Gestaltung und Hauptabmessungen der Verbrennungskraftmaschine

325 Pages·1979·25.151 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Harald Maass (auth.)

DieV erbrennungs
kraftmaschine
Herausgegeben von
Hans List und Anton Pischinger
Neue Folge
Band 1
Gestaltung
und Hauptabmessungen
der Verbrennungs'
kraftmaschine
Harald Maass
Springer--Verlag
Wien New York
Prof. Dr.-Ing. Harald Maass
KlOckner-Humboldt-Deutz AG, Koln
apl. Professor, R WTH Aachen, Bundesrepublik Deutschland
Das Werk ist urheberrechtlich geschiitzt.
Die dadurch begriindeten Rechte, insbesondere die der Obersetzung,
des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildungen,
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oder 1ihnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen,
bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten.
© 1979 by Springer-Verlag/Wien
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1979
Mit 545 Abbildungen
CIP-Kurztitelaufnahrne der Deutschen Bibliothek
Die Verbrennungskraftmaschine / hrsg. von Hans
List u. Anton Pischinger. - Wien, New York:
Springer.
N.F.
NE: List, Hans [Hrsg.]
Bd. 1. - Maass, Harald: Gestaltung und Hauptab
rnessungen der Verbrennungskrafl:rnaschine.
Maass, Harald :
Gestaltung und Hauptabrnessungen der Verbrennungs
krafl:rnaschine / Harald Maass. - Wien, New York:
Springer, 1979.
(Die Verbrennungskraftrnaschine : N.F. ; Bd. 1)
ISBN-13:978-3-7091-8570-4
ISBN-13:978-3-7091-8570-4 e-ISBN-13:978-3-7091-8569-8
DOl: 10.1007/978-3-7091-8569-8
Geleitwort der Herausgeber
Seit Jahrzehnten ist die Reihe "Die Verbrennungskraftmaschine" dem Inge
nieur in der Praxis wie auch dem jungen Ingenieur, der sich in das Fachge
biet einarbeiten muB, ein unentbehrlicher Ratgeber und dem Studenten der
hoheren Semester eine wertvolle Hilfe.
Inzwischen ist ein Teil der Bande - manche erschienen in mehreren Auflagen -
vergriffen. Der Erfolg der Reihe, aber auch die Entwicklung, die die Tech
nik in den letzten Jahrzehnten genommen hat, haben die Herausgeber und den
Verlag veranlaBt, das Gesamtwerk mit einer "Neuen Folge" fortzufUhren.
Wegen des raschen Fortschritts gerade in der theoretischen Behandlung der
beim Bau der Verbrennungskraftmaschine zu losenden Probleme schien es den
Herausgebern sinnvoll, die neue Folge mit den grundlegenden und theoreti
schen Banden zu beginnen.
Erfreulicherweise gelang es, Herrn Professor Dr. Harald Maass, Direktor
der Klockner-Humboldt-Deutz AG, fUr die Abfassung der Bande Uber die
Grundlagen und die mechanische Theorie zu gewinnen. Professor Dr. Maass
erhielt durch den Vorstandsdirektor der Klockner-Humboldt-Deutz AG,
Dr. Otto Herschmann, in dankenswerter Weise die Genehmigung, die Arbeit
zu Ubernehmen und fUr die von ihm und seinen Mitarbeitern bearbeiteten
Bande auch Erfahrungsmaterial der Firma zu verwenden.
Der Klockner-Humboldt-Deutz AG gebUhrt fUr die dadurch geleistete Forde
rung der technischen Forschung und Wissenschaft der besondere Dank der
Herausgeber und des Verlages, vor allem auch dafUr, daB das Manuskript
dem Verlag in unmittelbar reproduktionsfahiger Form Ubergeben werden konn
te; dadurch kann diese umfangreiche Darstellung den Interessenten zu einem
erschwinglichen Preis zuganglich gemacht werden.
Unser Dank gilt auch allen anderen Firmen, die das Werk durch die Bei
stellung von Unterlagen gefordert haben.
Prof. Dr. Hans List und Prof. Dr. Anton Pischinger
Vorwort
Als mich die Herren Professoren Dr. Dr. h. c. HANS LIST und Dr. ANTON PISCHINGER
befragten, ob ich ihnen bei der Neubearbeitung einiger Kapitel der seit 1939 welt~
weitbekannten Schriftenreihe "Die Verbrennungskraftmaschine" behilf1ich sein wolle,
habe ich in Anbetracht der auf mich zukornrnenden zusatzlichen Arbeit eher Unwillen
als Begeisterung von mir gegeben. Durch die Tatigkeit an der Rheinisch-Westfali
schen-Technischen Hochschule Aachen gepragt, konnte ich mich schlieBlich doch
nicht der reizvollen Aufgabe entziehen, das in Jahrzehnten zusarnrnengetragene wis
sen in Buchform niederzuschreiben; denn auf kaum einem anderen Gebiet des Maschi
nenbaus hat sich nach den Tagen der groBen Entdeckungen die Weiterentwicklung
einer Maschine so konsequent abgezeichnet wie bei der Verbrennungskraftmaschine.
Da die Niederschrift eines Wissensstandes und eines Erfahrungsschatzes in den
Grenzbereichen zwischen kreativen, selbsterarbeiteten Kenntnissen, ubernornrnenem,
erfahrenem und erlittenem "Firmen-know-how" und dem spezifischen Wissen aus dem
Forschungs- und Entwicklungsgebiet eines Unternehmens und verschiedener For
schungsarbeiten (z.B. der FORSCHUNGSVEREINIGUNG VERBRENNUNGSKRAFTMASCHINEN e.V.)
verlauft, danke ich dem Vorstandsmitglied der KLOCKNER-HUMBOLDT-DEUTZ AG,
Herrn Dr.-Ing. OTTO HERSCHMANN, fur das mir durch die Genehmigung, an dieser
Schriftenreihe mitwirken zu konnen, entgegengebrachte Vertrauen. Weil ich mir
vorgenommen habe, nicht nur rein abstrakte, formelmaBige Zusarnrnenhange aufzuzei
gen, wird es unvermeidbar sein, gelegentlich in diese Grenzbereiche einzudringen.
Den engeren Mitarbeitern im Hause KHD gebuhrt Dank und Anerkennung fur die durch
dieses Buch auf sich genornrnene zusatzliche Muhsal, insbesondere Frau RUTH TONNDORF
und Frau RUTH MAKOWSKI fur die vielen Manuskriptseiten und die druckreife Gestal
tung der Text- und Tabellenvorlagen sowie Frau MARGRET KLIER fur die Vielzahl der
Abbildungen, die das Buch nicht nur graphisch auflockern, sondern es auch vom In
halt her mit mehr Aussagekraft versehen sollten.
Mein Dank gilt aber auch denjenigen Firmen, die mich durch Zeichnungen und Unter
lagen in die Lage versetzt haben, die bildliche Darstellung dem Stand der Technik
entsprechend zu gestalten und Entwicklungstendenzen aufzuzeigen.
Der Umgang mit den Menschen in der Praxis, in Organisationen und an den Hochschu
len hat mich verleitet, eine sehr personliche Einfuhrung zum Band "Gestaltung
und Hauptabmessungen der Verbrennungskraftmaschine" zu verfassen, da die Tech
nik nur dann zum Wohle der Menschheit dienen kann, wenn sie sich als Teil dieser
selbst betrachtet. Obwohl ich mir die Aufgabe gestellt habe, fur den Konstrukteur
und Versuchsingenieur in der Praxis sowie fur den Studierenden an Hoch- und Fach
schulen (moglichst) objektive Grundlagen fur die Konstruktion und Berechnung der
Verbrennungskraftmaschine zu ubermitteln, hat es sich auch in den nachfolgenden
Kapiteln (nicht verwunderlich bei Kenntnis der personlichen Eigenarten des Autors)
nicht vermeiden lassen, zu Teilaspekten unserer Technik die personliche Meinung
und Fragestellung in die Diskussion der Ergebnisse miteinflieBen zu lassen. Das
moge im Zweifelsfalle eher zur Ermunterung kreativen Mitdenkens denn als Ver
drieBensgrund angesehen werden.
VIII
Nicht zuletzt gilt mein Bemuhen, der nachfolgenden Generation von Ingenieuren,
die sich heute an Universitaten und Fachhochschulen das Rustzeug fur den vor
ihnen liegenden Lebensweg beschaffen, bei ihrem berechtigten Wunsch nach
praxisnaher Ausbildung behilflich ~u sein. Hinsichtlich der "Verwissenschaft
lichung" unserer Ausbildung machte ich mich LEYER anschlieBen, der am SchluB
einer seiner Veraffentlichu'ngen /1/ schreibt: "Die Wissenschaft mit ihren
glanzenden Erfolgen hat uns geblendet, der 'Baum der Erkenntnis' - wenn man
dies so sagen darf - ward uns zum Verhangnis. Immer mehr und noch mehr zu
wissen, schien den Menschen des 20. Jahrhunderts auBerordentlich erstrebens
wert. Wahrend sie von Einsicht zu Einsicht eilten, gingen ihnen wesentliche
Fahigkeiten verloren: die Heiterkeit des Gemuts und das Unterscheidungsver
magen fur wahr und unwahr, Recht und Unrecht. Wir leben mit einem schlechten
Gewissen, ohne daB wir sagen kannten, warum. Die Gefahren, die in einer
orientierungslos betriebenen Wissenschaft liegen, scheint schon GOETHE ge
ahnt zu haben, denn er sagte, daB ihm alles Wissen verhaBt sei, das ihn
bloB lehre, ohne seine Tatigkeit - gemeint ist wohl die kreatiye - zu ver
mehren." Wenn man den verkurzten, ins Lateinische ubersetzten Leitspruch
"Scio nescio" des SOKRATES nicht sinnwidrig als Traumziel neuerer Bildungs
politik ansieht, kommt man wohl zu einer ahnlichen Betrachtungsweise unseres
Fortschrittes.
Die einfache Darstellung der allgemein gultigen Beziehungen der Verbrennungs
kraftmaschine, der Einblick in Vorhandenes, der Stand der Technik sowie der
Ausblick auf Magliches und Machbares magen aber auch demjenigen, der ent
weder die Motorentechnik nur am Rande verfolgt - sei es als Nutzer, beraten
der Ingenieur oder auch aus sportlichem Interesse - oder nicht im Zentrum
der Motorenentwicklung und -forschung steht - sei es als Vertriebskaufmann,
Kundendienstingenieur oder auch als Handwerksmeister - nicht nur erweiterte
Kenntnisse uber die Verbrennungskraftmaschine vermitteln, sondern auch Ver
standnis fur die Probleme der Hubkolbenbrennkraftmaschine und der daran
tatigen Ingenieure wecken.
In diesem Sinn mage dieser Band zur Abrundung des eigenen Wissens fur den im
Beruf Stehenden und als Bereicherung fur den Studierenden seinen Weg in
Theorie und Praxis finden.
Kaln, Sommer 1979 H. Maass
Inhaltsverzeichnis
1 Einfu hrung
1.1 Das MaB- und Einheitensystem ........ . 9
1.2 Definitionen und Begriffe ........ . 10
1.3 Hauptabmessungen, Kennwerte und Formelzeichen 11
2 Ahnlichkeitsbeziehungen der Verbrennungs
kraftmaschine
13
Stand der Kenn. und Vergleichswerte -
Stand der Technik der Verbrennungskraftmaschine
2.1 Modellgesetze und Kennwerte ..•.•....•.... 15
2.1.1 Leistung der Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine 16
2.1.2 Der mittlere Effektivdruck Pe 19
2.1.3 Die mittlere Kolbengeschwindigkeit vm 23
*
2.1.4 Die spezifische Leistung P 25
2.1.5 Der Zlinddruck Pz ...•. sp 25
2.1.6 Der ZUnddruckanstieg dp/d~ 27
2.1.7 Der Reibungsmitteldruck p 31
r
2.2 Die geometrische Ahnlichkeit .. 35
2.2.1 Das Hubverhaltnis ~ ... 35
2.2.2 Das Verdichtungsver5altnis £ 36
2.2.3 Das Schubstangenverhaltnis ApL 37
2.2.4 Der relative Zylinderabstand a 38
2.2.5 Die relative Baulange aB z 39
2.3 Mechanische Ahnlichkeit 39
2.3.1 Die Schnellaufigkeit 40
2.3.1.1 Die mechanische Schnellaufigkeit n (Modelldrehzahl) 40
2.3.1.2 Der Laufwert aL (Massenfaktor) . m 42
2.3.1.3 Die spezifische Kolbengeschwindigkeit 43
2.3.2 Die bezogene Leistung 44
2.3.2.1 Die Hubraumleistung 44
2.3.2.2 Die Bauraumleistung 45
2.3.3 Das bezogene Gewicht .... 45
2.3.3.1 Das Hubraumgewicht . 46
2.3.3.2 Das Leistungsgewicht 47
2.3.3.3 Das spezifische Leistungsgewicht 48
2.3.3.4 Das spezifische Bauraumgewicht 49
2.3.4 Der bezogene Bauraum ... 49
2.3.5 Das Drehmomentenverhaltnis 50
2.4 Die thermische Ahnlichkeit .. 51
2.4.1 Die Kolbenbelastung 53
2.4.2 Die Temperaturbelastung des Kolbens 54
2.4.3 Die Brennraumbelastung 54
2.4.4 Die Leistungsflache f 55
0
2.4.5 Die Temperaturspanntmg
56
x
2.5 Wirtschaftliche VergleichsgroBen und Umweltkennwerte 57
2.5.1 Preis und Herstellkosten . 57
2.5.2 Der Verbrauch • . . . . . 60
2.5.2.1 Der Kraf1;stoffverbrauch 61
2.5.2.2 Der Schmlerolverbrauch . 62
2.5.3 Die Betriebssicherheit und Lebensdauer 64
2.5.4 Das Rauchverhalten 67
2.5.5 Abgasemission 68
2.5.6 Gerauschemission 70
2.5.7 Vibrationen 73
2.6 Die geschichtliche Entwicklung der Kennwerte und ihre Tendenzen flir die
Zukunft . . . . . . . • • . . . . . . • . . . . .. 76
2.7 Die Kennwerte als Einteilungskriterium flir Verbrennungskraftmaschinen 81
3 Allgemeine Grundsatze zur Gestaltung
der Verbrennungskraftmaschine 83
3.1 Einfllisse und Randbedingungen zur Gestaltung der Verbrennungskraft-
mas chine . • . • • . • . . . . . . . . • . . . . • ., ..•.. 83
3.1.1 Die Einsatzgebiete der Verbrennungskraftmaschine 84
3.1.2 Der EinfluB des projektierten Verwendungszweckes auf Gestaltung
und auBere Form der Verbrennungskraftmaschine. 93
3.1.3 Wirtschaftliche Gesichtspunkte ...•.•.. 95
3.1.3.1 Betriebskosten ..•....•.... 96
3.1.3.2 Betriebssicherheit und Instandhaltung 99
3.1.3.3 Anschaffungskosten, Platzbedarf und Gewicht .103
3.1.3.4 Anzahl der Motoreneinzelteile ...... . .105
3.1.4 Gesetze, Normen, Vorschriften ..........• 106
3.1.5 Steifigkeit, Erschlitterungsfreiheit und Gerausche 107
3.1.6 Klihlungsarten •...•. III
3.1.6.1 Die Wasserklihlung 112
3.1.6.1.1 Die Verdampfungsklihlung 112
3.1.6.1.2 Die Rohwasserklihlung 112
3.1.6.1.3 Die Umlaufklihlung 113
3.1.6.1.4 Die tiberdruckklihlung 113
3.1.6.1.5 Die HeiBklihlung 114
3.1.6.2 Die Luftklihlung 114
3.1.6.3 Die Kolbenklihlung lIS
3.1. 7 Betriebsverhalten und Aufladung. 116
3.1 .8 Anforderungen des Belastungsprofiles an die Verbrennungskraft-
mas chine . . . • . . . . . . . • . . . 11 9
3.1. 9 Rlicksichten auf die Fertigungsanlagen .120
3.2 Die Wahl der Zylinderzahl einer Verbrennungskraftmaschine. .123
3.2.1 Ausgeflihrte Zylinderzahlen .124
3.2.2 Zylinderzahl und Zlindfolge ...... . .125
3.2.3 Aufladung . . .......... . .126
3.2.4 Thermisches Verhalten verschieden groBer Zylinder .126
3.2.5 Dynamisches Verhalten bei verschiedenen Zylinderzahlen .126
3.2.6 Hubraumleistung ..........•........ .127
XI
3.2.7 Hubraumgewicht •••.• .127
3.2.8 Raumbedarf der Maschine .127
3.2.9 Vielzahl der Einzelteile .127
3.2.10 Herstellungsrlicksichten .128
3.2.1 1 Besondere Anforderungen .128
3.3 Zylinder- und Kurbelwellenanordnungen .128
3.3.1 Die Einwellen-Bauarten .128
3.3.1.1 Die Einreihen-Bauart (Reihenmotor). .129
3.3.1.1.1 Stehende Bauart .129
3.3.1.1.2 Liegende Bauart .129
3.3.1.1.3 Hangende Bauart .130
3.3.1.1.4 Der U-Motor •• .130
3.3.1.1.5 Der Gegenkolbenmotor· .130
3.3.1.2 Die Zweireihen-Bauart • 131
3.3.1.3 Die Dreireihen-Bauart ••••.• .132
3.3.1.4 Die Vierreihen-Bauart ••••• .132
3.3.1.5 Vielreihen-Bauart (Sternmotoren). .132
3.3. 1 .6 Gegenko 1b en-Motoren • • • . . • • • 133
3.3.1.7 Sonderbauformen der Einwellenmaschinen. · 133
3.3.2 Die Zweiwellen-Triebwerke • .135
3.3.2.1 Der Doppel-Reihenmotor .135
3.3.2.2 Der H-Motor ••.• .135
3.3.2.3 Gegenkolben-Motoren .• .136
3.3.2.4 Doppel-V-Motor •.•• .136
3.3.2.5 Motoren mit Rhombentriebwerk •• .136
3.3.3 Das Dreiwellen-Triebwerk. .136
3.3.4 Das Vierwellen-Triebwerk. .137
3.3.5 Das Sechswellen-Triebwerk .137
3.3.6 Die Lagerung des Triebwerkes • 138
3.3.6.1 Die Gleitlagerung .138
3.3.6.2 Die Walzlagerung. •• 139
3.4 Die Wirkungsweise der Zylinder •• .139
3.5 Die Anordnung des Kurbeltriebes • 141
3.5.1 Der normale Kurbeltrieb • • 141
3.5.2 Der geschrankte Kurbeltrieb .142
3.5.3 Der desaxierte Kolbenbolzen .142
3.5.4 Der angelenkte Kurbeltrieb .143
3.5.5 Der U-Kolben-Antrieb .143
3.5.6 Die Kreuzkopfbauart • .144
3.6 Die Kurbelgehause-Bauformen .144
3.6.1 Der EinfluB der Motorenbauarten .145
3.6.2 Der EinfluB des Kraftflusses .145
3.6.2.1 Die Zugankerausflihrungen .145
3.6.2.2 Das kraftleitende Kurbelgehause .145
3.6.2.3 Gemischtbauweise .146
3.6.3 Die Skelettbauweise .•. .147
3.6.4 Der EinfluB der Lagerungsart .148
3.6.4.1 Die Grundplatten-Motoren. .148
3.6.4.2 Der Motor mit hangender Lagerung. .148
3.6.4.3 Die Lagerbrlickenbauart ...•.. .150
3.6.4.4 Das integrierte Wannen-Kurbelgehause. .150
3.6.4.5 Die Tunnelbauweise ..•...... • 151