Handbuch Dieselmotoren

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

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

Die im Kraftfahrzeug bevorzugt eingesetzten Antriebsmaschinen basieren auf Verbrennungskraftmaschinen. Bei diesen wird die in dem überwiegend aus Kohlenwasserstoffen bestehendem Kraftstoff gebundene chemische Energie durch Oxidation mit dem in der Verbrennungsluft befindlichen Sauerstoff in Wärme umgewandelt, diese wird wiederum an das Arbeitsmedium der Maschine übertragen. Der Druck im Arbeitsmedium steigt an und kann unter Ausnutzung der Expansion in eine Kolbenbewegung und damit in mechanische Arbeit umgewandelt werden.

Als Rudolf Diesel Ende des 19. Jahrhunderts den ersten Verbrennungsmotor mit Selbstzündung entwickelte, stellte er fest, dass Benzin mit seiner Sicherheit gegen Selbstzündung als Kraftstoff ungeeignet war. Nach umfangreichen Versuchen mit verschiedenen Kraftstoffen ergab sich, dass sog. Mitteldestillate deutlich besser geeignet waren. Dies waren Komponenten, die bei der Destillation von Rohöl bei höheren Temperaturen als Benzin anfielen und für die es bis dahin nur begrenzte Verwendungsmöglichkeiten gab. Typische Anwendungsgebiete waren damals Lampenpetroleum und der Zusatz zum Stadtgas. Daher rührt auch die heute noch gebräuchliche und beim Zoll übliche Bezeichnung „Gasöl“ für Mitteldestillate her.

Das vorliegende Kap. behandelt die Grundlagen, Wirkungsweise und technische Ausführung von Dieseleinspritzsystemen. Dabei beschränken sich die Ausführungen zunächst auf die Komponenten und Teilsysteme, welche direkt in Kontakt mit dem Dieselkraftstoff sind und diesen in Form eines Fluidsprays in den Brennraum einspritzen und zumessen. Das elektronische System, wie Sensorik, Regelstrukturen und Bedatung des elektrischen Steuergeräts, beschreibt Kap. 6 Regelung und Steuerung der Kraftstoffeinspritzsysteme. Die Anforderungen an die Kraftstoffzumessung leitet Kap. 3 aus der dieselmotorischen Verbrennung und den Zielgrößen Verbrauch, Schadstoffemissionen, Komfort und Leistung ab. Das daraus resultierende Lastenheft an die Einspritzung legt fest, wie der Kraftstoff zeitlich und örtlich in den Brennraum eingebracht werden muss, um die geforderten motorischen Ziele zu erreichen. Makroskopisch ist dabei die Einspritzung durch die Größen Einspritzmasse, Einspritzbeginn, Einspritzdruck und Einspritzverlauf¹ definiert, während mikroskopisch der Einspritzstrahl selbst durch seine strömungsmechanischen und geometrischen Funktionen zeitlich und örtlich die Kraftstoffverteilung in den Brennraum beschreibt.

Mechanische Regler finden auch heute noch wegen ihrer Robustheit und Wartungsfreundlichkeit weltweiten Einsatz, insbesondere bei Off-Highway-Anwendungen und Stationärmotoren. Die Grundfunktionen der mechanischen Regelung werden am Beispiel der Reihenpumpe dargestellt.

Die Ermittlung der wirksamen Lasten im Dieselmotor ist für die Auslegung der einzelnen Motorkomponenten und Baugruppen von entscheidender Bedeutung. Die Bestimmung der Beanspruchung ist dabei eine wichtige Voraussetzung für die Dimensionierung der Bauteile. Sie bildet die Grundlage bei der Bestimmung der geometrischen Abmessungen, des zu verwendenden Werkstoffs oder auch des anzuwendenden Fertigungsverfahrens. Damit kommt der Belastungsanalyse im Entwicklungsprozess eine wichtige Rolle bei der Kosten-und Kapazitätsabschätzung zu und bestimmt wesentlich die Zuverlässigkeit des Dieselmotors.

In Hubkolbentriebwerken wird die oszillierende Kolbenbewegung über die sowohl mit den Kolbenbolzen als auch mit den Hubzapfen der Kurbelwelle gelenkig verbundenen Pleuel in eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle umgesetzt. Bei der Triebwerksauslegung ist die Laufruhe ein allgemein wichtiges Kriterium. Priorität bei Ottomotoren hat die Schnelllauffähigkeit. Möglichst geringe bewegte Massen stehen daher absolut im Vordergrund. Bei Dieselmotoren ist der Schwerpunkt etwas verschoben. Die Beherrschung der Gaskraftwirkungen ist hier die primäre Herausforderung. Denn im Vergleich mit Ottomotoren treten mindestens doppelt so hohe, mit der Baugröße weiter zunehmende Zünddrücke auf.

Ein Dieselmotor setzt die zugeführte Brennstoffenergie je nach Motorgröße sowie Arbeits- und Verbrennungsverfahren zu 30 bis 50% in Nutzarbeit um. Der restliche Anteil — abgesehen von Umsetzungsverlusten bei der Verbrennung — wird als Wärme an die Umgebung abgegeben (Bild 9-1), größtenteils mit dem Abgas und über das Kühlsystem. Nur ein relativ kleiner Anteil gelangt über die Motoroberfläche durch freie Konvektion und Strahlung an die Umgebung. Die über das Kühlsystem abgeführte Wärme umfasst neben der an das Kühlmittel übertragenen Bauteilwärme auch die im Schmieröl- und Ladeluftkühler abgeführten Wärmen.

Die Werkstofftechnik ist eine jener Schlüsseltechnologien, die mit der Entwicklung des Dieselmotors von Beginn bis in die heutige Zeit eng verknüpft ist. Nicht nur die schon mit der Grundidee verbundenen hohen Drücke und Temperaturen, sondern auch zusätzliche korrosive und tribologische Einwirkungen beanspruchen die Motorbauteile sehr komplex und bestimmen die Werkstoffauswahl. Sie orientiert sich primär an den Zielsetzungen Der erreichte Stand [10-1], [10-2] wird am besten dadurch charakterisiert, dass ausgehend von Leistungsgewichten von 25 bis 50 kg/kW Anfang des 20. Jahrhunderts heute teilweise nur noch ein Zehntel dieses Materialeinsatzes benötigt wird. Dabei werden trotz höherer Beanspruchungen wesentlich größere Anforderungen an Gebrauchsdauer und Zuverläsigkeit erfüllt.

Der Dieselmotor stellt nicht nur an die Belastungsfähigkeit aller Bauteile höchste Ansprüche, sondern auch an den Schmierstoff, also an das Motorenöl, das deswegen ein technisch komplexer Betriebsstoff ist [11-1] bis [11-3]. Da sich die Einsatzbedingungen für Pkw- und Nfz-Dieselmotoren sowie Großdieselmotoren erheblich unterscheiden, kommen unterschiedliche, für den Verwendungszweck optimierte Schmieröle zum Einsatz.

Das Starten eines Fahrzeugs mit Dieselmotor bei tiefen Temperaturen war in den Anfangszeiten des Diesels nur unter starker Rauchentwicklung begleitet von lauten Nagelgeräuschen möglich. Vorglüh- und Motorstartzeiten von mehreren Minuten waren üblich. Die Verbesserung der Startwilligkeit von Selbstzündern war und ist deshalb ein wichtiges Ziel der Entwicklungsaktivitäten von Motorherstellern und Zulieferern. Die Weiterentwicklung von geeigneten Starthilfesystemen und deren Anpassung an die motorischen Gegebenheiten führten zu entscheidenden Fortschritten beim Kaltstart- und -laufverhalten von Dieselmotoren. Zur Unterstützung des Motorstarts- und -laufs bei geringen Außentemperaturen werden bei Pkw Glühstiftkerzen (GLP) (Hubraumvolumen typisch kleiner 1 l/Zylinder) und bei Nkw mit größerem Hubvolumen Ansaugluftvorwärmsysteme wie Anheizkerzen, Heizflansche oder Flammstartanlagen verwendet.

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

Wenngleich die in den siebziger Jahren in der gesamten Bevölkerung bewusst gewordene Endlichkeit der Vorräte an fossilen Energieträgern wieder etwas in den Hintergrund getreten ist, so wird durch die Auswirkungen des Schadstoffeintrags aber auch des CO₂-Eintrags in die Erdatmosphäre doch immer wieder die Notwendigkeit einer langfristig zielorientierten, umweltschonenden Energiepolitik deutlich.

Die direkte Abgabe der Abgaskomponenten aus Verbrennungsvorgängen an die Umgebung, d. h. die Emission ist der primäre und wichtigste Prozess in einer Wirkkette von der Emission über die Transmission zur Immission und Wirkung. Grundsätzlich unterscheiden wir natürliche Emissionen, z. B. aus der Vegetation, von Meeren, aus der Vulkanaktivität oder aus der Fäulnis von Biomasse, und sog. anthropogene, d. h. vom Menschen verursachte oder beeinflusste Emissionen, wie z. B. bei der Energieerzeugung, dem Verkehr, der Industrie, dem Haushalt und der Landwirtschaft. Wir beschäftigen uns nachfolgend ausschließlich mit den anthropogenen Emissionen aus dem Verbrennungsvorgang des Dieselmotors. Bild 15-1 zeigt diese Wirkungskette mit den wichtigsten anthropogenen Quellen [15-1]. Die Abgaskomponenten können sowohl schädlich als auch unschädlich sowie gasförmig, flüssig oder fest sein.

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

Nach seiner ersten betriebsfähigen Ausführung im Jahr 1897 wurde der Dieselmotor relativ spät als Pkw-Antrieb eingesetzt. Erst mit der Serieneinführung der ersten dieselmotorisch angetriebenen Personenkraftwagen im Jahr 1936 gelang es, den Dieselmotor auch in diesem Segment als alternatives Antriebskonzept den damals dominierenden Ottomotoren entgegenzusetzen.

Der Einzylinder-Industrie-Dieselmotor hat eine traditionsreiche Geschichte, die vom ersten, betriebsfähigen Dieselmotor im Jahre 1897 bis zu dem heutigen, luftgekühlten, vielfältig einsetzbaren Einzylinder-Kleindieselmotor reicht. Wegen geringer leistungsspezifischer Herstellkosten, geringem Kraftstoffverbrauch, günstigen Schmierbedingungen und besserer Abgasqualität wird er nur noch als Viertaktmotor vor allem im Kleindieselsegment ausgeführt.