Kraftstoffaufbereitung und Verbrennung bei Dieselmotoren

234 Pages·1964·9.983 MB·German

by  György Sitkei (auth.)

Kraftstoffaufbereitung und Verbrelll1Ung
bei Dieselmotorell
Ingenieurwissenschaftliche Bihliothek
Herausgegeben von Istvan Szabo, Berlin
Kraftstoffaufbereitung
und Verbrennung
bei Dieselmotoren
Gyorgy Sitkei
Von
Dipl.-Ing. Dr. techno
Technische Universitat Budapest
Mit 188 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
1964
Deutsche neubearbeitete Ausgabe des Buches
Sitkei Gyorgy: A keverekkepzes es eges
lefolyasa Diesel-motorokban
(Akademiai Kiado, Budapest: 1960)
Alle Reehte, insbesondere das der Ubersetzung in fremde Spra{'hen, vorbehalten
Ohne ausdrlirklirhe Genehmigung dos Verlages ist es auch nirht ge"tattet,
dic,"s Bueh oder Teile daraus au! photomechanischem Wej.(e
(Pho(okopie, Mikrokopie) oder au! andere Art zu vervielfiiltigen
© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1964
Urspmnglich erschienen bei Springer-Verlag OHG __ BerlinjGottiugenjHeideiberg 1964
Library of Congress Catalog Card Number: 64 -14616
ISBN 978-3-662-12199-3 ISBN 978-3-662-12198-6 (eBook)
DOI 10_1007/978-3-662-12198-6
Die \Vit'dergabe yon Gebrauehsnamen, Hallde]sllanlen, Vt,"'arenbezeichnungen usw.
in diesem Buche berechtigt auch ohue besondere Kennzeichnung nicht zu der An
nahme, dall 80lche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetz
gebllug als frei zu betrachten wareu unddahervonjedermannbenlltzt werdendiiIften
Vorwort des Herausgebers
Mit dem vorliegenden Werk eines jungen Wissenschaftlers und auf
diesem Gebiet erfolgreichen Forschers, lcgen Verlag und Herausgeber
den ersten Band einer neuen Serie vor, die unter dem Titel: "Ingenieur
wissenschaftliche Bibliothek" steht.
In einer Zeit, in der die Technik mehr als bisher auf Methoden und
Ergebnisse der Wissenschaft angewiesen ist, nimmt die Zahl der Ver-
5fientlichungen ins fast uferlose zu, nicht zuletzt dadurch, daB wenig
stens auf wissenschaftlichem Gebiet die national en Grenzen entfallen.
Leider fUhrt die groBere Quantitiit dazu, daB selbst der wissenschaftIiche
Spezialist kaum noch einen wirklichen Dberblick tiber sein Gebiet er
reicht. Urn wieviel schwerer ist es demnach fUr den tiitigen Ingenieur
als einen Teil seiner Aufgaben die Fiille des anfallenden wissenschaft
lichen Materials zu sichten und das fiir ihn qualitativ Wertvolle zu
erkennen und herauszufinden.
Ziel und Zweck der neuen Buchreihe sieht der Herausgeber darin,
dem Ingenieur jeweils kritisch gesichtetes und wissenschaftlich fun
diertes Riistzeug aus moglichst internationaler Sicht in die Hand zu
geben und ihm damit seine Aufgaben zu erleichtern.
Berlin, im Dezember 1963
Istvan SzabO
Vorwort
Das Anwendungsgebiet der Dieselmotoren breitet sieh infolge ihres
wirtsehaftliehen Betriebes immer weiter aus. 1m Eisenbahn-, Sehlepper
und Lastfahrzeugverkehr werden heute vielfaeh Dieselmotoren eingesetzt,
auBerdem stehen aueh fUr Personenkraftwagen Dieselausftihrungen spe
ziell hoher Drehzahl zur VerfUgung, die sieh gut bewahrt haben.
Die Entwieklung von Dieselmotoren ist tiberall in der Welt mit aus
gedehnten Versuehsarbeiten verkntipft. Ein bedeutender Teil dieser Vel'
suehe zielt auf die Entwieklung eines bestimmten Typs, wobei die
Grundlagenforsehung, d. h. die weitgehende Untersuehung der einzelnen
physikaliseh-ehemisehen Vorgange, zweitrangig ist. Die Ergebnisse sol
eher Entwieklungen ki:innen nur sehr besehrankt verallgemeinel't werden_
Ein kleiner Teil der Untersuchungen setzt sieh die systematisehe
Aufklarung del' Einzelheiten der Gemisehbildungs- und Verbrennungs
vorgange zum Zie1. Diese erfordern im allgemeinen besondere Versuehs
einriehtungen, groBe 1nvestitionen und geduldige Arbeit, liefern dann
aber auch allgemeingtiltige funktionelle Zusammenhange. Wegen del'
untersehiedlichen Versuchsbedingungen ki:innen jedoeh die so gewon
nenen Ergebnisse nicht ohne weiteres auf den wirkliehen Motor an
gewandt werden.
Beim Entwurf von Dieselmotoren ist die Gewahrleistung einer guten
Gemischbildung und Verbrennung das Hauptproblem, urn den Betrieb
mi:iglichst wirtsehaftlich zu gestalten. Dazu sind allgemeingtiltige
Zusammenhange - neben den Erfahrungsdaten - eine wiehtige Hilfe,
da sie zumindest ftir ahnliche, oft sogar fUr alle Motoren herangezogen
werden ki:innen. Die Kenntnis der physikaliseh-chemisehen Vorgange
schafft eine Dbersieht tiber die Komponenten, die den wirtschaftlichen
Betrieb des Motors beeinflussen, und el'mi:iglicht damit aueh eine zweek
maBige Wahl del' Vel'suchseinriehtung.
Der Vel'fassel' war bestrebt, die sieh in den Dieselmotoren abspie
lenden Vol'gange ausfUhl'lieh zu behandeln, und - wo dies mi:iglieh war -
allgemeingtiltige Zusammenhange anzugeben.
Bei del' Behandlung der einzelnen El'seheinungen wurde dieselbe
Reihenfolge eingehalten, in del' sie sich im Motor abspielen: Einspl'itzen
des Kl'aftstoffes, Strahlzerstaubung, Verdampfung des Kl'aftstoffes,
Vorwort VII
Selbstentzundung und Verbrennung. AbschlieBend wird eine Ubersicht
zu Gemischbildungsfragen sowie zur Wirtschaftlichkeit del' Gemisch
bildung gegeben.
An diesel' Stelle mochte ich Herrn cando ing. PETER ZIMMERMANN
meinen herzlichsten Dank aussprechen, del' sich del' Muhe unterzog,
das Manuskript durchzulesen und sprachlich richtigzustellen. Dem
Herausgeber des Gesamtwerkes, Herrn Professor Dr.-Ing. ISTVAN SZABO,
verdanke ich die ehrenvolle Aufforderung zur Abfassung des Buches;
er unterzog sich auch del' Muhe, Korrekturen zu lesen. Fur beides danke
ich ihm herzlich.
Dem Springer-Verlag danke ich fUr die ausgezeichnete Ausstattung
des Bandes.
Budapest, im Dezember 196:3 Gyorgy Sitkei
Inhaltsverzeichnis
Seite
1. Berechnung des Einspritzgesetzes schnellaufender Djeselmotoren .
§ 1. Grundsatzliche Betrachtungen .
§ 2. Verschiedene Einspritzsysteme 4
a) Mechanisch angetriebene Einspritzsysteme mit Druckrohr 4
b) Pumpendiise mit mechanischem Antrieb 5
c) Einspritzsystem mit Gasantrieb 5
d) Einspritzsysteme mit Federantrieb (System GANZ-JENDRASSIK) 6
§ 3. Grundgleichungen der Einspritzung . 7
§ 4. Herleitung des Einspritzgesetzes ohne Beriicksichtigung der Reibung 15
a) Vorgange an del' Pumpenseite . . . . . . 17
b) Vorgange an der Diisenseite . . . . . . . . . . . . . .. 24
e) Herleitung des Einspritzgesetzes bei offener Diise . . . .. 28
d) Einspritzgesetz del" Federspeicherpumpe (System JENDRASSIK) 29
§ ii. Herleitung des Einspritzgesctzes nnter Beriicksichtignng derReibnng 30
a) Berechnnngen an der Pumpenseite . . . . . . . . . . .. 31
b) Berechnnngen an der Diisenseite . . . . . . . . . . . .. 34
c) Bestimmung des in der Druckieitnng verbleibenden Drnckes 35
§ 6. Analyse des Einspritzgesetzes: Verteilnngsknrven . . . . . .. 37
§ 7. Naherungsgleichnngen zur Beurteilnng nnd Bemessnng des Ein-
spritzsystems. . . . . . . . . . . .. ........ 40
§ 8. EinflnB der Konstruktionseigenschaften des Einspritzsystems anf
das Einspritzgesetz. . . . . . . . . . 49
a) Kolbendnrchmesser nnd Nockenform 49
b) Pnmpendrehzahl . . . . . . . . 49
c) Abmessungen del' Diisenbohrungell . 52
d) Abmessungen der Druckleitung. . . 53
§ 9. Diisencharakteristiken und deren Ahnlichkeitsgesetze 54
a) Offene Diise mit Riickschlagventil 54
b) Geschlossenp Nadeldiise 56
c) Gpschlossene Zapfendiisp 58
11. TheOI·j(> der Strahlzerstaubung . 62
§ 10. Allgpmeine Forderungen. . . 62
§ II. Ursachpn und Formen des Zerfalls einps Fliissigkeitsstrahles 63
§ 12. Innere Krafte . 65
§ 13. AnBere Krafte 67
Inhaltsverzeichnis TX
Seile
§ 14. Dynamik del' Tropfen. . . . 70
§ 15. Mittlerer Tl'opfendurchmesser. 74
§ 16. Eindringt.iefe des Strahles . . 78
§ 17. Kegelwinkel des Strahles 83
a.) EinfluB des Gegendruckes auf den Kegelwinkel des Strahles 83
b) EinfluB des Diisenbohrungsdurchmessers auf den Kegelwinkel
des Strahles. . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
c) EinfluB des Einspritzdruokes auf den Strahlwinkel 85
§ 18. Aufspritzen von Kraftstoffstrahlen . . 86
§ 19. Verteilung des Kraftstoffes im Strahl. 88
III. Verdampfungsprozesse der Brennstofftropfen . 92
§ 20. Warmeiibel·tragung an Tropfen. 92
§ 21. Erwarmung del' Tropfen. . . . 94
§ 22. Allgemeine Gesetze del' Verdampfung . 97
§ 23. Verdampfung und Diffusion . . . 99
§ 24. VerdampfungsprozeB del' Tropfen. 100
§ 25. Verdampfung in einer Luftstriimung 1O:~
§ 26. Isotherm{'l' VerdampfungsprozeB von Tropfell 106
§ 27. Verdampfungsfahigkeit von Dieselkraftstoffen 115
§ 2S. EinfluB del' Verdampfungsfahigkeit des Kraftstoffes auf den
ArbeitsprozeB . . . . . . 120
IV. Verbrennung im Dieselmotor . 122
§ 29. Allgemeines iiber den Verbrennungsvorgang 122
§ 30. Verbrennungsphasen im Dieselmotor . . . 123
§ 31. Entflammung von Kohlenwasserstoff·Luft·Gemisohen . 128
a) Kettenartige thermisehe Entflammung . . . . . . 128
b) Entflammung in versohiedenen Temperaturgebieten 129
0) Kaltflammenprozesse . . . . . . . . . . . . . . 130
d) Entflammung von homogenen und heterogenen Gemisohen. 137
e) Entflammung und Verbrpnnung im MAN·M·Motor 13S
§ 32. Ziindverzug im Dieselmotol' . . . . . . . . . . . . . . .. 142
*
33. EinflllB physikalisoh-ohemisc1lPl' nnd hydrodynamischer .Faktoren
auf den Entflammungs- und Vel'bl'ennungsprozeB ] 47
a) EinfluB del' Anfangstemppratllr l4tl
b) EinfluB des Anfangsdruokes . 150
0) Homogenitat des Gemisches. . 151
d) Hydrodynamische Faktoren . . 153
§ 34. Verbrennungsgeschwindigkeit. Bereohnung des Indikatordiagramms 153
§ 35. Berechnung des Warmeentwicklungsgesetzes in unterteilten Brenn-
raumen. Verfahren von CSOKA. 159
§ 36. Dynamische Zykluskennwerte .. 165
Silkei, Kraftstoffaufbereitung
x
J nhalt HverzcichniH
Scitc
V. HllIuisdlbildllngsablauf in verscbiedenen Bl'ennriilllllen . 167
§ 37. Allgemeines tiber die Gemischbildung . . . 167
§ 38. Brennraume mit unmittelbarer Einspritzung 170
a) KompressionsverhiUtnis . . . . . . . . 170
b) Teilungsverhaltnis bei Kolbenkammermotoren 171
c) EinfluB der Brennraumgestaltung auf die Gemischbildung 172
d) Dtisenkonstruktionen 178
e) Neigungswinkel der Dtise 180
f) EinfluB des Einspritzgesetzes 182
g) Querschnitt der Kolbenmulde 183
§ 39. Wirbelkammermotoren . . . . . 186
a) Allgemeine Fragen zur Gemischbildung 186
b) Berechnung der Stromungsvorgange in der Wirbelkammer 190
§ 40. Vorkammermotoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 195
a) Kennzeichen des Vorkammerverfahrens . . . . . . . .. 195
b) Berechnung der Striimungsgeschwindigkeit im Verbindungskanal 198
§ 41. Energiebedarf und Wirtschaftlichkeit der einzelnen Gemischbildungs.
verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
a) Bewegungsenergie des Strahles . . . . . . . . . . . . 204
b) Gemischbildungsarbeit wahrend des Kompressionshubes . 205
c) Gemischbildungsarbeit wahrend des Ausblasens. . . . . 207
d) Wirtschaftlichkeit der Gemischbildungsverfahren . . . . 208
§ 42. Charakteristische Eigenarten der Gemischbildung bei veranderlicher
Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
a) Kennzahlen der veranderlichen Belastung . . . . . . . . . . 210
b) Berechnung der Drehzahlschwankungen und der LeistungBver
minderung bei veranderlicher Belastung. . . . . . . . . . . 211
c) Anderung der indizierten Kennwerte des Kreisprozesses bei ver
anderlicher Belastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
d) Anfahrvorgang von Schleppern und Fahrzeugen ....... 214
Anbang. Warmephysikalische Eigenschaften von verschiedenen Kraftstoffen
in Abhangigkeit von der Temperatur 215
Litl'ratufVl'rzei('lmis 220
Sacbverzeicbnis . . 223
Haufig verwendete Bezeichnungen
(l die Schallgeschwindigkeit p~ der Druck im Druckventilraum
C die Fliissigkeitsgeschwindigkeit, die p. der Druck im Saugraum der Pump!',
Konzentration der gesattigte Dampfdruck
Co die Geschwindigkeit in den Saug p. der Zylinderdruck
und Riickstrombohrungen S die Eindringtiefe des Strahles
Cd die Geschwindigkeit in der Diisen die Zeit
bohrung Ve der Verdichtungsraum
Ck die Geschwindigkeit des Pumpen Vader Rauminhalt der Diise
kolbens VA das Hubvolumen
c, die Geschwindigkeit im Druckrohr V der Rauminhalt des Pumpen.
k
c. die Konzentration des gesattigten raumes
Dampfes V~ der Rauminhalt des Druckventil-
Cv die Geschwindigkeit des Druck- raumes
ventils V, der Rauminhalt der Druckleitung
de der Diisenbohrungsdurchmesser w die AusfluBgeschwindigkeit
dm der mittlere Tropfendurchmesser x der verbrannte Teil des Brenn
d. der Durchmesser des Strahles stoffes, die Langenkoordinate
dp der Tropfendurchmesser '" der Zusammendriickbarkeitsfaktor,
D der Diffusionskoeffizient die Oberflachenspannung, die
E die Aktivierungsenergie Warmeiibergangszahl, die Luft
10 der Querschnitt der Saug- und iiberschuBzahl
R iickstrombohrungen fJ die Verdampfungszahl
la der Querschnitt der Diisenbohrung Yb das spez. Gewicht des Brennstoffes
Ik der Querschnitt des Pumpen Yk das spez. Gewicht des Mediums
kolbens 8 die :Federkonstante der Druck-
v
I, der Querschnitt der Druckleitung ventilfeder
Iv der Querschnitt des Druckventils e das Verdichtungsverhaltnis
Fe der Kolbenquerschnitt ({Jk der Widerstandsbeiwert der Tropfen
F", der Muldenquerschnitt im Kolben Vk die kinematische Viskositat des
h die Verriickung des Pumpenkol- Mediums
bens A die Warmeleitfiihigkeit
h. die Verriickung des Druckventils A, der Reibungsfaktor
k der hydraulische Widerstandsbei Ilb die Dichte des Brennstoffes
wert, die Geschwindigkeitskon Ilk die Dichte des Mediums
stante 110 die DurchfluBzahl der Saug- und
1/ die Verdampfungswiirme Hiickstrombohrungen
L die Lange der Druckleitung I1d die Durchfluflzahl der Diisen
Lo der theoretische Luftbedarf bohrung
n die Drehzahl, die Verteilungs- 11.. die Durchfluflzahl des Querschnit-
kennziffer tes unter der Nadel
F der Druck 11 die Viskositat
Fd der Druck in der Diise {}k die Temperatur des Mediums
Fe der mittlere effektive Druck Op die Temperatur der Tropfen
Fk der Druck im Pumpenraum, der der Ziindverzug
Tj
Druck in der Vor- bzw. Wirbel Wk die Wirbelzahl
kammer Q die relative Wirbelzahl