Aufladung von Verbrennungsmotoren

Ähnlich wie in den beiden ersten Auflagen, soll in der Einleitung untersucht werden, welche Stellung der Verbrennungsmotor unter den anderen Wärmekraftmaschinen einnimmt und welche Bedeutung er heute hat. Hierzu gehört die Beantwortung der Frage, ob geeignete Kraftstoffe auch in Zukunft in genügender Menge zur Verfügung stehen werden. Nach den Statistiken der Ölgesellschaften /0.1/ würden die heute bestätigten Erdölreserven bei gleichbleibender Förderung noch rd. 30 Jahre reichen. Diese Feststellung hat sich bis auf gewisse Schwankungen seit 50 Jahren kaum geändert, ein Zeichen dafür, daß der Verbrauch und die Entdeckung neuer Quellen sich bisher ungefähr die Waage hielten. Außerdem ist die Erzeugung von Alternativ-Kraftstoffen zur Verwendung im Verbrennungsmotor kein technisches, sondern ein wirtschaftliches Problem. Je höher der Preis für das Erdöl steigt, umso eher werden die Alternativ-Kraftstoffe konkurrenzfähig. Einige aus der Kohle gewinnbare Kraftstoffe haben praktisch die gleichen Eigenschaften wie die aus dem Erdöl, andere erfordern im Verbrennungsmotor verhältnismäßig leicht zu bewerkstelligende Anpassungen. Von dieser Seite her ist die Existenz des Verbrennungsmotors für die nächste überschaubare Zukunft nicht bedroht.

Durch Aufladen will man gegenüber selbstansaugendem Viertakt-bzw. gegenüber dem nur gespülten Zweitaktmotor die Ladungsmenge und damit die Leistung erhöhen. Es wird verdichtete Ladung zugeführt.

Hier sollen die Anfänge der geschichtlichen Entwicklung nur kurz gestreift werden.

Die Größe des Laders ist durch den Volumendurchsatz V m³/s und durch das von ihm zu erzeugende Druckverhältnis p₂/p_l bestimmt.

Die Konstruktionsbeschreibung der verschiedenen Laderbauarten und ihre Berechnung würde den Rahmen dieses Buches überschreiten. Wichtig im Zusammenhang mit der Aufladung sind die kennzeichnenden Eigenschaften der verschiedenen Laderbauarten, um ihr Zusammenwirken mit dem Motor beurteilen zu können.

Um das Zusammenwirken eines Laders mit dem Motor beurteilen zu können, braucht man auch dessen Kennlinien, d.h. die Abhängigkeit des Luftdurchsatzes von der Motordrehzahl und dem Ladedruck; außerdem ist der Einfluß der Ladelufttemperatur und des Gegendruckes hinter dem Motor auf den Luftdurchsatz wissenswert.

Obwohl das abgestimmte Saugsystem ohne Lader arbeitet (außer bei der kombinierten Aufladung, siehe Kap. 8.4.7), sei hier kurz darauf eingegangen, da praktisch alle Fahrzeugmotoren mit Schwingungen im Saugsystem rechnen müssen, und da es sich ja auch um ein Zusammenwirken mit dem Motor handelt. Durch die periodisch öffnenden Einlaßquerschnitte des Motors werden im Saugsystem Schwingungen erzeugt, die je nach Frequenz und Phase bei bestimmten Drehzahlen eine Vergrößerung, bei anderen eine Verkleinerung des Liefergrades bewirken. In der zweiten Auflage dieses Buches waren die Systeme a: Einzelrohr-Stoßaufladung, b: Schwingrohr-Aufladung und c: Resonanz-Aufladung zur Diskussion gestellt worden, deren Definition sich von der nach Normblatt DIN 6262 unterscheidet. Die vereinzelt schriftlich, vorwiegend aber mündlich vorgebrachten Stellungnahmen gingen dahin, daß a und b zusammengefaßt und mit Schwingrohr-Aufladung bezeichnet werden könnten, da der Schwingungsvorgang bei beiden gleich sei. Es werden daher im folgenden nur die Systeme unterschieden. Sowohl bei den frei in die Atmosphäre mündenden Einzelrohren (beim Rennwagen) als auch bei den an einem kleinen Aufnehmer zusammengefaßten Einzelrohren — wegen des gemeinsamen Luftfilters, der gemeinsamen Drosselklappe und gegebenenfalls des gemeinsamen Vergasers, benötigt das Gebrauchsfahrzeug diesen kleinen Aufnehmer — hat man es im wesentlichen mit einem aperiodischen Schwingungsvorgang zu tun. Beim Saugvorgang wandert infolge der Trägheitswirkung der Gassäule eine Unterdruckwelle in das Saugrohr hinein. Die Unterdruckwelle wird am offenen Rohrende als Druckwelle reflektiert. Die Rohrlänge muß so abgestimmt sein, daß die Druckwelle etwas vor Einlaßventilschluß am Zylinder ankommt. Die Ladungsdruckwelle wird durch den vorherigen Saughub angefacht, ein mehrmaliges Hin- und Herschwingen ist für den Ladungsvorgang unwesentlich, die gegenseitige Beeinflussung der Rohre am gemeinsamen Aufnehmer gering.

Für die Berechnung der Turbinenleistung ist die Kenntnis der Eintrittstemperatur, d.h. der Auspufftemperatur, notwendig. Der Auspuff des Gases aus dem Zylinder ist ein verwickelter gasdynamischer Vorgang, bei dem sich Druck, Temperatur und Geschwindigkeit in der Leitung dauernd ändern. Bei der im Kap. 6.3.6 beschriebenen schrittweisen Kreisprozeßrechnung werden Menge und Temperatur des in die Auspuffleitung einströmenden Gases bei jedem einzelnen Rechenschritt ermittelt, wobei durch Integrierung die mittlere Auspufftemperatur gebildet werden kann. Wir wollen diesen Vorgang hier unter der Voraussetzung betrachten, daß der Druck in der Auspufleitung konstant ist,und daß am Ende des Ausschubhubes auch überall die gleiche Temperatur im Auspuffsammler herrscht. Die Auspuffgase expandieren vom Zustand 5z auf den Druck p₃ vor der Turbine. Die Mischtemperatur (mittlere Temperatur) T₃ nach Beendigung des Ausschubvorganges ist niedriger als die Expansionsendtemperatur im Zylinder, aber wegen Verwirbelung von Strömungsenergie höher als die der isentropen Expansion vom Pkt. 5z aus, siehe Bild 7.1.

Die erste praktisch angewandte und erfolgreiche Ausführung der Abgasturbo-Aufladung war eine solche mit gemeinsamer Auspuffsammelleitung, also eine Stauaufladung, doch ist der Durchbruch erst mit der Verwirklichung der in der Schweizer Patentschrift Nr. 122 664 vom 30.11.1925 (DRP 568 855) von Alfred Büchi niedergelegten Ideen gelungen. Danach sollen die Auspuffleitung und der Eintrittsquerschnitt in die Abgasturbine so bemessen sein und die Steuerzeiten so gewählt werden, daß der Druck in der Auspuffleitung nach Öffnen des Auslasses (Vorauspuff) über den Druck in der Ladeluftleitung steigt, aber gegen Ende des Ladungswechsels, d.h. während der Spülperiode unter den Aufladedruck sinkt. Bei Viertaktmotoren muß das Auslaßventil je nach Drehzahl und Aufladehöhe 40...70 ^°KW v.UT öffnen, um den Druck im Zylinder vor dem Ausschubhub (vom Kolben zu leistende Arbeit) genügend abzubauen. Zur Verwirklichung eines genügend großen Spülquerschnittes schließt das Auslaßventil bei aufgeladenen Motoren 40...60 ^°KW n.OT, womit sich eine gesamte Offnungszeit von 260...310 ^°KW ergeben würde. Damit die Spülung nicht gestört wird, dürfte der nächste Zylinder erst nach einem Zündabstand etwa in dieser Größenordnung in den gleichen Leitungsstrang puffen. Glücklicherweise darf dieser Abschnitt kleiner sein, da erstens etwas Zeit zwischen Öffnen des Auslasses und dem starken Druckanstieg in der Leitung verstreicht und da zweitens auch die Wellenlaufzeit von dem auspuffenden zum spülenden Zylinder in Abzug zu bringen ist.

Dieses Verfahren hat heute unter dem Aspekt der Abgasturbo-Aufladung nur historisches Interesse. Der stets mit Hilfe eines mechanisch angetriebenen Laders bewirkten Nachladung liegt der Gedanke zugrunde, in den durch den Ansaughub (Viertakt) oder durch übliche Spülung mit niedrigem Spüldruck (Zweitakt) gefüllten Zylinder zusätzlich etwas höher verdichtete Luft oder Ladung kurz vor Kompressionsbeginn hineinzudrücken. Hierbei — und darin liegt der Vorteil — braucht nur ein Teil der Ladung auf ein höheres Druckniveau verdichtet zu werden, womit im Vergleich zur Aufladung an Laderleistung gespart werden kann.

Da die Probleme der Zusammenarbeit zwischen Lader und Motor den Hauptinhalt des Buches bilden, können hier nur einige der wichtigsten Konstruktionsmerkmale der Abgasturbolader angesprochen werden.

Wie bereits in Kap. 2.3 kurz erwähnt, hatte die Aufladung von Ottomotoren für Flugzeuge vor deren weitgehender Ablösung durch das Strahltriebwerk einen hohen Entwicklungsstand erreicht, und zwar die mechanische Aufladung schon im und nach dem Ersten Weltkrieg, die Abgasturbo-Aufladung kurz vor, im und nach dem Zweiten Weltkrieg. Der Anreiz zur Aufladung von Ottomotoren im Pkw war — außer für Renn- und Sportmotoren — lange Zeit nicht gegeben, da es einfacher und billiger war, erhöhte Leistungsansprüche durch Hubraumvergrößerung zu befriedigen.

Obzwar Motoren mit dem Firmen-Namen Saurer nicht mehr gebaut werden, soll die Entwicklung der Aufladung von Lkw-Dieselmotoren an Modellen dieser Firma beschrieben werden, da Saurer auf diesem Gebiet Pionierarbeit geleistet hat. Aus den im Kap. 6.2 beschriebenen Gründen kommt für eine mechanische Aufladung von Straßenfahrzeugen — wenn man nicht zusätzlich noch ein regelbares Getriebe zwischen Motorwelle und Lader schalten will — nur ein Lader nach der Verdrängerbauart in Betracht. Die Adolph Saurer AG, Arbon, hatte Dieselmotoren mit einem über einen Keilriemen angetriebenen Schraubenlader in größerer Stückzahl gebaut /12.1/. Der Keilriemenantrieb wurde später durch ein Zahnrad-Getriebe ersetzt, siehe Bild 12.1, wobei schließlich sogar eine Flüssigkeitskupplung zwischen Getriebe und Lader geschaltet wurde. Aus Bild 12.2 ist zu erkennen, daß der aufgeladene Motor Typ D1KL zwar nur rd. 19% mehr leistet als der unaufgeladene Motor Typ D1K, daß aber der Anstieg des Drehmoments mit fallender Motordrehzahl wesentlich günstiger ist, da offensichtlich der hohe Ladedruck bei hohen Motordrehzahlen nicht voll ausgenützt wird. Bei dem Vergleich der Spitzenleistungen ist noch zu beachten, daß der aufgeladene Motor — vermutlich zur Beschränkung der Triebwerksbelastung — einen um 2 mm kleineren Zylinderdurchmesser besaß und daß für den nicht aufgeladenen Motor eine höhere Motordrehzahl zugelassen wurde.

In Kapitel 9.5 war schon ausgeführt worden, daß die zweistufige Aufladung sich wegen des nicht unerheblichen Aufwandes nur dann lohnt, wenn damit ein kräftiger Sprung in der Leistungssteigerung erzielt werden kann. Wenn keine Gegenmaßnahmen getroffen werden, würde ein solcher Leistungssprung mit Hilfe der zweistufigen Aufladung zu einer kaum tragbaren Erhöhung der mechanischen und thermischen Belastung der auch einstufig schon hochaufgeladenen und hochbelasteten Motoren führen. Die Gegenmaßnahme besteht in einem Herabsetzen des Verdichtungsverhältnisses. Wir finden die zweistufige Aufladung daher vorzugsweise dort, wo gleichzeitig das Verdichtungsverhältnis vermindert und damit der Zünddruck begrenzt wird. Das hat, wie schon früher ausgeführt, kleinere Verhältnisse p_zmax/p_e und damit einen etwas schlechteren Kraftstoffverbrauch zur Folge. Im folgenden werden drei Beispiele für die zweistufige Aufladung gebracht, und zwar je eines für das Miller-, das Register- und das Hyperbarverfahren. Bei allen diesen Beispielen steht die hohe spezifische Leistung, nicht der Kraftstoffverbrauch im Vordergrund.

In Kap. 2.3 sind je ein Beispiel für den ersten Otto- und den ersten Diesel-Flugmotor mit Abgasturbo-Aufladung erwähnt worden. Es sollen hier der Vollständigkeit halber noch Beispiele für je einen nach dem Verbundverfahren arbeitenden Otto- und Diesel-Flugmotor gebracht werden, die als Endpunkte der Entwicklung von leistungsstarken Kolbentriebwerken angesehen werden können.