Nutzfahrzeug-Dieselmotoren

Nutzfahrzeug-Dieselmotoren Rainer Kurek Stand der Technik – Entwicklungs- und Innovationspotenziale – Optimierungspotenziale ISBN 3-446-40590-9 Vorwort Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-40590-9 sowie im Buchhandel 5 Zum Geleit Noch Ende der 80er Jahre haben internationale tung von Technologien für Dieselmotoren mittlerer Experten der deutschen Automobilindustrie einen Baugröße befasst, verliert er nicht den Blick fürs schleichenden Tod prognostiziert. Wie wir heute große Ganze: Motorenentwicklung gerade im Nutz- wissen, folgte statt dessen ein Turnaround, der die fahrzeug ist das Entschärfen von Zielkonflikten, die heimischen Automobilhersteller und ihre Zulieferer sich aus individueller Kundenerwartung, Forderun- bis an die Weltspitze geführt hat. Das erfolgskriti- gen der Gesellschaft sowie begrenzter Verfügbarkeit sche Drehmoment dafür kam und kommt vom Die- von Ressourcen speisen. selmotor: Mit der Pionierleistung, dem selbstzün- Als Geschäftsführer eines Entwicklungsdienstleisters denden Direkteinspritzer auch im PKW auf breiter weiß Kurek, dass es auf den Nutzen ankommt. So Basis zum Durchbruch zu verhelfen, konnten sich ist ein Buch entstanden, das das Aufarbeiten theo- die deutschen Anbieter in Europa im entscheiden- retischer Grundlagen und die Perspektiven für die den Moment von den asiatischen und amerikani- Umsetzung fein ausbalanciert. Grafiken und Tabel- schen Wettbewerbern absetzen. len lassen keinen Raum für langatmige Prosa. Klare Der Vorstoß wirkt bis heute: Im EU-Durchschnitt Sprache verdrängt wissenschaftlich verquaste For- erreichen PKW mit Dieselmotoren derzeit einen mulierungen. Dem beginnenden Studenten ist es Marktanteil von rund 50 Prozent, im Einzelfall sogar damit ein schnell erfassbares Lehrbuch, dem Mana- um die 70 Prozent. Und noch immer profitieren ger dient es als Fachbuch und Nachschlagewerk. neben den französischen die deutschen Hersteller Selten ist dieser Spagat so überzeugend gelungen. am stärksten von der Entwicklung. Anspruchsvollere Die Liste von Veröffentlichungen zur Dieselmotoren- Abgasvorschriften und ein gnadenloser Preiswett- technik ist zweifellos lang. Ein solches Buch hat bewerb rücken aber zunehmend ins Bewusstsein, dennoch gefehlt. Es dürfte deshalb bei den meisten dass die Vorteile des Selbstzünders bei kleinvolumi- Managern in der Automobilindustrie in Griffweite gen PKW-Motoren teuer erkauft sind. zum Schreibtisch stehen. Rainer Kurek zeigt in diesem Buch, dass die wahre Domäne des Dieselmotors schon aufgrund seines Würzburg, Juni 2006 Wilhelm Mißler Wirk- und Bauprinzips im Nutzfahrzeug liegt. Ob- Chefredakteur schon sich Kurek darin mit der Analyse und Bewer- AUTOMOBIL INDUSTRIE

Nutzfahrzeug-Dieselmotoren Rainer Kurek Stand der Technik – Entwicklungs- und Innovationspotenziale – Optimierungspotenziale ISBN 3-446-40590-9 Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-40590-9 sowie im Buchhandel 6 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung ......................................... 11 3 Grundmotor........................................ 44 3.1 Kurbelgehäuse............................. 44 3.1.1 Aufgabe und Funktion ....... 44 2 Dieselmotoren in Nutzfahrzeugen ........ 14 3.1.2 Bauarten ......................... 45 2.1 Ausgangslage .............................. 14 3.1.3 Zylinder........................... 47 2.2 Grundlagen der Nutzfahrzeug- 3.1.4 Verfahren zur Herstellung Dieseltechnik .............................. 15 von Kurbelgehäusen .......... 49 2.3 Nutzfahrzeug-Dieselmotoren 3.1.5 Ölwanne .......................... 50 zwischen 300 und 600 PS.............. 19 3.1.5.1 Bauarten.............. 51 2.3.1 Stand der Technik: Modul 3.1.5.2 Einzelteile ............ 51 Motorblock ...................... 25 3.2 Kurbeltrieb.................................. 52 2.3.2 Stand der Technik: Modul 3.2.1 Kurbelwelle ...................... 52 Kurbeltrieb ...................... 29 3.2.1.1 Aufgabe und 2.3.3 Stand der Technik: Modul Funktion .............. 52 Ventiltrieb ....................... 29 3.2.1.2 Werkstoffe............ 53 2.3.4 Stand der Technik: Modul 3.2.2 Pleuel ............................. 53 Einspritzanlage................. 29 3.2.2.1 Aufgabe und 2.3.5 Stand der Technik: Modul Funktion .............. 53 Dichtungen ...................... 32 3.2.2.2 Aufbau des 2.3.6 Stand der Technik: Modul Pleuels ................ 53 Kühlsysteme..................... 32 3.2.2.3 Pleuelstangen- 2.3.7 Stand der Technik: Modul werkstoffe ............ 55 Motorschmierung .............. 32 3.2.2.4 Beanspruchungen 2.3.8 Stand der Technik: Modul der Pleuelstange ... 55 Ansaug- und Abgasführung . 32 3.2.2.5 Gestaltung von 2.3.9 Stand der Technik: Modul Pleueln ................ 56 Sensoren und Neben- 3.2.2.6 Rohteilfertigung.... 56 aggregate ........................ 37 3.2.2.7 Mechanische 2.3.10 Stand der Technik: Modul Bearbeitung ......... 57 Aktoren und Steuerung ...... 37 3.2.3 Kolben ............................ 58 2.4 Kernanforderungen an einen 3.2.3.1 Aufgabe und Nutzfahrzeug-Dieselmotor ............. 37 Funktion .............. 58 2.4.1 Verbrauch ........................ 38 3.2.3.2 Konstruktive 2.4.2 Abgas ............................. 38 Gestaltung ........... 58 2.4.3 Lebensdauer..................... 40 3.2.3.3 Konstruktive 2.4.4 Geräuschemission ............. 40 Grundlagen........... 59 2.4.5 Gewicht........................... 41 3.2.3.4 Kolbenbauarten..... 61 2.4.6 Einfluss der einzelnen 3.2.3.5 Kolbenherstellung . 64 Dieselmotoren-Module 3.2.3.6 Laufflächen- und auf die Erfüllung der Oberflächenschutz . 65 Kernanforderungen ........... 41 3.2.3.7 Kolbenwerkstoffe... 66 Inhaltsverzeichnis 7 3.2.4 Kolbenringe ..................... 67 3.4.2.1 Aufgabe und 3.2.4.1 Aufgabe und Funktion .............. 79 Funktion .............. 67 3.4.2.2 Herstellung .......... 80 3.2.4.2 Bauformen ........... 67 3.4.2.3 Werkstoffe............ 80 3.2.4.3 Werkstoffe............ 68 3.4.2.4 Antrieb ................ 80 3.2.5 Kolbenbolzen ................... 68 3.4.3 Baugruppe Ventile ............ 81 3.2.5.1 Aufgabe und 3.4.3.1 Aufgabe und Funktion .............. 68 Funktion .............. 81 3.2.5.2 Bauarten.............. 68 3.4.3.2 Ventilarten ........... 81 3.2.5.3 Werkstoffe............ 68 3.4.3.3 Werkstoffe............ 81 3.2.5.4 Kolbenbolzen- 3.4.4 Ventilfedern ..................... 82 sicherung............. 68 3.4.4.1 Aufgabe und 3.2.6 Lagerung des Kurbeltriebs .. 69 Funktion .............. 82 3.2.6.1 Grundlagen der 3.4.4.2 Bauformen ........... 82 Gleitlagertechnik... 69 3.4.5 Ventilsitzring ................... 83 3.2.6.2 Lagerausführungen 69 3.4.5.1 Anforderungen ..... 83 3.2.6.3 Spezifische Vorteile 3.4.5.2 Werkstoffe............ 83 von Gleitlagern ..... 69 3.4.6 Ventilführung ................... 84 3.3 Zylinderkopf................................ 72 3.4.6.1 Aufgabe und 3.3.1 Aufgabe und Funktion ....... 72 Funktion .............. 84 3.3.2 Bauarten ......................... 73 3.4.6.2 Werkstoffe............ 84 3.3.3 Werkstoffe ....................... 73 3.4.7 Ventilspielausgleich .......... 84 3.3.4 Gießverfahren in der 3.4.7.1 Mechanischer Zylinderkopfherstellung ..... 73 Ventilspielausgleich 84 3.3.5 Ventildeckel ..................... 74 3.4.7.2 Hydraulischer 3.3.5.1 Aufgabe und Ventilspielausgleich Funktion .............. 74 über Tassenstößel . 86 3.3.5.2 Werkstoffe............ 74 3.4.7.3 Schwinghebel- 3.3.5.3 Herstellungs- auflager mit Ventil- verfahren ............. 74 spielausgleich....... 86 3.4 Motorsteuerung ........................... 75 3.4.8 Ventildrehvorrichtung........ 86 3.4.1 Aufgabe und Funktion ....... 75 3.4.9 Hydraulischer Ketten- 3.4.1.1 Anordnung der spanner ........................... 86 Ventile ................ 75 3.5 Dichtsysteme............................... 87 3.4.1.2 Anordnung der 3.5.1 Zylinderkopfdichtsysteme Nockenwelle ......... 75 (ZKD) .............................. 88 3.4.1.3 Variable Ventil- 3.5.1.1 Arten................... 88 steuerung ............ 77 3.5.1.2 Fazit.................... 90 3.4.1.4 Zylinderabschaltung 78 3.5.2 Diverse Dichtungsarten ...... 90 3.4.1.5 Mechanisch 3.5.2.1 Flachdichtungen.... 90 variabler Ventiltrieb 3.5.2.2 Fazit.................... 93 (Valvetronic) ........

Nutzfahrzeug-Dieselmotoren Rainer Kurek Stand der Technik – Entwicklungs- und Innovationspotenziale – Optimierungspotenziale ISBN 3-446-40590-9 Leseprobe Weitere Informationen oder Bestellungen unter http://www.hanser.de/3-446-40590-9 sowie im Buchhandel 3.4 Motorsteuerung 75 3.4 Motorsteuerung Die Nockenwelle wird nach oben in den Zylinder- kopf verlagert, sofern der Ventiltrieb besonders 3.4.1 Aufgabe und Funktion schwingungssteif ausgeführt werden soll. Dies ist bei Motoren mit hoher Drehzahlanforderung not- In den vergangenen Jahren hat sich in der Motoren- wendig, damit keine Ventiltriebsschwingungen mit technik ein Trend zu obenliegenden Nockenwellen Federbrüchen auftreten. Die wichtigsten Kriterien (overhead camshaft = OHC und double overhead bei der Entscheidung für den Antrieb der Nocken- camshaft = DOHC) entwickelt, wobei Motoren mit welle sind Kosten, Bauraum, Wartungsfreundlich- untenliegenden Nockenwellen (overhead valve = keit, Lebensdauer und Geräuschentwicklung. OHV) gerade bei großvolumigen V-Motoren nach wie vor Anwendung finden. Der Grund für die Entwick- Steuertriebe in modernen Motoren treiben neben lung von Motoren mit obenliegenden Nockenwellen der Nockenwelle auch noch andere Bauteile, wie liegt im Bestreben, für Motoren hoher Leistung noch Ölpumpe, Wasserpumpe oder Einspritzpumpe, an. Da drehzahlfestere Ventiltriebe bereitzustellen. OHV- sowohl Nockenwelle, als auch Kurbelwelle ungleich- und DOHC-Konzepte zeichnen sich durch kompakte förmig umlaufen und auch der Kraftbedarf der Ein- Bauformen und kostengünstige Herstellung aus. spritzpumpe beispielsweise sehr starken periodi- schen Schwankungen unterliegt, entstehen hier Bei Nutzfahrzeug-Dieselmotoren zeichnet sich ein sehr komplexe dynamische Beanspruchungen für die Trend zu Vierventil-Konzepten ab. Kipphebel bzw. Bauteile der Motorsteuerung. Doppel-Kipphebel mit mechanischer Einstellung des Ventilspiels, die von unten liegenden Nockenwellen 3.4.1.1 Anordnung der Ventile über Stößelstangen angetrieben werden, überneh- men die Betätigung der Ventile. Für kleinere Nutz- Untengesteuerter Motor – SV-Motor (side valves) fahrzeugmotoren, die ohne Motorbremsbetrieb aus- Die Schließbewegung der Ventile ist gleichgerichtet kommen, werden neben OHV auch OHC-Konzepte mit der Kolbenbewegung in Richtung unterer Tot- eingesetzt, zunehmend mit hydraulischem Ventil- punkt. Ein untengesteuerter Motor hat seitlich spielausgleich. stehende Ventile. Er wird wegen der ungünstigen Die Nockenwelle setzt den Ventiltrieb in Bewegung Form des Verdichtungsraumes in Kraftfahrzeugen und hat die Aufgabe, Öffnungs- und Schließzeiten nicht verwendet. der Ventile sicherzustellen. Ihre Drehzahl ist beim Viertaktmotor gleich der halben Kurbelwellendreh- Obengesteuerter Motor zahl (Untersetzung). Das Nockenwellenrad muss Die Schließbewegung der Ventile ist gleichgerichtet also doppelt so viele Zähne besitzen wie das Kur- mit der Kolbenbewegung in Richtung oberer Tot- belwellenrad. punkt. Ein obengesteuerter Motor hat hängende Die untenliegende Nockenwelle wird von der Kur- Ventile. Obengesteuerte Motoren, die sich primär in belwelle über schräg verzahnte Zahnräder angetrie- der Anordnung der Nockenwelle(n) unterscheiden, ben. Das größte Zahnrad besteht aufgrund der Ge- werden in Kraftfahrzeugen vornehmlich eingesetzt. räuschminderung aus Pressstoff. Die obenliegende Nockenwelle steht über Ketten, Zahnriemen oder 3.4.1.2 Anordnung der Nockenwelle Kegelräder mit der Kurbelwelle in Verbindung. Die Ketten laufen im Kurbelgehäuse und werden durch OHV-Motor (overhead valves) Spritzdüsen mit Öl geschmiert. Der Kunststoffzahn- Die vom Nocken erzeugte Hubbewegung wird über riemen mit Stahldrahteinlage oder Glasfaserlitzen Ventilstößel, Stoßstange und Kipphebel auf das hän- liegt außerhalb des Kurbelgehäuses und wird nicht gend eingebaute Ventil übertragen. OHV-Motoren geschmiert. finden gerade bei großvolumigen V-Motoren Einsatz. 76 3 Grundmotor Abb. 3.24: Aufbau eines OHV-Motors mit untenliegender Nockenwelle Sie zeichnen sich durch eine kompakte Bauweise und riemen oder Ketten. Seltener werden Stirnradge- kostengünstige Herstellung aus. Abb. 3.24 zeigt den triebe oder zwei Kegelräder mit verbindender Kö- konstruktiven Aufbau eines Motors mit untenliegen- nigswelle realisiert. der Nockenwelle aus verschiedenen Ansichten. DOHC-Motor (double overhead camshaft) OHC-Motor (overhead camshaft) Das Funktionsprinzip sowie die oben genannten Das Verlegen der Nockenwelle aus dem Kurbelge- Vorteile des OHC-Motors ergeben sich auch für den häuse in den obenliegenden Zylinderkopf verringert DOHC-Motor. Bei der DOHC-Anordnung werden zwei die zu bewegenden Massen um die Ventilstößel und Nockenwellen eingebaut (Abb. 3.25). Stoßstangen (Abb. 3.25). Eine weitere Massenredu- Durch diese Bauweise werden keine Kipphebel be- zierung ergibt sich bei modernen Motoren durch nötigt, und somit ist eine direkte Betätigung der den Einsatz von Schwinghebeln oder Tassenstö- Nockenwelle auf säulengeführten Elementen (Tas- ßeln. Der Antrieb erfolgt überwiegend durch Zahn- senstößel) möglich. Vorteil sind sehr gute Steifig- 3.4 Motorsteuerung 77 Schwinghebel Kipphebel Nockenwelle moment nimmt durch die schlechter werdende Zy- Nockenwelle linderfüllung jedoch ab. Lässt man das Einlassventil möglichst lange geöff- net, verbessert dies die Zylinderfüllung bei hohen Drehzahlen. Bei kleinen Drehzahlen ergeben sich durch die große Ventilüberschneidung jedoch ein unruhigerer Leerlauf und große Spülverluste. Dies führt zu hohen Schadstoffanteilen im Abgas. Nockenwellenverstellung Der Nockenwellenversteller lässt eine kontinuier- liche Veränderung der Steuerzeiten der Nockenwelle in einem weiten Winkelbereich zu. Somit ist bei Abb. 3.25: Ausführungsformen von (D-)OHC-Motoren DOHC-Motoren eine Veränderung der Ventilüber- schneidung möglich und damit eine Einstellung des keitswerte bei relativ geringen bewegten Massen. Restgasgehaltes im Brennraum. Darüber hinaus kön- Somit lassen sich gerade mit Tassenstößeln effi- nen die Steuerzeiten vor allem im Leerlauf und unter ziente und hochdrehende Motoren verwirklichen. Volllast auf besten Komfort bzw. auf höchstes Dreh- Die mechanischen Tassenstößel-Ventiltriebe gestat- moment und höchste Leistung ausgelegt werden. ten bei DOHC-Anwendungen eine relativ geringe Bei DOHC-Motoren werden Nockenwellenversteller Bauhöhe des Zylinderkopfes. meist auf der Einlasswelle eingesetzt. Typische Verstellwinkel liegen bei 40 … 60°. Auslassver- CIH-Motor (camshaft in head) steller kommen bei aufgeladenen Motoren zur An- Die Nockenwelle ist hier ebenfalls im Zylinderkopf wendung. Die kontinuierliche Nockenwellenver- angeordnet. Das Verlegen der Nockenwelle aus dem stellung wird in einem geschlossenen Regelkreis Gehäusebereich direkt in den Zylinderkopf vermin- betrieben und hydraulisch betätigt. dert die zu bewegenden Massen um die Stoßstan- gen. Die Nockenwelle betätigt über einen Ventil- Hydraulische Verstelleinheit stößel und Kipphebel das Ventil. Die hydraulische Verstelleinheit wird an der An- triebsseite der Nockenwelle befestigt. Mit diesem 3.4.1.3 Variable Ventilsteuerung Bauteil wird der Verstellwinkel durch wechselweise Befüllung zweier Ölkammern verändert. Da sich Forschung und Entwicklung in der Vergan- genheit primär auf Motoren mit variablen Ventil- Steuerventil steuerungen konzentrierten, werden die folgenden Ausführungen sowie die verschiedenen Bauarten er- Das Ventil wird elektrisch angesteuert und regelt läutert. den Zu- und Ablauf des Öls in den Kammern.