Grundlagen Verbrennungsmotoren

Inhaltsverzeichnis

1. Frontmatter

2. 1. Einleitung

   Günter P. Merker

   Zusammenfassung

   Der Verbrennungsmotor hat in den letzten hundert Jahren als Antriebsaggregat für Land‐ und Wasserfahrzeuge, aber auch als Stationärmotor zum Antrieb von Arbeitsmaschinen und Generatoren eine weltweite Verbreitung gefunden und damit letztendlich die heutige Mobilität erst ermöglicht. Personen‐ und Nutzfahrzeuge werden überwiegend durch Otto‐ bzw. Dieselmotoren angetrieben. Der Otto‐ bzw. Benzinmotor geht auf Nikolaus August Otto und auf Gottlieb Daimler mit Wilhelm Maybach und damit auf die Jahre 1876 und 1886 zurück. Rudolf Diesel hat die Thermodynamik und die Konstruktion seines Dieselmotors in seinem Buch im Detail beschrieben (Diesel 1893). Im gleichen Jahr lief auch sein erster Versuchsmotor.

   Otto‐ und Dieselmotoren haben in den folgenden Jahren vielfältige Entwicklungsschritte erfahren; der Grundaufbau des Triebwerks und das Arbeitsprinzip sind jedoch gleich geblieben. Die Motoren sind mit der Zeit insbesondere leichter, kleiner oder größer, leistungsstärker, betriebssicherer aber technisch wesentlich aufwendiger und trotzdem kostengünstiger geworden. Wesentliche Fortschritte erfolgten in den vergangenen 30 Jahren durch die Erfüllung der vom Gesetzgeber schrittweise eingeführten Absenkung der Grenzwerte für die Schadstoffemissionen. Durch die Einführung von Hochdruck‐ und Common‐Rail‐Einspritzsystemen, ein‐ und zweistufiger Abgasturboaufladung sowie Downsizing und ‐speeding, um nur einige Schlagworte zu nennen, konnten der Brennstoffverbrauch, die Schadstoffemissionen und das Gewicht deutlich gesenkt und die Leistung wesentlich gesteigert werden.

3. Funktionsweise von Verbrennungsmotoren

   1. Frontmatter

   2. 2. PKW-Ottomotoren

      Wolfram Gottschalk

      Zusammenfassung

      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.

   3. 3. PKW-Dieselmotoren

      Peter Eckert, Maximilian Brauer, Frank Bunar

      Zusammenfassung

      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.

   4. 4. Downsizing bei PKW-Motoren

      Christian Eiglmeier, Axel Groenendijk

      Zusammenfassung

      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.

   5. 5. Nutzfahrzeugdieselmotoren

      Heiko Lettmann, Karl Maderthaner

      Zusammenfassung

      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.

   6. 6. Großdieselmotoren

      Hinrich Mohr

      Zusammenfassung

      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.

   7. 7. Viertaktschnellläufer

      Christoph Teetz, Gerhard Haußmann

      Zusammenfassung

      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:

   8. 8. Mittelschnelllaufende Viertaktdieselmotoren

      Gunnar Stiesch

      Zusammenfassung

      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.

   9. 9. Auslegung von Viertaktdieselmotoren

      Gerhard Haußmann

      Zusammenfassung

      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:

      $$ P_{\text{e}} \propto n p_{\mathrm{m,e}}V_{\text{H}}. $$

      Mit (20.58) folgt aus (20.49) für die Zylinderleistung

      $$ P_{\mathrm{e,z}} \propto {{D}^{2}} \cdot p_{\mathrm{m,e}} \cdot c_{\text{m}} $$

      und für die auf die Kolbenfläche bezogene Zylinderleistung

      $$ P_{\mathrm{z,A}}\propto p_{\mathrm{m, e}} \cdot c_{\text{m}}. $$

      Aus dem Hubvolumen erhält man mit dem Hub‐Bohrungs‐Verhältnis für die Bohrung

      $$ D = \sqrt[3]{\frac{\uppi}{4}\frac{V_{\text{H}}}{\left( \frac{s}{D} \right)}}. $$

      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).

   10. 10. Zweitaktlangsamläufer

       Stefan Mayer

       Zusammenfassung

       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.

   11. 11. Großgasmotoren

       Andreas Wimmer, Rainer Golloch, Matthias Auer

       Zusammenfassung

       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.