Aufladung der Verbrennungskraftmaschine

Frontmatter

1. Einleitung und kurze Geschichte der Aufladung

Zusammenfassung

Die Zukunft der Verbrennungskraftmaschine stellt sich im energiepolitischen Umfeld mit einiger Wahrscheinlichkeit wie folgt dar: Erdöl wird für absehbare Zeit weiterhin der Hauptenergieträger für Verbrennungskraftmaschinen im mobilem Einsatz und transienten Lastkollektiven sein; Erdgas und in begrenztem Umfang synthetische Kraftstoffe (Methanol u. Ä.) sowie sehr langfristig Wasserstoff werden zusätzlich an Bedeutung gewinnen. Verbrennungskraftmaschinen für diese Kraftstoffe sind Hub- oder Rotations-Kolbenverbrennungsmotoren, Gasturbinen und Dampfturbinen. Diese Maschinen werden in Flugzeugen, Schienenfahrzeugen, Schiffen, stationären Krafterzeugungsanlagen und in Straßenfahrzeugen mit Rücksicht auf die jeweiligen Erfordernisse entsprechend ihrem Entwicklungsstand eingesetzt.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

2. Grundlagen und Ziel der Aufladung

Zusammenfassung

Ziel der Aufladung ist es, auf beliebige Art und mit Hilfe eines geeigneten Systems die Ladungsdichte des Arbeitsmediums (Luft oder Luft-Brennstoffgemisch) vor dem Einströmen in den Arbeitszylinder anzuheben, d. h. vorzuverdichten. Dabei sollte die Temperatur des Arbeitsmediums nicht merklich erhöht und damit das Temperaturprofil des Hochdruck-Arbeitsprozesses nicht nachteilig beeinflusst werden.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

3. Thermodynamik der Aufladung

Zusammenfassung

Für die folgenden Ausführungen werden Grundkenntnisse über thermodynamische Abläufe im Verbrennungsmotor vorausgesetzt und es wird nur auf die für die Aufladung selbst wesentlichen Zusammenhänge eingegangen.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

4. Mechanische Aufladung

Zusammenfassung

Falls der Vorverdichter (Verdränger- oder Strömungslader) direkt vom Motor angetrieben wird, spricht man von einer mechanischen Aufladung. Bei Verdrängerladern ist im Regelfall ein starres Übersetzungsverhältnis ausreichend, während bei Strömungsverdichtern ein variables Übersetzungsverhältnis für die meisten Anwendungsfalle notwendig ist.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

5. Abgasturboaufladung

Zusammenfassung

Die eindeutige Zielsetzung der Abgasturboaufladung ist die Erhöhung der Leistungsdichte von Kolbenverbrennungsmotoren durch eine Vorverdichtung des Arbeitsmediums Luft. Gleichzeitig können die Rahmenbedingungen für einen gesteuerten und nach Emissionsgesichtspunkten optimierten Verbrennungs- und Hochdruckprozessablauf unter Nutzung der—infolge des geometrisch vorgegebenen Kolbenexpansionsverhältnisses—sonst am Ende des Hochdruckprozesses verlorenen Abgasenergie verbessert werden.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

6. Besondere Arbeitsverfahren mit Nutzung der Abgasturboaufladung

Zusammenfassung

Mit heutigen, meist aus Aluminium gefertigten Verdichterrädern sind Umfangsgeschwindigkeiten von ca. 520 m/s dauerfest darstellbar und damit Druckverhältnisse von ca. 4,5. Bei Abgasturboladern von Großmotoren werden mit Titanrädern, die noch höhere Umfangsgeschwindigkeiten zulassen, Druckverhältnisse größer als 5 erreicht. Will man noch höhere Druckverhältnisse und damit Motormitteldruckwerte um oder sogar über 30 bar erreichen, so muss zumindest für einen Dauerbetrieb mehrstufig aufgeladen werden.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

7. Betriebsverhalten aufgeladener Motoren

Zusammenfassung

Bei einem Diesel-Saugmotor ist der Luftdurchsatz durch den Motor nahezu unabhängig von der Last und nur durch seine Drehzahl bestimmt. Mit dieser Charakteristik weist er das bestmögliche Lastaufnahmeverhalten auf, denn sein Leistungs- und Momentenanstieg hängt nur von der Änderungsgeschwindigkeit der Kraftstoff-Einspritzmenge ab, wobei Verbrennungsgüte und Einspritzzeitpunkt hier in erster Näherung als konstant angenommen werden und die Drehzahländerung als klein im Vergleich zur Änderung der eingespritzten Kraftstoffmenge betrachtet werden kann.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

8. Betriebsverhalten aufgeladener Motoren im Fahrzeugeinsatz

Zusammenfassung

Obwohl naturgemäßder Begriff „Fahrzeug” neben den reinen Straßenfahrzeugen auch noch Offroadfahrzeuge, Traktoren und auch z. B. Lokomotiven umfasst, soll hier zuerst nur in Pkw- und Nutzfahrzeuganforderungen differenziert werden, wobei die Offroad- und Traktorenbelange unter Nfz-Anforderungen subsummiert werden können. Die Lokomotivmotoranforderungen entsprechen weitest gehend den Stationärmotor-Betriebsbedingungen. Die speziellen Anforderungen der letztgenannten Fahrzeugkategorien werden in Abschn. 8.3 diskutiert.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

9. Laderregeleingriffe und Regelungsphilosophien für Starrgeometrie- und VTG-Lader

Zusammenfassung

Einleitend sollen die wichtigsten Begriffe für Regelvorgänge unter Beachtung der Definition von DIN 19226 festgehalten werden.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

10. Messtechnische Erfassung der Betriebsdaten aufgeladener Motoren am Motorprüfstand

Zusammenfassung

In Kap. 9 wurde die Bedeutung der Verifikation von Simulationsmodellen an Hand von Messdaten angesprochen. Dabei wurden verschiedenste Messgrößen wie z.B. Drücke, Temperaturen, Massenströme, Leistungen und Drehzahlen berücksichtigt. Wir wollen in diesem Kapitel einen sehr kompakten Überblick über die bevorzugt eingesetzten Messtechniken und -mittel zur Erfassung dieser Größen geben. Für ein vertieftes Studium dieses Themenbereichs soll aber auf die Literatur verwiesen werden [108].

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

11. Mechanik von Aufladegeräten

Zusammenfassung

In diesem Kapitel werden vor allem die mechanischen und produktionstechnischen Eigenschaften von Aufladegeräten beschrieben.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

12. Ladeluftkühler und Ladeluftkühlsysteme

Zusammenfassung

Da, wie in Kap. 2 ausführlich hergeleitet, die Ladeluftkühlung bei der Realisierung von hohen Leistungsdichten sowie niedrigen Kraftstoffverbräuchen und Emissionswerten eine entscheidende Rolle spielt, muss dem Ladeluftkühlsystem und seinen Komponenten die entsprechende Bedeutung bei der Ausahl für bestimmte Motorkonzepte und Einsatzfälle zugemessen werden. Dazu sind die Kenntnis von Kühlerbauarten sowie die Auswahl eines geeigneten Ladeluftkühlsystems ebenso wichtig wie die der jeweils entsprechenden Kennzahlen.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

13. Aussichten und Weiterentwicklung der Aufladung

Zusammenfassung

In diesem Kapitel soll der Versuch eines Ausblickes auf mögliche künftige Entwicklungen—ausgehend vom aktuellen Stand der Aufladetechnik—unternommen werden, wobei möglichst realistische Szenarien zugrunde gelegt werden.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

14. Beispiele ausgeführter Auflademotoren

Zusammenfassung

Die Geschichte aufgeladener Ottomotoren begann mit Rennsporteinsätzen, wobei bereits in den 1920er, vor allem aber in den 1930er Jahren mittels mechanischer Aufladung sowohl von AutoUnion- als auch Mercedes-Benz-Rennmotoren beachtliche Literleistungen im Bereich von 120 kW/1 erreicht wurden.

Hermann Hiereth, Peter Prenninger

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