere die begrenzten Erdölvorkommen, langfristig zu beachten, weshalb auch kraftstoffseitig eine zukünftige Lösung gefunden werden muss.

Wird die Frage nach der zukünftigen Form des Verbrennungsmotors diskutiert, so können zunächst die grundsätzlichen Merkmale der heute verwendeten Formen der Zwei‐ und Viertaktmotoren zur Diskussion gestellt werden. Alternativ zu den fast ausschließlich mit innerer Verbrennung ausgeführten VKM wären Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung zumindest in einzelnen Punkten vorteilhaft, weshalb es – insbesondere bei Sonderanwendungen – nicht an derartigen Konzeptvorschlägen mangelt.

Bei der Energiewandlung kann man im Sinn einer hierarchischen Ordnung zwischen allgemeiner, thermischer und motorischer Energiewandlung unterscheiden.Unter allgemeiner Energiewandlung wird dabei die Umsetzung von Primär‐ in Sekundärenergie durch einen technischen Prozess in einer Energiewandlungsanlage verstanden (Abb. 20.1).Die thermische Energiewandlung unterliegt den Hauptsätzen der Thermodynamik und kann formal, wie in Abb. 20.2 gezeigt, beschrieben werden.Der Verbrennungsmotor bzw. die Gasturbine sind spezielle Energieumwandlungsanlagen, bei denen im Brennraum bzw. in der Brennkammer die im Brennstoff gebundene chemische Energie zunächst in thermische und diese anschließend durch das Triebwerk in mechanische Energie gewandelt wird. Bei der stationären Gasturbinenanlage wird diese dann durch den nachgeschalteten Generator in elektrische Energie umgewandelt (Abb. 20.3).Verbrennungsmotoren sind Kolbenmaschinen, bei denen man je nach Ausbildung des Brennraums bzw. des Kolbens zwischen Hubkolbenmotoren und Rotationskolbenmotoren mit rotierender Kolbenbewegung unterscheidet. Die Abb. 20.4 zeigt Prinzipskizzen möglicher Bauformen des Hubkolbenmotors, wobei heute praktisch nur noch die Varianten 1, 2 und 4 gebaut werden.Für eine ausführliche Beschreibung anderer Ausführungen des Verbrennungsmotors sei z. B. auf Heywood (1989), van Basshuysen und Schäfer (2006, 2012), Maas (1979) und Zima (1987, 2005) verwiesen.

Als konventionelle Brennstoffe können fossile Diesel‐ und Ottobrennstoffe bezeichnet werden, die bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts durch Raffinationsprozesse aus Erdöl hergestellt werden. Da die Erdölgewinnung und ‐verarbeitung zumeist lokal auf den jeweiligen Kontinenten stattfindet, weisen die so gewonnen und raffinierten Brennstoffe z. T. unterschiedliche Zusammensetzungen und Eigenschaften auf.Da die Zusammensetzung der aus Erdöl gewonnenen Brennstoffe je nach Herkunftsland variieren kann, müssen die wichtigsten Parameter eingeschränkt werden, um eine gleichbleibende Qualität und Zusammensetzung zu erwirken und einen sicheren Motorbetrieb zu gewährleisten. Die Grenzwerte für die wichtigsten Stoffeigenschaften sowie Limitierungen von Inhaltsstoffen (z. B. Schwefel und Mangan) von motorischen Brennstoffen werden in nationalen und internationalen Normen festgehalten (DIN, EN, ISO etc.) und stetig überarbeitet und so an wechselnde gesetzliche Randbedingungen angepasst. Die Tab. 21.1 stellt auszugsweise den Inhalt der Normen dar, die im europäischen Raum Anwendung finden.

Eine chemische Reaktion zwischen den Edukten A _a , A _b , usw., die die Produkte A _c , A _d , usw. bildet, kann in der folgenden Form beschrieben werden22.1$$ \nu _{a}A_{a}+\nu _{b}A_{b}+\ldots \nu _{c}A_{c}+\nu _{d}A_{d}+\ldots $$νaAa+νbAb+…νcAc+νdAd+…Dabei bezeichnen die ν _i die sog. stöchiometrischen Koeffizienten der Reaktion. Da jede chemische Reaktion grundsätzlich sowohl vorwärts als auch rückwärts ablaufen kann, kann der Reaktionspfeil in (22.1) durch ein Gleichheitszeichen ersetzt werden. Dadurch erhält man die allgemeine Form der Reaktionsgleichung22.2$$ \sum\limits_{i}{{{\nu }_{i}}{{A}_{i}}=0}, $$∑iνiAi=0,wobei die stöchiometrischen Koeffizienten konventionsgemäß für alle Edukte negativ und für alle Produkte positiv sind.Jede chemische Reaktion strebt immer ihrem Gleichgewichtszustand entgegen, der unter der Voraussetzung erreicht wird, dass ausreichend Zeit zur Verfügung steht. Dieser Gleichgewichtszustand kann als eine Situation interpretiert werden, in der sowohl die Vorwärts‐ als auch die Rückwärtsreaktionen mit identischer Geschwindigkeit ablaufen. Dadurch wird die makroskopisch sichtbare Reaktionsrate Null und die Stoffzusammensetzung ändert sich nicht mehr. Diese Stoffzusammensetzung im Gleichgewichtszustand kann mithilfe der beiden Hauptsätze der Thermodynamik in Abhängigkeit der Randbedingungen Temperatur und Druck bestimmt werden. Dieses Vorgehen wird im Folgenden aufgezeigt.

Die klassischen ottomotorischen Brennverfahren zeichnen sich durch folgende Charakteristika aus: Vormischung von Luft und Kraftstoff zu einem sowohl zünd‑ als auch verbrennungsfähigen Gemisch;i. d. R. deutliche zeitliche Trennung von Gemischbildung und Verbrennung;damit meist vollständige Verdampfung des Kraftstoffs bei Zündung bzw. Verbrennungsbeginn;einphasiger Verbrennungsablauf auf der Basis einer den Brennraum durchquerenden Flammfront;starker Einfluss der Turbulenz innerhalb der Flammfront;deflagrativer Charakter, d. h. hohe Temperatur‐Orts‐Gradienten normal zur Flammfrontrichtung (Nieberding 2001).Somit bestimmt erwartungsgemäß die Spezifikation des Brennverfahrens die Anforderungen an das Gemischbildungssystem bzw. ‑verfahren. Zur wesentlichen Klassifizierung gehören die Unterscheidungen nach dem Homogenisierungsgrad des Gemischs, nach dem globalen Luftverhältnis und nach der Positionierung des Gemischbildungsorgans, d. h. Injektors, relativ zum Brennraum. Die kausale Verknüpfung dieser Begriffe ist in Abb. 23.1 dargestellt. Die Charakterisierung der ottomotorischen Brennverfahren durch vorgemischte Flammen steht im Gegensatz zur dieselmotorischen Verbrennung auf der Basis der Diffusionsverbrennung (Kap. 24). Durch ungünstige Randbedingungen (niedrige Motor‑ oder Ansauglufttemperaturen) oder ungeeignete Parametrierung (Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck) kann es zu anteiliger diffusiver Verbrennung beim Ottomotor kommen. Diese erzeugt erwartungsgemäß eine Zunahme der Brenndauer und eine deutliche Erhöhung der Partikelanzahl‑ und ‑massenemission.

Der konventionelle dieselmotorische Verbrennungsprozess ist durch eine heterogene Gemischbildung und Verbrennung gekennzeichnet. In modernen Dieselmotoren wird der Brennstoff i. d. R. kurz vor dem OT direkt in die hochverdichtete Luft im Brennraum eingespritzt. Der in den Brennraum eintretende flüssige Brennstoff wird in kleine Tropfen zerstäubt, verdunstet und wird mit Luft gemischt, sodass sich ein heterogenes Gemisch aus Brennstoff und Luft ergibt. Die Verbrennung wird durch die hohen Temperaturen und Drücke durch einen Selbstzündungsprozess eingeleitet. Beim konventionellen Dieselbrennverfahren steht üblicherweise nur eine sehr kurze Zeitspanne zur Gemischbildung zur Verfügung. Eine schnelle Einspritzung und gute Zerstäubung des Brennstoffs sind deshalb Voraussetzung für eine schnelle und gute Durchmischung von Brennstoff und Luft.Die Last des Motors wird durch die Menge des eingespritzten Brennstoffs, der Brennbeginn durch den Einspritzbeginn geregelt. Dieselmotoren werden üblicherweise mit einem global mageren Luftverhältnis betrieben, die direkte Einspritzung führt jedoch zu unterschiedlichen Gemischbereichen, die zwischen sehr mageren über stöchiometrischen bis zu sehr fetten Gemischverhältnissen variieren. Diese Gemischschichtung führt unvermeidlich zur Bildung von Schadstoffemissionen, insbesondere von Rußpartikeln und NO_x.

Der Übergang vom Ideal‑ zum Realprozess und die Rolle des Ladungswechsels, der den Austausch der Zylinderladung und die damit verbundenen Vorgänge beschreibt, wurden bereits in Abschn. 20.4 kurz angedeutet. Der Ladungswechsel und seine Steuerung haben einen entscheidenden Einfluss auf das gesamte Betriebsverhalten von Verbrennungsmotoren. Er bestimmt unmittelbar das Volllastverhalten über die erzielbare, im Zylinder verbleibende Ladungsmasse je Arbeitsspiel. Über den Ladungszustand, die Ladungszusammensetzung und deren Strömungszustand beeinflusst der Ladungswechsel die Effizienz und Schadstoffemissionen des Arbeitsprozesses sowie das Laufverhalten in sehr hohem Maß. Darüber hinaus kommt dem Ladungswechsel bei quantitätsgeregelten Motoren, also der Mehrzahl aller Ottomotoren, die Funktion der Lastregelung zu.Eine ganz wesentliche Beeinflussung v. a. hinsichtlich der Füllung kann durch externe Aufladung erfolgen – ein Konzept, das beinahe so alt ist wie der Verbrennungsmotor selbst. Das Thema Aufladung und geeignete Systeme wird in Kap. 20 umfangreich beschrieben, weshalb hier nicht weiter darauf eingegangen wird.

Das vorliegende Kapitel fußt auf den Ausführungen im Robert‐Bosch‐Fachbuch Ottomotor‐Management (Robert Bosch GmbH 2005, S. 86–129). Dabei wurden Auszüge entnommen, Überarbeitungen vorgenommen und aktuelle Beiträge ergänzt. Inhaltlich fokussiert der Beitrag auf die Arbeitsweisen der verschiedenen Einspritzsysteme beim Ottomotor, inklusive einer Erläuterung der wichtigsten beteiligten Komponenten, sowie die dazugehörigen Mechanismen der Gemischbildung. Abschließend werden sowohl für die Saugrohreinspritzung (SRE) als auch für die DI zukünftige Entwicklungstrends vorgestellt.Moderne Ottomotoren benötigen zur Einhaltung strenger Abgas‑ und Verbrauchsvorschriften eine bezüglich Menge und zeitlicher Abfolge präzise Zumessung und Aufbereitung des Kraftstoffs. Die Anforderungen an das Gemischbildungssystem leiten sich aus den hoch dynamischen Vorgängen während der Gemischbildung ab. Die elektronische Kraftstoffeinspritzung mithilfe von Magnet‑ und Piezoventilen hat sich gegenüber dem Vergaser mit Ausnahme des Zweirad‑ bzw. Utility‐Segments als das dominierende System durchgesetzt.

Das vorliegende Kapitel fußt auf den Ausführungen im Handbuch Dieselmotoren der Herausgeber Mollenhauer und Tschöke (2007). Dabei wurden Auszüge entnommen, Überarbeitungen vorgenommen und aktuelle Beiträge ergänzt. Inhaltlich fokussiert der Beitrag auf die Einspritzhydraulik, wobei sich die Autoren auf die Erläuterung der Grundfunktionen, Bauarten und Einsatzgebiete sowie der Funktionsweisen von modernen Dieseleinspritzsystemen beschränken. Besondere Vertiefung erfährt das sog. CR‐System, das sich in den vergangenen 15 Jahren wegen seine Flexibilität bei der Kraftstoffzumessung am Markt weitgehend durchgesetzt hat.

Keine andere Komponente kann während der Geschichte des Dieselmotors so viele unterschiedliche Varianten und Entwicklungsschritte vorweisen wie die Einspritzsysteme. Daher ist es lohnend, in einem Rückblick einen, wenn auch unvollständigen Überblick zu geben.

Die Aufladung von Verbrennungsmotoren wird primär dazu eingesetzt, die Luftmenge zu steigern, die für den Verbrennungsprozess im Motor benötigt wird. Bei bestimmten Vorgaben für das Mengenverhältnis aus Kraftstoff und Luft (Luftverhältnis) kann die Menge an zugeführtem Kraftstoff erhöht werden, sodass damit wiederum die Leistung des Motors gesteigert werden kann. Im Kreisprozess wirkt sich die Aufladung durch eine Arbeitsschleife mit größerer Arbeitsausbeute und höherem Spitzendruck aus. Die Ladungswechselschleife verschiebt sich aufgrund des notwendigen Ladedrucks (Abb. 29.1). Diese Ideen sind so alt wie die Idee des Verbrennungsmotors selbst und wurden von Daimler und Diesel früh untersucht. Der Ansatz der Ausnutzung der Abgasenergie wie beim ATL geht zurück auf ein Patent des Schweizers Alfred Büchi aus dem Jahr 1905. Heute spielen Aufladesysteme nicht nur zur Leistungssteigerung eine Rolle, in der Anwendung als Komponente zur Realisierung des Downsizings wird statt einer Leistungssteigerung eine Verkleinerung der Motorbaugröße (Hubvolumen) bei gleicher Leistung realisiert. Aufgrund der zentralen Bedeutung des Ladungswechsels moderner Motoren werden Aufladesysteme zur Regelung des Luft‑ und Abgaspfads eingesetzt, z. B. zur Unterstützung der AGR und beim Thermomanagement der Abgasnachbehandlung. Bei NFZ‐Motoren unterstützen Turbolader die Funktion der Motorbremse.

Die hohen Anforderungen an Aufladesysteme haben zu einer Vielzahl an Variationen geführt, die zusätzliche Freiheitsgrade durch Kombination von Aufladesystemen erlangen. Im Folgenden wird zunächst auf einzelne Beispiele eingegangen und anschließend ein Ausblick auf weitere Varianten gegeben.

Moderne Kraftfahrzeuge müssen aufgrund von immer strenger werdender Abgasgesetzgebung möglichst effizient betrieben werden. Daher ist es notwendig, alle im Fahrzeug auftretenden Energieströme im Sinne eines umfassenden Energiemanagements zu optimieren. Die Energieströme sind mechanischer, chemischer, elektrischer und thermischer Natur. Diese Aufzählung ist bereits ein Indiz für die weitreichenden Aufgaben, die hier zu bewältigen sind. Fahrzeugthermomanagement versteht sich als eine Kategorie innerhalb des Energiemanagements und befasst sich mit der effizienten Verteilung und Nutzung thermischer Energie. In Abb. 31.1 ist beispielhaft die Verteilung aller Energieströme in einem Hybridfahrzeug dargestellt. Der Begriff Thermomanagement wird in der Motoren‑ und Fahrzeugentwicklung oftmals in unterschiedlichen Zusammenhängen verwendet. Daher soll hier eine begriffliche Abgrenzung vorgenommen, beziehungsweise Entwicklungsbereiche aufgezählt werden, in welchen der Begriff häufig verwendet wird. Im vorliegenden Kapitel wird nach der begrifflichen Abgrenzung auf die in Abschn. 31.1.1 beschriebenen Inhalte vertiefend eingegangen.

Der Verbrennungsmotor bezieht seine Energie aus der Umsetzung der chemischen Energie in Wärme. Diesen Vorgang zu verstehen, so effizient und schadstoffarm wie möglich zu gestalten ist das Ziel der Verbrennungsdiagnostik. Während die Messung des Verbrennungsdrucks (Abb. 32.1 oben) so alt wie der Verbrennungsmotor selbst ist und einen globalen Wert aus dem Brennraum repräsentiert, bestand immer der Wunsch zusätzliche Informationen oder auch räumliche Information von der Verbrennung für eine Optimierung zur Verfügung zu haben. Dafür hat sich die optische Messtechnik (Abb. 32.1 unten) durchgesetzt. Neben dem Einsatz in Forschungslabors oder in der Vorentwicklung kommt diese Technik gerade in den letzten Jahren ob ihrer Robustheit und einfachen Applizierbarkeit auch ergänzend in der Serienentwicklung zum Einsatz. Der Messung von Verbrennungswerten schließt sich zum einen eine Analyse während der Messung und oftmals eine aufwendige und tiefgründige Analyse nach der Messung an (Abb. 32.1 rechts).

Die Analyse des Zylinderdruckverlaufes ist trotz der Weiterentwicklung optischer Messverfahren bei der heutigen Entwicklung von Verbrennungsmotoren nicht wegzudenken. Zum einen ist der Zylinderdruckverlauf die wichtigste Größe zur Erkennung von klopfender Verbrennung online am Prüfstand und zum anderen können aus der thermodynamischen Analyse des Drucksignals wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Verbrennung (Entflammungsdauer, Zündverzug, Heiz‑ und Brennverlauf) sowie der sogenannten Verlustteilung gewonnen werden. Zudem gibt der Druckverlauf Aufschluss über die Einhaltung des vorgegebenen Spitzendruckes, die indizierte Arbeit sowie über das Ladungswechselverhalten des Motors (Füllung) und das Restgas im Brennraum.

Welche Eigenschaften einer Verbrennung erfordern optische Messverfahren, welcher Nutzen wird daraus für den Motorentwicklungsvorgang gewonnen? Mit der Vorgabe dieser Fragestellung ist in den nachfolgenden Tabellen eine Übersicht über verschiedene optische Messtechniken und deren Anwendungsmöglichkeiten angeführt. Von den vielfältigen Methoden, die in der Verbrennungsforschung zur Anwendung kommen, haben jedoch nur wenige das Potenzial, im praktischen Messbetrieb zur Unterstützung der Motorentwicklung zum Einsatz zu kommen. Der nachfolgende Beitrag gibt nach dem tabellarischen Überblick der Methoden eine beispielhafte Darstellung optischer Verfahren, die zur Unterstützung der Brennverfahrensentwicklung in Vor‑ und Serienentwicklung verwendet werden. Auswahlkriterium für eine Methodik sind immer der erzielbare Informationsgehalt für eine aktuelle Fragestellung und der Aufwand, das angestrebte Ergebnis auch erzielen zu können. Daher zeichnen sich erfolgreiche Methoden durch einfache Anwendbarkeit und hohen Informationsgehalt für entwicklungsrelevante Fragestellungen aus.

Bei der vollständigen Verbrennung eines nur aus C‐ und H‐Atomen bestehenden, sogenannten C _x H _y ‐Brennstoffes enthält das Abgas die Komponenten Sauerstoff (O₂), Stickstoff (N₂), Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf (H₂O). Bei der realen Verbrennung treten zusätzlich zu diesen Bestandteilen auch die Produkte der unvollständigen Verbrennung Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie die unerwünschten Nebenprodukte Stickoxide (NO_x) und Partikel auf. Im Gegensatz zu den durch den Gesetzgeber limitierten Abgaskomponenten wird das CO₂ nicht als Schadstoff angesehen, da es keine direkte Gefahr für die Gesundheit des Menschen darstellt und als Endprodukt jeder vollständigen Oxidation eines Kohlenwasserstoffs auftritt. Im Folgenden werden die Entstehungsmechanismen der oben genannten Schadstoffe beschrieben sowie inner‑ und nachmotorische Methoden zur Reduktion dieser Stoffe dargestellt.

In den vorangegangenen Kapiteln wurde neben den Mechanismen zur Schadstoffentstehung auch kurz auf Möglichkeiten zur innermotorischen Reduktion der einzelnen Bestandteile eingegangen. In den folgenden Abschnitten wird die nachmotorische Schadstoffreduzierung anhand der unterschiedlichen zum Einsatz kommenden Katalysatortypen erläutert. Der Einsatz eines Katalysators zur Herabsenkung der Aktivierungstemperatur wird obligatorisch in Anbetracht der vergleichsweise geringen Temperaturen, die sich im Abgasstrom einstellen können. Je nach Brennverfahren und Lastzustand stellen sich Temperaturen von 300–900 °C beim Ottomotor bzw. 150–600 °C beim Dieselmotor ein. Zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen bzw. CO werden jedoch Temperaturen im Bereich von 600–700 °C benötigt. Die Reduktion von NO durch CO und H₂ erfolgt hingegen im Temperaturbereich zwischen 350 und 600 °C. Die Grundtypen von Katalysatoren, welche in unterschiedlichen Konfigurationen in Otto‑ und Dieselmotoren zum Einsatz kommen, werden durch Oxidations‑, Reduktions‑ und Speicherkatalysatoren dargestellt. Eine Sonderstellung nimmt dabei der Partikelfilter ein, welcher in seiner Basisfunktionalität ohne eine katalytische Reaktion lediglich eine Filterung der Abgase vornimmt.

Die Bestimmung der Abgaszusammensetzung sowie der Gesamtmassen an emittierten Schadstoffen und Klimagasen wird ein immer wichtigerer und aufwendigerer Teil der Motoren‑ und Fahrzeugentwicklung. Die Motivation, Abgas zu messen, kann man in drei Hauptbereiche unterteilen: 1.Gesetzliche Vorgaben erfüllen: Da die Gesamtzahl des weltweiten Fahrzeugbestandes und andere Anwendungen von Verbrennungsmotoren seit Jahrzehnten stetig steigen – es ist auch nicht zu erwarten, dass sich das in den nächsten Jahrzehnten ändern wird –, gibt es gesetzliche Vorgaben über die maximal erlaubten Emissionen. Fahrzeuge und Motoren dürfen nur verkauft werden (Typfreigabe), wenn nachgewiesen ist, dass sie diese Vorgaben erfüllen. Dazu werden in definierten Prüfzyklen die gesamt emittierten Massen der einzelnen Schadstoffkomponenten bestimmt und entweder auf die Fahrstrecke (g/km) oder die geleistete Arbeit (g/kWh) bezogen.2.Motorenentwicklung: Die Zusammensetzung der Abgase gibt einen Einblick in die Betriebszustände des Motors (Gemischbildung, Verbrennung, Luft‐Kraftstoff‐Verhältnis usw.) sowie über die Funktion eines Abgasnachbehandlungssystems. Dafür werden vor allem die emittierten Abgaskonzentrationen gemessen und zusammen mit den gemessenen Einsaugluft‑ und Kraftstoffmassen bewertet (Mengenbilanzen).

In den frühen 1970er‐Jahren wurden die ersten nachhaltigen Abgasgrenzwerte, Labortestverfahren und Labormesstechniken definiert. Über Jahrzehnte hinweg wurden kontinuierlich die Grenzwerte gesenkt als auch die Testprozeduren und Messtechniken verfeinert. Dies hat zu einer nachhaltigen Weiterentwicklung der Fahrzeugtechnologie und zu einer substanziellen Reduktion der Emissionen geführt. Dabei wurden die Emissionen sowohl im Abgaslabor wie auch dazu „proportional“ auf der Straße gesenkt. Es war nicht relevant, ob die Emissionen im Labor absolut gleich zu jenen auf der Straße waren, sondern dass, wenn die Grenzwerte im Labor gesenkt wurden, auch die Emissionen auf der Straße proportional dazu weniger wurden. Das hat nachweislich bis in die früher 2000er‐Jahre funktioniert. Danach ging diese „Proportionalität“ zwischen Labor und Straße verloren. Das hat viele Gründe, wie die steigenden Herausforderungen durch sehr niedere Grenzwerte, Kostendruck und gestiegenen Entwicklungsaufwände. Ermöglicht wurde es durch die hohe Flexibilität moderner Motorsteuergeräte, die es zulassen, einsatzbezogen zu optimieren, wie z. B. auf niedere Emissionen in den standardisierten und damit bekannten Abgastests und auf geringen Kraftstoffverbrauch und Fahrfreude auf der Straße.

Zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses von Verbrennungsmotoren steht eine Reihe von Berechnungsmöglichkeiten zur Verfügung. Grundsätzlich wird unter dem Begriff Analyse die Beschreibung eines existierenden Systems bezeichnet. Dabei wird durch Beobachtung des Systems auf die Gesetzmäßigkeiten seiner Abläufe geschlossen und diese werden dann unter Einbeziehung der jeweils wesentlichen Parameter in mathematische Rechenmodelle überführt. Sobald die Ergebnisse der Rechenmodelle ausreichend mittels Experimente abgesichert sind, können diese auch zur Simulation herangezogen werden. Unter Simulation wird in diesem Fall die Vorhersage des Verhaltens ähnlicher Systeme verstanden.

Sowohl bei der Analyse als auch bei der Simulation von Verbrennungsmotoren müssen Annahmen über den Wärmeübergang getroffen werden (vgl. dazu auch Gleichung (39.3)). Da die Verhältnisse im Brennraum sehr komplex sind, gestaltet sich die Entwicklung geeigneter Modelle zur Beschreibung des Wärmeüberganges sehr schwierig. Seit vielen Jahrzehnten wird an Berechnungsmodellen gearbeitet, wobei die Palette von phänomenologischen Modellen mit dimensionsbehafteten, rein experimentellen Ansätzen über dimensionslose Ansätze basierend auf Ähnlichkeitsüberlegungen bis hin zu physikalischen Modellen reicht (Wimmer 2000 und Pischinger et al. 2009).

Die Berechnung des Ladungswechsels ist für thermodynamische Betrachtungen des Arbeitsprozesses von besonderer Bedeutung, da damit wichtige Eingangsgrößen für die Analyse des Zylinderdruckverlaufs (Brennverlaufsauswertung, Verlustteilung …), wie Restgasgehalt und Ladungsmasse bei Einlassschluss, die entscheidend für die Hochdruckrechnung sind, ermittelt werden können. Grundsätzlich können für die Berechnung des Ladungswechsels folgende nulldimensionale Methoden eingesetzt werden:

Die Herausforderung für den Motorenentwickler, Emissionen und Kraftstoffverbrauch sowohl in den transienten Testzyklen als auch im realen Einsatz des Fahrzeugs immer weiter zu reduzieren, führt zur Notwendigkeit, das Motorverhalten auch im transienten Betrieb simulieren zu können. Als Plattform dienen dazu die heute verfügbaren eindimensionalen Simulationswerkzeuge wie GT‐Power oder AVL BOOST.Der Ausgangspunkt für die Entwicklung des Simulationsmodells für Transientbetrieb ist ein stationäres Modell für den Motor selbst. Dazu kommen eindimensionale Modelle für die Ansaugstrecke und die Abgasstrecke einschließlich des Abgasrückführsystems. Speziell für den aufgeladenen Motor ist eine detaillierte Turboladermodellierung erforderlich, für die transiente Modellierung ist dann auch die Angabe des Massenträgheitsmoments des Turboladerlaufzeugs erforderlich (Six 2011).Die Beschreibung des transienten Motorbetriebs ist naturgemäß komplexer als für den stationären Betrieb erforderlich. Zum Beschleunigen eines Fahrzeugs muss das Motordrehmoment durch Anheben der eingebrachten Kraftstoffmenge erhöht werden. Das minimal zulässige Luftverhältnis λ_min (Ottomotor: λ_min < 1, Dieselmotor: λ_min > 1) darf dabei nicht unterschritten werden.

Für die Berechnung von motorischen Verbrennungsvorgängen kommen heute verschiedene Modellkategorien zum Einsatz, die sich z. T. sehr stark in ihrem Detaillierungsgrad, aber auch in ihren Rechenzeiterfordernissen unterscheiden (s. Stiesch 2003). Als phänomenologische Modelle werden dabei üblicherweise die Berechnungsmodelle bezeichnet, die die Verbrennung und Schadstoffbildung in Abhängigkeit übergeordneter physikalischer und chemischer Phänomene wie Strahlausbreitung, Gemischbildung, Zündung, Reaktionskinetik usw. vorausberechnen. Weil hierfür eine räumliche Aufteilung des Brennraums in Zonen verschiedener Temperatur und Zusammensetzung erforderlich ist, werden die Modelle auch als quasidimensionale Modelle bezeichnet. Die phänomenologischen (bzw. quasidimensionalen) Modelle grenzen sich auf der einen Seite von den nulldimensionalen (oder thermodynamischen) Modellen ab, die den Brennraum zu jedem Zeitpunkt vereinfachend als ideal durchmischt annehmen und die auf empirischen Ansätzen für die Brennrate beruhen. Auf der anderen Seite unterscheiden sich die phänomenologischen Verbrennungsmodelle von den CFD‐Codes (CFD = Computational Fluid Dynamics, vgl. Teil IX, Kap. 47–54), indem auf eine explizite Lösung des turbulenten dreidimensionalen Strömungsfeldes bewusst verzichtet wird (siehe Abb. 43.1). Dadurch kann die Rechenzeit erheblich reduziert werden. Für die Berechnung eines Motorarbeitsspieles liegt sie bei phänomenologischen Modellen im Bereich von Sekunden, bei CFD‐Codes dagegen im Bereich von Stunden (siehe Abb. 43.2). Phänomenologische Modelle werden deshalb insbesondere in Arbeitsprozessberechnungen zur Auslegung des Gesamtmotors eingesetzt, CFD‐Berechnungen dagegen für die Berechnung spezieller Fragestellungen, wie beispielsweise die Auslegung der Einlasskanal‐ und Arbeitsraumgeometrie oder der detaillierten Schadstoffbildung.

In diesem Kapitel werden sog. phänomenologische Verbrennungsmodelle beschrieben, die sich für die Simulation der dieselmotorischen, diffusionsgesteuerten Verbrennung mit Selbstzündung etabliert haben. Die phänomenologischen Modellansätze verfolgen dabei das Ziel, einerseits die charakteristischen physikalischen und chemischen Abläufe zu beschreiben, andererseits aber zugunsten einer kurzen Rechenzeit bewusst auf eine Lösung des dreidimensionalen turbulenten Strömungsfeldes zu verzichten (Stiesch 2003). Weitere Informationen zur Klassifizierung dieser Verbrennungsmodelle sind in Kap. 43, Abb. 43.1 und 43.2 dargestellt.

Null‐ und eindimensionale Simulationsmodelle sind insbesondere für die Prognose der Eigenschaften eines Motors schon während der Auslegungsphase geeignet. Bei Ottogasmotoren besteht die Herausforderung, dass eine Vielzahl von Brennverfahren und Kraftstoffen abzubilden sind. Um die Entwicklung von immer neuen Simulationsmodellen für diese Spezialfälle vermeiden zu können, ist es nützlich, eine möglichst allgemeingültige Modellierung zur Verfügung zu haben. Ein hohes Maß an Allgemeingültigkeit kann von Modellen erwartet werden, die weitgehend auf physikalischen Gesetzen beruhen und nur ein geringes Maß an Phänomenologie enthalten. Zu diesem Zweck wurde am LEC eine konsistente Simulationsmethodik entwickelt, die diesen Bedingungen genügt (vgl. Chmela et al. 2006, 2008). Eine Übersicht über die am LEC zur Modellierung der Vorgänge im Gasmotor verfügbaren Simulationsmodelle findet sich in Abb. 45.1.

Die Herabsetzung von gesetzlich erlaubten Emissionen ist ein seit vielen Jahren weltweit stattfindender kontinuierlicher Prozess. Emissionsvorschriften sind dabei stark diversifiziert und berücksichtigen Unterschiede in Motortyp, Fahrzeug/Motorkategorie, Motorleistung und Land/Region, in denen sie zur Anwendung kommen. Beim Motortyp wird zwischen Diesel und ottomotorischer Verbrennung unterschieden, wobei auch bei neuen direkt einspritzenden Ottomotoren ähnliche Emissionsvorschriften wie bei Dieselmotoren gelten. Bei Fahrzeug/Motorkategorie gibt es unterschiedliche Emissionsvorschriften für PKW und leichte Nutzfahrzeuge, mittlere und schwere Nutzfahrzeuge (Lkw, Bus), Offroadanwendungen (Traktoren, Baumaschinen etc.), stationäre Dieselmotoren (z. B. für Generatoren) sowie Motoren für Lokomotiven und Marineanwendungen. Bei den Offroadanwendungen werden die Emissionsvorschriften auch durch die Motorleistung bestimmt. Die länder‐/regionsspezifischen Normen unterscheiden sich durch die durchzuführenden Testzyklen (z. B. US FTP, Euro NEDC, Japan JC08) und die einzuhaltenden Emissionsstandards. In Europa unterteilt man Emissionsvorschriften für den On‐Road‐Bereich nach Euro 2, 3, 4, 5 und 6 bzw. für den Offroadbereich in Stufe II, IIIA, IIIB und IV. In den USA gelten etwa die US‐2004‐, US‐2007‐ und US‐2010‐Normen für On‐Road und die Tier‐2‐, Tier‐3‐, Tier‐4‐Interim‐ und Tier‐4‐Normen für Offroad. In Ländern wie China und Indien werden lokale Emissionsvorschriften oft in Anlehnung an europäische und US‐amerikanische Standards mit zeitlicher Verzögerung eingeführt. Die derzeit strengsten Normen (Euro 6, Tier 4, Stufe IV) sollen kontinuierlich ab 2013/2014 in Europa und den USA eingeführt werden. Diese Normen legen somit die Richtschnur für alle zukünftigen Motor‐ und Abgasnachbehandlungstechnologien fest.

Eine immer wesentlichere Rolle bei der Simulation motorischer Vorgänge spielt die 3‐D‐strömungsmechanische oder CFD‐Simulation (CFD: Computational Fluid Dynamics), da sie prinzipiell die detaillierteste physikalisch‐chemische Beschreibung der relevanten Prozesse ermöglicht. Sie ist aus der modernen Motorenentwicklung nicht mehr wegzudenken und unter dem Aspekt stetig wachsender Rechnerkapazitäten und ‐leistungen wird ihre Bedeutung auch weiterhin anwachsen. Mit CFD werden heute die verschiedensten Fragestellungen untersucht, vom Gaswechsel bis hin zur Kühlmittelströmung. Im Rahmen des vorliegenden Buches werden wir uns auf die Themenkomplexe Gaswechsel, Gemischbildung, Verbrennung und Aufladung beschränken.CFD steht naturgemäß in Konkurrenz zu den null‐ und eindimensionalen sowie phänomenologischen Modellen, die bisher diskutiert wurden. Aufgrund des sehr viel höheren Aufwandes, der zur erfolgreichen Durchführung und Auswertung einer CFD‐Rechnung erforderlich ist, sollte im Zweifel gelten: Den (relativ) weniger aufwendigen 0‐D‐ und 1‐D‐Berechnungsansätzen gebührt der Vorrang. Erst wenn eine klar definierte, konkrete Fragestellung herausdestilliert ist, bei der man mit gutem Grund (bzw. zumindest mit einiger Hoffnung) davon ausgehen kann, dass sie mit CFD beantwortet werden kann (aber nicht ohne!), ist die Durchführung einer CFD‐Rechnung wirklich sinnvoll. Im geeigneten Fall kann natürlich gerade auch die Kombination von 0/1‐D‐ und 3‐D‐Simulation eine empfehlenswerte Lösung sein.

Im Folgenden seien einige Grundbegriffe der numerischen Strömungsmechanik erläutert, um deren wesentlichste Konzepte, die auch für das praktische Arbeiten von Bedeutung sind, kennenzulernen. Für eine detaillierte Darstellung sei z. B. auf Ferziger und Perić (1996) oder Patankar (1980) verwiesen.

Turbomaschinen werden aufgrund der fehlenden Möglichkeit zu geschlossen analytischen Verfahren auch heute noch in großem Maße basierend auf heuristischen Ansätzen, d. h. basierend auf Erfahrungswerten ausgelegt. Der ursächliche Grund dafür liegt in der Komplexität der Strömung. Insbesondere in den Laufrädern treten diverse Phänomene auf (Abb. 49.1). Durch die prinzipbedingte Funktionsweise, bei der beispielsweise am Verdichter der Druck durch Beschleunigung und Umlenkung in rotierenden Rädern erfolgt, wird die Strömung durch folgende Effekte dominiert bzw. gestört:

Dieses Kapitel ist der Simulation von Einspritzprozessen gewidmet. Von theoretischer Seite betrachtet stellt sich die Thematik viel komplexer dar, als es die Existenz leicht handhabbarer „Strahlmodule“ in allen gängigen CFD‐Codes zunächst vermuten ließe. Wenn man sich aber die meisten der damit erzielten Ergebnisse kritisch betrachtet, wird man sich der ganzen Schwierigkeiten der Thematik schnell bewusst. Nach wie vor gilt, dass sich mit den heute für motorische Applikationen verfügbaren Codes sinnvolle Resultate nur mit großem Aufwand erzeugen lassen.Zunächst soll nachfolgend das Standardstrahlmodell entwickelt werden, die dafür erforderliche Modellierung der Eintropfenprozesse und die stochastische Modellierung eines Partikelensembles in Lagrange’scher Formulierung. Wie schon erwähnt bringt dieser Ansatz viele Probleme und Schwierigkeiten mit sich, die im Detail diskutiert werden sollen. Schließlich sollen Modellierungsansätze in Euler’scher Formulierung vorgestellt werden, die hier Abhilfe schaffen könnten.Einzeltropfenprozesse umfassen die Austauschprozesse von Masse, Impuls und Wärme zwischen einem einzelnen Tropfen und der umgebenden Gasphase. Der Impulsaustausch wird rein kinematisch mittels des Strömungswiderstandes beschrieben, während Massen‐ und Wärmeaustausch mit der Umgebung durch Diffusions‐ und Konvektionsprozesse in der Tropfenumgebung hervorgerufen werden.

Dieses Kapitel ist der Simulation von Einspritzprozessen gewidmet. Von theoretischer Seite betrachtet stellt sich die Thematik viel komplexer dar, als es die Existenz leicht handhabbarer Strahlmodule in allen gängigen CFD‐Codes zunächst vermuten ließe. Wenn man aber die meisten der damit erzielten Ergebnisse kritisch betrachtet, wird man sich der ganzen Schwierigkeiten derThematik schnell bewusst. Nach wie vor gilt, dass sich mit den heute für motorische Applikationen verfügbaren Codes sinnvolle Resultate nur mit großem Aufwand erzeugen lassen. Zunächst soll nachfolgend das Standardstrahlmodell entwickelt werden, d. h. die stochastische Modellierung eines Partikelensembles in Lagrange’scher Formulierung auf Basis der im letzten Kapitel dargestellten Modellierung der Eintropfenprozesse. Wie schon erwähnt, bringt dieser Ansatz viele Probleme und Schwierigkeiten mit sich, die im Detail diskutiert werden sollen.Schließlich sollen Modellierungsansätze in Euler’scher Formulierung vorgestellt werden, die hier Abhilfe schaffen könnten.

Dieses und die folgenden Kapitel sind der strömungsmechanischen Simulation der turbulenten Verbrennung für Diesel‐ wie Ottomotoren gewidmet. Im Kern geht es dabei nur um die turbulente Mittelung des Quellterms der Speziestransportgleichungen (47.18); allerdings ist unmittelbar einsichtig, dass dies ein schwieriges Unterfangen darstellt, da Reaktionskinetik typischerweise exponentiell von der Temperatur abhängt. Der notwendige Modellierungsaufwand dafür ist nicht unerheblich. Mit der reinen Applikation kommerziell standardisierter Modellierungen kommt man (leider) immer noch nicht sehr weit.Es sei darauf hingewiesen, dass wir uns hier ausschließlich mit motorischer Verbrennung beschäftigen, d. h. mit instationären, turbulenten Verbrennungsprozessen in komplexen, bewegten Geometrien, in Folge oder in Begleitung von komplexen Gemischbildungsvorgängen. Von daher wird schnell klar, dass viele Verbrennungsmodellierungen, die für wesentlich einfachere Randbedingungen entwickelt wurden, nicht auf Motoren übertragbar sind. Ein weiteres großes Problem für die nachhaltige Etablierung allgemein bewährter Modellierungsfortschritte stellt auch nach wie vor das Fehlen eines zuverlässigen Strahlmodells dar, da dadurch eine Bewertung der Qualität eines Verbrennungsmodells schwierig wird.

Bereits der Begriff „homogener Benzinmotor“ ist eine Fiktion. Denn in Realität ist ein homogener Benzinmotor keineswegs vollständig homogen; in welchem Grad die Homogenität der Gemisch‐ und Temperaturverteilung erfüllt ist, ist in erster Linie eine Frage der Gemischbildungsqualität. Allerdings sind Fiktionen das Lebenselixier des Berechners, es geht letztlich immer darum, die eine oder andere Näherung durchzuführen, um sich auf das im konkreten Falle Wesentliche zu konzentrieren. Sogenannte TOEs („theory of everything“) oder Globalmodelle sind Unfug. Im vorliegenden Abschnitt werden wir daher die Annahme eines perfekt homogenen Gemischs treffen. Gerade bei einem Direkteinspritzer darf aber die durch die Direkteinspritzung generierte Ladungsbewegung im Brennraum nicht vernachlässigt werden. Es ist im Falle einer frühen (d. h. homogenen) Direkteinspritzung also sinnvoll, die Direkteinspritzung (und damit ihren Einfluss auf Ladungsbewegung und Turbulenz) zunächst zu berechnen, vor Beginn der Verbrennung das Gemisch aber artifiziell zu homogenisieren (d. h. den Gemischwert lokal auf den globalen Wert zu setzen). Ansonsten läuft man unnötigerweise in Gefahr, simulatorische Gemischbildungsartefakte in die Verbrennungsberechnung zu übertragen.

In den letzten Jahren hat sich die strömungsmechanische Simulation zu einem nicht mehr wegzudenkenden Werkzeug für die Optimierung von Brennverfahren entwickelt. Wesentlich ermöglicht wurde dies durch immer schneller werdende Computer und Rechnercluster. Das zeitlich exponentielle Wachstum der Rechenleistung wird durch das sogenannte Moor’sche Gesetz beschrieben, welches postuliert, dass sich die Rechenleistung ungefähr alle zwei Jahre verdoppelt. Über mehrere Jahrzehnte hat es nun seine Gültigkeit bewiesen und nichts deutet darauf hin, dass sich demnächst daran etwas ändert. Zumindest an der Realisierung dieses Zuwachses an Rechenleistung sind aber Änderungen zu beobachten. Der Trend zu immer schnelleren Einzelprozessoren mit höherer Taktung hat sich bereits abgeschwächt. Grund ist der drastisch steigende Energie‐ und damit auch der Kühlungsbedarf der Cluster. Es ist also mit stark zunehmender Prozessoranzahl mit niedrigem Energieverbrauch (ähnlich heutigen Laptopprozessoren) zu rechnen, was aber hohe Anforderungen an die eingesetzten Netzwerke stellt. Damit verschärft sich auch die Notwendigkeit deutlich verbesserter Skalierbarkeit der CFD‐Codes. Ein linearer Geschwindigkeitsvorteil bei ungefähr 10.000 Knoten pro Prozessor wird obligatorisch werden.