Otto- und Dieselmotoren

RFH
Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
07.03.2007
Version 1.3.5

Inhalt
1. Einleitung 4
1.1. Maschinenrichtlinien 4
1.2. Normbedingungen 4
2. Übersicht 5
2.1 Gliederung der Verbrennungsmotoren 5
2.1 Hauptmerkmale der Otto- und Dieselmotoren 5
3. Verbrennungsprozess 6
3.1 Grundprinzip des thermodynamischen Kreisprozesses 6
3.1.1 Carnot’scher Kreisprozess (T-S-Diagr.) 6
3.2 Die Idealmaschine 7
3.2.1 p-V- und T-S-Diagramm des Ottoprozesses 7
3.2.2 p-V- und T-S-Diagramm des Dieselprozesses (Seiligerprozess) 8
3.3 „Vollkommener Motor“ (nach DIN 1940) 9
3.4 Der wirkliche Motor 9
3.4.1 Wirkliches p-V-Diagramm des Ottomotor 9
3.5 Mittlerer Kolbendruck & Motorleistung 10
4. Wirkungsgrad & Verluste 11
4.1. Zusammensetzung des effektiven Wirkungsgrad 11
4.2. Thermodynamischer Wirkungsgrad 12
4.2.1. Dieselprozess (Seiliger): 12
4.2.2. Ottoprozess: 12
4.2.3. Klassischer Dieselprozess: 12
4.2.4. Herleitung: 12
4.3. Mechanischer Gesamtwirkungsgrad 13
4.4. Umsetzungsgrad 13
4.5. Sankey Diagramm 13
4.6. Wirkungsgrad und Verdichtungsverhältnis 14
4.7. Weitere Verluste 14
4.7.1. Konvektionswärme (Wärmeübertragung) 14
4.8. Verbesserung des Kreisprozesses 15
5. Arbeitsverfahren 16
5.1 Vier-Takt 16
5.2 Zwei-Takt 17
6. Füllung und Ladungswechsel 18
6.1 Prozessverlauf 18
6.2 Kreisdiagramm des Ladungswechsels 18
6.3 Diagramm der Zeitquerschnitte 19
7. Kühlung 20
8. Kraftstoff 21
8.1 Einflüsse/Wirkungen im Otto-/Dieselmotor 21
8.2 Allgemeine Definition 21
8.3 Systeme für die Kraftstoffaufbereitung 21
8.4 Wesentliche Eigenschaften der Otto-Kraftstoffe (nach DIN EN 228) 22
8.5 Das CH-Molekül 23
8.6 Klopffestigkeit kontra Zündwilligkeit 24
8.6.1 Superbenzin-Zusammensetzung 24
8.6.2 Modell zur Demonstration der Klopfentwicklung: 24
8.6.3 Klopfende Verbrennung im Ottomotor: 25
8.6.4 Klopferscheinungen werden begünstigt durch: 25
8.6.5 Oktan-Zahl Fehler! Textmarke nicht definiert.
8.7 Gaskraftstoffe 26

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
8.7.1 Methanzahl 26
8.7.2 Dieselmotor mit Gas betreiben? 26
8.8 Dieselkraftstoffe 26
8.8.1 Cetanzahl 26
8.8.2 Nagelnde Verbrennung 26
9. Gemischbildung 27
9.1 Luftverhältnis 27
9.2 Verbrennungsverhältnis 28
9.2.1 Volumetrischer Gemischheizwert H Gem (nur für Luft und Kraftstoff) 29
9.2.2 Gemischheizwert 29
10. Triebwerk 30
10.1 Tauchkolbentriebwerk (trunk-piston-engine) 30
10.2 Kreuzkopfmotor (cross-head-engine) 30
10.3 Kurbelwelle (crankshaft) 31
10.4 Pleuelstange (CONROD, connecting-rod) 31
10.4.1 Marinisierung der Pleuelstange 31
10.4.2 Pleuel schräg teilen 31
11. Zylinderanordnung 32
11.1 Reihenmotor, R-Motor 32
11.2 V-Motor 32
11.3 VR-Motor 32
11.4 W-Motor 32
12. Ventile und Ventilsteuerung 33
12.1 Nockenformen 33
12.2 Lage der Nockenwelle 33
13. Verbrennungsraumgestaltung 34
13.1 Verschiedene Brennräume (Ottomotor) 34
13.1.1 Ricardo-Brennraum 34
13.1.2 Kugel-Brennraum 34
13.1.3 Keil-Brennraum 34
13.2 Hauptanforderungen an Brennräume von Ottomotoren 34
13.3 Brennräume beim Dieselmotor 35
14. Drehzahlen 37
15. Charakteristische Kenngrößen von Verbrennungsmotoren 38
16. Vorgehensweise für die Motorauslegung 40
16.1 Anhaltspunkte 40
17. Aufgaben/Berechnungen 41
17.1 Aufgabe 1 41
17.2 Aufgabe 2 42
17.3 Aufgabe 3 43
18. Impressum, Quellen und wichtige Hinweise 44
3

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
1. Einleitung
Straßenfahrzeuge
Schiffsmotoren
Otto- &
Dieselmotoren
Stromerzeugungsaggregate
(GENERATOR SETS)
Kleine
Wasserfahrzeuge
(SMALL CRAFT) bis
Rumpflänge 24m
„Ein Straßenfahrzeugmotor muss konstruktiv, baulich und prüfungsorientiert
(einsatzmäßig) für das Volumen des Motors die größte Hubraumleistung
haben. Der Einsatz der Werkstoffe (Masse) soll nach unten gerichtet sein
(kleinstmöglich, Leichtbau).“
1.1. Maschinenrichtlinien
Die „CE“-Kennzeichnung
MRL
DGRL
ATEX
NSP-RL
EMVRL
Maschinenrichtlinie (MACHINERY DIRECTIVE)
Druckgeräterichtlinie (PRESSUR DIRECTIVE)
Explosionsschutzrichtlinie (EXPLOSION PROTECTION DIRECTIVE)
Niederspannungs-Richtlinie (LOW VOLTAGE DIRECTIVE, LVD)
Elektromagnetische Verträglichkeit (ELECTRO-MAGN.-COMPATIBILITY)
„CE“ gilt nur für denjenigen, der die Maschine verwendungsfertig in Betrieb nimmt.
„Betriebsbereit“ ist eine Maschine, wenn der Motor fertig eingebaut ist!
1.2. Normbedingungen
ISO-Standard: p amb = 1000 mbar; t amb = 25°C; Φ rel = 30% (rel. Luftfeuchte)
IACS (Schiffe): p amb = 1000 mbar; t amb = 45°C; Φ rel = 60%
4

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
2. Übersicht
2.1 Gliederung der Verbrennungsmotoren
Kriterien
Verbrennungsort
Verbrennungsprozess
Arbeitsverfahren
Füllungsart
Kühlungsart
Kraftstoffart
Gemischbildung
Triebwerk
Zylinderanordnung
Gaswechsel
Drehzahl
Verwendungszweck
Varianten
Innere Verbrennung, Äußere Verbrennung (Stirling-Motor)
Gleichraumprozess (Ottomotor),
Gleichdruckprozess (Klassischer Dieselmotor),
Seiligerprozess (gemischter Prozess, heutiger Dieselmotor)
Viertaktspiel, Zweitaktspiel
Selbstansaugend, aufgeladen (Turbo)
Wassergekühlt, Ölgekühlt, Luftgekühlt
Flüssigkraftstoff (z.B. Benzin, Methanol, Dieselkraftstoff, Biokraftstoff,
Schweröl, Mischöl), Gasförmiger Kraftstoff (z.B. Erdgas, Flüssiggas (LPG),
Biogas, Wasserstoffgas)
Vergasermotor, Einspritzmotor, Gasmotor, Äußere und Innere
Gemischbildung
Tauchkolbenmotor (Hubkolbenmotor), Kreuzkopfmotor,
Kreiskolbenmotor (Wankelmotor)
Reihenmotor, V-, W-, Boxer-Motor, (früher auch: H-, X-, Dreieck-Motor)
Oben- / Untengesteuert (4-Takt, Ventile) Schlitz- oder Ventil- und
Schlitzgesteuert
Schnelllaufend, mittelschnelllaufend, langsamlaufend
Straßenfahrzeuge (PKW, LKW, Bus), Bahnantrieb (Lok, Triebwagen),
Schiff, kleines Wasserfahrzeug (small craft), Rasenmäher, Traktor,
Landmaschinen, Baumaschine, Flurförderzeug, Kompressorantrieb,
Pumpenantrieb, Generatorantrieb, Flugzeugantrieb, Bagger,
Sonderfahrzeuge, Panzer, Motorrad, Moped
2.1 Hauptmerkmale der Otto- und Dieselmotoren
Ottomotoren
Dieselmotoren
Gleichraumverbrennung (Ottoprozess)
Fremdzündung
Leichtflüchtige Kraftstoffe mit hoher
Klopffestigkeit (ROZ/MOZ)
Gemischmengenregelung (Quantitätsregelung)
der Leistung
Innere oder äußere Gemischbildung
(Direkte/Saugrohr-Einspritzung oder
Vergasersystem)
Mit Hubkolben- und Rotationskolbentriebwerk
realisierbar
Gemischte Verbrennung (Seiligerprozess)
Selbstzündung
Zähe Kraftstoffe mit hoher Zündwilligkeit
Kraftstoffmengenregelung (Qualitätsregelung)
der Leistung
Innere Gemischbildung (Indirekte oder direkte
Einspritzung)
Mit Hubkolbentriebwerk realisierbar
5

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
3. Verbrennungsprozess
3.1 Grundprinzip des thermodynamischen Kreisprozesses
Ziel: annähernd periodische Prozesskette
T
Prozesse im Motor sind alle irreversibel (nicht
umkehrbar). Der Anfangszustand (energetisch) kann
nie wieder hergestellt werden.
2 3
2
3
(Zugeführte Wärmekapazität)
Q Nutz
Q Nutz
3.1.1 Carnot’scher Kreisprozess (T-S-Diagr.)
T = Temperatur [K]
S = Entropie [kJ/K]
s = Entropie [kJ/kgK]
1
Q ab
4 1
4
Q ab
s
Thermodynamischer Wirkungsgrad:
T
3
3
2
Links: T-s-Diagramm zweier Prozesse
Je schmäler die Basis (Δs) desto weniger Verluste
durch Rückkehr in den Ausganspunkt.
Die Entropieänderung Δs (Wärmeverluste) ist beim
heutigen Dieselmotor am geringsten (Flächenbreite
ist schmäler)
Isobare und Isochore im T-s-Diagramm:
2
1
Q Nutz
Q ab
Δs
T
Q Nutz
4 4
1
Q ab
Δs s
p 3 >p 2
p 2 >p 1
Isochore verlaufen wesentlich steiler!
Abgeführte Wärme kann wenig beeinflusst werden, aber das
Niveau 23 kann so weit erhöht werden, dass die Breite der
Fläche sehr schmal und dadurch auch q ab sehr klein wird.
V 3
V 2
V 1
p 1
s
Ottomotor
1-2: Isentrop
2-3: Isochor
3-4: Isentrop
4-1: Isochor
Dieselmotor
1-2: Isentrop
2-3: Isochor
3-4: Isobar
4-5:Isentrop
5-1:Isochor
T
Zugeführte
Wärme
2
Genutzte
Wärme
3
4
1 1 1
Verlorene
Wärme
2
3
4
5
2
3
Ottomotor Dieselmotor Ehemaliger
Dieselmotor
s
6

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
3.2 Die Idealmaschine
„Der Vergleichsprozess ist die Abbildung eines motorischen Kreisprozesses, der
die Merkmale liefert, nach welchen die bestmögliche Ausnutzung der
Kraftstoffenergie in einem Hubkolben (Verbrennungsmotor mit innerer
Verbrennung) möglich wäre. D.h. der vollkommene Motor enthält die
Benchmarks für die Beurteilung der Wirkungen im realen Motor.“
3.2.1 p-V- und T-S-Diagramm des Ottoprozesses
p
3
T
3
2
-ΔW p
2
-ΔW t
4
p amb
p unterdruck
1
4
5
6
1
5
6
V C
OT
V h
UT
V
Δs
s
-ΔW p = Arbeitsfläche bedingt durch das „Nicht-Erreichen“ des Anfangsdruckes
-ΔW t = Arbeitsfläche bedingt durch „Nicht-Erreichen“ der Anfangstemperatur
OT:
UT:
V C :
V h :
Oberer Totpunkt
Unterer Totpunkt
Kompressionsvolumen
Hubvolumen
1 → 2: isentrop (früher: „adiabatisch“)
Es findet kein interner als auch kein
peripherer Wärmeaustausch statt
2 → 3: Isochore Verbrennung
3 → 4: Isentropische Expansion
4 → 1: Ausstoß von verarbeitetem Gas (isochor)
7

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
3.2.2 p-V- und T-S-Diagramm des Dieselprozesses (Seiligerprozess)
p
3
4
Isobar
T
2
Isochor
3
4
Isentrop
2
5
p amb
OT UT
5
1
1
V C
V h
V
Δs
s
1 → 2: isentrop
2 → 3: Isochore Verbrennung
3 → 4: Isobare Verbrennung
Der restliche Kraftstoff wird verbrannt, während der Kolben schon wieder hinfährt.
4 → 5: Isentrope Expansion
5 → 1: Ausstoß
Einzige Änderung zu oben: Selbstzündung
sonst: Wärmedichte Wände usw.…
Die Linien sind Exponentiallinien nach dem Gesetz
8

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
3.3 „Vollkommener Motor“ (nach DIN 1940)
a) reine Leistung (ohne Restgas)
b) λ VoMo = λ WiMo
c) Vollständige Verbrennung
d) Verbrennungsablauf nach vorgegebenem Gesetz (Ideale Gase, c p ,c v ≠f(t))
e) Keine Wandwärmeverluste
f) Keine Strömungs- und Leckageverluste
g) Ohne Ladungswechselverluste
3.4 Der wirkliche Motor
Die Punkte a) bis g) s.o. treffen hier nicht zu!
Zu b): Luftverhältnis
(bleibt dennoch gleich)
Es gibt 4 wesentliche Punkte für die Formabweichung des wirklichen Motorprozesses von der
Form des vollkommenen Motorprozesses:
I. Nicht isentrope Expansion
II. Zeitlicher Bedarf der Verbrennung
III.
IV.
Zeitlicher Bedarf der Vorzündung
Auswirkungen der Strömungsverluste
Weitere Abweichungen des wirklichen Motors vom Vollkommenen:
Einfluss des Liefergrades
Einfluss der Ladungswechselarbeit
3.4.1 Wirkliches p-V-Diagramm des Ottomotor
p
p max
3
2
Zeitl. Verbrennungsbedarf
Strömungsverluste
Polytrope Expansion/
Kühlungsverluste
Strömungsverluste
durch Auslass und
Ausschiebevorgang
Die rote, gestrichelte Linie
entspricht der Kurve der
Idealmaschine.
p amb Vorzündung
polytrope Kompression
1
+W i < +W V
OT UT
4
Isentrop:
Polytrop:
V
V C
V h
9

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
3.5 Mittlerer Kolbendruck & Motorleistung
Die Fläche des Indikatordiagramms (Druck, Weg) entspricht der in einem Zylinder je Arbeitsspiel
geleisteten Arbeit W. Verwandelt man diese Fläche in ein Flächengleiches Rechteck, so entspricht
seine Höhe dem mittleren Kolbendruck. Der mittlere Kolbendruck ist ein Maß für die Belastung der
Maschine und ermöglicht eine schnelle Ermittlung der Leistung, wenn drehzahl und Abmessungen
bekannt sind.
P i = innere Leistung [W] (indizierte Leistung)
p i = mittlerer innerer Kolbendruck
P R = Reibungsverluste
P e = effektive Leistung, Nutzleistung
p me = effektiver mittlerer Kolbendruck (imaginäre Größe)
V h = Hubvolumen [N/m 2 ]
n a = Drehzahl [s -1 ]
d = Kolbendurchmesser
s = Hub
A K = Fläche des Kolbenquerschnitts
p
Gleiche Flächen
p i
V
Leistungsformel für den Verbrennungsmotor
Kraftstoff
Luft
Reibungsverluste (P R ) infolge von
Gleitreibung
Rollreibung
Abtriebsenergie für abhängige Hilfseinrichtungen
P i
P e
Hilfseinrichtungen
(AUXILIARIES)
10

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
4. Wirkungsgrad & Verluste
4.1. Zusammensetzung des effektiven Wirkungsgrades
η u = Umsetzungswirkungsgrad
η th = Thermodynamischer Wirkungsgrad
η v = Wirkungsgrad des vollkommenen Motors
η i = Innenwirkungsgrad (am Kolben)
η e = Effektiver Wirkungsgrad
η m = Mechanischer Wirkungsgrad
η g = Gütegrad
H U = spezieller Heizwert (entspricht der Maximalen theor. Energieausnutzung)
Q Abgas = Im Abgas noch enthaltene Verbrennungsenergie
Δη UV = Verluste durch unvollständige Verbrennung
Δη VG = Verluste durch Verbrennungsgeschwindigkeit
Δη W = Verluste durch Wandwärme
Δη LW = Verluste durch den Ladungswechsel
W i = reale Innenarbeit
W v = ideale Innenarbeit
P i = Innenleistung
P v = Leistung des vollkommenen Motors
P e = (effektive) Nutzleistung
11

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
4.2. Thermodynamischer Wirkungsgrad
4.2.1. Dieselprozess (Seiliger):
Drucksteigerungsverhältnis:
Füllungsgrad:
Bei Verbrennungsmotoren ist im Vergleich der Isochore Prozess zum Isobaren wirtschaftlicher!
Die Steigerung von ρ (Füllungsgrad) ist für den Dieselprozess kontraproduktiv!
4.2.2. Ottoprozess:
Füllungsgrad: (keine Isobare im p-V-Diagramm)
4.2.3. Klassischer Dieselprozess:
Drucksteigerungsverhältnis: (Gleichdruckprozess)
4.2.4. Herleitung:
Auf die Herleitung des thermodynamischen Wirkungsgrades wird an dieser Stelle verzichtet.
Es kommen allerdings folgende Formeln zur Umformung der Wärmeformeln vor:
12

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
4.3. Mechanischer Gesamtwirkungsgrad
P e =
P R =
P L =
P Sp =
Nutzleistung
Reibleistung
Ladeleistung (mech. angetr.)
Spülpumpenleistung (mech. angetr.)
4.4. Umsetzungsgrad
Dissoziation der Verbrennungsprodukte
Prozess, bei dem sich nach der Verbrennung der Molekülaufbau ändert (nachträglich)
Molekülzerfall aufgrund hohen Drucks und/oder hoher Temperatur
→ Umsetzungsgrad:
q Abg
H u
= im Abgas enthaltene Verbrennungsenergie
= spezifischer Heizwert des Kraftstoffes (früher: „unterer Heizwert“)
Hubgewicht: Maximale Befüllung des Hubvolumens bei Ausnutzung der totalen Geometrie.
4.5. Sankey Diagramm
Grafische Darstellung des Energieflusses (Zahlen nur als Beispiel)
Q zu (100%)
Q V 0,64
Q V 0,58
Q V 0,52
Q i 0,46
0,40
0,38
Q e
0,38
Q Abgas
Q Kühl
Q Reib
0,62
+ 0,36 η thv
+ 0,06 η u (unvollkommene Verbrennung infolge Dissoziation)
+ 0,06 Wärmeverlust durch nicht-isotroper Kompr./Expansion
+ 0,06 Gaswechselverluste (Strömungsverluste)
+ 0,06 mechanische Reibungsverluste (Friktion)
+ 0,02 mechanischer Aufwand für Kühlung (Lüfter)
Nutzwärme Q e
Q zu
⅓ ⅓ ⅓
Abgaswärme
Kühlwärme
Reibungs-
Strahlungs
-wärme
13

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
4.6. Einfluss des Verdichtungsverhältnisses
η th
0,9
Bsp.: Ottomotor: mit κ = 1,4
Degressiver Charakter einer Asymptote
0,8
0,7
0,6
0,5
Wenn ε → ∞ geht: η th → 1
Bei ε = 1 ist η th = 0, d.h. der Motor
funktioniert noch nicht
Das Verdichtungsverhältnis bei Ottomotoren zu
erhöhen wird heute nicht mehr als Potenzial gesehen, da wie oben zu sehen ist, die
Verdichtung (ε) z.B. von 10 auf 15 nur eine minimale Verbesserung des thermodynamischen
Wirkungsgrades ergibt.
Extreme Anhebung der ε-Werte bei Ottomotoren bedingt die Verwendung der
Direkteinspritzung. Ein wesentlicher Grund dafür ist der Gewinn der inneren
Brennraumkühlung durch Verdampfungswärme des Benzins
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40
ε
4.7. Weitere Verluste
4.7.1. Konvektionswärme (Wärmeübertragung)
Je steiler der Linienabfall, desto besser ist die
Isolationswirkung
Konvektion ist die Abgabe der Wärme an die
Umgebung aufgrund der Stoffberührung
(verschiedenen Dichten in einem Stoff)
Konvektion:
Stoffgebundene Wärmeübertragung
Hohe
Temp.
Wand
α 1
d
λ
α 2
niedrige
Temp.
K ist proportional zur relativen Strömungsgeschwindigkeit der beiden Stoffe (warmer/kalter
Stoff) zueinander.
14

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
4.8. Verbesserung des Kreisprozesses
Der Wärmeverlust durch die Irreversibilität des thermodynamischen Kreisprozesses stellt
den größten Wärmeverlust beim Verbrennungsmotor dar. Deshalb liegen die Anstrengungen
für eine Verbesserung des Kreisprozesses zwecks Minimierung dieses Verlustes im
Vordergrund moderner Motorentwicklung.
Die Wege zur Erreichung dieses Ziels sind z.B.
Aufladungstechnik
Hochdruckeinspritzung
Direkteinspritzung
Elektronische Beeinflussung der Einspritzmenge ~bestimmung und deren Variation
im Rahmen eines Prozessverlaufs
Einfluss auf den Ladungswechselvorgang durch Variation der Ventilsteuerzeiten und
der Einlassquerschnitte, z.B. durch variablen Ventileinlasshub
„Einen wesentlichen Hintergrund dieser
Entwicklungen bildet die Abhängigkeit
zwischen dem spezifischen
Kraftstoffverbrauch und der
Abgasemission (siehe Diagramm) ab.“
Kraftstoffverbrauch
[g/kWh]
Entwicklung
Emission
15

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
5. Arbeitsverfahren
5.1 Vier-Takt
1. Takt, Ansaugen:
‣ Kolben im oberen Totpunkt (OT)
‣ Kolben bewegt sich nach unten,
Auslassventil wird geschlossen
‣ Luft oder Kraftstoff-Luft-
Gemisch wird in den Zylinder
gesaugt.
‣ Kolben im
unteren Totpunkt (UT)
2. Takt, Verdichten:
‣ Kolben bewegt sich nach oben,
Einlassventil wird geschlossen.
‣ Verdichtung (+ Einspritzung bei
Direkteinspritzer)
‣ Zündung bzw. Entzündung
durch Druck
3. Takt, Arbeiten:
‣ Gas dehnt sich aus und schiebt
den Kolben nach unten
4. Takt, Ausstoßen:
‣ Auslassventil wird geöffnet
‣ Kolben im UT
‣ Kolben wandert nach oben,
Abgas wird ausgestoßen
‣ Einlassventil wird geöffnet
‣ Kolben im OT
16

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
5.2 Zwei-Takt
1. Takt: Arbeiten
Brennstoffgemisch wird gezündet und bewegt den Kolben vom OT zum UT. (s.o.)
2. Takt: Ausspülen, befüllen, verdichten
Kolben kehrt zum UT zurück, gleichzeitig wird Abgas mit Frischgas ausgespült und der
Zylinder befüllt. Auslass wird geschlossen, Verdichtung beginnt.
Um ein positives Spülgefälle zu erzeugen ist eine Spülpumpe erforderlich. In der einfachsten Bauform wird
hierzu das Kurbelgehäuse verwendet, aus dem der Brennraum über Überströmkanäle befüllt wird. Die
Steuerung erfolgt hierbei meist vom Kolben selber, indem dieser Aus- und Einlasskanal sowie die
Überströmkanäle überfährt und so öffnet oder schließt.
„Der obere Totpunkt (OT) ist der Punkt an dem
der Kolben am weitesten von der Kurbelwelle
entfernt ist. Der untere Totpunkt (UT)
entsprechend umgekehrt.“
d
s
OT
UT
17

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
6. Füllung und Ladungswechsel
Aufgabe:
Ausbringung der verarbeiteten Ladung (Abgas) und Einbringung der frischen Ladung (Luft
oder Kraftstoff-Luft-Gemisch)
6.1 Prozessverlauf
Die rot gepunktete Linie beschreibt den Kurvenabschnitt in dem das Auslassventil geöffnet
ist. Die grün gepunktete Linie beschreibt den Abschnitt, wo das Einlassventil geöffnet ist.
Start und Ende dieser Linien (durch dicke Punkte markiert) sind AÖ (Auslassventil öffnen), AS
(Auslassventil schließen), EÖ (Einlassventil öffnen) und ES (Einlassventil schließen).
Saugmotor
p
Aufgeladen
p
p amb
AÖ
ES
EÖ
-W p
+W
amb
p s EÖ
AS
V
V
p L
AÖ
ES
AS
Beim selbstansaugenden Motor wird
ein Saugdruck (p s ) im 1.Takt erzeugt,
welcher das Gas in den
Verbrennungsraum saugt.
(p s < p amb )
Beim aufgeladenen Motor wird ein
Ladedruck (p L ) im 1. Takt erzeugt,
welcher das Gas in den
Verbrennungsraum drückt.
(p L > p amb )
Prozesse gegen den Uhrzeigersinn sind Prozesse, die Energie benötigen.
Die Einlasswirkung wird durch die Nachsaugwirkung des abströmenden Abgases (Δp) noch zusätzlich
gefördert.
Die Energie des Ladungswechsels (untere Schleife) stammt aus der vorhergegangenen Verbrennung
(abgeschnittene obere Schleife).
6.2 Kreisdiagramm des Ladungswechsels
Winkel:
= Winkel nach Auslass schließen
= Winkel vor Auslass öffnen
= Winkel nach Einlass schließen
= Winkel vor Einlass öffnen
OT
= Ventilüberschneidung
Wichtigste Punkte sind ES und als zweites AÖ.
(Größter Einfluss auf den Motor)
EÖ
AS
AÖ
ES
UT
18

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
6.3 Diagramm der Zeitquerschnitte
Voraussetzungen für
optimale Ventilfunktion:
Auslassverlauf
AV /mm 2
a) Konstante
Strömungsgeschwindigkeit
während des Ladungsprozesses
b) Gewährleistung des
größtmöglichen freien
Strömungsquerschnitts
c) Minimierung der
Beschleunigungs- und
Verzögerungswirkung
Kontinuitätsgleichung:
mit:
UT
v K
UT OT UT
A V
Einlassverlauf
α (~T) /°KW
OT
α (~T) /°KW
Einströmendes Gas
A K = Kolbenfläche = Konstant
A V = Querschnittsfläche am Ventil
v K = Geschwindigkeit des Kolbens
v V = Strömungsgeschw. Der Luft am Ventil = Konstant
A V
Zylinderkopf
φ VS
Ventil
h V
Querschnittsfläche am Ventil
19

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
7. Kühlung
Das Kühlsystem in einem Verbrennungsmotor dient hauptsächlich zur Abführung der
überschüssigen Wärme, die beim Durchlaufen des Kreisprozesses entsteht.
Hauptsächlich kommen Luft- und Wasserkühlung als Primärkühlsystem zur Anwendung.
Daneben wird jedoch auch die Kühlung durch das Schmiermittel genutzt, um den Motor auf
einer günstigen Betriebstemperatur zu halten.
Das Motorkühlsystem ist nicht immer das einzige Kühlsystem in einem Motor,
beziehungsweise Fahrzeug. Zusätzlich können noch separate Systeme für die Ladeluft, das
Motoröl, das Getriebeöl, oder für das Lenkgetriebeöl, oder den Kraftstoff eingebaut sein.
Luftkühlung: Bei der Luftkühlung erfolgt der Wärmetransport durch die an den warmen
Motorbauteilen vorbeiströmende Luft.
Fahrtwindkühlung: Fahrtwindkühlung eignet sich nur für thermisch nicht sehr hoch
belastete Motoren. Sie wird meist für Kraftradmotoren verwendet.
Gebläseluftkühlung: Die Gebläseluftkühlung versorgt die einzelnen Zylinder durch ein
Gebläse mit Kühlluft. Das Gebläse wird meist über einen Keilriemen vom Motor angetrieben.
Flüssigkeitskühlung: Bei der Flüssigkeitskühlung erfolgt der Wärmetransport von den
warmen Motorbauteilen durch strömende Flüssigkeiten, meist durch Wasser mit
Korrosionsschutz- und Gefrierschutzmitteln.
20

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
8. Kraftstoff
8.1 Einflüsse und Wirkungen im Otto-/Dieselmotor
1. Energieerzeugung
2. Art der Kraftstoffaufbereitung
3. Art der Kraftstoffverarbeitung
4. Lebensdauer des Motors
5. Instandsetzungsumfang und –zyklus
6. Emission (Abgase)
8.2 Allgemeine Definition
Flüssig, sowie Gasförmig Brennbare Substanzen (C,H,S) + Ballaste (Asche, Wasser)
Molekulare Beschaffenheit
Paraffinische Struktur
Olefinische Struktur
Naphtenische Struktur
Aromatische Struktur
8.3 Systeme für die Kraftstoffaufbereitung
flüssige
Kraftstoffe
gasförmige
Kraftstoffe
Ottomotor
Dieselmotor
Vergasersystem
Einspritzsystem
Einspritzsystem
DI / IDI
Äußere
Gemischbildung
Saugrohreinspr.
Innere
Gemischbildung
DI
PLD-System
(Pumpe-Leitung-
Düse)
PD-System
(Pumpe-Düse)
CR-System
(Common Rail)
Common-Rail (engl. „Gemeinsame Schiene”) ist ein Hochdrucktank, der alle Einspritzventile mit Kraftstoff bei
konstantem Druck versorgt (Abzapfung).
21

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
8.4 Wesentliche Eigenschaften der Otto-Kraftstoffe (nach DIN EN 228)
Alle Werte/Grenzen beruhen auf ASTM-Messverfahren (Messspezifikationen)
[AMERICAN SOCIETY OF TESTING MATERIALS]
Dichte
bei 15°C [kg/m³]
(spez. Heizwert H U [kJ/kg])
ROZ / MOZ (ROZ = Research-Oktanzahl, MOZ = Motor-Oktanzahl (Tankstelle))
Bleigehalt [g/l]
Flammpunkt t Fl [°C] Temperatur des Kraftstoffdampfes bei der er sich durch
gegenhalten einer Flamme entzündet (um die 25 °C)
Zündtemperatur t Z [°C] Temperatur bei der sich der Kraftstoff von selbst entzündet
Siedeverlauf
Vol-Destillationsrückstand (max. 2%)
Dampfdruck [kPa] (Gasblasen implodieren bei hohen Temperaturen nicht mehr und
werden mit eingespritzt = zu wenig Kraftstoff im Gemisch)
Benzolanteil [mg/kg]
Olefine-Vol-Anteil
Aromate-Vol-Anteil
Korrosionswirkung auf Kupfer
Aussehen (Verunreinigung, Wasseranteil, usw.)
Oxidationsstabilität
Heutige Ottokraftstoffe müssen außerdem noch bestimmte Additive enthalten, die folgende
Eigenschaften haben:
a) Verhinderung der Ablagerung im Einlass-System
b) Verringerung der Rückstandsbildung im Brennraum bzw. an den Ventilen
c) Korrosionsschutz mittels Passivierung (Verhinderung der Angriffsfähigkeit
metallischer Oberflächen mittels Schutzfilmbildung)
22

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
8.5 Das CH-Molekül
gesättigt
H
H
C
H
Ungesättigt
H
C
H
H
H
H
H
H
H
Paraffinische Struktur (Alkane)
o Kettenförmig und gesättigt
H
C
H
C
H
C
H
C
H
C
H
H
o ISO-Paraffine (ISO-Alkane)
H
CH 3
CH 3
CH 3
C
H
oder
CH 3
C CH 2
CH
H
CH 3
CH 3
„Dies sind nur Beispiele“
ISO-Oktan
Olefinische Struktur (Alkene)
o Kettenförmig und ungesättigt (Doppelverbindungen)
H
H
H
H
C
C
oder:
C
C
C
C
H
H
H
H
H
H
23

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
Kettenförmige C-H-Verbindungen
- Paraffine (Alkane)
- ISO-Paraffine (ISO-Alkane) (ISO-Oktan)
- Olefine (Alkane)
Ringförmige C-H-Verbindungen
- Naphthene (Cyclo-Alkane)
- Aromate (Cyclo-Alkene mit reduzierter Reaktivität)
z.B. Benzol (C 6 H 6 ) (giftig)
8.6 Klopffestigkeit kontra Zündwilligkeit
Paraffine ISO-Paraffine Olefine Naphthene ISO-Oktan Aromate
Dieselmotor: verbesserte Zündwilligkeit
Ottomotor: verbesserte Klopffestigkeit
8.6.1 Superbenzin-Zusammensetzung
- 53 % Aromate
- 37 % Paraffine & Naphthene
- 8 % Olefine
- 2 % Alkohole ( gute Klopffestigkeit)
Paraffine &
Naphtene
Olefine
Alkohole
Aromate
8.6.2 Modell zur Demonstration der Klopfentwicklung:
Hier: selbstansaugender 4-Takt-Ottomotor
EV
AV
Ungünstige Lage da das Auslassventil der Zündkerze am entferntesten ist. Im 2. Bild beginnt
sich die erste Flammfront von links nach rechts zu bewegen. Dabei wird das Gemisch
zusammengeschoben. Die grünen Linien symbolisieren Isobaren. Im 4. Bild entsteht auf der
rechten Seite eine zweite Flammfront, die durch Selbstentzündung, Wärme des
Auslassventils und des angrenzenden Zylinders entstanden ist. Im letzten Bild stoßen die
beiden Flammfronten dann zusammen (schwarzer Kreis) Dies führt zu Schwankungen im
Druckdiagramm:
24

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
p
Kompression
Expansion
p
Schwingungen
(leichtes metallisches Ticken)
p amb
Verbrennung
p amb
OT (0°)
Normaler Druckverlauf
OT (0°)
klopfende Verbrennung
(Bei mehreren Zündkerzen bewegen sich die Flammfronten wesentlich symmetrischer und langsamer durch die
Brennkammer wodurch das Klopfen nicht auftritt!)
8.6.3 Klopfende Verbrennung im Ottomotor:
Unkontrollierte irreguläre Verbrennung mit sehr steilem Rückanstieg infolge Selbstzündung
von Gemischteilen vor Eintreffen der Flammfront, welche durch den Zündfunken eingeleitet
wurde. Daraus resultiert die Förderung einer chemischen Vorreaktion mit erheblicher
Wärmefreisetzung infolge radikaler Bindung (extrem reaktionsfreudiger Molekülbruchteile)
infolge einer Aufspaltung der Moleküle beim Zerfall instabiler
Verbrennungszwischenprodukte (so genannter Peroxide)
Druckgradient
normaler Ottomotor: 2-3 bar/°
klopfender Motor: bis 15 bar/°
Normale Verbrennungsflammgeschwindigkeit: 20-60 m/s
bei klopfender Verbrennung: 300-2000 m/s (!)
8.6.4 Klopferscheinungen werden begünstigt durch:
1. Zu geringe Oktanzahl im Kraftstoff
2. Zündzeitpunkt zu früh (Elektronik falsch)
3. Lastbezogen zu niedrige Drehzahl (= untertourig (nicht niedrigtourig))
Außerdem: Niedrige Drehzahl = Kühlungsverschlechterung, siehe 4.
4. Unzureichende Kühlung und/oder heiße Stellen im Brennraum (Wärmewert der
Zündkerze zu hoch)
5. Zu hohes ε (Kompressionsverhältnis) bezogen auf den verw. Kraftstoff
6. Zu hohe Ansauglufttemperatur
7. Zu hohe Paraffinanteile im Kraftstoff (Paraffine fördern Zündwilligkeit)
8.6.5 Was versteht man unter Klopffestigkeit (ROZ, MOZ)?
Das Maß für die Klopffestigkeit ist die Research-Oktanzahl (ROZ) und die Motor-Oktanzahl
(MOZ).Beide Oktanzahlen werden im CFR-Motor (dieser hat ein veränderlicheres
Verdichtungsverhältnis) durch Vergleich mit einem Bezugkraftstoff aus Iso-Oktan (OZ=100) und
Normalheptan (OZ=0) ermittelt. Der Volumenanteil Iso-Oktan des Bezugkraftstoffes, der die gleiche
Klopfintensität hat wie der zu prüfende Kraftstoff, ist dessen Oktanzahl. Die MOZ ist niedriger als die
ROZ, da sie bei höherer Drehzahl und Gemischvorwärmung auf ca. 150°C ermittelt wird.
25

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
8.7 Gaskraftstoffe
8.7.1 Methanzahl
Die Methanzahl gibt an, welchem Verhältnis von Methangas (hohes Wärmepotential und
hohe Klopffestigkeit) und Wasserstoff-Gas (keine Klopffestigkeit) der Kraftstoff entspricht.
8.7.2 Dieselmotor mit Gas betreiben?
Problematik: Gase haben eine hohe Klopffestigkeit und damit eine niedrige Zündwilligkeit.
Lösung: Der Motor wird im so genannten „Zündstrahlverfahren“ betrieben. Die
Zündwilligkeit wird nicht durch Kompression erzeugt, sondern man spritzt eine kleine Menge
Diesel mit ein, welcher sich entzündet und so das Gas entflammt. (PI = PILOT INJECTION
ENGINE). Nachteil: Hohe Umbaukosten an den Zylinderköpfen.
Im Ottomotor besteht die Problematik nicht, da dieser mit einer Zündkerze betrieben wird,
die das Gas entflammt.
Die meisten mit Gas betriebenen Motoren sind deshalb Ottomotoren.
(Beispiel: Notstromaggregate)
8.8 Dieselkraftstoffe
8.8.1 Cetanzahl
Der Maßstab für die Zündwilligkeit des Dieselkraftstoffes ist die Cetanzahl (CZ).
Die Cetanzahl eines Kraftstoffes wird ermittelt indem man in einem Versuch das
entsprechende Gemisch aus Hexadecan (Cetan) mit Methylnaphtaltin herstellt.
Ein Gemisch mit CZ = 30 hat demnach 30 % Hexadecan und 70 % Methylnaphthalin.
8.8.2 Nagelnde Verbrennung
Effekt, der beim Dieselmotor auftritt. Hintergrund ist ein Zündverzug der Verbrennungen.
Die gewollte kontinuierliche Verbrennung der Dieseltröpfchen in der heißen Luft verzögert
sich durch ungünstige Motorparameter (z.B. Kaltlauf, Kraftstoff mit zu niedriger Cetanzahl),
und es kommt zu explosionsartiger Verbrennung größerer Mengen von Kraftstoff mit
einhergehender hoher mechanischer Belastung. Die Folgen des Nagelns sind identisch mit
denen des Klopfens.
26

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
9. Gemischbildung
9.1 Luftverhältnis
Für die Verbrennung von 1 kg Brennstoff werden 12 m³ Luft (erforderlicher
Sauerstoff) benötigt. Dies entspricht ca. 14,8 kg Luft.
Luftverhältnis:
Die Luftzufuhr des Motors ist sehr wichtig, da von ihr auch die Leistung abhängt. Damit das
Luftverhältnis immer optimal ist muss man die Luftmasse an die Kraftstoffmasse anpassen,
da sonst das Gemisch zu mager oder zu fett wird.
Eine Variation des Luftmassenstroms erreicht man z.B. durch eine Drosselklappe vor dem
Einlass in den Verbrennungsraum.
Luft
Verbrennungsraum
Drosselklappe
Durch Turbulenzen hinter der Drosselklappe entstehen aber Verluste (Reibungsverluste). Um
diese Verluste auszuschließen verwendet man anstatt der Drosselklappe eine variable
Einlassventilsteuerung. Dabei wird das Einlassventil je nach Lambda-Wert weniger oder
weiter geöffnet. Dies bewirkt zwar auch eine Turbulenz, welche sich aber nicht negativ in
Verlusten auswirkt sondern stattdessen, positiv in die Leistung eingeht. Im
Verbrennungsraum ist nämlich eine hohe Turbulenz (Vermischung, Zerstäubung) des
Kraftstoffgemisches wünschenswert.
Weniger Druck bedeutet weniger Dichte, d.h. weniger Masse der Luft
Wenig Geschwindigkeitsvariationen bewirkt hohe Druckvariation
Diesel:
Real:
Ottomotor: Extrem: Real:
Bei einem Ottomotor führt ein leichter Luftmangel zur höchsten
Reaktionsgeschwindigkeit. (Beste Effektivität im Kreisprozess)
Der Kraftstoff im Dieselmotor arbeitet mit mehr Luft als im Ottomotor (Luftüberschuss);
daher auch geringere Temperaturen.
Der Luftüberschuss ist für Selbstzünder die wesentliche Voraussetzung. Der Luftüberschuss
liegt daher um ca. 30-40% über dem des Ottomotors.
‣ Steigt die Geschwindigkeit nähert man sich der isochoren Zustandsänderung (Optimum)
27

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
Für Ottomotoren:
fettes Gemisch, Kraftstoffreich
(unterstöchiometrisch) [rich mixture]
stöchiometrisches Gemisch
mageres Gemisch, Kraftstoffarm
(überstöchiometrisch) [lean mixture]
v Z
3
2
1
fett
mager
v Z = Zündgeschwindigkeit (Reaktionsgeschwindigkeit
im ruhenden oder laminaren Strömungsgemisch)
v F = Flammgeschwindigkeit (Fortschreitung der
Flammenfront im Brennraum) v F =f(λ)
0,6 0,85 1 1,6
λ
Unter 1m/s der Zündgeschwindigkeit ist keine gesicherte chemische Reaktion zwischen
Kraftstoffen und Luft mehr möglich. Bei liegt die höchste Reaktionsgeschwindigkeit;
p me ist hier maximal.
Bei Abmagerung des Gemisches führt dies zu höheren Temperaturen in der Verbrennung. Da
weniger Kraftstoff beigegeben wird kann auch weniger verdampfen. (kleinere innere
Kühlung) Zu fettes Gemisch bedeutet Luftmangel, was zu einer klopfenden Verbrennung
führt.
Jenseits der Zündgrenzen (beim Ottomotor, (siehe Diagramm) λ1,6) ist eine
regelmäßige Verbrennung nicht mehr gewährleistet. Jenseits dieser Werte beginnen
Verbrennungsaussetzer.
9.2 Verbrennungsverhältnis
Bezogen auf einen Kreisprozess eines Zylinders
Das Verhältnis der im Zylinder eingeschlossenen Luftmenge (m LZ ), zu der für die
Verbrennung der zugeführten Kraftstoffmenge erforderlichen Mindestluftmenge (m Lmin ).
m Kr.Z = Kraftstoffmasse je Arbeitsspiel und Zylinder ( Z )
m Lmin = stöchiometrische Luftmasse
Kraftstoffenergie wird als „Heizwert“ bewertet
spezifischer (unterer) Heizwert [effektiv nutzbar]
Aufgrund von Verlusten des im Kraftstoff bzw. auch in der Luft enthaltenden Sauerstoffs bei
der Verbrennung zu Wasserdampf, ist der spezifische Brennwert (obere Heizwert) H O nicht
nutzbar!
28

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
9.2.1 Volumetrischer Gemischheizwert H Gem (nur für Luft und Kraftstoff)
Für Luftüberschuss (mageres Gemisch):
λ muss mindestens 1 sein. Das bedeutet, dass man mindestens soviel Luft zugeführt hat, dass der Kraftstoff
vollständig verbrennt (H U ).
Für Luftmangel (fettes Gemisch):
Ist λ kleiner 1 wird der Heizwert H U nicht voll ausgenutzt, da der Kraftstoff nicht komplett verbrannt wird.
9.2.2 Gemischheizwert
Durchschnittswert:
Wert pro Arbeitsstoff:
Durchschnittswert bei gasförmiger Gemischkomponente:
ρ 0Kr , ρ 0L : Dichten bei Umgebungszustand
Für :
Luft-Hauptbestandteile: ca. 78% N 2 und ca. 21% O 2
Benötigt wird nur der Sauerstoff.
Kohlenstoff für 1 kg C → 1,87 m 3 O 2 + 33.870 kJ
Wasserstoff für 1 kg H → 5,6 m 3 O 2 + 119.700 kJ
Schwefel für 1 kg S → 0,7 m 3 O 2 + 9.260 kJ
→ Stöchiometrischer Luftbedarf für die jeweilige Stoffverbrennung
9.2.2.1 Berechnung des spezifischen Heizwerts bei: :
(zum letzten Term: Abzug für im Kraftstoff enthaltendem Wasser)
29

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
10. Triebwerk
10.1 Tauchkolbentriebwerk (trunk-piston-engine)
Das Grundprinzip des Tauchkolbentriebwerks (d.h. Kurbelwelle,
Pleuelstange und Kolben) ist die Übertragung von
translatorischer Bewegung (blau) des Kolbens in rotatorische
Bewegung (grün) der Kurbelwelle.
Die Verbindung (connection) dieser beiden Bewegungen bzw.
Bauteile ermöglicht das Pleuel (connecting rod).
Das Tauchkolbentriebwerk wird sowohl mit 4-Takt als auch 2-
Takt-Arbeitsverfahren genutzt.
Unter 11. verschiedene Motorbauformen mit
Tauchkolbentriebwerk.
10.2 Kreuzkopfmotor (cross-head-engine)
Motor aller größeren Schiffe, Diesel
Größte Motoren: Kolbendurchmesser bis 1,0 m,
Leistung: 80-90 MW, Kolbenhub > 6 m
Zündung durch Druckluft (anstatt Anlasser)
Nenndrehzahl um ca. 100 U/min (90-120)
Zweitaktmotor, kein Ladungswechsel (Spülphase)
Abgas strömt oben aus, während Frischluft nachströmt
Schwacher Wirkungsgrad (Stand der Technik: 50-51%)
Vorteil des Kreuzkopfmotors: Gasdruck erzeugt keine Seitwärtskräfte,
die den Kolben an die Zylinderwand drücken würden.
Grund: Gleitlager (rote Kraftübertragung) und feste Kolbenstange
(siehe Skizze) = Axiale Kraft (Blau)
Im Zylinder (orange) kann ein völlig anderes Schmiermittel
verwendet werden als im Kurbelgehäuse (violett), da diese
voneinander getrennt sind
Die Motoren können mit den aggressivsten (angriffsstärksten)
Kraftstoffen betrieben werden.
Intensive Kühlung durch Öl
30

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
10.3 Kurbelwelle (crankshaft)
Links die Kurbelwelle eines W12-Motors mit einem unterteilten Hubzapfen. Rechts die
entsprechende Kurbelwelle in V-Bauweise: deutlich länger. Die Hubzapfen sind für
benachbarte Pleuel gleich, nicht unterteilt.
W-12 Kurbelwelle V12-Kurbelwelle
Hellblau: Wellenzapfen (Lagerung)
Rot: Kurbelkröpfung: Dunkel: Kurbelwange
Hell: Kurbelzapfen
10.4 Pleuelstange (CONROD, connecting-rod)
Bei mittelschnelllaufenden Motoren (z.B. große Schiffsmotoren) ist der Ausbau
der Kolben sehr Problematisch. Die Identität des Laufbildes soll erhalten
bleiben. Deshalb wurden verschiedene Techniken gefunden den Kolben nach
oben hin auszubauen. Das Problem hierbei war die Pleuelstange, die an der
Kurbelwelle ein zu großes Maß hat um nach oben durch den Zylinder gezogen
werden zu können.
10.4.1 Marinisierung der Pleuelstange
Marinebauweise für ein Pleuel: Pleuelstange hat unten und in der Mitte eine
Trennung, damit der Kolben samt Pleuelstangenstück beim Ausbau nach oben weggezogen
werden kann
10.4.2 Pleuel schräg teilen
Andere Möglichkeit: Schräg trennen. „Schräggeteiltes Pleuel“ (s.l.)
Problem: Reibrostbildung, Zermürbung an der Trennfläche. Es kommt bei
schräggeteiltem Pleuel zu einer seitlichen Reibbewegung
Durch kostspielige Verfahren (geometrisch) z.B. durch eine
Verzahnung zu verhindern
31

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
11. Zylinderanordnung
11.1 Reihenmotor, R-Motor
Der Reihenmotor stellt die früheste Entwicklungsstufe in der
Motorentwicklung dar. Die Zylinder werden hierbei in einer
Reihe, senkrecht über der Kurbelwelle angeordnet.
Vorteil: einfache Konstruktion
Nachteil: bei großer Zylinderzahl ergeben sich sehr lange
Aggregate, die sich für einen Quereinbau nicht eignen.
11.2 V-Motor
Um kürzere Motoren zu erzielen, werden die Zylinder bei den V-
Motoren in einem Winkel von 60° bis 120° angeordnet, wobei
die Mittelachsen der Zylinder durch die Mittelachse der
Kurbelwelle laufen.
Vorteil: relativ kurze Motoren
Nachteil: Die Aggregate sind verhältnismäßig breit, haben zwei
getrennte Zylinderköpfe und benötigen daher ein größeres
Motorraumvolumen.
11.3 VR-Motor
Beim VR-Motor sind sechs Zylinder versetzt in einem Winkel von
15° V-förmig in einem recht schlanken und kurzen Motorblock
untergebracht. Außerdem besitzt der Motor im Gegensatz zur
bisherigen Konstruktion nur einen Zylinderkopf.
11.4 W-Motor
Mit dem Ziel bei großen Zylinderzahlen noch kompaktere
Aggregate zu ermöglichen wurden die konstruktiven Merkmale
der V- und VR-Motoren in den W-Motoren vereint.
Wie bei den V-Motoren verteilen sich die Zylinder auf zwei
Bänke, die beim W8- und W-12-Motor einen V-Winkel von 72°
zueinander einnehmen. Innerhalb einer Bank halten die Zylinder
einen Winkel von 15°.
Beachtet man einen W-Motor von vorne, so sieht man die
Zylinderanordnung als doppeltes „V“. Legt man diese gedanklich
zusammen ergibt das ein „W“.
32

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
12. Ventile und Ventilsteuerung
Die Ventilsteuerung erfolgt über die Nockenwelle(n). Diese wird von der Kurbelwelle,
zumeist über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette angetrieben und läuft mit halber
Kurbelwellendrehzahl. Die Ventile werden über Kipphebel oder Schlepphebel gesteuert.
Liegt die Nockenwelle unten (d.h. nicht über den Ventilen), werden die Ventile über
sogenannte Stößelstangen betätigt, meist im Zusammenspiel mit Kipphebeln zur Betätigung
der hängend angeordneten Ventile (OHV-Motor, overhead valves).
12.1 Nockenformen
Tangenten-Nocken Kreisbogen-Nocken Ruckfreier Nocken
Hohe Beschleunigungskräfte an
den Flanken, da Übergang von
Radius auf Tangente.
Benötigt Kontakt zu einem
balligen oder rollenden Stößel
Ein Flanken-Radius an Kopfund
Grundkreis.
Stößel können auch flach sein.
unstetig in der
Beschleunigung
Beschleunigungssprünge
Flanken-Radius ändert sich
permanent (mehrere tausend
Mal).
auch in der 3. Ableitung noch
stetig (keine stoßartige Kraft)
weniger Verschleiß
bessere Akustik
späteres Abspringen des
Ventiltriebes
12.2 Lage der Nockenwelle
(Bei hängenden Ventilen [OHV = OVERHEAD-VALVES])
Untenliegend Seitlich liegend Obenliegend
Größter Masseverbrauch da
lange Stangen
Im „Trog“ gelagerte
Nockenwelle, kürzeres
Gestänge
Overhead Camshaft [OHC]
Ventile werden z.B. durch
Hydrostößel betätigt
Zwei Kurbelwellen bei schrägen
Ventilen
33

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
„Hängende Ventile haben das Merkmal, dass ihre Schließbewegung
gleichsinnig mit der Kolbenbewegung vom UT zum OT verläuft (gleichsinnig,
nicht gleichzeitig!)“
Beschleunigungen in der Ventilsteuerung:
Unten oder seitlich
liegende Nockenwelle: 400 – 1800 m/s²
Oben liegende Nockenwelle
(Schnelllaufende Motoren): 2000 – 8000 m/s²
13. Verbrennungsraumgestaltung
13.1 Verschiedene Brennräume (Ottomotor)
13.1.1 Ricardo-Brennraum
Sauberer Brennraum (keinerlei
Zerklüftungen), Schließbewegung des
stehenden Ventils ist gleichsinnig mit der
Kolbenbewegung vom OT zum UT.
13.1.2 Kugel-Brennraum
zwei Nockenwellen, bestes Verhältnis von
Oberfläche zu Volumen
Bester Brennraum
h max
Quetschzonen
13.1.3 Keil-Brennraum
Schlecht, da niedrige Brennraumhöhe
(Gemischnest)
13.2 Hauptanforderungen an Brennräume von Ottomotoren
1. Kompakter Brennraum: Unzerklüftete Realisierung (keine Vertiefungen)
Zerklüftungen bedeuten höhere Klopferscheinungen und Emissionswerte, da
Kraftstoff nur unvollständig verbrennt
2. Brennraumoberfläche muss im bezug auf das Brennraumvolumen möglichst klein
sein (optimal: Kugel)
„Oberfläche ist die Kommunikation zum Verlust
3. Höchste Stelle zentral zum Kolben. Größter Querschnitt an dieser Stelle führt zu
langsamerer Gasgeschwindigkeit Wärmeabgabeprozess gesenkt bester
Wirkprozess von brennbaren Substanzen und Sauerstoff
34

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
4. Zentrale Zündkerze (sofern möglich) Flammwege sind in alle Richtungen gleich
5. Heiße Stellen konzentrieren (Teile mit hoher Temperatur an einer Stelle) z.B.
Auslassventil und Zündkerze Verminderung der Klopferscheinung
6. Turbulenz des Gemisches im Brennraum ermöglichen (z.B.: durch Quetschzonen)
7. Brennraumhöhe niemals kleiner als minimale Höhe, da sonst unvollständige
Verbrennung aussetzende Verbrennung, da Geschwindigkeitserhöhung
Wärmeübertragung setzt aus Flammfront entzündet sich nicht weiter
(Vermeidung so genannter Gemischnester)
13.3 Brennräume beim Dieselmotor
Problematik besonders ausgeprägt durch:
a) Verkürzte Gemischbildungsdauer (im Vergleich zum Ottomotor) bzw. Bedarf der
Kompressionswärme
b) Zerstäubbarkeit und Verdampfbarkeit der Dieselkraftstoffe
Gemischbildungsdauer im Vergleich
Ottomotor
OT
Einlass offen
Einspritzung
Dieselmotor
OT
Gemischbildung
Gemischbildung
Vergaser
Einlass offen
UT
Einspritzung
Wie man sieht ist die Gemischbildungsdauer des Ottomotors um einiges größer als die beim
Dieselmotor. Auch die Einspritzdauer beim Diesel (Grünes Dreieck) ist wesentlich geringer
als beim Ottomotor mit Vergaser (Volle Dauer der Einlassöffnung) oder Einspritzung.
Bitte beachten, dass sich hier zwei Kreise überschneiden. Periode = 720° KW
Multimomentaufnahme von der Einspritzung eines Dieselmotors:
UT
t Zündverzug
Ventil:
Tropfen
Gemischbildung beginnt
Düsenloch
OT
Einspritzung
Gemischbildung
Verbrennung
Gemisch
Von unten:
35

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
Je höher die Cetanzahl (CZ) ist, desto kürzer ist die Zeit zwischen Verbrennungsbeginn und
Einspritzbeginn (t Zündverzug )
36

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
Scharfe Einspritzung: Durch hohen Druck bei der Einspritzung: kürzeste Einspritzdauer
Größe der Düsenlöcher: 0,1 – 0,2 mm, Zeit t Einspritzung nur wenige Millisekunden!
Systeme:
Dieselmotoren (innere Gemischbildung)
Indirekte Einspritzung (IDI)
Direkte Einspritzung (DI)
Vorkammer Wirbelkammer Periphere Einspritzung
Spritzt direkt auf die Oberfläche
der Kolbenmulde
Zentrale Einspritzung
Spritzt direkt in das Zentrum
der Kolbenmulde
Brennraumbereich innerhalb des Kobens (Mulde)
Offene Mulde
Eingezogene Mulde
V Vorkammer = 0,2 V Gesamt
Bis zu 10-15-fache Rotations-Geschwindigkeit der Luft
Hintergrund der Kolbenmulde:
Chemisches Phänomen der Dieselkraftstoffe: Brennbare Substanzen (C, H) haben völlig
unterschiedliche Affinitäten mit Sauerstoff in Reaktion zu treten. C ist sehr träge und
verbrennt im Gegensatz zu H erst recht spät. Dann wäre aber kein/nicht genug Sauerstoff
mehr übrig um vollständig zu verbrennen. (Rußbildung wäre die Folge).
Vermieden wird das, wenn die Zündung des Gemisches nicht nur durch die heiße Luft
sondern auch durch die Strahlung einer Flamme entsteht und sich ausbreitet. Dann laufen C-
und H-Verbrennung fast gleichzeitig ab.
Eine solche Flammfront lässt sich durch eine Kolbenmulde verwirklichen, auf deren
Oberfläche ein dünner Kraftstofffilm gespritzt wird, der sich an der Luft entzündet und so die
Flammfront auslöst.
14. Drehzahlen
Verbrennungsmotoren unterteilen sich in 3 Drehzahlbereiche:
‣ Schnelllaufende (Klein-)Motoren (HIGH SPEED, SMALL)
‣ Mittelschnelllaufende (Mittel-)Motoren (MEDIUM SPEED)
‣ Langsamlaufende (Groß-)Motoren (LOW SPEED, LARGE, BIG)
37

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
15. Charakteristische Kenngrößen von Verbrennungsmotoren
Hubvolumen für einen Zylinder:
Der Dieselmotor hat in der Regel größeren Hubraum als ein Ottomotor, da er mehr Luft braucht.
Zylinderzahl:
V H = gesamtes Hubvolumen
Kompressionsverhältnis:
geometrisches Verdichtungsverhältnis:
thermodynamisches Verdichtungsverhältnis:
reale, genaue Berechnung
Da die Ventile vor und nach dem OT bzw. UT öffnen und schließen ist das Gasvolumen nicht entsprechend dem
geometrischen Verdichtungsverhältnis.
Mittlerer innerer Kolbendruck:
A i = Fläche Indikatordiagramm
Mittlerer effektiver Kolbendruck:
Mit z als Zylinderanzahl:
W i,z : pro Arbeitsprozess
Druck p auf den Kolben: Dieser Druck p wird in Berechnungen als p i also als „mittlerer
innerer Kolbendruck“ betrachtet.
Effektive Leistung
Vergleich:
„p me “ = mittlerer effektiver Kolbendruck – Ableitung des mittleren inneren Kolbendrucks (-
der energetischen Wirksamkeit in den Zylindern, hinsichtlich der Leistungserbringung am
Kurbelwellenende. Und schließt alle Verlustdeckungen zwischen dem Zylinder und dem
38

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
Kurbelwellenende ab. Somit stellt p me jenen Energiewert dar, der sich aus p i nach Abzug der
Reibungsverluste ergibt.
Kraftstoffzufuhr
analog:
Leistung:
Effektive Leistung:
Mittlerer Kolbendruck:
Spezifischer Kraftstoffverbrauch:
Nur der Trockenluftanteil (p tr ) ist ausschlaggebend für die Leistung:
Effektiver Wirkungsgrad:
Mittlerer effektiver Kolbendruck:
Mittlere Kolbengeschwindigkeit:
Der tribologische Verschleiß steigt zum OT.
Hubraumleistung:
Leistungsgewicht:
Leistungspreis:
Spezifische Kolbenflächenleistung:
Laufwert:
Hubbohrungsverhältnis:
39

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
16. Vorgehensweise für die Motorauslegung
1. Vorgaben
z.B. Leistung P e , Drehzahl n
2. Wahl von Größen
Arbeitsverfahren (2-Takt, 4-Takt)
ε
Bauart (z.Bsp: Reihe- ; V-; Boxer)
Anzahl der Zylinder (z)
3. Annahmen treffen
spez. Kraftstoffverbrauch b
mech. Wirkungsgrad η m
mittl. Effektiver Kolbendruck p me
mittl. Kolbengeschwindigkeit v m
4. Ermittlung durch Berechnung
s, d, m Pe , € Pe , P spK , α L
16.1 Anhaltspunkte
Ottomotor
Dieselmotor
(da Selbstzündung)
*
*
*
*
(„kleine“ Diesel)
(„große“ Diesel)
* Gastemperatur im Flammenmittelpunkt, nicht an der Außenwand
Die höchste Bauteiltemperator in einem Verbrennungsmotor ist an den Auslassventilen zu finden (ca. 800 °C)
Die zweithöchste Temperatur findet man auf dem Kolben (ca. 360 °C im Zentrum der Kolbenkrone)
40

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
17. Aufgaben/Berechnungen
17.1 Aufgabe 1
Gegeben:
4-Takt-Diesel Zylinder: z = 6 d = 130mm s = 170mm
n = 1200/min P e = 79kW B = 20 kg/h = 450 kg/h
p s = 2337,7 N/m 2 H U = 41900 kJ/kg p 1 = 980 mbar t 1 = 20°C
Φ r = 0,60
m L,min = 14,35 kgL/kgK
Gesucht:
λ L ; λ ; p me ; η e ; b (Liefergrad; Luftverhältnis; mittl. eff. Kolbendruck, Kraftstoffverbrauch)
mit:
wird zu
Einsetzen:
Es wird nur die Hälfte der Drehzahl verwendet, da nur bei jeder zweiten Umdrehung angesaugt wird.
umformen:
41

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
17.2 Aufgabe 2
Gegeben:
4-Takt-Ottomotor Zylinder: z = 6 n = 5000/min P e = 80 kW
p me = 9,0 bar ζ = s/d = 0,9 λ Pleuel = r/L = 1/3,5
Gesucht:
d [mm], s [mm], v m [m/s+, L *mm+, r *mm+, τ 1Umdr. *ms+, ω *1/s+, v rot [m/s], T tg(e) [Nm]
ermitteln aus:
umformen:
umformen & einsetzen:
Mit und ergibt:
Kurbelradius ist immer der halbe Kolbenhub:
damit ist:
42

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
17.3 Aufgabe 3
Gegeben:
4-Takt-Dieselmotor P e =735 kW t a =20°C v m =12 m/s
p a =p ges =981 mbar n=1500min -1 = 0,60 H U =41868 kJ/kg
m Lmin =13,58 kgL/kgKr = 1,23
p S =0,02337 bar
Gesucht: d, s, z
Spezifische Kolbenflächenleistung:
(Schnellaufend)
43

Otto- und Dieselmotoren
SAIYA.DE
18. Impressum, Quellen und wichtige Hinweise
Impressum:
Editor:
Matthias Kringels
Software: Microsoft Word 2007
PDF-Umwandlung: Adobe Acrobat 8
Website:
www.saiya.de
Kontakt-E-Mail-Adresse:
script@saiya.de
Quellen:
• Vorlesung Otto- und Dieselmotoren von Prof. Schwarz im WS2006/2007
• Vorlesung Thermodynamik von Prof. Seidel im WS2006/2007
• Vorlesung Fertigungsverfahren von Prof. Fischer im WS2006/2007
• http://de.wikipedia.org/wiki/Motor
• http://de.wikipedia.org/wiki/Zweitakt
• http://de.wikipedia.org/wiki/Viertakt
• http://de.wikipedia.org/wiki/Entropie
• http://de.wikipedia.org/wiki/Klopfen_(Verbrennungsmotor)
• http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:CE_Logo.svg
• http://images.google.de
• http://de.wikipedia.org/wiki/Kategorie:Verbrennungsmotor
• http://www.dict.cc
Wichtige Hinweise:
Dieses PDF ist die Mitschrift der Vorlesung „Otto- und Dieselmotoren“ an der
Rheinischen Fachhochschule in Köln im Wintersemester 2006/2007. Ich gebe keine
Gewähr auf die Richtigkeit dieser Zusammenstellung, insbesondere nicht auf die
Vollständigkeit.
Ich rate deshalb dazu dieses Dokument nicht als einzige Prüfungsvorbereitung
zu nutzen.
Wer Fehler findet möge sie doch bitte bei oben genannter Mail-Adresse melden.
Danke.
44