Alfred Urlaub. Verbrennungsmotoren. Band 2 Verfahrenstheorie. Mit 93 Abbildungen

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1 Hochschultext

2 Alfred Urlaub Verbrennungsmotoren Band 2 Verfahrenstheorie Mit 93 Abbildungen Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo 1989

3 Prof. Dr.-lng.Alfred Urlaub Institut furverbrennungskraftmaschinen und Flugtriebwerke Technische Universitat Braunschweig ISBN-13: : / e-isbn-13: CIP-TItelaufnahme der Deutschen Bibliothek Urlaub, Alfred: Verbrennungsmotoren/Alfred Urlaub. Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris; Tokyo: Springer (Hochschultext) Band 2: Verfahrenstheorie ISBN-13: Dieses Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Die dadurch begrundeten Rechte,insbesondere die der Ubersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfaltigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfaltigung dieseswerkes odervon Teilen dieseswerkes istauch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September1965 in der Fassung vom 24. Juni 1985 zulassig.sie ist grundsatzlich vergutungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1989 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z.b. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewahr fur Richtigkeit, Volistandigkeit oder Aktualitat Ubernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls fur die eigenen Arbeiten die vollstandigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gultigen Fassung hinzuzuziehen. 2068/ Gedruckt auf saurefreiem Papier

4 Vorwort Wie im Vorwort des Buches iiber die Grundlagen der Verbrennungsmotoren angekiindigt, hat der Verfasser in der vorliegenden Arbeit nun auch den Stoff seiner weiterfuhrenden, an der Technischen UniversiHit Braunschweig abgehaltenen Vorlesungen iiber die theoretischen Analysen der verschiedenen MotorprozeBabschnitte, die in der Literatur in sehr vielen Einzeidarstellungen behandelt werden, zusammengefabt. Wie die Ergebnisse aller bisherigen und sehr intensiven Bemiihungen zur Realisierung neuer Antriebssysteme zeigen, ist davon auszugehen, dab der zweifellos mit einigen Schwachen behaftete Kolbenverbrennungsmotor - zumindest auf seinem Hauptanwendungsgebiet als Antriebsaggregat fur StraBenfahrzeuge - in absehbarer Zeit durch keine andere Kraftmaschine abgel6st werden kann. Urn so dringlicher erwartet man natiirlich von dem Motoreningenieur, dab er nichts unversucht labt, zum Beispiel die Leistungsdichte, vor allem aber die Wirtschaftlichkeit und das Umweltverhalten der Motoren oder auch ihre Fahigkeit zur Verarbeitung alternativer Kraftstoffe immer weiter zu verbessern. Damit sind hier nur Qualitatsmerkmale angesprochen, die in besonders starkem MaBe durch die Giite der ProzeBfUhrung, also in erster Linie durch die Erfolge verfahrenstechnischer Weiterentwicklungen bestimmt werden. Diese Entwicklungsarbeiten sind heute gekennzeichnet durch sehr aufwendige Versuchstechniken. Das wird sofort verstandlich, wenn man bedenkt, dab es sich bei dem Verbrennungsmotor urn ein technisches Produkt handelt, das durch die Arbeit vieler Ingenieurgenerationen nicht nur in seiner konstruktiven Gestaltung, sondern auch in der Steuerung des ProzeBablaufs schon einen auberordentlich hohen Reifegrad erreicht hat. Daraus folgt aber, dab weitere und nur noch in kleinen Schritten voliziehbare Verbesserungen der motorischen Energieumwandlung immer tiefergehende Kenntnisse iiber alle Detailvorgange, etwa der Gemischbildung und der Verbrennung, voraussetzen und damit im Experiment den Einsatz komplizierter MeBverfahren verlangen. Die Priifstandsarbeiten konnten nun schon immer und k6nnen auch zukiinftig in ganz hervorragender Weise durch theoretische Untersuchungen erganzt werden. Solche theoretischen Analysen erlauben es namlich, durch Parameterstudien funktionelle Zusammenhange oft klarer darzustellen als durch die Auswertung der Ergebnisse von Motorversuchen, bei denen es haufig nicht ge-

5 VI lingt, nur eine EinfluBgroBe zu variieren, ohne gleichzeitig auch andere Parameter zu verandern. Eine verniinftige Synthese von Versuch und Theorie ist also stets zu empfehlen. Der Verfasser mochte aber davon abraten, bei der Aufstellung von Rechenmodellen unbedingt immer ein Maximum an Verfeinerungen anzustreben. Es ist namlich keineswegs gesiehert, dab damit das Ziel, moglichst realitatsnahe Resultate zu erhalten, auch wirklich zu erreiehen ist. Es wird nur haufig iibersehen, dab selbst das umfassendste Rechenmodell nur so genau sein kann wie die immer wieder zu treffenden Annahmen iiber die Randbedingungen, die meist auch in ihrer Vielfalt mit der Anzahl der Verfeinerungsschritte noch zunehmen. Entscheidend ist aber die Feststellung, dab es bei den fur alle Entwicklungsarbeiten besonders hilfreichen Parameterstudien in den meisten Fallen auch gar nieht so sehr auf die absolute Genauigkeit der Einzelergebnisse ankommt. Es ist nur wichtig, dab sie relative Veranderungen deutlich erkennbar machen. Wird die Theorie vornehmlich mit dieser Zielsetzung und unter standiger Beriicksichtigung ihrer Unzulanglichkeiten eingesetzt, dann kann sie auch bei ertraglichem Rechenaufwand schon einen auberst wertvollen Beitrag leisten zur Unterstiitzung und Beschleunigung der letztlich immer noch notwendigen Priifstandsarbeiten. Der Verfasser mochte auch an dieser Stelle den Herren Dipl.-Ing. W. Aberle und Dipl.-Ing. U. Thiesen fur die kritische Textdurchsicht und Herrn H-W. Quast fur die sorgfaltige Ausarbeitung des Bildmaterials seinen Dank aussprechen. Sickte, im Sommer 1988 Alfred Urlaub

6 Inhaltsverzeichnis 1 Ladungswechsel Ladungswechselberechnungen ohne Beriicksichtigung von Gasschwingungen Ladungswechselberechnungen mit Beriicksichtigung von Gasschwingungen Akustische Theorie Charakteristikenverfahren Ziindung und Verbrennung Ziindung Thermische Entflammung Entflammung durch Kettenreaktionen Entflammung im Motor Flammenausbreitung Flammen vorgemischter Gase Diffusionsflammen Warmefreisetzung im Motor Abgasqualitat Abgasschadstoffe Abgaspriifverfahren und Schadstoffemissionsgrenzwerte Ursachen der Schadstoffemission MaBnahmen zur Verbesserung der Abgasqualitat Gemischbildung Einspritzverlauf Kraftstoffstrahlen 145

7 VIII 3.3 Tropfenbewegung 3.4 Kraftstoffverdampfung 3.5 Brennraumgasstr6mungen. 3.6 Ladungsschichtung Motorkiihlung Wasserkiihlung 4.2 Luftkiihlung Warmeiibergang vom Arbeitsgas an die Brennraumwande 211 Literaturverzeichnis , 215 Sachverzeichnis