Aufladung von Verbrennungsmotoren

In den vorangegangenen Auflagen wurde jeweils in der Einleitung zunächst der Frage nachgegangen, ob auch in Zukunft in genügender Menge für Verbrennungsmotoren geeignete Kraftstoffe zur Verfügung stehen würden. In der dritten Auflage (1985) wird dazu festgestellt, dass seit 50 Jahren der Verbrauch von Erdöl und die Entdeckung neuer Erdölquellen sich ungefähr die Waage gehalten hätten. Wenngleich dies bislang weitgehend immer noch zutrifft, so gehen doch die aktuellen Prognosen der Ölkonzerne dahin, dass in den Jahren 2020–2030 der weltweite Hochpunkt der Erdölförderung (Peak-Oil ) erreicht wird, unabhängige Experten halten diese Situation sogar schon jetztes sind Mittelklasse für gegeben [1, 2].

Die effektive Motorleistung P _e eines Verbrennungsmotors ergibt sich gem. Gl.  \({{P}_{e}}={{\dot{m}}_{B}}\cdot {{H}_{u}}\cdot {{\eta }_{e}}\) aus dem zugeführten Kraftstoffmassenstrom \({{\dot{m}}_{B}}\), dem Heizwert H _u des Kraftstoffs und dem effektiven Wirkungsgrad η _e . Das Produkt \({{\dot{m}}_{B}}\cdot {{H}_{u}}\) entspricht dem bei vollständiger Verbrennung freigesetzten Verbrennungswärmestrom und damit der zugeführten Kraftstoffleistung, welche mit dem Wirkungsgrad η _e in mechanische Leistung umgewandelt und an der Kupplung des Motors abgegeben wird. Zur Verbrennung der Kraftstoffmasse m _B je Zylinder und Arbeitsspiel ist, je nach vorliegendem Verbrennungsverfahren des Motors, ein bestimmter Luftmassenstrom \({{\dot{m}}_{LZ}}\) bzw. eine bestimmte Luftmasse m _LZ je Zylinder und Arbeitsspiel erforderlich. Dieser Zusammenhang kommt im Verbrennungsluftverhältnis \( {{\lambda }_{V}}=\frac{{{m}_{LZ}}}{{{L}_{\min }}\cdot {{m}_{B}}}=\frac{{{{\dot{m}}}_{LZ}}}{{{L}_{\min }}\cdot {{{\dot{m}}}_{B}}} \) zum Ausdruck, mit L _min als dem Mindestluftbedarf des Kraftstoffs.

Hier sollen nur die Anfänge der historischen Entwicklung behandelt werden. Schon Gottlieb Daimler befasste sich mit der Aufladung seiner Motoren. Die Patentschrift des ihm erteilten Patents DRP 34926 vom Jahre 1885 beginnt mit folgenden Sätzen: „Bei diesem Motor kommen der Menge nach größere und von Verbrennungsrückständen freiere Gemischladungen als bisher üblich zur Verwendung. Dies wird dadurch erzielt, dass in dem Verbrennungsraum, in welchem nur auf jeden zweiten Hub eine Ladung und Verbrennung stattfindet, durch die auf der anderen Seite des Zylinders gebildete Pumpe zu obiger Hauptladung auf jeden Hub je eine Ladung Gemisch oder Luft beigepresst wird.“ Wie Abb. 3.1 (rechts) zeigt, war der Kurbelkasten dieses Tauchkolben-Viertaktmotors mit den als Schwungscheiben gestalteten Kurbelwangen nahezu ausgefüllt, in welchen – ähnlich wie bei einem Zweitaktmotor mit Kurbelkastenspülung – beim Aufwärtshub des Kolbens Luft bzw. Gemisch gesaugt wurde. Dieses wurde beim nachfolgenden Abwärtshub des Kolbens durch dessen Unterseite im Kurbelkasten vorverdichtet und gegen Ende des Abwärtshubs über ein federbelastetes Ventil im Kolben in den Arbeitszylinder gedrückt.

Der zylinderinterne Prozess des Hubkolben-Verbrennungsmotors lässt sich anhand des so genannten Indikatordiagramms veranschaulichen, der Darstellung des Zylinderdrucks p _Z über dem (momentanen) Zylindervolumen V _Z. Abbildung 4.1 zeigt schematisiert das jeweilige Indikatordiagramm für den Viertakt- (links) und den Zweitaktmotor (Mitte), jeweils im unaufgeladenen Betrieb, und schließlich das Indikatordiagramm des Seiliger-Prozesses (rechts).

Die prinzipielle Aufgabe des Laders besteht darin, dem Motor einen bestimmten Luft- bzw. Frischgas-Massenstrom zu liefern, der im Lader zuvor vom Ladereintrittszustand (p ₁, T ₁) auf den Austrittsdruck p ₂ verdichtet worden ist.

Um das Zusammenwirken eines Laders mit dem Motor beurteilen zu können, ist es zweckmäßig, den Motor als Verbraucher des Laders im Laderkennfeld darzustellen. Diese Kennlinie des Motors wird als Schlucklinie bezeichnet. Beim Viertaktmotor erfolgt der Ladungswechsel des Zylinders im Wesentlichen durch den Ansaughub und den Ausschiebehub des Kolbens und, bei Vorhandensein einer Ventilüberschneidung, zudem zu einem gewissen Anteil durch Spülung. Während der Ventilüberschneidung befindet sich der Kolben im Bereich des oberen Totpunkts und bewegt sich dabei so langsam, dass er praktisch keine Ansaug- bzw. Ausschiebewirkung ausüben kann. Eine Spülung kann daher nur stattfinden, wenn ein positives Spülgefälle vorliegt, also der Druck vor Zylinder-Einlass höher als der Druck nach Zylinder-Auslass ist. Bei Viertakt-Saugmotoren entsteht dieses positive Spülgefälle durch den Sog, den das während der vorangegangenen Ausschiebephase aus dem Zylinder abgeströmte Abgas, bei immer noch geöffnetem Auslassventil, auf die verbliebene Zylinderfüllung ausübt. Diese gasdynamische Saugwirkung hält nur über eine sehr kurze Phase an, so dass allenfalls ein Ausspülen des Restgases aus dem Zylinder erreicht wird, nicht aber ein massives Durchspülen von Frischgas durch den Zylinder. Dementsprechend klein ist die Ventilüberschneidung bei Saugmotoren (10–60°KW) gegenüber der Ventilüberschneidung von hoch aufgeladenen Großdieselmotoren (60–120°KW) zu wählen. Bei letzteren ermöglicht die Abgasturboaufladung in einem weiten Betriebsbereich ein positives Spülgefälle und damit ein Durchspülen von Frischgas durch den Zylinder, und zwar in einem so hohen Maße, dass dabei über die Restgasausspülung hinaus auch eine Kühlung der brennraumbegrenzenden Bauteile erreicht wird. Zudem lässt sich dadurch auch die Abgastemperatur nach oben begrenzen, was bei Schweröleinsatz zur Vermeidung von Heißkorrosion an den Auslassventilen und insbesondere an der Abgasturbine erforderlich ist.

Obwohl das Abgestimmte Saugsystem ohne Lader arbeitet, außer bei der kombinierten Aufladung – s. Abschn. 10.12 –sei dennoch hier kurz darauf eingegangen, da man praktisch bei allen Fahrzeugmotoren mit Schwingungen im Saugsystem rechnen muss, und es sich dabei auch um ein Zusammenwirken mit dem Motor handelt. Durch die periodisch öffnenden Einlassorgane des Motors werden im Saugsystem Schwingungen angeregt, die je nach Frequenz und Phase bei bestimmten Motordrehzahlen eine Vergrößerung, bei anderen eine Verkleinerung des Liefergrads bewirken. Sowohl bei den frei in die Atmosphäre mündenden Einzelrohren eines Rennmotors (Abb. 7.3) als auch bei den an einem kleinen Aufnehmer zusammengefassten Einzelrohren bei den Motoren von Gebrauchsfahrzeugen hat man es im Wesentlichen mit einem aperiodischen Schwingungsvorgang zu tun. Das Funktionsprinzip lässt sich, stark vereinfacht und unter Anwendung der akustischen Theorie, wie folgt darstellen (Abb. 7.1).

Bevor elektronische Rechenanlagen zur Verfügung standen, war man für die Berechnung des Zusammenwirkens von Motor und Aufladeeinheit auf geschlossene Rechenansätze angewiesen, die sich auf stationär vermessene Kennfelder des Motors und der Aufladeeinheit stützten. Daraus abgeleitete Mehrquadranten-Diagramme, so auch das Vierquadranten-Diagramm in der 3. Auflage dieses Buches, und ihre rechnerisch-grafische Anwendung können die inneren Vorgänge im aufgeladenen Motorsystem zwar qualitativ gut veranschaulichen, sind bezüglich des praktischen Einsatzes wegen der größeren Realitätsnähe inzwischen aber vollständig von den Methoden der Motorprozess-Simulation abgelöst worden. Entsprechende Rechenprogramme bestehen im Wesentlichen darin, dass die im Motor ablaufenden instationären Zustandsänderungen und Teilprozesse darin in Form von Differentialgleichungen mathematisch modelliert sind, welche numerisch integriert werden.

Die erste in der Praxis erfolgreiche Ausführung der Abgasturboaufladung war eine solche mit einer für alle Zylinder des Motors gemeinsamen Abgassammelleitung, also eine mit Stauaufladung , jedoch ist der Durchbruch erst mit der Verwirklichung der in der Schweizer Patentschrift Nr. 122 664 vom 30.11.1925 (DRP 568 855) von A. Büchi niedergelegten Ideen gelungen. Nach diesem Druckwellen-Verfahren sollen die Abgasleitung und der Eintrittsquerschnitt in die Abgasturbine so bemessen sein und die Steuerzeiten des Motors so gewählt werden, dass der Druck p _A in der Abgasleitung nach Öffnen des Auslassventils über den Druck p_E in der Ladeluftleitung steigt, aber während der Spülphase dann unter den Ladedruck sinkt (s. Abb. 3.​10) – wir sprechen heute von Stoßaufladung .

Wie schon mehrfach ausgeführt, ist es für einen ungeregelten Abgasturbolader fixer Geometrie nicht möglich, den im Auslegungspunkt gegebenen Ladedruck zu halten, wenn der Motor bei geringerer Drehzahl als im Auslegungspunkt betrieben wird. Um dennoch für einen Fahrzeugmotor einen geeigneten Ladedruck- und damit Drehmomentverlauf über der Motordrehzahl (Volllastkurve) zu erhalten, ist eine Ladedrucksteuerung erforderlich, im einfachsten Fall über ein Wastegate an der Turbine (s. Abschn. 9.​3).

Wie in Abschn. 7.4 dargelegt, lässt sich bei gegebenem Aufladegrad (Ladedruck) durch Ladeluftkühlung die Dichte der Ladeluft erhöhen und darüber die Motorleistung steigern. Die theoretisch erreichbare minimale Ladelufttemperatur ist durch die Kühlmitteltemperatur gegeben. In der Praxis liegt die Ladelufttemperatur, bei hoher Motorlast besonders deutlich, oberhalb der Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Ladeluftkühler.

Wird die Nennleistung eines gegebenen Motors gesteigert, sei es über den effektiven Mitteldruck p _e oder über die Drehzahl n _M , so steigt in beiden Fällen sowohl die mechanische als auch die thermische Belastung des Motors.

Wenngleich das Zusammenwirken von Motor und Aufladeaggregat den Hauptinhalt des Buches bildet, so sollen in den nachfolgenden Abschnitten doch zumindest die wichtigsten Konstruktionsmerkmale der Abgasturbolader angesprochen werden. Dabei ist hinsichtlich Bauart und Fertigungsmethoden zu unterscheiden zwischen den in großen Stückzahlen hergestellten und äußerst kostenkritischen, kleinen Abgasturboladern, wie sie in Fahrzeugmotoren verwendet werden, – s. Abschn. 14.​2 – und den auf höchste Druckverhältnisse und Wirkungsgrade entwickelten Abgasturboladern für Großmotoren, die allenfalls in Kleinserien produziert werden – s. Abschn. 14.​3.

Der Antriebsmotor bei modernen Motorrädern ist nahezu ausschließlich ein Viertakt-Otto-Saugmotor. Die Zylinderzahl reicht von eins bis sechs, bezüglich der Zylinderanordnung können die Motoren als Reihen- oder V-Motoren oder auch als Boxermotoren ausgeführt sein. Zweitaktmotoren sind heute, abgesehen von Rennmotoren, nur noch bei Kleinmotorrädern (Mofa) zu finden, weil es mit Zweitaktmotoren schwieriger ist, die aktuellen Abgas- und Geräuschvorschriften zu erfüllen.