Der Dieselmotor PH-Projekt David Trapp. Der Dieselmotor. David Trapp (6R)

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1 Der Dieselmotor David Trapp (6R) Mai

2 Inhaltsverzeichnis Der Erfinder...3 Aufbau...4 Arbeitsweise...5 Schmierung...5 Funktionsweise eines Viertaktmotors...6 Die 4 Takte im Detail...6 Unterschiede zum Benzinmotor...7 Allgemein...7 Zündung...7 Temperaturen...7 Aufbau...7 Treibstoffverbrauch...8 Abgase...8 Arbeitsdiagramme...9 Geschichte...9 Meilensteine...9 Innovationen...10 Turbolader...10 Common-Rail-Einspritzung...12 Multijet...13 Quellen...13 Literatur...13 Webseiten...13 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Rudolf Diesel...3 Abbildung 2: Aufbau des Dieselmotors...4 Abbildung 3: Viertaktmotor (schematisch)...6 Abbildung 4: Arbeitsdiagramm eines Dieselmotors...8 Abbildung 5: Arbeitsdiagramm eines Ottomotors...8 Abbildung 6: Merzedes-Benz 260 D...10 Abbildung 7: Turbolader (Beschreibung)...11 Abbildung 8: Turbine...11 Abbildung 9: Common-Rail-Einspritzung

3 Der Erfinder Der Erfinder des Dieselmotors, Rudolf Christian Karl Diesel, wurde am 18. März 1858 in Paris geboren brach der deutsch-französische Krieg aus. Seine Eltern gingen nach London und mussten ihren Sohn zu Verwandten nach Augsburg geben. Dort besuchte er dann die Industrieschule und kam da zum ersten Mal mit Technik in Berührung. Auf dieser Schule wurde er auch auf die Technische Hochschule in München vorbereitet. Er hatte auf der Hochschule sehr viel Glück mit seinen Lehrern Linde und Schröter, welche ihm die grundlegenden Kenntnisse für sein Lebenswerk beibrachten. Linde spielte auch später in seinem Leben noch eine große Rolle. Rudolf Diesel schrieb damals auf den Rand seines Heftes: Studieren, ob es nicht möglich ist, die Isotherme praktisch zu verwirklichen. Nachdem er leider aufgrund einer Krankheit das Examen versäumt hatte, ging er ins Praktische über, und zwar bei den Gebrüdern Sulzer in Winterthur in der Schweiz holte er das Examen mit einer Bestleistung nach und reiste nach Paris, wo er Heinrich Buz, den Direktor der Maschinenfabrik Augsburg traf und es bis zum Direktor einer Eisfabrik schaffte. Im November 1883 vermählte er sich in München mit Martha Flasche, der Tochter eines Notars in Remscheid zog Rudolf Diesel mit seiner Frau und den Kindern Rudolf (geb. 1883), Heddy (geb. 1885) und Eugen (geb.1889) nach Berlin und übernahm die Leitung des technischen Büros der Gesellschaft für Eismaschinen. In einer 1893 veröffentlichten Schrift mit dem Titel Theorie und Construktion eines rationellen Wärmemotors zum Ersatz der Dampfmaschine und der heute bekannten Verbrennungsmotoren legte Rudolf Diesel seine Idee einer neuen rationellen Wärmekraftmaschine dar, für die er am 27. Februar 1892 Patentschutz angemeldet hatte und ein Jahr später rückwirkend erhielt. Weil die Gas-Motoren-Fabrik Deutz AG nicht daran interessiert war, entwickelte Rudolf Diesel sein Konzept unter finanzieller Beteiligung der Firma Friedrich Krupp bei der Maschinenfabrik Augsburg und schloss außer mit diesen Unternehmen auch mit der Maschinenfabrik der Gebrüder Sulzer in Winterthur einen Kooperationsvertrag. Ende November 1893 reichte Rudolf Diesel ein weiteres Patent für seinen Motor ein, in dem er Irrtümer in seiner Patentschrift vom Vorjahr nach seinem aktuellen Wissensstand korrigierte. Der Weg von der patentierten Erfindung bis zum funktionstüchtigen Motor war jedoch noch weit. 3

4 Mehrere Versuchsreihen mit dem neuartigen Motor verliefen ohne befriedigendes Ergebnis; erst nach zwei Jahren Forschung und Entwicklung zeichneten sich erste Erfolge ab, und im November 1895 lief der erste Versuchsmotor im Dauertest. Auch der von April bis Dezember 1896 gebaute zweite Prototyp funktionierte und wurde am 17. Februar 1897 offiziell abgenommen: Er leistete 14 kw und war in seinem Wirkungsgrad sowohl der Dampfmaschine als dem Ottomotor überlegen. Nach diesem Erfolg focht die Gas-Motoren-Fabrik Deutz Rudolf Diesels Patente an. Um den Rechtsstreit abzuwenden, schlossen die Firma Friedrich Krupp und die Maschinenfabrik Augsburg einen Lizenzvertrag mit dem Unternehmen in Deutz. Am 31. Juli klagte der französische Ingenieur Emil Capitaine gegen einen Patentschutz des neuen Motors, mit der Begründung, dass die Bauweise nicht der Beschreibung in Rudolf Diesels Patentschriften entsprach. (Auch hier kam es am Ende zu einem Vergleich.) Sein Dieselmotor wurde nun auch an ausländische Vertriebe geliefert. Das brachte Rudolf Diesel sehr viel Geld ein, sodass er zu dieser Zeit mit zu den reichsten Menschen Deutschlands gehörte. Er hatte damals vor, einen Teil seines Geldes einem sozialen Zweck zu widmen. Rudolf Diesel bedankte sich damals herzlichst bei der Augsburger Maschinenfabrik, welche ihm alles das ermöglicht hatte. Er dankte auch besonders Heinrich von Buz aus Augsburg. Sein Festhalten an diesem Motor auch in schlechteren Zeiten kann, so meinte Diesel, nicht hoch genug eingeschätzt werden. Augsburg wurde die hohe Schule des Dieselmotors für die ganze Welt. Diesel freute sich damals auch besonders über die Anwendung seines Motors im Schiffsverkehr. Das erste Boot war ein U- Boot, das den Dieselmotor testen durfte arbeitete er an einem Plan für eine Lokomotive, welche mit einem Dieselmotor fahren sollte, 1908 baute er den ersten Lastwagen mit dem Motor. Zu seinen Lebzeiten wurde die Idee vom schnelllaufenden, leichten Antriebsmotor jedoch nie Wirklichkeit. Rudolf Diesel hatte einige Jahre später große finanzielle Probleme. Er war dadurch und auch durch den scheinbaren Misserfolg seiner letzten Ideen sehr depressiv. Am 29. September 1913 ertrank Diesel dann auf einer Schiffsreise nach England im Ärmelkanal. Man glaubt, dass es ein Selbstmord war. Abbildung 2: Aufbau des Dieselmotors Aufbau Der Dieselmotor besteht aus 4 Baugruppen und zusätzlichen Hilfseinrichtungen: Motorgehäuse: Es besteht aus Zylinderkopfhaube, Zylinderkopf, Zylinder, Kurbelgehäuse und Ölwanne Kurbeltrieb: Er besteht aus Koben, Pleuelstange und Kurbelwelle Motorsteuerung: Sie besteht aus Ventilen, Ventilfedern, Schlepp- oder Kipphebeln, oder Tassenstößeln, Nockenwelle, Nockenwellenrad, Steuerkette oder Zahnriemen und Antrieb der Einspritzpumpe 4

5 Einspritzausrüstung: Sie besteht aus Einspritzpumpe mit Regler und Spritzversteller, Kraftstoffpumpe, Kraftstofffilter, Düsenhalter mit Einspritzdüsen Hilfseinrichtungen: Sie bestehen aus Motorschmierung (durch Motoröl), Motorkühlung, Auspuffanlage und Kaltstarteinrichtung Arbeitsweise Das Verbrennungsverfahren beim Dieselmotor unterscheidet sich wesentlich von dem beim Ottomotor: Beim Dieselmotor wird nur Luft angesaugt und hoch verdichtet. Der Dieselmotor arbeitet stets mit Luftüberschuss. In die hochverdichtete Luft wird Kraftstoff eingespritzt. Im Dieselmotor werden meist schwersiedende Kraftstoffe mit großer Zündwilligkeit verwendet. Das Kraftstoff-Luft- Gemisch wird erst im Verbrennungsraum gebildet; der Dieselmotor arbeitet also mit innerer Gemischbildung. Die hochverdichtete Luft ist so heiß, dass sich der eingespritzte Kraftstoff an ihr von selbst entzündet; der Dieselmotor arbeitet also mit Selbstzündung. Um die ideale Zündtemperatur effizient zu erreichen, muss ein Dieselmotor daher vorglühen. Der Dieselmotor hat ein größeres Druckgefälle und ein größeres Temperaturgefälle, daher einen höheren Nutzungsgrad und eine niedrigere Abgastemperatur. Der Dieselmotor braucht zumindest eine Regelung der Leerlauf- und besonders der Enddrehzahl, da er im Gegensatz zum Benzinmotor auch bei Höchstdrehzahl noch mit mind. 40% Luftüberschuss arbeitet. Sowohl die kleinsten Pkw- Dieselmotoren als auch Schiffsdiesel erreichen einen thermischen Wirkungsgrad von max. 45%. Schmierung Die Schmierung ist ein wichtiger Vorgang im Dieselmotor. Ohne sie gäbe es viel zu viel Reibung, um vorwärts zu kommen. Es gibt mehrere Arten der Schmierung: Druckumlaufschmierung Die Druckumlaufschmierung ist ein Schmiersystem, das ähnlich der Schmierung in einem Kfz-Motor, kontinuierlich Öl unter Druck an wichtige Motorkomponenten liefert, um die bestmögliche Schmierung und damit eine lange Motorlebensdauer zu gewährleisten. Eine hocheffiziente Pumpe im Ölsumpf liefert Schmiermittel zu den Laufflächen der Kurbelwelle und der Pleuelstange. Druckschmierung Die Druckschmierung sorgt für einen kontrollierten Strom sauberen Öls zu den Lagern für eine geringere Abnutzung und längere Motorlebensdauer. Eine hocheffiziente Pumpe im Ölsumpf liefert Schmiermittel zu den Laufflächen der Kurbelwelle und der Pleuelstange. Das Druckschmiersystem ist mit einem erstklassigen aufschraubbaren Ölfilter ausgestattet. Spritzschmierung Bei der Spritzschmierung verteilt ein zahnradbetriebener Ölwerfer oder eine Ölschleuder Öl im Kurbelgehäuse an die Komponenten und verhindert ein Verstopfen der kleinen Durchgänge. Bei Motoren mit horizontal liegender Kurbelwelle ist der Ölwerfer an der Pleuelstange befestigt. Öl wird dabei aus dem Behälter aufgenommen und auf den Laufflächen verteilt, während sich der Kolben im Zylinder bewegt. Bei Motoren mit vertikaler Kurbelwelle taucht ein sich drehendes Zahnrad mit Schaufeln in das Öl und verteilt das Schmiermittel im Kurbelgehäuse. Das System des Typs Spritzschmierung hat einen einfachen Aufbau und kann zu vergleichsweise niederen Kosten beschafft werden. Da jedoch ein Getriebesystem zum Antreiben der Ölschleuderscheibe mit einer Kurbelwelle verbunden ist, ist es grundsätzlich schwierig, die 5

6 Ölschleuderscheibe im zentralen Bereich des Ölreservoirs anzuordnen. Es ist daher notwendig, dass die Menge des Öls, die in dem Ölreservoir gespeichert ist, auf einen adäquaten Stand gesetzt wird, so dass die Ölschleuderscheibe nicht oberhalb des Flüssigkeitsstands bloß gelegt wird, selbst wenn die Maschine in einem geneigten Zustand betrieben wird. Dem zu Folge wird, wenn die Brennkraftmaschine in einem normalen horizontalen Zustand betrieben wird, die Ölschleuderscheibe in viel zu großem Maß in das Öl eingetaucht, wodurch ein Verlust an Bewegungsenergie auf Grund des Widerstands beim Bewegen der Ölschleuderscheibe verursacht wird. Im System des Typs Druckschmierung kann Öl, das von der Ölpumpe ausgestoßen wird, in alle Bereiche der Brennkraftmaschine gefördert werden, die geschmiert werden müssen, ohne durch Änderungen der betriebsbedingten Stellung der Brennkraftmaschine beeinflusst zu werden. Eine solche Ölpumpe jedoch, die Öl in alle Bereiche der Brennkraftmaschine fördern kann, die geschmiert werden müssen, hat unvermeidlich eine große Kapazität, wodurch die Kosten erhöht werden. Funktionsweise eines Viertaktmotors Der Viertaktmotor ist die am häufigsten verwendete Motorenbauweise im PKW-Bau, so gut wie alle Modelle werden mit diesen Motoren ausgestattet. Auch beim Diesel-Motor handelt es sich um einen Viertaktmotor. Das 4-Taktverfahren wurde um 1870 von Nicolaus August Otto entwickelt. Beim Viertaktmotor werden insgesamt vier Takte benötigt, um die Antriebsleistung zu erzeugen, die Kurbelwelle vollführt dabei insgesamt zwei komplette Drehungen, eine mehr als beim Zweitaktmotor. Der Kolben bewegt sich immer vom oberen zum unteren Totpunkt. Die 4 Takte im Detail 1. Ansaugen: Sobald sich der Kolben abwärts bewegt wird das Einlassventil geöffnet und dabei entweder Frischluft (bei Dieselmotoren oder Benzin-Direkt-Einspritzern) oder brennbares Gemisch (Vergaser-Motor, indirekte Benzineinspritzung, Gasmotor) eingesaugt beim Dieselmotor ist die Menge unabhängig von der Leistung, beim Ottomotor nicht. 2. Verdichten: Im diesem Takt wird das Gas innerhalb des Kolbens bedingt durch die Aufwärtsbewegung immer weiter verdichtet, der Druck steigt auf bar (Diesel) bzw bar (Benzin) an, die Temperatur steigt Abbildung 3: Viertaktmotor (schematisch) auf 650 C 900 C (Diesel) bzw. 400 C 600 C (Benzin). Beim Dieselmotor und beim Benzindirekteinspritzer, wird, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, der Kraftstoff eingespritzt. Bei den indirekten Bauweisen wird das Gasgemisch bereits entzündet. Bei den Dieselmotoren entzündet sich das Gemisch automatisch durch die Temperaturerhöhung, während bei Benzinmotoren der Funken der Zündkürze dafür verantwortlich ist. 3. Arbeiten: Das entzündete Gas dehnt sich aus und erzeugt so einen Druck zwischen 60 und 6

7 90 bar (Diesel) bzw. 35 und 60 bar (Benzin), die Temperatur liegt bei ca C. Durch den Druck wird der Kolben nach unten gedrückt und so wird mechanische Arbeit verrichtet. Sobald der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat, beginnt der vierte Takt. 4. Ausstoßen: Das Auslassventil wird geöffnet und das verbrauchte Abgas kann aus dem Zylinder entströmen. Kurz vor Ende des Ausstoßtaktes kommt es zu einer Ventilüberschneidung. Schon vor dem Erreichen des oberen Totpunktes das Einlassventil geöffnet, während das Abgasventil noch offen ist. Durch den Sog der ausströmenden Abgase entsteht ein Unterdruck, durch den die Frischluft oder das Gemisch bereits gegen die Kolbenbewegung einströmen kann. Dadurch wird ein besserer Füllungsgrad erreicht. Das Abgasventil schließt erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat. Für jeden Zylinder muss es mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil geben, üblich sind allerdings drei oder vier Ventile pro Zylinder, seltener werden auch fünf Ventile pro Zylinder verwendet). Die sogenannten 16V-Motoren bestehen meistens aus vier Zylindern mit je vier Ventilen. Diese haben im Vergleich zu den Zweiventil-Motoren einen deutlich besseren Gasaustausch und dadurch bedingt etwas mehr Leistung. Die Ventile werden von der Nockenwelle gesteuert, die von der Kurbelwelle über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette angetrieben wird. Die Nockenwelle läuft grundsätzlich mit der halben Kurbelwellendrehzahl. Unterschiede zum Benzinmotor Allgemein Zündung Dieselmotor: Der Dieselmotor wird auch Selbstzünder genannt, da sich die verdichtete Luft so stark erhitzt, dass beim Einspritzen das Treibstoff-Luft-Gemisch sich von selbst entzündet. Ottomotor: Beim Ottomotor nennt man die Zündung Fremdzündung, da das verdichtete Treibstoff- Luft-Gemisch mit der Zündkerze entzündet wird. Temperaturen Dieselmotor: Beim Dieselmotor erfolgt eine Selbstzündung erst bei 320 C bis 380 C. Die Verdichtungtemperatur beträgt 650 C bis 900 C. Ottomotor: Beim Ottomotor erfolgt eine Selbstzündung im Gegensatz zum Dieselmotor bei 500 C bis 650 C. Hier beträgt die Verdichtungtemperatur 350 C bis 600 C. Aufbau Dieselmotor: Der Dieselmotor ist robuster gebaut, aber bei ihm fehlen die Zündkerzen, doch bei alten Dieselmotoren gab es sogenannte Glühkerzen, mit denen man das berühmte Vorglühen vornahm. Und dadurch das sie robuster gebaut sind, sind ihre Lebenserwartungen auch sehr hoch. Ottomotor: Der Ottomotor hat eine etwas höhere Drehzahl und sit somit im Aufbau leichter. Heute werden fast alle Motoren aus Aluminium gebaut, somit ist der Ottomotor nicht so massiv und somit leichter. 7

8 Treibstoffverbrauch Dieselmotor: Der Dieselmotor hat einen höheren Wirkungsgrad d.h. er erzeugt beim Verbrauch einer bestimmten Treibstoffmenge mehr Kraft als ein Ottomotor. Aber man kann es auch anders sehen: Der Dieselmotor braucht weniger Treibstoff um die gleiche Kraft wie der Ottomotor zu erreichen und ist somit sparsamer. Ottomotor: Da der Ottomotor einen geordneten Gaswechsel und dadurch eine fast perfekte Trennung von Frischgas und Abgas hat, hat der Motor einen geringen Treibstoffverbrauch. Abgase Dieselmotor: Die Abgase haben bei Leerlauf eine Temperatur von ca. 250 C, bei Volllast ca. 500 C. 28% der chemischen Energie des Kraftstoffes gehen beim Auspuffen verloren. Es wird allerdings Ruß entwickelt ( Krebsverdacht). Ottomotor: Die Abgase haben bei Leerlauf eine Temperatur von ca. 800 C, bei Volllast ca. 900 C. 36% der chemischen Energie des Kraftstoffes gehen beim Auspuffen verloren. Es wird kein Ruß entwickelt, dafür enthalten die Abgase hier 8x mehr Kohlenmonoxid und 4x mehr Stickstoffoxid als beim Dieselmotor. Der Dieselmotor gilt gemeinhin als besonders günstig im Hinblick auf seine CO 2 -Bilanz. Doch je Liter verbrauchtem Kraftstoff gehen beim Selbstzünder wegen der höheren Dichte des Dieselkraftstoffs rund 11% mehr Kohlendioxid durch den Auspuff als beim Benziner. So stößt ein Dieselmotor, der im Durchschnitt 5,9 Liter je 100 Kilometer verbraucht, 158 Gramm CO 2 pro Kilometer aus; ein Benziner mit dem gleichen Durchschnittsverbrauch emittiert lediglich 139 Gramm CO 2 je Kilometer. Zudem verschlechtern der Ausstoß von Rußpartikeln sowie die höheren Stickoxid- und Kohlenwasserstoff-Werte die Umweltbilanz des Selbstzünders. Dennoch kommt dem modernen Dieselkraftwagen wegen seines effizienten Umgangs mit dem Kraftstoff eine besondere Abbildung 4: Arbeitsdiagramm eines Dieselmotors 8 Abbildung 5: Arbeitsdiagramm eines Ottomotors

9 Bedeutung beim Ziel der weiteren CO 2 -Reduzierung zu; bei zügigen und längeren Autobahnfahrten ist er die momentan klimafreundlichste Art der automobilen Fortbewegung. Mit Reinigungssystemen wie Partikelfilter und Stickoxid-Katalysator wird außerdem das Abgasverhalten verbessert; dies macht den Diesel in Zukunft aber eher noch teurer. Arbeitsdiagramme Ausgehend von der allgemeinen Gasgleichung und den Hauptsätzen der Wärmelehre kann man alle Änderungen der Zustandsgrößen p, V, und T in so genannten Zustandsdiagrammen (pv-diagrammen) darstellen. Wendet man diese Darstellung auf die Vorgänge im Motor an, so spricht man von Arbeitsdiagrammen. Beim Viertaktmotor kommt es im 2. Takt zu einer adiabatischen Kompression, d.h. es fließt keine Wärmeenergie: Q=0, ΔU=W, d.h. die innere Energie des Gases ändert sich nur auf Grund von Volumsarbeit. Bei der Explosion des Treibstoffes kommt es zu einer isochoren Wärmezufuhr, d. h. V=konst., d.h. die innere Energie ändert sich nur durch Wärmeaustausch. Es wird keine Arbeit verrichtet. Anschließend kommt es zur adiabatischen Expansion (Q=0, ΔU=W) und zum Schluss erfolgt eine isochore Wärmeabgabe (V=konst., Auspuff- und Ansaugtakt). Beim Dieselmotor ist die Kurve dabei steiler, da ein höherer Druck aufgebaut wird. Durch die Selbstentzündig passiert die Explosion weniger abrupt (Zündverzug) als beim Ottomotor (durch Zündkerze). Geschichte Meilensteine 1878: Rudolf Diesel hört vom schlechten Wirkungsgrad der Dampfmaschine und von der Kreisprozess -Theorie des französischen Physikers Sadi Carnot, die den Idealvorgang einer Verbrennung beschreibt. Daraus entsteht seine Idee, eine rationelle Wärmekraftmaschine zu schaffen. 1882: Seine Idee ist so weit, dass er das Patent einreichen kann. 1893: Der erste Versuchsmotor ist fertiggestellt. Er funktioniert jedoch noch nicht. 1897: Der erste praxistaugliche Dieselmotor ist fertiggestellt. Er schöpft aus einem Zylinder mit 6,3 Litern Hubraum (Bohrung 250mm x Hub 400mm) immerhin knapp 20 PS Bremsleistung bei 172 U/Min. Allerdings wiegt der Motor bei einer Höhe von drei Metern 4,5 Tonnen. Laut Datenblatt des "Motor Diesel" ist der Brennstoff Lampenpetroleum vermerkt. Ein motoreigener Kompressor sorgt für die Überdruckeinspritzung des Treiböls. Dieser Motor erhält die offizielle Bezeichnung Erster betriebsfähiger Dieselmotor der Welt. Er besitzt einen Wirkungsgrad von 26%. Zum Vergleich: Eine Dampfmaschine hatte damals einen Wirkungsgrad von etwa 12%. Der Motor ist heute im Deutschen Museum in München zu bewundern. 1903: Erstmals werden seetüchtige Schiffe mit Dieselmotoren ausgerüstet. 1905: Alfred Büchi meldet seine Erfindung über Gasaufladung/Stauaufladung zum Patent an und erfindet somit den Turbolader. Die Firma M.A.N. will später Dieselmotoren mit 500 PS Leistung bauen. Es gibt aber viele 9

10 Probleme und Misserfolge, vor allem bei der Kraftstoffzumessung und beim richtigen Einspritzzeitpunkt. Viele Firmen bemühen sich um die Weiterentwicklung von Diesels Idee, es dauere aber lange, bis man einen für den Verkauf tauglichen Diesel-Kraftwagen konstruiert hat. 1908: Prosper L'Orange entwickelt eine präzise arbeitende Einspritzpumpe sowie das Vorkammerprinzip. 1919: Prosper L'Orange meldet seine Erfindung zum Patent an: Ein trichterförmiger Einsatz in der Vorkammer. 1923/24: Erster Traktor mit Vorkammer-Dieselmotor, erster LKW mit Dieselmotor. Auf der IAA in Berlin im Jahre 1924 werden verschiedene Fahrzeuge mit Dieselmotoren vorgestellt. Die Firmen haben die Diesel-Entwicklung mit eigenen Ideen vorangetrieben und ihre Konzepte vorgestellt. Benz hat seinen Diesel mit Vorkammersystem, Daimler einen Kompressor zur Lufteinblasung und M.A.N. eine Direkteinspritzung entwickelt. Die vorgestellten Fahrzeuge sind LKW mit bis zu 3.5 Tonnen Nutzlast. 1927: Bosch konstruiert die erste taugliche Reiheneinspritzpumpe. 1928: Die ersten LKWs mit Dieselantrieb werden vorgestellt. 1936: Der erste Diesel-PKW geht in Serie (Merzedes-Benz 260 D). DB 602/LOF6 Luftschiffmotor für das Luftschiff LZ129 Hindenburg wird erzeugt. 1937: BMW 114 Flugzeugdieselmotor wird eingestellt. 1968: Peugeot stellt mit dem 204 den ersten Kleinwagen mit quer eingebautem Diesel vor. 1988: Als erster Hersteller stellt FIAT im Modell Fiat Cromo TD i.d. einen richtungsweisenden turboaufgeladenen, direkteinsprizenden Dieselmotor mit einer Leistung von 90 PS vor. 1993: FIAT patentiert das Common-Rail-Prinzip. 2004: FIAT sorgt mit dem Multijet-System für eine weitere Innovation. Diesels Idee des schnelllaufenden Antriebsmotors wurde also doch noch verwirklicht. Leider hat er nie erfahren, welchen Siegeszug sein Motor in der ganzen Welt angetreten hat Innovationen Turbolader Abbildung 6: Merzedes-Benz 260 D Der Turbolader ist ein fast nicht mehr wegzudenkender Bestandteil moderner Verbrennungsmotoren 10

11 geworden. Fast alle direkt einspritzenden Dieselmotoren vom Pkw- bis zum Schiffsdiesel sind so aufgeladen. Durch frühzeitiges Einsetzen und Begrenzung im Ladedruck erfüllt sich ein alter Traum des Autofahrens, gerade aus relativ niedrigen Drehzahlen heraus kraftvoll beschleunigen zu können. Abbildung 7: Turbolader (Beschreibung) Mit einem Turbolader sollen hohe Drehmomente und somit höhere Motorleistungen erzielt werden. Dies gelingt, indem die angesaugte Luft verdichtet wird. Durch die erhöhte Dichte kann somit bei jedem Einlasstakt mehr Sauerstoff in den Brennraum des Motors gelangen. Mit dem höheren Sauerstoffgehalt ist eine bessere Verbrennung möglich - die Leistung steigt. Die Wärme- und Bewegungsenergie des Motorabgases werden genutzt, um die Abgasturbine des Turboladers anzutreiben. Die Abgasturbine betreibt den Verdichter. Dieser presst die angesaugte Luft zusammen, wodurch sie sich erwärmt. Im Ladeluftkühler wird sie wieder abgekühlt. Abbildung 8: Turbine Der Turbolader besteht aus Turbine (rechts) und Verdichter (links) auf einer gemeinsamen Welle. Die Wellenlagerung verkraftet weit mehr als /min nur, wenn sie an den Ölkreislauf des Motors angeschlossen ist. Bisweilen existiert auch eine Kühlmittelverbindung. Die Turbine wird vom Abgas des Motors angetrieben. Der Verdichter sorgt für eine Vorverdichtung der Frischluft. Er soll möglichst auch schon bei geringen Drehzahlen einen hohen Ladedruck erzeugen. Dieser muss durch ein Bypassventil (Westgate) gesteuert werden. Es gibt ab einem bestimmten Ladedruck den direkten Weg zur Abgasanlage unter Umgehung des Turbinenrades frei. Dieses Ventil kann pneumatisch vom Druck im Saugrohr oder elektrisch angesteuert werden. 11

12 Common-Rail-Einspritzung Die Druckerzeugung und die Kraftstoffeinspritzung sind beim Common-Rail-System voneinander getrennt (entkoppelt). Eine separate Hochdruckpumpe erzeugt kontinuierlich Druck. Anders ausgedrückt: Während herkömmliche Diesel-Direkteinspritzer den Kraftstoffdruck für jeden Einspritzvorgang aufs neue erzeugen, wird er beim Common-Rail-System unabhängig von der Einspritzfolge aufgebaut und steht in der Kraftstoffleitung permanent zur Verfügung. Der Druck wird in der so genannten Rail (= Schiene, Leitung) gespeichert und über kurze Einspritzleitungen den Injektoren einer Zylinderbank zur Verfügung gestellt. Durch den ständig anstehenden hohen Druck von maximal bar (1.600 bar in der 2. Generation) lässt sich ein sehr genauer Einspritzverlauf erzielen. Die funktionale Trennung von Druckerzeugung und Einspritzung läßt den Motorenentwicklern mehr Freiheit bei der Gestaltung des Einspritz- und Verbrennungsverfahrens. Über Motorkennfelder sind Druck und Einspritzzeitpunkt variabel zum aktuellen Betriebspunkt des Motors einstellbar. Damit sind auch bei niedrigen Drehzahlen hohe Einspritzdrücke und eine nahezu vollständige Kraftstoffverbrennung möglich. Der Einspritzdruck wird unabhängig von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge erzeugt. Im Hochdruckkraftstoffspeicher Rail steht der Kraftstoff für die Einspritzung bereit. Die Einspritzmenge wird vom Fahrer vorgegeben, Einspritzzeitpunkt und Einspritzdruck werden im elektronischen Steuergerät aus abgelegten Kennfeldern berechnet und vom Injektor über ein angesteuertes Magnetventil umgesetzt. Das Steuergerät erfaßt mit Hilfe von Sensoren das aktuelle Betriebsverhalten von Motor und Fahrzeug sowie den Fahrerwunsch. Mit den gewonnenen Informationen ist es in der Lage, auf das Fahrzeug und besonders auf den Motor steuernd und regelnd Einfluß zu nehmen. Das Common-Rail-System ist aus mehreren Modulen aufgebaut. Für das Einspritzverhalten des Systems sind folgende Komponenten verantwortlich: magnetventilgesteuerte Injektoren, die im Zylinderkopf eingeschraubt sind Druckspeicher (Rail) Hochdruckpumpe Zudem werden zum Betrieb des Systems folgende Komponenten benötigt: ein elektronisches Steuergerät Kurbelwellendrehzahlsensor Nockenwellendrehzahlsensor Abbildung 9: Common-Rail-Einspritzung Die Drehzahl der Hochdruckpumpe ist mit einem festen Übersetzungsverhältnis an die Motordrehzahl gekoppelt. Die Injektoren, die über kurze Leitungen mit dem Rail verbunden sind, bestehen im wesentlichen aus einer Einspritzdüse und je einem Magnetventil. Das Steuergerät ist für die richtige Bestromung der Magnetventile verantwortlich und steuert somit den Einspritzbeginn und die Einspritzdauer. Die eingespritzte Kraftstoffmenge ist proportional zur Einschaltzeit des Magnetventils und somit unabhängig von der Motor- bzw. Pumpendrehzahl. Über die Signale aus Kurbelwellen- und Nockenwellendrehzahlsensor bestimmt die Steuerung den Einspritzbeginn und die Einspritzdauer. 12

13 Multijet Fiat hat in der Motorentechnologie immer schon Revolutionäres entwickelt. Mit Multijet hat Fiat jetzt die zweite Generation der Common Rail Technologie definiert. Ein innovatives Einspritzverfahren, das mit mehreren Einspritzmomenten pro Verbrennungstakt die Zerstäubung des Kraftstoffs optimiert und eine gleichmäßigere Verbrennung erreicht. Ein eigens entwickeltes Steuergerät und die elektronischen Einspritzdüsen, die eine Serie dicht aufeinander folgender, zeitlich genau gesteuerter Einspritzmomente ermöglichen, sind das Geheimnis des Multijet- Systems. Durch diese von den Fiat-Automobilingenieuren entwickelte Technik wird eine präzisere Steuerung der Druckverhältnisse, Temperaturen und Luftmengen im Zylinder erzielt. Das Design- Prinzip für das Multijet-System ist eigentlich ganz simpel: Die heutigen Common-Rail-Motoren nutzen eine Voreinspritzung (Piloteinspritzung). Mit ihr steigen die Temperatur und der Druck im Zylinder, die Verbrennung erfolgt gleichmäßiger und der Motor läuft ruhiger. Durch die Aufteilung des Haupt-Einspritzvorgangs in viele kleine Einspritzmomente können noch weitere Vorteile erzielt werden: die Motoren überzeugen mit harmonischer Leistungsentfaltung und besonders hoher Laufruhe durch geringere Verbrennungsgeräusche, weniger Verbrauch bei reduzierten Emissionen, mehr Leistung und ein höheres Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Zentrales Element des Multijet-Systems ist eine neue Steuereinheit für das elektrische Öffnen und Schließen der Einspritz- Injektoren. Dadurch sind erstmals eine ganze Reihe von sehr nah aufeinander folgenden Einspritzungen möglich. Im Detail sind es sechs Sekundäreinspritzungen und zwei Haupteinspritzungen (statt zuvor jeweils einer Sekundär- und Haupteinspritzung) pro Arbeitstakt. Mit diesen Mehrfacheinspritzungen können Druck, Temperatur und Luftverhältnis im Brennraum, laut Alfa, "präzise wie nie zuvor bei einem Dieselmotor kontrolliert und gesteuert" werden. Je nach Betriebsbereich soll so das Ansprechverhalten optimiert, die Rauchentwicklung reduziert, das Drehmoment gesteigert, die Geräusche minimiert und die Laufruhe verbessert worden sein. Auch die Emissionen sollen gedrückt worden sein, wenn auch die Euro-4-Abgasnorm immer noch nicht erreicht wird. Der erste Motor, der mit dieser neuen Multijet-Einspritzung arbeitet, heißt bei Alfa 1.9 JTD 16V. Konstruktiv wurde er vom bekannten 1.9 JTD mit 85 kw / 115 PS abgeleitet. Pro Zylinder kommen nun jedoch vier statt zwei Ventile zum Einsatz. Darüber hinaus erhöhte Alfa Romeo den im Common-Rail-System permanent gehaltenen Einspritzdruck von 1300 auf 1400 bar. So entwickelt der neue Vierventil-Vierzylinder jetzt bereits bei 2000 Umdrehungen ein maximales Drehmoment von 305 Newtonmetern und leistet 103 kw / 140 PS; 30 Nm und 25 PS mehr als die letzte Version mit Unijet-System. Darüber hinaus sei das Geräuschniveau um bis zu sechs Dezibel (A) gesenkt werden. Quellen Literatur Rudolf Diesel, Die Entstehung des Dieselmotors. Erstmaliges Faksimile der Erstausgabe von 1913 mit einer technik-historischen Einführung., Steiger Verlag, Moers, ISBN Webseiten 13

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