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Ottomotor

weitere Buchkapitel

Kapitel 3. Zur Charakterisierung von Verbrennungsmotoren

Die üblichen Kenngrößen zur Charakterisierung von Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Wirkungsgrad, spezifischer Brennstoffverbrauch, Gütegrad, Mitteldruck, Leistungskenngrößen etc., werden mit Anhaltswerten angegeben. Ladungswechsel, Zündung, Verbrennung und Schadstoffemission werden kurz behandelt.

Thomas Maurer

Kapitel 1. Einleitung

Im einführenden Kapitel werden die Arbeitsverfahren von Verbrennungsmotoren vorgestellt. Insbesondere werden Viertakt-Ottomotoren und Viertakt-Dieselmotoren behandelt und die Unterschiede bei Gemischbildung und Verbrennung herausgestellt. Die gängigen thermodynamischen Vergleichsprozesse werden vorgestellt und die Zustandsänderungen des Seiliger-Prozesses schrittweise erläutert. Die Abhängigkeit des thermischen Wirkungsgrads vom Verdichtungsverhältnis wird diskutiert.

Thomas Maurer

Kapitel 2. Das Nulldimensionale Einzonenmodell für die Realprozessrechnung

Das Nulldimensionale Modell für die Realprozessrechnung wird vorgestellt. Die zugrunde liegenden Gleichungen für die Massenbilanz, die Energie und die Zustandsgleichung des Arbeitsgases werden erläutert. Für die einzelnen Größen, wie Masse, Gaskonstante, innere Energie, Enthalpie, Brennverlauf, Wärmedurchgang, Massenströme, Zylindervolumen etc., werden die Bestimmungsgleichungen angegeben. Die numerische Lösung mit dem Runge-Kutta-Verfahren vierter Ordnung wird vorgestellt.

Thomas Maurer

2. Prominente Beispiele

Viele Menschen kennen Beispiele dysfunktionalen Managements aus ihrem eigenen Umfeld, die oft nur geringfügige Konsequenzen nach sich ziehen. Nachfolgend werden beispielhaft sieben besonders folgenschwere Fälle beschrieben, die z. T. weltweite Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben. Es geht um den Aufstieg und Fall des Thomas Middelhoff, der u. a. als Chefsanierer von Karstadt gescheitert ist, um die unendlich anmutende Geschichte der Pannen beim Flughafenbau in Berlin, um spektakuläre Fehler in der Automobilbranche (Fusion von DaimlerChrysler, Dieselskandal),sowie des Baugewerbes (Bau des Bischofssitzes in Limburg; kriminelle Machenschaften der Bauunternehmers Jürgen Schneider) und schließlich auch um den Zusammenbruch das Bankhauses Lehman Brothers, der zum Ausgangspunkt einer weltweiten Bankenkrise wurde. Die Beispiele illustrieren gleichsam Gemeinsamkeiten und Unterschiede dysfunktionalen Managements, die in den folgenden Kapiteln wissenschaftlich analysiert werden sollen.

Uwe Peter Kanning

Kapitel 24. Auswirkungen auf den Verbrennungsmotor

Die Anpassung und Systemintegration des Verbrennungsmotors in den hybriden Antriebsstrang bietet erhebliches Potential Betriebsverhalten, Verbrauch und Emissionen zu verbessern. Durch die häufigeren transienten Betriebsphasen entstehen neue Herausforderungen an den Verbrennungsmotor, zum Beispiel häufigere Starts mit ungünstigen Reibzuständen im Triebwerk und dem Ventiltrieb, ungünstiges Temperaturniveau für die Abgasnachbehandlungssysteme. Die elektrische Unterstützung bietet die Möglichkeit, sowohl die Zylinderzahl zu reduzieren als auch einzelne Komponenten und Baugruppen zu vereinfachen (Aufladesysteme, Einspritzsysteme usw.).

Michael Elicker, Eduard Golovatai-Schmidt, Helmut Tschöke

Kapitel 7. Brennstoffzelle

Die Brennstoffzelle ist ein Energiewandler, der die im Brennstoff (meist Wasserstoff) gespeicherte Energie mithilfe von Sauerstoff direkt in elektrische Energie umwandelt. Damit entfällt der übliche Energiewandlungsprozess von Kraftstoff in mechanische Energie (Verbrennungskraftmaschine) und anschließend über den Generator in elektrische Energie. Der Wirkungsgrad der Energiewandlung mittels Brennstoffzelle ist deshalb grundsätzlich höher. Für die bedarfsgerechte Verfügbarkeit der elektrischen Energie ist allerdings im Fahrzeug weiterhin eine Batterie notwendig, wenn auch mit geringer Kapazität. Bei den rein elektrischen Fahrzeugantrieben können sich Batterie und Brennstoffzelle als Energiespeicher beziehungsweise –wandler idealerweise ergänzen.

Joerg Wind

Kapitel 2. Definitionen, Architekturen und Topologien

Getrieben von immer strengeren CO2-Vorgaben und Gesetzgebungen zur Einhaltung von Schadstoffemissionen wächst das Bestreben der Automobilhersteller, den Antriebstrang zunehmend zu elektrifizieren. Aus diesem Bestreben heraus, entstand in den vergangenen Jahren eine Vielzahl an Konzepten für Hybrid- und Elektroantriebe. Die vorgestellten Hybridsysteme haben jeweils ihre speziellen Vor- und Nachteile. Abhängig vom Einsatz (Fahrstreckenlänge, Topografie), der Fahrzeuggröße, den gesetzlichen Rahmenbedingungen, aber auch vom gesellschaftlichen Anspruch und dem emotionalen Bedürfnis des Kunden ist die Entscheidung zu treffen, welches System zum Einsatz kommt.

Helmut Tschöke

Kapitel 10. Mikro-Hybrid oder P0-Mild-Hybrid

Kommt im klassischen Aggregatetrieb ein Riemenstartergenerator (RSG) zum Einsatz, bezeichnet man dies als „P0-Mild-Hybrid“ bei geringer Leistung auch „Mikro-Hybrid“. Standen im Aggregatetrieb anfangs 12-Volt-Riemen-Start-Stopp-Systeme im Fokus, so sind dies heute P0-Mild-Hybridsysteme mit einem 48-Volt- oder Hochvolt- Riemenstartergenerator, mit denen strengere CO2-Vorschriften erfüllt werden können. Es zeigt sich marktübergreifend, dass der P0-Mild-Hybrid unabhängig vom Spannungsniveau des Bordnetzes auf einem guten Weg zu einer Standardlösung ist.

Christoph Schröder, Andreas Stuffer

Kapitel 5. Antriebsanlagen

Bei seiner Fahrt durch das Wasser muss das Schiff gegen Wind und Wellen arbeiten. Das Wasser am Unterwasserschiff sowie die Luft am Überwasserschiff bewirken durch ihr Strömungsverhalten Reibungswiderstände am Schiffskörper, die letztlich durch die Antriebsanlage zu überbrücken sind. Die Dimensionierung und Auslegung dieser Anlage und insbesondere des Leistungserzeugers ist vom Schiffswiderstand abhängig. Die auf das Schiff einwirkenden Widerstände werden im Folgenden näher dargestellt, bevor die gängigen Konzepte zur Leistungserzeugung beschrieben werden. Der von der Antriebsanlage zu überbrückende Gesamtwiderstand, den Luft und Wasser der Bewegungsrichtung des Schiffes entgegensetzen, ist komplex und setzt sich aus diversen Einzelwiderständen zusammen. Die Bedeutung des Schiffswiderstandes sowohl aus ökologischer wie auch aus ökonomischer Sicht sowie die einzelnen Widerstandskomponenten werden nachfolgend näher betrachtet. Über die See läuft 90 % des Weltgüterhandels. Allein die deutsche Handelsflotte besteht heute aus ca. 3350 Schiffen [34]!

Manfred Pfaff

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

Kapitel 6. Chemische Reaktionen, Katalyse Thermochemie

Jetzt geht es ums chemische Rechnen! Stöchiometrie ist die Lehre von der Zusammensetzung chemischer Verbindungen und den Massenverhältnissen bei chemischen Reaktionen. Die Einführung der Analysenwaage begründete die moderne Chemie. Befreit vom Zauber der Alchimie erkannte man Verbrennungen als Umsetzung mit Sauerstoff – und Hitze und Licht als physikalische Begleiterscheinungen (Energieänderungen). Kapitel 6 erklärt chemische Formeln und Reaktionen, stöchiometrische Berechnungen anhand praktischer Beispiele, Verbrennung und Thermochemie, Reaktionsgeschwindigkeit und chemisches Gleichgewicht, heterogene und homogene Katalyse, Übungsaufgaben. Der Text richtet sich an Studierende an technischen Hochschulen und Universitäten, an Lernende in der gymnasialen Oberstufe und an Fachschulen für Laborberufe, sowie an Anwender in der Berufspraxis. Berücksichtigt sind jüngste Erkenntnisse zur Abgasreinigung in Benzin- und Dieselmotoren.

Peter Kurzweil

Kapitel 1. Einleitung

Nach einer über hundert Jahre dauernden Dominanz des Verbrennungsmotors als Antriebsquelle für Fahrzeuge, ist in den vergangenen Jahren ein Wandel insbesondere beim Individualverkehr zu beobachten. Erzwungen wird diese auch durch die immer strengeren Grenzwerte für die Luftqualität, die ein lokal emissionsfreies Fahren attraktiv erscheinen lassen. Die europäische Union fordert die Fahrzeughersteller auf, den CO2-Flottenverbrauch bis 2020 unter 95 g/km zu senken [12].

Jing Cheng

Kapitel 6. Simulation mit regelbasierter Betriebsstrategie

Die Untersuchung für ein Hybridfahrzeug in der frühen Entwicklungsphase lässt sich oft durch einfache Kennfeld-Berechnung durchführen, jedoch gilt der Schluss daraus aufgrund der Komplexität des Fahrzeugsystems nur beschränkt in Praxis. Das Gesamtsystemmodell mit erweitertem Motormodell soll die Abweichung zwischen Simulation und Versuch verringern. Kapitel 5.1 hat die drei Ausführungen der Simulationsmodelle erläutert und die folgenden Rechenergebnisse ergeben sich aus der Gesamtsystemsimulation mit den komplexen Streckenmodellen.

Jing Cheng

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 4. Datenbasis für Kalibrierung und Validierung

Der untersuchte Parallelhybridantriebsstrang verfügt über die Konfiguration in Abbildung 4.1, die auch als P2-Hybridanstriebstrang bezeichnet wird. Der Stand stammt ursprünglich aus dem in [43] vorgestellten Mercedes C350e Plug-In-Hybridfahrzeug. Wie in Kapitel 2 schon beschrieben wird, befindet sich der Elektromotor in dieser Anordnung zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe.

Jing Cheng

Kapitel 8. Zusammenfassung und Ausblick

Um auch zukünftigen Anforderungen an den Verbrauch und das Emissionsverhalten von Kraftfahrzeugen gerecht zu werden, ist eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads beim Verbrennungsmotor und höhere Elektrifizierung des Antriebsstrangs unerlässlich. Insbesondere im Teillastbereich, in dem der stöchiometrisch betriebene Verbrennungsmotor einen relativ schlechten Wirkungsgrad aufweist, kann hier durch elektrische Fahrt die Effizienz des Fahrzeugs gesteigert werden. Wird dagegen der Verbrennungsmotor in diesem Betriebsbereich mager betrieben, kann auch in der Teillast der Wirkungsgrad des Ottomotors deutlich gesteigert werden.

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

16. Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik

In den letzten Jahren ist uns stärker bewusst geworden, dass wir Energie sparen müssen. Doch können wir das überhaupt, wenn der Erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Energie in einem abgeschlossenen System erhalten bleibt? Die Antwort lautet „ja“, denn die Gesamtenergie bleibt zwar stets diesselbe, es gibt jedoch gut nutzbare und weniger nutzbare Energieformen, mit denen wir uns in diesem Kapitel beschäftigen werden.In dieser Solaranlage wird Sonnenenergie zum Betrieb eines Stirlingmotors eingesetzt, der dann mithilfe eines Generators elektrische Energie erzeugt. Als Wärmekraftmaschine unterliegt der Stirlingmotor bezüglich seines Wirkungsgrades allerdings den Begrenzungen des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. (DLR/Ernsting, CC-BY 3.0)? Welchen Wirkungsgrad können Wärmekraftmaschinen höchstens erreichen? (Siehe Beispiel 16.2.)

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

Risiko Kapitalismus

Landnahme, Zangenkrise, Nachhaltigkeitsrevolution

Der Beitrag beschäftigt sich mit der ökonomisch-ökologischen Zangenkrise, die moderne kapitalistische Gesellschaften durchlaufen. Diese Krise zwingt, so die These, vor allem die früh industrialisierten Länder zu einer Nachhaltigkeitsrevolution. In Auseinandersetzung mit der Theorie reflexiver Modernisierung werden systemische Expansions- und Wachstumstreiber identifiziert. Aus der Perspektive des Landnahmetheorems wird das Expansionsparadox kapitalistischer Gesellschaften reflektiert und auf die Periode intensivierter Globalisierung übertragen. Wie Ulrich Beck antizipierte, tritt die Weltrisikogesellschaft ins öffentliche Bewusstsein. Der alte industrielle Klassenkonflikt verschwindet jedoch nicht. Er wird zu einer Achse im sozialökologischen Transformationskonflikt. Dieser Konflikt hat bereits die Kernzonen des europäischen Wirtschaftsmodells erreicht und macht den Kapitalismus zu einem Risiko.

Klaus Dörre

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

6. Systematik der Fahrzeuggetriebe: Konstruktive Grundkonzepte

Bevor auf die Auslegung und Gestaltung wichtiger Komponenten von Fahrzeuggetrieben eingegangen wird, sollen zunächst konstruktive Grundkonzepte von Getrieben vorgestellt und systematisch behandelt werden. Das Kapitel legt damit die Basis zum Verständnis der ausgeführten Seriengetriebe, die in Kapitel 11 „Beispiele ausgeführter Konstruktionen“ erörtert werden. Es startet mit Erläuterungen zu Anordnungsmöglichkeiten der Getriebe in Pkw- und Nkw-Antriebssträngen sowie dem grundsätzlichen Aufbau von Getrieben. In Abschn. 6.5 werden dann systematisch die Getriebekonzepte für Pkw anhand von Räderschemata entwickelt. Dies geschieht für quer und längs eingebaute Getriebe, eingeteilt in Handschaltgetriebe (MT), Automatisierte Schaltgetriebe (AMT), Doppelkupplungsgetriebe (DCT), Automatgetriebe (AT), Stufenlosgetriebe (CVT) sowie für verschiedene Konzepte von Hybridantrieben und reinen E-Antrieben. Die Darstellung der Getriebekonzepte für Nkw in Abschn. 6.6 erfolgt analog, obgleich Nkw-Getriebe sich bei den Konzepten in vielerlei Hinsicht von Pkw-Getrieben unterscheiden. Auf diese Besonderheiten, wie beispielsweise deren Aufbau als Gruppengetriebe, wird eingegangen. Behandelt werden Konzepte für Nkw-MT, AMT, DCT, AT, CVT sowie Hybrid- und E-Antriebe. Konzepte für Endantriebe (Achsgetriebe, Differentialgetriebe, Verteilergetriebe) von Pkw und Nkw werden in Abschn. 6.7 systematisch dargestellt. Für Nkw von hoher Bedeutung sind ferner Nebenabtriebe (Abschn. 6.8) und Dauerbremsen, sogenannte „Retarder“ (Abschn. 6.9).

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

5. Zusammenarbeit Motor – Getriebe

In Kap. 3 wurden der Leistungsbedarf und das Leistungsangebot behandelt und in Kap. 4 die Grundlagen für die Wahl der Übersetzungen erarbeitet. In diesem Kapitel geht es nun um die Abstimmung des Getriebes auf Motor und Fahrzeug. Dabei handelt es sich um Problemstellungen der Fahrzeuglängsdynamik. Die wesentlichen Optimierungskriterien sind: die Fahrleistungen, der Kraftstoffverbrauch, die Emissionen und der Fahrkomfort. Ausgangspunkt vieler Betrachtungen ist das Zugkraftdiagramm. Abschn. 5.1 zeigt die Ermittlung des Zugkraftdiagramms und die daraus ableitbaren Erkenntnisse für verschiedene Motor-Getriebekombinationen sowie für einen Elektroantrieb. Die Getriebeauslegung ist auf die Fahrleistungen, d.h. Beschleunigungs- und Steigvermögen in den einzelnen Gangstufen sowie die erreichbare Höchstgeschwindigkeit zu überprüfen (Abschn. 5.2). Die Ermittlung des Kraftstoffverbrauchs durch Rechnung und Messung wird in Abschn. 5.3 gezeigt. Dazu werden die Messzyklen vorgestellt und auf die Bestimmung des Kraftstoff- bzw. Energieverbrauchs von verbrennungsmotorisch, elektromotorisch und hybridisch angetriebenen Fahrzeugen (Pkw und Nkw) eingegangen. Ein weiteres Optimierungskriterium ist der Komfort und hier das dynamische Verhalten. Der Antriebsstrang ist ein schwingungsfähiges System, daher muss dem Schwingungs- und in erster Linie dem Geräuschverhalten des Antriebsstrangs Rechnung getragen werden. In Abschn. 5.4 wird hierzu in Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und solche mit Elektroantrieb unterschieden.

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

Kapitel 19. Zirkoniumoxid und die Lambdasonde

Zirkoniumoxid zeichnet sich durch Sauerstoff-Ionen-Leitfähigkeit aus. Diese spezielle Eigenschaft und ihre Nutzung in einer Lambdasonde werden in diesem Kapitel erläutert.

Bożena Arnold

4. Dynamik

In der Bewegungslehre entwickelt man Gleichungen, mit denen sich die Ortsveränderung von Körpern und Körperpunkten beschreiben und berechnen lassen. Die Ursache der Ortsveränderung, also die einwirkenden Kräfte und Kraftmomente, werden in der Bewegungslehre nicht untersucht. Die Bewegungslehre wird auch als Kinematik bezeichnet.

Wolfgang Böge, Alfred Böge

Hybrid powertrain with methane engine – the consequent evolution

Never before have the challenges for future propulsion systems been more demanding than these days. It is important to consider the very complex goals in terms of primary functionality, environmental compatibility and cost efficiency to a balanced extent. Based on a detailed analysis the 48V technology turned out as the most effective approach considering the trade-off between CO2 and cost (Figure 1).

Harald Stoffels, Moritz Springer, Ulrich Kramer, Carsten Weber

The ICE in the electrified powertrain – modular approach within a common platform between cost and CO2 optimization

The electrification of the powertrain is a prerequisite to meet future fuel consumption limits, while the internal combustion engine (ICE) will remain a key element of most production volume relevant powertrain concepts.The high volume applications will be covered by electrified powertrains. The range will include parallel hybrids, 48V- or High voltage Mild- or Full hybrids, up to Serial hybrids.In the first configurations the ICE is the main propulsion, requiring the whole engine speed and load range including the transient operation.The competition of different technologies and variabilities, from variable compression ratio (VCR) to variable valve lift (VVL), advanced boosting technologies, high pressure injection at the gasoline engine, as well as add on measures such as water injection require a modular common engine family architecture with common parts and common machining and assembly concepts, as well as the feasibility to integrate different technology packages.At serial hybrid applications the vehicle is generally electrically driven and the ICE provides power to drive the generator, either exclusively or supporting a plug-in battery charging concept. As the ICE is not mechanically coupled to the drive train, a reduction of the operation range to preferred load and speed ranges with high efficiency is feasible and transient as well as idle operation is irrelevant. Thus a partial simplification of the ICE is achievable.The paper shows the chances of a modular technology approach, with focus on a balanced overall complexity of the powertrain with increasing electrical power in regard of Cost and CO2-reduction.

Wolfgang Schöffmann, Helfried Sorger, Alois Fürhapter, Paul Kapus, Gerald Teuschl, Christoph Sams

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

Assessment of factors influencing the wall heat transfer with regard to increasing efficiency and compliance with future CO2 limits for commercial vehicles

More than 125 years ago, Rudolf Christian Karl Diesel succeeded in putting the first 4-stroke heat engine, later called Diesel engine after its inventor, in operation [1]. The reached increase of efficiency, by three or four times compared with the efficiency of steam engines at this time, and the resulting advantage of the Diesel engine has not lost any actuality in today’s engine development ever since. Right now, confronted with strictly increasing emission control laws, while there’s a change to a multi-drive-technology path, the efficiency increase of the Diesel engine is more important than ever. Moreover the buyers demand is still a low total cost of ownership, which is depending mainly on the engines fuel efficiency.

Christian Hennes, J. Lehmann, P. Kožuch, T. Koch

Experimental investigations on ICE direct start for hybrid powertrains

Due to heave the most powertrain efficiency and carbon dioxide emission savings at hybrid powertrains the internal combustion direct start could be highly beneficial. To realize a safe reliability and low emissions there are an exhaust gas residual depletion at engine stopping phase for inflammation enhancement of the time based combustion and an appropriate fuel metering based on accurate charge estimation of oxygen necessary. For investigating this EGR depletion at engine runout there was an optical high speed measuring system in combination with cylinder pressure indication used in a four cylinder test engine with electromechanical camshaft phasers. After constructing a proper analysis method there were three strategies investigated, which include actuating throttle and camshaft phasing at engine stopping and oscillation phase before standstill, and compared with each other in the matters of EGR depletion, cylinder charge, engine speed deviation (representing NVH) and crankshaft positioning potential.

Thomas Pausch, Guido Vent, Normann Freisinger, Hardy Weymann, Roland Baar

Sustainable drive concepts for future Motorsports

Global warming caused by greenhouse gas emissions is one of the major threats to humankind and challenges the automobile industry. Motorsport as a pioneer and a laboratory for automotive technologies has to face this issue and push the development of solutions. Nowadays motorsport is dominated by conventional propulsion systems powered by fossil fuels, predominantly by gasoline.

Lea Schwarz, Michael Bargende, Stefan Dreyer, Ulrich Baretzky, Wolfgang Kotauschek, Florian Bach

Developing GDI engines for minimum particle emissions in RDE test conditions

How to identify situations in need of improvement and how to find correct actions to reduce PN emissions in real drive conditions?The engine development procedures include selection of best injectors at the very early stage of hardware definition, and, along the way of combustion system development, the adjustment of injection parameters to the boundary conditions given by stationary and transient engine operation modes until the final vehicle certification in today’s WLTP or future RDE test modes.The overall task: fuel injection for each combustion cycle must result in premixed combustion of a homogenous, stoichiometric charge. On this background the paper describes Selection of injectors for given combustion chamber geometry and in-cylinder flow: test procedures and selection criteria include sub-zero cold start, catalyst heating and part load / high load operation at low and moderate engine speed. Calibration of injection parameters in dynamic drive situations Identification and improvement of PN emission issues in WLTP / RDE test cycles Evaluation of injector coking issues Test methods include the cycle by cycle analysis of spray and flame signals, either recorded with high speed cameras or with fiber optic flame sensors together with cylinder pressure analysis in order to visually see diffusion flame (soot) areas or to identify them by means of their flame radiation signature. These cycle and deg CA resolved combustion signals are related to engine out particle emissions.We present a methodology to effectively use such in-cylinder diagnostics to finally meet target PN emissions levels in a vehicle’s certification test.

A. Hirsch, A. Hochnetz, M. Kortschak, E. Winklhofer

2. Mittelstand in der Betriebswirtschaftslehre – Theorien und Modelle

Implizit war die vorangegangene Kennzeichnung des Mittelstands anhand von definitorischen Merkmalen bereits von theoretischen Bezügen geprägt, ohne dass diese weiter ausgeführt wurden. Dieses Defizit soll im folgenden Abschnitt anhand von Theorien und Modellen beseitigt werden, die auf die quantitative und qualitative Dimension des Mittelstandsbegriffs Bezug nehmen.

Holger Reinemann

2. Dynamik

Alfred Böge, Wolfgang Böge

Kapitel 4. Dynamik

Alfred Böge, Gert Böge, Wolfgang Böge

Spezifika der Komponentenauslegung des Ladungswechsels und der Emissionierung für die Fahrzeugintegration

Das Packaging heutiger Fahrzeuge, insbesondere im Bereich des Motorraums und der Abgasanlage, ist eine komplexe Aufgabe. Das Maßkonzept ist abhängig von Aufbauform, Antriebsart, Aggregateumfang und Randbedingungen wie zum Beispiel Fahrkomfort oder Fahr- und Bediensicherheit. Jedes Bauteil muss seine vorgegebenen räumlichen Grenzen einhalten, um Konflikte mit angrenzenden Bauteilen zu vermeiden.

Eric Brée, Hermann Middendorf

RDE-Konzept auf Basis eines vollvariablen, hydraulischen Ventiltriebs

Die Einführung des WLTC-Testverfahrens (Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Cycle) und des RDE-Tests (Real Driving Emissions) zieht Konsequenzen bei der Auslegung von Verbrennungsmotoren nach sich. Da der RDE-Test im Alltagsverkehr auf der Straße und somit stochastisch gefahren wird, dürfen die Emissionsgrenzwerte im kompletten Betriebsbereich des Motors nicht überschritten werden.

Mario Medicke, Michael Günther, Ronny Trettin, Michael Hampel, Andreas Mayer, Daniel Wolf

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

Lambda = 1 im gesamten Motorkennfeld

Technische Lösungen für hochaufgeladene Ottomotoren

Zusätzlich zur Einführung des höherlastigen WLTC Fahrzyklus zielen die zukünftigen Abgasnormen in Europa (Euro 6d) und China (China 6b) auf eine Limitierung des Schadstoff- und Partikelausstoßes im Realbetrieb des Fahrzeugs (RDE). Technische Lösungen wie die Integration von Ottopartikelfiltern und großvolumigen Katalysatoren sowie die gezielte Optimierung der Brennverfahren bilden dabei wesentliche Bausteine zur Einhaltung der Grenzwerte.

Björn Franzke, Philipp Adomeit, Fabian Hoppe, Bastian Morcinkowski

Kapitel 5. Von der Nische zum Roll-out – eine Multi-Level- Konstellationsanalyse

In diesem Kapitel werden die Analyseergebnisse der Multi-Level-Konstellationsanalyse über die Entwicklungsphasen von InnovationCity in Bezug auf Bürger_innenbeteiligung dargestellt.

Benjamin Best

Herleitung von Fahrtstrecken aus Distanz- und Kurvenbewegungsdaten

Die Vernetzung von Fahrzeugen mit dem Internet ermöglicht die Übertragung von Fahrinformationen wie zurückgelegte Distanzen und Kurvenbewegungen in eine Cloud. Dadurch können Autoversicherungstarife angeboten werden, in denen das Fahrverhalten ohne die zusätzliche Nutzung von GPS-Daten bewertet wird und eine gute Bewertung zu Vergünstigungen führt. GPS-Daten sollten vertraulich behandelt werden, da sie zum Beispiel zur Bestimmung von häufig besuchten Orten geeignet sind [1] und Bewegungsprofile erstellt werden können. Der Verzicht auf die Verwendung von GPS-Daten und die Nutzung von augenscheinlich nicht Privatsphäre gefährdenden Fahrinformationen suggeriert daher den Schutz der Privatsphäre.

M. Waltereit, M. Uphoff, T. Weis

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

e-Fuels – ein zentraler Baustein für den Motor der Zukunft?

Die Weiterentwicklung des Verbrennungsmotors mit ottomotorischem Brennverfahren hat das Ziel einer effizienteren Verbrennung bei gleichzeitiger Verringerung der Schadstoffemissionen. Insbesondere die Einhaltung weltweiter Emissions- und CO2-Standards und die Erfüllung von Kundenbedürfnissen nach nachhaltiger Mobilität wird den Einsatz zukünftiger Technologien prägen.

Lars Hentschel, Karsten Michels, Thomas Garbe, Martin Hönig

Verkehrsemissionsgesetzgebungen in der Europäischen Union sowie in Industrienationen und Schwellenländern

Dieser Beitrag orientiert sich an dem Continental Emission Booklet „Worldwide Emission Standards and Related Regulations“.

Hans Nuglisch, Thomas Maier, Sandra Müller

Kapitel 5. Konzept zur Betriebsfestigkeitsanalyse von elektrischen Steckkontakten

Dieses Kapitel beschreibt die Entwicklung und Anwendung von Multilevel-Ansätzen zur Betriebsfestigkeitsanalyse von elektrischen Steckkontakten anhand von Praxisbeispielen. Steckkontakte sind Bauteile zur elektrischen Kontaktierung von Leitungsverbindungen und kommen auch, jedoch nicht ausschließlich in elektrifizierten Fahrzeugen zum Einsatz.

Dr.-Ing. habil. Andreas Dörnhöfer

Kapitel 8. Energiekosten für einen BEV in Deutschland

Im Folgenden werden die Stromkosten für den Betrieb eines BEV mit Kälteanlage inklusive PTC sowie mit einer Wärmepumpe verglichen und die Mehrbelastung für einen Vier-Personen-Haushalt in Deutschland diskutiert. Die zusätzliche Energie für das Heizen und Kühlen eines BEV wird durch die Kenngröße des durchschnittlichen Energiebedarfs zum Heizen und Kühlen im Jahr pro Pkw dargestellt. Diese wurde mit der Bewertungsmethode (Kapitel 6) für unterschiedliche HVAC-Systeme berechnet. Der Grundverbrauch eines BEV wird entsprechend der Angaben aus den technischen Datenblättern eines BEV der Kompaktklasse entnommen.

Malte Westerloh

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

Kapitel 9. Zusammenfassung und Ausblick

Das Ziel der Arbeit bestand darin, die für die Schadstoffkonvertierung notwendigen Abgas- und Bauteiltemperaturen in kritischen motorischen Betriebszuständen (Warmhalten und Aufheizen) zur Verfügung zu stellen.

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

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

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

Emissionsreduktion und Reibungsund Verschleißverhalten

Die steigenden ökologischen und ökonomischen Anforderungen an Tribosysteme, wie die Paarung Kolbengruppe auf Zylinderlaufbahn, erfordern eine intensive Vernetzung mehrerer Disziplinen sowie die Untersuchung auf mehreren Ebenen. Der Schwerpunkt dieser Untersuchung liegt einerseits auf der systemspezifischen, applikationsnahen Entwicklung und Analyse und andererseits auf der Komponentenentwicklung bzw. Material- und Fertigungsprozessentwicklung.

Hannes Hick, Josef Edtmayer, Simon Walch, Hans-Peter Böhm, Siegfried Lösch, Martin Jech, Thomas Wopelka

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

Modellierungsansatz zur Abbildung gesamtmotorischer Reibungsverluste

Gesetzliche Rahmenbedingungen hinsichtlich der zulässigen CO2-Emissionen sowie Kundenanforderungen bezüglich des Kraftstoffverbrauchs erfordern eine kontinuierliche Wirkungsgradsteigerung moderner Ottomotoren. Dabei stellt die Reduzierung der innermotorischen mechanischen Verluste (Reibung) ein adäquates Mittel dar, um diese Zielvorgaben zu erreichen.

Oleg Krecker, Bernhard Huber

3D-Simulationsmethodik zur ganzheitlichen Darstellung der Strömungsverhältnisse im Motorölkreislauf

Die Steigerung der Effizienz aller Komponenten – insbesondere des Antriebstranges – haben aufgrund der verschärften gesetzlichen Bestimmungen zur Senkung des CO2-Ausstoßes eines Fahrzeuges in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Neben neuen Motor-Konzepten, optimierter Verbrennung sowie Leichtbau liegt ein riesen Einsparungspotential in der Reibungsminimierung im Motorölkreislauf. Um dieses auszunützen ist eine detaillierte Kenntnis der dynamischen Ölverteilung sowie –verlagerung, insbesondere im Zylinderkopf sowie im Kurbelgehäuse unabdingbar.

Stefan Diebald, Marijan Simek, Gerald Zotter, Harald Grantner, Peter Drage

Neubewertung der Wälzlagerung der Kurbelwelle im P0-Hybridkonzept

Da der Verbrennungsmotor auch künftig eine entscheidende Rolle spielen wird, ist eine weitere Reduktion des CO2-Ausstoßes der Fahrzeuge notwendig. Hierbei behält die Reduktion von Reibungsverlusten einen großen Stellenwert. Hinzu kommt der Wandel des Antriebsstranges vom reinen Verbrennungsmotor zur Hybridisierung, d.h. zur Teilelektrifizierung.

Frank Schlerege, A. Waldo, K. Kucht, U. Morawitz, C. Weber

Hybridantriebe – kalte Herausforderung für die Reibungsreduzierung von Verbrennungsmotoren

Die Entwicklung emissionsarmer Antriebstechnologien hat in der Automobilindustrie hohe Priorität. Die zunehmende Hybridisierung des Antriebstranges sowie neue, strengere CO2-Grenzwerte führen dazu, dass der Motorbetrieb auch bei niedrigen Umgebungs- bzw. Kühlmitteltemperaturen eine höhere Relevanz erfährt. Dies hat einen Einfluss auf die Entwicklung und Gestaltung neuer Verbrennungsmotoren.

Christian Kehren, M. Plettenberg, T. Uhlmann, F.-G. Hermsen, S. Yadla

26. Benzineinspritzsysteme

Das vorliegende Kapitel fußt auf den Ausführungen im Robert‐Bosch‐Fachbuch Ottomotor‐Management (Robert Bosch GmbH 2005, S. 86–129). Dabei wurden Auszüge entnommen, Überarbeitungen vorgenommen und aktuelle Beiträge ergänzt. Inhaltlich fokussiert der Beitrag auf die Arbeitsweisen der verschiedenen Einspritzsysteme beim Ottomotor, inklusive einer Erläuterung der wichtigsten beteiligten Komponenten, sowie die dazugehörigen Mechanismen der Gemischbildung. Abschließend werden sowohl für die Saugrohreinspritzung (SRE) als auch für die DI zukünftige Entwicklungstrends vorgestellt.Moderne Ottomotoren benötigen zur Einhaltung strenger Abgas‑ und Verbrauchsvorschriften eine bezüglich Menge und zeitlicher Abfolge präzise Zumessung und Aufbereitung des Kraftstoffs. Die Anforderungen an das Gemischbildungssystem leiten sich aus den hoch dynamischen Vorgängen während der Gemischbildung ab. Die elektronische Kraftstoffeinspritzung mithilfe von Magnet‑ und Piezoventilen hat sich gegenüber dem Vergaser mit Ausnahme des Zweirad‑ bzw. Utility‐Segments als das dominierende System durchgesetzt.

Dr.-Ing. Roger Busch

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

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

30. Aufladesysteme

Die hohen Anforderungen an Aufladesysteme haben zu einer Vielzahl an Systemen geführt, die zusätzliche Freiheitsgrade durch Kombination von Aufladesystemen erlangen. Im Folgenden wird zunächst auf einzelne Beispiele eingegangen und anschließend ein Ausblick auf weitere Varianten gegeben.

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

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

43. Verbrennungsmodelle für Ottomotoren

Für die Berechnung von motorischen Verbrennungsvorgängen kommen heute verschiedene Modellkategorien zum Einsatz, die sich z. T. sehr stark in ihrem Detaillierungsgrad, aber auch in ihren Rechenzeiterfordernissen unterscheiden (s. Stiesch 2003). Als phänomenologische Modelle werden dabei üblicherweise die Berechnungsmodelle bezeichnet, die die Verbrennung und Schadstoffbildung in Abhängigkeit übergeordneter physikalischer und chemischer Phänomene wie Strahlausbreitung, Gemischbildung, Zündung, Reaktionskinetik usw. vorausberechnen. Weil hierfür eine räumliche Aufteilung des Brennraums in Zonen verschiedener Temperatur und Zusammensetzung erforderlich ist, werden die Modelle auch als quasidimensionale Modelle bezeichnet. Die phänomenologischen (bzw. quasidimensionalen) Modelle grenzen sich auf der einen Seite von den nulldimensionalen (oder thermodynamischen) Modellen ab, die den Brennraum zu jedem Zeitpunkt vereinfachend als ideal durchmischt annehmen und die auf empirischen Ansätzen für die Brennrate beruhen. Auf der anderen Seite unterscheiden sich die phänomenologischen Verbrennungsmodelle von den CFD‐Codes (CFD = Computational Fluid Dynamics, vgl. Teil IX, Kap. 47–54), indem auf eine explizite Lösung des turbulenten dreidimensionalen Strömungsfeldes bewusst verzichtet wird (siehe Abb. 43.1). Dadurch kann die Rechenzeit erheblich reduziert werden. Für die Berechnung eines Motorarbeitsspieles liegt sie bei phänomenologischen Modellen im Bereich von Sekunden, bei CFD‐Codes dagegen im Bereich von Stunden (siehe Abb. 43.2). Phänomenologische Modelle werden deshalb insbesondere in Arbeitsprozessberechnungen zur Auslegung des Gesamtmotors eingesetzt, CFD‐Berechnungen dagegen für die Berechnung spezieller Fragestellungen, wie beispielsweise die Auslegung der Einlasskanal‐ und Arbeitsraumgeometrie oder der detaillierten Schadstoffbildung.

apl.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gunnar Stiesch, Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Friedrich Dinkelacker, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski

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

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

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

47. Strömungsmechanische Grundlagen

Grundlage für die 3-D strömungsmechanische oder CFD-Simulation (CFD: Computational Fluid Dynamics) bilden partielle Differentialgleichungen für Masse, Impuls und Energie. Ergänzt werden diese durch Transportgleichungen für Spezies, Skalare und Mischungsbruch. Da wir es typischerweise bei motorischen Fragestellungen mit turbulenten Strömungen zu tun haben, kommt der Turbulenzmodellierung sowie der Beschreibung des turbulenten Mischungszustands eine zentrale Rolle zu.

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

23. Benzinverbrennung

Die klassischen ottomotorischen Brennverfahren zeichnen sich durch folgende Charakteristika aus: Vormischung von Luft und Kraftstoff zu einem sowohl zünd‑ als auch verbrennungsfähigen Gemisch; i. d. R. deutliche zeitliche Trennung von Gemischbildung und Verbrennung; damit meist vollständige Verdampfung des Kraftstoffs bei Zündung bzw. Verbrennungsbeginn; einphasiger Verbrennungsablauf auf der Basis einer den Brennraum durchquerenden Flammfront; starker Einfluss der Turbulenz innerhalb der Flammfront; deflagrativer Charakter, d. h. hohe Temperatur‐Orts‐Gradienten normal zur Flammfrontrichtung (Nieberding 2001). Somit bestimmt erwartungsgemäß die Spezifikation des Brennverfahrens die Anforderungen an das Gemischbildungssystem bzw. ‑verfahren. Zur wesentlichen Klassifizierung gehören die Unterscheidungen nach dem Homogenisierungsgrad des Gemischs, nach dem globalen Luftverhältnis und nach der Positionierung des Gemischbildungsorgans, d. h. Injektors, relativ zum Brennraum. Die kausale Verknüpfung dieser Begriffe ist in Abb. 23.1 dargestellt. Die Charakterisierung der ottomotorischen Brennverfahren durch vorgemischte Flammen steht im Gegensatz zur dieselmotorischen Verbrennung auf der Basis der Diffusionsverbrennung (Kap. 24). Durch ungünstige Randbedingungen (niedrige Motor‑ oder Ansauglufttemperaturen) oder ungeeignete Parametrierung (Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck) kann es zu anteiliger diffusiver Verbrennung beim Ottomotor kommen. Diese erzeugt erwartungsgemäß eine Zunahme der Brenndauer und eine deutliche Erhöhung der Partikelanzahl‑ und ‑massenemission.

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

22. Reaktionskinetik

Eine chemische Reaktion zwischen den Edukten Aa, Ab, usw., die die Produkte Ac, Ad, usw. bildet, kann in der folgenden Form beschrieben werden 22.1 $$ \nu _{a}A_{a}+\nu _{b}A_{b}+\ldots \nu _{c}A_{c}+\nu _{d}A_{d}+\ldots $$ ν a A a + ν b A b + … ν c A c + ν d A d + … Dabei bezeichnen die νi die sog. stöchiometrischen Koeffizienten der Reaktion. Da jede chemische Reaktion grundsätzlich sowohl vorwärts als auch rückwärts ablaufen kann, kann der Reaktionspfeil in (22.1) durch ein Gleichheitszeichen ersetzt werden. Dadurch erhält man die allgemeine Form der Reaktionsgleichung 22.2 $$ \sum\limits_{i}{{{\nu }_{i}}{{A}_{i}}=0}, $$ ∑ i ν i A i = 0 , wobei die stöchiometrischen Koeffizienten konventionsgemäß für alle Edukte negativ und für alle Produkte positiv sind.Jede chemische Reaktion strebt immer ihrem Gleichgewichtszustand entgegen, der unter der Voraussetzung erreicht wird, dass ausreichend Zeit zur Verfügung steht. Dieser Gleichgewichtszustand kann als eine Situation interpretiert werden, in der sowohl die Vorwärts‐ als auch die Rückwärtsreaktionen mit identischer Geschwindigkeit ablaufen. Dadurch wird die makroskopisch sichtbare Reaktionsrate Null und die Stoffzusammensetzung ändert sich nicht mehr. Diese Stoffzusammensetzung im Gleichgewichtszustand kann mithilfe der beiden Hauptsätze der Thermodynamik in Abhängigkeit der Randbedingungen Temperatur und Druck bestimmt werden. Dieses Vorgehen wird im Folgenden aufgezeigt.

apl.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gunnar Stiesch, Dr.-Ing. Peter Eckert

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

51. Simulation des Einspritzstrahls

Dieses Kapitel ist der Simulation von Einspritzprozessen gewidmet. Von theoretischer Seite betrachtet stellt sich die Thematik viel komplexer dar, als es die Existenz leicht handhabbarer Strahlmodule in allen gängigen CFD‐Codes zunächst vermuten ließe. Wenn man aber die meisten der damit erzielten Ergebnisse kritisch betrachtet, wird man sich der ganzen Schwierigkeiten derThematik schnell bewusst. Nach wie vor gilt, dass sich mit den heute für motorische Applikationen verfügbaren Codes sinnvolle Resultate nur mit großem Aufwand erzeugen lassen. Zunächst soll nachfolgend das Standardstrahlmodell entwickelt werden, d. h. die stochastische Modellierung eines Partikelensembles in Lagrange’scher Formulierung auf Basis der im letzten Kapitel dargestellten Modellierung der Eintropfenprozesse. Wie schon erwähnt, bringt dieser Ansatz viele Probleme und Schwierigkeiten mit sich, die im Detail diskutiert werden sollen.Schließlich sollen Modellierungsansätze in Euler’scher Formulierung vorgestellt werden, die hier Abhilfe schaffen könnten.

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

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

Simulation der Wassereinspritzung in SIDI-Turbomotoren

Die Verschärfung der gesetzlichen CO2-Regulierung und die Einführung von RDE-Prüfverfahren machen die Entwicklung von effizienten und kostengünstigen Antriebstechnologien erforderlich. Neben einem allgemeinen Trend zur Elektrifizierung gewinnt die Entwicklung von effizienten Verbrennungsmotoren zunehmend an Bedeutung. Zu den neuen Technologie-Trends gehören unter anderem höhere Verdichtungsverhältnisse und Miller-Brennverfahren. Das volle Potential und die Effizienz von modernen SIDI Turbomotoren werden jedoch häufig durch Klopfen limitiert. Zur Absicherung der Verbrennung gegen diesen klopfenden Betrieb und zur Senkung der Abgastemperaturen wird in Betriebsbereichen des Motorenkennfelds das Kraftstoff-Luft-Gemisch angereichert und der Zündzeitpunkt verspätet.

Werner Gumprich, Ingo Hermann, Claus Glahn, Martin Paroll

Messtechnische Ermittlung der Kennfelder von Ölpumpen und Einbindung der Kennfelder in die Simulation des Ölhaushaltes von Verbrennungskraftmaschinen

Nach wie vor ist es das Ziel der Entwickler von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen zu verringern. Ein wichtiger Ansatz ist hierbei die Reduktion des Energieverbrauchs von Nebenaggregaten, besonders von denen für die Versorgung des Schmieröl- und des Wasserkreislaufes zur Motorkühlung. Dabei ist insbesondere eine gezielte Temperatursteuerung der Fluide von Bedeutung, um tribologisch günstige Betriebsbedingungen zu erhalten [1]. Für die Pumpen-Grundsatzauslegung an neuen Verbrennungsmotorenkonzepten wäre es wünschenswert, wenn alle in der Praxis im Motorbetrieb aufkommenden Randbedingungen, wie Dauerhaltbarkeit oder Verhalten bei Luft im Öl, vorher bekannt wären. Für die OEMs bzw. die Ölpumpenhersteller könnte dann mittels Simulation ein möglichst günstiges Ölpumpenkonzept vorausgelegt werden.

Wilhelm Hannibal, Bernhard Kirsch, Robin Otto, Phillip Hermanto, Berthold Bode, Simon Hausner, Henrik Brehler, Holger Conrad, Tim Hentschel

Test emissionsrelevanter Fahrzyklen auf dem Motorprüfstand

Real Driving Emissions (RDE) repräsentiert eine der aktuell größten Herausforderungen für die Automobilindustrie. Fahrzeuge müssen nach dieser neuen Gesetzgebung die erforderlichen Emissionsgrenzwerte nicht nur auf einem Prüfstand unter kontrollierten Bedingungen, sondern auch unter realen Konditionen unter Einbeziehung von Faktoren wie Fahrverhalten, Verkehr und Umgebungsbedingungen erreichen. Aufgrund dieser Einflüsse ist die Straße für die Entwicklung nicht gut geeignet. Die Ursache, ob unterschiedliche Ergebnisse von der Kalibrierung oder von äußeren Einflüssen stammen kann nur schwer beurteilt werden.

Christian Mayr, Reinhard Merl, Hans-Peter Gigerl, Mario Teitzer, David König, Daniel Stemmer, Felix Retter

Methodikbaukasten zur effizienten, zielgerichteten RDE-Entwicklung – Potenziale und Perspektiven

Die Umsetzung der aktuellen Emissionsgesetzgebung führt zu einem Paradigmenwechsel in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren. Neben einer neuen Prüfprozedur (WLTP) inklusive neuem Prüfzyklus (WLTC) wurde zum 01. September 2017 auch die Typprüfung unter Berücksichtigung der Emissionen im realen Straßenverkehr (RDE) verpflichtend. Damit erfolgt die Homologation nicht länger mittels synthetischer Prüfprozeduren unter kontrollierten Randbedingungen.

Johannes Hipp, D. Schmidt, S. Bauer, T. Steinhaus, Christian Beidl

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

14. Energetische Verwertung von Biomasse

Etwa 0,1 % der Solarenergie wandeln sich durch Photosynthese aus dem Kohlendioxid der Luft in Biomasse um. Die Biomassen sind als Festbrennstoff nutzbar oder zu gasförmigen Brennstoffen weiterverarbeitbar. Zwei Arten von Biomassen sind zu unterscheiden: Anfallende Biomasse Angebaute Biomasse. Als anfallende Biomassen gelten Hölzer der Forstwirtschaft und holzverarbeitenden Industrie sowie landwirtschaftliche Abfall‑ und Nebenprodukte wie Stroh und Fäkalien. Langfristige Projekte propagieren den Anbau von Energiepflanzen, die als Festbrennstoff oder als Ausgangsmaterial für flüssige und gasförmige Brennstoffe dienen. Als angebaute Biomassen kommen schnellwachsende Gräser (C4‐Pflanzen), Raps und Miscanthus infrage. Anfallende Biomasse, also Abfallbiomasse, ist deutlich preisgünstiger als angebaute Biomasse. Das Kapitel gibt den Überblick zur energetischen Nutzung von Biomasse.Wegen des geringen volumenbezogenen Heizwertes der Biomassen sind Transportwege zu minimieren. Nur kleine, dezentrale Anlagen am Ort des Biomassenanfalls sind sinnvoll, die Leistungen bis in den unteren Megawattbereich aufweisen.

Prof. Dr.-Ing. Richard Zahoransky

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

Antriebsmix für die zukünftige Mobilität – aber welcher?

Alternative Antriebskonzepte stellen mit ihrem jeweils ganz spezifischen Platz- und Sicherheitsbedarf den Karosserie- und Gesamtfahrzeugentwickler vor große Herausforderungen. Die vorzuhaltenden Package-Räume variieren stark, je nach Alternative. Die Möglichkeiten reichen von einfachen elektrischen Antrieben mit verhältnismäßig kleinem Batteriespeicher bis zu E-Antrieben mit Brennstoffzelle als Energiewandler, ein, zwei Wasserstofftanks und Hochvoltbatteriepack.

Volkher Weißermel

Downsized Engine optimised for CNG Operation

Gasoline engine downsizing is already established as a technology to reduce automotive fleet CO2 emissions. Further benefits are possible through more aggressive downsizing, however, the trade-off between the CO2 reduction achieved and vehicle drive-ability limits the level of engine downsizing currently adopted [1]. The ability to maintain or increase the level of engine downsizing, while retaining good fuel efficiency across the majority of the engine operating map, would provide manufacturers with a transferable, and scalable, means for assisting in meeting these stringent new CO2 targets across their entire fleet.

Christian Vogler, Jonathan Hall, Benjamin Hibberd, Simon Streng, Michael Bassett

Model-based optimization of multi-hole injector spray targeting for gasoline direct injection

Gasoline engines with direct injection and turbocharging are an integral part in future powertrain topologies and hence show the potential to yield substantial market share [1]. High-level requirements for upcoming development work are imposed by worldwide exhaust gas emission legislations as well as end customer demands towards the vehicle manufacturer. This implies reductions of gaseous and particulate emissions under on road conditions and the balancing between driving performance, fuel consumption/CO2 and NVH characteristics.

Tobias Gawlica, Wolfgang Samenfink, Erik Schünemann, Thomas Koch

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

2. Grundlagen

Die Elektromobilität blickt auf eine lange Historie immer neuer Anläufe, das Elektrofahrzeug als Serienprodukt zu etablieren, zurück. Zumeist werden moderne Fahrzeuge jedoch noch immer rein konventionell angetrieben, obwohl sie bereits voll elektrifiziert sind. Neben dem steigenden Kostendruck, technischen Hürden und einer unsicheren Marktsituation hat insbesondere die Infrastruktur und das jeweilige Nutzungsszenario Einfluss auf die zukünftige Entwicklung. Durch die notwendige Integration neuer Industrien, wie der Chemie- und Elektronikbranche sowie der Energiewirtschaft, werden sich die Wertschöpfungsstrukturen in der Automobilindustrie mit der Elektromobilität weiter verändern. Die Folge ist ein komplexes, interdependentes Wertschöpfungssystem mit neuen Wettbewerbsstrukturen und Geschäftsmodellen. Demnach werden auch an die Produktion von Elektrofahrzeugen neue Anforderungen gestellt. So sind Skalen- und Lerneffekte allein nicht mehr ausreichend um in Kleinserien und bei volatilen Stückzahlen wirtschaftlich produzieren zu können. Um auch in vorgelagerten Bereichen der Entwicklung Effizienzsteigerungen zu erzielen, sind die integrierte Produkt- und Prozessentwicklung sowie ein gutes Anlaufmanagement von entscheidender Bedeutung.

Achim Kampker, Dirk Vallée, Armin Schnettler, Paul Thomes, Garnet Kasperk, Waldemar Brost, Christoph Deutskens, Kai Kreisköther, Sarah Fluchs, Ruben Förstmann, Carsten Nee, Alexander Meckelnborg, Ralf Drauz

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

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

Durchgängiger Entwicklungsprozess für Real Driving Emissions-Untersuchungen – Von der Simulation bis zur PEMS-Messung auf der Straße

Die Atemluft in den Mitgliedsstaaten zu verbessern, ist ein Kernziel der EU. Dazu wurde im März 2001 das sog. „Saubere Luft für Europa“ (CAFE) Programm initiiert. Im Rahmen dessen wurden Ziele für die Luftqualität definiert und eine Strategie zur Erreichung dieser aufgestellt [1] S. 1. Ein entscheidender Beitrag dafür soll ebenfalls vom Transportsektor geleistet werden, was sich für die PKW in der Einführung der Euro-5 und Euro-6 Abgasnormen widerspiegelt.

Hauke Maschmeyer, Matthias Kluin, Jan Mädler, Christian Beidl

Auswahl und Entwicklung neuer Methoden für die Rotationsdynamik an Triebstrangprüfständen zur Antriebssystementwicklung nach dem XiL-Ansatz

Bis zum Jahr 2020 soll das vom EU-Rat und -Parlament vorgegebene Ziel von 95 g CO2/km erreicht werden. [1] Trotz dem anhaltenden Trend der Elektrifizierung werden weiterhin die Verbrennungskraftmaschinen (VKM) optimiert, um in der Antriebssystementwicklung den Gesamtwirkungsgrad zu steigern. Bei der VKM-Entwicklung werden als Beitrag dazu Maßnahmen wie Downsizing und Downspeeding ergriffen, um den Motor im wirkungsgradgünstigen Bereich zu betreiben. Bei dieser Optimierung muss der dynamische Einfluss der VKM auf den Antriebsstrang untersucht werden, um eine Verbesserung auf der Gesamtsystemebene hinsichtlich der Kundenanforderungen zu erreichen. [2]

Albert Albers, Simon Boog, T. Bruchmüller

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

5. Entwicklung der Energienachfrage

Der Energieverbrauch in Deutschland war in den vergangenen Jahrzehnten einem starken Wandel unterworfen. Kennzeichen ist die Entkopplung der Entwicklung des Energieverbrauchs vom Wirtschaftswachstum. Ferner hat sich der Energiemix stark verändert. Im Vergleich zum Jahr 1973 haben Öl und Kohle Marktanteile verloren; Erdgas und insbesondere die erneuerbaren Energien konnten starke Zuwächse verzeichnen. Beim Energieverbrauch nach Sektoren ist festzustellen: Der Anteil der Industrie hat sich aufgrund von Effizienzverbesserungen und wegen des verzeichneten Strukturwandels vermindert. Der Anteil des Verkehrssektors hat – bedingt durch das erhöhte Verkehrsaufkommen – stark zugenommen. Der Anteil des Sektors Haushalte und Kleinverbraucher ist dagegen weitgehend stabil geblieben.

Hans-Wilhelm Schiffer

1. Ausgangsdaten

Im Jahr 2017 betrug der Energieverbrauch in Deutschland 13.534 Petajoule (PJ). Dies entspricht 461,8 Millionen Tonnen Steinkohleneinheiten (Mio. t SKE). Damit steht Deutschland in der Rangliste der größten Energiemärkte der Welt – nach China, USA, Russland, Indien, Japan und Kanada – siebter Stelle. Deutschland hat 2017 allerdings mit 3263,35 Milliarden Euro (Mrd. €) die weltweit vierthöchste Wirtschaftsleistung erzielt – nach USA, China und Japan. Besonderes Kennzeichen der deutschen Energieversorgung ist die hohe Importabhängigkeit. 2017 steuerten Einfuhren mit 70 % zur Deckung des Energiebedarfs bei. Die Energieversorgung gilt nicht als staatliche Daseinsvorsorge. Die Bereitstellung von Energie erfolgt vielmehr durch Unternehmen. Der Staat und zunehmend auch die Europäische Union sind für die Rahmenbedingungen verantwortlich. Hierzu gehören u.a. die Wahrung bzw. die Schaffung einer Wettbewerbsordnung, Maßnahmen zur Sicherung der Versorgung sowie die Festlegung von Anforderungen des Umwelt- und des Klimaschutzes.

Hans-Wilhelm Schiffer

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

11. Wechselstromkreise

Polt man die Spannung an einem Stromkreis periodisch um, so spricht man von Wechselspannung. Entsprechend ändert sich auch die Richtung des Stromes, der durch die Schaltung fließt, so dass eine Wechselspannung auch immer von einem Wechselstrom begleitet ist. Mit dem Verhalten von Schaltkreisen, an denen Wechselspannung angelegt wird, wollen wir uns in diesem Kapitel beschäftigen. Abb. 11.1 zeigt als einfaches Beispiel einen Schaltkreis, der nur aus der Spannungsquelle und einem Widerstand besteht. Mit dem Umpolen der Spannung ändert sich die Fließrichtung des Stromes. Technisch erfolgt das Umpolen meist nicht in einem Schaltvorgang, sondern kontinuierlich in Form einer sinusförmigen Wechselspannung. Dann ändert auch der Strom seinen Verlauf sinusförmig. In Abb. 11.2 ist beispielhaft der Verlauf einer sinusförmigen Wechselspannung und eines entsprechenden Stromes gezeigt.

Prof. Dr. Stefan Roth, Prof. Dr. Achim Stahl

Elektrisch unterstützter Turbolader, Cross-Charger® – Turbo by Wire

Downsizing und Downspeeding sind in Verbindung mit Abgasturboaufladung, Direkteinspritzung und variablem Ventiltrieb die wesentlichen etablierten Maßnahmen, um die geforderten CO2-Emissionsgrenzwerte erreichen zu können. Das Aufladesystem spielt eine Schlüsselrolle bei der Erschließung der Einsparpotenziale. Das Kernproblem aller turboaufgeladenen Verbrennungsmotoren besteht im verzögerten Mitteldruckaufbau bei niedrigen Drehzahlen. Das wirksamste Mittel, positiven Einfluss auf das dynamische Verhalten von turboaufgeladenen Motoren zu nehmen, ist, im benötigten Zeitpunkt zeitlich befristet Hilfsenergie einzuspeisen.In der vorliegenden Arbeit werden Grundlagen eines neuen hybriden Aufladesystems, Cross-Charger®, erläutert, das eine Weiterentwicklung eines elektrisch unterstützten Turboladers darstellt. Beim Cross-Charger® werden die wesentlichen, langjährig erprobten Baugruppen eines konventionellen Turboladers übernommen. Der vorgestellte Medienspaltmotor ist ein integraler Bestandteil des Verdichters. Die kurzfristige elektromotorische Unterstützung führt beim Cross-Charger® zu einer wesentlichen Verbesserung des Mitteldruckaufbaues mit einem Anstieg des Momentengradienten um mehr als das 2,5-Fache gegenüber dem Standard-ATL ohne Medienspaltmotor.

H. Gödeke, K. Prevedel

Effiziente Modellierung des Ladungswechsels in Motorsteuergeräten für turboaufgeladene Ottomotoren

Neben einer steigenden Zahl an Variabilitäten ist bei Ottomotoren die Aufladung ein aktuelles Forschungsthema für innovative Motorenkonzepte. Die Aufladung von Motoren kann dabei prinzipiell unter dem Gesichtspunkt der Leistungssteigerung unter Beibehaltung des Hubvolumens und der Zylinderzahl angewandt werden oder für die zuletzt vermehrt zu findende Reduzierung des Hubvolumens bzw. der Zylinderzahl unter Beibehaltung der Leistung - „Downsizing“. [4]

Georg Birmes, Philipp Adomeit, Norman Liberda, Johannes Fryjan

Potenzial der Turboaufladung von Ottomotoren mit Millerverfahren

Der globale Markt für aufgeladene Ottomotoren unterliegt einem schnellen Wachstum. Ein Fokus der Entwicklung von direkteinspritzenden Ottomotoren ist die weitere Reduktion der CO2-Emissionen in der Teillast.

Nisar Al-Hasan, M. Sterr, J. Beer, A. Koch, L. Stump, T. Lorenz, J. Dunstheimer, S. Quiring

Ladungswechsel zum Erfahren und Erleben: 10 Jahre Ottomotor-Konzeptfahrzeuge bei der AVL List GmbH

Ungeachtet aller Möglichkeiten von Simulation und virtueller Modellierung ist bei Antriebsstrang-und Fahrzeugkonzepten das praktische Beispiel noch immer von hoher Aktualität. Weil Erdachtes und Simuliertes in Erleb- und Messbares gewandelt wird, sind Konzeptfahrzeuge gerade in Phasen zunehmender Systemkomplexität von hohem Wert für das eigene Verstehen und Lernen und die Vermittlung von Technologie an Dritte.

K. Prevedel, M. Neubauer, P. Kapus, P. Pötscher

Szenarien der Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen zukünftiger Pkw-Antriebe

Verbrennungskraftmaschinen in Pkw-Antrieben haben in den letzten hundert Jahren einen stetigen Wandel in ihren technischen Eigenschaften erlebt. Vom einfachen Zweiventilmotor bis zu aufwendigen Motoren mit Mehrventiltechnik war das primäre Ziel der Entwicklungsabteilungen die Leistung der Motoren zu steigern. Dabei kommen die unterschiedlichsten leistungssteigernden Maßnahmen zum Einsatz.

Klaus Fuoss, Eric Jacobs, Wilhelm Hannibal

Untersuchung zur Luftspülung im Ladungswechsel eines Vierzylinder Ottomotors mit einflutiger Aufladung

Die Aufladung von Ottomotoren nimmt im Sinne einer Effizienzsteigerung und damit einer Senkung von Verbrauch und Emissionen stark an Bedeutung zu. Downsizing in Verbindung hoher Aufladegrade ist dabei eine treibende Kraft dieses Entwicklungstrends. In diesem Zusammenhang entsteht ein Zielkonflikt zwischen der Forderung nach hoher spezifischer Leistung mit geringem spezifischem Verbrauch im Nennleistungsbereich und einem guten Ansprechverhalten bei niedriger Motordrehzahl (Low-End Torque). Im PKW-Fahrzeugbereich hat sich zur Verbesserung der Agilität von Aufladeeinheit und Verbrennungsmotor das Prinzip der Stoßaufladung oft in Kombination mit einem spülenden Ladungswechsel etabliert.

Adalbert Wolany, Claus Glahn, Hans-Jürgen Berner, Michael Bargende

Einsatz eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie zur Optimierung des ottomotorischen Gesamtkonzeptes

Die Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren war in den letzten Jahrzehnten geprägt durch die fortlaufende Verschärfung der Grenzwerte für Schadstoffemissionen. Neben der Minimierung dieser Emissionen rückt spätestens seit der Einführung verbindlicher CO2-Grenzwerte im Jahr 2015 der Kraftstoffverbrauch zunehmend in den Fokus der Entwicklung. Die Absenkung des CO2-Limits auf 95g/km in den kommenden Jahren verstärkt diesen Trend signifikant.

Jochen Müller, Johannes Ritzinger, Robert Jost, Dirk Naunheim, Martin Kropp

Erweiterte Berechnung des Verdichterverhaltens von Abgasturboladern und Optimierung der Kennfeldbreite

Bei Betrachtung des aktuellen Motorenportfolios führender PKW-Hersteller stellt man eine konsequente Verwendung von Abgasturboladersystemen fest. Die Anforderungen an die Turbolader bezüglich ihres Betriebsverhaltens steigen dabei stetig und es resultieren zunehmend komplexere Systeme. Dies führt zu einer steigenden Interaktion zwischen Grundmotor und Abgasturbolader, sodass eine ganzheitliche Betrachtung notwendig wird.

Matthias Hamann, Marco Cigarini, Michael Bargende

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

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

P1. Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

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

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

MAHLE Range Extender Motorenfamilie

Der Schwerpunkt der Entwicklung in der Automobilindustrie liegt auf der Absenkung des CO2 Ausstoßes der Fahrzeuge. Da Elektrofahrzeuge (engl. EV´s, electric vehicles) während des Betriebs lokal keine Emissionen produzieren und sich potentiell auf Energie aus erneuerbaren Quellen stützen können, sind sie derzeit Gegenstand großen Interesses. Jedoch ist aufgrund des derzeitigen Stands der Batterietechnik die Gesamtreichweite solcher Fahrzeuge begrenzt. Fahrzeuge mit einem (sog.) „Range Extender“ (engl. Range Extended Electric Vehicles, REEVs) und Plug-in-Hybridantrieben überwinden viele der Unzulänglichkeiten von batterieelektrischen Elektrofahrzeugen.

Bernd Mahr, Mike Bassett, Marco Warth

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

Nutzung der Ladungswechsel- und Motorprozesssimulation zur Gesamtsystembewertung von CO2- und Rohemissionen in Fahrzyklen

Die Verknappung fossiler Brennstoffe, steigende gesetzliche Anforderungen an das Emissionsverhalten sowie gestiegenes Umweltbewusstsein führen zu neuen Herausforderungen in der Entwicklung von Automobilen. Trotz der steten Verringerung des Kraftstoffverbrauchs steigen die Ansprüche der Kunden in Bezug auf die bisher gewohnten Fahrleistungen, die sich im Ansprech- und Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs widerspiegeln. Um die Gesamtheit aller, zum Teil widersprüchlicher Anforderungen zu erfüllen, gibt es verschiedene technische Ansätze, die unter anderem zu mehr Variabilität bei den Motorstellgrößen führen. Auf Grund der größer werdenden Komplexität von Verbrennungsmotoren und somit auch der Motoransteuerung und zur Kompensation der daraus steigenden Applikationskosten spielen virtuelle Methoden in der Antriebsentwicklung eine immer bedeutendere Rolle.

Manuel Dorsch, Jens Neumann, Christian Hasse

Experimentelle Untersuchungen eines Ottomotors mit erweiterter Expansion über den Kurbeltrieb und die bedeutende Rolle der variablen Ventilsteuerung

Die Forderung nach einer fortwährenden Senkung des Kraftstoffverbrauches heutiger Antriebe stellt für die Automobilindustrie eine große Herausforderung dar. Vor allem die Wirkungsgradsteigerung der Verbrennungskraftmaschine ist, neben effizienzsteigernden Maßnahmen am gesamten Antriebsstrang, von besonderer Bedeutung. Ein vielversprechender Ansatz dafür ist die Realisierung eines im Verhältnis zum Kompressionshub längeren Expansionshubes.

Patrick Pertl, Alexander Trattner, Michael Lang, Reinhard Stelzl, Stephan Schmidt, Roland Kirchberger, Takaaki Sato

Smart Phasing – Potenziale zur bedarfsgerechten Nockenwellenverstellung moderner Verbrennungsmotoren

Trotz ehrgeiziger Pläne der Politik zur Verbreitung elektrischer Antriebe auch für die individuelle Mobilität wird nach einhelliger Überzeugung der Entwickler in der Automobilindustrie der Verbrennungsmotor seine Rolle als primäre Energiequelle des Antriebs für die nahe und mittlere Zukunft beibehalten. Dies liegt nicht zuletzt an den Potentialen, die er trotz mehr als hundert Jahren an Weiterentwicklung immer noch aufweisen kann. Die weitere Steigerung der Kraftstoff-Effizienz und noch sauberere Verbrennung machen es erforderlich, die Bedingungen im Zylinder optimal an die Erfordernisse des jeweiligen Betriebspunktes anzupassen.

Peter Solfrank, Joachim Dietz

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

Einfluss der Reduktion der Einlasstemperatur hochaufgeladener Ottomotoren

Die aktuelle sowie zukünftige internationale Gesetzgebung fordert deutliche Reduktionen von CO2- und Schadstoffemissionen. Steigende Kraftstoffpreise, ein nachhaltiges Umweltbewusstsein sowie steuerliche Begünstigungen verstärken zusätzlich die Entwicklung von effizienteren Antrieben.

Vincenco Bevilacqua, Eric Jacobs, Klaus Fuoss

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

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

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

3. Arbeitsprozess, Funktion und konstruktive Ausführung von Motorradmotoren

Nachdem im vorigen Kapitel der Leistungsbedarf für das Motorrad betrachtet wurde, soll nun auf den Motor als Leistungserzeuger eingegangen werden.Motorradmotoren zeichnen sich gegenüber allen anderen Fahrzeugmotoren durch höchste Leistungsdichte, kompakteste Bauart und geringes Gewicht aus. Sie zeigen darüber hinaus eine große Vielfalt und Variantenreichtum in der konstruktiven Bauausführung. Zusatzanforderungen, die in der heutigen Zeit an Motorradmotoren gestellt werden müssen, sind Umweltverträglichkeit, d. h. Schadstoff‐ und Geräuscharmut, geringer Kraftstoffverbrauch, Zuverlässigkeit und Wartungsarmut. Dennoch ist beim Motorradmotor nach wie vor die maximale Hubraumleistung ein vorrangiges Entwicklungsziel, weil der Wunsch des Motorradfahrers nach höchsten Fahrleistungen ungebrochen ist.Alle Faktoren, die Einfluss auf die Leistungsentwicklung eines Verbrennungsmotors haben, lassen sich aus einer theoretischen Betrachtung des motorischen Arbeitsprozesses ableiten. Diese wird daher allen weiteren Kapiteln zum Thema Motor vorangestellt und mündet in einer Formel, mit der die Motorleistung grundsätzlich vorausberechnet werden kann. Eine solche Vorgehensweise hat sich als sehr nützlich erwiesen, weil sie zum Grundverständnis der komplexen Zusammenhänge und Wechselwirkungen beim Verbrennungsmotor beiträgt. Es schließt sich eine Betrachtung der Ladungswechselvorgänge an, die für die Leistung des Motors von ausschlaggebender Bedeutung sind. Danach wird auf die grundsätzlichen Vorgänge und Mechanismen bei der Verbrennung im Motor eingegangen.

Jürgen Stoffregen

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 11. Übungsaufgaben

Dieses Kapitel enthält Übungsaufgaben.

Werner Stadlmayr

Kapitel 12. Lösungen der Übungsaufgaben

Dieses Kapitel enthält die Lösungen der Übungsaufgaben.

Werner Stadlmayr

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

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

Hybride Antriebskonfigurationen – ein Systemvergleich mit Schwerpunkt Mechanik / Reibung

Hybrid bedeutet die Kombination eines mechanischen konventionellen Antriebes und eines elektrischen Antriebes. Je nach Batteriekapazität gibt es autarke Hybride und sogenannte Plug-In Hybrids. Bedingt durch die Gesetzesvorgaben der EU bezüglich CO2 Emission wird zukünftig der Plug-In Hybrid dominieren. Der Grund ist die Reduzierung der Emissionen abhängig von der rein elektrisch gefahrenen Strecke.

Werner Klement

Analytische Betrachtung betriebsbedingter Einflüsse auf die Ventiltriebsreibung

Die messtechnische Untersuchung von Motorreibung liegt im Interesse aller Hersteller, um den Erfolg reibungsmindernder Maßnahmen zu bewerten. Unterschieden wird zwischen der Messung des Reibmitteldrucks im geschleppten und im gefeuerten Zustand. Um die Auswertung betriebsbedingter Einflüsse zu verbessern, wird der aktuell zum Standard definierte analytische Ansatz zur Bestimmung eines wesentlichen Aspekts der Ventiltriebsreibung untersucht, die Wirkung der Gaskraft auf das Ventil. Erste analytische Berechnungen im Rahmen einer hier vorgestellten Studie mit jenem Ansatz ergeben, dass durch die Gaskraft unter Volllastbedingungen bis zu 0,6 % der effektiven Motorleistung für das Arbeiten der Auslassventile gegen hohen statischen Zylinderdruck aufgewendet werden. Dieser Effekt ist zwar von ähnlicher Gestalt, jedoch von der üblicherweise bilanzierten Kolbenarbeit beim Ladungswechsel zu differenzieren.Es wird zunächst messtechnisch nachgewiesen, dass Auslassventile beim Öffnungsvorgang im Volllastbetrieb größeren Widerstand erfahren, als es durch reine kontaktreibungs- und massenkraftbedingte Einflüsse zu erklären ist. Eine Reproduktion des Vorgangs mit üblichen Methoden der Mehrkörpersimulation stellt eine qualitative Korrelation der aufgezeichneten Größen am Einzelventiltrieb her, die Rückschlüsse auf die Gaskraftwirkung am Ventil ermöglichen. Im Anschluss wird die quantitative Aussage hinter dem üblichen Berechnungsansatz zur Abbildung der statischen Druckeinwirkung auf Ventile mittels 3D-Strömungssimulation hinterfragt. Die gesamte Analyse soll als Beitrag dienen, die Unterschiede im Reibmitteldruck zwischen geschleppt und gefeuert betriebener Messreihen aufzuschlüsseln, um Reibungsquellen im tatsächlichen Betrieb bestmöglich zu identifizieren und die Genauigkeit von Berechnungsmodellen zur Leistungsabschätzung zu verbessern.

Pascal Ortlieb, Adrian Schloßhauer, Mirko Plettenberg, Sebastian Sonnen

Symmetrische Formhonung in den neuen BMW 3- und 4-Zylinder- Ottomotoren

Die zunehmend strenger werdenden gesetzlichen Rahmenbedingungen hinsichtlich CO2-Emissionen erfordern eine kontinuierliche Steigerung des Wirkungsgrades von Verbrennungsmotoren. Ein zentraler Baustein zur Erreichung dieses Zieles liegt in der Verringerung der innermotorischen mechanischen Verluste (Reibung).

Andre Merkle, Bernhard Huber, Thilo Spitznagel

Turboladerverdichter mit variablem Einlass zur Realisierung hocheffizienter Antriebskonzepte

In der Diskussion um die Antriebstechnologie der Zukunft gerät der Verbrennungsmotor zunehmend unter Druck. Im Vergleich mit dem elektrischen Antrieb als vermeintliche Nullemissionstechnologie erscheinen Verbrennungsmotoren aufgrund ihres CO2- Ausstoßes und wegen der NOx- und Feinstaubproblematik beim Dieselmotor als nicht mehr zeitgemäß. Jedoch bietet der aufgeladene direkteinspritzende Ottomotor – insbesondere in Kombination mit nicht-fossilen Kraftstoffen – ein sehr großes Potential, um die CO2-Emissionen in der Voll- und Teillast zu reduzieren (vgl. [1]).

Mathias Bogner, M. Heldmann, A. Artinger, J. Ehrhard, J. Beer

Motorische Untersuchung einer Doppelstromturbine bei gezielter Variation von Einflussparametern

Um die Leistungsmerkmale moderner Ottomotoren, hohe Nennleistung bei niedrigem Kraftstoffverbrauch einerseits und hohes Low End Torque bei dynamischem Ansprechverhalten andererseits, zu erreichen, stehen Abgasturbolader mit verschiedenen Turbinentypen zur Verfügung. Dabei wird zwischen den Ausführungen ein- und mehrflutige Turbine unterschieden. Je nach geometrischer Ausführung der Flutentrennung wird bei den mehrflutigen Turbinen zwischen den Bauformen Zwillingsstrom- und Doppelstromturbine differenziert.

Michael Kornexl, Hans-Peter Rabl, Wolfgang Mayer, Peter Haluska, Jan Ehrhard

Verdichtervariabilität zur Reduzierung des Scavenging im Low-End-Torque-Bereich eines einstufig aufgeladenen Ottomotors

Bedingt durch die stetige Verschärfung der Emissionsgrenzwerte durch den Gesetzgeber und den Kundenwunsch nach hoher Dynamik und einem geringen Kraftstoffverbrauch unterliegt der Verbrennungsmotor einer stetigen Weiterentwicklung. Im Bereich des Ottomotors im Pkw-Segment hat sich das Downsizing in Verbindung mit der Abgasturboaufladung als bewährtes Mittel zur Verschiebung des Betriebsbereiches hin zu höheren Wirkungsgraden durchgesetzt. Bei einem einstufig aufgeladenen Motorkonzept besteht dabei stets ein Zielkonflikt aus einer hohen Nennleistung und einer guten Performance im Low-End-Torque-Bereich (LET) des Motors. Daraus leitet sich die Anforderung an die Aufladegruppe ab, ein hohes Druckverhältnis über eine große Massenstromspreizung bereitzustellen.

Jan Flinte, Peter Eilts, Thorsten kleine Sextro, Jörg Seume

Ladungsbewegungskonzepte für moderne Brennverfahren

Die Erfüllung der ab 2021 geltenden strengen Vorgaben, den CO2-Ausstoß für eine mittlere Fahrzeugmasse von 1372 kg auf 95 gCO2/km zu reduzieren, erfordert eine deutliche Erhöhung der Effizienz der Verbrennungsmotoren. Eine konsequente Entdrosselung der Teillast mit Miller/Atkinson-Brennverfahren, in Kombination mit Wirkungsgradsteigerung durch Anhebung der geometrischen Verdichtung, ist am Ottomotor ein vielversprechender Ansatz zur Senkung des Zyklusverbrauches [1]. Die Kombination dieser Technologien erschließt deutliche Verbrauchspotenziale, stellt aber gleichzeitig hohe und teils gegensätzliche Anforderungen an das Ladungsbewegungskonzept.

Mario Medicke, Andre Brenner, Michael Günther

Kapitel 4. Bestpunktoptimierte Verbrennungsmotoren

Ein bestpunktoptimierter Verbrennungsmotor sei definiert als ein Motorkonzept, bei dem durch eine geänderte Prozessführung ein besonders hoher Wirkungsgrad im Bestpunkt erreicht wird. Zudem wird der Bestpunktbereich vergrößert. In dieser Arbeit werden Motorkonzepte untersucht, die das durch die Umsetzung einer verlängerten Expansion erreichen.

Morris Langwiesner

Verkehr und Verkehrswissenschaft

Verkehrspolitische Herausforderungen aus Sicht der Verkehrswissenschaft

Der Verkehrssektor war einer der ersten Gegenstandsbereiche öffentlicher Planung. In den 1960er und 1970er Jahren basierte diese vor allem auf Prognosen der Kfz-Verkehrsbelastungen und passte die Straßennetze der prognostizierten Nachfrage an. In den folgenden Jahrzehnten wurde, vor allem in der kommunalen Verkehrsplanung, der Anspruch formuliert, den Zuwachs des Pkw- und Lkw-Verkehrs zu reduzieren und damit die negativen Folgen des Verkehrs zu senken.Die tatsächliche Verkehrsentwicklung ist aber weiterhin durch eine Zunahme der zurückgelegten Distanzen, teilweise oberhalb des Nutzungsbereichs des Pkw, sowie eine hohe Pkw-Nutzung gekennzeichnet. Der Beitrag befasst sich mit der Frage, wieso formulierte Planungsziele und tatsächliche Verkehrsentwicklung so weit auseinanderliegen.

Christian Holz-Rau

3. Theoretische Grundlagen zu disruptiven Technologien, Prozessreifegradmanagement und dem Produktentwicklungsprozess

In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen zu disruptiven Technologien, Prozessreifegradmanagement und dem Produktentwicklungsprozess geschaffen. Dabei werden Forschungsarbeiten und wissenschaftliche Publikationen zu diesen Themengebieten ausgewertet und wird insbesondere auf die Theorien von Harvard-Professor Christensen zurückgegriffen. Er gilt als Urvater der Forschung zu disruptiven Technologien und hat Bestseller zu diesem Thema verfasst. Die wichtigsten Ergebnisse im Themengebiet disruptive Technologien sind drei wesentliche Merkmale und fünf Prinzipien des Scheiterns etablierter Unternehmen im Umfeld disruptiver Technologien. Disruptive Technologien sind gekennzeichnet durch die Anwendung neuer oder bestehender Wirkungszusammenhänge auf bestehenden oder neuen Märkten. Zunächst können sie nicht vollumfänglich zur Lösung technischer Probleme in Produkten und Prozessen beitragen, besitzen jedoch das Potenzial, Marktverhältnisse zu zerstören. Die fünf Gründe des Scheiterns nach Christensen (2013, S. 13–17) sind: Erstens, Unternehmen hängen von ihren Kunden und ihren Investoren ab. Zweitens, kleine Märkte befriedigen oft nicht die Wachstumsbedürfnisse. Drittens, Märkte, die noch nicht existieren, können nicht analysiert werden. Viertens, die Fähigkeiten einer Organisation erweisen sich zugleich als ihre Unzulänglichkeiten. Fünftens, Technologien entwickeln sich schneller als Kundenbedürfnisse. Das wichtigste Ergebnis im Themengebiet Prozessreifegradmanagement ist, dass Reifegradmodelle Kennzahlen zum Management und Controlling zur Verfügung stellen. Die Bewertung der Eignung klassischer Methoden der Produktentwicklung für disruptive Technologien im Mittelstand zeigt, dass sie sehr bedingt für das Prozessreifegradmanagement geeignet sind. Klassische Methoden wie Empathic Design, Fokusgruppen und Positionierungsmodelle besitzen keine große Bedeutung für das Management und Controlling disruptiver Technologien. Die Eignung der Methoden Conjoint-Analyse, Fokusgruppe und House of Quality wird gering eingeschätzt. Die Beobachtung von Technologien, die Lead-User-Methode, House of Quality und Empathic Design sind nur bedingt für mittelständische Unternehmen geeignet. Der Bedarf an einem Prozessreifegradmodell zum Management und Controlling disruptiver Technologien im Mittelstand wird dadurch begründet.

Angela Janke, Nicolas Burkhardt

Kapitel 8. Umdenken: Kundenerfahrung ersetzt Qualität

Qualität wird vom Produkt, der Dienstleistung aus definiert. Der Kunde ist dabei passiv. Dabei kann nur der Kunde erfahren was Qualität ist. Das Konzept der Kundenerfahrung vertauscht aktiv und passiv. Eine Kundenerfahrung ist auch mehr als nur ein Customer Touchpoint. Jede Interaktion des Kunden wird als Kundenerfahrung gesehen. Nach Möglichkeit im Kontext der konkreten, individuellen Erwartungen, die zeitgebunden und auch von aktuellen Einflüssen abhängig sind. Kundenerfahrungen werden auch von der Confirmation bias bestimmt. Eine Kundenerfahrung besteht immer aus den drei Elementen Nutzbarkeit, Nutzen und Nutzungsfreude. Alle Elemente sind miteinander verbunden. Die Veränderung eines Elementes kann zu einer vollkommen anderen Kundenerfahrung führen. Die Summe aller Kundenerfahrungen ergibt allerdings noch keine Customer Journey. Eine solche Kundenreise ist nur dann von Wert, wenn diese ähnlich einer Kristallkugel einer Wahrsagerin, einen Blick auf die Verhaltensweisen des Kunden in der Zukunft gestattet. Viele Daten sind aber keine objektiven Informationen, sondern subjektiv. Die daraus abgeleiteten Thesen, warum sich der Kunde in der Vergangenheit soundso verhalten hat und wie sich dieser Kunde in Zukunft verhalten wird, können deshalb nur zufällig objektiv und damit wahr sein. Eine weitere große Gefahr, die von dem Konstrukt der Customer Journey ausgeht, ist die Übertragung der Verantwortung für die Kundenorientierung auf Daten, Algorithmen und Bots. Der Mitarbeiter im Kundenkontakt wird auf einen wenig effizienten Customer Touchpoint reduziert, den es durch produktivere, digitale Alternativen zu ersetzen gilt. Kundenorientierung bedeutet nicht Daten zu sammeln. Den Kunden in seiner Welt wahrzunehmen und seine Motive und sein Belohnungssystem zu verstehen ist echte Kundenorientierung.

Christian Gündling

Buchstabe K

Niels Klußmann, Arnim Malik

Buchstabe G

Niels Klußmann, Arnim Malik

Phänomen 39. Der Strom kommt aus der Steckdose, das Benzin aus dem Zapfhahn - wie viel Energie „verbrauchen“ wir eigentlich - und wie viel könnten wir einsparen?

Energieangaben in kJ (Kilo-Joule) und kWh (Kilo-Wattstunden) sind nicht sehr anschaulich, so dass wir häufig keine klare Vorstellung über unseren Energie“ verbrauch” haben. Damit einher geht dann auch das Unwissen darüber, wie viel Energie wir mit bestimmten Maßnahmen (vielleicht sogar problemlos) einsparen könnten.

Heinz Herwig

52. Simulation der Dieselverbrennung

Dieses und die folgenden Kapitel 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. 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 zukünftigen 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

20. Thermodynamische Grundlagen

Bei der Energiewandlung kann man im Sinn einer hierarchischen Ordnung zwischen allgemeiner, thermischer und motorischer Energiewandlung unterscheiden.Unter allgemeiner Energiewandlung wird dabei die Umsetzung von Primär‐ in Sekundärenergie durch einen technischen Prozess in einer Energiewandlungsanlage verstanden (Abb. 20.1).Die thermische Energiewandlung unterliegt den Hauptsätzen der Thermodynamik und kann formal, wie in Abb. 20.2 gezeigt, beschrieben werden.Der Verbrennungsmotor bzw. die Gasturbine sind spezielle Energieumwandlungsanlagen, bei denen im Brennraum bzw. in der Brennkammer die im Brennstoff gebundene chemische Energie zunächst in thermische und diese anschließend durch das Triebwerk in mechanische Energie gewandelt wird. Bei der stationären Gasturbinenanlage wird diese dann durch den nachgeschalteten Generator in elektrische Energie umgewandelt (Abb. 20.3).Verbrennungsmotoren sind Kolbenmaschinen, bei denen man je nach Ausbildung des Brennraums bzw. des Kolbens zwischen Hubkolbenmotoren und Rotationskolbenmotoren mit rotierender Kolbenbewegung unterscheidet. Die Abb. 20.4 zeigt Prinzipskizzen möglicher Bauformen des Hubkolbenmotors, wobei heute praktisch nur noch die Varianten 1, 2 und 4 gebaut werden.Für eine ausführliche Beschreibung anderer Ausführungen des Verbrennungsmotors sei z. B. auf Heywood (1989), van Basshuysen und Schäfer (2006, 2012), Maas (1979) und Zima (1987, 2005) verwiesen.

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

22. Reaktionskinetik

Eine chemische Reaktion zwischen den Edukten A a , A b , usw., die die Produkte A c , A d , usw. bildet, kann in der folgenden Form beschrieben werden22.1$$ \nu _{a}A_{a}+\nu _{b}A_{b}+\ldots \nu _{c}A_{c}+\nu _{d}A_{d}+\ldots $$νaAa+νbAb+…νcAc+νdAd+…Dabei bezeichnen die ν i die sog. stöchiometrischen Koeffizienten der Reaktion. Da jede chemische Reaktion grundsätzlich sowohl vorwärts als auch rückwärts ablaufen kann, kann der Reaktionspfeil in (22.1) durch ein Gleichheitszeichen ersetzt werden. Dadurch erhält man die allgemeine Form der Reaktionsgleichung22.2$$ \sum\limits_{i}{{{\nu }_{i}}{{A}_{i}}=0}, $$∑iνiAi=0,wobei die stöchiometrischen Koeffizienten konventionsgemäß für alle Edukte negativ und für alle Produkte positiv sind.Jede chemische Reaktion strebt immer ihrem Gleichgewichtszustand entgegen, der unter der Voraussetzung erreicht wird, dass ausreichend Zeit zur Verfügung steht. Dieser Gleichgewichtszustand kann als eine Situation interpretiert werden, in der sowohl die Vorwärts‐ als auch die Rückwärtsreaktionen mit identischer Geschwindigkeit ablaufen. Dadurch wird die makroskopisch sichtbare Reaktionsrate Null und die Stoffzusammensetzung ändert sich nicht mehr. Diese Stoffzusammensetzung im Gleichgewichtszustand kann mithilfe der beiden Hauptsätze der Thermodynamik in Abhängigkeit der Randbedingungen Temperatur und Druck bestimmt werden. Dieses Vorgehen wird im Folgenden aufgezeigt.

apl.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gunnar Stiesch, Dr.-Ing. Peter Eckert

51. Simulation des Einspritzstrahls

Dieses Kapitel ist der Simulation von Einspritzprozessen gewidmet. Von theoretischer Seite betrachtet stellt sich die Thematik viel komplexer dar, als es die Existenz leicht handhabbarer Strahlmodule in allen gängigen CFD‐Codes zunächst vermuten ließe. Wenn man aber die meisten der damit erzielten Ergebnisse kritisch betrachtet, wird man sich der ganzen Schwierigkeiten derThematik schnell bewusst. Nach wie vor gilt, dass sich mit den heute für motorische Applikationen verfügbaren Codes sinnvolle Resultate nur mit großem Aufwand erzeugen lassen. Zunächst soll nachfolgend das Standardstrahlmodell entwickelt werden, d. h. die stochastische Modellierung eines Partikelensembles in Lagrange’scher Formulierung auf Basis der im letzten Kapitel dargestellten Modellierung der Eintropfenprozesse. Wie schon erwähnt, bringt dieser Ansatz viele Probleme und Schwierigkeiten mit sich, die im Detail diskutiert werden sollen.Schließlich sollen Modellierungsansätze in Euler’scher Formulierung vorgestellt werden, die hier Abhilfe schaffen könnten.

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

23. Benzinverbrennung

Die klassischen ottomotorischen Brennverfahren zeichnen sich durch folgende Charakteristika aus: Vormischung von Luft und Kraftstoff zu einem sowohl zünd‑ als auch verbrennungsfähigen Gemisch;i. d. R. deutliche zeitliche Trennung von Gemischbildung und Verbrennung;damit meist vollständige Verdampfung des Kraftstoffs bei Zündung bzw. Verbrennungsbeginn;einphasiger Verbrennungsablauf auf der Basis einer den Brennraum durchquerenden Flammfront;starker Einfluss der Turbulenz innerhalb der Flammfront;deflagrativer Charakter, d. h. hohe Temperatur‐Orts‐Gradienten normal zur Flammfrontrichtung (Nieberding 2001).Somit bestimmt erwartungsgemäß die Spezifikation des Brennverfahrens die Anforderungen an das Gemischbildungssystem bzw. ‑verfahren. Zur wesentlichen Klassifizierung gehören die Unterscheidungen nach dem Homogenisierungsgrad des Gemischs, nach dem globalen Luftverhältnis und nach der Positionierung des Gemischbildungsorgans, d. h. Injektors, relativ zum Brennraum. Die kausale Verknüpfung dieser Begriffe ist in Abb. 23.1 dargestellt. Die Charakterisierung der ottomotorischen Brennverfahren durch vorgemischte Flammen steht im Gegensatz zur dieselmotorischen Verbrennung auf der Basis der Diffusionsverbrennung (Kap. 24). Durch ungünstige Randbedingungen (niedrige Motor‑ oder Ansauglufttemperaturen) oder ungeeignete Parametrierung (Einspritzzeitpunkt, Einspritzdruck) kann es zu anteiliger diffusiver Verbrennung beim Ottomotor kommen. Diese erzeugt erwartungsgemäß eine Zunahme der Brenndauer und eine deutliche Erhöhung der Partikelanzahl‑ und ‑massenemission.

Dr.-Ing. habil. Wolfram Gottschalk

53. Simulation der Benzinverbrennung

Bereits der Begriff „homogener Benzinmotor“ ist eine Fiktion. Denn in Realität ist ein homogener Benzinmotor keineswegs vollständig homogen; in welchem Grad die Homogenität der Gemisch‐ und Temperaturverteilung erfüllt ist, ist in erster Linie eine Frage der Gemischbildungsqualität. Allerdings sind Fiktionen das Lebenselixier des Berechners, es geht letztlich immer darum, die eine oder andere Näherung durchzuführen, um sich auf das im konkreten Falle Wesentliche zu konzentrieren. Sogenannte TOEs („theory of everything“) oder Globalmodelle sind Unfug. Im vorliegenden Abschnitt werden wir daher die Annahme eines perfekt homogenen Gemischs treffen. Gerade bei einem Direkteinspritzer darf aber die durch die Direkteinspritzung generierte Ladungsbewegung im Brennraum nicht vernachlässigt werden. Es ist im Falle einer frühen (d. h. homogenen) Direkteinspritzung also sinnvoll, die Direkteinspritzung (und damit ihren Einfluss auf Ladungsbewegung und Turbulenz) zunächst zu berechnen, vor Beginn der Verbrennung das Gemisch aber artifiziell zu homogenisieren (d. h. den Gemischwert lokal auf den globalen Wert zu setzen). Ansonsten läuft man unnötigerweise in Gefahr, simulatorische Gemischbildungsartefakte in die Verbrennungsberechnung zu übertragen.

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

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

35. Schadstoffbildung

Bei der vollständigen Verbrennung eines nur aus C‐ und H‐Atomen bestehenden, sogenannten C x H y ‐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

26. Benzin Einspritzsysteme

Das vorliegende Kapitel fußt auf den Ausführungen im Robert‐Bosch‐Fachbuch Ottomotor‐Management (Robert Bosch GmbH 2005, S. 86–129). Dabei wurden Auszüge entnommen, Überarbeitungen vorgenommen und aktuelle Beiträge ergänzt. Inhaltlich fokussiert der Beitrag auf die Arbeitsweisen der verschiedenen Einspritzsysteme beim Ottomotor, inklusive einer Erläuterung der wichtigsten beteiligten Komponenten, sowie die dazugehörigen Mechanismen der Gemischbildung. Abschließend werden sowohl für die Saugrohreinspritzung (SRE) als auch für die DI zukünftige Entwicklungstrends vorgestellt.Moderne Ottomotoren benötigen zur Einhaltung strenger Abgas‑ und Verbrauchsvorschriften eine bezüglich Menge und zeitlicher Abfolge präzise Zumessung und Aufbereitung des Kraftstoffs. Die Anforderungen an das Gemischbildungssystem leiten sich aus den hoch dynamischen Vorgängen während der Gemischbildung ab. Die elektronische Kraftstoffeinspritzung mithilfe von Magnet‑ und Piezoventilen hat sich gegenüber dem Vergaser mit Ausnahme des Zweirad‑ bzw. Utility‐Segments als das dominierende System durchgesetzt.

Dr.-Ing. Roger Busch

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

9. Auslegung von Viertaktdieselmotoren

Mit den in Abschn. 20.4.2 abgeleiteten Kenngrößen können bei Festlegung weniger Kennwerte die Hauptabmessungen eines Motors abgeschätzt werden. Aus (20.49) folgt für Viertaktmotoren, dass die auf das Hubvolumen bezogene Zylinderleistung proportional zum Mitteldruck und zur Drehzahl ist:$$ P_{\text{e}} \propto n p_{\mathrm{m,e}}V_{\text{H}}. $$Pe∝npm,eVH.Mit (20.58) folgt aus (20.49) für die Zylinderleistung$$ P_{\mathrm{e,z}} \propto {{D}^{2}} \cdot p_{\mathrm{m,e}} \cdot c_{\text{m}} $$Pe,z∝D2⋅pm,e⋅cmund für die auf die Kolbenfläche bezogene Zylinderleistung$$ P_{\mathrm{z,A}}\propto p_{\mathrm{m, e}} \cdot c_{\text{m}}. $$Pz,A∝pm,e⋅cm.Aus dem Hubvolumen erhält man mit dem Hub‐Bohrungs‐Verhältnis für die Bohrung$$ D = \sqrt[3]{\frac{\uppi}{4}\frac{V_{\text{H}}}{\left( \frac{s}{D} \right)}}. $$D=π4VHsD3.Die mittlere Kolbengeschwindigkeit wird im Wesentlichen durch die Tribologie des Systems Kolben‐Kolbenringpaket‐Laufbuchse festgelegt, der effektive Mitteldruck durch das Einspritz‐ und Aufladesystem. Mit der geforderten Leistung pro Zylinder liegt damit praktisch der Kolbendurchmesser fest.Bei der Festlegung eines geeigneten Motorkonzepts wird zunächst immer von einfachen Abschätzungen ausgegangen. Diese werden untermauert durch die Betrachtung von ausgeführten Konstruktionen. Im Entwurfsstadium kommen dann umfangreiche Berechnungen zur Voroptimierung der Motorkonstruktion hinzu. Dies ist notwendig, um die Konstruktion mit den Forderungen des Lastenhefts in Übereinstimmung zu bringen (Köhler und Flierl 2009).

Dipl.-Ing. Gerhard Haußmann

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

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

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

30. Aufladesysteme

Die hohen Anforderungen an Aufladesysteme haben zu einer Vielzahl an Variationen geführt, die zusätzliche Freiheitsgrade durch Kombination von Aufladesystemen erlangen. Im Folgenden wird zunächst auf einzelne Beispiele eingegangen und anschließend ein Ausblick auf weitere Varianten gegeben.

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

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.

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

29. Aufladeverfahren

Die Aufladung von Verbrennungsmotoren wird primär dazu eingesetzt, die Luftmenge zu steigern, die für den Verbrennungsprozess im Motor benötigt wird. Bei bestimmten Vorgaben für das Mengenverhältnis 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

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

43. Verbrennungsmodelle für Ottomotoren

Für die Berechnung von motorischen Verbrennungsvorgängen kommen heute verschiedene Modellkategorien zum Einsatz, die sich z. T. sehr stark in ihrem Detaillierungsgrad, aber auch in ihren Rechenzeiterfordernissen unterscheiden (s. Stiesch 2003). Als phänomenologische Modelle werden dabei üblicherweise die Berechnungsmodelle bezeichnet, die die Verbrennung und Schadstoffbildung in Abhängigkeit übergeordneter physikalischer und chemischer Phänomene wie Strahlausbreitung, Gemischbildung, Zündung, Reaktionskinetik usw. vorausberechnen. Weil hierfür eine räumliche Aufteilung des Brennraums in Zonen verschiedener Temperatur und Zusammensetzung erforderlich ist, werden die Modelle auch als quasidimensionale Modelle bezeichnet. Die phänomenologischen (bzw. quasidimensionalen) Modelle grenzen sich auf der einen Seite von den nulldimensionalen (oder thermodynamischen) Modellen ab, die den Brennraum zu jedem Zeitpunkt vereinfachend als ideal durchmischt annehmen und die auf empirischen Ansätzen für die Brennrate beruhen. Auf der anderen Seite unterscheiden sich die phänomenologischen Verbrennungsmodelle von den CFD‐Codes (CFD = Computational Fluid Dynamics, vgl. Teil IX, Kap. 47–54), indem auf eine explizite Lösung des turbulenten dreidimensionalen Strömungsfeldes bewusst verzichtet wird (siehe Abb. 43.1). Dadurch kann die Rechenzeit erheblich reduziert werden. Für die Berechnung eines Motorarbeitsspieles liegt sie bei phänomenologischen Modellen im Bereich von Sekunden, bei CFD‐Codes dagegen im Bereich von Stunden (siehe Abb. 43.2). Phänomenologische Modelle werden deshalb insbesondere in Arbeitsprozessberechnungen zur Auslegung des Gesamtmotors eingesetzt, CFD‐Berechnungen dagegen für die Berechnung spezieller Fragestellungen, wie beispielsweise die Auslegung der Einlasskanal‐ und Arbeitsraumgeometrie oder der detaillierten Schadstoffbildung.

apl.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gunnar Stiesch, Dr.-Ing. Peter Eckert, Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Friedrich Dinkelacker, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski

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

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

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

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.

Dr.-Ing. habil. Wolfram Gottschalk

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 der Zwei‐ und Viertaktmotoren zur Diskussion gestellt werden. Alternativ zu den fast ausschließlich mit innerer Verbrennung ausgeführten VKM wären Wärmekraftmaschinen mit äußerer Verbrennung zumindest in einzelnen Punkten vorteilhaft, weshalb es – insbesondere bei Sonderanwendungen – nicht an derartigen Konzeptvorschlägen mangelt.

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

47. Strömungsmechanische Grundlagen

Eine immer wesentlichere Rolle bei der Simulation motorischer Vorgänge spielt die 3‐D‐strömungsmechanische oder CFD‐Simulation (CFD: Computational Fluid Dynamics), da sie prinzipiell die detaillierteste physikalisch‐chemische Beschreibung der relevanten Prozesse ermöglicht. Sie ist aus der modernen Motorenentwicklung nicht mehr wegzudenken und unter dem Aspekt stetig wachsender Rechnerkapazitäten und ‐leistungen wird ihre Bedeutung auch weiterhin anwachsen. Mit CFD werden heute die verschiedensten Fragestellungen untersucht, vom Gaswechsel bis hin zur Kühlmittelströmung. Im Rahmen des vorliegenden Buches werden wir uns auf die Themenkomplexe Gaswechsel, Gemischbildung, Verbrennung und Aufladung beschränken.CFD steht naturgemäß in Konkurrenz zu den null‐ und eindimensionalen sowie phänomenologischen Modellen, die bisher diskutiert wurden. Aufgrund des sehr viel höheren Aufwandes, der zur erfolgreichen Durchführung und Auswertung einer CFD‐Rechnung erforderlich ist, sollte im Zweifel gelten: Den (relativ) weniger aufwendigen 0‐D‐ und 1‐D‐Berechnungsansätzen gebührt der Vorrang. Erst wenn eine klar definierte, konkrete Fragestellung herausdestilliert ist, bei der man mit gutem Grund (bzw. zumindest mit einiger Hoffnung) davon ausgehen kann, dass sie mit CFD beantwortet werden kann (aber nicht ohne!), ist die Durchführung einer CFD‐Rechnung wirklich sinnvoll. Im geeigneten Fall kann natürlich gerade auch die Kombination von 0/1‐D‐ und 3‐D‐Simulation eine empfehlenswerte Lösung sein.

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

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

48. Numerik und zukünftige Entwicklungen

Im Folgenden seien einige Grundbegriffe der numerischen Strömungsmechanik erläutert, um deren wesentlichste Konzepte, die auch für das praktische Arbeiten von Bedeutung sind, kennenzulernen. Für eine detaillierte Darstellung sei z. B. auf Ferziger und Perić (1996) oder Patankar (1980) verwiesen.

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

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

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.

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

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

Kapitel 6. Stationärer stöchiometrischer Betrieb beim Dieselmotor

Die Untersuchungen des stöchiometrischen Brennverfahrens in Verbindung mit einem Drei-Wege-Katalysator sind in drei Teile gegliedert. Der erste Teil beschäftigt sich mit der Analyse des Brennverfahrens in stationären Betriebspunkten. Ein entscheidender Gesichtspunkt dabei ist der Einfluss des Luftverhältnisses auf die Konvertierungsrate der verwendeten Katalysatoren und auf den Wirkungsgrad.

Christoph Kröger

Kapitel 1. Einleitung

„Die Vergangenheit hat gezeigt, dass niemand die automobile Zukunft bzw. den Antrieb der Zukunft exakt vorherzusagen weiß. Der Verbrennungsmotor stand früher schon im Wettbewerb zu anderen Technologien, hat sich aber immer durchgesetzt. Bezahlbare Motorentechnologie, erschwinglicher Kraftstoff, eine hohe Reichweite und schnelle Wiederbetankung waren dafür sicherlich die Hauptursachen.“

Christoph Kröger
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