Aufladung der Verbrennungskraftmaschine

286 Pages·2003·13.571 MB·German

by  Dipl.-Ing. Dr. Hermann Hiereth, Dipl.-Ing. Dr. Peter Prenninger (auth.)

Der Fahrzeugantrieb
Herausgegeben von Helmut List
Wissenschaftlicher Beirat
K. Kollmann, H. P. Lenz, R. Pischinger,
R. D. Reitz, T. Suzuki
Hermann Hiereth
Peter Prenninger
Aufladung
der Verbrennungskraftmaschine
Der Fahrzeugantrieb
Springer-Verlag Wien GmbH
Dipl.-Ing. Dr. Hennann Hiereth
Esslingen, Bundesrepublik Deutschland
Dipl.-Ing. Dr. Peter Prenninger
AVL List GmbH, Graz, Österreich
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© 2003 Springer-Verlag Wien
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Wien New York 2003
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 2003
Datenkonvertierung: Thomson Press (India) Ltd., Chennai
Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier - TCF
SPIN 10684791
Mit 363 Abbildungen
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische
Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.
ISSN 1617-8920
ISBN 978-3-7091-7219-3 ISBN 978-3-7091-0650-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-7091-0650-1
Vorwort
Die Aufladung der Kolben-Verbrennungskraftmaschine ist so alt wie diese selbst. Anfangs zur
Verbesserung der Hohenleistung bei Flugmotoren und dann zur Steigerung der Kurzzeitleistung
bei sportlichen oder Hochpreisfahrzeugen eingesetzt, hat es beinahe 30 Jahre gedauert, bis sie in
Form dereffizienzsteigerndenAbgasturboaufladungbeiGroB-undmittelschnelllaufendenDiesel
motoren wirtschaftlicheBedeutungerlangte.Esdauerteweitere30Jahre,bissie,sowohlmitmecha
nisch angetriebenenVerdrangerladern alsauchmodernen Abgasturbo-Aufladesystemen,Einzug in
den GroBserien-Fahrzeugmotorenbauhalten konnte.
Da der Verbrennungsmotor trotz erfolgversprechender Alternativentwicklungen im mobilen
Bereich auch fiirdie absehbare Zukunft von beherrschenderBedeutung sein wird, ist seine Wei
terentwicklung unerlasslich. Heute, mit derForderung nach extremerWirtschaftlichkeiteinerseits
und dengesetzlichenVorgaben- wie Gerausch- undAbgasemissionswerten- andererseits, istdie
Aufladung im gr6BtenTeildesAnwendungsspektrums vonVerbrennungsmotoren eine unabding
bareVoraussetzung zurErfiillung dieserAufgabe.
Das vorliegende Buch solI dazu dienen, die Eigenschaften von Aufladegeraten sowohl hin
sichtlich ihrerphysikalischenWirkprinzipienalsauchihresZusammenwirkensmitKolbenmotoren
besser kennenzulernenund zuverstehen.Diesgiltsowohl fiirVerdrangerlader alsauchfiirdiezum
Teilsehrkomplexen Abgasturboaufladesysteme.
Dabei geht es nicht urn die Auslegung, Berechnung und Konstruktion von Aufladegeraten
als solchen - dieses Spezialgebiet ist der einschlagigen Fachliteratur vorbehalten -, sondern urn
jene Fragestellungen, die fiirein effektives Zusammenwirken von Motor undAufladesystem von
Bedeutung sind, sowie urndie fiir die Darstellung einer optimalen Motor-Lader-Kombination er
forderlichenWerkzeuge.
Besonderes Augenmerk wird auf eine verstandliche Darstellung der Zusammenhange in
moglichst einfacher Form sowie auf die Beschreibung und beispielhafte Vertiefung moderner
Aufladesystementwicklungsablaufe gelegt. Soweit irgend moglich sind die prinzipiellen Zusam
menhange beschrieben und mathematische Fonnulierungen auf das notwendige Minimum be
grenzt,ohnedabeiauBerAchtzulassen, wieunabdingbarSimulations-undAuslegungsprogramme
fiireine schnelle, kostengiinstige und weitgehend einsatzoptimierte Motor-Lader-Adaption heute
sind.
YomAufbau und Inhalt des Buches her wollen wir uns dabei sowohl an Studenten als auch
an Entwicklungsingenieure wenden, wobei hinsichtlich des Verbrennungsmotors deutlich mehr
Grundkenntnisse vorausgesetztwerden als hinsichtlichderAufladesysteme.
Bei derErstellung des Literaturverzeichnisses werden - wegen der groBenZahl einschlagiger
Veroffentlichungen - vorzugsweisejeneTextedokumentiert,die DarstellungenundAussagen des
Buches beeinflussenoder belegen.
VI Vorwort
WirhabeneinergroBen ZOOI vonPersonen undFirmen zu danken, die diesesBuehdureh
AnregungenundZurverfiigungstellungvonBildmaterialermoglichthaben.
UnserbesondererDankgiltdemHerausgeberderReihe.DerFahrzeugantrieb", Prof.Helmut
List,derunsermutigthat,diesesBuehinAngriffzunehmen,unddieBearbeitungundBilderstellung
tatkraftigunterstiitzthat.DenFirmenABB, DaimlerChrysler,Garrett-Honeywell, 3K-Warnerund
Wartsila-New SulzerDieseldanken wirfiirdieUberlassung vonumfangreiehem Ergebnis- und
BildmaterialundderMotortechnischenZeitschriftfiirdieGenehmigung,zahlreicheBilddokumente
zureproduzieren.
Univ.-Prof.Dr.R.Pisehinger undDipl.-Ing. G.Withalm danken wirfiirwertvolle Anregun
genundsystematisehe Prinzipuntersuehungen. Fiirspezielle stromungstechnische Hinweise und
Erganzungen danken wir Dipl.-Ing. S. Sumser, Dipl.-Ing. H. Fingerund Dr.-Ing. F.Wirbeleit
sowiefiirumfangreiche Simulations- und versuehsteehnisehe Ergebnisse den engagierten Kol
legenderAVL-FaehbereicheThermodynamiksowieDiesel-undOtto-Motorenversueh. Dipl.-Ing.
N.Hoeheggerdanken wirfiirdiehervorragendeBildaufbereitung.
Ohnedieentgegenkommende Hilfeallergenannten Firmen undPersonen warediesesBueh
niehtmoglich gewesen. DemSpringer-Verlag danken wirfiirdieprofessionelleAusfiihrung und
Ausstattungdieses Buehes.
H.Hiereth,P. Prenninger
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen,IndizesundAbkiirzungen XII
1 EinleitungundkurzeGeschichtederAufladung 1
2 GrundlagenundZielderAufladung 6
2.1 ZusarnrnenhangvonZylinderladungundZylinderarbeitsowievon
LadungsmassenstromundMotorleistung 6
2.1.1 Zusarnrnenhang vonZylinderladungundZylinderarbeit 6
2.1.2 ZusarnrnenhangvonLadungsmassenstromundMotorleistung 7
2.2 EinflussderLadeluftkiihlung 9
2.3 BegriffsbestimmungundAufladeverfahrensiiberblick 10
2.4 AufladungmittelsgasdynamischerEffekte 10
2.4.1 Schwingsaugrohr-Aufladung 10
2.4.2 Resonanzaufladung 12
2.5 AufladungmittelsAufladeaggregaten 14
2.5.1 Lader-Druck-Volumenstrom-Kennfeld 14
2.5.2 Verdrangerlader 15
2.5.3 Stromungslader 16
2.6 ZusarnrnenwirkenvonLaderundVerbrennungskraftmaschine 18
2.6.1 Druck-Volumenstrom-KennfelddesKolbenmotors 18
2.6.2 ZusammenwirkenvonZwei-undViertaktmotorenmitverschiedenenLadern 21
3 ThermodynamikderAufladung 24
3.1 BerechnungderLader-undTurbinenleistung 24
3.2 EnergiebilanzdesArbeitsprozessesaufgeladenerMotoren 25
3.2.1 Motor-Hochdruckprozess 25
3.2.2 Gaswechselschleifen-Niederdruckprozesse 25
3.2.3 Abgasenergienutzung 26
3.3 AufladungalsMittelzurWirkungsgradsteigerung 27
3.3.1 KennzahlenzurBeschreibungderLadungswechsel-undMotorwirkungsgrade 27
3.3.2 BeeinflussungdesMotorgesamtwirkungsgradesdurchAufladung 31
3.4 EinflussderAufladungaufAbgasemissionen 32
3.4.1 Ottomotor 34
3.4.2 Dieselmotor 34
3.4.3 Abgasnachbehandlungsverfahren 35
3.5 ThermischeundmechanischeBeanspruchungderVerbrennungskraftmaschine
imAufladebetrieb 35
VIII Inhaltsverzeichnis
3.5.1 ThermischeBeanspruchungen 35
3.5.2 MechanischeBeanspruchungen 36
3.6 ModellierungundrechnergestiitzteSimulationaufgeladenerMotoren 37
3.6.1 EinfiihrunginnumerischeProzesssimulation 37
3.6.2 KreisprozesssimulationdesaufgeladenenMotors 38
3.6.3 NumerischedreidimensionaleSimulationvonStromungsvorgangen 49
3.6.4 NumerischeSimulationdesaufgeladenenMotorsimVerbundmit
Verbrauchersystem 50
4 MechanischeAufladung 52
4.1 EinsatzgebietedermechanischenAufladung 52
4.2 EnergiebilanzdermechanischenAufladung 53
4.3 RegelungsmoglichkeitendesForderstromesmechanischerLader 54
4.3.1 Viertaktmotoren 54
4.3.2 Zweitaktmotoren 56
4.4 BauformenundSystematikmechanischangetriebenerVerdichter 56
4.4.1 Verdrangerlader 56
4.4.2 Stromungslader 60
5 Abgasturboaufladung 61
5.1 ZieleundEinsatzgebietederAbgasturboaufladung 61
5.2 StromungstechnischeGrundlagenderTurboladerkomponenten 61
5.2.1 EnergieumsetzunginStromungsmaschinen 61
5.2.2 Verdichter 62
5.2.3 Turbinen 66
5.3 EnergiebilanzdesAufladesystems 75
5.4 AnpassungdesTurboladers 76
5.4.1 Abgasenergienutzungsmoglichkeitenundresultierende
Auspuffsystemgestaltung 76
5.4.2 Turbinenauslegungund-regelung 83
5.4.3 Verdichterauslegungund-regelung 91
5.5 DimensionierungundOptimierungderGasfiihrungs-undAufladekomponenten
mittelsKreisprozess-undCFD-Simulationen 94
5.5.1 Auslegungskriterien 94
5.5.2 BeispielezurnumerischenSimulationvonMotorenmitAbgasturboaufladung 98
5.5.3 VerifikationderSimulation 101
6 BesondereArbeitsverfahrenmitNutzungderAbgasturboaufladung 107
6.1 ZweistufigeAufladung 107
6.2 GeregeltezweistufigeAufladung 108
6.3 Registeraufladung 109
6.3.1 EinstufigeRegisteraufladung 110
6.3.2 ZweistufigeRegisteraufladung 112
6.4 TurbokiihlungundMillerverfahren 115
6.4.1 Turbokiihlung 115
6.4.2 Millerverfahren 116
Inhaltsverzeichnis IX
6.5 Turbocompound-Verfahren 118
6.5.1 MechanischeRiickspeisungindenMotor 119
6.5.2 E1ektrischeEnergieriickgewinnung 123
6.6 KombinierteAuflade-undAufladesonderverfahren 124
6.6.1 Differentia1-Verbundaufladung 124
6.6.2 MechanischeZusatzaufladung 125
6.6.3 UnterstiitzteAbgasturboaufladung 126
6.6.4 Comprex-Druckwellenaufladeverfahren 128
6.6.5 Hyperbar-Aufladeverfahren 130
6.6.6 Aus1egung kombinierterAufladeverfahrenmitte1s thermodynamischer
Kreisprozesssimulationen 131
7 Betriebsverhaltenaufge1adenerMotoren 135
7.1 LastaufnahmeundBesch1eunigungsverha1ten 135
7.2 DrehmomentverhaltenundDrehmomentenverlauf 136
7.3 Hohenverhaltenaufge1adenerMotoren 137
7.4 Stationar-undGroBmotoren 139
7.4.1 Generatorbetrieb 140
7.4.2 Propellerbetrieb 141
7.4.3 Besch1eunigungshilfen 142
7.4.4 BesondereProb1emebeiAufladungvonZweitaktmotoren 143
7.5 InstationarbetriebeinesSchiffsmotorsmitRegisteraufladung 144
8 Betriebsverhaltenaufge1adenerMotorenimFahrzeugeinsatz 146
8.1 AnforderungenimPersonenwageneinsatz 146
8.2 AnforderungenimNutzfahrzeugeinsatz 147
8.3 SonstigeFahrzeugeinsatze 148
8.4 Instationarverhaltendesabgasturboaufge1adenenMotors 148
8.4.1 Personenwageneinsatz 150
8.4.2 Nutzfahrzeugeinsatz 152
8.5 Abgasturbo1aderaus1egung fiirFahrzeugeinsatz 153
8.5.1 Stationarauslegung 153
8.5.2 Instationarauslegung 156
8.5.3 NumerischeSimulationdesBetriebsverha1tensdesMotorsimZusammenwirken
mitFahrzeuggesamtsystem 161
8.6 Sonderprob1emeaufge1adenerOtto-Benzin-und-Gasmotoren 161
8.6.1 KlopfendeVerbrennung 161
8.6.2 Prob1emederQuantitatsregelung 164
9 Laderrege1eingriffeundRege1ungsphilosophienfiirStarrgeometrie-undVTG-Lader 165
9.1 Grundsatzprob1emederAbgasturbo1aderrege1ung 165
9.2 Starrgeometrie-Abgasturbo1ader 166
9.2.1 RegelungseingriffsmoglichkeitenfiirstationareBetriebszustande 166
9.2.2 Transient-Regelungsstrategien 169
9.2.3 Teillast-undEmissionsregelgr6BenundRege1ungseingriffe 173
9.3 Abgasturbo1adermitvariab1erTurbineneintrittsgeometrie 176
x
Inhaltsverzeichnis
9.3.1 GenerelleRegelungsmoglichkeitenund-strategienfiirLader 176
9.3.2 Regeleingriffe zurVerbesserungdesStationarverhaltens 177
9.3.3 RegeleingriffezurVerbesserungdesInstationarverhaltens 178
9.3.4 RegelsondereingriffezurErhohungderMotorbremsleistung 181
9.3.5 SonderproblemebeiaufgeladenenOtto-Benzin-undGasmotoren 182
9.3.6 SchematischerAufbauleistungsfahigerelektronischerWaste-Gate-und
VTG-Regelsysteme 182
9.3.7 BewertungvonVTG-RegelstrategienmittelsnumerischerSimulationsmodelle 185
10 MesstechnischeErfassungderBetriebsdatenaufgeladenerMotorenam
Motorpriifstand 188
10.1 Messstellenplan 189
10.2 Motormoment 190
10.3 Motordrehzahl 191
10.4 Turboladerdrehzahl 191
10.5 Motorluftmassenstrom 192
10.6 Brennstoffmassenstrom 193
10.7 Motor-Blow-By 193
10.8 Druck-undTemperaturdaten 193
10.9 Emissionswerte 195
11 MechanikvonAufladegeraten 198
11.1 Verdrangerlader 198
11.1.1 GehauseundRotoren: DichtungundKiihlung 198
11.1.2 LagerungundSchmierung 199
11.2 Abgasturbolader 199
11.2.1 Kleinlader 199
11.2.1.1 Gehause:Aufbau,Kiihlung undDichtung 199
11.2.1.2 Laufzeug:Materialauswahlund-beanspruchung 202
11.2.1.3 Lagerung, SchmierungundWellendynamik 203
11.2.1.4 Fertigung 205
11.2.2 GroBlader 206
11.2.2.1 Aufbau, Gehause, Kiihlung,Dichtung 207
11.2.2.2 Laufzeug 210
11.2.2.3 Fertigung 211
12 LadeluftkiihlerundLadeluftkiihlsysteme 212
12.1 Grundlagen undKennzahlen 212
12.2 Ladeluftkiihlerbauarten 213
12.2.1 WassergekiihlteLadeluftkiihler 215
12.2.2 Luft-Luft-Ladeluftkiihler 216
12.2.3 Ganzaluminium-Ladeluftkiihler 216
12.3 Ladeluftkiihlsysteme 217
13 Aussichten undWeiterentwicklungderAufladung 219
13.1 StatusundPerspektivenderAufladetechniken 219
13.2 WeiterentwicklungstrendsdereinzelnenAufladesysteme 219