Dieselmotor-Management

Konrad Reif (Hrsg.)

Dieselmotor-Management

Systeme, Komponenten, Steuerung und Regelung

5., überarbeitete und erweiterte Aufl age

Mit 566 Abbildungen und 18 Tabellen

Bosch Fachinformation Automobil

ISBN 978-3-8348-1715-0 ISBN 978-3-8348-2179-9 (eBook)DOI 10.1007/978-3-8348-2179-9

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HerausgeberProf. Dr.-Ing. Konrad ReifDuale Hochschule Baden-WürttembergRavensburg, Campus FriedrichshafenStudiengangsleiter Fahrzeugelektronik und Mechatronische Systeme

konrad.reif@gmx.netwww.bosch-fachinformation-automobil.springer-vieweg.de

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▶ Vorwort

DasvorliegendeBuchDieselmotor-Managemententhält eineumfassendeDarstellungderSteuerungund

RegelungvonDieselmotoren.WichtigeThemensinddabeinichtnurEinspritztechnikundMotorsteue-

rung, sondernauchKraftstoffversorgung, Starthilfesysteme,Drehzahlregelung,Emissionsminderung

undAbgasnachbehandlung.WesentlicheKomponentenwiePumpen,Düsen,Hochdruckverbindungen,

SteuergeräteundSensorensowiederenFunktionsweiseundZusammenspielwerdenausführlicher-

klärt. EswerdensowohldieklassischenEinspritzsystememitReihen-oderVerteilereinspritzpumpen

alsauchdiemodernenEinspritzsystememitCommonRail oderUnit Injectorbehandelt. Fernerwerden

übergreifendeThemenwieAbgasgesetzgebung,Abgasmesstechnik,DiagnoseundWerkstatt-Technik

erläutert.

Inderhiervorliegenden5.AuflagewurdedasKapitelüberDieselkraftstoffeaktualisiertundergänzt,

insbesonderederAbschnittüberalternativeKraftstoffewurdewesentlicherweitert.DasKapitelüber

FüllungssteuerungwurdeumdieBiturbo-AufladungunddieHC-Falleergänzt.Wesentlichüberarbeitet

wurdedasKapitel zumNiederdruckteilderKraftstoffversorgung,wobeiverschiedenePumpentypen,

dasRücklaufsystemunddieKraftstoffverteilung fürdasUnit InjectorSystemunddieTankeinbauein-

heitberücksichtigtwurden.AktualisiertwurdenauchdieKapitelüberdasCommonRail System,das

Unit InjectorSystemunddasUnitPumpSystem. ImKapitelüberdieAbgasnachbehandlungwurdendie

ThemenSCR-SystemundPartikelfilterüberarbeitet.

DerSchwerpunkt imvorliegendenBuch liegtbeidenmodernenSystemen.FüreineausführlicheBe-

handlungdermechanischenundelektronischenRegler fürReihen-undVerteilereinspritzpumpen

wirdaufdasBuch„KlassischeDiesel-Einspritzsysteme“ausdergleichenBuchreiheverwiesen.

Außerdemsoll andieserStelledaraufhingewiesenwerden,dassTeilediesesBuches instarkverkürzter

ForminzweibroschiertenBüchernausderselbenReiheerhältlichsind.Dies istderBand„Dieselmotor-

Management imÜberblick“, indemdasWichtigstezumThemaDieselmotor-Managementkurzund

bündigbeschriebenwirdundderBand„ModerneDiesel-Einspritzsysteme“,der sichaufdieEinspritz-

systememitCommonRail,Unit InjectorundUnitPumpkonzentriert.

DasvorliegendeBuchwendet sich inersterLiniean Ingenieure inderMotoren-undFahrzeugentwick-

lung,Kfz-MeisterundKfz-Techniker sowieanStudentenderFahrzeug-undMotorentechnik.Es ist aber

auch fürGutachterundSachverständigeund fürElektroingenieureundSoftware-Entwickler inder

Automobil-undZulieferindustrie sehrgutgeeignet, umsicheinenEinblick indieSteuerungundRege-

lungderDieselmotorenzuverschaffen.

OhnedieaußerordentlicheUnterstützungVielerhättediese5.Auflagenichtentstehenkönnen.Für

fachlicheDiskussionundUnterstützung,vorallemwährendderEndphasederBucherstellung,danke ich

HerrnProf.Dr.-Ing. S.EngelkingundFrauDipl.-Ing.A.Horozovic.Fernerdanke ichauchallenLesern,

dieunswertvolleHinweise fürKorrekturengegebenhaben.

Friedrichshafen, imApril 2012 KonradReif

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Inhaltsverzeichnis

Geschichte des Dieselmotors ............................................................................................................ 14Rudolf Diesel .............................................................................................................................................. 15Gemischbildung der ersten Dieselmotoren ........................................................................................ 16Einsatz der ersten Fahrzeug-Dieselmotoren ....................................................................................... 17Bosch-Dieseleinspritzung ....................................................................................................................... 20

Einsatzgebiete der Dieselmotoren ................................................................................................... 24Eigenschaftskriterien ................................................................................................................................ 24Anwendungen ............................................................................................................................................ 24Motorkenndaten ........................................................................................................................................ 27

Grundlagen des Dieselmotors ........................................................................................................... 28Arbeitsweise ............................................................................................................................................... 28Drehmoment und Leistung ...................................................................................................................... 31Motorwirkungsgrad ................................................................................................................................... 32Betriebszustände ...................................................................................................................................... 35Betriebsbedingungen .............................................................................................................................. 38Einspritzsystem .......................................................................................................................................... 41Brennräume ................................................................................................................................................ 42

Kraftstoffe .................................................................................................................................................. 46Dieselkraftstoff ........................................................................................................................................... 46Alternative Kraftstoffe ............................................................................................................................... 52

Systeme zur Füllungssteuerung ........................................................................................................ 56Übersicht ..................................................................................................................................................... 56Aufladung .................................................................................................................................................... 57Drallklappen ............................................................................................................................................... 66Motoransaugluftfilter ................................................................................................................................ 67

Grundlagen der Dieseleinspritzung .................................................................................................. 70Gemischverteilung .................................................................................................................................... 70Parameter der Einspritzung .................................................................................................................... 72Düsen- und Düsenhalter-Ausführung ................................................................................................... 81

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick ............................................................................................ 82Bauarten ...................................................................................................................................................... 82

Kraftstoffversorgung Niederdruckteil .............................................................................................. 88Übersicht ..................................................................................................................................................... 88Kraftstoffpumpe ......................................................................................................................................... 90Kraftstofffilter .............................................................................................................................................. 95Kraftstoffrücklauf und Kraftstoffverteilung beim Unit Injector System ........................................... 100Kraftstoffbehälter, Kraftstoffleitungen und Tankeinbaueinheit ......................................................... 102Zusatzventile für Reiheneinspritzpumpen ............................................................................................ 104

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis 7

Systemübersicht der Reiheneinspritzpumpen ............................................................................. 106Anwendungsgebiete ................................................................................................................................ 106Ausführungen ............................................................................................................................................. 106Aufbau ......................................................................................................................................................... 107Regelung ..................................................................................................................................................... 107

Vorförderpumpen für Reiheneinspritzpumpen ............................................................................. 110Anwendung ................................................................................................................................................ 110Aufbau und Arbeitsweise ........................................................................................................................ 111Handpumpen ............................................................................................................................................. 113Vorreiniger ................................................................................................................................................... 113Falltankbetrieb ........................................................................................................................................... 113

Standard-Reiheneinspritzpumpen PE ............................................................................................. 114Einbau und Antrieb ................................................................................................................................... 115Aufbau und Arbeitsweise ........................................................................................................................ 115Ausführungen ............................................................................................................................................. 124Reiheneinspritzpumpen PE für andere Kraftstoffe ............................................................................. 134Betrieb der Reiheneinspritzpumpen ..................................................................................................... 135

Regler für Reiheneinspritzpumpen ................................................................................................... 136Steuerung und Regelung ........................................................................................................................ 136Einwirkung des Reglers ........................................................................................................................... 138Definitionen ................................................................................................................................................ 138P-Grad des Reglers .................................................................................................................................. 139Aufgaben des Reglers ............................................................................................................................. 140Reglerarten ................................................................................................................................................. 143Reglerübersicht ......................................................................................................................................... 148Spritzversteller ........................................................................................................................................... 154Elektrisches Stellwerk .............................................................................................................................. 156

Hubschieber-Reiheneinspritzpumpen ............................................................................................ 158Aufbau und Arbeitsweise ........................................................................................................................ 159

Systemübersicht der Verteilereinspritzpumpen ........................................................................... 162Anwendungsgebiete ................................................................................................................................ 162Ausführungen ............................................................................................................................................. 162Kantengesteuerte Systeme .................................................................................................................... 164Magnetventilgesteuerte Systeme .......................................................................................................... 166

Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpen ................................................................................ 170Einsatzbereiche und Einbau ................................................................................................................... 171Aufbau ......................................................................................................................................................... 173Niederdruckteil .......................................................................................................................................... 176Hochdruckpumpe mit Verteiler ............................................................................................................... 179

Aufschaltgruppen für Verteilereinspritzpumpen .......................................................................... 188Übersicht ..................................................................................................................................................... 188Drehzahlregler ............................................................................................................................................ 190Spritzversteller ........................................................................................................................................... 197

Inhaltsverzeichnis8

Mechanische Anpassvorrichtungen ...................................................................................................... 200Lastinformation .......................................................................................................................................... 213Fördersignalsensor ................................................................................................................................... 214Abstellvorrichtungen ................................................................................................................................. 215Elektronische Dieselregelung ................................................................................................................. 216Diesel-Diebstahl-Schutz .......................................................................................................................... 219

Magnetventilgesteuerte Verteilereinspritzpumpen ..................................................................... 220Einsatzbereiche ......................................................................................................................................... 220Bauformen .................................................................................................................................................. 220Einbau und Antrieb ................................................................................................................................... 222Aufbau und Arbeitsweise ........................................................................................................................ 224Niederdruckteil .......................................................................................................................................... 226Hochdruckteil der Axialkolben-Verteilereinspritzpumpe ................................................................... 228Hochdruckteil der Radialkolben-Verteilereinspritzpumpe ................................................................ 232Druckventile ................................................................................................................................................ 236Hochdruckmagnetventil ........................................................................................................................... 238Spritzverstellung ........................................................................................................................................ 240Steuergerät ................................................................................................................................................. 246Zusammenfassung ................................................................................................................................... 247

Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme .............................................................................. 248Einzeleinspritzpumpen PF ....................................................................................................................... 248Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS .................................................................... 250Systembild UIS für Pkw ........................................................................................................................... 252Systembild UIS/UPS für Nkw ................................................................................................................ 254

Einzeleinspritzpumpen PF ................................................................................................................... 256Aufbau und Arbeitsweise ........................................................................................................................ 256Baugrößen .................................................................................................................................................. 258

Unit Injector System UIS ...................................................................................................................... 260Einbau und Antrieb ................................................................................................................................... 260Aufbau ......................................................................................................................................................... 261Arbeitsweise des UI für Pkw ................................................................................................................... 264Arbeitsweise des UI für Nkw .................................................................................................................. 267Hochdruckmagnetventil ........................................................................................................................... 269

Unit Pump System UPS ........................................................................................................................ 272Einbau und Antrieb ................................................................................................................................... 272Aufbau ......................................................................................................................................................... 272Stromgeregelte Einspritzverlaufsformung CCRS .............................................................................. 274

Systemübersicht Common Rail ......................................................................................................... 276Anwendungsgebiete ................................................................................................................................ 276Aufbau ......................................................................................................................................................... 277Arbeitsweise ............................................................................................................................................... 278Common Rail System für Pkw ................................................................................................................ 282Common Rail System für Nkw ............................................................................................................... 287

9

Hochdruckkomponenten des Common Rail Systems ............................................................... 290Übersicht ..................................................................................................................................................... 290Injektor ......................................................................................................................................................... 292Hochdruckpumpen ................................................................................................................................... 303Rail (Hochdruckspeicher) ........................................................................................................................ 312Hochdrucksensoren ................................................................................................................................. 313Druckregelventil ......................................................................................................................................... 314Druckbegrenzungsventil .......................................................................................................................... 315

Einspritzdüsen ......................................................................................................................................... 316Zapfendüsen .............................................................................................................................................. 318Lochdüsen .................................................................................................................................................. 320Weiterentwicklung der Düse .................................................................................................................. 324

Düsenhalter .............................................................................................................................................. 326Übersicht ..................................................................................................................................................... 326Standard-Düsenhalter .............................................................................................................................. 328Stufenhalter ................................................................................................................................................ 329Zweifeder-Düsenhalter ............................................................................................................................. 330Düsenhalter mit Nadelbewegungssensor ........................................................................................... 331

Hochdruckverbindungen ...................................................................................................................... 332Hochdruckanschlüsse ............................................................................................................................. 332Hochdruck-Kraftstoffleitungen ............................................................................................................... 333

Starthilfesysteme .................................................................................................................................... 336Übersicht ..................................................................................................................................................... 336Glühsysteme .............................................................................................................................................. 337

Innermotorische Emissionsminderung ........................................................................................... 342Brennverfahren .......................................................................................................................................... 343Weitere Einflüsse auf die Schadstoffemission ................................................................................... 345Entwicklung homogener Brennverfahren ............................................................................................. 347Dieseleinspritzung ..................................................................................................................................... 348Abgasrückführung ..................................................................................................................................... 360Kurbelgehäuseentlüftung ........................................................................................................................ 363

Abgasnachbehandlung ......................................................................................................................... 364NOX-Speicherkatalysator ......................................................................................................................... 365Selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden ............................................................................. 368Partikelfilter DPF ....................................................................................................................................... 374Diesel-Oxidationskatalysator .................................................................................................................. 382

Elektronische Dieselregelung EDC .................................................................................................. 384Systemübersicht ........................................................................................................................................ 384Reiheneinspritzpumpen ........................................................................................................................... 387Kantengesteuerte Axialkolben-Verteilereinspritzpumpen ................................................................. 388Magnetventilgesteuerte Axial- und Radialkolben-Verteilereinspritzpumpen ................................ 389Unit Injector System UIS für Pkw .......................................................................................................... 390Unit Injector System UIS und Unit Pump System UPS für Nkw .................................................... 391

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis10

Common Rail System für Pkw ................................................................................................................ 392Common Rail System für Nkw ............................................................................................................... 393Datenverarbeitung .................................................................................................................................... 394Regelung der Einspritzung ...................................................................................................................... 396Zusätzliche Sonderanpassungen .......................................................................................................... 407Lambda-Regelung für Pkw-Dieselmotoren ......................................................................................... 408Momentengeführte EDC-Systeme ........................................................................................................ 413Regelung und Ansteuerung von Aktoren ............................................................................................. 416Ersatzfunktionen ........................................................................................................................................ 417Datenaustausch mit anderen Systemen .............................................................................................. 418Serielle Datenübertragung mit CAN ..................................................................................................... 419Applikation Pkw-Motoren ........................................................................................................................ 424Applikation Nkw-Motoren ........................................................................................................................ 428Applikationstools ....................................................................................................................................... 433

Steuergerät ............................................................................................................................................... 436Einsatzbedingungen ................................................................................................................................. 436Aufbau ......................................................................................................................................................... 436Datenverarbeitung .................................................................................................................................... 436

Sensoren ................................................................................................................................................... 442Einsatz im Kraftfahrzeug .......................................................................................................................... 442Temperatursensoren ................................................................................................................................. 443Mikromechanische Drucksensoren ....................................................................................................... 444Hochdrucksensoren ................................................................................................................................. 447Induktive Motordrehzahlsensoren .......................................................................................................... 448Drehzahlsensoren und inkrementale Drehwinkelsensoren .............................................................. 449Hall-Phasensensoren ............................................................................................................................... 450Fahrpedalsensoren ................................................................................................................................... 452Heißfilm-Luftmassenmesser HFM5 ...................................................................................................... 454Planare Breitband-Lambda-Sonde LSU4 ............................................................................................ 456Halb-Differenzial-Kurzschlussringsensoren ......................................................................................... 458Tankfüllstandsensor .................................................................................................................................. 459

Diagnose .................................................................................................................................................... 460Überwachung im Fahrbetrieb (On-Board-Diagnose) ........................................................................ 460On Board Diagnostic System für Pkw und leichte Nkw ................................................................... 463On Board Diagnostic System für schwere Nkw ................................................................................ 470

Werkstatt-Technik .................................................................................................................................... 472Werkstattgeschäft ..................................................................................................................................... 472Diagnose in der Werkstatt ...................................................................................................................... 476Prüf- und Testgeräte ................................................................................................................................. 478Einspritzpumpen-Prüfstände .................................................................................................................. 480Prüfung von Reiheneinspritzpumpen .................................................................................................... 482Prüfung von kantengesteuerten Verteilereinspritzpumpen .............................................................. 486Düsenprüfung ............................................................................................................................................ 490

Abgasemission ........................................................................................................................................ 492Übersicht ..................................................................................................................................................... 492Hauptbestandteile .................................................................................................................................... 492Nebenbestandteile (Schadstoffe) ......................................................................................................... 494

Inhaltsverzeichnis 11

Abgasgesetzgebung .............................................................................................................................. 496Übersicht ..................................................................................................................................................... 496CARB-Gesetzgebung (Pkw/LDT) ......................................................................................................... 498EPA-Gesetzgebung (Pkw/LDT) ............................................................................................................. 502EU-Gesetzgebung (Pkw/LDT) ............................................................................................................... 504Japan-Gesetzgebung (Pkw/LDT) .......................................................................................................... 506USA-Gesetzgebung (schwere Nkw) .................................................................................................... 507EU-Gesetzgebung (schwere Nkw) ....................................................................................................... 508Japan-Gesetzgebung (schwere Nkw) .................................................................................................. 510USA-Testzyklen für Pkw und LDT .......................................................................................................... 511Europäischer Testzyklus für Pkw und LDT ........................................................................................... 513Japan-Testzyklus für Pkw und LDT ......................................................................................................... 513Testzyklen für schwere Nkw .................................................................................................................... 514

Abgas-Messtechnik ............................................................................................................................... 516Abgasprüfung für die Typzulassung ...................................................................................................... 516Abgas-Messgeräte ................................................................................................................................... 519Abgasmessung in der Motoren-Entwicklung ...................................................................................... 521Abgasuntersuchung (Trübungsmessung) ........................................................................................... 523

Sachwortverzeichnis .............................................................................................................................. 524

Autorenverzeichnis12

Autorenverzeichnis

Dipl.-Ing. Andreas Binder,Dipl.-Ing. Markus Gesk,Dipl.-Ing. Andreas Glaser(Gemischbildung);

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber,Dipl.-Ing. Joachim Lackner,Dr.-Ing. Herbert Schumacher(Einsatzgebiete der Dieselmotoren);

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber,Dr.-Ing. Thorsten Raatz(Grundlagen des Dieselmotors);

Dr. rer. nat. Jörg Ullmann(Kraftstoffe, Dieselkraftstoffe);

Dipl.-Ing. (FH) Thorsten Allgeier,Dr. rer. nat. Jörg Ullmann(Kraftstoffe, Alternative Kraftstoffe);

Dr.-Ing. Michael Durst(Filterwerk Mann + Hummel, Ludwigsburg),Dipl.-Betriebsw. Meike Keller,Dr.-Ing. Thomas Wintrich(Systeme zur Füllungssteuerung);

Dr.-Ing. Stefan Münz(Bosch Mahle Turbo SystemsGmbH & Co. KG, Stuttgart)(Aufladegeräte);

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber,Dipl.-Ing. Jens Olaf Stein(Grundlagen der Dieseleinspritzung);

Dipl.-Ing. (FH) Rolf Ebert,Dipl.-Betriebsw. Meike Keller,Dr.-Ing. Gunnar-Marcel Klein(Filterwerk Mann + Hummel, Ludwigsburg),Dr.-Ing. Ulrich Projahn(Kraftstoffversorgung Niederdruckteil);

Henri Bruognolo,Dr.-Ing. Ernst Ritter(Systemübersicht der Reiheneinspritzpumpenund ihre Regler);

Dipl.-Ing. (FH) Helmut Simon(Kantengesteuerte Verteilereinspritzpumpenund ihre Aufschaltgruppen);

Dipl.-Ing. Johannes Feger,Dr. rer. nat. Dietmar Ottenbacher(MagnetventilgesteuerteVerteilereinspritzpumpen);

Dr. techn. Theodor Stipek(Einzeleinspritzpumpen);

Dipl.-Ing. (HU) Carlos Alvarez-Avila,Dipl.-Ing. Guilherme Bittencourt,Dr. rer. nat. Carlos Blasco Remacha,Dr.-Ing. Günter Driedger,Dipl.-Ing. Stefan Eymann,Dipl.-Ing. Alessandro Fauda,Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Matthias Hickl,Dipl.-Ing. (FH) Andreas Hirt,Dipl.-Ing. (FH) Guido Kampa,Dipl.-Betriebsw. Meike Keller,Dr. rer nat. Walter Lehle,Dipl.-Ing. Rainer Merkle,Dipl.-Ing. Roger Potschin,Dr.-Ing. Ulrich Projahn,Dr. rer. nat. Andreas Rebmann,Dipl.-Ing. Walter Reinisch,Dipl.-Ing. Nestor Rodriguez-Amaya,Dipl.-Ing. Friedemann Weber,Dipl.-Ing. (FH) Willi Weippert,Dipl.-Ing. Ralf Wurm(Diesel-Einspritzsysteme Unit Injector undUnit Pump Systeme)

Dipl.-Ing. Werner Brühmann,Dipl.-Inform. Michael Heinzelmann,Dr. techn. David Holzer,Dipl.-Ing. Thilo Klam,Dipl.-Ing. (FH) Andreas Koch,Dipl.-Ing. Felix Landhäußer,Dr.-Ing. Patrick Mattes,Dr.-Ing. Ulrich Projahn,Dipl.-Ing. (FH) Andreas Rettich,Ing. Helmut Sattmann,Dipl.-Ing. Sandro Soccol,Ing. Herbert Strahberger,Dr.-Ing. Ralf Wirth(Common Rail System);

Dirk Dörhöfer,Dipl.-Ing. Sandro Soccol(Hochdruckpumpen);

Autorenverzeichnis 13

Ing. Helmut Sattmann,Ing. Herbert Strahberger(Rail und Anbaukomponenten);

Dipl.-Ing. Klaus Ortner,Ing. grad. Peter Schelhas(Kraftstoffpumpen);

Dr.-Ing. Juan Luis Hernández Carabias(Kraftstofffilter);

Dr.-Ing. Patrick Mattes(Piezo-Inline-Injektor);

Dr. techn. David Holzer,Dipl.-Ing. Thilo Klam,Dipl.-Ing. (FH) Andreas Koch,Dipl.-Ing. (FH) Andreas Rettich(Magnetventil-Injektoren);

Dipl.-Ing. Thomas Kügler(Einspritzdüsen und Düsenhalter);

Kurt Sprenger(Hochdruckverbindungen);

Dr. rer. nat. Wolfgang Dreßler(Starthilfesysteme);

Dipl.-Ing. Jens Olaf Stein(Innermotorische Emissionsminderung);

Dr. rer. nat. Norbert Breuer,Dr. rer. nat. Thomas Hauber,Priv.-Doz. Dr.-Ing. Johannes K. Schaller,Dr. Ralf Schernewski,Dipl.-Ing. Stefan Stein,Dr.-Ing. Ralf Wirth(Abgasnachbehandlung);

Dipl.-Ing. Johannes Feger,Dipl.-Ing. Lutz-Martin Fink,Dipl.-Ing. Wolfram Gerwing,Dipl.-Ing. (BA) Klaus Grabmaier,Dipl.-Ing. Martin Grosser,

Dipl.-Inform. Michael Heinzelmann,Dipl.-Math. techn. Bernd Illg,Dipl.-Ing. (FH) Joachim Kurz,Dipl.-Ing. Felix Landhäußer,Dipl.-Ing. (FH) Mikel Lorente Susaeta,Dipl.-Ing. Rainer Mayer,Dr.-Ing. Andreas Michalske,Dr. rer. nat. Dietmar Ottenbacher,Dr. Ing. Michael Walther,Dipl.-Ing. (FH) Andreas Werner,Dipl.-Ing. Jens Wiesner(Elektronische Dieselregelung);

Dipl.-Ing. Joachim Berger(Sensoren);

Dr.-Ing. Günter Driedger,Rainer Heinzmann,Dr. rer. nat. Walter Lehle,Dipl.-Ing.Wolfgang Schauer(Diagnose);

Hans Binder,Rainer Heinzmann,Günter Mauderer,Dipl.-Ing. Rainer Rehage,Dipl.-Wirtsch.-Ing. Stephan Sohnle,Rolf Wörner(Werkstatt-Technik);

Dr.-Ing. Stefan Becher,Dr.-Ing. Torsten Eggert(Abgasgesetzgebung);

Dipl.-Ing. Bernd Hinner,Dipl.-Ing. Andreas Kreh,Dipl.-Ing. Rainer Pelka(Abgas-Messtechnik);

Dr.-Ing. Michael Durst(Filterwerk Mann + Hummel, Ludwigsburg)(Luftfiltration).

Soweit nicht anders angegeben, handelt essich um Mitarbeiter der Robert Bosch GmbH.

Bereits im Jahr 1863 unternahm der Fran-zose Etienne Lenoir eine Versuchsfahrt miteinem Fahrzeug, das von einer von ihm ent-wickelten Gasmaschine angetrieben wurde.Dieser Antrieb erwies sich aber als untaug-lich für den Einbau und Antrieb von Fahr-zeugen. Erst mit Nikolaus August OttosViertaktmotor mit Magnetzündung war derBetrieb mit flüssigem Kraftstoff und somitder mobile Einsatz möglich. Der Wirkungs-grad dieser Motoren war allerdings gering.Die Leistung des Rudolf Diesel bestanddarin, einen Motor mit vergleichsweise sehrviel höherem Wirkungsgrad theoretisch zuentwickeln und seine Idee bis zur Serien-reife zu verfolgen.

Rudolf Diesel baute 1897 in Zusammen-arbeit mit der Maschinenfabrik Augsburg-Nürnberg (MAN) den ersten funktionieren-den Prototypen eines Verbrennungsmotors,der mit billigem Schweröl betrieben werdenkonnte. Das Gewicht dieses ersten Diesel-motors betrug allerdings rund 4,5 Tonnenbei einer Höhe von drei Metern. Deshalbwar an einen Einsatz dieses Motors fürLandfahrzeuge vorerst noch nicht zu denken.

Mit weiteren Verbesserungen im Bereich derEinspritzung und Gemischbildung setztesich Diesels Erfindung aber bald durch undes gab für Schiffs- und Stationärmotorenkeine Alternativen mehr.

14 Geschichte des Dieselmotors

Geschichte des Dieselmotors

„Es ist meine feste Über-

zeugung, dass der Auto-

mobilmotor kommen

wird, und dann betrachte

ich meine Lebensauf-

gabe als beendet.“

(Zitat von Rudolf Diesel

kurz vor seinem Tod)

Patenturkunde für den Dieselmotor und dessen erste Ausführung aus dem Jahr 18941æU

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Rudolf Diesel2

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K. Reif (Hrsg.), Dieselmotor-Management, DOI 10.1007/978-3-8348-2179-9_1,© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 2012,

Rudolf Diesel

Rudolf Diesel (1858–1913), gebürtig ausParis, fasste mit 14 Jahren den Entschluss,Ingenieur zu werden. Er schloss sein Examenam Polytechnikum München als Bester derbis dahin Examinierten ab.

Idee eines neuen Motors

Die Idee Diesels war, eine Maschine miteinem wesentlich höheren Wirkungsgradgegenüber der damals populären Dampf-maschine zu konstruieren. Eine Maschine,die sich am isothermischen Kreisprozessorientiert, sollte nach der Theorie des fran-zösischen Physiker Sadi Carnot mit einemhohen Wirkungsgrad von über 90 % be-trieben werden können.

Diesel entwickelte seinen Motor zunächstauf dem Papier, basierend auf Carnots Vor-lagen. Sein Ziel war, einen leistungsstarkenMotor bei vergleichsweise kleinen Abmes-sungen zu entwerfen. Von der Funktion undder Leistungsfähigkeit seines Motors warDiesel absolut überzeugt.

Diesels Patent

Diesel schloss seine theoretischen Studien1890 ab und meldet am 27. Februar 1892beim Kaiserlichen Patentamt zu Berlin einPatent auf „Neue rationelle Wärmekraft-maschinen“ an. Am 23. Februar 1893 erhielter die Patenturkunde DRP 67207 mit demTitel „Arbeitsverfahren und Ausführungsartfür Verbrennungsmaschinen“, datiert aufden 28. Februar 1892.

Diesen neuen Motor gab es zunächst nurin der Theorie. Die Richtigkeit von DieselsBerechnungen wurde mehrfach bestätigt, ander technischen Realisierbarkeit bestandenbei den Motorenherstellern jedoch Zweifel.

Realisierung des Motors

Die im Motorbau erfahrenen Firmen wie dieGasmotoren-Fabrik Deutz AG schrecktenvor dem Diesel-Projekt zurück. Die erfor-derlichen Kompressionsdrücke von 250 barlagen jenseits dessen, was technisch realisier-bar erschien. Nach langem Bemühen kam es

schließlich 1893 zu einer Zusammenarbeitzwischen Diesel und der MaschinenfabrikAugsburg-Nürnberg (MAN). Der abge-schlossene Vertrag enthielt allerdings Kon-zessionen Diesels an den Idealmotor. DerHöchstdruck wurde von 250 auf 90 bar,später dann auf 30 bar gesenkt. Diese ausmechanischen Gründen erforderliche Ab-senkung des Drucks beeinträchtigte natür-lich die Zündfähigkeit beträchtlich. Der vonDiesel zunächst vorgesehene Kohlestaub alsKraftstoff wurde allerdings verworfen.

Schließlich begann man im Frühjahr1893, den ersten, ungekühlten Versuchs-motor zu bauen. Als Kraftstoff war zunächstPetroleum vorgesehen. Man verwendeteaber Benzin, weil man der Meinung war,dass sich dieser Kraftstoff leichter selbst ent-zündet (das war ein Irrtum). Das Prinzip derSelbstzündung – d. h. Einspritzen des Kraft-stoffs in die während der Kompression hochverdichtete und erwärmte Verbrennungs-luft – wurde bei diesem Motor bestätigt.

Beim zweiten Versuchsmotor wurde derKraftstoff nicht direkt, sondern mithilfevon Druckluft eingespritzt und zerstäubt.Zudem erhielt er eine Wasserkühlung.

Doch erst mit dem dritten Versuchsmotor– einer Neukonstruktion mit einer einstu-figen Luftpumpe zur Drucklufteinblasung –gelang der Durchbruch. Am 17. Februar1897 führte Prof. Moritz Schröder von derTechnischen Hochschule München die Ab-nahmeversuche durch. Die Messergebnissebestätigten den für eine Verbrennungskraft-maschine seinerzeit hohen Wirkungsgradvon 26,2 %.

Patentstreitigkeiten und Auseinandersetzun-gen mit dem Diesel-Konsortium hinsichtlichder Entwicklungsstrategie sowie Misserfolgebeanspruchten die geistigen und körper-lichen Kräfte des genialen Erfinders. Ver-mutlich stürzte er sich auf einer Kanalüber-fahrt nach England am 29. September 1913in die Fluten.

Geschichte des Dieselmotors Rudolf Diesel 15

Gemischbildung der erstenDieselmotoren

Drucklufteinblasung

Rudolf Diesel hatte nicht die Möglichkeit,den Kraftstoff auf die für Strahlausbreitung,Strahlzerfall und Tropfenbildung erforder-lichen Drücke zu verdichten. Der ersteDieselmotor aus dem Jahr 1897 arbeitetedeshalb mit Drucklufteinblasung, bei derder Kraftstoff mithilfe von Druckluft inden Zylinder eingebracht wurde. Dieses Ver-fahren wandte später auch Daimler fürseine Lkw-Dieselmotoren an.

Das Einspritzventil besaß einen Anschlussfür die Druckluft (Bild 1, Pos. 1) sowie einenAnschluss für die Kraftstoffzuführung (2).Ein Kompressor erzeugte die Druckluft, diein das Ventil einströmte. Bei geöffneter Ein-spritzdüse (3) riss die in den Brennraumeinströmende Luft den Kraftstoff mit underzeugte in dieser Zweiphasenströmung diefür eine schnelle Tropfenverdampfung unddamit für die Selbstentzündung erforder-lichen feinen Tröpfchen.

Ein Nocken sorgte für die kurbelwellensyn-chrone Betätigung der Einspritzdüse. Die ein-zuspritzende Kraftstoffmenge wurde über denKraftstoffdruck gesteuert. Da der Einspritz-

druck von der Druckluft erzeugt wurde, reichteals Kraftstoffdruck ein geringer Wert aus.

Das Problem bei diesem Verfahren war– aufgrund des niedrigen Drucks an derEinspritzdüse – die geringe Eindringtiefe desLuft-Kraftstoff-Gemischs in den Brenn-raum. Deshalb war diese Gemischbildungfür höhere Einspritzmengen (höhere Motor-lasten) und Drehzahlen nicht geeignet. Dieeingeschränkte Strahlausbreitung verhin-derte die zur Leistungssteigerung erforder-liche Luftausnutzung und ergab mit zuneh-mender Einspritzmenge lokale Überfettun-gen mit drastischem Rauchanstieg. DieVerdampfungszeit der relativ großen Kraft-stofftropfen ließ zudem eine nennenswerteSteigerung der Motordrehzahl nicht zu. Einweiterer Nachteil dieses Motors war derenorme Platzbedarf des Kompressors. Trotz-dem konnte dieses Prinzip damals in Lkweingesetzt werden.

Vorkammermotor

Beim Benz-Diesel handelte es sich umeinen Vorkammermotor. Bereits 1909 hatteProsper L’Orange dieses Verfahren zumPatent angemeldet. Mit dem Vorkammer-prinzip konnte auf die komplizierte und auf-wändige Lufteinblasung verzichtet werden.

16 Geschichte des Dieselmotors Gemischbildung der ersten Dieselmotoren

Bild 1

1 Druckluftzuführung

2 Kraftstoffzuführung

3 Einspritzdüse

Bild 2

(Bildquelle:

DaimlerChrysler)

1 Brennstoffventil

2 Glühspirale zum

Anwärmen der Vor-

kammer

3 Vorkammer

4 Zündeinsatz

32

1

Einspritzventil für die Drucklufteinblasungaus der Entstehungszeit des Dieselmotors (1895)

1

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1

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3

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Prinzip des Vorkammermotors2

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Die Gemischbildung im Hauptbrennraumdieses bis in die gegenwärtige Zeit angewand-ten Verfahrens wird durch eine Teilverbren-nung in der Nebenkammer sichergestellt.Der Vorkammermotor verfügt über einenspeziell geformten Verbrennungsraum, dereinen halbkugelförmigen Kopf aufweist.Vor-kammer und Brennraum sind über kleineBohrungen miteinander verbunden. DasVolumen der Vorkammer beträgt ungefährein Fünftel des Kompressionsraums.

Die gesamte Kraftstoffmenge wird mitca. 230 bis 250 bar in die Vorkammer einge-spritzt. Wegen des begrenzten Luftangebotsin der Vorkammer kann nur ein geringerTeil des Kraftstoffs verbrennen. Infolge derdurch die Teilverbrennung bedingtenDruckerhöhung in der Vorkammer wird derunverbrannte bzw. teilweise gecrackte Kraft-stoff in den Hauptbrennraum gedrückt, woer sich mit der Luft im Hauptbrennraumvermischt, entzündet und verbrennt.

Die Vorkammer hat hier die Aufgabe desGemischbildners. Dieses Verfahren – auchals indirekte Einspritzung bezeichnet – hatsich schließlich durchgesetzt und so langebehauptet, bis die Entwicklung der Ein-spritztechnik die zur Gemischbildung imHauptbrennraum erforderliche Einspritz-drücke lieferte.

Direkteinspritzung

Der erste Dieselmotor der Firma MANarbeitete mit Direkteinspritzung, bei der derKraftstoff über eine Einspritzdüse direkt inden Brennraum gelangt. Als Kraftstoff wurdeein sehr leichtes Öl eingesetzt, das von einemKompressor in den Brennraum eingespritztwurde. Durch den Kompressor waren dieAbmessungen des Motors beträchtlich.

Im Nutzfahrzeugbereich tauchten direkt-einspritzende Motoren wieder in den1960er-Jahren auf und verdrängten langsamdie Vorkammermotoren. Im Pkw-Sektorkonnten sich die Vorkammermotoren wegenihres geringeren Verbrennungsgeräusch bisin die 1990er-Jahre behaupten und wurdendann aber in kurzer Zeit vom Direktein-spritzer verdrängt.

Einsatz der erstenFahrzeug-Dieselmotoren

Dieselmotor in Nutzfahrzeugen

Die ersten Dieselmotoren waren aufgrundder hohen Zylinderdrücke große undschwere Aggregate und damit für den mobi-len Einsatz in Fahrzeugen völlig ungeeignet.Erst Anfang der 1920er-Jahre konnten dieersten Dieselmotoren in Nutzfahrzeuge ein-gebaut werden.

Unterbrochen durch den Ersten Weltkriegführte Prosper L’Orange – Vorstandsmit-glied von Benz & Cie – die Entwicklungs-arbeit am Dieselmotor weiter. Im Jahr 1923wurden die ersten Dieselmotoren fürStraßenfahrzeuge in Fünftonner-Lkw einge-baut. Diese Vierzylinder-Vorkammermoto-ren mit 8,8 l Hubraum leisteten 45...50 PS.Die erste Probefahrt mit dem Benz-Lkwfand am 10. September statt. Als Kraftstoffwurde Braunkohlenteeröl verwendet. DerKraftstoffverbrauch lag gegenüber den Ben-zolmotoren um 25 % niedriger. Zudem kos-teten Betriebsstoffe wie Braunkohlenteerölweit weniger als das hoch besteuerte Benzol.

Bereits vor dem Ersten Weltkrieg beschäf-tigte sich auch die Firma Daimler mit der

Geschichte des Dieselmotors Gemischbildung der ersten Dieselmotoren, Einsatz der ersten Fahrzeug-Dieselmotoren 17

Erster Fahrzeugdiesel mit Direkteinspritzung(MAN, 1924)

3

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Weiterentwicklung des Dieselmotors. NachKriegsende wurde an Dieselmotoren fürNutzfahrzeuge gearbeitet. Fast zeitgleich mitdem Benz-Lkw konnte am 23. August 1923die erste Versuchsfahrt stattfinden. EndeSeptember 1923 führte eine weitere Ver-suchsfahrt vom Berliner Daimler-Werk nachStuttgart und zurück.

Die ersten Lkw-Serienmodelle mit Diesel-motor waren 1924 auf der Automobilaus-stellung in Berlin zu sehen. Drei Herstellerwaren mit jeweils unterschiedlichen Syste-men vertreten, sie hatten die Diesel-Ent-wicklung mit eigenen Ideen vorangetrieben.� Der Dieselmotor von Daimler mit Druck-

lufteinblasung,� der Benz-Diesel mit Vorkammer,� der Dieselmotor der Firma MAN mit

Direkteinspritzung.

Im Laufe der Zeit wurden die Dieselmotorenimmer leistungsfähiger. Die ersten Typenwaren Vierzylinderaggregate mit einer Leis-tung von 40 PS. Bereits 1928 waren Motor-leistungen von mehr als 60 PS keine Selten-heit mehr. Schließlich wurden für schwereNutzfahrzeuge noch leistungsstärkere Moto-ren mit sechs und acht Zylindern gefertigt.

Im Jahr 1932 reichte das Leistungsspektrumbis 140 PS.

Der Durchbruch des Dieselmotors kam1932 mit einem Lastwagenprogramm derFirma Daimler-Benz, die 1926 aus derFusion der Automobilhersteller Daimlerund Benz hervorging. Angeführt wurde die-ses Programm vom Modell Lo2000 miteiner Nutzlast von 2 t und einem Gesamt-gewicht von knapp 5 t. In ihm war der Vier-zylindermotor OM59 mit 3,8 l Hubraumund 55 PS eingebaut. Das Programm reichtebis zum L5000 (Nutzlast 5 t, Gesamtgewicht10,8 t). Alle Fahrzeuge waren auch mit Otto-motor gleicher Leistung lieferbar, der gegenden wirtschaftlichen Dieselmotor aber nichtbestehen konnte.

Bis heute hat der Dieselmotor im Nutzfahr-zeugbereich weltweit aufgrund seiner Wirt-schaftlichkeit seine dominierende Stellungbeibehalten. Nahezu alle schweren Nutzfahr-zeuge werden von einem Dieselmotor an-getrieben. Dabei handelt es sich in Japanfast ausschließlich um großvolumige Saug-motoren. In den USA und Europa habensich dagegen die hoch aufgeladenen Moto-ren mit Ladeluftkühlung durchgesetzt.

18 Geschichte des Dieselmotors Einsatz der ersten Fahrzeug-Dieselmotoren

Der stärkste Diesel-Lkw der Welt aus dem Jahr 1926 von MAN mit 150 PS (110 kW) für eine Nutzlast von 10 t4

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Dieselmotor in Pkw

Bis der Dieselmotor im Pkw Einzug haltenkonnte, sollten noch einige Jahre vergehen.1936 war es so weit – der Mercedes 260Dwurde mit einem Vierzylinder-Dieselmotorund einer Leistung von 45 PS ausgeliefert.

Als Antriebsaggregat für Pkw führte derDieselmotor lange Zeit ein Schattendasein.Im Vergleich zum Ottomotor war er zu„lahm“. Erst in den 1990er-Jahren ändertesich das Erscheinungsbild. Mit der Abgas-turboaufladung und neuen Hochdruck-Ein-spritzsystemen ist der Dieselmotor demOttomotor mittlerweile gleichwertig. Leis-tung und Umweltverhalten sind vergleich-bar. Da der Dieselmotor im Gegensatz zumOttomotor nicht klopft, kann er auch imunteren Drehzahlbereich hoch aufgeladenwerden, was ein hohes Drehmoment undsehr gutes Fahrverhalten bedingt. Ein weite-rer Vorteil des Dieselmotors ist natürlichsein guter Wirkungsgrad. Das führt auch zueiner wachsenden Akzeptanz beim Autofah-rer – in Europa ist mittlerweile rund jederzweite neu zugelassene Pkw ein Diesel.

Weitere Einsatzgebiete

Mit dem Ende der Ära von Dampf- undSegelschiffen auf den Weltmeeren Anfang

des 20. Jahrhunderts trat der Dieselmotorauch als Antriebsquelle für diese Verkehrs-mittel in Erscheinung. Das erste mit einem25-PS-Dieselmotor ausgerüstete Schiff ging1903 in Betrieb. Die erste von einem Diesel-motor angetriebene Lokomotive wurde1913 vorgestellt. Die Motorleistung betrug1000 PS. Aber auch die Luftfahrtpionierezeigten Interesse am Dieselmotor. An Bordder Graf Zeppelin sorgten Dieselmotorenfür den Vortrieb.

Geschichte des Dieselmotors Einsatz der ersten Fahrzeug-Dieselmotoren 19

Erster Diesel-Pkw: Mercedes-Benz 260D aus dem Jahr 1936 mit einer Motorleistung von 45 PS (33 kW)und einem Kraftstoffverbrauch von 9,5 l/100 km

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Bosch-Reiheneinspritzpumpe am Motordes Mercedes 260D

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Bosch-Dieseleinspritzung

Boschs Einstieg in die Dieseltechnik

Robert Bosch (1861–1942) eröffnete 1886 inStuttgart eine „Werkstätte für Feinmechanikund Elektrotechnik“. Er beschäftigte einenweiteren Mechaniker und einen Lehrling.Am Anfang lag sein Arbeitsgebiet in derInstallation und Reparatur von Telefonen,Telegrafen, Blitzableitern und anderen fein-mechanischen Tätigkeiten.

Die von Bosch entwickelte Niederspan-nungs-Magnetzündung sorgte seit 1897 fürdie zuverlässige Zündung im Benzinmotor.Dieses Produkt war der Ausgangspunkt fürdie rasche Expansion des Unternehmens vonRobert Bosch. 1902 folgte dann die Hoch-spannungs-Magnetzündung mit Zündkerze.Der Anker dieser Zündanlage ist noch heuteim Logo der Firma Robert Bosch GmbHenthalten.

1922 wandte sich Robert Bosch demDieselmotor zu. Er glaubte, dass bestimmteZubehörteile für diese Motoren einmal inähnlicher Weise geeignete Gegenstände fürdie Bosch-Präzisionsmengenfertigung ab-geben könnten wie die Magnetzünder und

Zündkerzen. Die Zubehörteile für Diesel-motoren waren Einspritzpumpen und Ein-spritzdüsen.

Schon Rudolf Diesel wollte den Kraftstoffunmittelbar einspritzen, konnte es abernicht durchführen, weil die hierfür erforder-lichen Einspritzpumpen und -düsen nichtzur Verfügung standen. Diese Einspritzpum-pen mussten, im Gegensatz zu der bei derDrucklufteinblasung verwendeten Kraft-stoffpumpen, für Gegendrücke bis zu meh-reren hundert Atmosphären geeignet sein.Die Einspritzdüsen mussten ganz feineAustrittsöffnungen erhalten, weil jetzt derPumpe und der Düse allein die Aufgabezufiel, den Kraftstoff zu dosieren und zuzerstäuben.

Die Einspritzpumpen, die Bosch ent-wickeln wollte, sollten nicht nur den An-forderungen aller damals bestehendenSchweröl-Kleinmotoren mit unmittelbarerKraftstoffeinspritzung, sondern auch künfti-gen Kraftfahrzeug-Dieselmotoren gewach-sen sein. Am 28. Dezember 1922 wurde derBeschluss zur Aufnahme dieser Entwicklunggefasst.

Anforderungen an die Einspritzpumpen

Die zu entwickelnde Einspritzpumpe sollteimstande sein, auch kleine Mengen Kraft-stoff mit nur ganz geringen Unterschiedenbei den einzelnen Pumpenelementen ein-zuspritzen. Damit war ein runder undgleichförmiger Motorlauf auch bei niedrigenLeerlaufdrehzahlen möglich. Für den Voll-lastbedarf musste sich die Fördermenge aufdas Vier- oder Fünffache steigern lassen. Dieerforderlichen Einspritzdrücke betrugendamals schon über 100 bar. Bosch forderte,dass diese Eigenschaften der Pumpe über2000 Betriebsstunden gewährleistet seinsollten.

Das waren für den damaligen Stand derTechnik hohe Anforderungen. Nicht nurströmungstechnisch war einiges zu leisten,auch für die Fertigungs- und Werkstoff-technik war diese Vorgabe eine Heraus-forderung.

20 Geschichte des Dieselmotors Bosch-Dieseleinspritzung

Robert Bosch1

æSA

N014

8Y

Entwicklung der Einspritzpumpe

Zunächst wurden verschiedene Pumpen-bauarten erprobt. Die Pumpen hatten teilsSchieber-, teils Ventilsteuerung. Die Ein-spritzmenge wurde durch Verändern desKolbenhubs geregelt. Bereits Ende 1924stand eine Pumpenbauart zur Verfügung,die in Bezug auf ihre Förderleistung, ihreDauerhaftigkeit und ihren geringen Raum-bedarf den Ansprüchen sowohl des auf derBerliner Automobilausstellung vorgestelltenVorkammermotors der Benz-Werke als auchdes MAN-Direkteinspritzers genügte.

Im März 1925 sicherte sich Bosch durchVerträge mit der Acro AG die Übernahmeder Verwertung der Acro-Patente auf einDieselmotorsystem mit Luftspeicher und derdazugehörigen Einspritzpumpe und -düse.Die Acro-Pumpe, von Franz Lang in Mün-chen entwickelt, war eine Einspritzpumpean sich bekannter Art. Sie hatte aber einenbesonderen Steuerschieber mit Schrägkante,der zum Regeln der Fördermenge gedrehtwurde. Später verlagerte Lang diese Steuer-kante an den Pumpenkolben.

Die Fördereigenschaften der Acro-Einspritz-pumpe entsprachen zwar nicht dem, wasBoschs eigene Versuchspumpen gebotenhatten. Bosch wollte aber mit dem Acro-Motor mit einem für kleine Zylindereinhei-ten und hohe Drehzahlen besonders geeig-neten Dieselmotor in Berührung kommenund auf diese Weise einen festen Boden fürdie Weiterentwicklung von Einspritzpum-pen und -düsen gewinnen. Daneben hatteBosch der Gedanke geleitet, durch Vergabevon Lizenzen auf die Acro-Patente anMotorfabriken die Ausbreitung des Fahr-zeug-Dieselmotors zu fördern und damitzur Motorisierung des Verkehrs beizutragen.

Nach dem Ausscheiden Langs aus derFirma im Oktober 1926 verschob sich derSchwerpunkt der Tätigkeit im Hause Boschwieder hin zur Pumpenentwicklung. Balddarauf entstand die erste serienreife Bosch-Dieseleinspritzpumpe.

Geschichte des Dieselmotors Bosch-Dieseleinspritzung 21

Bild 2

1 Regelstange

2 Zulaufanschluss

3 Pumpenkolben

4 Druckleitungs-

anschluss

5 Druckventil

6 Saugventil

7 Ventilstößel

8 Abstell- und

Aufpumphebel

2

1

3

4

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6

7

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1

Ausführung einer Bosch-Einspritzpumpe von 1923/19242

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Serienreife Bosch-

Dieseleinspritzpumpe

Die Bosch-Einspritzpumpe hatte wie schondem Plan des Konstrukteurs von 1925 ent-sprechend und wie die abgeänderte Acro-Pumpe eine schräg verlaufende Steuerkanteam Pumpenkolben. Sonst unterschiedsie sich aber wesentlich von all ihren Vor-gängern.

Anstelle des außen liegenden Hebelwerksder Acro-Pumpe zum Verdrehen der Pum-penkolben trat die gezahnte Regelstange,die in Ritzel auf Regelhülsen der Pumpen-elemente eingreift.

Um die Druckleitung am Ende der Ein-spritzung zu entlasten und ein Nachtropfenvon Kraftstoff zu verhindern, wurde dasDruckventil der Pumpe mit einem saugendin die Ventilführung eingepassten Kölbchenversehen. Dadurch wurde im Gegensatz zuden früher angewendeten Entlastungsmit-teln eine große Stetigkeit der Förderung beiverschiedenen Drehzahlen und Mengenein-

stellungen erreicht und das Einstellen vonMehrzylinderpumpen auf gleiche Förderungaller Elemente wesentlich erleichtert undverkürzt.

Der einfache und klare Aufbau ermög-lichte ein einfaches Zusammensetzen undPrüfen der Einspritzpumpe. Zudem wurdeder Ersatz von Teilen gegenüber früherenBauarten wesentlich erleichtert. Das Ge-häuse entsprach in erster Linie den Anforde-rungen der Gießerei und der übrigen Ferti-gung. Die ersten Muster dieser wirklichfür Mengenfertigung geeigneten Bosch-Einspritzpumpe wurden im April 1927 her-gestellt. Die Freigabe für die Fertigung ingrößerer Stückzahl und in Ausführungen fürZwei-, Vier- und Sechszylindermotoren er-folgte am 30. November 1927, nachdem sichdie Muster in der scharfen Prüfung imHause und im praktischen Betrieb ausge-zeichnet bewährt hatten.

22 Geschichte des Dieselmotors Bosch-Dieseleinspritzung

Bild 3

1 Nockenwelle

2 Rollenstößel

3 Zahnsegment

4 Regelstange

5 Zulaufanschluss

6 Pumpenzylinder

7 Regelhülse

8 Druckleitungs-

anschluss

9 Druckventil mit

Kölbchen

10 Ölpegel

11 Pumpenkolben

1

2

4

3

5

8

9 10 11

6

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Erste Serien-Dieseleinspritzpumpe von Bosch (1927)3

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Düsen und Düsenhalter

Die Entwicklung der Einspritzdüsen undDüsenhalter verlief parallel zur Pumpen-entwicklung. Zunächst wurden Zapfendüsenfür Vorkammermotoren eingesetzt. Mit demEinsatz der Bosch-Pumpe für den direkt-einspritzenden Dieselmotor kamen Anfang1929 die Lochdüsen hinzu.

Düsen und Düsenhalter wurden in ihrerGröße immer sofort den neu aufgenomme-nen Pumpengrößen angepasst. Die Moto-renhersteller wünschten dann bald auch,dass der Düsenhalter mit der Düse ingleicher Weise in den Zylinderkopf einge-schraubt werden kann wie die Zündkerzebeim Ottomotor. Bosch stellte sich aufdiesen Wunsch ein und fertigte einschraub-bare Düsenhalter.

Regler für die Einspritzpumpe

Da der Dieselmotor nicht wie der Otto-motor selbstregelnd ist, sondern zum Auf-rechterhalten einer bestimmten Drehzahlund zum Schutz vor dem Überdrehen mitSelbstzerstörung einen Regler benötigt,mussten die Fahrzeug-Dieselmotoren vonAnfang an mit solch einer Vorrichtung aus-gestattet werden. Die Motorenfabriken stell-ten diese Regler zunächst selbst her. Baldkam jedoch der Wunsch auf, den Antrieb fürden Regler, der durchweg ein Fliehkraftreg-ler war, einzusparen und diesen mit der Ein-spritzpumpe zusammenzubauen. DieserForderung kam Bosch im Jahr 1931 mit demBosch-Regler nach.

Verbreitung der Bosch-

Dieseleinspritztechnik

Bis August 1928 waren schon tausendBosch-Einspritzpumpen ausgeliefert. Als derAufschwung des Fahrzeug-Dieselmotors be-gann, stand Bosch gut vorbereitet da undkonnte die Motorenfabriken mit einer aus-gereiften Einspritzausrüstung bedienen.Als sich die Bosch-Pumpen und -Düsen be-währt hatten, verzichteten die meistenFirmen ganz auf die Eigenherstellung diesesZubehörs.

Bosch kam bei der Entwicklung der Diesel-einspritzpumpen seine Erfahrung in derFeinmechanik (z. B. bei der Fertigung vonSchmierpumpen) zugute. Seine Produktekonnten nicht „nach den reinen Grundsät-zen des Maschinenbaus“ hergestellt werden.Das verhalf ihm zu einem Marktvorteil.Bosch hatte damit einen wesentlichen Anteildaran, dass sich der Dieselmotor zu dementwickeln konnte, was er heute ist.

Geschichte des Dieselmotors Bosch-Dieseleinspritzung 23

Bosch-Einspritzpumpe mit angebautem Fliehkraftregler4

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Werbeplakat für die Bosch-Dieseleinspritzung5

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4Y

Kein anderer Verbrennungsmotor wird sovielfältig eingesetzt wie der Dieselmotor 1).Dies ist vor allem auf seinen hohen Wir-kungsgrad und der damit verbundenenWirtschaftlichkeit zurückzuführen.

Die wesentlichen Einsatzgebiete für Diesel-motoren sind:� Stationärmotoren,� Pkw und leichte Nkw,� schwere Nkw,� Bau- und Landmaschinen,� Lokomotiven und� Schiffe.

Dieselmotoren werden als Reihenmotorenund V-Motoren gebaut. Sie eignen sichgrundsätzlich sehr gut für die Aufladung, dabei ihnen im Gegensatz zum Ottomotorkein Klopfen auftritt (siehe Kapitel „Systemezur Füllungssteuerung“).

1) Benannt nach Rudolf Diesel (1858 bis 1913), der

1892 sein erstes Patent auf „Neue rationelle Wärmekraft-

maschinen“ anmeldete. Es erforderte jedoch noch viel

Entwicklungsarbeit, bis 1897 der erste Dieselmotor bei

MAN in Augsburg lief.

Eigenschaftskriterien

Folgende Merkmale und Eigenschaften sindfür den Einsatz eines Dieselmotors von Be-deutung (Beispiele):� Motorleistung,� spezifische Leistung,� Betriebssicherheit,� Herstellungskosten,� Wirtschaftlichkeit im Betrieb,� Zuverlässigkeit,� Umweltverträglichkeit,� Komfort und� Gefälligkeit (z. B. Motorraumdesign).

Je nach Anwendungsbereich ergeben sich fürdie Auslegung des Dieselmotors unter-schiedlich Schwerpunkte.

Anwendungen

Stationärmotoren

Stationärmotoren (z. B. für Stromerzeuger)werden oft mit einer festen Drehzahl be-trieben. Motor und Einspritzsystem könnensomit optimal auf diese Drehzahl abge-stimmt werden. Ein Drehzahlregler ver-

24 Einsatzgebiete der Dieselmotoren Eigenschaftskriterien, Anwendungen

Einsatzgebiete der Dieselmotoren

Bild 1

1 Ventiltrieb

2 Injektor

3 Kolben mit Bolzen

und Pleuel

4 Ladeluftkühler

5 Kühlmittelpumpe

6 Zylinder

Nm

20001000 3000

Drehzahl n

Leis

tung

PD

rehm

omen

tM

4000 min-1

320

240

50

30

70

90

110kW

Pkw-Dieselmotor mit Unit Injector Einspritzsystem (Beispiel)1æU

MM

06

03

D

5

4

3 6

21

K. Reif (Hrsg.), Dieselmotor-Management, DOI 10.1007/978-3-8348-2179-9_2,© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 2012,

ändert die Einspritzmenge entsprechendder geforderten Last. Für diese Anwendun-gen werden weiterhin auch Einspritzanlagenmit mechanischer Regelung eingesetzt.

Auch Pkw- und Nkw-Motoren können alsStationärmotoren eingesetzt werden. DieRegelung des Motors muss jedoch ggf. denveränderten Bedingungen angepasst sein.

Pkw und leichte Nkw

Besonders von Pkw-Motoren (Bild 1) wirdein hohes Maß an Durchzugskraft undLaufruhe erwartet. Auf diesem Gebiet wur-den durch weiterentwickelte Motoren undneue Einspritzsysteme mit ElektronischerDieselregelung (Electronic Diesel ControlEDC) große Fortschritte erzielt. Das Leis-tungs- und Drehmomentverhalten konnteauf diese Weise seit Beginn der 1990er Jahrewesentlich verbessert werden. Deshalb hatder „Diesel“ unter anderem auch den Einzugin die Pkw-Oberklasse geschafft.

In Pkw werden Schnellläufer mit Dreh-zahlen bis 5500 min–1 eingesetzt. Das Spek-trum reicht vom 10-Zylinder mit 5000 cm3

in Limousinen bis zum 3-Zylinder 800 cm3-Motor in Kleinwagen.

Neue Pkw-Dieselmotoren werden in Europanur noch mit Direkteinspritzung (DI, DirectInjection engine) entwickelt, da der Kraft-stoffverbrauch bei DI-Motoren ca. 15...20 %geringer ist als bei Kammermotoren. Dieseheute fast ausschließlich mit einem Abgas-turbolader ausgerüsteten Motoren bietendeutlich höhere Drehmomente als vergleich-bare Ottomotoren. Das im Fahrzeug maxi-mal mögliche Drehmoment wird meist vonden zur Verfügung stehenden Getrieben undnicht vom Motor bestimmt.

Die immer schärfer werdenden Abgasgrenz-werte und die gestiegenen Leistungsanforde-rungen erfordern Einspritzsysteme mit sehrhohen Einspritzdrücken. Die steigendenAnforderungen an das Abgasverhalten bil-den auch zukünftig eine Herausforderungfür die Entwickler von Dieselmotoren. Des-halb wird es in Zukunft besonders auf demGebiet der Abgasnachbehandlung zu weite-ren Veränderungen kommen.

Schwere Nkw

Motoren für schwere Nkw (Bild 2) müssenvor allem wirtschaftlich sein. Deshalb sindin diesem Anwendungsbereich nur Diesel-

Einsatzgebiete der Dieselmotoren Anwendungen 25

Bild 2

1 Generator

2 Injektor

3 Rail

4 Hochdruckpumpe

Nkw-Dieselmotor mit Common Rail System (Beispiel)2

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M0

60

4D

21

3

4

Nm

1000 1500

Drehzahl n

Leis

tung

PD

rehm

omen

tM

2000 2500 min-1

0

kW

160

120

80

40

700

600

500400

motoren mit Direkteinspritzung (DI) zu fin-den. Der Drehzahlbereich dieser Mittel-schnellläufer reicht bis ca. 3500 min–1.

Auch die Abgasgrenzwerte für Nkw werdenimmer weiter herabgesetzt. Dies bedeutethohe Anforderungen auch an das jeweiligeEinspritzsystem und die Entwicklung vonneuen Systemen zur Abgasnachbehandlung.

Bau- und Landmaschinen

Im Bereich der Bau- und Landmaschinenhat der Dieselmotor seinen klassischen Ein-satzbereich. Bei der Auslegung dieser Moto-ren wird außer auf die Wirtschaftlichkeitbesonders hoher Wert auf Robustheit, Zu-verlässigkeit und Servicefreundlichkeit ge-legt. Die maximale Leistungsausbeute unddie Geräuschoptimierung haben einen ge-ringeren Stellenwert als zum Beispiel beiPkw-Motoren. Bei dieser Anwendung wer-den Motoren mit Leistungen ab ca. 3 kW bishin zu Leistungen schwerer Nkw eingesetzt.

Bei Bau- und Landmaschinen kommenvielfach noch Einspritzsysteme mit mecha-nischer Regelung zum Einsatz. Im Gegensatzzu allen anderen Einsatzbereichen, in denen

vorwiegend wassergekühlte Motoren ver-wendet werden, hat bei den Bau- und Land-maschinen die robuste und einfach realisier-bare Luftkühlung noch große Bedeutung.

Lokomotiven

Lokomotivmotoren sind, ähnlich wiegrößere Schiffsdieselmotoren, besonders aufDauerbetrieb ausgelegt. Außerdem müssensie gegebenenfalls auch mit schlechterenDieselkraftstoff-Qualitäten zurechtkommen.Ihre Baugröße umfasst den Bereich großerNkw-Motoren bis zu mittleren Schiffs-motoren.

Schiffe

Die Anforderungen an Schiffsmotoren sindje nach Einsatzbereich sehr unterschiedlich.Es gibt ausgesprochene Hochleistungsmoto-ren für z. B. Marine- oder Sportboote. Fürdiese Anwendung werden 4-Takt-Mittel-schnellläufer mit einem Drehzahlbereichzwischen 400...1500 min–1 und bis zu24 Zylindern eingesetzt (Bild 3). Anderer-seits finden auf äußerste Wirtschaftlichkeitim Dauerbetrieb ausgelegte 2-Takt-Groß-motoren Verwendung. Mit diesen Langsam-läufern (n < 300 min–1) werden auch die

26 Einsatzgebiete der Dieselmotoren Anwendungen

Bild 3

1 Lader

2 Schwungmasse

a Motorleistung

b Fahrwiderstands-

kurve

v Bereich der Volllast-

begrenzung

Schiffsdiesel mit Einzeleinspritzpumpen (Beispiel)3æU

MM

06

05

D

1

2

Li

400 600 800 1000 min-1

Drehzahl n

Leis

tung

P

kW

1600

1200

800

400

0

b

a

v

höchsten mit Kolbenmotoren erreichbareneffektiven Wirkungsgrade von bis zu 55 %erreicht.

Großmotoren werden meist mit preiswer-tem Schweröl betrieben. Dazu ist eine auf-wändige Kraftstoff-Aufbereitung an Bord er-forderlich. Der Kraftstoff muss je nach Qua-lität auf bis zu 160 °C aufgeheizt werden.Erst dadurch wird seine Viskosität auf einenWert gesenkt, der ein Filtern und Pumpenermöglicht.

Für kleinere Schiffe werden oft Motoren ein-gesetzt, die eigentlich für schwere Nkw be-stimmt sind. Damit steht ein wirtschaftli-cher Antrieb mit niedrigen Entwicklungs-kosten zur Verfügung. Auch bei diesenAnwendungen muss die Regelung an dasveränderte Einsatzprofil angepasst sein.

Mehr- oder Vielstoffmotoren

Für Sonderanwendungen (z. B. Einsatz inGebieten mit sehr schlechter Infrastrukturund Militäranwendungen) wurden Diesel-motoren mit der Eignung für wechselweisenBetrieb mit Diesel-, Otto- und ähnlichenKraftstoffen entwickelt. Sie haben zurzeitnahezu keine Bedeutung, da mit solchenMotoren die heutigen Anforderungen an dasEmissions- und Leistungsverhalten nicht zuerfüllen sind.

Motorkenndaten

Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Vergleichs-daten verschiedener Diesel- und Otto-motoren.

Bei Ottomotoren mit Benzin-Direktein-spritzung BDE liegt der Mitteldruck umca. 10 % höher als bei den in der Tabelle an-gegebenen Motoren mit Saugrohreinsprit-zung. Der spezifische Kraftstoffverbrauch istdabei um bis zu 25 % geringer. Das Verdich-tungsverhältnis bei diesen Motoren geht bisε=13.

Einsatzgebiete der Dieselmotoren Anwendungen, Motorkenndaten 27

Tabelle 1

1) Aus dem Mitteldruck

pe kann das mit

folgender Formel

spezifische

Drehmoment

Mspez. [Nm]

ermittelt werden:

25Mspez. = π ·pe

2) Bestverbrauch

3) IDI Indirect Injection

(Kammermotoren)

4) DI Direct Injection

(Direkteinspritzer)

5) Ladeluftkühlung

Vergleichsdaten für Diesel- und Ottomotoren1

Einspritzsystem

Dieselmotoren

Ottomotoren

IDI 3) Pkw Saugmotoren 3500...5000 20...24 7...9 20...35 5...3 320...240

IDI 3) Pkw mit Aufladung 3500...4500 20...24 9...12 30...45 4...2 290...240

DI 4) Pkw Saugmotoren 3500...4200 19...21 7...9 20...35 5...3 240...220

DI 4) Pkw mit Aufladung u. LLK 5) 3600...4400 16...20 8...22 30...60 4...2 210...195

DI 4) Nkw Saugmotoren 2000...3500 16...18 7...10 10...18 9...4 260...210

DI 4) Nkw mit Aufladung 2000...3200 15...18 15...20 15...25 8...3 230...205

DI 4) Nkw mit Aufladung u. LLK 5) 1800...2600 16...18 15...25 25...35 5...2 225...190

Bau- und Landmaschinen 1000...3600 16...20 7...23 6...28 10...1 280...190

Lokomotiven 750...1000 12...15 17...23 20...23 10...5 210...200

Schiffe (4-Takt) 400...1500 13...17 18...26 10...26 16...13 210...190

Schiffe (2-Takt) 50...250 6...8 14...18 3...8 32...16 180...160

Pkw Saugmotoren 4500...7500 10...11 12...15 50...75 2...1 350...250

Pkw mit Aufladung 5000...7000 7...9 11...15 85...105 2...1 380...250

Nkw 2500...5000 7...9 8...10 20...30 6...3 380...270

Ne

nn

dre

hza

hl

n Ne

nn

[min

–1]

Ve

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1)

p e[b

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2)

b e[g

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Wh

]

Der Dieselmotor ist ein Selbstzündungs-motor mit innerer Gemischbildung. Die fürdie Verbrennung benötigte Luft wird imBrennraum hoch verdichtet. Dabei entste-hen hohe Temperaturen, bei denen sich dereingespritzte Dieselkraftstoff selbst ent-zündet. Die im Dieselkraftstoff enthaltenechemische Energie wird vom Dieselmotorüber Wärme in mechanische Arbeit um-gesetzt.

Der Dieselmotor ist die Verbrennungskraft-maschine mit dem höchsten effektiven Wir-kungsgrad (bei großen langsam laufendenMotoren mehr als 50 %). Der damit ver-bundene niedrige Kraftstoffverbrauch, dievergleichsweise schadstoffarmen Abgase unddas vor allem durch Voreinspritzung ver-minderte Geräusch verhalfen dem Diesel-motor zu großer Verbreitung.

Der Dieselmotor eignet sich besonders fürdie Aufladung. Sie erhöht nicht nur dieLeistungsausbeute und verbessert denWirkungsgrad, sondern vermindert zudemdie Schadstoffe im Abgas und das Verbren-nungsgeräusch.

Zur Reduzierung der NOX-Emission beiPkw und Nkw wird ein Teil des Abgases in

den Ansaugtrakt des Motors zurückgeleitet(Abgasrückführung). Um noch niedrigereNOX-Emissionen zu erhalten, kann daszurückgeführte Abgas gekühlt werden.

Dieselmotoren können sowohl nach demZweitakt- als auch nach dem Viertakt-Prin-zip arbeiten. Im Kraftfahrzeug kommenhauptsächlich Viertakt-Motoren zum Ein-satz.

Arbeitsweise

Ein Dieselmotor enthält einen oder mehrereZylinder. Angetrieben durch die Verbren-nung des Luft-Kraftstoff-Gemischs führt einKolben (Bild 1, Pos. 3) je Zylinder (5) eineperiodische Auf- und Abwärtsbewegung aus.Dieses Funktionsprinzip gab dem Motorden Namen „Hubkolbenmotor“.

Die Pleuelstange (11) setzt diese Hub-bewegungen der Kolben in eine Rotations-bewegung der Kurbelwelle (14) um. EineSchwungmasse (15) an der Kurbelwelle hältdie Bewegung aufrecht und vermindert dieDrehungleichförmigkeit, die durch die Ver-brennungen in den einzelnen Kolben ent-steht. Die Kurbelwellendrehzahl wird auchMotordrehzahl genannt.

28 Grundlagen des Dieselmotors Arbeitsweise

Grundlagen des Dieselmotors

Bild 1

11 Nockenwelle

12 Ventile

13 Kolben

14 Einspritzsystem

15 Zylinder

16 Abgasrückführung

17 Ansaugrohr

18 Lader (hier Abgas-

turbolader)

19 Abgasrohr

10 Kühlsystem

11 Pleuelstange

12 Schmiersystem

13 Motorblock

14 Kurbelwelle

15 Schwungmasse

15

5

8

7

96

1

14

3

3

1213

2

1110

4

Vierzylinder-Dieselmotor ohne Hilfsaggregate (Schema)1

æSM

M0

60

8Y

K. Reif (Hrsg.), Dieselmotor-Management, DOI 10.1007/978-3-8348-2179-9_3,© Vieweg+Teubner Verlag | Springer Fachmedien Wiesbaden 2012,

Viertakt-Verfahren

Beim Viertakt-Dieselmotor (Bild 2) steuernGaswechselventile den Gaswechsel vonFrischluft und Abgas. Sie öffnen oderschließen die Ein- und Auslasskanäle zu denZylindern. Je Ein- bzw. Auslasskanal kön-nen ein oder zwei Ventile eingebaut sein.

1. Takt: Ansaugtakt (a)Ausgehend vom oberen Totpunkt (OT) be-wegt sich der Kolben (6) abwärts und ver-größert das Volumen im Zylinder. Durch dasgeöffnete Einlassventil (3) strömt Luft ohnevorgeschaltete Drosselklappe in den Zylinderein. Im unteren Totpunkt (UT) hat dasZylindervolumen seine maximale Größeerreicht (Vh+Vc).

2. Takt: Verdichtungstakt (b)Die Gaswechselventile sind nun geschlossen.Der aufwärts gehende Kolben verdichtet(komprimiert) die im Zylinder eingeschlos-sene Luft entsprechend dem ausgeführtenVerdichtungsverhältnis (von 6:1 bei Groß-motoren bis 24:1 bei Pkw). Sie erwärmt sichdabei auf Temperaturen bis zu 900 °C. Ge-gen Ende des Verdichtungsvorgangs spritztdie Einspritzdüse (2) den Kraftstoff unterhohem Druck (derzeit bis zu 2200 bar)in die erhitzte Luft ein. Im oberen Totpunktist das minimale Volumen erreicht (Kom-pressionsvolumen Vc).

3. Takt: Arbeitstakt (c)Nach Verstreichen des Zündverzugs (einigeGrad Kurbelwellenwinkel) beginnt derArbeitstakt. Der fein zerstäubte zündwilligeDieselkraftstoff entzündet sich selbst an derhoch verdichteten heißen Luft im Brenn-raum (5) und verbrennt. Dadurch erhitztsich die Zylinderladung weiter und derDruck im Zylinder steigt nochmals an. Diedurch die Verbrennung frei gewordeneEnergie ist im Wesentlichen durch die ein-gespritzte Kraftstoffmasse bestimmt (Quali-tätsregelung). Der Druck treibt den Kolbennach unten, die chemische Energie wird inBewegungsenergie umgewandelt. EinKurbeltrieb übersetzt die Bewegungsenergiedes Kolbens in ein an der Kurbelwelle zurVerfügung stehendes Drehmoment.

4. Takt: Ausstoßtakt (d)Bereits kurz vor dem unteren Totpunkt öff-net das Auslassventil (4). Die unter Druckstehenden heißen Gase strömen aus demZylinder. Der aufwärts gehende Kolben stößtdie restlichen Abgase aus.

Nach jeweils zwei Kurbelwellenumdrehun-gen beginnt ein neues Arbeitsspiel mit demAnsaugtakt.

Grundlagen des Dieselmotors Arbeitsweise 29

Bild 2

a Ansaugtakt

b Verdichtungstakt

c Arbeitstakt

d Ausstoßtakt

11 Einlassnockenwelle

12 Einspritzdüse

13 Einlassventil

14 Auslassventil

15 Brennraum

16 Kolben

17 Zylinderwand

18 Pleuelstange

19 Kurbelwelle

10 Auslassnockenwelle

α Kurbelwellenwinkel

d Bohrung

M Drehmoment

s Kolbenhub

Vc Kompressions-

volumen

Vh Hubvolumen

(Hubraum)

OT oberer Totpunkt

des Kolbens

UT unterer Totpunkt

des Kolbens

a

d

V h

Vc

s

1 10

OT

UT

M

α

6

7

89

5

3

4

2

b c d

Arbeitsspiel eines Viertakt-Dieselmotors2

æUM

M0

013

-3Y

Ventilsteuerzeiten

Die Nocken auf der Einlass- und Auslass-nockenwelle öffnen und schließen die Gas-wechselventile. Bei Motoren mit nur einerNockenwelle überträgt ein Hebelmechanis-mus die Hubbewegung der Nocken auf dieGaswechselventile. Die Steuerzeiten gebendie Schließ- und Öffnungszeiten der Ventilebezogen auf die Kurbelwellenstellung an(Bild 4). Sie werden deshalb in „GradKurbelwellenwinkel“ angegeben.

Die Kurbelwelle treibt die Nockenwelle übereinen Zahnriemen (bzw. eine Kette oderZahnräder) an. Ein Arbeitsspiel umfasstbeim Viertakt-Verfahren zwei Kurbelwellen-umdrehungen. Die Nockenwellendrehzahlist deshalb nur halb so groß wie die Kurbel-wellendrehzahl. Das Untersetzungsverhältniszwischen Kurbel- und Nockenwelle beträgtsomit 2:1.

Beim Übergang zwischen Ausstoß- undAnsaugtakt sind über einen bestimmten Be-reich Auslass- und Einlassventil gleichzeitiggeöffnet. Durch diese Ventilüberschneidungwird das restliche Abgas ausgespült undgleichzeitig der Zylinder gekühlt.

Verdichtung (Kompression)

Aus dem Hubraum Vh und dem Kompres-sionsvolumen Vc eines Kolbens ergibt sichdas Verdichtungsverhältnis ε:

Vh + Vcε = Vc

Die Verdichtung des Motors hat entschei-denden Einfluss auf� das Kaltstartverhalten,� das erzeugte Drehmoment,� den Kraftstoffverbrauch,� die Geräuschemissionen und� die Schadstoffemissionen.

Das Verdichtungsverhältnis ε beträgt beiDieselmotoren für Pkw und Nkw jenach Motorbauweise und Einspritzartε = 16:1...24:1. Die Verdichtung liegt alsohöher als beim Ottomotor (ε = 7:1...13:1).Aufgrund der begrenzten Klopffestigkeit desBenzins würde sich bei diesem das Luft-Kraftstoff-Gemisch bei hohem Kompres-sionsdruck und der sich daraus ergebendenhohen Brennraumtemperatur selbstständigund unkontrolliert entzünden.

Die Luft wird im Dieselmotor auf 30...50 bar(Saugmotor) bzw. 70...150 bar (aufgeladenerMotor) verdichtet. Dabei entstehen Tempe-raturen im Bereich von 700...900 °C (Bild 3).Die Zündtemperatur für die am leichtestenentflammbaren Komponenten im Diesel-kraftstoff beträgt etwa 250 °C.

30 Grundlagen des Dieselmotors Arbeitsweise

Bild 4

AÖ Auslass öffnet

AS Auslass schließt

BB Brennbeginn

EÖ Einlass öffnet

ES Einlass schließt

EZ Einspritzzeitpunkt

OT oberer Totpunkt

des Kolbens

UT unterer Totpunkt

des Kolbens

� Ventilüber-

schneidung

BB

ES

AÖ

AE AS

OT

verd

icht

en

au

ssto

ßen

verbrennen

ansaug

en

40…60°

5…30°0…8°

2…15°

20…60° (70°)

0…25°

EZ

UT

EÖ

Ventilsteuerzeiten in Grad Kurbelwellenwinkel einesViertakt-Dieselmotors

4

æUM

M0

610

D

900

40

Kolbenhub

Zündtemperatur

des Dieselkraftstoffs

Tem

pera

tur

imZ

ylin

der

OT UT

°C

Temperaturanstieg bei der Verdichtung3

æSM

M0

60

9DBild 3

OT oberer Totpunkt

des Kolbens

UT unterer Totpunkt

des Kolbens