Handbuch Dieselmotoren

Dem jungen, mittellosen Rudolf Diesel, geboren 1858, ermöglichen Stipendien ein Ingenieurs-Studium am Polytechnikum München: Hier schon, um 1878, regt ihn der Carnot-Prozess zu Überlegungen über einen wirtschaftlichen Wärmekraftmotor an, die ihn seitdem beschäftigen. 1893 erhält er darauf ein Patent, worauf in der Maschinenfabrik Augsburg der erste Versuchsmotor entsteht, dem zwei weitere folgen. Nach Irrtümern, Fehlschlägen, begleitet von Patentstreitigkeiten, wird 1897 mit 26,2 % Wirkungsgrad die wirtschaftlichste Wärmekraftmaschine präsentiert, was heute noch für den Dieselmotor gilt, wie dessen Entwicklung, sei es als „leistungsstarker Großdieselmotor“ oder „schnelllaufender Fahrzeug-Dieselmotor“, belegt.

Der Dieselmotor als Hubkolbenmotor wird durch konstruktive Kenngrößen charakterisiert. Der im Zylinder ablaufende Arbeitsprozess kann durch einen theoretischen Kreisprozess innerhalb zweier Grenzdrücke bzw. Volumengrenzen erfasst sowie dessen Wirkungsgrad abgeschätzt werden. Die allgemeine Hauptgleichung des Dieselmotors weist Wege zur Leistungssteigerung auf, in deren Folge sich der moderne Dieselmotor zu einem Komplex von Teilsystemen entwickelt hat. Der mit einem Motor erreichte „Stand der Technik“, ausgedrückt z. B. durch die auf die Kolbenfläche bezogene Motorleistung, wird durch zwei motorspezifische Kenngrößen für die dynamische bzw. die thermische Belastung bestimmt.

Die Einhaltung der reduzierten Grenzwerte für die Schadstoffkomponenten NO_x und Partikel bzw. Ruß bei gleichzeitiger Reduzierung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs ist mittels Versuchen allein aufgrund des Kosten- und Zeitaufwands praktisch nicht mehr möglich. Für die Optimierung stehen entsprechende Simulationsprogramme zur Verfügung. Der Beitrag beschreibt die für Ein- und Zweizonenmodelle verwendeten physikalischen und chemischen Untermodelle. Die wesentliche Herausforderung bei der Simulation des dieselmotorischen Arbeitsprozesses stellt die realitätsnahe Abbildung der Ruß- und Stickoxidemission dar. Auch bei geeigneter Modellabstimmung sind für die Rußemission in der Regel nur Trendaussagen möglich.

Der Beitrag befasst sich eingangs mit den Grundlagen des Ladungswechsels von Viertakt- und Zweitaktmotoren. Dazu zählen die Ladungswechselkenngrößen, die Arten der Steuerorgane (Ventile, Schlitze), die Wahl der Steuerzeiten, die Berechnung des Ventildurchflusses und die Zweitaktspülverfahren. Auch auf das Potenzial variabler Ventilsteuerungen wird eingegangen. Der Abschnitt Aufladung beschreibt das Zusammenwirken von Motor und Lader, mit dem Schwerpunkt Abgasturboaufladung. Dabei geht es um Stoß- und Stauaufladung, ein- und zweistufige Aufladung und Turbocompounding. Ein Einblick in die Verfahren und Möglichkeiten der Ladungswechselberechnung schließt den Beitrag ab.

Die dieselmotorische Verbrennung ist gekennzeichnet durch eine heterogene Gemischbildung mit Diffusionsflamme. Die verwendeten Kraftstoffe sind leicht brennbar und entzünden sich bei hoher Kompression selbstständig ohne externe Zündquelle. Die Gemischbildung wird durch Einspritzdruck, Düsenlochgeometrie und Brennraumströmung beeinflusst. Moderne Dieselmotoren sind Direkteinspritzer mit Mehrventiltechnik und zentral sitzender Einspritzdüse. Die Einlasskanäle können vorwiegend zur Drallbildung und/oder füllungsorientiert ausgelegt werden. Eine Aufladung mit Ladeluftkühlung erhöht den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte. Sie erlaubt außerdem eine Emissionsminimierung. Die externe und gekühlte Abgasrückführung (AGR) ist die wirksamste Methode zur NOx-Reduktion. Zur Verringerung der Rußemission ist genügend Temperatur zur Rußoxidation zu gewährleisten. Alternative Verbrennungsverfahren sind gekennzeichnet durch alternative Kraftstoffe und/oder Anteile an homogener Verbrennung. Als alternative Kraftstoffe sind Flüssigkeiten und Gase aus biogener Herstellung verbreitet. Brennverfahren mit homogenen Verbrennungsanteilen sind durch die jeweiligen Methoden der Verlängerung des Zündverzugs zu unterscheiden. Für die Berechnung der dieselmotorischen Verbrennung stehen Modelle unterschiedlicher Komplexität zur Verfügung. Sie beginnen bei der Aufstellung von Energie- und Massenerhalt und gehen über die Berücksichtigung von zeitlich sich ändernden Prozessgrößen, wie beispielsweise von Druck und Temperatur bis hin zu komplexen dreidimensionalen finite Volumenmodellen mit Lösung reaktionskinetischer Ansätze (CRFD).

Abgrenzung des Dieselkraftstoffes (DK) gegenüber dem Ottokraftstoff. Verfügbarkeit und Qualitätsanforderungen an den Dieselkraftstoff. Herstellung und chemische Strukturen der C-H Moleküle des DK. Cetanzahlbestimmung und Beschreibung der chemisch/physikalischen Kennwerte und deren Bestimmung. Normgerechte Kraftstoffe können nur über eine Additivierung hergestellt werden. Beschreibung der Wirkung der einzelnen Additive.

Mittel- bis langfristig wird eine Erschöpfung fossiler Primärenergiequellen, insbesondere Erdöl, eintreten, die durch den weltweit steigenden Energieverbrauch noch beschleunigt werden wird. Es gilt daher, über alternative Energien intensiv nachzudenken. Möglichkeiten dazu bieten einerseits synthetische Kraftstoffe und andererseits Bioenergieträger.

Bei der Herstellung von Benzin und Diesel in der Raffinerie bleibt ein hochsiedender Rückstand, der nur durch hohen Energieaufwand weiter verarbeitet werden kann. Dieses Rückstandsöl wird Schweröl genannt und wird international in großen Mengen als Kraftstoff für Schiffe verwendet, da es verglichen zu Diesel zu einem niedrigen Preis angeboten wird.Schweröl hat eine hochviskose Konsistenz, ist meistens schwarz und enthält eine große Menge von Verunreinigungen. Nur durch aufwendige Aufbereitung in Separatoren, zusätzliche Filtrierung und Erwärmung auf bis zu 160 °C kann es mit speziellen Einspritzsystemen im Dieselmotor verbrannt werden. Die Motoren werden für den Schweröleinsatz angepasst. Ein hohes Verbrennungsluftverhältnis, ein positives Spülgefälle, eine lange Ventilüberschneidungsphase und niedrige Abgastemperaturen <550 °C vor Turbine sind dabei zu nennen. Um Hochtemperaturkorrosion zu vermeiden, müssen niedrige Bauteiltemperaturen eingehalten werden.Unverbrennbare Aschen führen im Motor zur Bildung von Ablagerungen und auch zur Verschmutzung des Schmieröls. Turbolader sind üblicherweise mit Reingungsanlagen ausgerüstet. Der hohe Schwefelgehalt erzeugt hohe SOx- und Partikel-Konzentrationen im Abgas und erfordert spezielles Schmieröl mit hohem Basenanteil, um den Eintrag von sauren Verbrennungsgasen an der Zylinderlauffläche zu neutralisieren. Zur Vermeidung von Niedertemperaturkorrosion darf die Kühlung der Zylinderwand und der Kolbenringnuten nicht zu intensiv sein.

Für die einwandfreie Funktion eines Dieselmotors über die gesamte Lebensdauer muss das Kraftstoffsystem vor Verunreinigungen geschützt werden. Hauptsächlich handelt es sich dabei um Verunreinigungen des Kraftstoffs durch Partikel und freies Wasser. Mit modernen Kraftstofffiltern ist es möglich Partikel und freies Wasser nachhaltig und mit hoher Effizienz aus dem Kraftstoff abzuscheiden. Der technologischen Entwicklung und regionalen Ausbreitung des Dieselmotors folgend sind die Anforderungen an die Filtration im Kraftstoffsystem in den vergangenen Jahren stark gestiegen.

Gasmotoren waren die ersten technisch relevanten Verbrennungsmotoren und spielen heute hauptsächlich im industriellen Einsatz bei der Stromerzeugung, in Blockheizkraftwerken sowie als Verdichterantriebe eine wichtige Rolle. Daneben werden Gasmotoren mehr und mehr in Marineanwendungen als Haupantriebe und Nebenaggregate sowie in Fahrzeugen und Lokomotiven eingesetzt. Bedeutsam sind auch die sogenannten Dual-Fuel-Motoren, die neben Gas auch Diesel oder Schweröl verbrennen können. Großgasmotoren können je nach Auslegung eine große Bandbreite an gasförmigen Kraftstoffen umsetzten, neben Erdgas auch Biogase, Deponiegase, Grubengase, Holzgase, Stahlgase und andere technisch erzeugte Gase mit sehr unterschiedlicher Zusammensetzung, Heizwert, Methanzahl und Luftbedarf.

Nach einer einleitenden Beschreibung der Entwicklung von Diesel-Gasmotoren werden System, ausgewählte Komponenten und deren Funktion vorgestellt. Anschließend erfolgt eine Diskussion wichtiger Herausforderungen, insbesondere die Realisierung des Wirkungsgradpotenzials bei Einhaltung der Abgasvorschriften. Im Ausblick werden Chancen und technische Möglichkeiten abgewogen.

Ausgehend von der Technologieentwicklung für Pkw-Gasventile werden Anforderungen für den Nfz-Betrieb abgeleitet. Entscheidend ist der Unterschied zwischen großen Einblaswinkeln, z. B. bei zentraler EinblasungEinblasung und sehr kurzen Ansteuerzeiten für die Einblasung in das offene Einlassventil. Ein aktuelles Komponentenpaket zur Nutzung der Pkw-Gasventile für Nfz wird vorgestellt. Mittelfristig ist die Entwicklung dedizierter Gasventile für den Nfz Einsatz zu erwarten. Gasventile ersetzen auch bei Gasgroßmotoren zunehmend den zentralen Gasmischer vor dem Turbolader. Anforderungen werden analysiert und die Unterschiede zwischen Großmotor- und Nfz-Betrieb herausgearbeitet.

Zunächst wird das Potenzial der Diffusionsverbrennung von ErdgasErdgas vorgestellt, welches durch Gasventile für die Hochdruck-DirekteinblasungDirekteinblasung realisiert werden kann. Nach der Diskussion verschiedener Zündungsmöglichkeiten werden Anforderungen an Diesel-Gas-Injektoren für die Hochdruck-Direkteinblasung abgeleitet. Nachfolgend wird dargestellt, wie verschiedene Designanforderungen und begrenzte technologische Realisierungsmöglichkeiten rückwirkend zu erheblichen neuen Anforderungen an das Gesamtsystem führen. Daraus resultiert die Konsequenz, dass neben der Gasversorgung auch eine adäquate Gasentsorgung innerhalb des geschlossenen Tank-Systems zu entwickeln ist.

Schmierung soll die Reibungsverluste im Dieselmotor minimieren und seine Lebensdauer verlängern. Das Schmiersystem versorgt die Lager, Nocken und Zylinder mit Schmieröl, reguliert die Betriebstemperatur des Motors und entfernt unerwünschte Verbrennungs- und Verschleißprodukte aus dem Ölkreislauf. Der Schmierstoff bewirkt infolge (Elasto-) Hydrodynamik, dass durch die Ausbildung von Schmierfilmen die Flüssigkeitsreibung dominiert. Darüber hinaus dient der Schmierstoff als Wärmeträger und als Depot für Additive zum Schutz vor Verschleiß und Korrosion.

Die Beschreibung der Vorgänge in Einspritzsystemen erfordert die interdisziplinäre Anwendung von Methoden der Strömungsmechanik, Technischen Mechanik, Thermodynamik, Elektrotechnik und Regelungstechnik. Hohe Anforderungen an Modellqualität und numerische Verfahren entstehen aus extremen Drücken und Kleinstmengen von bis zu 0,8 mm3 je Hub für Einzeleinspritzungen mit ± 0,4 mm3 Zumessgenauigkeit in flexibel wählbaren Abständen. Zudem ist zu beachten, dass es sich um hochgradig instationäre Vorgänge im kompressiblen Fluid handelt, infolge derer Komponenten durch Kavitationsschäden gefährdet und zu Schwingungen mit hohen mechanischen Belastungen angeregt werden können. Auch die beträchtliche Erwärmung des Kraftstoffes durch Drossel- und Reibungsverluste mit ihrem Einfluss auf Kraftstoffeigenschaften, Lager- bzw. Kolben/Buchse-Spiele und die Haltbarkeit von Bauteilen muss quantifizierbar sein.Neben den Grundlagen der EinspritzhydraulikEinspritzhydraulik werden Wege zur virtuellen Entwicklung von Einspritzsystemen aufgezeigt.

Einspritzsystem und Einspritzvorgang sind von zentraler Bedeutung für die dieselmotorische Verbrennung. Nach der Beschreibung der Grundfunktionen des Einspritzvorgangs werden die verschiedenen Bauarten der in Verwendung befindlichen Einspritzsysteme klassifiziert und aufgezeigt. Die Vor- und Nachteile einer Kraftstoffaufbereitung durch Einspritzsysteme mit hub- bzw. druckgesteuerter Düsennadel werden aufgelistet und diskutiert. Anschließend werden die verschiedenen Einspritzsysteme schematisch dargestellt und die Hauptmerkmale beschrieben.

Aufbau und Antrieb der Nocken-kanten- und Nocken-zeitgesteuerten Einspritzsysteme werden beschrieben und der Vorgang der Mengenzumessung erläutert. Die unterschiedlichen Verteilereinspritzpumpenbauarten mit Axial- und Radialkolbenhochdruckpumpe, mit kantengesteuerter Zumessung und elektromagnetischem Stellwerk sowie die Nocken-zeitgesteuerte Pumpe werden dargestellt und behandelt. Den Schwerpunkt der Einzelpumpensysteme bilden Unit Injector und Unit Pump. Kraftstoffzumessung, Einspritzvorgang und Spritzbeginnregelung werden am Beispiel Unit Injector ausführlich dargelegt.

Die Düsen der Common Rail Injektoren stellen die direkte Schnittstelle der Injektoren zum Brennraum des Dieselmotors dar. Die Geometrie und die fertigungstechnische Präzision der Düsenspritzlöcher, der Düsennadeln und Düsenkörper sind maßgeblich für die Sprayausbildung und Gemischaufbereitung und damit für die Verbrennungseffizienz und -qualität verantwortlich. Einspritzdüsen beeinflussen maßgeblich die Leistungsentfaltung, Abgas-Emissionen und das Verbrennungsgeräusch des Motors und dichten das Einspritzsystem zwischen den Einspritzungen zum Brennraum ab. Eingesetzt werden die Düsen in Düsenhalterkombinationen (DHK), Unit- (UI) und Common Rail Injektoren (CRI) und mit diesen als Funktionseinheit, räumlich sehr genau positioniert zum Brennraum, im Zylinderkopf angebaut. Dieses Kapitel gibt einen Überblick über den Stand der Entwicklungen und die Potenziale von Düsen im dieselmotorischen Umfeld.

Common Rail Einspritzsysteme werden heute in allen Anwendungen vom Pkw- bis zum Großdieselmotor eingesetzt, in spezifischer Ausführung auch für den Betrieb mit Schweröl. Nach einer Beschreibung des generellen Aufbaus des Common Rail Systems in konventioneller Bauart und mit Druckübersetzer werden die beiden Teilsysteme Niederdruck- und Hochdruckkreislauf detailliert dargestellt. Die Hauptkomponenten werden aufgezeigt und die Großdieselsysteme betreffenden Besonderheiten erläutert. Im Anschluss erfolgt eine ausführliche Darstellung der verschiedenen, in Anwendung befindlichen, Verfahren zur Druckregelung. Auf den Aufbau und die Funktion eines Common Rail Systems für den Betrieb mit Schweröl wird abschließend eingegangen.

Die Common Rail Injektoren sorgen als Schlüsselkomponenten des Einspritzsystems für die zeit- und mengengerechte Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmenge. Nach einem Überblick über die im Markt verwendeten Common Rail Injektoren für Diesel-Pkw und Nfz wird die Grundfunktion von Magnetventil- und Piezo-Injektoren detaillierter beschrieben. Darüber hinaus wird ein Ausblick auf Weiterentwicklungen gegeben.

Die Aufgabe der Hochdruckpumpe besteht darin, die vom System benötigte Kraftstoffmenge auf dem betriebspunktabhängig gewünschten Druckniveau bereitzustellen. Zur Vermeidung von Energieverlusten ist die Hochdruckmenge bedarfsgesteuert. Verschiedene Bauarten mit einem bis drei Pumpenelementen und Nocken- bzw. Exzenterantrieb kommen zum Einsatz, abhängig vom Einsatzfall mit Kraftstoff- oder Motorölschmierung. Die Hochdruckpumpe ist die Schnittstelle zwischen dem Nieder- und Hochdruckteil des Common Rail Systems. Ihre Aufgabe besteht darin, die vom System benötigte Kraftstoffmenge auf dem betriebspunktabhängig gewünschten Druckniveau bereitzustellen. Diese umfasst nicht nur die aktuell vom Motor benötigte Einspritzmenge, sondern berücksichtigt darüber hinaus Mengenreserven für einen schnellen Startvorgang und einen raschen Druckanstieg im Rail, aber auch Leckage- und Steuermengen für andere Systemkomponenten inkl. deren verschleißbedingte Drift über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeugs.

Das Rail bildet mit den Anbaukomponenten Raildrucksensor, Druckregel- bzw. Druckbegrenzungsventil eine Baugruppe, die Niederdruck- und Hochdruckkreis verbindet und somit einen wichtigen Teil des Common Rail Systems darstellt. Die Funktionen und Bauarten von Rail und Rail-Anbaukomponenten werden detailliert beschrieben und erläutert.

Die mit Einführung der Abgasemissionsstufe EPA Tier 2 (2005) für Großdieselmotoren (>560 kW) verschärften Emissionsbestimmungen führten in Verbindung mit reduzierten Verbrauchszielen dazu, dass auch in diesem Motorsegment Common Rail Systeme, die bis dahin beherrschenden nockengetriebenen Einspritzsysteme (kanten- bzw. zeitgesteuert) abgelöst wurden. Mit der Darstellung eines modular aufgebauten Speichereinspritzsystems ließen sich die speziellen Anforderungen dieser Anwendungsklasse umfassend erfüllen. Nachfolgend werden diese Anforderungen beschrieben und die daraus abgeleiteten Systemkomponenten in Aufbau und Funktion detailliert dargestellt. Neben den üblichen Common Rail Komponenten wie Injektor und Hochdruckpumpe werden auch die besonderen Bauelemente für Common Rail Systeme für Schwerölbetrieb behandelt.

DieseleinspritzsystemeDieseleinspritzsysteme für Pkw und Nfz sind heute weitgehend elektronisch geregelte Systeme. Ihre Funktion sowie ihr schaltungstechnischer Aufbau und die zu erfüllenden SystemanforderungenSystemanforderungen werden beschrieben. Details zur Aufbau- und VerbindungstechnikAufbau- und Verbindungstechnik, zum digitalen Rechnerkern sowie zu Eingangs- und Ausgangsschaltung sind die Inhalte der darauf folgenden Abschnitte.

Ein besonders wichtiger Teil des Steuergeräts ist die Software, mit der das System Signale von Motor und Fahrzeug erfasst und nach Bearbeitung in hochkomplexen Algorithmen über elektrische Steuersignale an Injektoren für die Kraftstoffeinspritzung und zahlreiche weitere Aktoren sendet. Die Software-Architektur, die Funktion digitaler Regler und als zentrale Anwendungen im Steuergerät das Drehmoment- sowie das modellbasierte Luft- und Abgasmanagement werden dargestellt. Darüber hinaus werden die funktionale Sicherheit und das Überwachungskonzept als unverzichtbare Voraussetzungen für Steuergeräte mit sicherheitsrelevanten Funktionen im Kraftfahrzeug beschrieben.

Der Begriff ZumessfunktionenZumessfunktionen umfasst Steuer- und Regelstrukturen, welche die geforderte Zumessgenauigkeit der Einspritzung sicherstellen. Die Funktionen nutzen bestehende Sensoren und deren Signale als Hilfsgrößen oder auch modellbasierte Ansätze. Die Zumessfunktionen tragen dazu bei, die Toleranzen der Einspritzhydraulik zu reduzieren und über die Lebensdauer auf einem niedrigen Niveau zu halten. Die wichtigsten Zumessfunktionen werden vorgestellt, Aufbau und Funktion ausführlich beschrieben. Darüber hinaus wird die Funktionsweise von Needle Closing Control (NCC), einem innovativen closed loopclosed loop Funktionsentwurf zur Erhöhung der Einspritzgenauigkeit, detailliert behandelt.

Der Einsatz von Sensoren im Kraftfahrzeug erfordert in hohem Maße Unempfindlichkeit gegenüber mechanischen, klimatischen, chemischen und elektromagnetischen Einflüssen. Neben hoher Zuverlässigkeit und langer Lebensdauer ist auch eine hohe Genauigkeit notwendig. Diese wird durch die Entwicklung von speziellen Sensorelementen und den Einsatz modernster digitaler und analoger Auswerteschaltungen in Sensor-spezifischen ASICs ermöglicht. Für zukünftige Systemkonzepte werden weitere Sensoren erforderlich sein, die sowohl für den Betrieb als auch zur Überwachung der Systeme eingesetzt werden. Aufgaben, Aufbau und Funktionsweise der für einen optimalen Betrieb von Dieselmotoren eingesetzten Sensoren werden aufgezeigt und beschrieben.

Zur Weiterentwicklung und Qualitätsbeurteilung moderner Diesel-Einspritzsysteme und -komponenten ist eine entsprechend hoch entwickelte Mess- und PrüftechnikMess- und Prüftechnik erforderlich. Die wichtigsten Prüfmerkmale bei der FunktionsprüfungFunktionsprüfung von Diesel-Einspritzsystemen und -komponenten sind der kontinuierliche Volumen-/Massenstrom, die Einspritzmenge pro Einspritzzyklus und der Einspritzverlauf. Die nachfolgenden Abschnitte beschreiben die für diese Prüfmerkmale verwendeten Messprinzipien, die komplexen Anforderungen an die Mess- und Prüftechnik für Diesel-Einspritzsysteme und beispielhaft den Prüfablauf für Common Rail Injektoren bei der Qualitätsbeurteilung in der Serienfertigung.

Nach einer allgemeinen Definition der Aufgabe „Applikation“„Applikation“ wird das Basis-Vorgehen bei Steuerungs- und Regelungsaufgaben beschrieben. Moderne modellbasierte Regelungsverfahren – basierend auf physikalischen Modellen – werden im Anschluss erläutert. Die erforderlichen Applikationstools und Prüfstände werden vorgestellt und moderne Versuchsmethoden – basierend auf statistischen Modellen – werden betrachtet. Zum Abschluss wird der Ablauf eines typischen Applikationsprojektes skizziert.

Das Thema Diagnose umfasst On-Board- und Werkstattdiagnose. Die On-board-Diagnose (OBD), d. h. Überwachung von emissionsrelevanten Komponenten und Systeme im Fahrbetrieb, wird seitens des Gesetzgebers gefordert. Die nach Fahrzeugart und Ländern unterschiedlichen technischen Anforderungen werden dargestellt und hierzu beispielhaft Lösungen erläutert. Die Werkstattdiagnose mit der Identifizierung des zu tauschenden Teils in der Werkstatt dient der schnellen und sicheren Reparatur des Fahrzeugs im Fehlerfall. Die eingesetzten unterschiedlichen Elemente werden dargestellt und an Hand von Beispiellösungen illustriert.

Dieses Kapitel fasst die mechanischen und thermischen Fragestellungen zur Belastung der Powerunit eines Dieselmotors zusammen. Die Powerunit umfasst den Ventiltrieb, Zylinder, Buchse, Kolben und Pleuelstange. Praktisch alle Belastungsfaktoren, welche im Maschinenbau gängig sind, treten in der Powerunit meist gekoppelt auf. Dementsprechend müssen die Auslegungs- und Nachweisverfahren diese Komplexität wiedergeben können, so dass eine durchgängige Modellbildung des Gesamtsystems Dieselmotors erreicht werden kann.

Zunächst werden die im Verbrennungsmotor relevanten Wärmeübertragungsmechanismen erläutert. Auf Grund der bei schnelllaufenden Dieselmotoren gegebenen Dominanz der Wärmeübertragung durch erzwungene Konvektion bietet sich die Ähnlichkeitstheorie an, um den Wärmeübergangskoeffizienten mathematisch zu beschreiben und damit für Prozessrechnungen verfügbar zu machen. Im Folgenden werden die verschiedenen Messverfahren zur Bestimmung der Wandwärmeverluste beschrieben. Anschließend erfolgen eine Vorstellung der wesentlichen Wärmeübergangsgleichungen und eine Diskussion mittels Anwendungsbeispielen. Letztlich werden die für die Ladungswechselphase und die Ansaug- und Abgaskanäle verfügbaren Wärmeübergangsgleichungen beschrieben und eine kurze Betrachtung der besonderen Herausforderungen der Wärmeübergangsberechnung in der 3D-CFD-Rechnung angestellt.

Dieser Beitrag beschreibt die Bedeutung und Anwendung der Werkstofftechnik beim Dieselmotor. Durch die stetig höheren Anforderungen an die Abgasemissionen und die damit verbundenen höheren Einspritzdrücke und inner- und außermotorische Abgasreinigungsmaßnahmen werden die Werkstoffe von Dieselmotorkomponenten immer höher ausgenutzt. Dies erfordert eine stetige Erweiterung und Optimierung der im Dieselmotor verwendeten Werkstoffarten und deren Herstellungsverfahren. Besondere Bedeutung hat die Werkstoffauswahl für die Hauptkomponenten von Dieselmotoren wie z. B. Kurbelwellen, Pleuel, Einspritzkomponenten, Motorblock und Bauteile im Abgastrakt. In diesem Beitrag werden die Werkstoffe für die Hauptkomponenten des Dieselmotors sowie deren lebensdauersteigernden Maßnahmen wie Oberflächenhärte- und Beschichtungsverfahren erörtert. Abschließend werden Entwicklungstendenzen und Umweltaspekte bei der Materialauswahl von Dieselmotoren behandelt.

Die Beherrschung der Gaskraftwirkungen ist beim Triebwerk von Dieselmotoren die primäre Herausforderung. Dies erfordert eine hinsichtlich Gestaltfestigkeit, Steifigkeit und Masse optimierte konstruktive Auslegung der Triebwerkskomponenten. Zunächst wird auf allgemeine Anforderungen an das Triebwerk von Dieselmotoren sowie Auswirkungen eines fortschreitenden Technologiewandels bei Fahrzeugmotoren eingegangen. Dann werden die im Triebwerk wirkenden Kräfte erläutert. Darauf baut eine Beschreibung der gebräuchlichen Motorbauweisen, der Triebwerksgestaltung und der damit verbundenen -eigenschaften auf. Dabei wird ersichtlich, wie sich die Kröpfungsanordnung auf die freien Massenwirkungen auswirkt. Anschließend werden Triebwerke von Dieselmotoren mit Bezug auf aktualisierte Praxisbeispiele näher charakterisiert. Schließlich wird dargestellt, wie die Beanspruchung der Kurbelwelle einer herkömmlichen Festigkeitsberechnung – auch als analytische Methode bezeichnet – zugänglich ist. Dabei werden auch Gestaltungseinflüsse, Werkstoffe und Herstellverfahren tangiert. Außerdem wird die Brücke zu komplexeren Berechnungsmodellen geschlagen, deren kurze Erläuterung am Ende von Kap. 35, „Massenausgleich und Drehschwingungen des Triebwerks von Dieselmotoren“ fortgeführt wird.

Das Hubkolben-Triebwerk unterliegt prinzipbedingt Massenwirkungen und Schwingungen, deren Beherrschung für Komfort und Betriebsfestigkeit von grundsätzlicher Bedeutung ist. Bei Fahrzeug-Dieselmotoren steigen z. B. die Komfortansprüche kontinuierlich. Die Anregung ungünstiger Strukturschwingungen z. B. durch große Zweitakt-Kreuzkopf-Langsamläufer kann die Sicherheit ganzer Schiffe gefährden. Es werden zunächst die Kurbeltriebmassen und deren Massenkräfte definiert. Mit Hebelwirkung resultieren daraus auch Massenmomente. Dann werden die Ausgleichsmöglichkeiten mittels mit der Kurbelwelle rotierender Gegengewichte erläutert. Bezüglich des Massenmomentausgleichs werden drei interessante Anwendungsbeispiele exemplarisch näher betrachtet. Ergänzende Ausführungen betreffen die Optionen mit Ausgleichswelle(n) und den Inneren Massenausgleich. Die Berücksichtigung dynamischer Drehmomentüberhöhungen infolge von Drehschwingungen (Torsionsschwingungen), angeregt durch Harmonische des Drehkraftverlaufs, ist eine Mindestanforderung an die Kurbelwellenberechnung. Diese beruht auf einem torsionsspezifischen 1D-Ersatzmodell. Es wird gezeigt, wie das Schwingungsgleichungssystem aufgestellt wird und damit sowohl das Eigenschwingungsverhalten als auch die erzwungenen Drehschwingungsamplituden berechnet werden können. Daran schließt sich eine kurze Beschreibung des Drehschwingungsdämpfers und -tilgers sowie des Zweimassen-Schwungrads (ZMS) ohne und aktuell mit Fliehkraftpendel an. Abschließend wird in Fortsetzung der Ausführungen in Kap. 34, „Bauformen, Eigenschaften und Beanspruchung des Triebwerks von Dieselmotoren“ ein kurzer Einblick in die Methodik der heute dem Stand der Berechnungstechnik entsprechenden 3D-Simulation des dynamischen Triebwerkverhaltens gewährt. Die Zweitakt-Kreuzkopf-Triebwerke großer Langsamläufer werden intensiv behandelt.

GleitlagerGleitlager als altbewährtes Maschinenelement haben auch aktuell eine sehr große Bedeutung in ihrer Anwendung im Dieselmotor als Pleuel- und Hauptlager im Kurbeltrieb sowie verschiedenen Lagerstellen der Nebentriebe. Ihre große Zuverlässigkeit und sichere Funktion unter den geforderten Betriebsbedingungen sowie geringer Bauraum, einfache Montage und vergleichsweise geringe Kosten sind Hauptargumente für den Einsatz dieses Maschinenelementes in zukünftigen Motorengenerationen. Neue Werkstoffe, neue Beschichtungen und eine Vielzahl geometrischer Feinabstimmungen zur Optimierung der Belastungsverteilung sind die Hauptentwicklungsrichtungen, um den steigenden Anforderungen neuer Motorengenerationen gerecht zu werden.

Für jeden Verbrennungsmotor bildet der Kolben eine zentrale Komponente und in Verbindung mit Kolbenringen, Pleuel und Zylinderlaufbahn die „power cell unit“, PCU. Die vielfältigen Anforderungen an den Kolben machen die Entwicklung und Auslegung zu einer herausfordernden Aufgabe, in der Werkstofftechnik und Beschichtung, Konstruktion, Festigkeitsbewertung und Lebensdauerbetrachtung zusammen mit der kostengünstigen Herstellbarkeit und dem Einhalten engster Toleranzen optimal eingesetzt werden müssen, um auch die geforderten Betriebsparameter wie z. B. Ölverbrauch und akustisches Verhalten der jeweiligen Motorkonzeption über das gesamte Motorleben sicher einhalten zu können.

Ein Teil der beim Arbeitsprozess entstehenden Wärme gelangt als sog. Wandwärmeverlust durch die Brennraumwände an ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel und wird schließlich an die Umgebung abgeführt, z. B. über eine externe Kühlung. Diesels Idee, ohne Motorkühlung auszukommen, ist aus mehreren Gründen abwegig und nicht umsetzbar. Für Wasser als Kühlmittel spricht neben dem gefahrlosen Umgang vor allem die hohe spezifische Wärmekapazität: Frostschutzmittel erweitern die nutzbare Temperaturspanne beim Motorbetrieb. Da auch normalerweise über das Schmieröl ein geringer Anteil der Wandwärme abgeführt wird und bei leistungsstarken Motoren Bauteile (Kolben) gezielt mit Öl gekühlt werden, findet man Motoren, die nur mit Öl als alleinigem Kühlmittel arbeiten, zumal es im üblichen Temperaturbereich (−50°C bis 150°C) weder gefriert noch siedet. Bei der Luftkühlung entfällt eine externe Kühlung, da die Kühlwärme direkt an die Umgebung gelangt, was Vorteile hinsichtlich Motorbetrieb und -einbau bietet. Alle diese Vorteile gegenüber Wasser als Kühlmittel sind nur nutzbar, sofern geringe bzw. keine Emissionsgrenzen einzuhalten sind und keine Höchstleistung gefordert wird.

Als Wärmesenke ist das Motorkühlsystem ein essentieller Bestandteil jeder Wärmekraftmaschine und erfüllt die Aufgabe des Bauteilschutzes. Die Aufgaben des Motorkühlsystems gehen aber weit darüber hinaus. Ladeluft und Abgasrückführung sind zu kühlen, um einen hohen Motorwirkungsgrad bei geringen Emissionen zu erreichen. Das Kühlsystem muss außerdem so geregelt werden, dass es seine Aufgabe bei minimalem Eigenenergiebedarf erfüllt. In diesem Abschnitt wird beschrieben, wie die unterschiedlichen Kühlsystemarchitekturen aussehen, wie Wärmeübetrager für die verschiedenen Aufgaben aufgebaut sind und welche Regelstrategien für das Kühlsystem verfolgt werden. Dabei wird auf die unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Diesemotoranwendungen eingegangen.

Für Pkw, Nfz und Industrieanwendungen werden die Funktionen von Ansaugsystemen, welche hauptsächlich von den Anforderungen der Fahrzeughersteller sowie Markttrends abgeleitet sind, ganzheitlich und umfassend beschrieben. Hochleistungsfiltermedien, innovative Akustikmaßnahmen sowie neuartige Saugrohrkonzepte eröffnen vielfältige Wege der Optimierung in einem Umfeld herausfordernder Rahmenbedingungen. Leistungsfähige Simulationstools tragen maßgeblich dazu bei, frühzeitig sichere Vorhersagen zum Verhalten des späteren Serien-Systemdesigns treffen zu können, welche mittels modernster Prüfstände im Rahmen der Validierung bestätigt werden.

Abgasanlagen dienen der Abfuhr der verbrannten Gase. Nach der Verbrennung müssen die Abgase in der Abgasanlage von Partikeln und schädlichen Gasen gereinigt werden, um die Umwelt möglichst wenig zu belasten. Daneben entsteht durch den Betrieb des Verbrennungsmotors ein erhebliches Abgasgeräusch, welches durch verschiedene Schalldämpfertechnologien auf ein erträgliches Maß gemindert werden muss. Die Einhaltung der Bauraumvorgaben sowie des maximal zulässigen Druckverlustes stellen eine komplexe ingenieurtechnische Optimierungsaufgabe dar, die heute nur durch den Einsatz von diversen CAE-Methoden effizient lösbar ist.

Für eine Absenkung des Verdichtungsverhältnisses sowie für zukünftige Abgasanforderungen werden erhöhte Anforderungen an das Glühsystem/Einspritzsystem gestellt. Leistungsfähige Glühsysteme haben neben heißen GlühstiftkerzenGlühstiftkerzen (>1150 °C) speziell entwickelte Glühzeitsteuergeräte, die dem Glühsystem einen hohen Beitrag für die Laufruhe und Umweltfreundlichkeit des Dieselmotors weit über den Kaltstart hinaus verleihen. Wichtig ist hierbei auch die optimale Lage des Zündstrahls zur Glühstiftkerze im Brennraum.

Ressourcenschonung und Gesetzesvorgaben zur Limitierung des CO₂-Ausstoßes können durch Nutzung der bei der dieselmotorischen Verbrennung anfallenden Abwärmen unterstützt werden. Anhand einer umfassenden Energiebilanz am Beispiel eines Verbrennungsmotors für Nutzfahrzeuge werden Arten und Quellen der Abwärmen beschrieben. Dazu wird die quantitative Ermittlung der verschiedenen Abgaswärmeleistungen und der zugehörigen Luft- und Abgasmassenströme aufgezeigt. Auf Vor- und Nachteile aus Wärme über thermo-elektrische Elemente (Thermo-elektrischer Generator TEG) direkt elektrischen Strom zu erzeugen wird abschließend kurz eingegangen.

Neben der Nutzung der Abwärme von Dieselmotoren in Form mechanischer Energie kann eine Abwärmenutzung auch in Form thermischer Energie erfolgen. Beispiele hierzu sind die direkte Verwendung zur Beheizung von Gebäuden, zur Brauchwassererwärmung aber auch zur Beheizung der Fahrgastkabinen von Kraftfahrzeugen. Eine besonders ressourcen- und umweltschonende Möglichkeit ist mit der Nutzung der Abwärme in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen wie Blockheizkraftwerken, Dieselmotor-Wärmepumpen, Verdichtermodulen und in Kraft-Wärme-Kälte-Koppungsanlagen gegeben.

Für die Steigerung der Gesamtwirtschaftlichkeit von Verbrennungsmotoren und die Erfüllung zukünftiger weltweiter CO₂-Gesetzgebungen entsteht eine zunehmende Notwendigkeit die bis heute oft ungenutzte Abgaswärmeenergie von Verbrennungsmotoren aufzunehmen, mit Hilfe geeigneter Prozesse umzuwandeln und in Form von mechanischer oder elektrischer Energie nutzbar zu machen. Neben dem Turbo-Compound-Betrieb, hat sich hierbei die Anwendung eines Clausius-Rankine-Prozesses als vielversprechende Variante herausgestellt und ist im stationären Bereich bereits im Serieneinsatz. Im mobilen Bereich gibt es intensive Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten diese Technik in schweren Nutzfahrzeugen einzusetzen. Allerdings sind die Anforderungen gegenüber stationären Anlagen in Bezug auf Kosten und dynamischem Betrieb um ein vielfaches höher. Nach einer kurzen Einführung werden Aufbau und Funktion einer, auf einem Clausius-Rankine-Kreisprozess basierenden, Dampfkraftanlage für mobile Anwendungen detailliert beschrieben, die dabei auftretenden Energieflüsse aufgezeigt und quantifiziert. Auslegungsbereiche, Nutzungskonzepte und geeignete Arbeitsfluide werden dargestellt ihre Vor- und Nachteile erläutert. Abschließend wird ein Konzept vorgestellt, das es erlaubt auf Basis repräsentativer Lastkollektive unter Einbeziehung dynamischer Einflüsse die erzielbare Kraftstoffersparnis abzuschätzen.

Die Wirkungskette von der Emission über die Immission bis zur Wirkung auf Mensch und Natur wird beschrieben und der jeweils verkehrsbedingte Anteil der wichtigsten Abgaskomponenten des dieselmotorischen Verbrennungsprozess angegeben. Es stehen die Immissionen, also die Luftbelastung durch die Abgasemissionen im Vordergrund. Die gesetzlichen Vorgaben für die Luftqualität werden zusammengefasst.

Der Ausstoß von Schadstoffen, Treibhausgasen sowie der Kraftstoffverbrauch von Pkw-Dieselmotoren sind gesetzlich limitiert. Kontinuierliche Anpassungen der gesetzlichen Regelungen sind Standard. Weltweit gelten vor allem die Gesetzgebungen aus Europa, USA und Japan. Diese wurden in vielen weiteren Ländern übernommen oder angepasst. Der Schadstoffausstoß wird in Prüflaboren durch abfahren definierter Prüfzyklen auf einem Abgasrollenprüfstand bestimmt. Bei Einhaltung der vorgeschriebenen Grenzwerte führt dies zur Zulassung des jeweiligen Fahrzeugtypus im entsprechenden Geltungsbereich. Ergänzend zu den Prüfverfahren im Abgaslabor wird die Gesetzgebung um Messungen im realen Straßenverkehr erweitert. Realfahremissionen (Real Driving Emissions – RDE) werden mit portablen Messgeräten (Portable Measurement System – PEMS) kontinuierlich gemessen und mittels Normalisierungstools bewertet.

Die Harmonisierung von Abgasvorschriften ist die Voraussetzung für eine weltweit einheitliche Motortechnologie. Im Nfz-Bereich gibt es bis heute unterschiedliche Regelungen in den USA, in der EU und in Japan, deren Harmonisierung frühestens ab 2018 zu erwarten ist. Die für die Luftqualität erforderliche den jeweiligen Grenzwerten proportionale Verringerung der Emissionen im Realbetrieb wird im Rahmen der EU und US Feldüberwachung mithilfe portabler Messgeräte (PEMS) direkt im Fahrzeug überprüft. Eine Abgasregelung für Hybridfahrzeuge wurde im März 2015 verabschiedet. Da die Abgasgrenzwerte in den Triademärkten ein Niveau nahe Null erreicht haben, richtet sich der Fokus verstärkt auf die Reduktion der CO₂ Emissionen. Im Nonroad Bereich ist die Harmonisierung durch die Vorarbeiten der ISO 8178 bereits seit Jahren erreicht. Dies gilt auch für Schiffsmotoren. Dagegen gibt es für den Bereich der Stationäranlagen eine Vielzahl von nationalen Regelungen, in Deutschland ist dies die TA Luft.

Das folgende Kapitel stellt den Dieselmotor und seine Emissionen in den Vordergrund. Dabei werden zunächst die wichtigsten Abgasemissionen vorgestellt und deren Entstehung erläutert. Anschließend wird im Detail diskutiert, welche innermotorischen Maßnahmen ergriffen werden können, um die Abgasemissionen zu reduzieren. Diese Maßnahmen werden außerdem im Hinblick auf ihr Reduktionspotenzial gegenüber den aus der Verbrennung resultierenden Geräuschemissionen und dem spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Dieselmotors bewertet.

Nach einer einleitenden Beschreibung der Begriffe Eimissionsminderung und Abgasnachbehandlung wird die historische Entwicklung der Abgasnachbehandlungssysteme und deren aktueller Aufbau für Dieselmotoranwendungen in Pkw, leichten und schweren Nutzfahrzeuganwendungen sowie mobilen Arbeitsmaschinen ausführlich erläutert. Zukünftige Entwicklungstendenzen werden aufgezeigt.

Abgasnachbehandlungssysteme sind, je nach Anforderung an die Emissionsminderung, aus Systemen zur Eindosierung von Hilfsstoffen (Harnstoff, Kraftstoff), Partikelfilter und verschiedenen Katalysatoren aufgebaut. Die in Verwendung befindlichen Einzelkomponenten werden charakterisiert und hinsichtlich ihrer Funktion und Auslegungsmerkmale beschrieben. Detailliert wird anschließend auf Auslegung, Einsatzrandbedingungen, WechselwirkungWechselwirkung zwischen motorischen Betriebsparametern und den einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten untereinander sowie die Systemintegration eingegangen.

Das Messen von gasförmigen und Partikel-Emissionen begleitet einen Verbrennungsmotor über den gesamten „Life Cycle“. Beginnend bei elementaren Verbrennungsforschungsthemen, über die Entwicklung, den gesetzlich definierten Messung während der Typgenehmigung, bis hin zur Anwendung bei Serviceüberprüfungen. Diese für die Messung verwendeten Analysesysteme müssen gerade bei modernen Motoren in der Lage sein über lange Zeiträume extrem niedere Konzentrationen hochgenau zu messen, aber auch kurzfristige sehr hohe dynamische Spitzen korrekt zu erfassen.

Dieselmotoren sind wichtige Geräuschquellen der von ihnen angetriebenen Fahrzeuge, Schiffe, Maschinen und Aggregate. Die Geräuschemission von Dieselmotoren konnte in den vergangenen 50 Jahren durch eine Vielzahl von technischen Fortschritten deutlich reduziert werden; nach wie vor existiert jedoch auch noch ein erhebliches, bisher ungenutztes Geräuschminderungspotenzial.Die möglichen Maßnahmen zur Reduktion der Geräuschemission durch Verminderung der Geräuschanregung (durch Verbrennung, Kurbel-, Ventil- und Steuertrieb, Ansaug-, Abgas- und Kühlsystem) und der Körperschallübertragung und -abstrahlung werden dargestellt.

Eine Motorvollkapselung bietet erhebliches Potenzial zur Geräuschreduzierung, ist jedoch technisch anspruchsvoll und aufwendig. Zu optimierende Teilschallquellen sind Oberflächengeräusch, Mündungsgeräusche, Geräusche resultierend aus der Motorkühlung. Eine Motorvollkapselung kann geräteseitige Geräuschminderungsmaßnahmen ersetzen.Motorteilkapseln sind deutlich weniger effektiv, jedoch erheblich einfacher zu realisieren.

Der Dieselmotor hat sich als Antrieb für Personenkraftwagen in Europa fest etabliert. Insbesondere im rasch wachsenden Segment der SUV’s hält er einen Marktanteil von deutlich über 50 %. Auch in anderen Märkten wie z. B. Japan, Südkorea aber auch Indien ist seine Bedeutung stark gestiegen. Möglich war dies durch die enormen Fortschritte in der Verbrennungsentwicklung, der Einspritz- und Aufladetechnologie sowie der mittlerweile hochwirksamen Abgasnachbehandlung. Auch wenn natürlich noch gewaltige Herausforderungen auf die Dieselantriebe – insbesondere die sich deutlich verschärfenden Abgasnormen – zukommen werden, wird die hohe Energieeffizienz dafür sorgen, dass die Dieselmotoren in den nächsten Jahrzehnten weiterhin einen maßgeblichen Anteil im Pkw Bereich behalten werden.

Die Anforderungen an die zukünftigen Antriebe für leichte Nutzfahrzeuge steigen immer weiter an. Für eine hohe Wirtschaftlichkeit und Effizienz müssen Nutzfahrzeug-Aggregate verbrauchsarm bei gleichzeitig hohen Leistungs- und Drehmomentwerten sein. Damit wird der Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit eine zentrale Bedeutung beigemessen. Wegen ihrer Allroundfähigkeiten sind moderne Dieselaggregate bereits seit Jahrzehnten die dominierende Antriebsquelle für leichte Nutzfahrzeuge.

Schwere Nutzfahrzeuge sind das Rückgrat unserer modernen Wirtschaft und ein Garant für Wachstum und Wohlstand. Rund drei Viertel der Güterverkehrsleistung wird mit ihnen abgewickelt. Sie sind ausgesprochene Investitionsgüter und damit steht die Wirtschaftlichkeit an erster Stelle. Der moderne Dieselmotor trägt durch seine Effizienz kombiniert mit Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit in hohem Maße dazu bei. Durch die aktuelle Gesetzgebung werden Schadstoffe auf ein Minimum reduziert. Damit verschiebt sich der Fokus zukünftiger Entwicklungen hin zur Reduzierung von CO₂-Emissionen und damit dem Kraftstoffverbrauch.

Es wird der schnelllaufende Dieselmotor (SHD) in den großen Bereich der Dieselmotoren eingeordnet. Die Auslegungsdrehzahl liegt oberhalb 1000 min−1, die mittlere Kolbengeschwindigkeit deutlich oberhalb 10 m/s. Bei der spezifischen Kolberflächenleistung werden Werte bis zu 10 W/mm2 errreicht. Unter Zugrundelegung von technischen Randbedingungen beträgt die maximale Bohrung eines SHD ca. 300 mm und die maximale Zylinderleistung 700 kW. Es wird beschrieben, mit welchen technischen Mitteln hohe Leistungen dargestellt werden können. Entscheidend hierfür sind eine hohe spezifische Kolbenflächenleistung und hohe Zylinderzahlen bis zu 20 Einheiten. Die konstruktive Ausführung eines SHD wir im Detail beschrieben.

Einzylinder-Industrie-Dieselmotoren haben eine lange Historie und werden für die unterschiedlichsten Arbeitsmaschinen als Antrieb benötigt. Diese Art von Motoren haben besondere Anforderungen in Bezug auf Konstruktion und Zuverlässigkeit. Sie müssen robust, unempfindlich und langlebig sein und unter widrigsten Umständen bei Nässe, Schmutz, Kälte betrieben werden können. Diese Motoren haben ausschließlich mechanische Einspritzsysteme und werden häufig auch noch als Handstartmotoren benötigt. Emissionsmäßig kommen mechanische Einspritzsysteme immer mehr an die Grenzen, so dass einfache elektronische Einspritzsysteme angedacht werden, die jedoch für diesen Zweck angepasst bzw. entwickelt werden müssen.

Der Begriff Einbau- und Industriemotoren beschreibt Verbrennungsmotoren, deren primäre Anwendung nicht der Betrieb im Straßenverkehr ist. Ihre Vielfalt wird durch die hohe Varianz der Applikationen mit zum Teil sehr geringen Stückzahlen und die daraus resultierenden Anforderungen und Betriebsprofile geprägt. Die Hauptanwendungsgebiete lassen sich grob in die Kategorien Stationärmotoren, die weitgehend bei einer konstanten Drehzahl betrieben werden, sowie Motoren für mobile Arbeitsmaschinen einteilen, die durch sehr variable Drehzahl- und Lastprofile geprägt sind.Da Einbau- und Industriemotoren von den meisten Herstellern in alle Regionen der Welt exportiert werden, bedingen die Märkte eine zusätzliche Varianz durch marktspezifische Betriebsprofile, nationale- und regionale Gesetzgebungen und besondere klimatische Anforderungen. Die Hersteller müssen dem durch modulare Konzepte begegnen. Dabei liegt der Fokus dieses Kapitels auf Technologiekonzepten, die durch die aktuelle europäische und US-amerikanische Emissionsgesetzgebung geprägt sind und sich durch elektronisch geregelte Einspritzsysteme sowie einer Bandbreite von verschiedenen Abgasnachbehandlungssystemen auszeichnet. Anhand von Beispielen wird die Bandbreite der Motorleistung, Applikationen und Herstellerkonzepte erläutert.

Mittelschnelllaufende Motoren schließen die Lücke zwischen Off Highway High Speed Motoren (Bohrung <190 mm) und den 2-Takt Motoren. Praktisch alle verfügbaren flüssigen und gasförmigen Kraftstoffe, sei es Schweröl, Destillate, Methanol, bis hin zum Erdgas oder Biogasen können durch mittelschnellaufende Motoren hoch effizient verwendet werden. Mittelschnelllaufende Motoren decken ein sehr breites Leistungsband ab. So finden ihren Einsatz als kleine Hilfsdiesel ebenso wie in Kraftwerksanlagen bis zu 0,5 GW Leistung. Sie sind im stationären Kraftwerksbetrieb ideal geeignet um Regelenergie in kurzen Zeiträumen mit konstant hohen Wirkungsgraden und hohem elektrischen Wirkungsgrad sicher zu stellen. Bei wärmegführter Stromerzeugung sind thermische Wirkungsgrade >92 % erzielbar, wobei der elektrische Wirkungsgrad um 1.5–3 % verringert ausfällt im Vergleich zu einem Motor, der nur einen Generator antreibt. In diesem Artikel sind Passagen aus der vorherigen Auflage dieses Buches teilweise übernommen worden [1].

Heutige langsamlaufende Großdieselmotoren, welche fast ausschliesslich für den Schiffsantrieb mittels direkt gekoppeltem Propeller eingesetzt werden, basieren auf dem Prinzip des aufgeladenen, einfachwirkenden, längsgespülten, elektronisch gesteuerten Zweitakt-(Kreuzkopf-)Motors. Mit ihren großen Hub/Bohrungsverhältnissen lassen sich Wirkungsgrade von deutlich über 50 % erreichen, ohne Abstriche hinsichtlich Einhaltung global geltender Emissionsgrenzwerte und sicheren Betrieb unabhängig von der Qualität des Brennstoffs. Effizientes Thermomanagement (Bohrungskühlung der Brennraumkomponenten) und die Beherrschung der Tribologie sind Grundvoraussetzungen für höchste Zuverlässigkeit.

Eine nachhaltige Mobilität wird sichergestellt sein, wenn es gelingt einen „Zero-Impact-Emission-PowertrainZero-Impact-Emission-Powertrain“ zu realisieren. Der Dieselmotor hat dazu gute Chancen, weil er regenerativ erzeugte, speicherdichte Kohlenwasserstoffe in einer kompakten Aggregatebauform effizient in mechanische Vortriebsenergie umsetzen kann. Eine integrierte Abgasnachbehandlung und die Unterstützung durch elektrische Zusatzaggregate bzw. die alternative Nutzung einer Hybridisierung werden es möglich machen, dass das Emissionsniveau die Größenordnung des Hintergrundrauschens der normalen Umgebungsluft annimmt und damit als unbedenklich eingestuft werden kann.

Diesel-Hybridfahrzeuge bieten die Möglichkeit, Kunden mit elektrischen Fahrfunktionen zu begeistern, den Komfort des Fahrzeugs zu verbessern und den Verbrauch weiter zu senken. Dieselfahrzeuge mit elektrischen Antrieben zu einem Hybridantrieb zu kombinieren unterstützt zukünftige CO₂-Gesetzgebungs-Ziele zu erreichen. In diesem Kapitel werden die Treiber für Diesel-Hybridfahrzeuge und technische Lösungen vorgestellt. Die Rückwirkungen der Hybridisierung auf den Betrieb und die Auslegung der Dieselkomponenten sind beispielhaft dargestellt.

In den vergangenen Jahren wurden große Anstrengungen unternommen um die Schadstoffemissionen von Nutzfahrzeugen weiter zu senken. Ein wichtiger Meilenstein dabei war die Einführung der Euro 6 Norm für Nutzfahrzeuge im Straßenverkehr. Details hierzu sind im Kap. 48, „Abgasgesetzgebung für Nfz-und Industrie-Dieselmotoren“ beschrieben. Weitere Anstrengungen zielen nun vor allem darauf ab, den Kraftstoffverbrauch und somit die CO₂-Emissionen zu senken. Eine mögliche Maßnahme dabei stellt die Elektrifizierung des Antriebstrangs dar. Hierzu werden bereits verschiedene Konzepte erprobt und in kleineren Stückzahlen in Serie produziert. Auf Grund der spezifischen Anwendungen und damit verbunden unterschiedlichen Lastzyklen und Systemanforderungen kommen in den einzelnen Nutzfahrzeugsegmenten verschiedene Elektrifizierungskonzepte zum Einsatz. In den nachfolgenden Kapiteln werden einige ausgewählte Konzepte und Anwendungsfälle beschrieben und der Nutzen quantifiziert.