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Dieselmotor

weitere Buchkapitel

Kapitel 2. Technische Betrachtung

Die Forschung und Entwicklung des automobilen Sektors legt derzeit einen Schwerpunkt auf das Thema Nachhaltigkeit und fokussiert somit alternative Antriebskonzepte und Kraftstoffe. Dies führt zu einer Vielzahl von Technologien und Innovationen. Basierend auf den motorsportspezifischen Anforderungen und Rahmenbedingungen wird diese Vielfalt im Folgenden untersucht und mithilfe technischer Kriterien hinsichtlich Rundenzeitperformance bewertet.

Lea Schwarz

Kapitel 1. Einleitung

Durch die Problematik des Klimawandels wird die Verwendung fossiler Energieträger und damit auch die des Verbrennungsmotors zunehmend infrage gestellt. Dies zeigte sich in den durch den Gesetzgeber stetig verschärften Zielvorgaben für die Emission von Kohlenstoffdioxid (CO2). So liegt die von der EU für das Jahr 2020 beschlossene Zielvorgabe der CO2-Emissionen bei 95 gkm-1 für den Flottendurchschnitt der von einem Hersteller produzierten Fahrzeuge [64].

Hans Römisch

Kapitel 3. Grundlagen

Auf Daniel Bernoulli geht die Beschreibung einer stationären reibungsfreien und inkompressiblen Strömung entlang eines Stromfadens zurück, die er 1738 in seiner Hydrodynamika [3] veröffentlichte [63]. Sie stellt als Spezialfall desselben eine Vorwegnahme des Ersten Hauptsatzes der Thermodynamik dar, welcher jedoch erst über 100 Jahre später von Julius Mayer, James Prescott Joule und Hermann von Helmholtz formuliert wurde [38]. Danach setzt sich die konstante Gesamtenergie eines Fluidelements nach Gleichung 3.1.

Hans Römisch

Temporarily free

2. Anwendungsgebiete neuer Werkstoffe

Die auf globale Nachfrage aus der Wirtschaft ausgerichteten Hochtechnologiebereiche wie Maschinenbau, Energie- und Elektrotechnik, Straßenfahrzeugbau, Luft- und Raumfahrttechnik, Messtechnik und Medizintechnik führen uns zu den wichtigsten Anwendungsfeldern neuer Werkstoffe. Die ◘ Tab. 2.1 enthält diese Anwendungsfelder.

Hansgeorg Hofmann, Jürgen Spindler

Kapitel 5. Streckenmodell für Verbrennungsmotoren

Je nach Simulationsanforderung und Zweck findet das Gesamtsystemmodell mit unterschiedlichen Komplexitätsstufen in Bezug auf Modellierung des Verbrennungsmotors Einsatz (siehe Kapitel 6 und 7).

Jing Cheng

Kapitel 2. Stand der Technik

Die Verbrennung im Verbrennungsmotor ist ein schneller Oxidationsprozess des Kraftstoffs wobei die Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemischs für eine stabile Verbrennung essentiell ist. Fahrzeugmotoren lassen sich nach äußerer und innerer Gemischbildung unterscheiden. Äußere Gemischbildung findet typischerweise im Ottomotor mit Kanaleinspritzung statt.

Jing Cheng

Kapitel 7. Simulation mit optimierender Betriebsstrategie

Wie in Kapitel 2.2.3 erläutert, kommen kausale oder nicht-kausale Optimierungsansätze zum Einsatz, je nachdem ob die Streckeninformation in der Zukunft verfügbar ist. Kausale Optimierungsansätze sind auch als Online-Optimierung, nicht-kausalen Optimierungsansätze als Offline-Optimierung bekannt. Die Online-Optimierung findet oft in der Praxis Anwendung. Sie benötigt keine oder wenige Informationen über die zukünftige Strecke.

Jing Cheng

3. Klassische Mikroökonomik

Wie das Pareto-Kriterium verdeutlicht, bedeutet Allokationseffizienz effizientes Handeln auf mehreren Ebenen. Mit anderen Worten: Sämtliche Wirtschaftssubjekte handeln im Sinne des ökonomischen Effizienzgedankens. In diesem Zusammenhang wird erstmals der (vereinfachte) Wirtschaftskreislauf deutlich, in dem Unternehmen und Haushalte eigennutzorientiert und trotzdem zum Wohle der Allgemeinheit handeln. Wie Adam Smith bereits betonte, lenkt der Marktmechanismus – wie eine unsichtbare Hand – das Handeln der Marktakteure in eine sozial wünschenswerte Richtung. Zu Wirtschaftwachstum kommt es, weil Haushalte und Unternehmen über den Markt interagieren.

Marc Scheufen

Kapitel 18. Das große Missverständnis

Das große Missverständnis der Wissensverarbeitung auf dem Computer ist der Glaube, dass man ohne Wissenssubjekt auskommt. Selbst die sprachlichen Symbole der Prädikatenlogik haben für sich genommen keine Bedeutung, sie gewinnen Bedeutung erst druch eine semantische Zuordnung zu den je konkreten Relationen und Funktionen des betrachteten Bereichs. Diese Zuordnung findet jedoch außerhalb des Kalküls der Prädikatenlogik statt. Darum ist der Computer außerstande über den Sinn oder Unsinn von Datenhaufen zu entscheiden.

Wolf Zimmer

5. Zukunft ist Innovation

Wer nicht innoviert, verliert

Innovationsstärke ist ein Schlüsselfaktor für zukünftigen und nachhaltigen unternehmerischen Erfolg. In vielen kleinen und mittleren Unternehmen ist diese Stärke jedoch nur schwach ausgeprägt. Viele Betriebe hängen zu sehr und zu lange an Altem, Tradiertem, Überholtem. Entscheidend für Innovationsstärke ist die Motivation zur Innovation, das Abstellen automatischer Bremsreflexe und regelmäßig über den eigenen Schatten zu springen. Das Kapitel zeigt den richtigen Zeitpunkt für Innovation, erklärt den Unterschied zwischen Produkt- und Prozessinnovation und lüftet mit Ideen-Transfer und Adaption zwei Geheimnisse erfolgreicher Innovation.

Cordula Grimm

8. Drehbewegungen

Drehbewegungen sind allgegenwärtig: Die Erde rotiert um ihre Achse, genauso wie Propeller, Antriebswellen in Autos und Eisläufer bei einer Pirouette sich um ihre Achsen drehen. In diesem Kapitel werden wir Gesetze für die Drehbewegung entwickeln, die den Gesetzen der vorangegangenen Kapitel ähnlich sind.Das im Jahr 2000 in Betrieb gegangene „London Eye“ ist mit einer Höhe von 135 m das größte Riesenrad Europas. Es kann bis zu 800 Passagiere befördern. (© Byjeng/Getty Images/iStock.)? Welches Drehmoment braucht man zum Stoppen des Rads, wenn die Passagiere beim Stoppen des Rads noch 10 m zurücklegen sollen? (Siehe Übung 8.7.)

Peter Kersten, Jenny Wagner, Paul A. Tipler, Gene Mosca

Kapitel 12. Zustandsänderungen und Kreisprozesse

Wir haben jetzt endlich alle Werkzeuge zusammen, um Zustandsänderungen zu betrachten. Ein Beispiel für eine Zustandsänderung wäredas Komprimieren eines Gases wie in Abbildung 12.1. Es handelt sich also einfach gesagt um Änderungen in den makroskopischen Größen (etwa das Volumen), die ein thermodynamisches System (etwa ein Gas) definieren. Dabei wollen wir sehen, wie sich Gase unter Änderungen dieser Größen verhalten.

Christoph Kommer, Tim Tugendhat, Niklas Wahl

Die normativen Grundlagen starker und schwacher Akzeptabilitätskonzepte

Hindernisse sozio-technischer Transformationsprozesse sollen meist durch prospektive Untersuchungen zur Sozialverträglichkeit geplanter Maßnahmen (Akzeptanzforschung) sowie das Einbeziehen der Betroffenen (Partizipation) überwunden werden. Diesem empirisch-sozialwissenschaftlichem Vorgehen werden seitens der Philosophie zu Recht Unzulänglichkeiten vorgeworfen und das normative Konzept der ‚Akzeptabilität‘ entgegengehalten. Damit ist in seiner starken Lesart ein Begriff gemeint, der die Akzeptanz von risikobehafteten Optionen mittels rationaler Kriterien des Handelns festlegt. Unter Praxisbedingungen kann ein solches Akzeptabilitätsverständnis jedoch nicht vollends überzeugen. Bleibt der philosophische Anspruch, das Gestalten der erforderlichen Transformationsprozesse nicht der Willkür potenziell irrationaler und manipulierbarer Akzeptanzlagen überlassen zu wollen, damit uneinlösbar? Nicht unbedingt! Unter anderem Christoph Hubig und Klaus Kornwachs argumentieren für ein schwächeres Verständnis von Akzeptabilität im Sinne einer bloßen „Akzeptanzfähigkeit“. Damit lassen sich schwerwiegende Probleme starker Akzeptabilitätskonzepte vermeiden und Rahmenbedingungen für die Systemgestaltung in Form von Akzeptabilitätskriterien rechtfertigen.

Armin Bangert

Das Wertschöpfungssystem „Automobil“ im Umbruch

Soziale und ökologische Transformation zusammendenken

Die Automobilindustrie steht vor einer Vielzahl an Herausforderungen, die einen erhöhten und beschleunigten Transformationsdruck erzeugen. Welche Rolle die beschäftigungspolitisch bedeutsame Zulieferindustrie dabei spielt, wird kaum thematisiert und ist bislang wenig erforscht. Der Beitrag präsentiert die Ergebnisse einer aktuellen empirischen Studie, in der am Beispiel Thüringens untersucht wurde, ob und wie die neuen Herausforderungen in den Zulieferunternehmen diskutiert und verhandelt werden, auf welche Weise sich betriebliche und überbetriebliche Akteure strategisch damit auseinandersetzen und wie zukunftsfähig die überwiegend nachrangig in der Wertschöpfungskette positionierten Unternehmen sind. Dabei zeigt sich, dass viele Unternehmen den Anpassungsdruck allein nicht bewältigen können. Es drohen erhebliche Beschäftigungsverluste und in der Folge soziale Verwerfungen. Um dem sozialökologischen Transformationskonflikt zu begegnen, ist ein Zusammendenken von beschäftigungs-, industrie- und umweltpolitischen Zielen notwendig.

Karina Becker, Martin Ehrlich, Madeleine Holzschuh, Thomas Engel, Johanna Sittel

9. Anfahrelemente

Der Verbrennungsmotor weist eine Mindestdrehzahl (Leerlaufdrehzahl) auf. Zum Anfahren aus dem Fahrzeugstillstand muss die Drehzahllücke zwischen der niedrigsten Motorbetriebsdrehzahl und der stillstehenden Getriebeeingangswelle durch einen Drehzahlwandler geschlossen werden. Neben dem Anfahrvorgang ist die Schwingungsentkopplung eine zweite wichtige Funktion der Anfahrelemente. In Abschn. 9.1 wird der Aufbau von Trockenkupplungen, deren wesentlichen Komponenten sowie Grundzüge ihrer Auslegung mit den dazugehörenden Kennwerten behandelt. Nasslaufende Anfahrkupplungen (Abschn. 9.2) weisen gegenüber Trockenkupplungen einen technisch höheren Aufwand durch die benötigte Ölversorgung auf. Nasslaufende Anfahrkupplungen sind in der Regel in Lamellenbauweise ausgeführt (siehe Abschn. 8.4 „Lamellenkupplungen“ und Abschn. 10.4 „Ölversorgung“). Doppelkupplungen (Abschn. 9.3) sind zwei unabhängig voneinander betätigte Kupplungen, die jeweils eines von zwei autarken Teilgetrieben eines Doppelkupplungsgetriebes bedienen und sowohl trocken als auch nasslaufend ausgeführt werden. Der hydrodynamische Drehmomentwandler ist das Standard-Anfahrelement bei konventionellen Automatgetrieben. Er ist nicht nur ein Drehzahlwandler (Kupplung), sondern ein Drehzahl-/Drehmomentwandler (Getriebe). In Abschn. 9.4 wird die Theorie, praktische Auslegung mit Kennwerten sowie die konstruktive Umsetzung der hydrodynamischen Drehmomentwandler vorgestellt.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

3. Leistungsbedarf und Leistungsangebot

Das Fahrzeuggetriebe ist Mittler zwischen Motor und Antriebsrädern. Durch Drehmoment- und Drehzahlwandlung passt das Getriebe das Leistungsangebot dem Leistungsbedarf an. Der Leistungsbedarf wird durch die Fahrwiderstände bestimmt. In Abschn. 3.1 wird deren Berechnung gezeigt. Die Fahrwiderstände müssen vom Antriebsaggregat in Zusammenarbeit mit den übrigen Komponenten des Antriebsstrangs überwunden werden. Hierfür kann der Antrieb eines Fahrzeugs aus einer Vielzahl von Kombinationen aus energiespeichernden, energie- und kennungswandelnden Komponenten zusammengesetzt werden (Abschn. 3.2). Antriebe in Kraftfahrzeugen sind: Verbrennungsmotoren, Elektromotoren und Hybridantriebe. Das eingesetzte Antriebsaggregat bestimmt den nachfolgenden Antriebsstrang in seinen Baugruppen und deren Auslegung entscheidend. Daher werden die charakteristischen Kennwerte und Kennlinien von Verbrennungsmotoren (Abschn. 3.3) und von Elektromotoren (Abschn. 3.4.) vorgestellt und erörtert.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

1. Einführung

Kein Kraftfahrzeug ohne Getriebe! Fahrzeuggetriebe für Pkw und Nkw sind komplexe mechatronische Serienprodukte. Aufgabe eines Fahrzeuggetriebes ist es, durch Drehmoment- und Drehzahlwandlung das Zugkraftangebot des Antriebsaggregats fahrzeug-, strecken-, fahrer- und umweltgerecht an den Antriebsrädern bereitzustellen. Das Getriebe bestimmt entscheidend Zuverlässigkeit, Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch, Emissionen, Bedienungsfreundlichkeit, Verkehrssicherheit sowie Fahr- und Transportleistung von Pkw und Nkw. Dieses Buch will den Entwicklungsprozess für Fahrzeuggetriebe in seiner Gesamtheit darstellen. Es will Gedankengänge vermitteln, die über die reine Auslegung der Bauteile hinausgehen. Aus der Vergangenheit für die Zukunft lernen! Entwicklungsingenieure sollten einen Überblick über die historische Entwicklung ihrer Produkte haben. Sie können dann abschätzen, welche Entwicklungsschritte noch möglich sind, bzw. welche Technologiehöhe die gegenwärtige Produktentwicklung aufweist. Neben einer allgemeinen Einführung zeigt dieses Kapitel die Geschichte der Fahrzeuggetriebe und gibt einen Überblick über deren Basisinnovationen und Entwicklungsschritte.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

4. Kennungswandler – Wahl der Übersetzungen

Bei der Ausarbeitung des Getriebekonzepts ist es notwendig, die maximale und minimale Übersetzung, d.h. die Spreizung des Getriebes, festzulegen. Danach folgt die Auswahl der Zwischengänge. Die Kap. 4 und 5 behandeln die Ermittlung dieser wichtigen Eckdaten von Getrieben. Sie sind die Basis für die Berechnung, Grob- und Feingestaltung von Bauteilen. Nach einigen einführenden Definitionen werden in Abschn. 4.2 und 4.3 die Kriterien und die Vorgehensweise für die Wahl der Gangübersetzungen von Getrieben für Verbrennungsmotoren gezeigt. Die Größen der Gangübersetzungen werden durch physi-kalische, nicht zuletzt aber durch praktisch sinnvolle Grenzen bestimmt und sind vom Einsatzzweck abhängig. Auf Übersetzungen und ihre Änderung bei Stufenlosgetrieben geht Abschn. 4.4 ein. Die Bestimmung der Übersetzungen für Elektroantriebe zeigt Abschn. 4.5.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

11. Beispiele ausgeführter Konstruktionen von Fahrzeuggetrieben

In diesem Kapitel werden exemplarisch Getriebekonstruktionen vorgestellt, ihr konstruktiver Aufbau besprochen, Funktionen erläutert und interessante Lösungen beschrieben. Die in den vorderen Kapiteln behandelte Theorie zu Getriebekonzepten sowie zur Auslegung und Gestaltung von Komponenten und Teilsystemen soll nun hier anhand ausgeführter Serienkonstruktionen griffig werden. Es ist nicht das Ziel, die neuesten und allerletzten Entwicklungen zu zeigen, vielmehr soll das Grundlegende und Allgemeingültige herausgearbeitet werden. Abschn. 11.1 beschäftigt sich mit 32 verschiedenen Pkw-Getrieben. Es werden quer und längs eingebaute Getriebe unterschiedlicher Ausführungen und Hersteller vorgestellt, eingeteilt in Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) und verschiedene Konfigurationen von Hybridantrieben sowie reinen E-Antrieben. Abschn. 11.2 geht dann auf 22 verschiedene Nkw-Getriebe ein und zeigt die ganze Bandbreite von MT, AMT, DCT, AT, CVT sowie Hybridantriebe und reine E-Antriebe. Zur leichteren Orientierung ist zu Beginn des Pkw- und Nkw-Teils eine Übersichtstabelle mit den vorgestellten Getrieben abgebildet. In Abschn. 11.3 werden ausgeführte Achsgetriebe von Pkw und Nkw vorgestellt sowie verschiedene Differentialgetriebe und Sperrdifferentiale. Im Abschn. 11.4 werden schließlich ausgewählte Teile des Allradantriebs gezeigt. Bezüglich der Grundkonzepte auf denen die ausgeführten Konstruktionen dieses Kapitels basieren sei auf die Getriebeschemata in Kap. 6 verwiesen.

Dr.-Ing. Harald Naunheimer, Prof. Dr.-Ing. Bernd Bertsche, Dr.-Ing. Joachim Ryborz, Dr.-Ing. Wolfgang Novak, Dr.-Ing. Peter Fietkau

13. Kupplungen und Bremsen

Herbert Wittel, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek, Christian Spura

Kapitel 5. Untersuchung B – Vergleichsfahrten

Die Untersuchung B befasst sich mit dem Tank-to-Wheel-Energiebedarf von elektrisch und konventionell angetriebenen Fahrzeugen in unterschiedlichen Fahrsituationen. Im Fokus stehen der Einfluss der Fahrumgebung, der Fahrweise, der Außentemperatur, dem Verkehrsaufkommen, der Beladung und des Kaltstarts. Die Ausführungen in Kapitel 3 lassen erwarten, dass sich viele Verbrauchsfaktoren unterschiedlich auf die beiden Fahrzeugtypen auswirken. Die Methodik, die zunächst vorgestellt wird, umfasst die Durchführung von Vergleichsfahrten mit einem batterieelektrisch angetriebenen und einem verbrennungsmotorisch angetriebenen Pkw.

Andreas Braun

Kapitel 2. Stand der Technik

Elektrische Kraftfahrzeuge verwenden für den Vortrieb wenigstens teilweise elektrische Energie. Die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie erfolgt mittels Elektromotor. Verschiedene Typen elektrischer Kraftfahrzeuge unterscheiden sich insbesondere im Grad der Elektrifizierung.

Andreas Braun

13. Kupplungen und Bremsen

Herbert Wittel, Dieter Jannasch, Christian Spura

Kapitel 5. Reale Energiewandlungsprozesse und deren Grenzen

Wir erleben in unserem Alltag, wie permanent Energie umgewandelt wird: Holz verbrennt und es wird Wärme abgegeben. Strom wird zu Licht (Lampe) und Licht wird zu Strom (Photovoltaik). Der Kühlschrank stellt Kälte bereit und nimmt dabei Strom auf; im Kraftwerk hingegen wird Verbrennungswärme in Strom umgewandelt, der im Küchenmixer Arbeit verrichtet. Dieses Kapitel benennt und erklärt verschiedene Wandlungsprozesse und zeigt gleichzeitig Ihre praktischen und theoretischen Grenzen auf.

Martin Buchholz

Kapitel 1. Die quantendigitale Zukunft

Als vor gut 200 Jahren die industrielle RevolutionRevolution industrielle einsetzte, bedeutete sie weltweite Veränderungen. Damit verbunden war eine tief greifende Umgestaltung der wirtschaftlichen und sozialen Verhältnisse, was die Entwicklung von Produktivität, Technik und Wissenschaft stark beschleunigte. Im Nebenaspekt ergaben sich aber auch eine Reihe von gesellschaftlichen Problemen, verbunden mit Arbeiterunruhen, die Regulierungen und soziale Reformen notwendig machten. Nun, im 21. Jahrhundert, steht der Mensch vor einer ähnlich epochalen Veränderung. Während damals die Muskelkraft durch die Dampfmaschine ersetzt wurde, lebt der Mensch nunmehr im digitalen Zeitalter, wo der Mikrochip sich anschickt, die geistige Arbeit zu substituieren.

Gösta Fürnkranz

Kapitel 3. Forschungsstand – Stereotype-Untersuchungen im deutschsprachigen Raum

Bevor eine Betrachtung der bisherigen Stereotype-Untersuchungen im deutschsprachigen Raum erfolgt, soll zuvor kurz auf den Forschungsstand im anglophonen Raum eingegangen werden. Oakes/Haslam/Turner (1994) bezeichnen die Studien von Lippmann (1990/1922), Katz/Braly (1933), Adorno et al. (1950), Allport (1971/1954), Sherif (1967), Tajfel (1969), Hamilton (1981) und Tajfel (1981) als „major milestones“ (vgl. Oakes/Haslam/Turner 1994: 8) der Stereotypenforschung fassen die genannten Publikationen in folgende Abbildung zusammen.

Stefan Ossenberg

Flex-fuel capability via advanced digital combustion rate shaping and airpath control

The worldwide four warmest years (2015-2018) since weather records began and a new peak CO2 concentration in the atmosphere [2] highlight the urgency of reducing the anthropogenic CO2 emissions. Only with the expansion of power generation from regenerative energy sources, a drastic reduction of CO2 emissions is possible. Due to the fluctuating nature of these sources, new challenges arise. The storage of larger amounts of energy needs to be realized by gaseous or liquid energy carriers [6].

Daniel Neumann, Paul Muthyala, Christian Frenken, Joschka Schaub, Christian Jörg, Matthias Kötter

Normung von Kraftstoffen und die Bedeutung für die Realisierbarkeit neuer Kraftstofflösungen

Was ist Normung? Wie für fast alles gibt es auch hier verschiedene Definitionen. Man sollte annehmen, dass die Normung selbst es am besten weiß: die ISO 45020:2007 beschreibt Normung als die Formulierung, Herausgabe und Anwendung von Regeln, Leitlinien oder Merkmalen durch eine anerkannte Organisation und deren Normengremien. Sie sollen auf den gesicherten Ergebnissen von Wissenschaft, Technik und Erfahrung basieren und auf die Förderung optimaler Vorteile für die Gesellschaft abzielen. Die Festlegungen werden mit Konsens erstellt und von einer anerkannten Institution angenommen.

Jürgen Fischer

Analysis of two engine configurations using OME as a potential CO2-neutral and low emission diesel substitute

The increasingly stringent CO2 limits of the European Union require a total elimination of greenhouse gas emissions for the transport sector by the year 2050. In addition, pollutant emissions must be further reduced in order to improve air quality, especially in urban areas. The necessary technologies for the reduction of pollutant emissions are state of the art, but must be spread over time by a renewal of the existing fleet in the market and also be further developed.

Markus Münz, Alexander Mokros, Christian Beidl

Kapitel 4. Elektrochemische Energiespeicher und typische Anwendungen

Die im vorangegangenen Kapitel vorgestellten Verfahren der elektrochemischen Energiewandlung haben zu zahlreichen Systemen geführt, die in zahllosen technischen Anwendungen elektrischer und elektronischer Geräte im Alltag unentbehrlich geworden sind. Viele dieser Anwendungen sind wegen ihres Einsatzortes oder aus anderen technischen wie persönlichen Gründen nicht aus dem Stromnetz versorgbar.

Rudolf Holze

Dynamic friction behavior of a gasoline engine in transient operation

To minimize friction in the piston group of an internal combustion engine, systematic experimental testing must be performed on a number of design variants. A vehicle simulation can be used to determine fuel and CO2 savings of each variant in a driving cycle. Despite the transient operating conditions of the driving cycles, the analysis often uses friction maps measured in steady-state operation. This article therefore investigates whether a dynamic friction behavior occurs in transient engine operation. For this purpose, specific friction measurements with defined changes in operating point are taken. It appears that after changes in engine speed or load, both increases and decreases of friction can occur temporarily in comparison with measurements in steady-state operating conditions. The sign and magnitude of these differences depend on the specific change in operating point and on the engine temperature. The observed dynamic friction effects are characterized qualitatively and explanations of the underlying mechanisms are derived. Because the dynamic friction behavior can lead to a momentary difference of 15 % compared to the stationary friction value, friction measurements in transient engine operation appear to be sensible for evaluating savings potential in a driving cycle. It can be experimentally demonstrated, however, that dynamic friction phenomena have only a relatively low influence on cumulative fuel consumption and CO2 emissions.

Tobias Funk, Holger Ehnis, Reiner Künzel, Michael Bargende

Integrated flow model with combustion and emission model for VVT Diesel engine

In this work, a previously developed quasi-dimensional charge motion and turbulence model for the diesel engines with a fully variable valve train [4] is at first extended by enclosing injection effects and modeling internal exhaust gas recirculation (iEGR). Direct injection contributes to the immense generation of turbulence but also affects adversely swirl flows, for which it is modeled both as immediate partial conversion of injection kinetic energy into turbulent kinetic energy (TKE) and as an additional moment of inertia that decelerates swirl. In order to cope with the future application of iEGR, the variability on the exhaust side is taken into account.

Qirui Yang, Michael Bargende, Michael Grill

Kapitel 3. Bivariate Verteilungen

Wenn man untersuchen möchte, wie beispielsweise Salz auf den Blutdruck wirkt, wie beim Lackieren die Trockenzeit von der Temperatur abhängt, oder wie das Einkommen und die Ausgaben für Luxusgüter zusammenhängen, benötigt man Grundgesamtheiten, bei denen an einem Objekt jeweils zwei Variablen X,Y gemessen werden. Die Urlisten haben daher zwei Spalten. Wir übernehmen die bisherigen Notationen und passen sie entsprechend an.

Prof. Dr. Christoph Weigand

4. Elektrische Maschinen

Die Energieumwandlung in umlaufenden (rotierenden) elektrischen Maschinen, sowohl in Generatoren wie in Motoren, beruht auf den im Abschn. 1.2.3 beschriebenen Wechselwirkungen zwischen der Erzeugung von Kräften bzw. Drehmomenten und von elektrischen Spannungen in Magnetfeldern. Deshalb haben Generatoren und Motoren den gleichen Aufbau. Der Elektromotor ist das Kernstück des elektrischen Antriebs, der in seinen verschiedenen Ausführungen in fast jeder industriellen Produktion, im Gewerbe und Haushalt zum Einsatz kommt. Der Generator hat eine entsprechende Bedeutung für die Erzeugung elektrischer Energie in Kraftwerken.Die Gliederung der einzelnen Maschinentypen erfolgt in der Regel zunächst nach der Stromart in Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstrommaschinen. Innerhalb dieser Aufteilung unterscheidet man dann, z. B. mit Synchron- und Asynchronmaschinen, nach der Wirkungsweise und dem Konstruktionsprinzip.Transformatoren sind ruhende elektrische Energiewandler. Auf der Grundlage des Induktionsgesetzes werden damit Wechselspannungen nach Betrag und Phasenlage geändert (umgespannt). Man unterscheidet hier Wechselstrom- und Drehstromtransformatoren (Lit. [1, 2, 3, 4, 5]).

Prof. Dr.-Ing. Rolf Fischer

Echtzeit-Simulation für RDE-System – Entwicklung und Kalibrierung

Die Zertifizierung von Personenkraftwagen basiert derzeit auf konkret definierten und reproduzierbaren Testzyklen wie zum Beispiel auf dem NEFZ. Diese werden nun kontinuierlich durch den WLTC (Worldwide Harmonized Light Duty Vehicles Testzyklus) ersetzt. Diese Tests werden auf Dynamometerprüfständen durchgeführt, wobei die Testbedingungen in sehr engen Bereichen festgelegt sind, zum Beispiel zusätzlich zu den Konditionen für Temperatur, Druck und Feuchtigkeit während des Tests ist auch der zu verwendende Kraftstoff standardisiert. Durch die Einführung der „Real Driving Emissions (RDE)“ – Gesetzgebung will man der Optimierung von Fahrzeugen für einen begrenzten Betriebsbereich entgegenwirken. Aus Kostengründen ist es nicht realistisch, ganze Entwicklungsprüffelder entsprechend den RDE Anforderungen zu erweitern, und auch nicht denkbar, die komplette Entwicklung direkt in das Fahrzeug zu verlagern. Der verstärkte Einsatz von Modell basierten Ansätzen bringt eine signifikante Reduzierung von Zeitaufwand und Kosten.

Johann Krammer

Potenziale einer Hochlast-AGR bei Pkw-Dieselmotoren

Aufgrund der von der Europäischen Union festgelegten Grenzwerte für den Emissionsausstoß von Pkw-Verbrennungsmotoren liegt der Fokus des Entwicklungsprozesses auf der Reduzierung der gesetzlich limitierten Schadstoffemissionen, ohne dabei durch die getroffenen Maßnahmen den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.

Peter Eilts, Marcel Müller

FlexWork – Lastregelung bei einem Motor mit elektrohydraulischem, vollvariablem Ventiltrieb

Niedrige CO2-Emissionen zu erreichen, ist ein wichtiges Ziel für alle Automobilhersteller, um massive Strafzahlungen zu verhindern. Ab 2020 gilt für neu zugelassene PKW ein Flottengrenzwert von 95 g/km (für ein Referenzfahrzeug von 1372 kg), für den Zeitraum bis 2030 wird aktuell eine weitere, herstellerspezifische, relative Grenzwertabsenkung diskutiert. Der Umstieg vom alten NEFZ- zum neuen WLTP-Prüfverfahren erschwert das Erreichen der CO2-Grenzwerte zusätzlich.

Norbert Zsiga, Andyn Omanovic, Patrik Soltic, Wolfgang Schneider

OME – Diesel-Blends für niedrigere Well-to-Wheel-CO2-Emissionen in Pkw-Motoren

Synthetische Kraftstoffe, nachhaltig aus Sonnenergie hergestellt, werden zurzeit vielfältig diskutiert. Bei einer Well-to-Wheel CO2 Bilanzierung (WtW-CO2) ergeben sich hier keine oder nur sehr geringe CO2 Emissionen, da nur das im Herstellungsprozess chemisch gebundene CO2 bei der Nutzung in Verbrennungsmotoren wieder freigesetzt wird.Neben nachhaltig hergestellten, paraffinischen, und damit dem fossilen Benzin- oder Dieselkraftstoff sehr ähnlichen Kraftstoffen, sind hier auch stark sauerstoffhaltige Kraftstoffe zu nennen. Für selbstzündenden Motoren ist Oxymethylenether (OME) ein vielversprechender Kraftstoff [1]. OME zeichnet sich durch eine hervorragende Verbrennung mit niedrigsten, zum Teil unter der Messbarkeitsgrenze befindlichen Rußemissionen aus. Der thermische Wirkungsgrad ist meist im gleichen Bereich oder besser als bei der Nutzung von Dieselkraftstoff.Für eine erfolgreiche Einführung eines nachhaltigen, synthetischen Kraftstoffs, sind neben der Verwendung auch die Produktion und der Vertrieb des Kraftstoffs zu betrachten. Zurzeit sind keine ausreichenden nachhaltigen Produktionskapazitäten der oben genannten Kraftstoffe vorhanden, sodass nicht davon ausgegangen werden kann, dass in absehbarer Zeit reine Kraftstoffe zur Anwendung kommen. Daher ist ein sogenanntes Blendszenario zielführender, bei dem abhängig von der Verfügbarkeit diese nachhaltigen, synthetischen Kraftstoffe dem fossilen Kraftstoff beigemengt wird.Bei der Einführung eines neuen Kraftstoffs, auch bei der Verblendung mit bereits vorhandenem fossilen Kraftstoff, ist immer zu klären, in wieweit es zu Konsequenzen auf das gesamte Motor- und Fahrzeugsystem kommt. Grundsätzlich können aufgrund der unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kraftstoffs Kompatibilitätsprobleme mit Materialien und auch Veränderungen des Brennverfahrens und der Schadstoffemissionsbildung auftreten. Dieses muss bewertet werden und führt zu möglichen Änderungen an Hardware, Software und Kalibrationen.In der vorliegenden Arbeit wurde ein EU6d Dieselmotor mit einem OME – Diesel Blends (OME Anteil = 15 % (m/m)) im Worldwide harmonized Light-duty vehicles Test Cycle (WLTC) bewertet. In sämtlichen Versuchen ist die gesamte Motorhardware gleich geblieben. Zunächst wurde die Dieselmotorkalibration übernommen, danach wurde mit geringfügigen Anpassungen des Kraftstoff- und Luftpfades die Kalibration für den OME15 % Kraftstoff angepasst.Es zeigte sich, dass ohne Anpassung der Kalibration die Rußemissionen signifikant gesunken sind aber gleichzeitig die NOx Emissionen gestiegen sind. Nach der Anpassung der Kalibration wurden die NOx Emissionen wieder auf das ursprüngliche Dieselniveau reduziert. Die Rußemissionen stiegen mit dieser Anpassung, befanden sich allerdings immer noch deutlich unter denen des Dieselniveaus. Unter Berücksichtigung einer WtW Berechnung ergibt sich eine CO2 Reduktion von ca. 12 % im Vergleich zu Dieselkraftstoff.

Oliver Kastner, G. Avolio, F. Graf, O. Maiwald, G. Rösel, T. Swigon

Kapitel 2. Der Serienanlauf als Planungsumfeld

Planung kann als die gedankliche Vorwegnahme und Bewertung künftigen Handelns bezeichnet werden. Sie dient der Entscheidungsvorbereitung und -findung. Für das Verständnis und die Lösung eines Planungsproblems ist die Kenntnis des Planungsumfelds wichtig.

Christoph Stich

Kapitel 5. Optimierungsmodelle zur Abbildung des MEPVP

In diesem Kapitel werden das MEPVP-Modell und weitere Optimierungsmodelle zur Abbildung des MEPVP entwickelt. Es handelt sich dabei um gemischt-binäre und um reinbinäre Modelle. Zunächst werden die entwickelten Modelle bezüglich verschiedener Modelltypen eingeordnet und in einer Übersicht dargestellt.

Christoph Stich

Kapitel 7. Ein heuristischer Lösungsansatz für das MEPVP

In diesem Kapitel wird zunächst ein Überblick über die in dieser Arbeit betrachteten Lösungsansätze für das MEPVP gegeben. Anschließend werden die ausgewählten heuristischen Verfahren allgemein vorgestellt und danach für das MEPVP konzipiert.

Christoph Stich

Klausurfälle mit Lösungshinweisen

Kfz-Mechaniker A ist Eigentümer und Halter eines mit einem Dieselmotor ausgestatteten Oldtimers, für den er bei Versicherer V eine Kraftfahrzeug-Vollkaskoversicherung abgeschlossen hat. Den Wagen benutzen ohne Rücksprache gelegentlich auch seine Ehefrau E und sein Sohn S.

Christian Armbrüster

Kapitel 5. Ausblick

EinAusblick Blick auf die kurz-, mittel- und langfristigen Entwicklungen soll Aufschluss darüber geben, in welche Richtung sich die Künstliche Intelligenz entwickeln wird. Nehmen Sie diese Prognosen gerne als Orientierung, um eine grobe Vorstellung der abzusehenden KI-Durchbrüche Künstliche Intelligenz (KI) Vorstellung der abzusehenden Durchbrüche zu bekommen. Hierbei gilt: Je weiter wir einen Blick in die Zukunft wagen, desto spekulativer werden die Aussagen.

Ralf T. Kreutzer, Marie Sirrenberg

Diesel engine control based on structure-borne noise – optimization and adaptation of parameters

Today’s passenger car diesel engines are distinguished by low exhaust emissions and low fuel consumption. In the lower load and engine speed range, however, dominant combustion noises are produced by the higher combustion delay, particularly when the engine is started and warming up. Although multiple pilot injections are used nowadays to reduce irritating combustion noise of this type, they clash with higherpriority exhaust emissions.

Sebastian Schneider, Jan Hendrik Carstens, Jürgen Nobis, Hermann Rottengruber, Clemens Gühmann, Enrico Neumann, Michael Joerres

Kapitel 3. Quasiexperimentelle Feldstudie zur Beanspruchung von Montagemitarbeitern

Im Kapitel 3 erfolgt die detaillierte Beschreibung der empirischen Untersuchung der Beanspruchung von Montagemitarbeitern. Dazu werden zunächst die Hypothesen der Studie vorgestellt (vgl. Abschnitt 3.1) und die Anforderungen an Versuchsdurchführung und Versuchsumgebung beschrieben (vgl. Abschnitt 3.2). Darauf aufbauend erfolgt im Abschnitt 3.3 die Darstellung des Versuchsdesigns, bestehend aus den Erläuterungen zur Stichprobe, der Beschreibung der untersuchten Arbeitsplätze, der Vorstellung der verwendeten Messmethoden und -instrumente sowie der Bericht zur Versuchsdurchführung.

Kerstin Börner

Kapitel 4. Politische Rhetorik als sprachliches Handeln

Wer überzeugen will, muss für seine Position Gründe anführen. Daher ist Argumentieren der zentrale sprachliche Handlungstyp politischer Rhetorik. Er umfasst das Legitimieren und Delegitimieren staatlichen Handelns ebenso wie das Begründen von Thesen und das Rechtfertigen von Ideen und Praktiken – auch außerhalb politischer Institutionen.

Josef Klein

Kapitel 9. Effizienz der Mobilität

Der Sektor Verkehr hatte in Deutschland im Jahr 2015 einen Anteil von 29,5 % am gesamten Endenergiebedarf. Der Schienenverkehr hat daran einen Anteil von nur 2,5 %, der Luftverkehr 13 % und die Binnenschifffahrt von unter 1 %. Der Straßenverkehr ist mit 84 % überwiegend für den Energiebedarf des Verkehrssektors verantwortlich.

Günther Brauner

Ungarns mobile Zeitenwende

Smarte Perspektiven für internationale Kooperationen

Gemäß dem Veranstaltungstitel des 10. Wissenschaftsforums Mobilität der Universität Duisburg Essen „Mobility in Times of Change – Past, Present, Future” widmet sich folgender Beitrag der Autoindustrie Ungarns und bietet einen Überblick über die Entwicklung, Strategie, Trends und Potentiale des für das Land relevantesten Wirtschaftszweiges. Somit möchten die Autoren zu einer breiteren, internationalen Betrachtung der Thematik aus der Perspektive dieses osteuropäischen Landes beitragen.

B. Szegner, K. Szabó

C-1 Oxygenate als nachhaltige Kraftstoffe und deren günstige Eigenschaften

Für die Zukunftssicherung der Verbrennungsmotoren ist der Übergang von fossilen zu nachhaltig hergestellten Kraftstoffen, die ein Höchstmaß an Umweltverträglichkeit ermöglichen, die wirkungsvollste und kostengünstigste Maßnahme. Fünf hierarchisch abgestufte Kriterien der sozial-ökologischen Verträglichkeit einer Mobilität der Zukunft wurden bereits postuliert.

Eberhard Jacob

Kraftstofftechnologien für emissionsarme Mobilität

Steigender Wohlstand und der Wunsch nach individueller Mobilität führen dazu, dass sich der weltweite Pkw-Bestand bis 2035 auf rund 1,8 Mrd. Fahrzeuge verdoppeln wird. Die steigende Nachfrage nach Waren und Flugreisen lässt im gleichen Zeitraum auch die Schwerlast-, Schifffahrts- und Luftfahrtbranche deutlich wachsen. Technologische Verbesserungen werden die Effizienz von Motoren weiter steigern. Dennoch wird erwartet, dass der globale Treibstoffbedarf steigt [1].Mit dem Ziel, die Erderwärmung auf deutlich unter 2 °C zu begrenzen, haben sich auf der UN Klimaschutzkonferenz 2015 in Paris 195 Länder auf ein weltweites Klimaschutzabkommen geeinigt. Die EU hat sich verpflichtet, die Treibhausgasemissionen bis 2050 um 80–95 % im Vergleich zu 1990 zu reduzieren [2]. Dieses anspruchsvolle Ziel, verbunden mit der aktuellen Diskussion über regionale und lokale Maßnahmen zur Verbesserung der Luftqualität, insbesondere in Innenstädten, stellt die Energie- und Automobilindustrie vor große Herausforderungen.Die Elektrifizierung der Fahrzeugflotte ist eine mögliche Antwort auf diese Herausforderung. Dennoch ist es unbestreitbar, dass der Verbrennungsmotor noch ein beträchtliches Potenzial hat, für mehrere Jahrzehnte einen wesentlichen Beitrag für eine sauberere Mobilität zu leisten. Daher ist es notwendig, Wege zu entwickeln, um fossiles CO2 mit alternativen Rohstoffen, neuen Verbrennungsprozessen und Herstellungswegen zu reduzieren.Gezielte Forschung und die Entwicklung neuer Kraftstoffe, Verbrennungsmotoren sowie Elektrofahrzeug- und Hybridtechnologien sind erforderlich, um die CO2-Emissionen zu reduzieren und die Luftqualität auf sinnvolle, kostengünstige und anwenderfreundliche Weise zu verbessern.BP steht vor der Herausforderung solche Kraftstoffe bereitzustellen, die eine emissionsarme Mobilität ermöglichen.

Peter Sauermann, Bochum Ian Sharp

Einsatz von Alkoholen in MPFI und DI Ottomotoren

Die Verwendung von Ethanol als Kraftstoff ist beinahe so alt wie der Ottomotor selbst – bereits Nikolaus Otto setzte reinen Alkohol als Kraftstoff für seine Motoren ein. In diesem Kapitel werden nach einem kurzen historischen Rückblick die relevanten Stoffeigenschaften von Alkoholen für die Verwendung in Ottomotoren dargestellt. Des Weiteren werden die Auswirkungen dieser Eigenschaften auf den Motorstart, den Warmlauf und die Emissionen im Betrieb erläutert. Für den praktischen Einsatz von Alkoholen als Kraftstoffe sind vor allem Alkohol-Benzin-Blends von Bedeutung. Aus diesem Grund wird in Folge auf den Motorbetrieb mit verschiedenen Alkoholblends in Bezug auf Verbrennungseigenschaften, Emissionen, Effizienz und Performance eingegangen.

Peter Hofmann, Thomas Lauer

Hydriertes Pflanzenöl (HVO)

Im Zuge eines Forschungsprojekts am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien wurde das Verhalten von HVO in verschiedenen Mischungsverhältnissen mit konventionellem Dieselkraftstoff an einem modernen Dieselmotor untersucht. Der Kraftstoff ist im Gegensatz zu fossilem Diesel praktisch aromatenfrei. Aufgrund dieser Tatsache kann mit dem Kraftstoff eine beträchtliche Absenkung der Kohlenwasserstoff- und Kohlenmonoxid-Emissionen sowie der Rußbildung erreicht werden. Ein wichtiges Kriterium beim Einsatz von alternativen Kraftstoffen ist die Auswirkung auf die Ölverdünnung bei Nacheinspritzung im Partikelfilter-Regenerationsbetrieb. Hierbei werden im Niedriglastbereich durch sehr späte Nacheinspritzungen teils erhebliche Mengen an Kraftstoff durch Wandanlagerung in das Schmieröl eingetragen. Die hohe Zündwilligkeit des Alternativkraftstoffes hat einen Anstieg des im Brennraum umgesetzten Kraftstoffes zu Folge. Somit steht weniger unverbrannter Kraftstoff im Oxidationskatalysator zur Erzeugung der notwendigen Temperaturen zur Verfügung, was wiederum eine Anhebung der Nacheinspritzmenge erfordert. Bei allen Untersuchungen welche von der konventionellen Dieselverbrennung abweichen hat sich gezeigt, dass eine Beimischung von 20 % HVO zu konventionellen Diesel zu Vorteilen bei Partikel-, HC- und CO-Emissionen führt. Gleichzeitig können hier keinerlei Nachteile beobachtet werden. Allerdings können steigende Beimischraten aufgrund der hohen Cetanzahl zunehmend Probleme bei Applikation des Motors auf Norm-Dieselkraftstoff durch einen verkürzten Zündverzug nach sich ziehen. Beimischungen über 20 % sind aber nach der derzeitigen Gesetzeslage nicht zu erwarten.

Aleksandar Damyanov

DMC+ als partikelfreier und potenziell nachhaltiger Kraftstoff für DI Ottomotoren

DMC+ as Particulate Free and Potentially Sustainable Fuel for DI SI Engines [Hä18]

C1-Kraftstoffe lassen sich mit einfachen Verfahren aus CO2 und H2 nachhaltig herstellen, zeichnen sich durch ihren hohen Sauerstoffgehalt und das Fehlen von C-C Bindungen aus und führen zu äußerst geringen Partikelemissionen bei der Verbrennung. Im Vergleich zur Verwendung von Kraftstoffen auf KW-Basis minimieren C1-Oxygenate mit Ausnahme von Methanol das Gefahrenpotenzial für Gesundheit und Umwelt. Während bei Dieselmotoren bereits seit einigen Jahren die Stoffklasse der Oxymethylenether (OME) als emissionsgünstige Option für nachhaltig herstellbare synthetische Kraftstoffe untersucht wird, fehlen entsprechende Lösungen für Ottomotoren.Die Senkung der Grenzwerte für die Partikelanzahl mit Euro 6c/d befördert für Ottomotoren die Suche nach solchen Kraftstoffen. Die C1-Oxygenate DMC und MeFo zeichnen sich durch hohe Klopffestigkeit und günstige Gemischbildungseigenschaften aus. Sie sind auf nachhaltige Weise als E-Kraftstoffe herstellbar.Während der Einsatz von reinem DMC bzw. MeFo jeweils Nachteile bezüglich der Tieftemperaturstabilität bzw. der Verdampfungseigenschaften mit sich bringt, wird hier der Weg zur Anwendung dieser beiden Oxygenate aufgezeigt. Die Entwicklung von DMC+  (Dimethylcarbonat + Methylformiat + Ethanol) auf Basis der C1-Chemie eröffnet die Chance für eine emissionsfreie Mobilität auch mit Ottomotoren.Präsentiert wird die Methodik zur Definition einer zielführenden Formulierung für DMC+ sowie Ergebnisse aus Versuchen mit DMC+ an einem Otto-DI Einzylindermotor. Ein Rückgang der PN-Emissionen um zwei Größenordnungen sowie eine deutliche Senkung der Emission von NOx und organischen Komponenten (VOC) im Rohabgas wird demonstriert. Es kommt ein Dreiwegekatalysator zum Einsatz, der im stöchiometrischen Betrieb niedrigste Emissionen luftverunreinigender Komponenten ermöglicht. Besonderes Augenmerk wird auf die Emission von sub-23 nm-Partikeln gelegt, die durch den Oxygenat-Kraftstoff ebenfalls deutlich reduziert werden.

Martin Härtl, Andreas Stadler, Sebastian Blochum, Dominik Pélerin, Thomas Maier, Vinicius Berger, Georg Wachtmeister, Philipp Seidenspinner, Thomas Wilharm, Eberhard Jacob

Fischer-Tropsch-Diesel

Im Zuge der Bestrebungen die Treibhausgasemissionen des Verkehrssektors zu reduzieren stellt Fischer-Tropsch-Dieselkraftstoff (FT-Diesel) ein vielversprechender Ansatz dar. Dieser hat die Verwertung aller organischen Materials als Basis. Als synthetisch hergestellter Kraftstoff erreicht er teilweise höhere Qualitätsstandards als konventioneller Diesel und ist deshalb für den motorischen Einsatz als reiner Alternativkraftstoff aber auch als Mischungskomponente grundsätzlich geeignet. Derzeit sind einige Herstell- und Aufbereitungsverfahren für FT-Diesel in Entwicklung. Von Interesse dabei sind die Auswirkungen der verschiedenen Verfahren auf das motorische Betriebsverhalten. Unter diesen Gesichtspunkten wurden in einem Forschungsprojekt an der TU Wien die Einflüsse verschiedener Fischer-Tropsch-Dieselkraftstoffe auf ihre Auswirkungen auf das Emissionsverhalten in einem Fahrzeug am Rollenprüfstand untersucht.

Aleksandar Damyanov

OME – Diesel Blends für niedrigere Well-to-Wheel CO2 Emissionen in PKW Motoren

Synthetische Kraftstoffe, nachhaltig aus Sonnenergie hergestellt, werden zurzeit vielfältig diskutiert. Bei einer Well-to-Wheel CO2 Bilanzierung (WtW-CO2) ergeben sich hier keine oder nur sehr geringe CO2 Emissionen, da nur das im Herstellungsprozess chemisch gebundene CO2 bei der Nutzung in Verbrennungsmotoren wieder freigesetzt wird.

O. Kastner, G. Avolio, G. Rösel

Synthetische Kraftstoffe

Anwendung von Oxymethylenether (OME) am Dieselmotor

Zur langfristigen Sicherstellung von Mobilität und Transport sind Kraftstoffe als Energieträger unverzichtbar. Ihre flexible Handhabung, die hohe Energiespeicherfähigkeit verbunden mit langjährig bewährten krisensicheren Infrastrukturen machen sie zu einer essenziellen Säule einer verantwortungsbewussten Energiepolitik.In diesem Kapitel wird mit OME (Oxymethylenether) ein Kraftstoff betrachtet, der die genannten Anforderungen erfüllt und daher ein sehr interessanter Kandidat für eine langfristige Kraftstoffpolitik ist. Als Ersatzkraftstoff für das dieselmotorische Brennverfahren richtet er sich zudem an die breitestmögliche Anwendung (LKW, PKW, Baumaschinen, Industriemotoren bis hin zu Bahn- und Schiffsanwendungen). Im Rahmen des Beitrags werden verschiedene Ansätze zur Markteinführung beleuchtet und mit dazugehörigen Motor- oder Fahrzeugversuchen untermauert.

Christian Beidl, Markus Münz, Alexander Mokros

OME als Reinstoff: Emissionsreduktion bei Dieselmotoren durch sauerstoffhaltige synthetische Kraftstoffe

Neat OME: Emission Reduction for Diesel Engines by Synthetic Oxygenate Fuels [Hä18]

Die luftverunreinigenden Emissionen von Verbrennungsmotoren werden einerseits durch das verwendete Brennverfahren und die eingesetzten Abgasnachbehandlungseinrichtungen bestimmt, andererseits hat jedoch auch die Zusammensetzung des genutzten Kraftstoffs einen signifikanten Einfluss auf die charakteristische Emission von Partikeln und gasförmigen Schadstoffen. Insbesondere bestimmte sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe (Oxygenate) haben das Potenzial zur rußfreien Verbrennung und sind eine geeignete Basis für solche emissionsoptimierten Energieträger. Der vorliegende Vortrag präsentiert wesentliche Anforderungen an den Kraftstoff für eine rußfreie Verbrennung und zeigt experimentelle Ergebnisse mit dem besonders wirkungsvollen Oxymethylenether (OME), der in Rahmen eines geschlossenen CO2-Kreislaufs klimaneutral hergestellt und genutzt werden kann.

Martin Härtl, Dominik Pélerin, Kai Gaukel, Patrick Dworschak, Georg Wachtmeister

Tributylcitrat, Butyllevulinat und Diglyme als mögliche sauerstoffhaltige Biokomponenten im Dieselkraftstoff

Die Zumischung von Fettsäure-Methyl-Ester (FAME) zu Dieselkraftstoff führt in der Dieselpartikelfilter- (DPF-) Regeneration zu einem erhöhten Kraftstoffeintrag in das Motoröl, weshalb der Anteil gesetzlich auf 7 % volumetrisch limitiert ist. Für die Anhebung der biogenen Beimischrate werden daher Kraftstoffe gesucht, die ein hohes Treibhausgaseinsparungspotenzial aufweisen und dabei keinen negativen Auswirkungen auf das motorische Betriebsverhalten haben. Am Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien wurden gemeinsam mit den Partnern OMV Refining & Marketing GmbH und BMW Motoren GmbH alternative, sauerstoffhaltige, erneuerbare Dieselkomponenten hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf das motorische Verhalten und die Abgaszusammensetzung untersucht. Der Focus wird dabei auf nicht limitierte Abgaskomponenten, Partikelemissionen und das Ölverdünnungsverhalten gelegt. Wie gezeigt wird können in diesen Bereichen mit den intensiv untersuchten Komponenten Tributylcitrat, Butyllevulinat und Diethylenglykoldimethylether (Diglyme) Vorteile gegenüber der bisher weit verbreiteten biogenen Dieselersatzkomponente FAME erzielt werden.

Aleksandar Damyanov

Gibt es in der Industrie in 20 Jahren noch Verbrennungsmotoren?

Die oben gezeigten Arbeitsmaschinen und Industrieanwendungen mit mehr als 76 kW, werden heute vorwiegend durch Dieselmotoren bestritten. Ein kleiner Teil verwendet Gasmotoren mit LPG oder CNG. Weniger als 0,5 % bei mobilen Arbeitsmaschinen verwenden elektrische Antriebe.

Rudolf Ellensohn, Andreas Link

Flow-optimized cooling gallery concept for laser welded steel pistons to enable reduction of oil flow

Der Muldenrand von Stahlkolben ist grundsätzlich der thermomechanisch am höchsten belastete Bereich, so dass der Kühlung mit über Düsen zugeführtem Motoröl in Kombination mit einem Muldenrandnahem Kühlölkanal eine besonders hohe Bedeutung zukommt. Das Ziel weiterer Steigerung der thermischen Effizienz erhöht die Anforderungen an das Bauteil unter Druck- als auch Temperaturbelastungen. Da die üblichen Werkstoffe für Stahlkolben den Einsatzbereich in Nfz- und Industriemotoren hinsichtlich der maximalen Temperaturen begrenzen, sind optimierte Kühlungskonzepte ein entscheidender Beitrag. Zukünftige Abgasvorschriften in allen Regionen der Welt werden den bisherigen Fokus auf optimierte Betriebskosten, z.B. durch lange Ölwechselintervalle und niedrige Kraftstoffverbräuche, um den Anspruch niedriger CO2-Emissionen noch erweitern, so dass Maßnahmen zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades und die Reduzierung der Reibleistung die wichtigsten Ziele darstellen.

Daniel Hrdina, Weiping Yang, Geno Marinov, Adam Loch

Real‑time capable combustion simulation of a dual‑fuel engine for hardware‑in‑the‑loop application

Due to increasing restrictive legislation, modern DF-engines become more and more important, especially in marine application to meet the IMO Tier III limits in coastal areas, without using complex exhaust gas after-treatment systems. Compared to conventional combustion processes in diesel or gas engines, the characteristics of the Dual-Fuel process are not fully understand and the increased degree of freedom leads to a demanding application and test effort. To handle the resulting complexity for the development of engine control functions, it is essential to support the development process with suitable simulation methods.

Stefan Kraft, M. Moser, C. Büskens, M. Echim

Kapitel 3. Grundlagen

Zum besseren Verständnis werden die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen behandelt. Zunächst wird auf die Betriebsfestigkeitsanalyse und die Festigkeitsabsicherung im Fahrzeugbau eingegangen. Daran schließt sich ein kurzer Überblick über die Elektrifizierung von Fahrzeugen und die dafür verwendeten Komponenten an. Das Kapitel schließt mit einer Einführung in Multilevel-Ansätze in der Materialwissenschaft und die Übertragung des Konzepts auf die Festigkeitsanalyse komplexer Strukturen im Fahrzeugbau.

Dr.-Ing. habil. Andreas Dörnhöfer

5. Entscheidungen der Produktpolitik

Sie werden in die Lage versetzt, grundlegende Entscheidungen der Produktpolitik zu treffen. Sie- lernen die Ziele und Instrumente der Produktpolitik kennen,- machen sich mit den verschiedenen Methoden der Entscheidungsfindung im Produktmanagement vertraut,- setzen sich mit dem Neuproduktplanungsprozess auseinander und- lernen, die wesentlichen Entscheidungen im Rahmen der Marken-, Verpackungs-, Service- und Sortimentspolitik zu treffen.Besonderes Anliegen dieses Kapitels ist es, die Notwendigkeit einer Zusammenführung der Vielzahl produkt- bzw. leistungspolitischer Entscheidungen zu einem ganzheitlichen Leistungsprogramm des Unternehmens aufzuzeigen.

Prof. Dr. Dr. h.c. mult. Manfred Bruhn

Kapitel 1. Einführung in VBA

VBA wurde ursprünglich entwickelt, um Anwendungen (Applications) unter Office anzupassen. Und darin liegt die Einschränkung. Im Gegensatz zu Visual Basic, lässt sich Visual Basic for Application nur in einer solchen Anwendung nutzen. Doch VBA ist noch viel mehr als nur eine einfache Programmiersprache.

Harald Nahrstedt

Kapitel 2. Grundlagen

Der Ventiltrieb umfasst die gesamte Einrichtung zur Betätigung der für den Ladungswechsel verantwortlichen Ventile. Die Ventilerhebung selber ist durch vier Parameter gekennzeichnet: die Steuerzeiten, die maximale Ventilerhebung, die Ventilhubfunktion sowie die Anzahl der Ventilerhebungen (Abbildung 2.1).

Lucas Mathusall

Kapitel 7. Weiterführende Analyse der ausgewählten Maßnahmen zur Abgastemperaturanhebung

In den vorherigen Untersuchungen (Kapitel 6) zeigt sich lediglich die interne Abgasrückführung durch Rücksaugen aus dem Abgaskrümmer (iAGR-RS) als effektive VVT-Maßnahme zur Abgastemperatursteigerung infolge der Füllungstemperaturanhebung. Die Möglichkeit des Vorlagerns verliert aus konstruktiven Gründen den Temperatureinfluss (siehe Kapitel 6.1.3). Daher wird im Folgenden nur das Rücksaugen als iAGR-Variante betrachtet.

Lucas Mathusall

4. Kolben-(Verdrängungs-)Maschine

Kraft- und Arbeitsmaschinen werden gemeinsam als Fluidenergiemaschinen bezeichnet. Sie realisieren die Energieübertragung entweder nach dem volumetrischen Prinzip: Kolben- oder Verdrängungsmaschinen oder nach dem Strömungsprinzip: Turbomaschinen.

Gernot Weber

1. Globale Herausforderung: Ersatz fossiler durch regenerative Brennstoffe

Energie ist nicht alles, aber ohne Energie läuft gar nichts. Hierbei hat jedoch die Energieversorgung der heutigen technisierten Gesellschaften tief-dunkle Wurzeln. Sie beruht auf der Ausbeutung unterirdischer Lager von Kohle, Erdöl und Erdgas. Das erste Kapitel beschreibt die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen und die daraus resultierenden globalen Probleme: i) internationale Sicherheit und ökonomischer Stabilität, ii) Gesundheitsschäden, iii) leidvolle und kostspielige „Umweltunfälle“ und iv) Klimawandel. Des Weiteren führt das erste Kapitel in das Energiespeicherproblem ein. Die Speicherung von Wind- und Solarstrom in Batterien ist durch deren geringe Energiespeicherdichte eingeschränkt. Durch Informationen zur problematischen Nutzung fossiler Brennstoffe und dem Energiespeicherproblem motiviert das erste Kapitel die Entwicklung von Alternativen.

Holger Dau, Philipp Kurz, Marc-Denis Weitze

9. Immissionen

Die Luftbelastung aus der NOx - und PM-Emission des Verkehrs werden dargestellt. Dabei zeigt sich, dass die PM10 Immission inzwischen nur noch marginal vom Verbrennungsprozess in den Fahrzeugemotoren abhängt. Bei geeigneter Motoranpassung und Abgasnachbehandlung kann die NOx-Belastung durch den Verbrennungsmotor ebenfalls vernachlässigt werden.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Helmut Tschöke

11. Ausblick

Wichtige weiterführende und zu erwartende Aspekte werden diskutiert. Im ersten Teil werden die wesentlichen Inhalte des RDE-Paketes IV vorgestellt und kurz erläutert. Somit wird dem Leser die Möglichkeit gegeben, den zum Zeitpunkt des Redaktionsschlusses aktuellen, jedoch nicht abgeschlossenen Prozess der RDE-Gesetzgebung in seiner geplanten Fortführung zu begleiten.Weiterhin erfolgt ein technologischer Ausblick der möglichen Systemansätze zukünftiger Antriebskonzepte zur Realisierung von Konformitätsfaktoren für NOx (CF < 1,5) und für PN (CF < 1,5). Es werden die langfristigen systemischen Anforderungen an zukunftsfähige Dieselmotoren unter Realfahranforderungen diskutiert. Hierbei werden die Themen: lokal emissionsfreies Fahren, CO2-Lebenszyklus-Emissionen, Fahrdynamik/Leistung sowie Systemkosten betrachtet.Abschließend erfolgt eine kompakte Einordnung des aktuellen Standes der RDE-Gesetzgebung in den internationalen Kontext. Hierbei wird der Stand der Verbreitung der RDE-Gesetzgebung in ausgewählten Industriestaaten, mit Nähe zur Europäischen Gesetzgebung, wie China, Indien, Japan und Korea dargelegt. Zusätzlich erfolgt eine kurze Gegenüberstellung zur nordamerikanischen Tier 3- und LEVIII-Gesetzgebung.

Dr.-Ing. Frank Bunar, M. Sc. Elisa-Maria Moser

5. RDE-Messtechnik

Im Kapitel Messtechnik wird werden die Anforderungen an die RDE Messtechnik („PEMS Systeme“) im Kontext zur Messtechnik an Rollenprüfständen erläutert. Es wird auf Anforderungen, welche sich aus der Prüfumgebung „Straße“ ergeben eingegangen, zusätzlich werden die Anforderungen aus der RDE Gesetzgebung erläutert. Die Unterschiede in den technischen Umsetzungen der im Markt erhältlichen Systeme werden erläutert und diskutiert. Die gesetzlich geforderte Validierung der PEMS Systeme für jeden einzelnen Aufbau auf einem Fahrzeug wird erklärt, die Herausforderungen werden diskutiert.Abschließend wird die Funktion der PEMS Systeme anhand von Ergebnissen für eine RDE Straßenfahrt sowie für eine Bergfahrt demonstriert.

Dr. Roland Wanker, Dr. Michael Arndt, M. Sc. Elisa-Maria Moser

7. Vorgehensweise bei der Applikation

Die sichere Beherrschung der Schadstoffemissionen unter Real Driving Bedingungen stellt in Verbindung mit der gleichzeitig erforderlichen Absenkung der CO2-Fleet-Average- Werte die Herausforderung für die Entwicklung neuer verbrennungsmotorischer Antriebssysteme dar. Daraus ergeben sich neben den hohen Anforderungen an Hardware, Software und Messsysteme auch sehr hohe Anforderungen an die Kalibrierung und Validierung der zuständigen Steuergeräte des Gesamtsystems und deren optimale Interaktion. Die Applikationsqualität, insbesondere im RDE-Emissionskontext, wird an der Ergebnisrobustheit gegenüber Quereinflüssen im Real-World-Kundenbetrieb gemessen. Die dafür notwendigen Methoden und Prozesse werden im Kontext der Kalibrierungshauptaufgaben in der Serienapplikation von Personenkraftwagen mit Diesel- und Ottomotoren und dafür genutzten Prüfumgebungen in diesem Kapitel beschrieben.

Dipl.-Ing. Boris Bunel, Dipl.-Ing. Markus Grubmüller, Dipl.-Ing. Helmut Jansen, Dipl.-Ing. (FH) Khai Vidmar

1. Hintergrund und Motivation

Trotz deutlich reduzierter Emissionsgenzwerte für Fahrzeuge hat sich die Luftqualität (Immission) nicht in gleichem Maße verbessert. Besonders die Stickstoffoxidbelastung ist nach wie vor an vielen verkehrsreichen Stellen unzulässig hoch. Dies liegt zum einen an der hohen Verkehrsdichte aber auch im Unterschied zwischen der Bestimmung der Emissionen auf dem Abgasrollenprüfstand auf der Basis synthetischer Fahrzyklen und der realen Fahrweise auf der Straße. Das Kapitel beschreibt die allgemeine Emissions- und Immissions-Situation und die Entwicklung der Fahrzyklen vom NEFZ bis zum WLTC und die Messung der Emissionen unter Realfahrtbedingungen (RDE).

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Helmut Tschöke

6. RDE-Konzepte Personenkraftwagen

Dieses Kapitel beschäftigt sich im einleitenden Teil mit grundlegenden Aspekten der konzeptionellen Entwicklung von Antrieben unter RDE-Gesichtspunkten. Hierbei sind zu nennen:• Einflussfaktoren zwischen Laborprüfstand und öffentlichen Straßen• Auswirkungen der RDE-Testbedingungen auf die NOx-Emissionen• Anforderung an die Robustheit des RDE-Technologiepaketes• Zielvorgabe für die NOx-Emissionen• Wirksamkeit des benötigten RDE-Technologiepaketes• Einfluss des Fahrzustandes auf die NOx-Endrohremissionen• Beschreibung der Aufgabe für die Konzeptentwicklung• Grundlegende Freiheitsgrade bei der RDE-Konzeptentwicklung.Im Anschluss werden die Technologiebausteine für Dieselmotoren, Ottomotoren, der jeweiligen Abgasnachbehandlungstechnologien sowie der Elektrifizierung vorgestellt und näher erläutert. Hierbei liegt der Fokus bei Dieselmotoren auf den Stickoxidemissionen und bei den Ottomotoren auf den Partikelemissionen. Ergänzend erfolgt die Beschreibung wesentlicher Aspekte bei der Definition von Gesamtsystemen und der angepassten Entwicklungsmethodik.

Dr.-Ing. Frank Bunar, Dr.-Ing. René Berndt, Dr.-Ing. Friedemann Schrade, Dipl.-Ing. Michael Baade

Wirkungsgradverbesserungen für moderne Dieselmotoren unter anspruchsvollen RDE-Randbedingungen

Die globalen Initiativen zur Absenkung der Schadstoff- und Treibhausgasemissionen erfolgen auch über die Einführung umfassenderer und anspruchsvollerer Zertifizierungszyklen. Insbesondere die Erweiterung auf das reale Betriebsverhalten während des Alltagsbetriebs (RDE) bedeutet einen massiven Anstieg der Anforderungen. Zudem kann angesichts der weltweiten Anstrengungen zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen nicht ausgeschlossen werden, dass neben CO2 auch die Emissionen weiterer klimarelevanter Abgasbestandteile (wie CH4 und N2O) zukünftig gesetzlich beschränkt werden.

Thomas Körfer, W. Bick, M. Pieper, R. Blum

Reibleistungsmessungen am befeuerten Nutzfahrzeugmotor – Potenziale der Kolbengruppe

Die Reduzierung der Reibungsverluste von Verbrennungsmotoren ist für die Verringerung der CO2-Emissionen von großer Bedeutung. Im Gegensatz zu Pkw- gibt es für Nutzfahrzeugmotoren derzeit diesbezüglich noch keine gesetzlichen Grenzwerte. Es ist jedoch davon auszugehen, dass auch die CO2-Emissionen von Nutzfahrzeugantrieben in Zukunft gesetzlich streng limitiert werden.

Thomas Deuß, Holger Ehnis, Rainer Schulze Temming, Reiner Künzel

Reibungsminderung im Kolbensystem bei HD-Dieselmotoren für US GHG ’21 / ’24 und Euro7

Aufgrund der Emissionsgesetzgebung US GHG’21/‘24 und den Vorschlägen für Euro7 steigt für Hersteller von HD Dieselmotoren der Druck zur CO2-Reduzierung. Die Effizienz der Motoren muss verbessert werden und die mechanischen Systeme müssen zur Reibungsminderung beitragen. Diese Aufgabe wird durch neue Getriebeauslegungen mit Downspeeding des Motors erschwert.

Wolfgang Hanke, Naoki Iijima, Jochen Müller, Marco Voigt

28. Einspritzung für Großdieselmotoren

Keine andere Komponente kann während der Geschichte des Dieselmotors so viele unterschiedliche Varianten und Entwicklungsschritte vorweisen wie die Einspritzsysteme. Daher ist es lohnend, in einem Rückblick einen, wenn auch unvollständigen Überblick zu geben.

Dipl.-Ing. Hartmut Schneider, Dipl.-Ing. Clemens Senghaas, Dr.-Ing. Ralph-Michael Schmidt

8. Mittelschnelllaufende Viertaktdieselmotoren

Mittelschnelllaufende Viertaktdieselmotoren sind zwischen den langsamlaufenden Zweitaktmotoren und den schnelllaufenden Viertaktdieselmotoren angeordnet. Ausschlaggebend für die Klassifizierung ist die Nenndrehzahl, die bei Mittelschnellläufern im Bereich von etwa 300 bis 1200 min−1 liegen kann. Üblich sind heute Nenndrehzahlen von 500 bis 1000 min−1. Wie auch Langsamläufer, aber im Gegensatz zu Schnellläufern, sind die mittelschnelllaufenden Dieselmotoren dadurch gekennzeichnet, dass sie außer mit herkömmlichem (Destillat‑)Dieselkraftstoff auch mit Rückstandsölen, dem sog. Schweröl, betrieben werden können. Die heute üblichen mittleren Kolbengeschwindigkeiten liegen zwischen 10 und gut 11 m/s, sodass bei den oben genannten Nenndrehzahlen Kolbenhübe zwischen etwa 240 und maximal 900 mm resultieren können. Nahezu alle aktuellen Motoren sind langhubig ausgelegt, sodass die entsprechenden Zylinderbohrungen im Bereich von etwa 160 bis 640 mm liegen. Die Leistungen reichen damit theoretisch von etwa 100 bis 2000 kW pro Zylinder, wobei das oberste Leistungssegment heute weitgehend vom langsamlaufenden Zweitaktmotor besetzt ist. Die Tab. 8.1 fasst exemplarisch die Kenndaten einiger ausgewählter Mittelschnellläufer zusammen.

apl.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gunnar Stiesch

9. Auslegung von Viertaktmotoren

Für die grobe Erstauslegung von Viertaktmotoren, gibt es einige Kennwerte, mit denen die Hauptabmessungen eines Motors abgeschätzt werden können.Diese Kennwerte werden beschrieben und auf Diagrammen wird ihre Abhängigkeit für PKW- und NFZ- Motoren, sowie für Hochleistungs- Rennmotoren, dargestellt.Hierfür wurden Veröffentlichungen ausgeführter Motoren in der MTZ (Ausgaben 2009 bis Anfang 2016) ausgewertet. Daneben wird der technisch anspruchsvolle, schnelllaufende Hochleistungs- Dieselmotor 20 V 1163 von MTU, mit seinen Merkmalen beschrieben und es wird auf besondere Anforderungen an die Antriebsanlagen mit solchen Motoren eingegangen.

Dipl.-Ing. Gerhard Haußmann

41. Modellierung des Ladungswechsels

Die Berechnung des Ladungswechsels ist für thermodynamische Betrachtungen des Arbeitsprozesses von besonderer Bedeutung, da damit wichtige Eingangsgrößen für die Analyse des Zylinderdruckverlaufs (Brennverlaufsauswertung, Verlustteilung …), wie Restgasgehalt und Ladungsmasse bei Einlassschluss, die entscheidend für die Hochdruckrechnung sind, ermittelt werden können. Grundsätzlich können für die Berechnung des Ladungswechsels folgende nulldimensionale Methoden eingesetzt werden:

Dr.-Ing. Franz Chmela, Dr.-techn. Gerhard Pirker, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Andreas Wimmer

42. Gesamtsimulation

Die Herausforderung für den Motorenentwickler, Emissionen und Kraftstoffverbrauch sowohl in den transienten Testzyklen als auch im realen Einsatz des Fahrzeugs immer weiter zu reduzieren, führt zur Notwendigkeit, das Motorverhalten auch im transienten Betrieb simulieren zu können. Als Plattform dienen dazu die heute verfügbaren eindimensionalen Simulationswerkzeuge wie GT‐Power oder AVL BOOST.Der Ausgangspunkt für die Entwicklung des Simulationsmodells für Transientbetrieb ist ein stationäres Modell für den Motor selbst. Dazu kommen eindimensionale Modelle für die Ansaugstrecke und die Abgasstrecke einschließlich des Abgasrückführsystems. Speziell für den aufgeladenen Motor ist eine detaillierte Turboladermodellierung erforderlich, für die transiente Modellierung ist dann auch die Angabe des Massenträgheitsmoments des Turboladerlaufzeugs erforderlich (Six 2011).Die Beschreibung des transienten Motorbetriebs ist naturgemäß komplexer als für den stationären Betrieb erforderlich. Zum Beschleunigen eines Fahrzeugs muss das Motordrehmoment durch Anheben der eingebrachten Kraftstoffmenge erhöht werden. Das minimal zulässige Luftverhältnis λmin (Ottomotor: λmin < 1, Dieselmotor: λmin > 1) darf dabei nicht unterschritten werden.

Dr.-Ing. Franz Chmela, Dr.-techn. Gerhard Pirker, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Andreas Wimmer

4. Downsizing bei PKW-Motoren

Durch die erforderliche Schonung fossiler Energieträger und der sich laufend verschärfenden CO2‐Gesetzgebung ergibt sich als Hauptaufgabe für die Automobilindustrie, kraftstoffverbrauchssenkende Maßnahmen umzusetzen. Gleichzeitig haben alternative Antriebsformen, wie z. B. die Elektromobilität, zu einer beschleunigten Entwicklung auch bei den konventionellen Antrieben im Fahrzeug geführt. Generell ist zu beobachten, dass bemerkenswerte Verbrauchseinsparungen beim Verbrennungsmotor v. a. auch durch Downsizing‐Konzepte in den Fahrzeugen erzielt werden. Das Downsizing als Maßnahme zur CO2‐Reduzierung bei Diesel‐ und Ottomotoren steht hierbei allerdings im Spannungsfeld mit der neu eingeführten RDE‐Gesetzgebung.Unter dem Begriff Downsizing wird allgemein die Verkleinerung des Hubraums von Verbrennungsmotoren verstanden (Golloch 2005). Allein für sich betrachtet würde die Verkleinerung des Hubraums jedoch zu einem Absinken des maximalen Drehmoments und der maximalen Leistung führen. Da der Kunde in den verschiedenen Fahrzeugklassen Einbußen bei den Fahrleistungen nicht akzeptieren würde, ist beim Downsizing der Erhalt der Fahrdynamik gegenüber einem hubraumstärkeren Motor unbedingte Voraussetzung. Dies führt zu spezifisch höher belasteten Aggregaten. Hauptaugenmerk liegt dabei auch auf dem transienten Drehmomentaufbau in dynamischen Fahrsituationen.

Dr.-Ing. Christian Eiglmeier, Dr.-Ing. Axel Groenendijk

40. Wärmeübergang

Sowohl bei der Analyse als auch bei der Simulation von Verbrennungsmotoren müssen Annahmen über den Wärmeübergang getroffen werden (vgl. dazu auch Gleichung (39.3)). Da die Verhältnisse im Brennraum sehr komplex sind, gestaltet sich die Entwicklung geeigneter Modelle zur Beschreibung des Wärmeüberganges sehr schwierig. Seit vielen Jahrzehnten wird an Berechnungsmodellen gearbeitet, wobei die Palette von phänomenologischen Modellen mit dimensionsbehafteten, rein experimentellen Ansätzen über dimensionslose Ansätze basierend auf Ähnlichkeitsüberlegungen bis hin zu physikalischen Modellen reicht (Wimmer 2000 und Pischinger et al. 2009).

Dr.-Ing. Franz Chmela, Dr.-techn. Gerhard Pirker, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Andreas Wimmer

12. Notwendigkeit von Optimierungsstrategien

Fasst man die vorangegangenen Kapitel aus Technologiesicht zusammen, so haben verbrennungsmotorische Antriebe gerade in den letzten Jahren signifikante Verbesserungen insbesondere in ihrem Verbrauchs‐ und Emissionsverhalten erfahren. Ausschlaggebend dafür sind neben dem besseren Verständnis innermotorischer Vorgänge v. a. die intelligenten Steuer‐ und Regelsysteme, die neue Technologien ermöglichen und weitere Optimierungspotenziale erschließen. Beispielsweise erlauben Technologien wie variables Kompressionsverhältnis, variabler Ventilhub oder auch ND‐EGR eine weitere Absenkung der Rohemissionen bei gleichzeitiger Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs – sofern die Abstimmung gut gemacht ist. Damit verbunden ist die große Herausforderung einer zunehmenden Komplexität in der Entwicklung, die in besonderem Maß für Fahrzeugmotoren gilt, aber letztlich für alle Antriebssysteme einen Schlüsselaspekt darstellt. Dementsprechend kann eine Entwicklung nur dann erfolgreich durchgeführt werden, wenn eine systematische Vorgehensweise die große Zahl der Freiheitsgrade adressiert und einer gezielten Optimierung unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Gesamtsystems zuführt.In diesem Umfeld haben sich verschiedene Methoden und Vorgangsweisen zur modellbasierten Optimierung herauskristallisiert, auf die in diesem Kapitel eingegangen werden soll.Sie sind geprägt durch einige zugrundeliegende Trends. So wird versucht, mit Frontloading möglichst früh im Entwicklungsprozess die gewünschten Eigenschaften des Antriebssystems abzusichern und in weiterer Folge mithilfe modellbasierter Optimierung in der Applikation zu nutzen.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Christian Beidl, Dr.-techn. Hans-Michael Koegeler, Mats Ivarson, Dipl.-Ing. Andreas Rainer

11. Großgasmotoren

Der Gasmotor besitzt eine ebenso lange Historie wie der Verbrennungsmotor selbst, da der von Jean Joseph Étienne Lenoir entwickelte und mit Gas betriebene Motor aus dem Jahr 1860 allgemein als die erste Verbrennungskraftmaschine (VKM) angesehen wird und damit die verbrennungsmotorische Entwicklung einleitete (Zacharias 2001). Gasmotoren erlebten seither eine wechselvolle Geschichte, spielen aber heute aufgrund der begrenzten Erdölressourcen, der Entwicklung der Kraftstoffpreise und der ausgezeichneten Umweltverträglichkeit eine zunehmende Rolle für die stationäre Energieerzeugung sowie den Antrieb von Schiffen und Fahrzeugen. Dies gilt insbesondere für Großgasmotoren, die aufgrund der Entwicklungsfortschritte der letzten Jahre mittlerweile zu den effizientesten Antriebsmaschinen, Strom‐ und Wärmeerzeugern zählen und dadurch ihre Stellung im Segment der Großmotoren wesentlich ausbauen konnten. Die Abb. 11.1 zeigt in diesem Zusammenhang die Entwicklung des Wirkungsgrads und des Mitteldrucks von Großgasmotoren in den letzten zwei Jahrzehnten. Mit modernen Großgasmotoren können mittlerweile Wirkungsgrade von über 50 % und Mitteldrücke bis zu 24 bar dargestellt werden.

Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Andreas Wimmer, Dr.-Ing. habil. Rainer Golloch, Dr.-Ing. Matthias Auer

10. Zweitaktlangsamläufer

Der Aufbau von langsamlaufenden Zweitaktkreuzkopfmotoren unterscheidet sich deutlich von den ansonsten nahezu ausschließlich eingesetzten Tauchkolbenmotoren, wie prinzipiell in vorangegangenen Kapiteln beschrieben wurde. Der Ursprung dieser Unterschiede liegt in der speziellen Anwendung des Langsamläufers als Hauptantriebsmaschine von großen Schiffen. Langsamläufer werden zwar neben ihrem Einsatz als Schiffshauptantrieb auch als Stationärmotoren zur Stromerzeugung betrieben und hier oftmals als Grundlastwerk; dies ist jedoch eine Nischenanwendung, da die Motoren spezifisch teuer sind und die Generatoren wegen der für die niedrige Drehzahl notwendigen hohen Polanzahl und den geringen Stückzahlen hohe Kosten verursachen.Über 95 % aller Langsamläufer werden für den maritimen Bereich gefertigt und deshalb liegt der Entwicklungsfokus auch auf dieser Anwendung. Die Produktion von Langsamläufern unterscheidet sich deutlich von den kleineren Motoren. Langsamläufer werden fast ausschließlich in Lizenz gefertigt und dies oft in geografischer Nähe zu den Werften. Da der globale Schiffsbau inzwischen in Fernostasien (Korea, Japan, China) konzentriert ist, ist auch der überwiegende Teil der Motorenfertigung dort angesiedelt. Die Entwicklung und Konstruktionsarbeit der Motoren liegt aber weiterhin in Europa – mit MAN Diesel & Turbo und der in der Schweiz ansässigen, aber in chinesischer Hand befindlichen Firma WinGD als marktführende Unternehmen.

Dr.-Ing. Stefan Mayer

32. Druckindizierung

Der Verbrennungsmotor bezieht seine Energie aus der Umsetzung der chemischen Energie in Wärme. Diesen Vorgang zu verstehen, so effizient und schadstoffarm wie möglich zu gestalten ist das Ziel der Verbrennungsdiagnostik. Während die Messung des Verbrennungsdrucks (Abb. 32.1 oben) so alt wie der Verbrennungsmotor selbst ist und einen globalen Wert aus dem Brennraum repräsentiert, bestand immer der Wunsch zusätzliche Informationen oder auch räumliche Information von der Verbrennung für eine Optimierung zur Verfügung zu haben. Dafür hat sich die optische Messtechnik (Abb. 32.1 unten) durchgesetzt. Neben dem Einsatz in Forschungslabors oder in der Vorentwicklung kommt diese Technik gerade in den letzten Jahren ob ihrer Robustheit und einfachen Applizierbarkeit auch ergänzend in der Serienentwicklung zum Einsatz. Der Messung von Verbrennungswerten schließt sich zum einen eine Analyse während der Messung und oftmals eine aufwendige und tiefgründige Analyse nach der Messung an (Abb. 32.1 rechts).

Dr.-Ing. Rüdiger Teichmann, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Andreas Wimmer

3. PKW-Dieselmotoren

Der Schadstoffausstoß von Dieselmotoren ist gesetzlich reglementiert. Der Grundstein der Abgasgesetzgebung wurde bereits in den 1960er‐Jahren in Kalifornien in den USA gelegt. Die meisten der weltweit gültigen Vorschriften orientieren sich an den sich parallel entwickelnden Gesetzgebungen in den USA, Europa und Japan. Verantwortlich für die Abgasemissionsgesetzgebungen sind die Environmental Protection Agency (EPA) und die California Air Resources Board (CARB) für die USA, die Europäische Kommission für die EU und das Ministry of the Environment (MOE) für Japan.Die Prüfung auf Einhaltung der jeweils geltenden Grenzwerte erfolgt bei PKW und leichten Nutzfahrzeugen (NFZ) im Prüflabor auf einem Fahrzeugrollenprüfstand mit standardisierten Fahrzyklen und festgelegten Umgebungsrandbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchte. Eine Übersicht der wichtigsten Prüfzyklen für die Typzulassung in den jeweiligen Regionen ist in Abb. 3.1 dargestellt.Die Testverfahren, Abläufe und Bewertungen unterscheiden sich entsprechend der jeweiligen Gesetzgebung. Um einen Fahrzeugtyp zuzulassen, ist eine Typprüfung verbunden mit einem Typzulassungsverfahren durchzuführen. Im Rahmen einer Qualitätskontrolle des Herstellers erfolgt die Überprüfung der Einhaltung der Abgasgrenzwerte während der laufenden Produktion. Zusätzlich erfolgt eine Feldüberwachung durch den Gesetzgeber.

Dr.-Ing. Peter Eckert, Dr.-Ing. Maximilian Brauer, Dr.-Ing. Frank Bunar

44. Verbrennungsmodelle für Dieselmotoren

In diesem Kapitel werden sog. phänomenologische Verbrennungsmodelle beschrieben, die sich für die Simulation der dieselmotorischen, diffusionsgesteuerten Verbrennung mit Selbstzündung etabliert haben. Die phänomenologischen Modellansätze verfolgen dabei das Ziel, einerseits die charakteristischen physikalischen und chemischen Abläufe zu beschreiben, andererseits aber zugunsten einer kurzen Rechenzeit bewusst auf eine Lösung des dreidimensionalen turbulenten Strömungsfeldes zu verzichten (Stiesch 2003). Weitere Informationen zur Klassifizierung dieser Verbrennungsmodelle sind in Kap. 43, Abb. 43.1 und 43.2 dargestellt.

apl.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gunnar Stiesch

29. Aufladeverfahren

Die Aufladung von Verbrennungsmotoren wird primär dazu eingesetzt, die Luftmenge zu steigern, die für den Verbrennungsprozess im Motor zur Verfügung gestellt wird. Bei konstanten Verhältnissen aus Kraftstoff und Luft (Luftverhältnis) kann die Menge an zugeführtem Kraftstoff erhöht werden, sodass damit wiederum die Leistung des Motors gesteigert werden kann. Im Kreisprozess wirkt sich die Aufladung durch eine Arbeitsschleife mit größerer Arbeitsausbeute und höherem Spitzendruck aus. Die Ladungswechselschleife verschiebt sich aufgrund des notwendigen Ladedrucks (Abb. 29.1). Diese Ideen sind so alt wie die Idee des Verbrennungsmotors selbst und wurden von Daimler und Diesel früh untersucht. Der Ansatz der Ausnutzung der Abgasenergie wie beim ATL geht zurück auf ein Patent des Schweizers Alfred Büchi aus dem Jahr 1905. Heute spielen Aufladesysteme nicht nur zur Leistungssteigerung eine Rolle, in der Anwendung als Komponente zur Realisierung des Downsizings wird statt einer Leistungssteigerung eine Verkleinerung der Motorbaugröße (Hubvolumen) bei gleicher Leistung realisiert. Aufgrund der zentralen Bedeutung des Ladungswechsels moderner Motoren werden Aufladesysteme zur Regelung des Luft‑ und Abgaspfads eingesetzt, z. B. zur Unterstützung der AGR und beim Thermomanagement der Abgasnachbehandlung. Bei NFZ‐Motoren unterstützen Turbolader die Funktion der Motorbremse.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Roland Baar

2. PKW-Ottomotoren

Aktuelle Ottomotoren sowohl mit Saugrohr‐ als auch mit Direkteinspritzung sind in der Lage, die schärfsten internationalen Emissionsvorschriften zu erfüllen. Vor dem Hintergrund aktueller Kraftstoffverbrauch‐ bzw. Kohlendioxid(CO2)‐Anforderungen gilt es, bei Erhaltung des hohen Emissionspotenzials des Ottomotors seine Wirkungsgradpotenziale auszubauen.Die wesentlichen gesetzgeberischen Vorgaben hinsichtlich des Emissionsverhaltens von PKW‐Ottomotoren stellen die Normen aus der Europäischen Union (EU), den USA (US) und der Volksrepublik China (PRC) dar. Sämtliche Gesetzgeber entwickeln ihre Vorgaben ständig weiter, verschärfen i. d. R. die Grenzwerte für bereits limitierte Abgaskomponenten und führen erstmalig Grenzwerte für bisher nicht limitierte Komponenten ein. Somit können Angaben zu jeweiligen Grenzwerten nur im Rahmen ihrer zeitlichen Gültigkeit und im Zusammenhang mit der dafür zugeordneten Testprozedur (Fahrzyklus, Konditionierungsregularien, Fahrzeugklassen etc.) betrachtet werden. Die folgenden Darstellungen (Abb. 2.1, 2.2, 2.3 und 2.4) dienen somit vorrangig dem Hinweis auf die Größenordnungen von Emissionsgrenzwerten und dem Spektrum der gesetzesrelevanten Emissionen.

Priv.-Doz. Dr.-Ing. habil. Wolfram Gottschalk

17. Der Verbrennungsmotor als Teil des gesamten Antriebsstrangs

Die verbrennungsmotorischen Antriebe stehen im Augenblick vor der größten Herausforderung ihrer mehr als hundertjährigen Geschichte. Die Entwicklung alternativer Antriebe, insbesondere von batterieelektrischen Antrieben, wird teilweise so euphorisch eingeschätzt, dass sogar über ein generelles Verbot von Verbrennungsmotoren ab 2030 offen diskutiert wird. Doch selbst bei einer realistischen Einschätzung der technischen, wirtschaftlichen und marktpolitischen Realitäten ergeben sich für den Verbrennungsmotor signifikante Herausforderungen (Fraidl et al. 2017):

Dr.-techn. Gunter Fraidl, Dr.-techn. Paul Kapus

18. Zukunft des Verbrennungsmotors

Der Verbrennungsmotor ist die am weitesten verbreitete Energiewandlungsmaschine. Weit über eine Milliarde Verbrennungsmotoren sind heute als Antrieb für Fahrzeuge (Personenkraftwagen, Nutzfahrzeuge, Zweiräder, Schiffe), zur Energieversorgung (Heizkraftwerke, Notstromaggregate, Generatorantrieb) oder für andere Zwecke wie beispielsweise als handgehaltene Arbeitsgeräte (Motorsägen, Motorsensen, Trennschleifer) im Einsatz. Als Hubkolbenmotor mit innerer Verbrennung ist er zudem die effizienteste Wärmekraftmaschine überhaupt. Bei alleiniger Nutzung der abgegebenen mechanischen Energie werden in Großgasmotoren bereits Antriebswirkungsgrade von etwa 50 % erreicht. Wird die bei der Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzte Wärme zusätzlich zur Beheizung genutzt. Beispielsweise können in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) deutlich höhere Systemwirkungsgrade bis zu 90 % erreicht werden. Vor dem Hintergrund dieses außerordentlichen Erfolgs ist die weitere Entwicklung von Verbrennungsmotoren auch zukünftig von großer Bedeutung. Der Bedarf an mechanischer, elektrischer und insbesondere auch thermischer Energie hat durch die Industrialisierung kontinuierlich zugenommen und wird auch in Zukunft weltweit weiter steigen. Aufgrund seiner hohen Flexibilität und seiner einfachen Bauform wird der Hubkolbenmotor weiterhin eine wichtige Rolle bei der Energieumwandlung spielen und in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen eingesetzt werden. Die Entwicklung von modernen Verbrennungsmotoren befindet sich jedoch dabei in einem besonderen Spannungsfeld zwischen tatsächlichem Nutzen, Umweltanforderungen sowie politischer und öffentlicher Diskussion. Höchste Ansprüche werden v. a. bei der Reduzierung des Schadstoffausstoßes und des Kraftstoffverbrauchs bzw. der CO‐Konzentration in der Luft (CO‐Emission) als ein wesentlicher Verursacher des als real existierenden und weltweit diskutierten Klimawandels gestellt. Darüber hinaus ist das bereits seit Anfang der 1970er‐Jahre diskutierte begrenzte Vorkommen fossiler Kraftstoffe, und hier insbesondere die begrenzten Erdölvorkommen, langfristig zu beachten, weshalb auch kraftstoffseitig eine zukünftige Lösung gefunden werden muss.

Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. Ulrich Spicher

15. Hybridantriebe und Range Extender

Die für unsere heutige individuelle Mobilität mit dem Automobil erforderliche Energie ist zu etwa 95 % fossiler Herkunft und dabei überwiegend erdölbasiert. Gleiches gilt für den Gütertransport auf Straße und Wasser sowie für den Betrieb mobiler Arbeitsmaschinen. Aber auch im internationalen Zugverkehr und beim Betrieb stationärer Kraftmaschinen werden fossile flüssige oder gasförmige Kraftstoffe in großem Umfang eingesetzt. Die Reduzierung der CO2‐Emission bei steigendem Mobilitätsbedarf, die Endlichkeit der fossilen Energieträger und der Wunsch nach größtmöglicher politischer und wirtschaftlicher Unabhängigkeit im Energiesektor beeinflusst mittel‐ und langfristig die Energiewandlungsprozesse zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie. Trotzdem wird der Verbrennungsmotor, abhängig von der Anwendung, noch für lange Zeit der zentrale Energiewandler bleiben.Seit Jahrzehnten wird in Teilbereichen der konventionelle Kraftstoff zunehmend mit biogenen oder nicht erdölbasierten, aber immer noch fossilen Kraftstoffen ergänzt oder gar substituiert (Kap. 21). Eine weitere und gerade in den letzten etwa zehn Jahren intensiv entwickelte Technologie ist die Anwendung der lokal emissionsfreien elektrischen Energie für den Antrieb von Fahrzeugen und mobilen Arbeitsmaschinen.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke

19. Verbrennungsmotoren – gestern, heute, morgen

Wird die Frage nach der zukünftigen Form des Verbrennungsmotors diskutiert, so können zunächst die grundsätzlichen Merkmale der heute verwendeten Formen von Zwei- und Viertaktmotoren zur Diskussion gestellt und weiterführende Optimierungsansätze angedacht werden. Nicht selten ist zudem der Blick in die Vergangenheit interessant und aufschlussreich, wurden doch im Laufe der langen Entwicklungsdauer der VKM eine Vielzahl innovativer Konzeptansätze verfolgt. Diese blieben zwar häufig ohne nachhaltigen Erfolg, können aber heute durchaus von Interesse sein, wenn für deren Bewertung zukünftige Rahmenbedingungen gelten: Diese können beispielsweise eine spezifische Eignung für alternative Kraftstoffe oder außerordentliche Laufruhe und Kompaktheit bei Range Extendern sein, womit selbst Gasturbinen sowie Wankel- und Zweitaktmotoren einer Neubewertung zu unterziehen sind. Besonders hinsichtlich Effizienz wird zukünftig jede konzeptionelle Möglichkeit zur Erschließung weiterer Potenziale in Betracht gezogen werden, selbst wenn unter heutigen Bedingungen der erforderliche Aufwand für (erweiterte) Variabilitäten im Ventil- und Kurbeltrieb, Abwärmenutzung etc. nicht gerechtfertigt erscheint.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Helmut Eichlseder

36. Nachmotorische Schadstoffreduktion

In den vorangegangenen Kapiteln wurde neben den Mechanismen zur Schadstoffentstehung auch kurz auf Möglichkeiten zur innermotorischen Reduktion der einzelnen Bestandteile eingegangen. In den folgenden Abschnitten wird die nachmotorische Schadstoffreduzierung anhand der unterschiedlichen zum Einsatz kommenden Katalysatortypen erläutert. Der Einsatz eines Katalysators zur Herabsenkung der Aktivierungstemperatur wird obligatorisch in Anbetracht der vergleichsweise geringen Temperaturen, die sich im Abgasstrom einstellen können. Je nach Brennverfahren und Lastzustand stellen sich Temperaturen von 300–900 °C beim Ottomotor bzw. 150–600 °C beim Dieselmotor ein. Zur Oxidation von Kohlenwasserstoffen bzw. CO werden jedoch Temperaturen im Bereich von 600–700 °C benötigt. Die Reduktion von NO durch CO und H2 erfolgt hingegen im Temperaturbereich zwischen 350 und 600 °C. Die Grundtypen von Katalysatoren, welche in unterschiedlichen Konfigurationen in Otto‑ und Dieselmotoren zum Einsatz kommen, werden durch Oxidations‑, Reduktions‑ und Speicherkatalysatoren dargestellt. Eine Sonderstellung nimmt dabei der Partikelfilter ein, welcher in seiner Basisfunktionalität ohne eine katalytische Reaktion lediglich eine Filterung der Abgase vornimmt.

Dr.-Ing. Peter Eckert, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski

5. Nutzfahrzeugdieselmotoren

Als 1923 die ersten Verbrennungsmotoren nach dem Dieselbrennverfahren als Antriebe für NFZ eingesetzt wurden, sank der Fahrverbrauch gegenüber den bis dahin eingesetzten Ottomotoren um 25 % (Wikipedia 2013). Damit war der Weg der NFZ‐Antriebe vorgezeichnet. Der Anteil der Dieselmotoren in NFZ wuchs stetig und hat heute praktisch 100 % erreicht. Der Dieselmotor ist somit der überragende NFZ‐Antrieb.Aufgrund der vielfältigen Einsatzbedingungen von NFZ‐Dieselmotoren ist eine präzise Zuordnung oder Einteilung schwierig. Weitestgehend durchgesetzt hat sich eine Einteilung in zwei Gruppen, die aus dem US‐amerikanischen Sprachgebrauch entnommen ist. Die Bezeichnungen lauten Medium‐Duty‐ und Heavy‐Duty‐Motoren. Diese Motoren werden hauptsächlich in mittelschweren und schweren NFZ eingesetzt. Im Gegensatz dazu werden in den leichten NFZ Dieselmotoren eingesetzt, die meist von PKW‐Motoren abgeleitet sind. Diese werden dann als Light‐Duty‐Motoren bezeichnet.

Dr.-Ing. Heiko Lettmann, Dr.-techn. Karl Maderthaner

31. Thermomanagement

Moderne Kraftfahrzeuge müssen aufgrund von immer strenger werdender Abgasgesetzgebung möglichst effizient betrieben werden. Daher ist es notwendig, alle im Fahrzeug auftretenden Energieströme im Sinne eines umfassenden Energiemanagements zu optimieren. Die Energieströme sind mechanischer, chemischer, elektrischer und thermischer Natur. Diese Aufzählung ist bereits ein Indiz für die weitreichenden Aufgaben, die hier zu bewältigen sind. Fahrzeugthermomanagement versteht sich als eine Kategorie innerhalb des Energiemanagements und befasst sich mit der effizienten Verteilung und Nutzung thermischer Energie. In Abb. 31.1 ist beispielhaft die Verteilung aller Energieströme in einem Hybridfahrzeug dargestellt. Der Begriff Thermomanagement wird in der Motoren‑ und Fahrzeugentwicklung oftmals in unterschiedlichen Zusammenhängen verwendet. Daher soll hier eine begriffliche Abgrenzung vorgenommen, beziehungsweise Entwicklungsbereiche aufgezählt werden, in welchen der Begriff häufig verwendet wird. Im vorliegenden Kapitel wird nach der begrifflichen Abgrenzung auf die in Abschn. 31.1.1 beschriebenen Inhalte vertiefend eingegangen.

Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Raimund Almbauer, Dipl.-Ing. Andreas Ennemoser, Dr. techn. Heinz Petutschnig, Dr. techn. Armin Traußnig

34. Optische Messverfahren

Welche Eigenschaften einer Verbrennung erfordern optische Messverfahren, welcher Nutzen wird daraus für den Motorentwicklungsvorgang gewonnen? Mit der Vorgabe dieser Fragestellung ist in den nachfolgenden Tabellen eine Übersicht über verschiedene optische Messtechniken und deren Anwendungsmöglichkeiten angeführt. Von den vielfältigen Methoden, die in der Verbrennungsforschung zur Anwendung kommen, haben jedoch nur wenige das Potenzial, im praktischen Messbetrieb zur Unterstützung der Motorentwicklung zum Einsatz zu kommen. Der nachfolgende Beitrag gibt nach dem tabellarischen Überblick der Methoden eine beispielhafte Darstellung optischer Verfahren, die zur Unterstützung der Brennverfahrensentwicklung in Vor‑ und Serienentwicklung verwendet werden. Auswahlkriterium für eine Methodik sind immer der erzielbare Informationsgehalt für eine aktuelle Fragestellung und der Aufwand, das angestrebte Ergebnis auch erzielen zu können. Daher zeichnen sich erfolgreiche Methoden durch einfache Anwendbarkeit und hohen Informationsgehalt für entwicklungsrelevante Fragestellungen aus.

Dr.-techn. Ernst Winklhofer

50. Simulation von Einzeltropfenprozessen

In diesem Kapitel soll die Simulation von Einzeltropfenprozessen behandelt werden, um sie dann im folgenden Kapitel in eine Gesamtsimulation des Einspritzstrahls zu integrieren.

Dr.-Ing. Christian Krüger, Dr. rer. nat. Frank Otto

13. Realfahrtsbezogene Funktions- und Korrekturbedatung

In Kap. 12 wurde die Methodik der modellbasierten Optimierung unter Nutzung der empirischen, mathematischen Modelle mit ihren Möglichkeiten – hauptsächlich für die stationäre Basisbedatung von Verbrennungsmaschinen – dargestellt.Es gibt darüber hinaus aber eine Vielzahl von weiteren Anforderungen bei der Bedatung moderner Steuergeräte, die sich aus dem Verbund von mehreren mechatronischen Systemen, aus der Realfahrt, aus dem transienten Betrieb und aus veränderten Umweltbedingungen, in denen unsere Fahrzeuge später betrieben werden, ergeben.Dementsprechend wird in diesem Kapitel auf die erweiterten Anwendungen der modellbasierten Optimierung eingegangen, die sich im Verbund mit semiphysikalischer Modellbildung und der Bedatung von Kennfeldstrukturen eröffnen.Anhand von konkreten Aufgaben zur Optimierung von Diesel- und Ottomotoren sowie Hybridaggregaten wird gezeigt, wie sich theoretische Überlegungen zur Modellbildung sowie eine zunächst abstrakte Beschreibung der Prozessführung – beispielsweise beim Einsatz von DoE-Methoden oder bei der Funktionsbedatung eines virtuellen Sensors – in die Anwendungsumgebung einer Motorenentwicklung überführen lassen und dort eine Voraussetzung für effiziente Abläufe und eine sichere Zielerreichung darstellen.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Christian Beidl, Dr.-techn. Hans-Michael Koegeler, Mats Ivarson, Dipl.-Ing. Andreas Rainer

48. Numerik und zukünftige Entwicklungen

Dieses Kapitel ist den numerischen Verfahren zur Lösung der im vorigen Kapitel vorgestellten Navier-Stokes Gleichungen gewidmet. Der Schwerpunkt wird auf Finite-Volumen-Verfahren gelegt, die üblicherweise in motorischen CFD-Codes zum Einsatz kommen. Neben dem numerischen Schema spielt insbesondere das Berechnungsnetz eine Schlüsselrolle, was anhand verschiedener Beispiele diskutiert wird. Abgeschlossen wird das Kapitel mit der direkten Numerik-Simulation der Strömung im Brennraum, die aufgrund besonders hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung ohne Modellierung der Turbulenz auskommt.

Dr.-Ing. Christian Krüger, Dr. rer. nat. Frank Otto, Dr. sc. techn. Martin Schmitt, Univ.-Prof. Dr. sc. techn. Konstantinous Boulouchos

33. Druckverlaufsanalyse

Die Analyse des Zylinderdruckverlaufes ist trotz der Weiterentwicklung optischer Messverfahren bei der heutigen Entwicklung von Verbrennungsmotoren nicht wegzudenken. Zum einen ist der Zylinderdruckverlauf die wichtigste Größe zur Erkennung von klopfender Verbrennung online am Prüfstand und zum anderen können aus der thermodynamischen Analyse des Drucksignals wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der Verbrennung (Entflammungsdauer, Zündverzug, Heiz‑ und Brennverlauf) sowie der sogenannten Verlustteilung gewonnen werden. Zudem gibt der Druckverlauf Aufschluss über die Einhaltung des vorgegebenen Spitzendruckes, die indizierte Arbeit sowie über das Ladungswechselverhalten des Motors (Füllung) und das Restgas im Brennraum.

Dr.-Ing. Rüdiger Teichmann, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Andreas Wimmer

24. Dieselverbrennung

Der konventionelle dieselmotorische Verbrennungsprozess ist durch eine heterogene Gemischbildung und Verbrennung gekennzeichnet. In modernen Dieselmotoren wird der Brennstoff i. d. R. kurz vor dem OT direkt in die hochverdichtete Luft im Brennraum eingespritzt. Der in den Brennraum eintretende flüssige Brennstoff wird in kleine Tropfen zerstäubt, verdunstet und wird mit Luft gemischt, sodass sich ein heterogenes Gemisch aus Brennstoff und Luft ergibt. Die Verbrennung wird durch die hohen Temperaturen und Drücke durch einen Selbstzündungsprozess eingeleitet. Beim konventionellen Dieselbrennverfahren steht üblicherweise nur eine sehr kurze Zeitspanne zur Gemischbildung zur Verfügung. Eine schnelle Einspritzung und gute Zerstäubung des Brennstoffs sind deshalb Voraussetzung für eine schnelle und gute Durchmischung von Brennstoff und Luft.Die Last des Motors wird durch die Menge des eingespritzten Brennstoffs, der Brennbeginn durch den Einspritzbeginn geregelt. Dieselmotoren werden üblicherweise mit einem global mageren Luftverhältnis betrieben, die direkte Einspritzung führt jedoch zu unterschiedlichen Gemischbereichen, die zwischen sehr mageren über stöchiometrischen bis zu sehr fetten Gemischverhältnissen variieren. Diese Gemischschichtung führt unvermeidlich zur Bildung von Schadstoffemissionen, insbesondere von Rußpartikeln und NOx.

Dr.-Ing. Peter Eckert, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski

39. Nulldimensionale Modellierung

Zur Analyse und Simulation des Arbeitsprozesses von Verbrennungsmotoren steht eine Reihe von Berechnungsmöglichkeiten zur Verfügung. Grundsätzlich wird unter dem Begriff Analyse die Beschreibung eines existierenden Systems bezeichnet. Dabei wird durch Beobachtung des Systems auf die Gesetzmäßigkeiten seiner Abläufe geschlossen und diese werden dann unter Einbeziehung der jeweils wesentlichen Parameter in mathematische Rechenmodelle überführt. Sobald die Ergebnisse der Rechenmodelle ausreichend mittels Experimente abgesichert sind, können diese auch zur Simulation herangezogen werden. Unter Simulation wird in diesem Fall die Vorhersage des Verhaltens ähnlicher Systeme verstanden.

Dr.-Ing. Franz Chmela, Dr.-techn. Gerhard Pirker, Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Andreas Wimmer

21. Brennstoffe

Heute bilden fossile Brennstoffe das weltweite Rückgrat der Mobilität. Die zuverlässige Versorgung und Betriebssicherheit von Motoren ist durch nationale und internationale Normen, die die wichtigsten Stoffeigenschaften, Limitierung von unerwünschten Inhaltsstoffen etc. regeln, gewährleistet. Mit der dringlichen Notwendigkeit zur Senkung von CO2 Emissionen und vor dem Hintergrund des weiterhin ansteigenden Bedarfes nach Mobilität kommt der Entwicklung und Anwendung von zukünftigen, überwiegend nichtfossilen Brennstoffen eine Schlüsselrolle zu. Hilfreich ist dabei eine herausragende Eigenschaft des Verbrennungsmotors, die Eignung für verschiedene flüssige und gasförmige Kraftstoffe. Eine große Bandbreite von Brennstoffausgangsprodukten fossilen und nichtfossilen Ursprungs kann dafür genutzt werden. Ein besonderer Hoffnungsträger ist dabei mittels Elektrolyse erzeugter Wasserstoff. Dieser kann nicht nur in Brennstoffzellen und Verbrennungsmotoren direkt genutzt werden, sondern mit nachfolgender Synthese zu sogenannten E-Fuels weiterverarbeitet werden. Diese haben nicht nur den Vorteil der erneuerbaren Basis, sondern können auch in ihren Eigenschaften gezielt beeinflusst werden.

Dr.-Ing. Peter Eckert, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Helmut Eichlseder, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke

6. Großdieselmotoren

Seit dem Beginn der Entwicklung werden Motoren unterschiedlichster Größe und Ausführung eingesetzt. In diesem Abschnitt wird erläutert, was sich hinter dem Begriff Großdieselmotoren verbirgt. Die Tab. 6.1 zeigt dafür entsprechende Kennwerte. Wie aus der linken Spalte zu sehen ist, werden hiermit überwiegend Motoren mit Zylinderhubvolumina von mehr als 2,5 l charakterisiert. Die Werte für Bohrung und Hub sind üblicherweise größer als bei Dieselmotoren z. B. für LKW.In der rechten Spalte sind maximale Werte für diese Motoren angegeben, wie sie heute im Feld ausgeführt sind. Technisch ist es denkbar, dass die hier aufgeführten Werte zukünftig noch weiter nach oben getrieben werden. Ob dies, insbesondere bei der erzielten Maximalleistung, wirtschaftlich vertretbar ist, kann aktuell nicht abgesehen werden.Im Folgenden werden Dieselmotoren betrachtet, die sich in den hier definierten Grenzen befinden.Nach dieser Definition waren die ersten produzierten Dieselmotoren ausschließlich Großmotoren. Erst der Einsatz in LKW in den 1920er‐Jahren und in PKW in den 1930er‐Jahren führte zu den heute weit verbreiteten kleinen Dieselmotoren.Die Geschichte der Großmotoren ist ausgesprochen vielfältig. Viele Basismotortechnologien, die heute umfassend eingesetzt werden, wurden im Rahmen der Großmotorenentwicklung beim Streben nach höherer Leistungsdichte und besserem Wirkungsgrad bereits sehr frühzeitig erfunden und wurden im Lauf der Zeit weiter optimiert. Heute findet häufig ein Techniktransfer in umgekehrter Richtung statt, insbesondere beim Einsatz der Elektronik und Regelung.

Hon.-Prof. Dr.-Ing. Hinrich Mohr

20. Thermodynamische Grundlagen

Zunächst wird die grundsätzliche Wirkungsweise einer thermischen Energiewandlungsmaschine zur Wandlung von Primärenergie in mechanische Arbeit an Hand einer einfachen Skizze erläutert und der Carnotwirkungsgrad, der maximal mögliche Wirkungsgrad thermischer Kraftmaschinen abgeleitet. Anschließend wird die Kinematik des Kurbeltriebs der Kolbenmaschine erläutert und die Beziehung für die Kolbengeschwindigkeit abgeleitet. Der 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik zur Beschreibung von geschlossenen und offenen Kreisprozessen, sowie die entsprechenden p,V- Diagramme für den Vier- und Zweitaktmotor vorgestellt. Die Beziehungen für den thermischen Wirkungsgrad für ideale Kreisprozesse werden abgeleitet und die wesentlichen Schritte von den idealen über offene Prozesse zum Realprozess werden dargelegt. Dafür werden die wichtigsten Kenngrößen und Kennwerte wie effektiver Mitteldruck, effektive Leistung, thermischer Wirkungsgrad und effektiver Verbrauch angegeben. Des Weiteren wird das Verhalten isentroper Strömungen vorgestellt und die Beziehung für die Strömung in Ventilen abgeleitet. Abschließend werden der reale Diesel- und Ottoprozess betrachtet und deren grundsätzlichen Charakteristiken an Hand von Motorkennfeldern für Voll- und Teillast erläutert. Das Kapitel schließt mit einem ausführlichen Literaturverzeichnis.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Günter P. Merker

35. Schadstoffbildung

Bei der vollständigen Verbrennung eines nur aus C‐ und H‐Atomen bestehenden, sogenannten CxHy‐Brennstoffes enthält das Abgas die Komponenten Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Bei der realen Verbrennung treten zusätzlich zu diesen Bestandteilen auch die Produkte der unvollständigen Verbrennung Kohlenmonoxid (CO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC) sowie die unerwünschten Nebenprodukte Stickoxide (NOx) und Partikel auf. Im Gegensatz zu den durch den Gesetzgeber limitierten Abgaskomponenten wird das CO2 nicht als Schadstoff angesehen, da es keine direkte Gefahr für die Gesundheit des Menschen darstellt und als Endprodukt jeder vollständigen Oxidation eines Kohlenwasserstoffs auftritt. Im Folgenden werden die Entstehungsmechanismen der oben genannten Schadstoffe beschrieben sowie inner‑ und nachmotorische Methoden zur Reduktion dieser Stoffe dargestellt.

Dr.-Ing. Peter Eckert, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski

52. Simulation der Dieselverbrennung

Die Kapitel 52 und 53 sind der strömungsmechanischen Simulation der turbulenten Verbrennung für Diesel‐ wie Ottomotoren gewidmet. Im Kern geht es dabei nur um die turbulente Mittelung des Quellterms der Speziestransportgleichungen (47.18); allerdings ist unmittelbar einsichtig, dass dies ein schwieriges Unterfangen darstellt, da Reaktionskinetik typischerweise exponentiell von der Temperatur abhängt. Der notwendige Modellierungsaufwand dafür ist nicht unerheblich. Mit der reinen Applikation kommerziell standardisierter Modellierungen kommt man (leider) immer noch nicht sehr weit.Es sei darauf hingewiesen, dass wir uns hier ausschließlich mit motorischer Verbrennung beschäftigen, d. h. mit instationären, turbulenten Verbrennungsprozessen in komplexen, bewegten Geometrien, in Folge oder in Begleitung von komplexen Gemischbildungsvorgängen. Von daher wird schnell klar, dass viele Verbrennungsmodellierungen, die für wesentlich einfachere Randbedingungen entwickelt wurden, nicht auf Motoren übertragbar sind. Ein weiteres großes Problem für die nachhaltige Etablierung allgemein bewährter Modellierungsfortschritte stellt auch nach wie vor das Fehlen eines zuverlässigen Strahlmodells dar, da dadurch eine Bewertung der Qualität eines Verbrennungsmodells schwierig wird.

Dr.-Ing. Christian Krüger, Dr. rer. nat. Frank Otto

53. Simulation der Benzinverbrennung

Die Kapitel 52 und 53 sind der strömungsmechanischen Simulation der turbulenten Verbrennung für Diesel‐ wie Ottomotoren gewidmet. Im Kern geht es dabei nur um die turbulente Mittelung des Quellterms der Speziestransportgleichungen (47.18); allerdings ist unmittelbar einsichtig, dass dies ein schwieriges Unterfangen darstellt, da Reaktionskinetik typischerweise exponentiell von der Temperatur abhängt. Der notwendige Modellierungsaufwand dafür ist nicht unerheblich. Mit der reinen Applikation kommerziell standardisierter Modellierungen kommt man (leider) immer noch nicht sehr weit.Es sei darauf hingewiesen, dass wir uns hier ausschließlich mit motorischer Verbrennung beschäftigen, d. h. mit instationären, turbulenten Verbrennungsprozessen in komplexen, bewegten Geometrien, in Folge oder in Begleitung von komplexen Gemischbildungsvorgängen. Von daher wird schnell klar, dass viele Verbrennungsmodellierungen, die für wesentlich einfachere Randbedingungen entwickelt wurden, nicht auf Motoren übertragbar sind. Ein weiteres großes Problem für die nachhaltige Etablierung allgemein bewährter Modellierungsfortschritte stellt auch nach wie vor das Fehlen eines zuverlässigen Strahlmodells dar, da dadurch eine Bewertung der Qualität eines Verbrennungsmodells schwierig wird.

Dr.-Ing. Christian Krüger, Dr. rer. nat. Frank Otto

4. Sanierungs- und Restrukturierungsmaßnahmen

Eine Unternehmenssanierung funktioniert leider nicht durch die alleinige Anwendung von „Sanierungstools“ wie Stundungen, Entlassungen etc. Denn jede Sanierung ist mit Veränderungen verbunden, ist ein inhaltlich komplexes Change Managementprojekt, mit dem sich das Unternehmen vom Ist- in den Sollzustand verwandeln soll. Auf diese „Reise“ müssen alle involvierten Personen mitgenommen werden, indem die Sanierungsziele kommuniziert und erklärt sowie die Personen in diesem Veränderungsprozess gecoacht werden müssen: Dies erfordert die Etablierung einer Sanierungskultur (Sanierungsmindset), die ein zentraler Erfolgsbestandteil ist. Nachfolgend finden Sie eine Zusammenstellung der Erfolgsfaktoren für die wesentlichen Sanierungsbereiche und -maßnahmen.

Dr. Dr. Stefan Hohberger, Hellmut Damlachi, Valerie Wächter, Michael Hermanns, Dr. Klaus Stoesser, Susanne Gessert, Moritz Steiner, Jaroslaw Zapolski, Jürgen Hanke

Dynamische Öldrücke im Pleuellager und ihre Bedeutung bei der Entwicklung eines VCR‑Pleuels

Strengere Richtlinien für die Emission von Abgasen sowie ein zunehmendes Umweltbewusstsein stellen die Automobilindustrie vor wachsende Herausforderungen. Umsetzungen wie das sogenannte Downsizing und der damit verbundenen Aufladung mit Turboladern haben in der Vergangenheit schon dazu beigetragen einen Verbrennungsmotor effizienter zu betreiben [7].

Denis Pendovski, Stefan Pischinger, Tolga Uhlmann, Mirko Plettenberg

6. Tragwerke und Aufbauten von Schienenfahrzeugen

Es werden die Anforderungen und Vorgaben zur Auslegung von Schienenfahrzeugtragwerken aus den verschiedenen Regelwerken dargestellt, sowohl für statische als auch für dynamische Belastungen. Auch die Anforderungen an die crashgerechte Auslegung und deren konstruktive Umsetzung werden besprochen. Anhand der geschichtlichen Entwicklung von Personenfahrzeugen der Eisenbahn werden die verschiedenen Bauweisen (insbesondere Differential- und Integralbauweise in Stahl bzw. Aluminium) durch zahlreiche Beispiele erläutert. Weitere Abschnitte dieses Kapitels beschäftigen sich mit den Tragwerken und Aufbauten von U-Bahn- und Straßenbahnfahrzeugen, Lokomotiven und Güterwagen. Schließlich werden noch die Auslegungskriterien für Drehgestelle aus den anzuwendenden Regelwerken dargestellt. Das Beispiel einer Finite-Elemente-Berechnung für ein Straßenbahndrehgestell beschließt das Kapitel.

Joachim Ihme

7. Engineering im Schienenfahrzeugbau

Die Engineering-Prozesse in der Schienenfahrzeug-Industrie haben sich in den letzten 25 Jahren verändert. Da die Mitwirkung der Staatsbahnen bei der Produktentwicklung aufgegeben wurde, entwickeln die Hersteller heute Fahrzeugplattformen, die die Anforderungen möglichst vieler Kunden abdecken und an spezielle Kundenwünsche angepasst werden können. Auch der Zulassungs- und Inbetriebnahme-Prozess hat sich stark verändert. Beschrieben werden die Produkterstellungsprozesse von Schienenfahrzeugen bis zur Erlangung der Inbetriebnahmegenehmigung. Die heute übliche Unterstützung der Produkterstellung von der Entwicklung, Konstruktion, Arbeits- und Montageplanung bis hin zur Fertigung und Montage einschließlich der Qualitätssicherung und des Service durch Computer-basierte Technologien (CAD, CAE, CAP, CAM, CAQ, CAS usw.) wird an vielen Beispielen aus den einzelnen Phasen des Engineering-Prozesses erläutert.

Joachim Ihme

3. Antriebsmaschinen, Leistungsübertragung

Die Begriffe „Bedarfskennlinie eines Fahrzeugs“ und „Lieferkennung einer Antriebsmaschine“ und deren grafische Darstellung werden eingeführt. Für die verschiedenen im Fahrzeugbetrieb verwendbaren Antriebsmaschinen (Dampfmaschine; Elektromotor als Gleichstrom-, Wechselstrom- und Drehstrommotor; Verbrennungsmotor; Gasturbine) werden die Drehmoment- bzw. Zugkraftkennlinien sowie die Leistungskennlinien dargestellt und besprochen, wobei sowohl die Kennlinien für Antrieb als auch für Bremsen (über die Antriebsanlagen) berücksichtigt sind. Auch der Begriff „Kennungswandler“ wird erläutert. Für Verbrennungsmotoren wird die Kennungswandlung durch mechanische und hydraulische Getriebe sowie durch elektrische Leistungsübertragung gezeigt. Die Konstruktionsprinzipien des mechanischen Teils elektrischer Antriebe werden ebenfalls dargestellt. Das Kapitel schließt mit Hybridantrieben für Schienenfahrzeuge.

Joachim Ihme

Kapitel 4. Experimentelle Bestimmung des Temperaturprofils

Da sich eine Vielzahl von Faktoren, die im realen Betrieb auftreten, nicht oder nur bedingt mit einbeziehen lassen, sind numerische Simulationen von Fahrzeugkomponenten im realen Einsatz nur eingeschränkt aussagekräftig. Ein zusätzlicher Nachteil im Vergleich zur Fahrt auf öffentlichen Straßen besteht im Fehlen der Fahrbahnlängsneigung, die nachweisbar Fahrerverhalten, Fahrleistung und Verbrauch beeinflusst [125]. Das individuelle Verhalten des Fahrers eines Kraftfahrzeugs im Realverkehr kann ebenfalls nicht mit den oben genannten Simulationen erfasst werden.

Ulrike Weinrich

Kapitel 6. Zusammenfassung und Ausblick

Ungeachtet dessen, wie sich die Lenkkonzepte für selbstfahrende Autos entwickeln werden, zählen elektrisch unterstützte Lenksysteme derzeit zu den gebräuchlichsten Lenkungskonzepten im Pkw-Bereich für die Aufprägung eines Lenkwinkels an den Rädern der Vorderachse – bei Allradlenkung ebenfalls an der Hinterachse. Die Unterstützungskraft wird durch einen Elektromotor erzeugt, der über das Bordnetz gespeist wird. Um Gefährdungen, die durch das Fehlverhalten solcher elektronischer Systeme entstehen können, abzuwenden bzw. komplett zu verhindern, werden Maßnahmen und deren technische Umsetzung zur Erreichung funktionaler Sicherheit gefordert.

Ulrike Weinrich

21. Lösungen der Übungsaufgaben

Am Ende jeden Kapitels sind Übungsaufgaben zum Selbststudium gelistet. In diesem abschließenden Kapitel sind die Lösungen ausführlich mit Zwischenschritten dargestellt.

Prof. Dr.-Ing. Richard Zahoransky

8. Stationäre Kolbenmotoren für energetischen Einsatz

Kolbenmotoren finden in der Energieversorgung vielfältig Verwendung als Notstromaggregate, als Antrieb für Pumpen in Großkraftwerken und in dezentralen Blockheizkraftwerken BHKW. Motoren für Notstromaggregate und zum Antrieb von Arbeitsmaschinen werden meist mit Diesel‐Kraftstoff betrieben. In BHKW dominieren Gasmotoren, wobei Erdgas, Deponie‑ oder Klärgas bevorzugt sind. Die wesentliche Thermodynamik der Otto‑, Diesel‑ und Stirling‐Motoren wird in Kürze behandelt, während die Gasmotoren tiefere Behandlung finden. Die Motoren für die Energieversorgung stammen i. Allg. von mobilen Anwendungen ab und werden an die energietechnischen Anwendungen angepasst.

Prof. Dr.-Ing. Richard Zahoransky

5. Kernkraftwerke

In diesem Kapitel sollen die physikalisch‐technischen Grundlagen der Kernspaltung und deren konkrete Umsetzung in Kraftwerken vermittelt werden. Daher beinhaltet der erste Teil des Kapitels die naturwissenschaftlichen Grundlagen der Reaktorphysik, in der die Thematik auf die allerwichtigsten Fakten beschränkt wurde. Der zweite Teil des Kapitels befasst sich mit dem Aufbau von Brennelementen und dem Reaktor selbst für die einzelnen Reaktortypen, so dass der Leser mit diesem Hintergrundwissen die Ausführungen zur Reaktorsicherheit, insbesondere zum Unfall im japanischen Kernkraftwerk Fukushima Daiichi 2011 nachvollziehen kann.Weiterhin werden die Themenbereiche Entsorgung, Wiederaufarbeitung von abgebrannten Brennelementen und deren Transport aufgegriffen. Abschließend wird auf das Gegenstück zu den klassischen Kernkraftwerken, die geplanten Fusionskraftwerke, eingegangen.Mit diesem Kapitel wird nicht angestrebt, alle in einem Kernkraftwerk ablaufenden Prozesse und alle Konzepte detailliert darzustellen. Vielmehr werden in einem ersten Abriss die kerntechnischen Grundlagen zum Verständnis dieser ingenieurstechnisch höchst anspruchsvollen Technologie vorgestellt und die wichtigen Informationen für die Energiewirtschaft vermittelt. Wer weitergehendes Detailwissen anstrebt, möge sich des Literaturverzeichnisses bedienen.

Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Hans-Josef Allelein

Kapitel 6. Energieeinsatz und Wasserförderung

Die Versorgung mit Wasser und Energie ist für unsere Lebensqualität vonentscheidender Bedeutung. Beide Bereiche sind eng miteinander verbunden.

Matthias Weiß

Kapitel 15. Evaluation alternativer Automotive-Innovationen

Vom SUV zur E-Mobilität – Blue Ocean® oder Entwicklungsgrab?

Die heutige Mobilität befindet sich in einem Wandel. Aufgrund der restriktiven Ölvorkommen und den verschiedensten Anforderungen und Herausforderungen bei der Förderung von Rohöl ist unter anderem die Automobilindustrie gefordert, neue Mobilitätskonzepte und Antriebsvarianten für Automobile zu erfinden, zu schaffen und umzusetzen. Die Entwicklung des Automobils wurde in den Jahren seit seiner Erfindung immer wieder vorangetrieben und forciert.

Steffen Schmenn, Thomas Heupel

Einfluss der Diesel-Wasser-Emulsion auf das Brennverfahren von Medium-Speed-Motoren mit Pumpe-Leitung-Düse- und Common-Rail-Einspritzsystem

Verbrennungsmotoren werden auch in Zukunft die wichtigsten Antriebe in den Bereichen Mobilität und Transport bleiben und weiter an Bedeutung bei der dezentralen Strom- und Wärmeerzeugung gewinnen. Die bisherigen Entwicklungen bei der Schadstoffgesetzgebung, insbesondere vor dem Hintergrund der aktuell stattfindenden öffentlichen Diskussion zur Zukunft von Dieselmotoren, werden zu einer weiteren Senkung der zulässigen Emissionen von Verbrennungsmotoren führen. Dabei wird zukünftig neben der Stickoxidemission auch der Ausstoß von Partikeln hinsichtlich Gesamtmasse und Anzahl stärkeren Reglementierungen unterworfen.

Karsten Stenzel, Christian Reiser, Christian Elß, Roland Pittermann, Bernhard Fritsch

Einspritzsysteme in Kombination mit Verbrauchsoptimierungen für den asiatischen Markt erklärt beispielhaft an China und Indien

Heutige Großdieselmotoren weisen noch immer erhebliche Unterschiede im Technologisierungsgrad der Einspritz- bzw. Verbrennungssysteme auf. Dies reicht von rein mechanischen Reiheneinspritzpumpen über elektronische Pumpe-Leitung-Düse, beziehungsweise Pumpe-Düse-Systemen bis hin zu Common-Rail Systemen mit Stickoxidund/oder Partikelnachbehandlung und dementsprechenden Steuergeräten zur Steuerung der Einspritzung bzw. des Gesamtsystems.

Bernhard Pemp, Christoph Kendlbacher, Martin Bernhaupt

Technologien für moderne Einspritzsysteme von Großdieselmotoren

In der Vergangenheit waren stets Bestrebungen zur Emissionsreduzierung – umgesetzt durch kontinuierlich verschärfte Abgasgesetzgebungen – Treiber für Neuentwicklungen im Bereich der Diesel-Einspritzsysteme für Großmotoren. So lagen die ersten elektronisch angesteuerten Common-Rail Einspritzsysteme im Großmotorenbereich 1997 bei 1200 bar Systemdruck. Durch eine stetige Weiterentwicklung wurde der Druck innerhalb der darauffolgenden zehn Jahre bis auf 1800bar angehoben.

Michael Willmann, Hartmut Schneider

C1-Oxygenate als zukünftige Kraftstoffe

C1-Oxygenate besitzen drei herausragende Eigenschaften, die dieser Stoffklasse einen ersten Platz unter den synthetischen Kraftstoffen sichern: Kurze Wege der nachhaltigen Herstellung aus den Oxiden des Kohlenstoffs. Gute Umweltverträglichkeit Verbrennung ohne Partikelbildung durch hohen Sauerstoffgehalt und hohe Flüchtigkeit.

Eberhard Jacob, Michael Stark, Martin Härtl, Georg Wachtmeister

Verlustanalyse eines direkteinblasenden Wasserstoffverbrennungsmotors

Wasserstoff ist das einzige Brenngas mit technischer Verwendung, dass frei von Kohlenstoff ist. Entsprechend stellt Wasserstoff eine sinnvolle Alternative zu konventionellen Kraftstoffen dar. Gerade der Einsatz von Wasserstoff als Kraftstoff in Verbrennungsmotoren bietet eine schnelle und kostengünstige Möglichkeit einer signifikanten Reduzierung der CO2-Emissionen im Verkehrssektor.

Kevin Klepatz, Stephan Zeilinga, Hermann Rottengruber, Daniel Koch, Franz Werner Prümm, Alvaro Sousa

Kapitel 2. Energie und Leben

Wärmekraftmaschinen und Transistoren wandeln fossile, nukleare und erneuerbare Energien in Arbeitsleistung und Informationsverarbeitung um und erbringen so die Energiedienstleistungen, die den Wohlstand der Industriegesellschaft schaffen und immer mehr Menschen von schwerer körperlicher und eintöniger geistiger Arbeit befreien. Zur Minderung der besonders umweltbelastenden Entropieproduktion in Form von Schadstoffemissionen können Teilchen- in Wärmeströme umgewandelt werden. Die berechneten Schadstoff-Wärmeäquivalente bei der Schadstoffrückhaltung und Entsorgung von Kohle- und Kernkraftwerken zeigen die damit jeweils verbundene Annäherung an die Hitzemauer, der äußersten Grenze für industrielles Wirtschaftswachstum innerhalb der Biosphäre. Die Minimierung von Energieumwandlung und Entropieproduktion bei ungeschmälerten Energiedienstleistungen ist ein wirkungsvolles Instrument der Emissionsminderung und Ressourcenschonung. Beispiele für Energie-, Emissions- und Kostenoptimierung durch Wärmerückgewinnung, auch in Kombination mit Solarenergie, lassen erkennen, was möglich ist, welche Konkurrenzeffekte zwischen den betrachteten Technologien auftreten können und dass die Ausschöpfung der Energie-Einsparpotenziale eines Energieversorgungssystems durch steigende Energiepreise begünstigt wird.

Reiner Kümmel

9. Biokraftstoffe

Für die Synthese von Biokraftstoffen kommen verschiedene Verfahrenswege infrage, nachfolgend soll dazu ein kurzer Überblick gegeben werden (siehe Abb. 9.1).Die aktuelle Diskussion um die Nachhaltigkeit und mögliche Verdrängungsmechanismen in Bezug auf die Lebensmittelindustrie wird hier ausdrücklich ausgeklammert. Vielmehr sollen nur die technischen Umsetzungs- und Realisierungsmöglichkeiten dargestellt werden.Generell kann gesagt werden, dass der Einsatz von Biokraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen kein grundsätzliches Problem darstellt. Es sind lediglich einige Besonderheiten, wie Zünd- und Verbrennungseigenschaften, Dichtungs- und Lackverträglichkeit, thermische Stabilität (Alterung) und Rückwirkungen auf das tribologische System „Brennstoff-Brenngas-Schmierstoff-Oberflächenbeschaffenheit“ zu berücksichtigen. Diese Biokraftstoffe sollten daher nur nach Absprache mit dem Hersteller eingesetzt werden (vgl. auch Kap. 12).

Holger Watter, Prof. Dr.-Ing. Holger Watter

7. Biomasse

Für die thermochemische Umsetzung von Biomasse zu Energie, Kraftstoffen oder Gasen sind einige biochemische und thermodynamische Grundkenntnisse erforderlich. Nachfolgend wird daher die wesentliche Nomenklatur kurz zusammengefasst:

Holger Watter, Prof. Dr.-Ing. Holger Watter

12. Kraft-Wärme-Kopplung

Nachfolgend werden die wichtigsten Kraftmaschinen in Bezug auf nachhaltige Energiesysteme angesprochen. Zur Vertiefung sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Abbildung 12.1 gibt eine Übersicht zu den Leistungs- und Wirkungsgradpotentialen der wichtigsten Energiewandler. Dabei haben sich Dieselmotoren und kombinierte Gas-/Dampfturbinenprozesse in der Praxis bewährt. Neben den relativ guten Wirkungsgraden zeichnen sie sich durch hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit aus. Sie werden deshalb als betriebswirtschaftliche Lösungen in der Regel favorisiert. Die Brennstoffzellensysteme haben die Ebene der Laborversuche verlassen und werden z. Zt. in Feldversuchen erprobt. Die hier gezeigten Leistungs- und Wirkungsgradoptionen müssen sich in der Praxis noch bewähren.

Holger Watter, Prof. Dr.-Ing. Holger Watter

2. Rohstoffe

Die Eigenart von trockenen Massengütern bedingt ihre Verschiffung in großräumigen Frachtschiffen, die als Massengut‑ oder Schüttgutfrachter definiert sind, für die auch die englische Bezeichnung Bulk Carrier verbreitet ist. Insbesondere der Seetransport von Eisenerz verlangt aufgrund seiner Schwere mit einem Staumaß von 0,4 bis 0,62 besondere Schiffskonstruktionen mit starken Verbänden. Trotzdem sind Totalverluste von Erzfrachtern unter den häufigsten Ursachen von schweren Schiffsunglücken zu finden. Doch auch andere Massengüter, wie Bauxit oder Kohle, können bei zu hohen Feuchtigkeitsgehalten und Übergehen eine große Gefahr für Schiff und Besatzung darstellen.2016 wurde die in Bulk transportierte Menge auf insgesamt 4,89 Mrd. t beziffert. Der größte Anteil – 1,41 Mrd. t – entfiel auf Eisenerz. Davon wiederum erhielt China 71 %, Japan 9 % und Europa 7 % der Importe. Australien und Brasilien waren die bedeutendsten Exporteure mit Anteilen von 57 und 26 %. Zweitwichtigste Bulkladung ist Kohle, von der 1,14 Mrd. t über See gingen. 18 % der Importe entfielen auf China, 17 % auf Indien, 16 % auf Japan, 12 % auf Europa und 11 % auf Südkorea. Die wichtigsten Exporteure von Kohle waren Australien und Indonesien mit Anteilen von 33 und 32 %. Deutschlands Anteil am internationalen Massenguttransport ist marginal. 2016 erreichte er bei Kohle und Öl 34,4 Mio. t Kohle, bei Erzen und Steinen 28,6 Mio. t.

Ralf Witthohn

5. Fährschifffahrt

In Fortsetzung von Straßen‑ oder Eisenbahnverbindungen verkehren vor allem auf den Randmeeren und zu vorgelagerten Inseln Fährschiffe. Ihr Einsatz erfolgt nach festen Fahrplänen und häufig im Pendeldienst zwischen zwei Häfen. Etablierte Fährrouten sind auf Ost‑ und Nordsee, im Mittel‑ und Schwarzen Meer, aber auch vor den Küsten der anderen Kontinente eingerichtet. Mehrheitlich können diese Fähren sowohl kommerziell genutzte Fahrzeuge als auch Passagiere mit ihren Privatautos aufnehmen und werden danach Passagier‑ und Autofähren, auch Kombifähren, genannt (Abb. 5.1). Neben den Kombifähren für die Beförderung von Passagieren und Fracht werden auf vielen Routen „reine“ Frachtfähren beschäftigt. Oft verfügen sie über Unterbringungsmöglichkeiten für Lkw-Fahrer. Eine Reihe klassischer Fährschiffsrouten existiert zwischen Großbritannien und dem europäischen Festland. Dazu zählen die Kurzrouten über den Ärmelkanal. Sinn machen aber auch längere Strecken, geben sie doch den Lastwagenfahrern Gelegenheit zu ausgedehnten Ruhezeiten. Die seit 2000 auf den Bau von Frachtfähren spezialisierte Flensburger Schiffbaugesellschaft akquirierte mehr als 50 derartige Spezialschiffe und konnte sich eine weltweite Marktführerschaft auf diesem Sektor verschaffen.

Ralf Witthohn

1. Land- und forstwirtschaftliche Erzeugnisse, Tiere, Futtermittel

Die größten Mengen von Agrarprodukten wie Weizen, Grobkorn, Reis, Ölsaaten oder Zucker werden als Massengut – im Bulk – transportiert. Daraus leitet sich der aus dem Englischen entlehnte, inzwischen weit gebräuchliche Begriff des Bulkcarriers ab. Große Sorgfalt erfordert der Transport von Früchten, Fleisch und Fisch in speziellen Kühl- oder Kühlcontainerschiffen. Eine der größten, unter dem Namen Great White Fleet im Bananentransport tätigen Reedereien, Chiquita Brands, verschifft auf Liniendiensten von Mittel- nach Nordamerika und Europa Bananen. Wichtiges Exportland von in Containern verschifften Apfelsinen, anderem Obst und Gemüse ist Südafrika, Fleisch wird ebenfalls in Kühlcontainern vor allem aus Südamerika verschifft, Fisch tiefgefroren aus der Alaska-Region. Beim Transport von Säften, Alkohohl und Wasser kommen speziell entworfene Tankschiffe zum Einsatz. Einen noch größeren technologischen Aufwand erfordern Schiffskonstruktionen für die Beförderung von Vieh und Lebendfischen.

Ralf Witthohn

Bewertung von Autohöfen

Der in den Fachmedien breit diskutierte Ankauf des Versicherungskonzerns Allianz, der mit mehreren Partnern die Raststätten-Kette Tank & Rast für rund 3,5 Mrd. EUR erworben hat, verdeutlicht, dass Spezialimmobilien weiter in den Fokus vieler Investoren rücken. Dabei ist nicht nur der Trend eines diversifizierten Portfolios für Großanleger ein treibender Faktor, sondern darüber hinaus die Suche nach Anlagen mit interessantem Risiko-Rendite-Verhältnis in Zeiten allgemein niedriger Zinsen.

Alexander Ruscheinsky, Katrin Kandlbinder, Jessica Ruscheinsky

4. Geschäftsmodelle entlang der elektromobilen Wertschöpfungskette

In diesem Kapitel werden Veränderungen entlang der originären Wertschöpfungskette innerhalb des Automobilmarkts betrachtet, welche mit der voranschreitenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs einhergehen. Dazu werden Einflussfaktoren der Marktentwicklung und Prognosen zur zukünftigen Entwicklung herangeführt. Die Akteure entlang der Wertschöpfungskette sehen sich zum einen neuartigen Herausforderungen konfrontiert, zum anderen bieten sich ihnen Möglichkeiten den eigenen Anteil an der Wertschöpfung zu steigern. Die geänderten Kundenbedürfnisse und die Nachfrage nach einem vernetzten und ganzheitlichen Mobilitätsangebot bedingen zudem den Vorstoß in innovative Wertschöpfungsbereiche, was eine Neuentwicklung und Erweiterung vorhandener Geschäftsmodelle erforderlich macht. Um dem disruptiven Wandel begegnen zu können, eignen sich verschiedenartige Kooperationen zwischen den Akteuren. Dabei werden die einzelnen Aspekte perspektivisch aus Sicht der OEMs, der Zulieferer und der Energieversorger betrachtet.

Garnet Kasperk, Sarah Fluchs, Ralf Drauz

6. Elektrotechnik

Der Aufbau von Starkstromanlagen für Gebäude mit Versorgung aus Mittel- und Niederspannungsanlagen wird erläutert. Auch die Grundlagen von Eigenstromerzeugung mit Photovoltaik und Kleinwindkraftanlagen ist Bestandteil. Die Fernmelde- und Informationstechnik differenziert die zahlreichen Anwendungen für Telekommunikation, Elektroakustik, Fernseh- und Antennenanlagen, Gefahrenmelde- und Alarmanlagen und Datentechnik. Die Darstellung der Gebäudeautomation schließt das Kapitel ab.

Dirk Bohne

Kapitel 1. Einführungsbeispiele und grundlegende Begriffe

In diesem Kapitel soll zunächst ein Gefühl dafür vermittelt werden, welche Themen und Fragestellungen in der Signal- und Systemanalyse angesprochen und diskutiert werden und welche Begriffe und Methoden man dazu benötigt.

Ottmar Beucher

E. Antriebstechnik

Prinzipiell können elektrische Antriebe entweder über einen Schalter ohne weitere Möglichkeit zur Drehzahlverstellung oder über ein leistungselektronisches Stellglied als drehzahlveränderlicher Antrieb. In ersten Fall stellt sich nämlich in Abhängigkeit von den Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien des Antriebs und der Arbeitsmaschine ein Arbeitspunkt ein, wohingegen im zweiten Fall die Antriebskennlinie verändert werden kann. Dazu muss das leistungselektronische Stellglied mit einer Steuerung oder Regelung ausgestattet sein, so dass entweder das Drehmoment oder die Drehzahl des Antriebs geregelt bzw. gesteuert werden kann. Prinzipiell wäre damit dann jeder Punkt auf der Kennlinie der Arbeitsmaschine einstellbar, wohingegen ohne ein Leistungsstellglied nur ein stabiler Betriebspunkt möglich wäre.

Prof. Dr. Dr. Dr. Ekbert Hering, Prof. Dr. rer. nat. Dr. h.c. Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes

2. Thermodynamik

Hier wird eine kurze Einführung in die Strömungsmechanik gegeben, also dem Verhalten von Gasen und Flüssigkeiten in Strömungen. Dann wird mit der Einführung des Temperaturbegriffs die zentrale Frage der Thermodynamik beantwortet: warum gibt es kein Perpetuum Mobile 2. Art, also eine Maschine, die nichts anderes bewirkt, als Wärme vollständig in mechanische Arbeit umzuwandeln? Eine ausführliche Beschreibung von Wärmekraftmaschinen wie dem Otto- und dem Dieselmotor schließt sich an. Schließlich wird noch der abstrakte Begriff der Entropie eingeführt.

Rainer Dohlus

Durchgängiger Simulationsprozess zur Verbrennungsvorhersage anhand des Strömungszustands im Zylinder für Otto-, Diesel- und Gasmotoren

Der enorme Anstieg in der Verfügbarkeit kostengünstiger Rechenkapazität in den letzten Jahren führte zu einem verstärkten Einsatz der 3D-Strömungssimulation (CFD) sowohl in der Erforschung als auch in der Serienentwicklung von Verbrennungsmotoren. Wesentliche Ziele sind dabei die Optimierung des Luftpfads, der Innenzylinderströmung sowie des Abgassystems. Vor diesem Hintergrund beinhaltet die frühzeitige Fixierung des Designs von Brennraum, Kolben und Kanälen Potential hinsichtlich eines kosten- und zeiteffizienten Entwicklungsprozesses.

Avnish Dhongde, Bastian Morcinkowski, Kai Deppenkemper, Björn Franzke, Stefan Pischinger

Herausforderungen zur Abbildung von hochdynamischen Betriebszuständen von Verbrennungsmotoren am Motorenprüfstand

Der Gesetzgeber hat die Randbedingungen für die Zulassung neuer Fahrzeuge für die nächsten Jahre noch nicht definiert. Soweit scheint klar, dass der NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) dem Entwickler noch einige Jahre erhalten bleiben wird. Zusätzlich wird der WLTC –Test (World Harmonized Light-Duty Test Cycle) eingeführt.

Jan Gerstenberg, F. Wirbeleit, H. Hartlief, S. Tafel

Optimierung des Verbrauchs- und Emissionsverhaltens dieselhybridischer Antriebskonzepte mithilfe einer Gesamtsystem-Simulation

Zur Minimierung der Verbrauchs- und Emissionswerte hybrider Triebstrangkonfigurationen wird eine Simulationsmethodik benötigt, die neben der notwendigen Dynamik, Randbedingungen wie NVH, Agilität etc. bereits in der frühen Fahrzeugentwicklungsphase berücksichtigt. Das in dieser Arbeit beschriebene Gesamtmodell übernimmt Funktionen des Steuergeräts zur Simulation der Fahrstrategie und regelt bzw. steuert den Luftpfad eines Mittelwertmotormodells, unter Berücksichtigung der beschriebenen Randbedingungen. Auf Basis dieser Informationen werden zuerst die Rohemissionen in einem empirischen quasistationären Modell und anschließend die Fahrzeugemissionen mithilfe eines vereinfachten, modularen Abgasnachbehandlungsmodells berechnet. Das Potential der Methodik ist in dieser Arbeit durch die Validierung von Fahrstrategie, Motorbetriebszustand und Rohemissionsverhalten am Beispiel eines Parallelhybridtriebstrangs mit Dieselmotor im NEFZ bestätigt worden. Durch die Erweiterung des Gesamtsystems mit der SCR-Technologie ist außerdem auf einfache Weise gezeigt worden, dass sich die Methodik zur Komponenten/Technologieauswahl und Applikationsunterstützung einsetzen lässt.

Christoph Ley, R. Steiner, P. Macri-Lassus, F. Mauß

Gas exchange optimization of marine engines for EPA Tier 3 introduction

MAN designed all D2868/62 marine engines to meet the EPA Tier 3 emission standard without exhaust after-treatment. The EPA Tier 3 emission standard was introduced for displacements of 1.2 – 2.5 l/cylinder from 2014-01-01 onwards.Within the modification of the current marine engines to meet the EPA Tier 3 standard, the gas exchange cycle was optimized. This was mainly achieved by introducing new camshafts based on the Miller cycle. Therewith the fuel consumption was reduced by up to 7% at rated power (referring to equal NOx emissions) and up to 5% at rated power comparing EPA Tier 2 previous design and EPA Tier 3 new design.

Harald Nagler, Bernd Huneke

2. Struktur der einzelnen Energie-Teilmärkte

Die deutsche Energiewirtschaft ist privatwirtschaftlich organisiert. Kennzeichen ist die pluralistische Struktur. Keine Branche gleicht der anderen. Vielmehr weisen die einzelnen Zweige der Energiewirtschaft verschiedenartige technische und wirtschaftliche Besonderheiten auf. Die Unternehmensstrukturen auf den Märkten für Mineralöl, Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Elektrizität werden dargestellt. Das Aufkommen und die Verwendung der auf diesen Märkten angebotenen Erzeugnisse werden in einer Vielzahl von Abbildungen und Tabellen veranschaulicht. Dies erfolgt unter Differenzierung nach den jeweils relevanten Wertschöpfungsstufen. Ferner wird die Entwicklung der Rahmenbedingungen aufgezeigt, die zu den gegenwärtig bestehenden sehr unterschiedlichen Strukturen geführt haben.

Hans-Wilhelm Schiffer

Kapitel 1. Entwicklung des Öffentlichen Personennahverkehrs

Am Ende des Eiszeitalters (Beginn des Neolithikums) ging der Mensch von der aneignenden Lebensweise mit Jagen, Fangen und Sammeln zur produzierenden Lebensweise über (Wildtiere wurden domestiziert und Wildgetreide wurde kultiviert). Diese neue Lebensform begründete die Sesshaftigkeit der Bevölkerung. Es entstanden Siedlungen. Die Sesshaftigkeit schuf eine engere Verbindung mit dem Boden, die Menschheit vermehrte sich stärker, die Besiedlung verdichtete sich. Durch die Sesshaftigkeit entstand Nahverkehr (es waren täglich wiederkehrende Wege zurückzulegen): Nahrung musste herangeschafft werden, Felder mussten bestellt werden, das Vieh auf den Weiden war zu hüten.

Winfried Reinhardt

Kapitel 11. Unkonventionelle Systeme im Öffentlichen Personennahverkehr

In den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts erkannten immer mehr Bürger, dass es mit dem Verkehr so nicht weitergehen konnte. Dort, wo der einzelne Mensch bisher bei Nutzung der Straßenbahn für seine Mobilität zwei Quadratmeter benötigte, beanspruchte er nach dem Wechsel auf das Auto 30 Quadratmeter. Darauf waren die Städte mit ihren langlebigen Strukturen nicht vorbereitet: Die Straßen wurden immer voller, die Staus immer länger, die Umweltschäden immer größer.

Winfried Reinhardt

Kapitel 5. Fahrzeuge im Öffentlichen Personennahverkehr

Erste Fahrzeuge auf Schienen bzw. in Spurrillen gab es schon im Altertum. Im ausgehenden Mittelalter gab es Schienenfahrzeuge im Bergbau, doch die große Zeit der (spurgeführten) Nahverkehrsfahrzeuge begann erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts (Kraftfahrzeuge erschienen 50 Jahre nach den Eisenbahnen).

Winfried Reinhardt

5. Thermodynamik

Die Thermodynamik stellt die Lehre von der Wärme und Energie dar. Der thermische Zustand eines Systems, z. B. eines Gases, wird makroskopisch durch eine Anzahl von Zustandsgrößen, wie Temperatur T, Druck p, Volumen V u. a. festgelegt. Der Zusammenhang zwischen diesen Größen wird durch die Zustandsgleichung gegeben. Dabei wird der Begriff ideales Gas erläutert. Es erweist sich als günstig dabei auch molare Größen zu benutzen. Im Zusammenhang mit realen Gasen wird auf Schmelzen und Verdampfen sowie die Verflüssigung von Gasen eingegangen. Besondere Bedeutung haben die Hauptsätze der Thermodynamik, welche die Erhaltung der Energie und die Umwandlung von Wärmeenergie in andere Energieformen beschreiben. In der Technik haben Thermische Maschinen Bedeutung. Wärmetransport kann durch Wärmleitung und Wärmestrahlung erfolgen. Es wird auf die wichtigsten Fakten über die Wärmestrahlung und deren Auswirkungen in der Solartechnik und beim Treibhauseffekt eingegangen. Die mikroskopische Beschreibung der Thermodynamik erfolgt durch die kinetische Gastheorie, die auf statistischen Methoden der klassischen Mechanik basiert.

Jürgen Eichler, Andreas Modler

CAE-gestützte Berechnung der Abgasenthalpie und Abgastemperatur im Auslegeprozess turboaufgeladener Ottomotoren

Vor dem Hintergrund verschärfter CO2 – Limitierung bei zeitgleicher Einführung eines höherlastigen Fahrzyklus sowie der Fokussierung auf Real Drive Emissions ist die präzise Vorhersage der Abgasenthalpie am Turbineneintritt sowie der zugehörigen Abgasmesstemperatur wichtiger Bestandteil im Auslegeprozess turboaufgeladener Ottomotoren. Dies umfasst zum einen die optimale Turboladerauslegung und zum anderen die Bestimmung des erforderlichen Anfettungsbedarfs aus Bauteilschutzgründen. Für die 1D Motorprozessrechnung stellt insbesondere die Größe der thermischen Abgasenthalpie eine Herausforderung dar, da diese ausgehend von der Abgastemperatur im Zylinder stromabwärts Einflüssen in Folge von Wandwärmeübergang und chemischen Nachreaktionen unterliegt.

Björn Franzke, Stefan Pischinger

Aufladekonzepte für höchste Motorwirkungsgrade am Nfz-Gasmotor der Zukunft

Hersteller von Nutzfahrzeugen haben in den letzten Jahren weltweit aufgrund zu erwartender CO2 Limitierungen im Gütertransport sowie des Kraftstoffkostenvorteils von Erdgas vermehrt Erdgasfahrzeuge auf den Markt gebracht. Der Vorteil des geringeren Kraftstoffpreises hat sich in letzter Zeit, zumindest für den europäischen und USamerikanischen Markt, durch einen Einbruch des Diesel- und Benzinpreises stark relativiert, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Anton Arnberger, Ricardo Alfonso Pereira Braz Abrantes, Hans Felix Seitz, Gernot Graf

Tagungsbericht

Nur durch einen optimierten Ladungswechsel bei Diesel- und Ottomotoren in Pkw und Nfz können künftige CO2-Ziele sowie hohe Leistungswerte und gutes dynamisches Verhalten bei niedrigem Kraftstoffverbrauch erreicht werden. Dabei nimmt die systemübergreifende Optimierung aller am Ladungswechsel beteiligten Komponenten einen hohen Stellenwert ein. Rund 150 Experten diskutierten auf der 8. MTZ-Fachtagung „Ladungswechsel im Verbrennungsmotor“ am 20. und 21. Oktober 2015 im Mercedes-Benz Museum in Stuttgart, welche Lösungen hier zielführend sind.

Andreas Fuchs

Integration eines elektrischen Verdichters bei modernen Pkw-Dieselmotoren – Freiheitsgrade und Potenziale dieser neuen Technik

Bestmögliche Effizienz kombiniert mit einer herausragenden Sportlichkeit – das sind die Eigenschaften aktueller und zukünftiger Dieselmotoren der AUDI AG.

Thomas Heiduk, Ulrich Weiß, Stefan Zülch, Steffen Bamberger, Benjamin Kühbauch

Das Gebäude-Emissions-Gesetz (GEG-2050)

Wenn die Energiewende im Gebäudebereich zum Erfolg führen soll, dann ist ein neues GEG grundlegend anders zu formulieren. Anstatt mit einer falschen EnEV Novellierung noch mehr Zeit und Geld zu verlieren, die auf 150 Seiten unverständlich und ohne Ziel als „Gebäude-Energie-Gesetz“ (GEG) diskutiert wird, wird hier ein wirkungsvolles, effektives, einfaches und verständliches „Gebäude-Emissions-Gesetz“ (GEG-2050) auf nur 3 Seiten skizziert. Mehr muss nicht geregelt werden, um technologieoffen alle Bestandsgebäude und Neubauten in Deutschland umweltfreundlich werden zu lassen.

Stefan Oehler

U9. Baumaschinen

Als Baumaschinen wird die Gesamtheit der Maschinen und Geräte bezeichnet, die im Bauwesen verwendet werden. Die übliche Einteilung in Baumaschinen und Baustoffmaschinen ist nicht in allen Fällen eindeutig möglich, ebensowenig die Abgrenzung von stationär zu mobil eingesetzten Maschinen. Viele Baumaschinen lassen sich der Fördertechnik zuordnen, andere gehören zur Verfahrens‐ oder zur Fahrzeugtechnik. Wegen universeller Einsatzmöglichkeiten sind zahlreiche Baumaschinen im Laufe ihrer Entwicklung zu Industriemaschinen geworden. Wegen dieser Vielfalt ist eine Definition des Begriffs Baumaschine nicht eindeutig möglich. Bewährt hat sich die Zuordnung zu bestimmten Bausparten: z. B. Betonbau; Erd-, Tief- und Tunnelbau; Straßen-, Kanal- und Gleisbau. Hier wird eine Auswahl besonders häufig verwendeter Baumaschinen behandelt, die der Fördertechnik zuzurechnen sind. Größenangaben beziehen sich auf das Gesamtangebot. Mit größeren Stückzahlen werden die Maschinen in der Regel in der unteren Hälfte der angegebenen Spannen hergestellt.Hochbaumaschinen sind alle für das Errichten von Gebäuden erforderlichen Hebezeuge und Fördermittel sowie die Maschinen für Aufbereitung, Transport, Förderung und Verarbeitung der Baustoffe, insbesondere Beton.Siehe U2.3.2.

Prof. Dr.-Ing. Günter Kunze

D8. Thermodynamische Prozesse

Ein Prozess, der ein System wieder in seinen Ausgangszustand zurückbringt, heißt Kreisprozess. Nachdem er durchlaufen ist, nehmen alle Zustandsgrößen des Systems wie Druck, Temperatur, Volumen, innere Energie und Enthalpie die Werte an, die sie im Ausgangszustand hatten. Nach dem ersten Hauptsatz, D3 Gl. (10), ist nach Durchlaufen des Prozesses die Energie des Systems wieder gleich der Energie im Ausgangszustand und daher 1 $$\sum Q_{ik}+\sum W_{ik}=0\:.$$ ∑ Q i k + ∑ W i k = 0 . Die gesamte verrichtete Arbeit ist $$-W=-\sum W_{ik}=\sum Q_{ik}$$ - W = - ∑ W i k = ∑ Q i k . Maschinen, in denen ein Fluid einen Kreisprozess durchläuft, dienen der Umwandlung von Wärme in Arbeit oder umgekehrt der Umwandlung von Arbeit in Wärme. Nach dem zweiten Hauptsatz kann die zugeführte Wärme nicht vollständig in Arbeit verwandelt werden.Ist die zugeführte Wärme größer als die abgegebene, so arbeitet der Prozess als Wärmekraftanlage oder Wärmekraftmaschine, deren Zweck darin besteht, Arbeit zu liefern. Ist die abgeführte Wärme größer als die zugeführte, so muss man Arbeit zuführen. Mit einem derartigen Prozess kann man einem Stoff bei tiefer Temperatur Wärme entziehen und sie bei höherer Temperatur, z. B. der Umgebungstemperatur, zusammen mit der zugeführten Arbeit wieder abgeben. Ein solcher Prozess arbeitet als Kälteprozess. In einem Wärmepumpenprozess wird die Wärme der Umgebung entzogen und zusammen mit der zugeführten Arbeit bei höherer Temperatur abgegeben.

Prof. Dr.-Ing. Peter Stephan, Prof. Dr.-Ing. Karl Stephan

R8. Gasturbinen

Die Gasturbine zählt zu den Wärmekraftmaschinen, weil sie, in der Regel durch Verbrennung von Brennstoff freigesetzte, Wärme in mechanische Energie (Wellenleistung) oder in Schubkraft (bei Luftfahrt‐Triebwerken) umsetzt. Sie besteht im einfachsten Fall (Bild 1 a) aus einem Verdichter, einer Turbine und einer Brennkammer. Der Verdichter saugt einen bestimmten Luftmassenstrom aus der Umgebung an und bringt ihn auf einen erhöhten Druck. Durch isobare Verbrennung eines bestimmten Brennstoffmassenstroms mit diesem Luftmassenstrom in der Brennkammer wird zusätzlich die Temperatur des Arbeitsgasstroms erhöht, so dass bei dessen anschließender Entspannung auf Umgebungsdruck in der Turbine diese mehr Leistung abgeben kann, als der von ihr angetriebene Verdichter aufnimmt. Der Leistungsüberschuss der Turbine steht als Nutzleistung (z. B. zum Antrieb des Generators  G) zur Verfügung.

Prof. Dr.-Ing. Jörg Seume, Dr.-Ing. Jochen Gier

R4. Schiffspropeller

Schiffspropeller sind hydrodynamische Strömungsarbeitsmaschinen meistens axialer Bauart zur Erzeugung eines Vortriebs. Der Achsschub, eine sonst lästige Nebenwirkung auf die Lager, ist hier Hauptwirkung (Impulssatz, Propellerstrahltheorie [1]). Für Anwendungen ist die Berechnung der Propeller nach der Wirbel- oder Tragflügeltheorie [2, 3] sinnvoller als nach der Strahltheorie. Profile sind Göttinger, NACA-, Kármán-Trefftz-, Kreissegment‐ und Sonder-Profile (z. B. Wageninger Profile). Modellversuche entscheiden die endgültige Auslegung, insbesondere bei ungleichförmigen Geschwindigkeitsfeldern vor und hinter dem Propeller (Druckschwankungen am Einzelflügel). Entsprechend den extrem hohen spezifischen Drehzahlen $$n_\mathrm{q}\approx 300\ldots 1000\,\mathrm{min}^{-1}$$ n q ≈ 300 … 1000 min - 1 ist die Schaufelzahl niedrig, 2 bis 6, selten mehr. Strömungstechnische Begrenzungen sind bei Schiffspropellern durch Kavitationswirkungen gegeben [4]. Oft sind Festigkeitsprobleme ausschlaggebend. Nachgeschaltete Leiträder können Verlust durch nicht ausgenutzten Austrittsdrall minimieren, bewirken jedoch zusätzliche Reibverluste; daher werden sie nur in Sonderfällen mit Erfolg angewendet [5].Bild 1 zeigt einen Schiffspropeller für ein schnelles Containerschiff (21 kn). Bei einer Leistung am Dieselmotor (8 Zyl. 2 T.) von 17,8 MW hat der Propeller die Daten:Durchmesser 6,3 m, Drehzahl 120 min−1, Flügelzahl 6, Werkstoff G-NiA1 BzF60, Gewicht 25,3 t, Wirkungsgrad 63,5 %.

Prof. Dr.-Ing. Paul Uwe Thamsen

P5. Motoren für den maritimen Betrieb

Verbrennungsmotoren werden üblicherweise ihrer Größe entsprechend in Familien eingeteilt (Bild 1):Fahrzeugmotoren: Motoren für den On Road Bereich (Light Duty PKW, LD) Motoren für den On Road Bereich (Heavy Duty LKW, HD) Großmotoren: High Speed Motoren für Lokomotiven, Schiffsantriebe, Baufahrzeuge und zur Stromerzeugung (Off Road, HS) Medium Speed Motoren für Schiffsantriebe, zur Stromerzeugung und für Gaspumpstationen (MS) Low Speed Motoren für Schiffsantriebe (LS) Durch die hohen Lebensdaueranforderungen und die schweren Belastungsprofile im maritimen Betrieb kommen umgerüstete HD Motoren nur bei Sportbooten zum Einsatz, für See‐ und Binnenschiffe werden ausschließlich Großmotoren verwendet. Sie werden im Leistungsbereich oberhalb von 1000 kW eingesetzt. Üblicherweise werden sie nach ihren Drehzahlbereichen mit fließenden Grenzen unterteilt. High Speed werden normalerweise Motoren mit Nenndrehzahlen oberhalb etwa 1200 U/min verstanden, Medium Speed Motoren liegen im Bereich von etwa 450–1000 U/min und Low Speed Motoren unterhalb von etwa 200 U/min. Für die High und Medium Speed Motoren hat sich das 4‐Taktverfahren durchgesetzt. Technisch unterscheiden sie sich wenig voneinander. Lediglich der eingesetzte Kraftstoff erfordert einige Anpassungen in der Thermodynamik und im Design. Low Speed Motoren arbeiten grundsätzlich nach dem 2‐Takt Prinzip.

Dr.-Ing. Udo Schlemmer-Kelling, Prof. Lars M. Nerheim

O2. Kurbeltrieb, Massenkräfte und -momente, Schwungradberechnung

Die vom Medium am Kolben und von den Massen der Triebwerksteile erzeugten Kräfte und Momente dienen zur Berechnung der Maschine einschließlich Triebwerk, der Gleichförmigkeit ihres Gangs, der Drehschwingungen [1] der Kurbelwelle (s. O1), der Massenwirkungen in der Umgebung und von Resonanzerscheinungen [2].

R. Nordmann, Prof. Dr.-Ing. Tamara Nestorović

U2. Hebezeuge und Krane

Tragmittel sind nach DIN 15 003 mit dem Hebezeug fest verbunden (z. B. Lasthaken). Die Last wird über Anschlagmittel (z. B. Anschlagseil) oder über spezielle Lastaufnahmemittel (z. B. Lasthebemagnet, Greifer) mit dem Tragmittel verbunden. Die Tragfähigkeit entspricht dabei der Summe aus Lastaufnahmemittel und der entsprechend reduzierten Nutzlast des Hebezeugs. Eine Aufstellung gebräuchlicher Trag-, Lastaufnahme- und Anschlagmittel enthält DIN 15 002.Im Stückguttransport werden am häufigsten geschmiedete Einfach- und Doppelhaken (Bild 1) aus alterungsbeständigen Stählen eingesetzt. DIN 15 400 gibt die Tragfähigkeit der Haken für fünf Festigkeitsklassen in Abhängigkeit von der Triebwerksgruppe 1Bm bis 5m (gemäß FEM-Einstufung) sowie die zugehörigen Spannungen im Haken- und Schaftquerschnitt an. Für leichteren Betrieb als 1Bm sind Haken der Triebwerksgruppe 1Bm zu verwenden. Maße für Einfachhaken gem. DIN 15 401 und für Doppelhaken gem. DIN 15 402.Lasthaken werden in Unterflaschen um die vertikale und um eine horizontale Achse drehbar gelagert (Bild 2). Die Last wird durch den Haken 1 über die durch ein Vierkantprofil 8 formschlüssig gesicherte Lasthakenmutter 2 (DIN 15 413) und über ein Axialkugellager 3 in die Hakentraverse 4 (DIN 15 412‐2) übertragen. Zuglaschen 5 verbinden die drehbar gelagerte Hakentraverse mit der Seilrollenachse 6. Entsprechende Schutzkästen 7 verhindern das Abspringen des schlaffen Seils aus der Seilrille. Bezüglich Unterflaschen und Zubehör sei auf DIN 15 408 bis DIN 15 414, DIN 15 417, DIN 15 418, DIN 15 421 sowie DIN 15 422 verwiesen.

Prof. Dr.-Ing. Jan Scholten, Prof. Dr.-Ing. Gerhard Wagner

P1. Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschöke, Prof. Dr.-Ing. Klaus Mollenhauer

Z1. Allgemeine Tabellen

Die folgenden Webseiten enthalten, wie auch weitere nicht angeführte Webseiten, Informationen zu diesem Kapitel:

Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinrich Grote

U3. Flurförderzeuge

Flurförderzeuge (Ffz) [1], auch als Flurfördermittel oder Flurförderer bezeichnet, sind auf dem Boden (Flur), nicht auf Schienen fahrende Fördermittel für den innerbetrieblichen Transport. Sie dienen je nach Bauart zum Befördern, Ziehen, Schieben, Heben, Stapeln oder zum Ein- und Auslagern von Lasten in Regale, zum Kommissionieren sowie zum Be- und Entladen von Verkehrsmitteln.Für die Kurzbezeichnungen nach VDI 3586 [2] werden den Merkmalsausprägungen der Ffz jeweils Kennbuchstaben zugeordnet. Die Benennung setzt sich zusammen aus den Bezeichnungen des Fahrantriebs, der Bedienung, der Bauform sowie der baulichen Besonderheiten wie ggf. der Leitlinienführung. So wird z. B. ein Elektro-Gabelstapler mit Fahrersitz als EFG benannt. Die Ffz werden nach der Art der Abstützung des Lastgewichtes auch in frei tragende und radunterstützte Ffz unterteilt.Die VDI 2198 [3] enthält Vorgaben für einen standardisierten Aufbau der Typenblätter für Flurförderzeuge. Dazu gehören neben technischen Daten auch Angaben zum Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch sowie Vorgaben zu deren Messung in einem standardisierten Arbeitsspiel, dem sog. VDI-Zyklus. Sicherheitsaspekte, u. a. für die Bediener von Flurförderzeugen, werden in der DIN EN ISO 3691 [4] geregelt.

Prof. Dr.-Ing. Rainer Bruns

M1. Kältetechnik

Kältetechnische Anlagen wurden zunächst eingesetzt für Brauereien und Eisfabriken, Schlachthäuser, Fleisch- und Fisch-Gefrieranlagen, Malztennen‐ und Hopfenlagerkühlung, Molkereien, Marktkühlhallen, Margarinefabriken, Schokoladenherstellung, Champagnerbereitung, Gummifabriken, Leim- und Gelatinekühlung, Farbstoffherstellung, Glaubersalzkristallisation, Leichenkühlung, Transportkühlung auf Schiene, Straße und auf See, Kühlhäuser aller Art, gewerbliche Kühlräume, Paraffin- und Ölindustrie, Kunsteisbahnen, Schachtabteufen, klimatechnische Anlagen.Weitere Bedarfsfälle mit zum Teil erhöhten Anforderungen an die Regelgenauigkeit kamen hinzu in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Medizin, bei der Luft- und Drucklufttrocknung, bei der Speiseeisherstellung, bei der Werkzeugkühlung und bei Kältekammern für Industrie und Forschung sowie für die Vielzahl der Kühlmöbel.Zu der Lebensmittelkühlkette zählen u. a. Kühl- und Tiefkühlräume aller Art, Schnellgefrieranlagen, Transportkühlanlagen in Schiffen, Waggons, Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Containern, Kühlmöbel aller Art für Haushalt, Handel und Gewerbe.Die Kühl- und Lagerbedingungen reichen von $$-40\,^\circ\text{C}$$ - 40 ∘ C bei sehr starker Luftbewegung im Schnellgefrierraum (Frosterräume) bis zu $$+18\,^\circ\text{C}$$ + 18 ∘ C bei Reifungs- und Verarbeitungsräumen.

Dr.-Ing. Christian Hainbach

Q1. Kraftfahrzeugtechnik

Kraftfahrzeuge sind selbstfahrende, maschinell angetriebene Landfahrzeuge, die nicht an Gleise gebunden sind. Sie dienen dem Transport von Personen und Gütern und sind die Basis für eine weiträumige und feingliedrige Arbeitsteilung. Sie erlauben die vielfältig differenzierte Darstellung von Statusansprüchen und dienen auch dem Vergnügen. Eine fast unübersehbare Vielfalt von Varianten und speziellen Ausführungen ist entstanden.Die UN‐ECE (United Nation – Economic Commission for Europe) hat ein Gliederungsschema für Kfz festgelegt, das vor allem in der europäischen Gesetzgebung viel verwendet wird [1, 2]. Die wichtigsten Fahrzeugkategorien sind danach:Leichte Fahrzeuge [3]:Kfz mit mindestens vier Rädern für die Beförderung von Personen: Für Busse wird weiter danach unterschieden, ob stehende Passagiere erlaubt sind oder nicht.Kfz mit mindestens vier Rädern für den Transport von Gütern (Lkw):Die Kategorien O1 bis O4 beschreiben verschiedene Ausführungsformen von Anhängern.Außer Einzelfahrzeugen sind Gespanne aus Zugmaschine und einem Anhänger bzw. Sattelauflieger zugelassen (§ 32a StVZO Straßenverkehrs‐Zulassungs‐Ordnung).

Prof. Dr.-Ing. Volker Schindler, Prof. Dr.-Ing. Steffen Müller

P4. Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotoren sind Kolbenmaschinen, die Wärme in mechanische Energie umwandeln. Dazu wird die durch Verbrennung als Wärme frei werdende chemische Energie eines Kraftstoffes einem in einem begrenzten Raum eingeschlossenen gasförmigen Arbeitsmedium zugeführt und in potentieller Form (Druck) ausgenutzt. Für den gasdichten, veränderlichen Arbeitsraum können Hubkolben‐ und Rotationskolbenmotoren (HKM bzw. RKM) verwendet werden.

Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschöke, Prof. Dr.-Ing. Klaus Mollenhauer

Elektrische Zusatzaufladung – neue Freiheitsgrade durch höhere Bordnetzspannungen

Die elektrisch angetriebene Aufladung ist bereits seit vielen Jahren immer wieder Gegenstand von Untersuchungen im Fahrzeugsektor. Sowohl Fahrzeughersteller als auch Zulieferer haben verschiedene Konzepte vorgestellt. Dem Konzept des elektrisch angetriebenen Verdichters in Kombination mit einem Abgasturbolader (TC) werden hierbei die größten Erfolgschancen eingeräumt.

Richard Aymanns, Tolga Uhlmann, Johannes Scharf, Carolina Nebbia, Björn Höpke, Dominik Lückmann, Michael Stapelbroek, Thorsten Plum

Energiebedarf und CO2-Emissionen von konventionellen und neuen Kraftfahrzeug-antrieben unter Alltagsbedingungen

Durch die ersten Ölkrisen in den 1970er Jahren wurde die Kraftstoffverbrauchsreduzierung erstmals im Fokus der Weltöffentlichkeit diskutiert, insbesondere in den USA und in Westeuropa. Dies führte dann zu zunehmenden Anstrengungen bei der Entwicklung effizienter Verbrennungsmotoren, sowohl auf der Seite der Ottomotoren als auch bei den zu dieser Zeit bereits sparsameren Dieselmotoren. Nahezu gleichzeitig wurden in stetiger Folge die Abgasgrenzwerte von Personenkraftwagen durch die Gesetzbebung reduziert. Dies führte dann in den 1980er Jahren zur Einführung der 3-Wege-Katalysatoren bei Ottomotoren und in den folgenden zwanzig Jahren dann auch zu einer aufwändigen Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren.

Ulrich Spicher, Thomas Matousek

Numerische und experimentelle Untersuchungen zu Miller- und Atkinson-Steuerzeiten bei konstantem effektivem Verdichtungsverhältnis am Beispiel eines stationär betriebenen gemischansaugenden Gasmotors

Die zukünftige Verschärfung der Emissionsgesetzgebung für erdgasbetriebene Blockheizkraftwerke verlangt nach neuen Ansätzen in der Brennverfahrensentwicklung. Im kleineren Leistungsbereich werden derzeit hohe Wirkungsgrade und niedrige NOx-Emissionen durch homogen magerbetriebene Erdgasmotoren erreicht. Zwar können zukünftige NOx-Grenzwerte mit Erhöhung der Ladungsverdünnung eingehalten werden, jedoch stehen dieser Maßnahme Wirkungsgradeinbußen aufgrund einer verschleppten Verbren-nung gegenüber.

Denis Neher, Fino Scholl, Jürgen Bauer, Maurice Kettner, Markus Klaissle, Danny Schwarz

Anwendbarkeit von Miller-Steuerzeiten bei Kraftstoffen mit unterschiedlicher Zündwilligkeit an einem Nfz-Dieselmotor mit variablem Ventiltrieb

Die immer strenger werdenden Emissionsvorschriften und die Kundenanforderung bezüglich der Kraftstoffverbrauchsreduzierung erfordern weitere Forschungsarbeiten an Nutzfahrzeugmotoren. Durch die innermotorische Senkung der Emissionen können die Systemanforderungen an die Abgasnachbehandlung minimiert und dadurch eine Kostenabsenkung erreicht werden. Andererseits ist die Absenkung des Kraftstoffverbrauchs direkt mit dem CO2-Ausstoß gekoppelt, weshalb dessen Senkung neben der Betriebskostenreduzierung auch aus Klimaschutzgründen entscheidend ist.

David Kovacs, Peter Eilts

Transiente NOx-Reduktion durch Einlass-O2-Regelung

Die Beimischung von Abgas zur Frischluft über die Abgasrückführung (AGR) dient beim Dieselmotor zur Reduzierung der Stickoxidemissionen (NOx). Zunächst ausgehend von einer reinen Steuerung der AGR, gefolgt von der Regelung des Luftmassenstroms ist heute die Regelung der AGR-Rate Stand der Technik. Dennoch weist die Regelung der AGR-Rate nur einen mittelbaren Zusammenhang mit der NOx-Entstehung auf: Bei gleicher AGR-Rate kann die Qualität des zurückgeführten Abgases erheblich variieren.

Christian Bessai

Auslegung des Ladungswechsels eines 4.5-l-Nutzfahrzeug-Ottomotors mit Turboaufladung für den Betrieb mit alternativen Kraftstoffen

Dieselmotoren von Nutzfahrzeugen, die die aktuelle Abgasnorm EU 5 oder EU 6 erfüllen, sind mit einem hochkomplexen Abgasnachbehandlungssystem ausgestattet. Dieses führt zu einer Erhöhung der Anschaffungskosten des Fahrzeuges sowie zu einer Verringerung der Zuladung. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei Nutzfahrzeugen sind die Betriebskosten, welche gegenüber einem Personenkraftfahrzeug einen deutlich höheren Stellenwert besitzen.

Rudolf Flierl, C. Hoerhammer

Tagungsbericht

Die Auslegung des Ladungswechsels gewinnt weiter an Komplexität. Maßgebliche Treiber sind dabei geringer CO2-Ausstoß sowie hohe Leistungswerte und gutes dynamisches Verhalten des Motors. Die Ziele sind eine für den jeweiligen Betriebspunkt des Motors optimale Gemischbildung und Verbrennung sowie ein verlustarmer Gaswechsel.

Richard Backhaus

6. Querschnittstechnologien

In diesem Kapitel werden die wichtigsten Querschnittstechnologien und ihre größten Einsparungspotenziale beschrieben. Dabei ist es wichtig, die Vor- und Nachteile der jeweiligen Technologie möglichst genau zu kennen und unterscheiden zu können. Nur in Kenntnis der Ausgangssituation und aller sinnvollen, praktikablen Alternativen lassen sich lohnende und tragfähige Energiesparmaßnahmen oder Umrüstungen umsetzen. Manche weitläufige Fehlannahme könnte sonst teuer zu stehen kommen und Sparambitionen monetär wie energetisch konterkarieren.In Unternehmen gibt es mannigfaltige Querschnittstechnologien zu betrachten und auf Verbesserungspotenziale hin zu prüfen. Checklisten helfen dabei möglichst strukturiert und vollumfänglich vorzugehen.

Jörg Philipp Eric Petermann

3. Energieformen

Energie kann in verschiedenen Formen vorliegen, als Lage-, Bewegungs-, Druck- oder elektrische Energie, um nur beispielhaft einige zu nennen. Neben den Energieformen sind zudem die Energieträger, ob gasförmige, flüssige oder feste zu unterscheiden. Die Begriffe Energie und Energieträger werden gerne in unzulässiger Weise vermengt. Man verbraucht keine Energie, wohl aber kann man Energieträger verbrauchen, was im allgemeinen Sprachgebrauch nicht immer so klar getrennt wird.Es werden Primär- und Sekundärenergieträger unterschieden. Wegen der Besonderheiten der elektrischen Energie, einem Sekundärenergieträger, wird diese detaillierter betrachtet und zu beachtende Aspekte bei Gleich- und Wechselstrom herausgearbeitet.Mit Blick auf korrekte Messungen und Abrechnungen ist es überdies relevant zu unterscheiden, ob man ohmsche, induktive oder kapazitive Lasten mit Wechselstrom betreibt.

Jörg Philipp Eric Petermann

Kapitel 5. Verkehr – Die Zukunft des Autos

Dem Elektroauto gehört die Zukunft. Wie der Güterverkehr im Jahre 2050 aussieht, ist hingegen noch offen.

Thomas Unnerstall

Aufgaben zu Abschnitt 8: Exergie

Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli

Aufgaben zu Abschnitt 6: Thermische Maschinen

Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli

Aufgaben zu Abschnitt 4: Ideale Gase

Prof. Dr.-Ing. Martin Dehli

19. Sprinkleranlagen

Australien ist der trockenste Kontinent der Erde. Besonders heiße und trockene Tage, mit Nordwinden, beschwören jedes Jahr für die Wälder des Südens von Australien akute Waldbrandgefahren herauf (Abb. 19.1).

Adam Merschbacher

2. Mechanische Dynamik

Im ersten Band dieser Reihe „Strukturbildung und Simulation technischer Systeme“ wurden die Grundlagen der statischen Simulation gelegt.Der zweite Band behandelt die Grundlagen und Anwendungen der Dynamik elektrischer und mechanischer Systeme in zwei Teilen.Im Kapitel 1 im Teil 1 lag der Schwerpunkt auf der Simulation linearer elektrischer Systeme im Zeit- und Frequenzbereich (Bode-Diagramme).In diesem Kapitel 2 liegt der Schwerpunkt auf der Simulation nichtlinearer elektrischer und mechanischer Systeme im Frequenzbereich.Anwendungsbeispiele sind GHz-Filter (Ferritperlen), Trägheitsnavigation, Kurskreisel, Kreiselstabilisierungen und der Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren.

Axel Rossmann

Kapitel 3. Governance langfristiger Transformationsprozesse. Der Sonderfall „Energiewende“

Die Transformation der Energiewirtschaft mit dem Ziel einer klimaneutralen Energieversorgung wird zurecht als „Energiewende“ bezeichnet, weil sie eine radikale Abwendung von endlichen fossilen und nuklearen Primärenergieträgern und eine Umorientierung zugunsten regenerativer Quellen beinhaltet. Hinzu kommt das Moment eines dezidierten politischen Strategiewechsels und einer reformerischen Gestaltungsabsicht. Sie umfasst neben einer Klimawende auch eine Technologiewende im Strom-, Verkehrs- und Bausektor und letztlich auch veränderte Produktions- und Lebensweisen im Sinne einer künftigen Suffizienzwirtschaft. Damit ergeben sich Unterschiede zu vorangegangenen deutschen Wendeprojekten wie der Politik der Wirtschaftsmodernisierung in den 1970er Jahren, der neoliberalen Wende der 1980er Jahre, der deutschen Vereinigungspolitik der 1990er Jahre sowie der mit der Agenda 2010 verbundenen Wende in der Arbeitsmarkt- und Sozialpolitik. Der Sonderfall „Energiewende“ und seine besonderen Herausforderungen werden im Vergleich dazu herausgearbeitet.

Roland Czada, Jörg Radtke

Kapitel 3. Welche Rolle spielen Umfeldbedingungen für eine Gründung? Ableitungen aus den Gründerinterviews

Eine wichtige Frage bei der Gründung eines Unternehmens ist, wie jemand überhaupt dazu kommt, ein Unternehmen zu gründen. Viele Aspekte können eine Rolle spielen: Das Elternhaus, das Alter, die berufliche Ausbildung, ein Studium, eine günstige Zeit, günstige finanzielle Rahmenbedingungen, eine geniale Idee oder vielleicht ein Hobby oder eine andere zunächst private Beschäftigung aus der dann mehr gemacht wird. Aus einer persönlichen Lebenssituation, aus gewissen Umfeldbedingungen heraus kann es einen Auslöser geben, eine Zündung, etwas Eigenes zu machen. Dieser Auslöser erzeugt nur Wirkung, wenn er letztlich auf eine innere Bereitschaft einer dazu geeigneten Persönlichkeit trifft, die bereit ist, einen solchen unternehmerischen Weg zu gehen. Ohne eine persönliche Disposition erscheint kein Grund für sich stark genug, ein Unternehmen zu gründen.

Friedemann Stracke, Marco Schmäh

7. Kraftstoff und Schmieröl

Kraftstoffe und Schmieröle sind heutzutage sehr genau auf die Anforderungen moderner Motoren und Antriebe zugeschnitten. Erst die kontinuierliche Weiterentwicklung der Schmieröle parallel zu den konstruktiven und fertigungstechnischen Fortschritten hat ermöglicht, was uns heute schon fast als selbstverständlich erscheint: den praktisch verschleiß‐ und störungsfreien Dauerbetrieb der Motoren auf höchstem Leistungs‐ und Drehzahlniveau über zigtausend Kilometer. Trotz ihrer hohen spezifischen Leistung und der daraus resultierenden höheren Beanspruchungen der Bauteile benötigten die meisten Motorräder bisher in der Regel keine besonderen Ölqualitäten (Ausnahme: spezielle Herstellerempfehlungen).Seit Einführung der sogenannten Leichtlauföle für Pkw entwickelt sich allerdings eine zunehmende Diskrepanz zwischen den Anforderungen moderner Pkw und moderner Motorräder an Motorenöle, die schon jetzt und mehr noch in Zukunft zu spezifischen Problemen bei Motorrädern führen kann. Als Reaktion darauf hat 1999 die japanische Motorradindustrie erstmals mit der Veröffentlichung eines speziellen Anforderungsprofils für Viertakt‐Motorradmotorenöle reagiert (JASO‐Spezifikationen), der einige Unternehmen der Mineralölindustrie mit einem Angebot spezieller Motoröle für Motorräder schon heute Rechnung tragen.Die chemischen, physikalischen und technischen Eigenschaften von Kraftstoffen und Ölen werden nachstehend in ihren Grundzügen erläutert. Eingegangen wird auch auf die entsprechenden Spezifikationen sowie die Bedeutung gebräuchlicher Bezeichnungen und Abkürzungen.

Jürgen Stoffregen

Kapitel 2. Digital Leadership

In diesem Kapitel beschreiben wir, was Digital Leadership genau bedeutet und warum wir diesen Weg der Führung zukünftig brauchen. Wir setzen uns mit den Fragen auseinander, wie sich Führung durch die digitale Transformation ändert, ändern muss und was dies für Sie und Ihren Führungsalltag bedeutet.

Michael Lorenz

8. Instationärer Wärmetransport

Störungen des thermischen Gleichgewichts führen zu zeitlich veränderlichen Temperaturfeldern. Bei Aufgaben, die sich durch eine kleine B iot zahl oder durch nur eine relevante Dimension auszeichnen, können die Temperaturverläufe, die sich nach sprungartigen Veränderungen der Umgebungstemperaturen einstellen, mathematisch geschlossen dargestellt werden. Mit der Hilfe der Dimensionsanalyse und des Gesetzes der physikalischen Ähnlichkeit können die Resultate allgemeingültig dargestellt werden.

Nikolaus Hannoschöck

Kapitel 12. Statistik

Gert Höfner

4. Krane

Die Krane sind neben den Flurfördermitteln die wichtigste Gruppe der Unstetigförderer für die unstetige räumliche Förderung innerhalb eines begrenzten Arbeitsbereiches. Wegen der mannigfaltigen Ausführungen können in diesem Zusammenhang nur die wichtigsten Bauarten kurz besprochen werden. Der Brückenkran ist die am weitesten verbreitete Kranform für den Umschlag von Stückgütern in Werkstätten, Montagehallen und Lagern. Die Brücke, der meist im Freien arbeitenden Portalkrane, stützt sich über zwei Portalstützen auf den ebenerdig liegenden Kranschienen ab. Beim Kabelkran wird die Kranbrücke durch ein Tragseil ersetzt, auf dem eine Seilzuglaufkatze fährt. Das Tragseil wird zwischen zwei Stützen (Türmen) abgespannt, wobei in einem Turm die Winden für das Hub- und Fahrseil untergebracht sind. Der Drehkran nimmt im Gegensatz zum Brücken- und Portalkran die Last außerhalb seiner Unterstützungsfläche über einen auskragenden Ausleger auf. Fahrzeugkrane sind Straßen- oder Schienenfahrzeuge mit Hubeinrichtungen, die meistens drehbare Ausleger besitzen.

Rudolf Griemert, Peter Römisch

5. Gleislose Flurfördermittel

Gleislose Flurfördermittel wie Wagen, Stapler usw. bedeuten Mechanisierung und Rationalisierung der Förderaufgaben im innerbetrieblichen Transport und Warenumschlag. Zahlreiche Geräte sind mit Hubeinrichtungen versehen, da die häufig verwendeten Transporteinheiten nur mit solchen Geräten umgesetzt werden können. Sehr wichtig sind ein geeigneter Fahrbahnbelag und eine robuste Bauweise der Geräte. Gleislose Flurfördermittel sind frei im Förderweg, benötigen jedoch z. T. erhebliche Flurflächen für den Transportvorgang und arbeiten meist unstetig. Die große Zahl und die Vielfalt der Ausführungen lässt nur ein kurzes Eingehen auf die allgemein wichtigsten Bauarten zu.Zu nennen sind Zweiachsschlepper, Plattformwagen, Gabelstapler, Schubmaststapler und Quergabelstapler. Der Antrieb geschieht Batterie-elektrisch, durch Dieselmotor, durch Flüssiggasantrieb oder von Hand. Als Fahrgeräte können Wagen, Motorwagen, Elektrowagen und Schlepper notiert werden. Zu den Stapelgeräten gehören der Gabelstapler, der Stapler mit Radunterstützung, der Schmalgangstapler und der Quergabelstapler sowie der Portalstapler.

Rudolf Griemert, Peter Römisch

17. Grundlagen der Thermodynamik

Die Kap. 17 bis 21 befassen sich mit der Technischen Thermodynamik. Sie geben einen Einstieg in diese allgemeine Energielehre. Im Kap. 17 werden zunächst die benötigten Grundlagen für die Thermodynamik besprochen. Danach werden wir im Kap. 18 die Hauptsätze der Thermodynamik kennenlernen. Auf diesen Erfahrungssätzen baut das Gebäude der Thermodynamik auf. Im Kap. 19 werden wir dann auf die verwendeten Stoffe und deren thermodynamische Beschreibung eingehen. Hier wird unter anderem behandelt, wann wir einen Stoff noch als ideales Gas ansehen können und wann wir ihn als reales Gas beschreiben müssen. In den Kap. 20 und 21 werden wir dann verschiedene Beispiele zur Verdeutlichung der Anwendung der Hauptsätze und der Anwendung der Thermodynamik auf reale Systeme, wie z. B. Motoren, Verdichter, usw. kennenlernen. Die Thermodynamik besitzt eine weitreichende Bedeutung in den Natur- und Ingenieurwissenschaften.

Bernhard Weigand, Jens von Wolfersdorf, Jürgen Köhler

21. Technische Anwendungen thermodynamischer Prozesse

Eine technische Maschine hat immer das Ziel, durch Zustandsänderungen einen nutzbaren Effekt zu erzielen. Bei Maschinen und Anlagen zur Energiewandlung verwenden wir dabei ein Arbeitsmedium (Flüssigkeit, Gas, Dampf), um durch gezielte thermodynamische Zustandsänderungen des Arbeitsmediums einen Nutzen zu erreichen. Wie schon in Kap. 17 erwähnt, wird beim Leitbeispiel im Motor die chemische Energie des Brennstoffes durch Verbrennung in Wärme umgewandelt und aus dieser mechanische Arbeit gewonnen, welche dann das Fahrzeug antreibt. Mit den in den vorherigen Kapiteln beschriebenen Grundlagen können wir diese Vorgänge sowie deren Effizienz nun beurteilen. Technische Anlagen sollen kontinuierlich arbeiten, was durch den zyklischen Ablauf verschiedener Zustandsänderungen erreicht werden kann, sodass das Arbeitsmedium nach dem Durchlaufen der einzelnen Zustandsänderungen (Teilprozesse) wieder in den Anfangszustand zurückkehrt. Wir erhalten dann einen Kreisprozess. Dabei kann das Arbeitsmedium sowohl in einem geschlossenen System enthalten sein als auch ein offenes System durchströmen. In einem Dieselmotor wird z. B. angesaugte Luft durch den Kolben im Zylinder zunächst verdichtet, dann der Brennstoff eingebracht, vermischt, gezündet, verbrannt und anschließend das Gasgemisch entspannt und dabei Arbeit an die Welle abgegeben. Zum Schluss wird das Abgas ausgestoßen. Mit dem Ansaugen frischer Luft beginnt dann dieser Zyklus erneut.

Jens von Wolfersdorf, Bernhard Weigand, Jürgen Köhler

2. Unterrichtsmethoden: Steckbriefe, Prozessmodelle und Beispiele

Kap. 2 beschreibt 20 Unterrichtsmethoden. Die Unterrichtsmethoden sind ausgewählt vor dem Hintergrund, dass diese tatsächlich in MINT-Fächern eingesetzt werden. Der Begriff Unterrichtsmethode hat eine besondere Bedeutung. Er wird verstanden als ein klar umrissener, begrifflich herauslösbarer, selbstständiger, wenn auch integrierter Bestandteil des Unterrichts. Die Darstellung der Unterrichtsmethoden erfolgt nach einem einheitlichen Schema, mit (1) Steckbrief, (2) Prozessmodell und (3) Unterrichtsbeispielen. Die Steckbriefe machen Ausführungen zu Sozialform, Dauer, Medien, Klassenstufen und didaktischem Potenzial. Die Prozessmodelle zeigen, wie die Unterrichtsmethoden durchgeführt werden. Die Prozessmodelle werden mit IDEFO-Charts visualisiert, in denen die einzelnen Aktivitäten und die in den Aktivitäten erzeugten Ergebnisse der Unterrichtsmethoden explizit werden. Für alle Unterrichtsmethoden werden Beispiele aufgeführt, und zwar für jedes MINT-Fach.

Andreas Zendler

Effizienter mit Hightech-Stahlkolben

Mercedes-Benz gibt der Pkw-Dieseltechnik mit einer innovativen Technik erneut zu-kunftsweisende Impulse. Weltweit als Erster ersetzt der Dieselpionier aus Stuttgart die in Pkw-Dieselmotoren bislang üblichen Kolben aus Aluminium durch eine neu entwi-ckelte Hightech-Kolbengeneration aus Stahl. In Kombination mit einem Aluminium-kurbelgehäuse und der innovativen NANOSLIDE® Zylinderlaufbahntechnologie sind die Vorteile vor allem noch weniger Verbrauch und damit weniger CO2-Emissionen.

Volker Lagemann, Torsten Eder, Thomas Behr, Ralph Weller, Jens Böhm, Simon Binder, Wolfgang Dietz

Reibleistungsmessung an einem befeuerten Nfz-Motor mittels pmi-geregelter Betriebsart

Im Gegensatz zum Pkw-Segment, für den bis 2020 ein CO2-Flottenverbrauch von <95g/km festgeschrieben ist, werden die CO2-Emissionen für den Bereich Nutzfahrzeuge derzeit weder limitiert noch berichtet. Dieses Problem ist von der EU-Kommission erkannt worden und soll durch entsprechende Regularien zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen gelöst werden. Die Ziele orientieren sich dabei am Gesamtziel der Reduzierung von Treibhausgasemissionen für 2050 um 60% (verglichen mit 1990) für den gesamten Warentransport in der EU und werden nach den Vorstellungen der Kommission mittelfristig zu obligatorischen CO2-Limits führen, die bereits bis 2030 ihre Wirksamkeit zur Reduzierung von Treibhausgasemissionen entfalten sollen [1].

Robota Arnim, Dörre Torsten

Einfluss des Motoröls auf die Reibung der Kolbengruppe in einem Dieselmotor

Die gesetzliche EU-Vorgabe für 2020/21, dass die PKW-Neuwagenflotte eines Herstellers in Europa einen Grenzwert von 95 g CO2/km im Mittel nicht überschreiten darf, wird von den Herstellern vorrangig durch eine weitere Effizienzsteigerung der Verbrennungsmotoren mit dem Ziel einer Kraftstoffverbrauchsreduktion realisiert. Ein wichtiger Stellhebel ist hierbei die Reibungsreduzierung der Motoren. Betrachtet man die Reibungsverluste eines Motors ist festzustellen, dass die Reibung in der Kolbengruppe den größten Anteil an den Reibungsverlusten aufweist [1].

Dirk Bartel, Matthias Schorgel

LESS – Low Emission Sealing Solutions

Die CO2-Emissionshürde von 95g/km ist nur mit erheblichem technischem Aufwand zu nehmen. Sowohl die Automobilhersteller als auch deren Zulieferer arbeiten daher unter Hochdruck an der Entwicklung von Systemen und Komponenten, um höhere CO2-Einsparungen zu ermöglichen. So auch Freudenberg Sealing Technologies, die mit vielen dynamischen und damit kontaktierenden Dichtungen im gesamten Antriebsstrang vertreten sind. Diese verursachen nach NEDC (New European Driving Cycle) Reibungsverluste von mehreren 100 Watt und sind demzufolge Verursacher von einigen Gramm CO2/km. Eine Optimierung dieser Dichtungen beinhaltet daher ein erhebliches Einsparpotenzial. Der Beitrag zeigt, mit welchen Produkten die CO2-Emission im Antriebsstrang reduziert werden kann. Dabei wird sowohl auf direkte Effekte durch Reibungsminimierung am Bespiel verschiedener Wellendichtungs-Designs, als auch auf indirekte Effekte durch Leichtbaukomponenten eingegangen. Um eine quantitative Aussage zu den möglichen Einsparungen zu erhalten, werden am Beispiel von Simmerringen die Ergebnisse entsprechender Simulationen mit zugehörigen Prüfläufen und der Ermittlung von Koeffizienten für ein Berechnungsprogramm vorgestellt.

Eberhard Bock, Tim Leichner, Uwe Müller

Straßenverkehrszulassungsrecht

Die verkehrsrechtlichen Bau- und Betriebsvorschriften regeln die gesetzlich geforderte Beschaffenheit der zum Verkehr auf öffentlichen Straßen bestimmten Fahrzeuge und der für diese bestimmten Fahrzeugteile. Sie sind Gegenstand des Kapitels „Straßenverkehrszulassungsecht“. Die Rechtsquellen und Regelungsbereiche der Anforderungen an das kraftfahrzeugtechnische Design werden hier behandelt, der Leser in die Materie eingeführt und diese geordnet. Grundlegende praktische Fragen werden beantwortet: Welche Design-Anforderungen gelten für welche Fahrzeugtypen (PkW, zwei- und dreirädrige Fahrzeuge, forst- und landwirtschaftliche Fahrzeuge, Bagger, Quads, selbstfahrende Arbeitsmaschine, Fahrrad, etc.) und Fahrzeugteile? Wie ist die Artikulation zwischen den verkehrsrechtlichen Vorschriften und dem sonstigem Produktrecht? Wie und wo wird der Stand der Technik im Kraftfahrzeugsektor konkretisiert? Etc.

Matthias Bauer
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