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Über dieses Buch

Dieses etwas andere Lehrbuch führt in die Berechnung von Verbrennungsmotoren ein, indem es von aktuellen Fragestellungen z. B. der Fahrzeugdynamik oder Motorthermodynamik ausgeht und bei der Lösung die notwendige Theorie herleitet. Damit man in das Buch auch quer einsteigen kann, ist in einem eigenen Verzeichnis aufgeführt, welche theoretischen Kenntnisse man für die Lösung der jeweiligen Aufgabe benötigt und in welchem Abschnitt des Buches diese hergeleitet wurden. Alle Berechnungen werden in Excel durchgeführt. In der aktuellen Auflage wurden 20 völlig neue Fragestellungen mit aufgenommen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Fahrwiderstand und Motorleistung

Zusammenfassung
Verbrennungsmotoren werden in ganz unterschiedlichen Bereichen eingesetzt. Mit unterschiedlichen Motorgrößen findet man sie in Rasenmähern, Motorrädern, Pkw und Lkw, in landwirtschaftlichen Fahrzeugen, Lokomotiven, Schiffen und im Bereich der Energieversorgung. Die Berechnung der Verbrennungsmotoren ist weitgehend unabhängig vom Anwendungsfall. Im vorliegenden Buch werden im Allgemeinen Beispiele aus dem Bereich der Pkw verwendet, weil diese Anwendung den meisten Lesern geläufig ist. Die physikalischen Gleichungen gelten aber auch für die anderen Anwendungsarten.
In diesem ersten Kapitel des Buches geht es um die Frage, wie man den Leistungsbedarf eines Kraftfahrzeuges berechnen kann. Daraus ergibt sich dann automatisch die Leistung, die der Motor bereitstellen muss.
Klaus Schreiner

2. Kraftstoffe und Stöchiometrie

Zusammenfassung
Jeder Verbrennungsmotor verbrennt Kraftstoff. Dabei wird versucht, einen möglichst großen Teil der Kraftstoffenergie in mechanische Arbeit umzuwandeln. Egal, ob es sich beim Kraftstoff um Benzin, Diesel, Bioethanol oder Wasserstoff handelt, für die Verbrennung wird Sauerstoff (O2) benötigt. Dazu wird Luft angesaugt. Von dieser Luft wird aber nur der Sauerstoff verwendet. Alle anderen Bestandteile strömen weitgehend unbeteiligt durch den Motor und finden sich im Abgas wieder. Im ungünstigen Fall reagieren kleine Luft-Stickstoffmengen (N2) mit dem Luft-Sauerstoff zu unerwünschten Stickoxiden (NOx).
Der im Kraftstoff enthaltene Kohlenstoff reagiert mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO2). Der im Kraftstoff enthaltene Wasserstoff reagiert zu Wasser (H2O). In Abhängigkeit von den Kohlenstoff- und Wasserstoffanteilen im Kraftstoff entstehen mehr oder weniger große Mengen an CO2 und H2O. Nur bei reinem Wasserstoff als Kraftstoff entsteht kein Kohlendioxid. Bei allen anderen Kraftstoffen muss CO2 gebildet werden. Dieses CO2 kann bei einem gegebenen Kraftstoff nur dadurch verringert werden, dass
man weniger Kraftstoff verbrennt.
Klaus Schreiner

3. Motorleistung und Mitteldruck

Zusammenfassung
Die Leistung eines Motors ist für den Kunden, der ein neues Fahrzeug kaufen möchte, eine der wichtigsten Größen und wird in jedem Fahrzeugprospekt angegeben. Letztlich sagt sie aber aus verbrennungsmotorischer Sicht nur wenig über den Motor aus. In den folgenden Kapiteln wird deswegen ein Qualitätsmerkmal für Verbrennungsmotoren eingeführt: der Mitteldruck. Mit ihm lassen sich die unterschiedlichsten Motoren miteinander vergleichen.
Wenn man die Leistung steigern möchte, dann muss man mehr Kraftstoff verbrennen. Zur Beurteilung der Qualität der Energieumwandlung vom Kraftstoff bis zur Kurbelwelle wird ein weiteres Qualitätsmerkmal eingeführt: der effektive spezifische Kraftstoffverbrauch.
Mehr Kraftstoff benötigt zur Verbrennung mehr Luft. Deswegen kommt dem Ladungswechsel, mit dessen Hilfe die Abgase aus dem Motor geholt und die Frischladung zugeführt wird, eine große Bedeutung zu. Zur Beurteilung des Ladungswechsels wird ein drittes Qualitätsmerkmal eingeführt: der Luftaufwand.
Klaus Schreiner

4. Motorthermodynamik

Zusammenfassung
Die Leistung und der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors können mit den Methoden der Thermodynamik berechnet werden. Im Kap. 4 werden die entsprechenden Methoden vorgestellt. Diese Berechnungen lassen sich nur unter sehr idealisierten Annahmen mit einfachen Mitteln durchführen. Wenn man einen Motor so genau wie möglich thermodynamisch berechnen möchte, dann muss man sehr aufwändige Programmsysteme verwenden. Im Kap. 4 wird auch gezeigt, wie man Motorinformationen, die in Autozeitschriften zu finden sind, thermodynamisch auswerten kann.
Klaus Schreiner

5. Motormechanik

Zusammenfassung
Im Kap. 4 wurde die thermodynamische Berechnung von Verbrennungsmotoren behandelt. Nun folgt die mechanische Berechnung. Kennzeichen aller Hubkolbenmotoren ist der oszillierende Kolben. Dabei handelt es sich um eine Masse, die ständig in Bewegung ist und dabei beschleunigt und abgebremst wird. Entsprechend große Massenträgheitskräfte werden auf die Bauteile ausgeübt. Wie man diese Kräfte berechnet, wird im Folgenden gezeigt. Der Verbrennungsmotor hat nicht nur den Kolben, sondern auch andere Bauteile, die ständig im Arbeitstakt bewegt werden. Das sind vor allem die Ein- und Auslassventile sowie die Einspritzventile. Die folgenden Beispiele beschäftigen sich auch mit der Bewegung der Ladungswechselventile.
Klaus Schreiner

6. Fahrzeugdynamik

Zusammenfassung
Im Kap. 1 wurden erste Beispiele zum Leistungsbedarf eines Fahrzeuges bei konstanter Geschwindigkeit berechnet. Nun sollen auch Beschleunigungen und Betriebsweisen im Kennfeld des Motors untersucht werden. Besonders ausführlich werden Beispiele zum Neuen Europäischen Fahrzyklus behandelt. Die Berechnungen sind teilweise sehr aufwändig. In den Excel-Tabellen sind sie aber komplett durchgerechnet, sodass sich die Leserin und der Leser diese Arbeiten ersparen können.
Klaus Schreiner

7. Hybrid- und Elektrofahrzeuge

Zusammenfassung
Auch wenn sich das Buch im Wesentlichen mit Verbrennungsmotoren beschäftigt, sollen im Kap. 7 auch einige Beispiele aus dem Bereich der Elektromotoren behandelt werden. Immerhin beherrschen sie momentan die Mobilitätsdiskussionen in der Öffentlichkeit.
In Kap. 7 geht es um die Kosten für Batterien und um die Reichweite von Elektrofahrzeugen. Es werden drei verschiedene Hybridkonzepte vorgestellt. Für Hybridfahrzeuge, deren Batterien man zusätzlich an der Steckdose aufladen kann, wird die EU-Methode vorgestellt, wie der Kraftstoffverbrauch berechnet wird. Am Ende von Kap. 7 wird eine Studie aus dem Jahr 2000 vorgestellt, an die sich die Realität nicht gehalten hat. Es wird spannend werden, ob die heutigen Prognosen über die zukünftigen Antriebskonzepte die Zukunft zuverlässiger vorhersagen können.
Klaus Schreiner

8. Aufladung von Verbrennungsmotoren

Zusammenfassung
Im Kap. 3 wurde ausführlich gezeigt, dass bei heutigen Pkw die Entwicklung eindeutig hin zu aufgeladenen Motoren geht. Im Kap. 8 sollen nun einige leichtere Beispiele aus dem Bereich der Aufladung berechnet werden. Für weitergehende Berechnungen wird auf die Bücher von Golloch [18] und Hiereth [42] verwiesen. Letztlich kann man die heutigen komplexen Aufladesysteme nur mit umfangreichen thermodynamischen Berechnungen zuverlässig auslegen.
Klaus Schreiner

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