K. Zinner
Aufladung von
Verbrennungsmotoren
Grundlagen • Berechnungen -Ausführungen
2., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage
Mit 248 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin • Heidelberg • New York 1980
Inhaltsverzeichnis
0. Einleitung 1
1. Begriffsbestimmung und Überblick über die verschiedenen
Auflade verfahren 7
2. Die Anfänge der Aufladung 11 2. 1 Ottomotoren 11 2.2 Dieselmotoren 13 2. 3 Flugmotoren 18 2.4 Die Anfänge der Abgasturbo-Aufladung 20
3. Grundlagen der Laderauslegung 27 3. 1 Die Berechnung der Laderleistung 27 3. 2 Zusammenhang zwischen Luftdurchsatz und Motorleistung 30 3. 3 Zusammenhang zwischen Ladungsmenge im Zylinder und
mittlerem indiziertem Druck 34 3. 4 Der Liefergrad aufgeladener Viertaktmotoren 40 3. 5 Vereinfachte Berechnung der Spülluftmenge 45 3. 6 Die schrittweise Berechnung des Ladungswechselvorganges 48 4. Laderbauart und L a d e r c h a r a k t e r i s t i k 56 4. 1 Einleitung 5 6 4. 2 Lader nach der Verdrängerbauart 56 4. 3 Lader nach der Strömungsbauart 60
5. Das Druck-Volumenstrom-Kennfeld des Motors 67 5. 1 Zweitaktmotor 67 3. 2 Viertaktmotor 69
6. Das Zusammenwirken des L a d e r s mit dem Motor 72 6. 1 Das abgestimmte Saugsystem 72 6. 2 Die mechanische Aufladung 76 6. 3 Die Abgasturbo-Aufladung 79
VII
6. 3. 1 U n t e r s c h i e d e im B e t r i e b s v e r h a l t e n d e s M o t o r s m i t
A b g a s t u r b o l a d e r im V e r g l e i c h z u r m e c h a n i s c h e n Aufladung 7 9 6. 3. 2 Die E r m i t t l u n g des B e t r i e b s p u n k t e s d e s A b g a s t u r b o l a d e r s 82 6. 3. 3 Die B e r e c h n u n g d e s T u r b i n e n e r s a t z q u e r s c h n i t t e s 87 6. 3.4 Die r e c h n e r i s c h e E r f a s s u n g d e r p u l s i e r e n d e n Beaufschlagung
(Stoßaufladung) 94 6. 3. 5 D i a g r a m m z u r B e s t i m m u n g d e s B e t r i e b s v e r h a l t e n s e i n s t u f i g e r
A b g a s t u r b o l a d e r 102 6. 3. 6 Die g e s c h l o s s e n e B e r e c h n u n g d e s G l e i c h g e w i c h t s z u s t a n d e s
d e s S y s t e m s Motor und A b g a s t u r b o l a d e r 104 7. Einige t h e r m o d y n a m i s c h o F r a g e n im Z u s a m m e n h a n g m i t d e r Aufladung 116 7. 1 E x p a n s i o n s e n d t e m p e r a t u r im Z y l i n d e r und m i t t l e r e A u s p u f f t e m p e r a t u r 116 7. 2 T h e o r e t i s c h e Möglichkeit z u r vollständigen Gewinnung d e r A r b e i t
aus d e r E x p a n s i o n vom E x p a n s i o n s e n d d r u c k im Z y l i n d e r auf den
Gegendruck 119 7 . 3 D e r Aufwand für die L a d e r l e i s t u n g 123 7.4 D e r Einfluß d e r Ladeluf'kühlung 127 7 . 4 . 1 D i e s e l m o t o r e n 127 7 . 4 . 2 O t t o m o t o r e n 134 7.5 Die A b g a s t u r b o - A u f l a d u n g a l s Mittel z u r S t e i g e r u n g d e s
W i r k u n g s g r a d e s 135 8. B e s o n d e r e P r o b l e m e d e r Abgasturbo-Aufladung 14 6 8. 1 D e r Einfluß d e r Auspuffleitung 146 8. 1. 1 F r a g e n d e r L e i t u n g s z u s a i n m e n f a s s u n g bei v e r s c h i e d e n e n
Z y l i n d e r z a h l e n und Zündabständen 146 8 . 1 . 2 V o r - und N a c h t e i l e von Stau- und S t o ß v e r f a h r e n 151 8 . 1 . 3 Abwandlungen d e r Stoßaufladung 155 8. 2 Das B e s c h l e u n i g u n g s v e r h a l t e n 159 8. 3 Das D r e h m o m e n t v e r h a l t e n von Motoren m i t A b g a s t u r b o l a d e r . . . . 170 8.4 B e s o n d e r e Maßnahmen z u r V e r b e s s e r u n g d e r B e s c h l e u n i g u n g und
des D r e h m o m e n t v e r h a l t e n s a b g a s t u r b o - a u f g e l a d e n e r Motoren . . . . 174 8. 5 Das Höhenverhalten 186 V ' 8 . 6 Einfluß d e r Aufladung auf die A b g a s e m i s s i o n 196 8 . 6 . 1 D i e s e l m o t o r e n 196 8 . 6 . 2 O t t o m o t o r e n 197 ]X'8. 7 D e r Einfluß d e r Aufladung auf die m e c h a n i s c h e und t h e r m i s c h e
B e a n s p r u c h u n g 199 VIII
9. Abwandlungen von Aufladeverfahren 208 9. 1 Die Nachladung 208 9.2 Die Auspuffabtrennung 211 9.3 Die Turbokühlung 211 9.3.1 Die Turbokühlung von Viertakt-Dieselmotoren 211 9.3.2 Die Turbokühlung von Gasmotoren 217 9.4 Das Supairthermal-Verfahren (Miller-Verfahren) 221 9.4.1 Das Miller-Verfahren bei Viertakt-Dieselmotoren 223 9.4.2 Das Miller-Verfahren bei Gasmotoren 225 9.5 Die zweistufige Aufladung 229 9.6 Die Comprex-Aufladung 231 9.7 Das Hyperbar-Verfahren 239 9.8 Die Differential-Verbundaufladung 242
10. Konstruktionsmerkmale von Abgasturboladern 244 10. 1 Läufer 244 10. 1. 1 Stufenzahl 244 10.1.2 Bauarten der Räder 244 10. 1. 3 Material und Herstellung der Verdichterräder 249 10. 1.4 Material und Herstellung der Turbinenräder 251 10. 2 Anordnung der Lager 253 10. 3 Lagerbauart und Schmierung 255 10.4 Ausführungsbeispiele 257 10. 5 Die Gestaltung des Übergangs zum Ladeluftkühler 263
11. Probleme der Aufladung von Automobilmotoren 2 64 11.1 Ottomotoren 264 11. 1. 1 Maßnahmen zur Beherrschung des Klopfens 266 11. 1.2 Probleme der thermischen Beanspruchung 271 11.1.3 Regelungsprobleme 272 11.2 Dieselmotoren 279 11.3 Die Vorteile der Aufladung bei Automobilmotoren 280 11.4 Ausführungsbeispiele 285 11.4.1 Ottomotoren 285 11.4.2 Dieselmotoren 2 93
IX
12. Ausführungsbeispiele aufgeladener D i e s e l m o t o r e n 2 99
12. 1 L a s t w a g e n - D i e s e l m o t o r e n 299 12.2 D i e s e l m o t o r e n für Schienenfahrzeuge und Schiffsantrieb 311 12. 3 Mittelschnellaufende D i e s e l m o t o r e n für Schiffsantrieb und
s t a t i o n ä r e Krafterzeugung 316 12.4 Z w e i t a k t - G r o ß d i e s e l m jtoren 322 12. 4. 1 B e s o n d e r e Probleme' bei d e r Aufladung von Zweitaktmotoren . . 322 12. 4. 2 Typische Ausführungsbeispiele 324 12. 5 Verbundverfahren, T r e i b g a s v e r f a h r e n 332
L i t e r a t u r v e r z e i c h n i s 338
F o r m e l z e i c h e n 352
N a m e n s v e r z e i c h n i s 354
Stichwortverzeichnis 35 6 Anhang 35 9
