Handbuch Verbrennungsmotor

Seit mehr als hundert Jahren werden Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren als Antriebsquelle gebaut. Das Aussehen der Fahrzeuge verdeutlicht auf Anhieb auch dem technischen Laien, welche Fortschritte in diesem Zeitraum gemacht worden sind. Anders verhält es sich mit den Motoren: Der Grundaufbau des Triebwerks ist derselbe geblieben, nur an Dimensionen, Ausführungsart und im Detail ist zu erkennen, dass auch in der Motortechnik eine kontinuierliche Weiterentwicklung stattgefunden hat (Abb. 1.1), die selbst nach über hundert Jahren nicht an Tempo und Innovation verloren hat.

Kolbenmaschinen sind Maschinen, in denen die Energie eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit) auf einen bewegten Verdränger (zum Beispiel einen Kolben) oder von dem Verdränger auf das Fluid übertragen wird [1, 2, 14]. Sie gehören damit zu den Fluidenergiemaschinen, die als Arbeitsmaschinen mechanische Energie aufnehmen, um die Energie des geförderten Fluids zu erhöhen. Dagegen wird bei Kraftmaschinen mechanische Energie als Nutzarbeit am Kolben beziehungsweise am Kurbeltrieb freigesetzt.

Motorkenngrößen dienen dem Entwickler, dem Konstrukteur sowie dem Benutzer von Verbrennungsmotoren als wichtiges Hilfsmittel bei der Auslegung der Grundabmessungen, bei der Leistungs- und Verbrauchsbetrachtung und bei der Beurteilung und dem Vergleich verschiedener Motoren. Man unterscheidet zwischen den konstruktiven Motorkenngrößen wie Hub, Bohrung, Hubvolumen, Verdichtungsverhältnis und den Betriebskenngrößen wie Leistung, Drehmoment, Drehzahl, Mitteldruck, Liefergrad und Kraftstoffverbrauch.

Kennfelder werden zwecks Veranschaulichung der Betriebsstrategie eines Motors sowohl zur Dokumentation der motorischen Betriebsparameter wie Zündzeitpunkt, Einspritzzeitpunkt oder Luftverhältnis verwendet als auch zur Beurteilung der daraus resultierenden gemessenen und errechneten Größen wie Emissionen, Kraftstoffverbrauch oder Temperaturen. Das Motorkennfeld stellt eine hoch verdichtete Informationsquelle dar, aus der eine Beurteilung des vorliegenden Motors abgeleitet werden kann. Es wird herangezogen, um bestimmte Motoreigenschaften in Abhängigkeit vom Betriebspunkt zu dokumentieren. Das Motorkennfeld wird in der zweidimensionalen Darstellung von der Gesamtheit aller möglichen Betriebspunkte aufgespannt, wobei der Betriebspunkt eines Verbrennungsmotors durch seine Drehzahl und sein Drehmoment definiert ist. Im Motorkennfeld wird der Betriebsbereich des Verbrennungsmotors durch die Volllastkurve sowie die minimale und maximale Drehzahl begrenzt (Abb. 4.1). Die vom Motor im jeweiligen Betriebspunkt abgegebene Leistung errechnet sich nach der Beziehung P_e = 2 · π · M · n. Linien konstanter Leistung werden im Motorkennfeld als Leistungshyperbeln bezeichnet.

Verbrennungsmotoren sind Wärmekraftmaschinen, bei denen eine Umwandlung von chemisch gebundener Energie in mechanische Energie erfolgt [1–3]. Das geschieht mittels eines Reaktionsablaufs, dem Verbrennungsvorgang, bei dem Energie freigesetzt wird. Ein Teil dieser im Brennraum des Zylinders freigesetzten Wärme wird mittels des Kurbeltriebs in mechanische Energie umgewandelt, die restliche Energie wird mit dem Abgas abgeführt und über die brennraumbegrenzenden Wände an ein Kühlmittel sowie direkt an die Umgebung abgegeben.

Das Triebwerk – umgangssprachliche Bezeichnung für den Kurbeltrieb – ist diejenige Funktionsgruppe der Hubkolbenmotoren, die eine Wirkungsgrad günstige Umwandlung von oszillierender (hin- und hergehender) in drehende Bewegung und umgekehrt bewirkt. Hinsichtlich Arbeitsausbeute, Wirkungsgrad und technischer Realisierbarkeit wird mit ihm eine optimale Umsetzung thermodynamischer Prozesse ermöglicht, auch wenn dies mit einigen wesentlichen Nachteilen erkauft werden muss.

Die Aufgabe des Kolbens besteht darin, die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstehenden Druckkräfte aufzunehmen, über den Kolbenbolzen und die Pleuelstange auf die Kurbelwelle zu übertragen.

Das Motorkonzept wird von vielen Faktoren beeinflusst, die oft nicht frei wählbar sind, so zum Beispiel Arbeitsverfahren (Zweitakt – Viertakt), Arbeitsprozess (Diesel – Otto), Kühlungsart (Wasser – Luft), Leistungsabstufung, Zahl und Anordnung der Zylinder, Triebwerkskonfiguration, Kurbelgehäusebauart, Steuerungsart, Aufladung unter anderem mehr.Wichtigstes Kriterium für einen Motor ist sein Verwendungszweck, Abb. 8.1. Danach richten sich die Bedingungen, unter denen bestimmte Anforderungen erbracht werden müssen.

Die Nutzleistung an der Abtriebswelle des Verbrennungsmotors (effektive Leistung P_e) ist niedriger als die innere Leistung an den Kolben (indizierte Leistung P_i). Die Differenz wird bezeichnet als die Reibleistung P_r. Die Reibleistung setzt sich aus den Verlusten der einzelnen Motorkomponenten wie Triebwerk (Kurbelwelle, Pleuel, Kolben mit Kolbenringen), Ventiltrieb einschließlich Steuertrieb sowie den erforderlichen Nebenantrieben zusammen. Die Innenleistung berücksichtigt auch die Verluste durch Ladungswechsel. Dabei werden die Betriebszustände und demzufolge die Antriebsleistung der Nebenaggregate in den verschiedenen Normungen unterschiedlich definiert [1]. Die Reibleistung vermindert die an der Abtriebswelle zur Verfügung stehende Motorleistung und beeinflusst dementsprechend auch den Kraftstoffverbrauch des Motors.

Unter dem Begriff Ladungswechsel ist hier der Austausch der Zylinderfüllung zu verstehen. Maßgeblichen Einfluss darauf hat neben den im Zylinderkopf befindlichen Steuerorganen das daran angeschlossene Ansaug- beziehungsweise Abgassystem. Durch sie wird die Qualität der Frischgaszuführung und der Abgasentfernung realisiert.

In den vorausgegangenen Kapiteln wurden die wichtigen Ziele bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, nämlich guter Wirkungsgrad, das heißt niedriger Kraftstoffverbrauch und niedrige Emissionen, ausführlich dargestellt. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Erhöhung der Leistungskonzentration eines Verbrennungsmotors. Es geht also darum, aus einem definierten Bauvolumen oder/und aus einem vorgegebenen Motorgewicht möglichst viel Leistung zu gewinnen. Die Erhöhung der Leistungskonzentration ist unter Umständen zusätzlich mit einer Wirkungsgradverbesserung verbunden.

Die Verbrennung, chemisch betrachtet eine Oxidation der Kraftstoffmoleküle, setzt voraus, dass eine hinreichende Zugänglichkeit des Oxidators Sauerstoff an das Kraftstoffmolekül vorliegt. Daher ist es notwendig, Kraftstoff aufzubereiten, das heißt in eine gasförmige Phase zu überführen und mit Luft zu vermischen. Das geschieht üblicherweise mit Gemischbildungssystemen. Man unterscheidet beim motorischen Betrieb dabei zwischen der inneren und äußeren Gemischbildung.

In fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen (Ottomotoren) wird der Verbrennungsprozess durch eine elektrische Entladung im Brennraum gegen Ende des Verdichtungstraktes ausgelöst. Die dazu notwendigen Komponenten sind dabei eine Zündspule als Hochspannungsquelle und eine Zündkerze als Elektrode im Brennraum. Durch den Funken entsteht zwischen den Zündkerzenelektroden ein Hochtemperaturplasmakanal. In einer dünnen Reaktionsschicht um diesen Kanal findet eine exotherme chemische Reaktion statt. Diese entwickelt sich zu einer selbsterhaltenden und sich ausbreitenden Flammfront [1].

Verbrennungsmotoren basieren auf der Nutzung von chemisch gebundener Energie durch die Verbrennung von Brennstoff und Sauerstoff. Motorische Verbrennungsprozesse können nach verschiedenen Kategorien eingeteilt werden, zum Beispiel nach dem Brennstoff (flüssig, gasförmig, leicht-, schwersiedend, Entflammbarkeit), nach der Art der Gemischbildung (innere und äußere, homogen, heterogen) sowie nach der Art der Zündung (Fremdzündung, Selbstzündung).

Allgemeine Übersicht. Unter Verbrennung werden chemische Reaktionen verstanden, bei denen sich ein Stoff unter Wärmefreisetzung (exotherm) mit molekularem Sauerstoff verbindet (Oxidation). Die Einleitung einer Verbrennung erfolgt durch die Zündung.

Die Umweltanforderungen an Motor- und Getriebesteuerungen werden hauptsächlich durch folgende Parameter bestimmt:Temperatur,Vibration,Schutz gegen Medien (Gase, Flüssigkeiten drucklos, unter Druck, Feststoffe …).

In diesem Kapitel wird auch insbesondere der Integrierte Starter-Generator (ISG) behandelt, weil er zukünftig unter anderem eine wichtige Rolle in der Konzeption des Antriebsstrangs einnimmt.

Die meisten Temperaturmessungen im Kraftfahrzeug nützen die Temperaturabhängigkeit von elektrischen Widerstandsmaterialien mit negativen (NTC) Temperaturkoeffizienten. Aufgrund der starken Nichtlinearität kann ein großer Temperaturbereich abgedeckt werden, Abb. 18.1. Für Anwendungen mit sehr hohen Temperaturen (Abgastemperatur bis 1000 °C) werden Platin-Sensoren eingesetzt. Die Widerstandsänderung wird durch eine Spannungsteilerschaltung, mit optionalem Parallel-Widerstand zur Linearisierung in eine analoge Spannung übertragen.Die Sensoren werden für folgende Temperaturbereiche eingesetzt:In Abb. 18.2 sind verschiedene Ausführungen von Temperatursensoren für Öl-, Wasser- und Lufttemperatur dargestellt.Der Füllstandsensor dient zur Überwachung des Ölniveaus in Verbrennungsmotoren oder Getrieben. Heute werden sowohl kontinuierlich arbeitende Füllstandsensoren, als auch Füllstandschalter eingesetzt, Abb. 18.3.

In der Motormanagement-Aktuatorik finden bevorzugt pneumatische und elektrische Stellantriebe Verwendung. Abb. 19.1 zeigt eine Gegenüberstellung der Vor- und Nachteile der am weitesten verbreiteten Antriebe.

Die steigenden Anforderungen bezüglich Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen, Lebensdauer, Fahrkomfort und Package haben dazu geführt, dass moderne Kühlanlagen von Verbrennungsmotoren im Kraftfahrzeug mit wenigen Ausnahmen die folgenden Merkmale aufweisen:Wasserkühlung der Motoren mit Zwangsumlauf des Kühlmittels durch eine über Riemen angetriebene Kreiselpumpe,Betrieb des Kühlsystems bei bis zu 1,5 bar Überdruck,Einsatz einer Mischung von Wasser und Frostschutzmittel, meist Äthylenglykol mit einem Volumenanteil von 30 bis 50 %,Aluminium in korrosionsbeständigen Legierungen als dominierender Kühlerwerkstoff,Die Kühlmittel weisen zusätzlich Inhibitoren zum Korrosionsschutz von Aluminiumkühlern auf,Kunststoff als dominierender Werkstoff für Wasserkästen, Lüfter und Lüfterzarge,Regelungseingriffe über den Lüfterantrieb und den Kühlmittel-Thermostaten,Einsatz von Ladeluft-, Motoröl-, Getriebeöl-, Hydrauliköl- und Abgaskühlern je nach Motortyp, Motorleistung und Ausrüstungsmerkmalen,Vormontieren aller Kühlungskomponenten des Frontendbereichs in einer funktionalen Einheit, dem sogenannten Kühlmodul.

Seit den Vierzigerjahren des 20. Jahrhunderts gibt es in Kalifornien systematische Bestrebungen, die Auswirkungen auf die Luftqualität durch die Massenmotorisierung zu reduzieren. In Europa erregte der Verkehr in den Sechzigerjahren durch die für den Menschen unmittelbar schädliche Kohlenmonoxidemission Aufmerksamkeit. Daraus ergab sich eine Begrenzung der unverbrannten Abgasbestandteile wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe. Durch die tendenziell weitere Zunahme, der aus Verbrennungsprozessen resultierenden Spurengase und deren Fernverfrachtung entstanden in den 1970er und 80er Jahren, unter anderem aufgrund von saurem Regen sowie Photooxidantien Schäden an Baumbeständen. Da Stickoxide und unverbrannte Kohlenwasserstoffe zur Bildung dieser Stoffe beitragen, ergab sich ein unmittelbarer Handlungsbedarf zur Begrenzung der Emissionen dieser Stoffe. Dem wurde in den Vereinigten Staaten mit der Einführung von Abgasgrenzwerten für den Straßenverkehr, beginnend mit dem Jahr 1961, in Japan beginnend 1966 und in Europa ab 1970, Rechnung getragen.

Der Begriff Betriebsstoffe ist heute in der Automobiltechnik als Dachbegriff für Kraftstoffe, Schmierstoffe, Kühlmittel und Hydraulikflüssigkeiten gebräuchlich. Seine Behandlung beschränkt sich hier gezielt auf anwendungstechnische Gesichtspunkte. Auf eine Erörterung von Aufsuchung, Gewinnung und Verarbeitung von Mineralöl- beziehungsweise Syntheseprodukten wird daher verzichtet.

Alle Betriebsstoffe im Automobil wie Motoröl, Kraftstoff, Verbrennungsluft und weitere müssen für die Nutzung gefiltert und gereinigt werden. Je nach Fahrzeugtyp und Ausstattung sind in einem Fahrzeug 8 bis 15 Filterelemente eingebaut, in Nutzfahrzeugen bis zu 20 [1, 2]. Die Filtrationsaufgaben, die mit diesen verschiedensten Filterelementen erfüllt werden müssen, sind komplex und unterschiedlich. Sie stehen in enger Wechselwirkung mit der Gesamtfunktion des Fahrzeugs und des Antriebssystems.

Die Fortschritte der computergestützten Simulation haben zeitweise zur Vorhersage einer kompletten Virtualisierung des Entwicklungsprozesses geführt. Im Zentrum dieses Szenarios steht mit dem „Virtuellen Motor“ ein universelles Simulationsmodell mit allen Eigenschaften und Wechselwirkungen der Hardware. Ziel und Anspruch ist dabei eine hocheffiziente Entwicklungsarbeit bei weitgehender Einsparung kostspieliger Prototypen. Ein neuer, simulationsgerecht umgestalteter Entwicklungsprozess wird dafür vorausgesetzt.

Verbrennungsdiagnostik wird in der Motorenentwicklung immer dann eingesetzt, wenn bei Messungen von Verbrauch, Leistung und Emissionen ungenutztes Potenzial im Vergleich zu thermodynamisch möglichen Zielwerten festgestellt wird. Bei den hohen Zielanforderungen, die an moderne Motoren gestellt werden, ist zumindest eine thermodynamische Verbrennungsanalyse durch Messen des Zylinderdrucks immer ein fester Bestandteil im Entwicklungsablauf.

Die Verringerung von Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen ist in den letzten Jahren zu einer der Hauptaufgaben in der Fahrzeugentwicklung geworden. Gründe dafür sind neben den Vorgaben des Gesetzgebers der bewusstere Umgang mit den Vorräten an fossilen Energieträgern und ein gestiegenes Umweltbewusstsein, sowohl seitens der Kunden als auch der Fahrzeughersteller.

Wer jemals ein Fahrzeug mit starr verschraubtem Motor oder ein Ansauggeräusch ohne Schalldämpfer erleben durfte – ganz zu schweigen vom „nackten“ Auspuffgeräusch –, der wird kaum Zweifel daran haben, dass aus den vielen Gebieten der Fahrzeugakustik die Motorakustik der erste und lange Zeit wichtigste Zweig war. Komfortansprüche der Insassen und Selbstschutzansprüche der Passanten – vertreten durch die Gesetzgebung – haben denn auch eine motorakustische Entwicklung vorangetrieben, die heute trotz enorm gestiegener Leistungen der Motoren auf einem sehr hohen Niveau ist. So wundert sich kaum noch jemand, wenn er im Leerlauf auf den Drehzahlmesser schauen muss, um festzustellen, ob der Fahrzeugmotor läuft. Im Fahrbetrieb ist das Motorgeräusch soweit zurückgedrängt, dass andere Geräuschquellen wie Roll- und Windgeräusche ebenbürtig, wenn nicht dominant werden. Ein weiteres Zeichen für eine gut beherrschte Motorakustik ist die Tatsache, dass man sich nun schon seit langen Jahren über sogenanntes Sound-Design Gedanken machen „darf “.

Die Versuchsphase stellt einen entscheidenden Abschnitt in der Entwicklung eines Verbrennungsmotors dar. Die Grundaufgaben umfassen die Validierung der Auslegung des Motors, den Nachweis der sicheren Einhaltung von Grenzwerten, sowie die Optimierung und Kalibrierung des gesamten Antriebsstrangs.

In den Anfängen der Automobilentwicklung konkurrierten verschiedene Antriebskonzepte miteinander. Neben Otto- und Dieselmotoren wurden auch Dampfmaschinen und Elektromotoren als Fahrzeugantriebe eingesetzt. ferdinand porsche gilt als einer der ersten, der im Jahr 1900 bei seinem damaligen Arbeitgeber „K.u.K. Motorenwagen- und Automobil-Fabrik Jacob Lohner&Co“ ein Fahrzeug mit Hybridantrieb entwickelt hat. Bei dem „Lohner-Porsche Mixte“ handelte es sich um einen Seriellen-Hybridantrieb mit Radnaben-Elektromotoren und einem Vierzylinder-Verbrennungsmotor von Daimler, Abb. 29.1.

Heutige Fahrzeuge werden bis auf wenige Ausnahmen mit Otto- und Dieselmotoren und den dazu relevanten Kraftstoffen betrieben. In einigen Ländern wird dem Ottokraftstoff Ethanol beigemischt, beziehungsweise wird der Ottomotor mit Ethanol betrieben. Rapsmethylester RME steht, wenn auch nicht in ausreichender Menge, für Dieselfahrzeuge zur Verfügung. Eine weitere Ausnahme bilden Fahrzeuge, die mit CNG (Compressed Natural Gas) oder LPG (Liquified Petroleum Gas) betrieben werden. Hybridantriebe, Elektrofahrzeuge mit Batterie oder Brennstoffzelle und besondere Varianten der Hybridantriebe, die „Plug-in“- und „Range-Extender“-Versionen, sind inzwischen vielfältig verfügbar und haben in einigen Ländern bereits beachtliche Marktanteile erreicht. Der Marktanteil von Pkw mit Ottomotor beträgt weltweit zurzeit circa 80 % inklusive hybridisierter Fahrzeuge auf Basis von Ottomotoren (Fahrzeuge mit Dieselmotor entsprechend circa 20 %) [1]. Durch die steigenden Kraftstoffkosten und der hohen Effizienz von Dieselmotoren sowie den Entwicklungsfortschritten bezüglich der Reduzierung der Partikel und der NOx-Emissionen ist auch diese Antriebsart besonders interessant. Neben der Elektrizität erreichen CNG und LPG weltweit steigende Marktanteile.

Die Suche nach Potenzialen zur Verbrauchsreduktion beim Betrieb von Kraftfahrzeugen ist eine der zentralen Forschungs- und Entwicklungsebenen im Automobilbau. Dies insbesondere, weil mit einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs auch die direkte Minderung von CO₂-Emissionen einhergeht.

Das Zeitalter erdölbasierter Mobilität neigt sich irgendwann dem Ende zu. Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission steigen auf globalem Niveau, die Ressourcen verknappen sich. Unsere Gesellschaft steht vor großen Herausforderungen, geeignete Alternativen zu erproben und zu etablieren. Zur Sicherung der zukünftigen Mobilität sind CO2-neutrale und unbegrenzt verfügbare Kraftstoffe für den Verkehrsbereich bereitzustellen. Diese synthetisch herzustellenden Kraftstoffe werden eine völlig andere molekulare Struktur und andere Eigenschaften besitzen, als die mineralölbasierten Kraftstoffe. Sie werden in Hinsicht auf Minimalemissionen maßgeschneidert. Ein Blending dieser synthetischen Kraftstoffe mit fossilen Kraftstoffen wäre für den langfristigen Übergang auf synthetische Kraftstoffe in Hinblick auf die Erfüllung gesetzlicher Emissionsvorschriften und optimaler Mobilitätskosten sinnvoll. Umfassende Versuche sind hierzu noch erforderlich.

Seit über hundertfünfzig Jahren gibt es Kraftfahrzeuge; und sie werden zu fast 100 % mit Hubkolbenmotoren angetrieben. Otto- und Dieselmotoren entwickelten sich rasant und die Entwicklungsfortschritte sind noch lange nicht ausgeschöpft. Bei genauerem Hinsehen drängt sich sogar die Erkenntnis auf, dass die Entwicklungsgeschwindigkeit und damit einhergehend Fortschritte auf allen Ebenen in den letzten Jahren deutlich zugenommen haben.