Aufladung von Verbrennungsmotoren

Transkript

1 Aufladung von Verbrennungsmotoren

2 Helmut Pucher Karl Zinner Aufladung von Verbrennungsmotoren Grundlagen, Berechnungen, Ausführungen 4. Auflage Mit 348 Abbildungen

3 Helmut Pucher Berlin, Deutschland Karl Zinner Augsburg, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1975, 1980, 1985, 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort Das seit 1975 bislang in drei Auflagen erschienene Buch von Karl Zinner über die Aufladung von Verbrennungsmotoren ist längst zu einem Klassiker der Literatur über die Aufladetechnik geworden. In Forschung und Entwicklung zu aufgeladenen Motoren Tätige stützen sich auch heute noch auf den Zinner, wenn es um Fragen der Grundlagen zur Aufladetechnik geht. Wenn nunmehr nach 27 Jahren die 4. Aufl. erscheint Karl Zinner ist 1991 verstorben, so nicht, weil die von ihm beschriebenen Grundlagen der Aufladetechnik keine Gültigkeit mehr besäßen, sondern weil sich die Welt des Verbrennungsmotors und mit ihm die Aufladetechnik seither so enorm weiterentwickelt haben, dass deren Behandlung in einem Fachbuch einer Neuausrichtung und so mancher Ergänzung bedarf. Neben der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Aufladung bei Großmotoren, die, nicht zuletzt dank der Aufladung, inzwischen effektive Wirkungsgrade bis zu 55 % erreichen können, hat seit der 3. Aufl. insbesondere die Aufladung von Fahrzeugmotoren den größten Entwicklungsschub erfahren. So sind Nutzfahrzeug- und Pkw-Dieselmotoren heute praktisch alle aufgeladen, und auch bei Ottomotoren setzt sich dieaufladung immer weiter durch. Durch Downsizing, also die Darstellung einer gewünschten Nennleistung durch einen Motor möglichst kleinen Hubvolumens, der dazu entsprechend hoch aufgeladen werden muss, gelingt es bei Pkw-Motoren, den Kraftstoffverbrauch und damit die CO 2 -Emission immer weiter zu senken. Der Einsatz neuer Aufladetechniken, insbesondere der geregelten zweistufigen Aufladung, macht es möglich, zusätzlich zur Steigerung von Wirkungsgrad und Leistungsdichte auch die seit dem Erscheinen der 3. Aufl. drastisch verschärften Abgasgesetze zu erfüllen. Da auch Großmotoren inzwischen immer strengeren Umweltauflagen zu genügen haben, ihre bereits hohen Wirkungsgrade aber unbedingt erhalten bleiben bzw. sogar noch weiter gesteigert werden sollen, werden derzeit auch für diese Motorenkategorie zweistufige Aufladesysteme entwickelt. Entsprechend werden in der vorliegenden Neuauflage neben den Grundlagen der Aufladung diese neuen Aufladetechniken und Aufladestrategien behandelt und ihr Einfluss auf Kraftstoffverbrauch und Abgasemission anhand praktischer Anwendungsbeispiele verdeutlicht. Das Buch wendet sich auch in seiner 4. Aufl. in erster Linie an Ingenieurinnen und Ingenieure, die sich mit Forschung, Konstruktion und Entwicklung von aufgeladenen V

5 VI Vorwort Motoren und den zugehörigen Aufladeaggregaten zu befassen haben, aber ebenso an Studierende des Maschinenbaus und der Fahrzeugtechnik und schließlich an alle, die ihre Kenntnisse auf diesem wichtigen und interessanten Gebiet des Motorenbaus vertiefen wollen. Dass ich diese Neuauflage erarbeiten durfte, empfinde ich als eine große persönliche Ehre. Professor Zinner kenne und schätze ich, seit ich 1968 als junger Ingenieur in die Motorenforschung der M.A.N. in Augsburg kam, die damals unter seiner Leitung stand. Damals war ich auch für ein Semester sein Vorlesungsassistent bei seiner aufladetechnischen Vorlesung an der TU München, aus deren Manuskript Zinner schließlich die 1. Aufl. dieses Buches entwickelt hat. Wer durch die Zinnersche Schule gegangen ist, konnte von ihm viel Fachliches und viel Wichtiges für das Wirken als Ingenieur und als Vorgesetzter lernen. Zu Letzterem gehörte auch, dass er seinen Mitarbeitern immer genügend Freiraum zur Entwicklung eigener Vorschläge gab und sich diesen gegenüber dann auch aufgeschlossen zeigte. Diese nachhaltigen Erfahrungen begleiteten mich auch während meines Wirkens als Hochschullehrer an der TU Berlin, wobei ich mich in meiner eigenen aufladetechnischen Vorlesung natürlich auch auf den Zinner stützte. An dieser Stelle möchte ich mich beim Springer-Verlag dafür bedanken, dass er mich mit der Abfassung der vorliegenden Neuauflage betraut hat. Mein Dank gilt auch allen Autoren von Fachaufsätzen und deren Firmen für die Überlassung von aktuellem Bildmaterial. Die jeweilige Quelle ist zu den daraus entstandenen Abbildungen des Buches angegeben. Abbildungen ohne Quellenangabe sind entweder eigene Darstellungen oder so aus der 3. Aufl. übernommen. Berlin im Februar 2012 Helmut Pucher

6 Formelzeichen und Abkürzungen Zeichen Einheit Bedeutung (Lateinische Buchstaben) A m 2 Querschnitt A K m 2 Kolbenfläche A T m 2 Turbinen (ersatz)querschnitt A Teff m 2 effektiver Turbinenquerschnitt A W m 2 Wandfläche a Anzahl der Kurbelwellenumdrehungen je Arbeitsspiel a m/s Schallgeschwindigkeit B s Beschleunigungswert b m Breite b e g/kwh effektiver spezifischer Kraftstoffverbrauch c m/s Absolutgeschwindigkeit c 0 m/s isentrope Ausströmgeschwindigkeit an der Turbine c m m/s Meridiankomponente der Absolutgeschwindigkeit c m m/s mittlere Kolbengeschwindigkeit c p J/(kg K) spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck c u m/s Umfangsgeschwindigkeit c u m/s Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit c v J/(kg K) spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen D m Durchmesser D m Bohrung des Zylinders g m/s 2 Schwerebeschleunigung der Erde H A kj technische Arbeitsfähigkeit des Abgases nach dem Auslass H Z kj technische Arbeitsfähigkeit des Abgases im Zylinder H u kj/kg Heizwert h m geodätische Höhe h J/kg spezifische Enthalpie h sl J/ kg spez. isentrope Enthalpiedifferenz des Laders h st J/ kg spez. isentrope Enthalpiedifferenz der Turbine h t kj/kg spezifische technische Arbeitsfähigkeit VII

7 VIII Formelzeichen und Abkürzungen I A Stromstärke i Übersetzungsverhältnis k Koeffizient allgemein k W/(m 2 K) Wärmedurchgangskoeffizient L m Länge L min kg/kg Mindestluftbedarf des Kraftstoffs, massebezogen M Nm Drehmoment M d Nm Drehmoment m A kg ausgeströmte Masse m B kg Kraftstoffmasse im Zylinder m E kg eingeströmte Masse m LZ kg Luftmasse im Zylinder m Z kg Masse im Zylinder ṁ kg/s Massenstrom ṁ B kg/s Kraftstoffmassenstrom ṁ LZ kg/s Luftmassenstrom je Zylinder NO x g/kwh spezifische NO x -Emission n Polytropenexponent n min 1,s 1 Drehzahl n a min 1 Arbeitsspielfrequenz n L min 1 Laderdrehzahl n M min 1 Motordrehzahl n P min 1 Propellerdrehzahl P A kw/m 2 Kolbenflächenleistung P e kw effektive Motorleistung P i kw innere (= indizierte) Motorleistung P L kw Laderleistung P T kw Turbinenleistung p bar Druck p A bar Abgasdruck p E bar Einlassdruck p e bar effektiver Mitteldruck p i bar indizierter Mitteldruck p r bar Reibmitteldruck p L bar Ladedruck p Z bar Zylinderdruck p Zmax bar maximaler Zylinderdruck Q J Wärme Q B kj zugeführte Verbrennungsenergie je Arbeitsspiel Q W kj Wandwärme je Arbeitsspiel q J/kg spezifische Wärme R J/(kg K) (spezifische) Gaskonstante r Reaktionsgrad r kj/kg Verdampfungsenthalpie S J/K Entropie

8 Formelzeichen und Abkürzungen IX s m Hub des Zylinders s m Wandstärke, Bauteildicke s J/(kg K) spezifische Entropie T K, C Temperatur T Trimm der Radialturbine TK m 2 Turbinenkonstante T L K, C Ladelufttemperatur T W K Wandtemperatur T Z K Zylindertemperatur T t K, C Taupunkttemperatur t s Zeit U J innere Energie u J/kg spezifische innere Energie u m/s Umfangsgeschwindigkeit ü Übersetzungsverhältnis V C m 3, l Kompressionsvolumen V f m 3 Füllvolumen V H m 3, l Gesamthubvolumen des Motors V h m 3, l Hubvolumen des Zylinders V hl m 3, l Hubvolumen des Laders V Z m 3 Zylindervolumen V m 3 /s Volumenstrom v m 3 /kg spezifisches Volumen W i J innere Arbeit des Zylinders je Arbeitsspiel W L J Laderarbeit je Motorarbeitsspiel W T J Turbinenarbeit je Motorarbeitsspiel w J/kg spezifische Arbeit w m/s Relativgeschwindigkeit w t J/kg spezifische technische Arbeit x m Weg x kg/kg, % absolute Feuchte der Luft x AGR Abgasrückführrate x R % Regelweg Y J/kg spezifische Stutzenarbeit ZAB KW Zündabstand z Zylinderzahl des Motors z m Höhenintervall zur (geodätischen) Referenzhöhe (Griechische Buchstaben) α W/(m 2 K) konvektiver Wärmeübergangskoeffizient α 1/K thermischer Ausdehnungskoeffizient α Winkel der Absolutgeschwindigkeit α Z W/(m 2 K) konvektiver Wärmeübergangskoeffizient im Zylinder β Winkel der Relativgeschwindigkeit

9 X Formelzeichen und Abkürzungen γ Winkel ε Verdichtungsverhältnis des Motors ε Geschwindigkeitsverhältnis η A Ausströmwirkungsgrad η e effektiver Wirkungsgrad des Motors η i innerer (= indizierter) Wirkungsgrad des Motors η m mechanischer Wirkungsgrad des Motors η st isentroper Turbinenwirkungsgrad η sl isentroper Laderwirkungsgrad η ml mechanischer Wirkungsgrad des Laders η mt mechanischer Wirkungsgrad der Turbine η mtl mechanischer Wirkungsgrad des Turboladers η T Turbinenwirkungsgrad η Tm mittlerer Turbinenwirkungsgrad η TL Turboladerwirkungsgrad η TLK Aufladewirkungsgrad η ρ Gütegrad des Ladeluftkühlers κ Isentropenexponent λ Luftverhältnis λ W/(m K) Wärmeleitzahl λ a Luftaufwand λ f Füllgrad λ l Liefergrad λ s Spülgrad λ V Verbrennungsluftverhältnis μ Durchflussbeiwert ν Laufzahl der Turbine (= u/c 0 ) π Druckverhältnis π L Laderdruckverhältnis π T Turbinendruckverhältnis ϕ KW Kurbelwinkel ϕ relative Feuchte der Luft Druckziffer Durchflussfunktion ρ L kg/m 3 Dichte der Luft σ th N/mm 2 thermische Spannung ψ J/kg spezifische Dissipation kg m 2 polares Massenträgheitsmoment ω s 1 Winkelgeschwindigkeit Abkürzungen und Indizes 1D 3D A eindimensional dreidimensional Abgas

10 Formelzeichen und Abkürzungen XI A AGR AL AÖ AS ATL AV a a B CFD CVT const. D DWL E EL EÖ ES e e eq F FES ges i HD HDA HDL HDL HDT HDV K K KSM L L Lauf LLK LP LTV M m m m Auslass Abgasrückführung Auslassleitung Auslass-Öffnet Auslass-Schließt Abgasturbolader Auslassventil Austritt außen Brennstoff, Kraftstoff Computational Fluid Dynamics Continuously Variable Transmission konstant Düse, Leitrad Druckwellenlader Einlass Einlassleitung Einlass-Öffnet Einlass-Schließt Eintritt effektiv äquivalent Fahrzeug Frühes Einlass-Schließen gesamt innen, indiziert Hochdruck Hochdruckabgas Hochdruckluft Hochdrucklader Hochdruckturbine Hochdruckverdichter Kolben Kühlmittel Kennfeld-stabilisierende Maßnahme Luft Lader Laufzeit Ladeluftkühler Ladepumpe Lufttaktventil Motor mechanisch mittel Meridiankomponente

11 XII max MCR min ND NDA NDL NDL NDT NDV NEDC NO x NT n nenn OT R red ref rev SES SiC SiN Stau Stoß s sp spül T TL t t th th u u v UT V VTG VÜ W WG Z ZK ZOT Formelzeichen und Abkürzungen maximal maximum continuous rating minimal Niederdruck Niederdruckabgas Niederdruckluft Niederdrucklader Niederdruckturbine Niederdruckverdichter New European Driving Cycle Stickoxide Nutzturbine nach Nenn- Oberer Totpunkt Laufrad reduziert Referenz reversibel Spätes Einlass-Schließen Siliziumkarbid Siliziumnitrid Stauaufladung Stoßaufladung isentrop Spalt Spülung Turbine Turbolader technisch total theoretisch thermisch Umgebung in Umfangsrichtung vor Unterer Totpunkt Verdichter variable Turbinengeometrie Ventilüberschneidung Wand Wastegate Zylinder Zwischenkühler Zünd-OT, Totpunkt am Ende der Kompressionsphase

12 Inhalt 1 Einleitung... 1 Literatur Definition und Ziele der Aufladung Zusammenhang zwischen Motorleistung und Aufladung Überblick über die verschiedenen Aufladeverfahren Art der Ladedruckerzeugung Laderbauart Arbeitsverfahren des Motors Resümee Die Anfänge der Aufladung Ottomotoren Dieselmotoren Flugmotoren Die Anfänge der Abgasturboaufladung Literatur Der theoretische Motorprozess bei Aufladung Allgemeines Mechanische Aufladung Abgasturboaufladung Laderbauarten und Laderkennfelder Thermodynamik und Verdichtung Laderbauarten Allgemeines Lader der Verdrängerbauart Lader der Strömungsbauart Literatur XIII

13 XIV Inhalt 6 Druckverhältnis-Volumenstrom-Kennfeld des Motors Allgemeines und Äquivalenter Spülquerschnitt Zweitaktmotor Viertaktmotor Zusammenwirken von Lader und Motor Dynamische Aufladung Abgestimmtes Saugsystem Impulsaufladung Mechanische Aufladung Viertaktmotor mit Verdrängerlader Viertaktmotor mit Strömungslader Zweitaktmotor Abgasturboaufladung Unterschiede im Betriebsverhalten des abgasturboaufgeladenen Motors im Vergleich zum mechanisch aufgeladenen Hauptgleichungen der Abgasturboaufladung Berechnung des effektiven Turbinenquerschnitts Einfluss der pulsierenden Turbinenbeaufschlagung Turbinenkennfelder Einfluss der Ladeluftkühlung Literatur Motorprozess-Simulation Allgemeines Zylinderprozess Zustandsänderungen in den Gaswechselleitungen Nulldimensionale und eindimensionale Simulation Dreidimensionale Simulation Dynamischer Motorbetrieb Literatur Besonderheiten der Abgasturboaufladung Einfluss der Abgasleitung Leitungszusammenfassungen bei verschiedenen Zylinderzahlen und Zündabständen Technisch nutzbare Abgasenergie bei Stoßund Stauaufladung Abwandlungen der Stoßaufladung Beschleunigungsverhalten Drehmomentverhalten Literatur

14 Inhalt XV 10 Maßnahmen zur Verbesserung von Drehmoment- und Beschleunigungsverhalten bei Abgasturboaufladung Ausgangssituation und Gliederung Waste-Gate Variable Turbinengeometrie Variable Verdichtergeometrie Registeraufladung Zweistufige Aufladung Ungeregelte zweistufige Aufladung Geregelte zweistufige Aufladung Elektrisch angetriebener Zusatzverdichter Mechanisch angetriebener Zusatzverdichter Elektrisch unterstützter Abgasturbolader (euatl) Umblasen von Ladeluft Zufuhr von fremdverdichteter Luft Zufuhr in die Ladeluftleitung Jet-Assist Zufuhr direkt in den Zylinder Kombinierte Aufladung Literatur Besondere Aufladeverfahren unter Nutzung der Abgasenergie Turbokühlung und Millerverfahren Turbokühlung Millerverfahren Turbocompound-Verfahren Allgemeines Mittelschnellläufer Langsamläufer Nutzfahrzeugmotoren Hyperbar-Verfahren COMPREX-Druckwellenaufladung Turbobrake Literatur Ladeluftkühlung und Ladeluftkühler Grundlagen Ladeluftkühler-Bauarten Wassergekühlte Ladeluftkühler Luftgekühlte Ladeluftkühler Ladeluftkühlsysteme Taupunktunterschreitung im Ladeluftkühler Literatur

15 XVI Inhalt 13 Sonderfragen der Aufladung Mechanische und thermische Motorbelastung Motorbetrieb in großer Höhe (Höhenleistung) Einfluss der Aufladung auf die Abgasemission Allgemeines Abgasrückführung Abgasnachbehandlungssysteme Literatur Konstruktionsmerkmale von Aufladeaggregaten Allgemeines und Verdrängerlader Abgasturbolader für Fahrzeugmotoren Grundaufbau und Gehäuse Laufzeug Lagerung und Schmierung Abgasturbolader für Großmotoren Allgemeines und Grundaufbau Verdichter Radialturbine Axialturbine Lagerung und Schmierung Turbolader-Reinigung Literatur Anwendungsbeispiele von aufgeladenen Motoren Motorrad-Motoren Pkw-Motoren Pkw-Ottomotoren Pkw-Dieselmotoren Nutzfahrzeugmotoren Schnelllaufende Hochleistungsdieselmotoren Mittelschnelllaufende Viertakt-Dieselmotoren Langsamlaufende Zweitakt-Dieselmotoren Flugmotoren Literatur Sachverzeichnis