Wolfgang Eifler Eberhard Schlücker Ulrich Spicher Gotthard Will Küttner Kolbenmaschinen
Wolfgang Eifler Eberhard Schlücker Ulrich Spicher Gotthard Will Küttner Kolbenmaschinen Mit 408 Abbildungen, 40 Tabellen sowie zahlreichen Übungen und Beispielen mit Lösungen. 7., neu bearbeitete Auflage STUDIUM
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über <http://dnb.d-nb.de> abrufbar. Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Eifler, Jahrgang 1957, studierte an der Universität Kaiserslautern Kraft- und Arbeitsmaschinen. Nach der Promotion war er von 1990 bis September 2003 bei der Adam Opel AG in Rüsselsheim in den Bereichen Basismotorenentwicklung und Motorsteuerungssysteme Entwicklung und Applikation tätig. Seither ist er an der Ruhr-Universität in Bochum für den Aufbau des neu gegründeten Lehrstuhles für Verbrennungsmotoren verantwortlich. Prof. Dr.-Ing. Eberhard Schlücker, Jahrgang 1956, studierte Maschinenbau an der Fachhochschule Heilbronn und promovierte 1993 an der Universität Erlangen-Nürnberg. Als Abteilungsleiter Forchung und Entwicklung sowie als Prokurist und Leiter des Bereiches Technik arbeitete er bis 2000 bei der Firma LEWA, Leonberg. Seither ist er Professor und Lehrstuhlinhaber Prozessmaschinen und Anlagentechnik an der Universität Erlangen-Nürnberg. Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher, geboren 1947; Dipl.-Ing. RWTH Aachen 1975; Dr.-Ing. RWTH Aachen 1982; 1975 bis 1987 wissenschaftlicher Mitarbeiter, wissenschaftlicher Assistent, Oberingenieur RWTH Aachen; 1987 bis 1988 Abteilungsleiter Motorische Verbrennung und Optische Verbrennungsanalysen FEV Motorentechnik Aachen; 1988 bis 1993 Bereichsleiter Motorische Brennverfahren und Sonderbrennverfahren FEV Motorentechnik Aachen; 1993 bis 1994 Professor (C3) Universität Paderborn (Thermodynamik und Verbrennungsmotoren); seit 01.08.1994 Professor (C4) Universität Karlsruhe (Institut für Kolbenmaschinen); 01.10.2002 30.09.2004 Dekan der Fakultät Maschinenbau der Universität Karlsruhe (TH); seit 2007 Vorsitzender der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Kraftfahrzeug- und Motorentechnik e.v. (WKM). Prof. Dr.-Ing. Gotthard Will, Jg. 1939, Studium Maschinenbau TU Dresden, Promotion 1970, Habilitation 1989, Tätigkeit für Kombinat Pumpen und Verdichter Halle, Oberassistent an Sektion Energieumwandlung der TU Dresden, 1994 bis 2005 ordentl. Professor für Pumpen, Verdichter und Apparate an TU Dresden, Mitbegründer und erster Vorsitzender des European Forum for Reciprocating Compressors. 1. Auflage 1967 2. Auflage 1972 3. Auflage 1974 4. Auflage 1978 5. Auflage 1984 6. Auflage 1993 7., neu bearbeitete Auflage 2009 Alle Rechte vorbehalten Vieweg+Teubner GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2009 Lektorat: Harald Wollstadt Ellen Klabunde Vieweg+Teubner ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media. www.viewegteubner.de Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, 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. Umschlaggestaltung: KünkelLopka Medienentwicklung, Heidelberg Druck und buchbinderische Verarbeitung: STRAUSS GMBH, Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Printed in Germany ISBN 978-3-8351-0062-6
V Vorwort Kolbenmaschinen sind in hohem Maße energieeffizient, vielfältigst einsetzbar und daher aus dem Leben zivilisierter Menschen nicht weg zu denken. Wir nutzen sie als Verbrennungsmotoren zum Antrieb von Fahrzeugen aller Art, wir bemerken ihre Mitwirkung als Einspritzpumpe am Dieselmotor oder als Kältemittelverdichter in einer Klimaanlage oder einem Haushaltkühlschrank aber vielleicht schon weniger. Und bei der Verwendung chemischer oder pharmazeutischer Produkte denken wir in der Regel nicht mehr daran, welche Pumpen oder Verdichter zu ihrer Erzeugung erforderlich waren. Die gemeinsame Aufgabe von Kolbenmaschinen ist, die verschiedenen Energieformen in einander umzuwandeln. Aus der latenten Energie des Brennstoffs erzeugen Verbrennungsmotoren mechanische Arbeit. Pumpen und Verdichter benötigen die Zufuhr mechanischer Arbeit, um den Druck von Flüssigkeiten oder Gasen zu erhöhen. Darin unterscheiden sie sich nicht von anderen Fluidenergiemaschinen, wie z. B. den Turbomaschinen. Gemeinsam ist ihnen auch das volumetrische Prinzip der Energieübertragung. Dem gasförmigen oder flüssigen Arbeitsstoff wird im Zylinder der Maschine bei einem periodischen Arbeitsspiel über den bewegten Kolben mechanische Arbeit zugeführt oder abgenommen. Das Triebwerk der Maschine realisiert die Wandlung zwischen der oszillierenden Bewegung des Kolbens und der rotierenden Bewegung der Kurbelwelle in beiden Richtungen. Diese Merkmale grenzen die Kolbenmaschine gegenüber anderen Energiemaschinen ab. Zielstellung dieses Lehrbuchs ist es, Studierenden des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik, die gemeinsamen theoretischen Grundlagen der Kolbenmaschinen zu erschließen und ihre vielfältigen Ausführungsformen zu veranschaulichen. Anliegen des Buches ist es aber auch, die Studierenden auf die aktuellen Aufgaben der Forschung und Entwicklung für Kolbenmaschinen aufmerksam zu machen. Diese beziehen sich vor allem auf die Erhöhung der Energieeffizienz, der Zuverlässigkeit und der Umweltverträglichkeit solcher Maschinen. Im Gegensatz zu den früheren Auflagen dieses Buches, die aus der Feder von Karl-Heinz Küttner, dem langjährigen Professor für Kolbenmaschinen an der FH Berlin stammten, ist die Neuauflage das Werk eines Autorenkollektivs von Hochschullehrern, die an verschiedenen Universitäten für Lehre und Forschung an speziellen Kolbenmaschinen Verantwortung tragen bzw. trugen. Der Verlag und die Autoren waren sich der schwierigen Aufgabe bewusst, ein pädagogisch bewährtes Lehrbuch durch etwas Neues zu ersetzen. Sie hoffen, dass dieses Buch im Sinne des Namensgebers einen guten Überblick über das klassische Stoffgebiet liefert, aber auch die Dynamik seiner ständigen Weiterentwicklung widerspiegelt. Sie sind für alle Hinweise zu seiner weiteren Verbesserung dankbar. Bochum/Erlangen-Nürnberg/ Karlsruhe/Dresden im November 2008 Wolfgang Eifler Eberhard Schlücker Ulrich Spicher Gotthard Will
VII Inhaltsverzeichnis Vorwort... V 1 Gemeinsame Grundlagen der Kolbenmaschinen... 1 1.1 Wirkungsweise, Bauarten und Grundbegriffe... 1 1.1.1 Das volumetrische Prinzip der Energieübertragung... 1 1.1.2 Bauarten und ihre historische Entwicklung... 4 1.1.3 Aufbau und Kenngrößen von Hubkolbenmaschinen... 6 1.2 Die thermodynamische Funktion von Kolbenmaschinen... 9 1.2.1 Die vollkommene Maschine als Modellvorstellung... 9 1.2.2 Idealisierte Arbeitsspiele... 10 1.2.3 Die verlustbehafteten Zustandsänderungen im Arbeitsraum einer Kolbenmaschine... 17 1.3 Kurbeltrieb... 22 1.3.1 Kinematik der Hubkolbenmaschine... 23 1.3.2 Kräfte und Momente im Triebwerk... 27 1.3.3 Massenausgleich... 34 1.3.4 Ungleichförmigkeitsgrad und Drehmomentausgleich... 43 1.3.5 Übungsaufgaben... 46 1.4 Antriebsstränge für Kolbenmaschinen... 50 1.4.1 Elektromotoren für Kolbenmaschinen... 50 1.4.2 Antriebsformen für leckfreie Kolbenmaschinen... 51 1.4.3 Getriebe für Kolbenmaschinen... 52 1.4.4 Kupplungen für Kolbenmaschinenantriebe... 53 1.4.5 Frequenzumrichter... 53 1.4.6 Auswahl der Motor- und Getriebegrößen... 53 2 Oszillierende Verdrängerpumpen... 57 2.1 Einsatzgebiete... 58 2.2 Einteilung und Merkmale... 58 2.3 Arbeitsweise... 61 2.3.1 Funktion... 61 2.3.2 Kinematik der Verdrängerbewegung... 62 2.3.3 Massenstrom und Förderleistung... 65 2.3.4 Volumetrischer Wirkungsgrad... 65 2.3.5 Kennlinien und Einfluss der Stellgrößen... 68 2.3.6 Dosiergenauigkeit... 70 2.3.7 Wirkungsweise und Einfluss der Pumpenventile... 71 2.3.8 Wirkungsweise von Mehrfachpumpen... 77 2.3.9 Beispiele... 78 2.4 Technische Ausführung oszillierender Pumpenantriebe... 80 2.4.1 Baukonzepte... 80 2.4.2 Linearantriebe... 82 2.4.3 Maschinen mit Geradschubkurbeltrieb... 87 2.4.4 Federnockentriebwerke... 90 2.4.5 Axialkolben-, Kurvenscheiben- und Schrägscheibenantriebe... 90
VIII Inhaltsverzeichnis 2.4.6 Steuerkolbenantriebe... 91 2.4.7 Hydraulische Membranpumpen mit hydraulischem Phasenanschnitt... 92 2.5 Technische Ausführungen von Kolbenpumpenköpfen... 93 2.5.1 Klassische Bauformen... 93 2.5.2 Hochdruckpumpenköpfe... 95 2.5.3 Pumpenköpfe für die Hygienetechnik... 96 2.5.4 Pumpen für die Motorentechnik... 97 2.5.5 Mikrodosierpumpen... 99 2.6 Technische Ausführungen von Membranpumpenköpfen... 100 2.6.1 Membranpumpen mit mechanischem Membranantrieb... 100 2.6.2 Membranpumpen mit hydraulischem Membranantrieb... 101 2.6.3 Schlauchmembranpumpen... 107 2.7 Konstruktive Gestaltung ausgewählter Baugruppen... 108 2.7.1 Kolben... 108 2.7.2 Kolbenabdichtung... 109 2.7.3 Flüssigkeitsgesteuerte Ventile... 111 2.7.4 Membranen... 114 2.7.5 Hydraulikventile... 115 2.8 Das Pumpensystem... 117 2.8.1 Druckverluste... 117 2.8.2 Saugfähigkeit oszillierender Pumpen... 118 2.8.3 Schwingungstechnische Betrachtung von Pumpensystemen mit oszillierenden Verdrängerpumpen... 122 2.8.4 Pulsationsdämpfung mit Absorptionsdämpfern... 125 2.8.5 Pulsationsdämpfung mit Resonatoren und Blenden... 126 2.8.6 Druckpulsationen in Einspritzsystemen der Motorentechnik... 128 2.8.7 Beispiele... 128 2.9 Überwachung und Diagnose... 131 2.10 Stelleingriffe und Regelungen... 134 2.11 Ausgewählte Rotierende Verdrängerpumpen... 135 2.11.1 Gemeinsame Grundlagen... 135 2.11.2 Drehkolbenpumpen... 136 2.11.3 Zahnradpumpen... 137 2.11.4 Flügelzellenpumpen... 138 2.11.5 Peristaltische Schlauchpumpen... 139 2.11.6 Exzenterschneckenpumpen... 141 2.12 Vergleichende Betrachtungen... 142 3 Kolbenverdichter... 147 3.1 Bestandteile, Förderparameter und Einsatzbedingungen... 147 3.2 Funktionsweise... 150 3.2.1 Vorgänge im Arbeitsraum... 150 3.2.2 Vorgänge in der Verdichterstufe... 152 3.2.3 Massebilanz und Förderstrom... 155 3.2.4 Energiebilanz und Leistungsbedarf... 157 3.3 Konzeption und Gestaltung des Verdichters... 161 3.3.1 Stufenzahl... 161 3.3.2 Hauptparameter und Bauform... 163 3.3.3 Ausführungsbeispiele... 165
Inhaltsverzeichnis IX 3.4 Konstruktion und Berechnung von Baugruppen... 175 3.4.1 Zylinder und Ventile... 175 3.4.2 Kolben und Dichtelemente... 187 3.4.3 Kühler, Abscheider und Trockner... 194 3.4.4 Pulsationskontrolle im Zwischenstufensystem... 198 3.5 Betrieb von Kolbenverdichter-Anlagen... 200 3.5.1 Förderverhalten... 200 3.5.2 Stelleingriffe und Regelungen... 206 3.5.3 Überwachung und Diagnose... 212 3.6 Drehkolbenverdichter... 216 3.6.1 Einteilung, Eigenschaften und Grundbegriffe... 216 3.6.2 Zellenverdichter... 218 3.6.3 Scrollverdichter... 219 3.6.4 Rootsgebläse... 220 3.6.5 Schraubenverdichter... 223 4 Brennkraftmaschinen... 231 4.1 Mechanische Bauteile... 231 4.1.1 Kurbeltrieb... 231 4.1.2 Kurbelgehäuse, Zylinder... 239 4.1.3 Zylinderkopf und Ventiltrieb... 240 4.1.4 Übungsaufgaben... 247 4.2 Kraftstoffe des Verbrennungsmotors... 248 4.2.1 Herkunft und Herstellungsprozess... 248 4.2.2 Der chemische Aufbau der Kraftstoffe... 250 4.2.3 Physikalisch-chemische Eigenschaften der Kraftstoffe... 252 4.2.4 Normtabellen der Kraftstoffkennwerte... 262 4.2.5 Kraftstoffadditive [4.2-1]... 262 4.2.6 Stöchiometrischer Luftbedarf, Lambda und Gemischheizwert... 264 4.2.7 Die Rußbildungsneigung von Kraftstoffen... 266 4.2.8 Die laminare Brenngeschwindigkeit und die Zündgrenzen... 267 4.2.9 Der Gemischheizwert... 267 4.2.10 Alternative Kraftstoffe... 269 4.2.11 Übungsaufgaben... 282 4.3 Thermodynamik des Verbrennungsmotors... 285 4.3.1 Einführung... 285 4.3.2 Geschlossene Kreisprozesse... 285 4.3.3 Offene Vergleichsprozesse das Modell des Vollkommenen Motors... 296 4.3.4 Korrektur der Verbrennungsberechnung und Auswirkung der Dissoziation... 309 4.3.5 Der reale Motorprozess (Verlustteilung)... 311 4.3.6 Der Wärmestrom im Verbrennungsmotor... 318 4.3.7 Energiebilanz und -umwandlung... 330 4.4 Motor- und Betriebskenngrößen... 334 4.4.1 Hubvolumen und Verdichtungsverhältnis... 334 4.4.2 Die mittlere Kolbengeschwindigkeit... 336 4.4.3 Effektive Leistung und Drehmoment... 337 4.4.4 Innere Leistung und Mitteldruck... 338
X Inhaltsverzeichnis 4.4.5 Wirkungsgrade und Kraftstoffverbrauch... 341 4.4.6 Die Zylinderfüllung Kenngrößen des Ladungswechsels... 342 4.4.7 Die Motorenkennfelder... 346 4.5 Ladungswechsel... 352 4.5.1 Allgemeines... 352 4.5.2 4-Takt-Hubkolbenmotor... 353 4.5.3 2-Takt-Hubkolbenmotor... 368 4.5.4 Übungsaufgaben... 373 4.6 Der Prozessverlauf im Ottomotor... 375 4.6.1 Grundlagen der Gemischbildung... 376 4.6.2 Gemischbildungsverfahren... 379 4.6.3 Zündung... 398 4.6.4 Verbrennung... 404 4.7 Dieselmotor... 416 4.7.1 Grundlagen... 416 4.7.2 Einspritzverfahren... 418 4.7.3 Einspritzsysteme... 421 4.7.4 Strahlausbreitung und Gemischbildung... 431 4.7.5 Zündung und Verbrennung... 433 4.7.6 Schadstoffentstehung... 439 4.7.7 Übungsaufgaben... 443 4.8 Entwicklungsschwerpunkte... 445 4.8.1 Variabler Ventiltrieb (VVT)... 445 4.8.2 Benzin-Direkteinspritzung (BDE)... 452 4.8.2.1 Direkteinspritzung mit homogenem Gemisch... 454 4.8.2.2 Direkteinspritzung mit geschichtetem Gemisch... 456 4.8.2.3 Serienkonzepte... 465 4.8.3 Aufladung... 471 4.8.3.1 Mechanische Aufladung... 472 4.8.3.2 Abgasturboaufladung... 476 4.8.4 Downsizing und Downspeeding... 479 4.8.4.1 Downsizing... 480 4.8.4.2 Downspeeding... 482 4.8.5 Moderne Konzepte bei Dieselmotoren... 484 4.8.5.1 Mehrfacheinspritzung und Einspritzverlaufsformung... 486 4.8.5.2 Piezo-Injektor und variable Einspritzdüsen... 488 4.8.6 Homogeneous Charged Compression Ignition (HCCI)... 489 4.8.7 Übungsfragen... 493 4.9 Sonderverfahren... 495 4.9.1 Wankelmotor... 495 4.9.2 Stirling-Motor... 498 4.9.3 Dampfmotor... 501 4.9.4 Gasmotor... 502 4.9.5 Wasserstoffantrieb... 508 4.9.6 Atkinson-Zyklus und Miller-Verfahren... 513 Anhang: Stoffwerte zur Thermodynamik... 516 Sachwortverzeichnis... 523