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Gemischbildung + Verbrennung

weitere Buchkapitel

Der Wasserstoffmotor im Nfz: Brückentechnologie oder langfristige Lösung?

Die Europäische Union schreibt ein verpflichtendes CO2-Reduktionsziel von 30 % am schweren Nutzfahrzeug im Jahr 2030 vor. Auf Basis der Gesetzgebung sind die technischen Wege zur Zielerreichung nicht zwingend vorgeschrieben. Daher werden sich diese, aufgrund von infrastrukturellen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen, aus einer Kombination von Maßnahmen zusammensetzen. Zum einen aus Verbrauchsreduktionen am derzeit dominierenden dieselmotorischen Antrieb, zum anderen aus einer gewissen Durchdringungsrate von alternativen Energiequellen. Diese werden die direkte Nutzung von Elektrizität und Wasserstoff als Energieträger beinhalten. Neben der Möglichkeit, Wasserstoff in einer Brennstoffzelle zu verwenden, bietet ein Wasserstoff-Verbrennungsmotor Vorteile im Hinblick auf den Erhalt der Wertschöpfung sowie Sicherung der Investitionen aus Produktion von Antriebsstrang und Fahrzeug. Das ermöglicht eine schnelle CO2-Reduktion durch rasche Markteinführung in großen Stückzahlen. Damit kann der Wasserstoffmotor zumindest als Brückentechnologie den Weg für die erforderliche Wasserstoffinfrastruktur ebnen und ein Beschleuniger für den CO2-neutralen Transport sein.

Anton Arnberger, Helmut Eichlseder, Peter Grabner, Bernhard Raser
20. Hochleistungsmotoren 1933 bis 1950

Die technische Philosophie des Maybach-Motorenbaus, nämlich denselben Grundmotor in entsprechenden Versionen für Pkw wie für Nkw zu verwenden, führte fast zwangsläufig zu starken und kompakten Motoren. Denn anders hätten sich die unterschiedlichen Anforderungen dieser beiden Fahrzeugarten nicht erfüllen lassen. Der DS 8, Antrieb eines der exklusivsten und teuersten Pkw, lief gleichermaßen zufriedenstellend als DSO 8 im Omnibus, Kommunalfahrzeug oder Lastkraftwagen, und als DSO 8 spez. trieb er sogar Halbketten-Zugmaschinen (KMZ 100) an!Dadurch wurde das Interesse der Militärs, genauer gesagt des Heereswaffenamtes, an den Maybach-Motoren geweckt. Für die von den Nationalsozialisten nach ihrer Machtübernahme forcierte Rüstung wurden geeignete Antriebe für die neu zu schaffende Panzerwaffe gebraucht.

Stefan Zima
18. Personenwagen- und Nutzfahrzeug-Motoren 1920 bis 1939

Das Ende des Ersten Weltkrieges bedeutete auch das Ende für die Maybachschen Flugmotoren, weil die Waffenstillstandsbedingungen und später der Versailler Vertrag (1919) die Entwicklung und den Bau von Flugzeugen und Flugmotoren untersagten. Vorhandene Motoren mussten an die Siegermächte abgeliefert oder zerstört werden (Abb. 18.1 und 18.2), ebenso die Propellerprüfstände. Schwerer noch traf den Maybach-Motorenbau die Anordnung, dass auch sieben Wasserwirbelbremsen zu zerstören seien. Die Ausführung dieser Anweisungen wurden von Kontrollkommissionen der Entente argwöhnisch überwacht. Der Maybach-Motorenbau GmbH, wie die Firma seit 1918 hieß, war die Existenzgrundlage genommen!

Stefan Zima
6. Antriebe

In den über 100 Jahren des Gebrauchs von Kraftfahrzeugen hat sich der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler und einer Anfahr-/Schaltkupplung als bevorzugtes Antriebskonzept durchgesetzt und behauptet. Im Spannungsfeld zwischen immer strikteren Emissionsgrenzwerten und steigenden Anforderungen bezüglich des Treibhausgasausstoßes findet aktuell allerdings wieder eine Diversifizierung des Antriebsstranges statt. Moderne Hubkolbenmotor-Technik für Otto- und Dieselmotoren prägen neben der Elektromobilität, den Hybridfahrzeugen und den Brennstoffzellenvarianten die absehbare Zukunft. Verbrennungsmotoren bilden für viele Fahrzeugmodelle noch längerfristig die Basis der Antriebsenergie, beinhalten sie doch noch immer, auch mittels alternativer Kraftstoffe, deutliche Entwicklungspotenziale. Abgasnachbehandlung, Aufladung und Optimierung der Nebenaggregate sind weitere wichtige Themen. Die Getriebevarianten werden immer zahlreicher, wie die Beispiele Doppelkupplungsgetriebe oder Allradantriebskonzepte zeigen. Für den Übergang in die fernere Zukunft zeichnet sich ein Wettkampf zwischen Elektroantrieben mit Energiespeichern und der Brennstoffzellentechnologie ab.

Dr.-Ing. Henning Baumgarten, Dr.-Ing. Marius Böhmer, Dipl.-Ing. Michael Hinz, Dr.-Ing. Martin Nijs, Prof. Dr.-Ing. Stefan Pischinger, Dipl.-Ing. Mike Souren, Dr. Matthias Thewes, Bernd Lindemann, Thomas Flecke, Axel König, Dr. Joschka Schaub, Dr. Markus Schönen, Dr.-Ing. Dominik Lückmann, Dr. Dennis Bönnen, Dipl.-Ing. Emmanuel Jean, Markus Huber, Dr. Klaas Kunze, Prof. Jakob Andert, Dr. Andreas Krings, René Scheer, Konstantin Etzold, Marc Klawitter, Dr. Michael Stapelbroek, Dr. rer.-nat. Jörg Kaiser, M.Sc. Mehdi Hosseininasab, M. Sc. Alexander Sauer, Prof. Rick W. De Doncker, Jochen Henn, Dipl.-Ing. (FH) Peter Antony, Christoph Schildhauer, Dr. Andreas Haag, Dr. Christian H. Mohrdieck, Dr.-Ing. (FH) Uwe Sontheimer, Dr.-Ing. Gerhard Gumpoltsberger, Dr. Jürgen Greiner, Dr. sc. techn. Alexander Bartha, Peter Frey, Dr.-Ing. Robert Plank, Berthold Krautkrämer, Reinhart Malik, Dr. Peter Solfrank, Ing. Hermann Pecnik, Dipl.-Ing. Heribert Lanzer, Georg Eichner, Gerhard Kurz, Dr.-Ing. Bastian Lehrheuer, Benedikt Heuser, Prof. Dr. Helmut Eichlseder
12. Produktentstehungsprozess

In ihrem Vorwort charakterisieren die Herausgeber die Produktentstehung sehr treffend als einen hochkomplexen Prozess, dessen Gestaltung und Optimierung immer größere Bedeutung gewinnt. Letztendlich muss dieser Prozess termingerecht zu einem Fahrzeug führen, das für die Zielkunden so attraktiv ist, dass sie es zu einem Preis erwerben wollen, der mit den Renditevorstellungen des Automobilunternehmens im Einklang steht und damit dessen Wettbewerbsfähigkeit sichert.Die hohe Komplexität des Produktentstehungsprozesses beruht auf den vielfältigen Anforderungen an die Produktgestaltung, insbesondere wenn es sich um ein Fahrzeug für den globalen Einsatz handelt. An diesem Prozess sind zahlreiche kreative Mitarbeiter beteiligt, sowohl innerhalb der Organisation des Automobilherstellers als auch im Lieferantenumfeld und bei diversen Dienstleistern, die zur Abdeckung von Kapazitätsspitzen heute bei jedem Automobilhersteller eine wichtige Rolle spielen.In der Summe können es über 1000 Beteiligte sein, die interdisziplinär und lokal variabel in einem Simultaneous-Engineering-Prozess miteinander vernetzt werden müssen.

Dr.-Ing. Ulrich Widmann, Jürgen Weissinger, Prof. Dr.-Ing. Thomas Breitling, Dr.-Ing. Ulrich Hackenberg, Prof. Dr.-Ing. Kai Wundram, Prof. Dr.-Ing. Stefan Goß
Kapitel 4. Versuchsergebnisse

Mithilfe der in 3.2 vorgestellten Komponentenprüfstände können die Einspritzparameter für Wasser und Kraftstoff verglichen werden. Wie in 2.1 beschrieben, sind die Spraygeschwindigkeit, die Ohnesorge-Zahl, der Spraywinkel, die Eindringtiefe und die Tropfengröße die Parameter, die für den Strahlaufbruch und letztlich die Gemischbildung von besonderer Bedeutung sind. Die Besonderheiten von Emulsionen bezüglich des Strahlaufbruchs werden beispielsweise von Steinhilber [114, S. 14 ff.; 88; 117] beschrieben.

Maike Sophie Gern
Kapitel 7. Verbrennung

Die Wärmezufuhr in Brennräume von Wärmekraftmaschinen für stationäre oder mobile Anwendungen und in Feuerungsanlagen allgemein erfolgt als Umwandlung der chemischen Energie eines zugeführten Brennstoffs in Wärme infolge einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff aus der angesaugten Luft. Bild 7.1 zeigt beispielhaft einen solchen Vorgang – als Zustandsänderung BC – innerhalb eines idealen Ottokreisprozesses in einem Kolbenmotor. Die Änderung der spezifischen Kreisprozessarbeit wK entsprechend der angeforderten Last erfolgt bei Verbrennungsmotoren grundsätzlich durch die Variation der zugeführten Brennstoffmenge und somit der zugeführten Wärme (Zustandsänderung BC` statt BC).

Cornel Stan
Kapitel 10. Grundlagen und Beispiele der Prozesssimulation

Die Gestaltung, Optimierung und Anpassung thermodynamischer Prozesse in technischen Systemen, so zum Beispiel im Kraftfahrzeug, für alle gegebenen Fahrzustände und Umgebungsbedingungen betreffen insbesondere die folgenden Funktionsmodule (Bild 10.1).

Cornel Stan
4. Berechnung und Auslegung von Bauteilen

Gegenstand der Erörterung sind die mechanischen Kernkomponenten des Hubkolbenmotors. Auf Funktion, Anforderungen, Beanspruchung und daraus resultierender konstruktiver Gestaltung der Motorkomponenten wird jeweils ausführlich eingegangen. Die Bauteilberechnung beruht einerseits auf analytischen Ansätzen für die überschlägige Auslegung, andererseits auf in ihren Grundzügen vorgestellten modernen Berechnungsmethoden.Das Pleuel, Bindeglied im Hubkolbentriebwerk, überträgt die auf den translatorisch bewegten Kolben wirkende Gaskraft und die oszillierende Massenkraft auf einen rotierenden Hubzapfen der Kurbelwelle.Der Kolben ist die zentrale Komponente des Hubkolbenmotors. Die Ausführungen konzentrieren sich auf Tauchkolben. Der Kolben begrenzt den mit der Hubbewegung veränderlichen Zylinderraum und dichtet diesen im Zusammenwirken mit den Kolbenringen gegen den Kurbelraum ab. Mit der Form des Kolbenbodens nimmt er Einfluss auf die Gestalt des Brennraums. Der Kolben wird dabei thermisch durch heiße Verbrennungsgase und mechanisch durch Gas-, Massen- und Seitenkraft stark beansprucht. Bei Dieselmotoren werden Aluminium-Kolbenlegierungen aufgrund grenzwertiger Temperatur des Muldenrands der Brennraummulde im Kolbenboden „top down“ zunehmend durch Stahl substituiert.Die Kolbenringe werden nach Funktionsgesichtspunkten ausgewählt und im Motorversuch erprobt. Kriterien sind die Minimierung von Ölverbrauch, Gasdurchlass („Blow-by“) und Reibungsverlusten. Erstere reagieren sehr sensibel auch auf kleine konstruktive und technologisch bedingte Merkmale der Kolbenringe und der Kolbenringnuten. Die Berechnung dieser primär funktionsrelevanten Größen gelingt allerdings aufgrund hoher Komplexität des Systems quantitativ noch nicht voll befriedigend.Die Anforderungen an die Kurbelwelle ergeben sich aus ihrer zentralen Funktion, der Umsetzung der translatorischen Hubbewegung in eine Drehbewegung. Dies setzt eine „gekröpfte“ Bauweise voraus. Auf die Kurbel einer Kröpfung wirkt senkrecht die Tangentialkraft, eine Richtungskomponente der Pleuelstangenkraft. Erstere erzeugt mit dem Radius der Kurbel das anteilige Drehmoment. Die Kurbelwelle unterliegt im Betrieb einer vielfältigen dynamischen Beanspruchung. Dies erfordert unter Festigkeitsgesichtspunkten spezielle Maßnahmen im Zapfen-Wangen-Übergang. Die Kurbelwelle trägt auch die Gegengewichte für den Massenausgleich 1. Ordnung.Der Motorblock, in der Fachsprache das Zylinderkurbelgehäuse, ist die zentrale Motorgehäuseeinheit. Im Pkw-Bereich und für spezielle Anwendungen kann Grauguss durch geeignete Aluminium-, noch selten Magnesiumlegierungen, substituiert werden. Neben monolithischer Gehäusebauweise kommen Zylinderlaufbuchsen unterschiedlicher Werkstoffe und Ausführung sowie spezielle Zylinderlaufflächentechnologien zur Anwendung. Die Zylinder werden vom Verbrennungsdruck beaufschlagt. In der Lagergasse des Zylinderkurbelgehäuses ist die Kurbelwelle gelagert, wobei sich die Kurbeltriebkräfte in den Kurbelwellenhauptlagern abstützen. Dies erfordert zylinderkopf- und hauptlagerseitig funktionssichere Verschraubungen. Auch die Schmierölverteilung im Rahmen der Druckumlaufschmierung, der drucklose Ölrücklauf und die optional interne Gehäuseentlüftung sind in dieses komplexe Bauteil integriert.Der Zylinderkopf, zweiter wesentlicher Bestanteil des Motorgehäuses, ist in konstruktivgestalterischer Hinsicht sehr anspruchsvoll. Er beinhaltet die zunehmend komplexen Steuerorgane des Ladungswechsels. Auch über die Gestaltung der Ladungswechselkanäle und seine an das Brennverfahren angepasste Brennraumform nimmt er Einfluss auf die Güte der Verbrennung.Die Zylinderkopf-Dichtungstechnik hat sich durch Einführung der Mehrlagen-Stahl-Dichtung enorm weiterentwickelt. Ihr kommt im Hinblick auf eine sichere und dauerhafte Motorfunktion bei unterschiedlichen, mitunter ungünstigen Betriebsbedingungen größte Bedeutung zu. Sie hat primär die Aufgaben, die Brennräume, den Kühlmittel- und den Schmierölbereich sicher abzudichten.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl
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
21. Brennstoffe

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

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

Die Bestimmung der Abgaszusammensetzung sowie der Gesamtmassen an emittierten Schadstoffen und Klimagasen wird ein immer wichtigerer und aufwendigerer Teil der Motoren‑ und Fahrzeugentwicklung. Die Motivation, Abgas zu messen, kann man in drei Hauptbereiche unterteilen: 1. Gesetzliche Vorgaben erfüllen: Da die Gesamtzahl des weltweiten Fahrzeugbestandes und andere Anwendungen von Verbrennungsmotoren seit Jahrzehnten stetig steigen – es ist auch nicht zu erwarten, dass sich das in den nächsten Jahrzehnten ändern wird –, gibt es gesetzliche Vorgaben über die maximal erlaubten Emissionen. Fahrzeuge und Motoren dürfen nur verkauft werden (Typfreigabe), wenn nachgewiesen ist, dass sie diese Vorgaben erfüllen. Dazu werden in definierten Prüfzyklen die gesamt emittierten Massen der einzelnen Schadstoffkomponenten bestimmt und entweder auf die Fahrstrecke (g/km) oder die geleistete Arbeit (g/kWh) bezogen. 2. Motorenentwicklung: Die Zusammensetzung der Abgase gibt einen Einblick in die Betriebszustände des Motors (Gemischbildung, Verbrennung, Luft‐Kraftstoff‐Verhältnis usw.) sowie über die Funktion eines Abgasnachbehandlungssystems. Dafür werden vor allem die emittierten Abgaskonzentrationen gemessen und zusammen mit den gemessenen Einsaugluft‑ und Kraftstoffmassen bewertet (Mengenbilanzen).

Univ. Prof. Dr. Alexander Bergmann, Kurt Engeljehringer, Dr.-Ing. Rüdiger Teichmann
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
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
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
37. Emissionsmesstechnik

Die Bestimmung der Abgaszusammensetzung sowie der Gesamtmassen an emittierten Schadstoffen und Klimagasen wird ein immer wichtigerer und aufwendigerer Teil der Motoren‑ und Fahrzeugentwicklung. Die Motivation, Abgas zu messen, kann man in drei Hauptbereiche unterteilen: 1.Gesetzliche Vorgaben erfüllen: Da die Gesamtzahl des weltweiten Fahrzeugbestandes und andere Anwendungen von Verbrennungsmotoren seit Jahrzehnten stetig steigen – es ist auch nicht zu erwarten, dass sich das in den nächsten Jahrzehnten ändern wird –, gibt es gesetzliche Vorgaben über die maximal erlaubten Emissionen. Fahrzeuge und Motoren dürfen nur verkauft werden (Typfreigabe), wenn nachgewiesen ist, dass sie diese Vorgaben erfüllen. Dazu werden in definierten Prüfzyklen die gesamt emittierten Massen der einzelnen Schadstoffkomponenten bestimmt und entweder auf die Fahrstrecke (g/km) oder die geleistete Arbeit (g/kWh) bezogen.2.Motorenentwicklung: Die Zusammensetzung der Abgase gibt einen Einblick in die Betriebszustände des Motors (Gemischbildung, Verbrennung, Luft‐Kraftstoff‐Verhältnis usw.) sowie über die Funktion eines Abgasnachbehandlungssystems. Dafür werden vor allem die emittierten Abgaskonzentrationen gemessen und zusammen mit den gemessenen Einsaugluft‑ und Kraftstoffmassen bewertet (Mengenbilanzen).

Dr. Alexander Bergmann, Kurt Engeljehringer, Dr.-Ing. Rüdiger Teichmann
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
21. Brennstoffe

Als konventionelle Brennstoffe können fossile Diesel‐ und Ottobrennstoffe bezeichnet werden, die bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts durch Raffinationsprozesse aus Erdöl hergestellt werden. Da die Erdölgewinnung und ‐verarbeitung zumeist lokal auf den jeweiligen Kontinenten stattfindet, weisen die so gewonnen und raffinierten Brennstoffe z. T. unterschiedliche Zusammensetzungen und Eigenschaften auf.Da die Zusammensetzung der aus Erdöl gewonnenen Brennstoffe je nach Herkunftsland variieren kann, müssen die wichtigsten Parameter eingeschränkt werden, um eine gleichbleibende Qualität und Zusammensetzung zu erwirken und einen sicheren Motorbetrieb zu gewährleisten. Die Grenzwerte für die wichtigsten Stoffeigenschaften sowie Limitierungen von Inhaltsstoffen (z. B. Schwefel und Mangan) von motorischen Brennstoffen werden in nationalen und internationalen Normen festgehalten (DIN, EN, ISO etc.) und stetig überarbeitet und so an wechselnde gesetzliche Randbedingungen angepasst. Die Tab. 21.1 stellt auszugsweise den Inhalt der Normen dar, die im europäischen Raum Anwendung finden.

Dr.-Ing. Peter Eckert, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.-techn. Helmut Eichlseder, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Helmut Tschöke
Einsatz von Simulationstools zur zielgerichteten, effizienten Entwicklung von Motorkomponenten und -funktionen

Versuche und Testprozeduren, von der Gesamtfahrzeugerprobung über Analysen auf Antriebstrang-, Motor- und Komponentenprüfständen bis hin zu Experimenten auf physikalischer Ebene, bilden seit jeher die Basis erfolgreicher Triebstrangentwicklung. Parallel haben sich rechnergestützte Simulationsmethoden als zeit- und kosteneffiziente Werkzeuge etabliert. In der APL Group werden beide Verfahren nicht nur eigenständig eingesetzt, sondern zusätzlich Prozessketten entwickelt, die hochmoderne Messtechnik und Simulationstools verknüpfen, um bisher verborgene Potentiale zu erschließen.

Christian Lensch-Franzen, Morten Kronstedt, Michael Wittemann, Jens Hadler
Virtuelle Motorentwicklung als Erfolgsfaktor in der F.I.A. Rallye-Weltmeisterschaft (WRC)

Im Bemühen um stetige Leistungssteigerung sowie der Optimierung von Wirkungsgrad und Ansprechverhalten, unterliegt der Motorentwicklungsprozess im Rennsport erheblichem Zeit- und Kostendruck. Gezielt eingesetzte 3D-CFD-Simulationen können diesen Entwicklungsprozess maßgeblich unterstützen, indem das Verständnis für innermotorische Vorgänge (Kraftstoffeinspritzung und -vermischung, Verbrennung, Wandwärmeübergang, usw.) sowie deren Beeinflussung durch Motor-Geometrien und Steuerungsstrategien verbessert wird. Die Volkswagen Motorsport GmbH wurde in den vergangenen Jahren bei der Antriebsstrangentwicklung durch umfangreiche virtuelle Untersuchungen vielfältiger Motorkonzepte am Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS) unterstützt. Zusätzliche experimentelle Analysen an einem Einzylinder-Forschungsmotor wurden am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (LVK) der Technischen Universität München (TUM) durchgeführt. Die gemeinsame Entwicklungsarbeit für die World Rally Championship (WRC) Rennsportserie sowie die zunehmend autonome Verwendung prädiktiver 3D-CFD-Simulationen werden innerhalb des vorliegenden Beitrags beschrieben und anhand konkreter Beispiele praxisnah erläutert.

Marlene Wentsch, Marco Chiodi, Michael Bargende, Christian Pötsch, Donatus Wichelhaus
5. Gemischbildung und Verbrennung bei Otto- und bei Dieselmotoren

Ottomotoren verwenden als Kraftstoff Benzin. Dieses entzündet sich nicht alleine, sondern benötigt eine Zündkerze (Fremdzündung). Zuvor werden Luft und Kraftstoff möglichst gleichmäßig (homogen) gemischt, indem das Benzin vor dem Zylinder in das Saugrohr oder direkt in den Zylinder eingespritzt wird.Dieselmotoren verwenden als Kraftstoff Diesel. Dieser entzündet sich von alleine (Selbstzündung). Deswegen darf er erst dann in den Zylinder eingespritzt werden, wenn die Verbrennung stattfinden soll.Die dieselmotorische Selbstzündung ist effizienter als die Fremdzündung. Allerdings sind die Abgase der homogenen Benzinverbrennung sauberer als die beim Dieselmotor. Deswegen entscheidet man in Abhängigkeit vom Einsatzgebiet, ob ein Ottomotor oder ein Dieselmotor geeigneter ist.

Prof. Dr. Klaus Schreiner
Kapitel 2. Direkteinspritzung, Gemischbildung und Verbrennung im Dieselverfahren

Kolbenmotoren nutzen den Sauerstoff aus der in den Brennraum eingeleiteten Luft, um die chemische Energie des ebenfalls zugeführten Kraftstoffs in Wärme umzusetzen, die anschließend, auf Grund der damit verbundenen Druckerhöhung, mittels Kolben in Arbeit umgewandelt wird. Dafür müssen mehrere Prozesse stattfinden. Der Verbrennungsprozess im Brennraum eines Dieselmotors und einige damit verbundene Vorgängen sind in diesem Kapitel kurz beschrieben.

Nicolae Vlad Burnete
Methode zur Optimierung von HiL-Modellen mittels einer Offline-Umgebung

Für die Analyse von Steuergeräten vor dem Serieneinsatz werden Hardware in the Loop (HiL)- Simulatoren eingesetzt, die eine Vielzahl von Funktionen modellbasiert überprüfen und mögliche Applikationsfehler frühzeitig detektieren können.Bei der AUDI AG wurde für eine thermodynamische, strömungsmechanische und verbrennungstechnische Vorgabe von Größen an das Steuergerät ein Ansatz gewählt, das auf einer standardisierten Anbindung von 1D-Motormodellen am HiL-Simulator in der Simulationsumgebung GT-POWER basiert.In der frühen Modellbildungsphase für einen HiL-Einsatz, muss ein Modell auf Grund der hohen Geschwindigkeitsprämisse vereinfacht und neu abgestimmt werden. Dieser Prozess wird unter Umständen in einer Schleife so oft wiederholt, bis dass das Modell den Anforderungen bzgl. einer ausreichend hohen Rechengeschwindigkeit und Genauigkeit genügt. Weiterhin weist das Modell zahlreiche Stellgrößen auf, deren Kennlinien gleichsam bei jeder Modelländerung neu abgestimmt werden müssen. Durch die immer wiederkehrende Modellanpasungen, stellt sich eine online-Modellanbindung am Steuergerät über den HiL-Simulator als sehr zeitintensiv und vor allem fehleranfällig heraus.In der vorliegenden Arbeit wird die Methode des virtuellen HiL-Prüfstandes als offline- Umgebung vorgestellt, welche vergleichbar ist mit einer Software in the Loop (Sil)-Vorgehensweise. Dabei wird modellseitig das System in seiner originalen Konstellation der Kopplung herausgeschnitten. Das Steuergerät wird ersetzt durch ein Stationärkennfeld für eine stationäre Modellabstimmung oder durch dynamische Messungen für eine transiente Modellabstimmung. Stellersignale, sowie Antwortsignale werden dabei dem Modell von aussen aufgeprägt. Auf dieser Basis können am Motormodell zu jedem beliebigen Betriebspunkt Ausgangsgrößen auf Ist- und Soll-Werte einander direkt gegenübergestellt und überprüft werden. Damit können Modelle modifiziert und immer wieder abgestimmt und damit HiL-tauglich gemacht werden, bevor diese produktiv am HiL zum Einsatz kommen. Die offline-Anbindung erlaubt dadurch auch nichtechtzeitfähigen Modellen den Einsatz, ohne dass es zu Fehlern oder einem Absturz führt, sowie es bei einer online-Anbindung der Fall wäre. Dadurch können Modelle schon während ihrer Aufbauphase gezielt in Richtung einer HiL-Einsetzbarkeit gelenkt werden.

Aras Mirfendreski, Dr. Andreas Schmid, Dr. Michael Grill, Prof. Dr. Michael Bargende, Dr. Sebastian Grams
Chapter 3. Modellierung des Motorprozesses

Als Indizierung wird die kurbelwinkelaufgelöste Erfassung und Darstellung unterschiedlicher Messgrößen wie die des Zylinder-, Saugrohr- und Abgaskrümmerdruckverlaufes, als auch des Spannungs- und Stromverlaufes des Einspritzsystems bezeichnet [18]. Sie ist eines der wichtigsten Werkzeuge in der Brennverfahrensentwicklung und Grundlage für die Analyse und Berechnung innermotorischer Vorgänge.

Nikolaus Held
Chapter 5. Detaillierung der Randbedingungen

Wie in Abschnitt 4.2.3 beschrieben, kommen bisher bei der Daimler AG meist Sektornetze mit flachem Zylinderkopf, d. h. ohne die Ventiltaschen und -rückstände, zum Einsatz (siehe Abbildung 4.14). Zusätzlich werden für einige Fragestellungen getrimmte Hexaedervollnetze mit den Details des Zylinderkopfes mit Hilfe von es-ice [13] erstellt (siehe Abbildung 5.1).

Katja Nording
Chapter 7. Zusammenfassung

Gegenstand dieser Arbeit ist die Entwicklung einer durchgängigen Prozesskette zur Simulation der dieselmotorischen Verbrennung. Diese Prozesskette ermöglicht die Bewertung von Brennraumkonzepten bei einem hohen Detaillierungsgrad bei der Abbildung der Einzelprozesse und gleichzeitig wirtschaftlichem Rechenaufwand.

Katja Nording
Chapter 6. Ergebnisse der Analyse der dieselmotorischen Wirkmechanismen

Die Drallvariation mit zwei unterschiedlichen Einlasskanalkonzepten aus der Arbeit von Fritzsche [24] zeigt, wie das Einlasskanalkonzept die Drallströmung im Brennraum beeinflusst und damit auf die Gemischbildung und Verbrennung sowie die Höhe der Rußemission wirkt.

Katja Nording
Chapter 8. Ausblick

Die in dieser Arbeit vorgestellte Simulationsprozesskette zur Analyse der dieselmotorischen Einspritzung, Verbrennung und Emissionsentstehung wurde bereits in der Vorentwicklung der Daimler AG als Standardprozess definiert. Ein zukünftiges Anwendungsgebiet der Simulationsprozesskette ist beispielsweise die Analyse kurzer Mehrfacheinspritzungen für die Eintwicklung neuer Einspritzsysteme, wie zum Beispiel der sogenannten „DRS“-Einspritzsysteme, die eine Reduktion von Verbrauch und Emission ermöglichen [26].

Katja Nording
Chapter 2. Phänomenologie der dieselmotorischen Verbrennung

Für die Auswahl einer für die dieselmotorische Verbrennung geeigneten Kombination aus Einspritzdüse und Brennraumgeometrie kommen neben Messungen 3D-CFD-Simulationen zum Einsatz. Hierbei ist es wichtig, die für Strahlausbreitung und Gemischbildung ausschlaggebenden Düseninnenströmungseffekte zu kennen und durch geeignete Modelle abzubilden.

Katja Nording
Chapter 1. Einleitung

Dieselmotoren werden aufgrund ihrer hohen Verbrauchseffizienz unter anderem für Nutzfahrzeuge und PKW eingesetzt. Im Vergleich zu Ottomotoren sind sie jedoch kritischer bezüglich der Ruß- und NOx-Emissionen. Die Gesetzgebung fordert von den Automobilherstellern, diese Emissionen stetig zu reduzieren.

Katja Nording
Chapter 4. Analyse der Datenbasis

Als experimentelle Datenbasis zur Validierung der Einspritzstrahlmodelle dienen die Messungen aus der Arbeit von Blessing [5]. Zur Analyse des Eindringverhaltens des Einspritzstrahls wurde der Strahl der in Abbildung 4.1 dargestellten 6-Loch-Düse der BR500 in einer optischen Kammer aufgenommen.

Katja Nording
Chapter 3. Stand der Technik der dieselmotorischen Verbrennungssimulation

Allgemeine Strömungen von newtonschen Fluiden werden durch die Impulserhaltungsgleichungen, die sogenannten „Navier-Stokes“-Gleichungen, und die Massenerhaltungs- oder Kontinuitätsgleichung beschrieben.

Katja Nording
Untersuchungen zum Einfluss von Ethanolzumischung auf die Rußbildung bei der Benzindirekteinspritzung

Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung der Gemischbildung, Entflammung und Verbrennung bei der Benzindirekteinspritzung mit Ethanol-Benzingemischen in einer Einspritzkammer und in einem optisch zugänglichen Motor. Die Einspritzkammer wurde für die Verbrennungsexperimente mit einer Zündkerze ausgestattet, so dass die Sprayverbrennung unter „späten Einspritzbedingungen im Kompressionstakt“ nachgebildet werden kann. Spray- und Verbrennungsvorgänge wurden mit verschiedenen bildgebenden Hochgeschwindigkeits-Messtechniken untersucht. Zusätzlich wurden die bildgebende laserinduzierte Inkandeszenz (LII) als auch die Laser-Extinktionsmesstechnik zur Bestimmung der Partikelkonzentration eingesetzt. Obwohl die Zumischung von Ethanol meist zu einer reduzierten Partikelemission führt, wurden auch Betriebsmodi mit erhöhtem Partikelausstoß identifiziert. Dabei zeigen vor allem Gemische mit geringem Ethanolanteil (z.B. E20) höhere Partikelkonzentrationen als der Basiskraftstoff, besonders bei der „späten Einspritzung“. Unter diesen Bedingungen sind die chemischen Kraftstoffeigenschaften des Ethanolanteils, welche prinzipiell „rußhemmend“ wirken, weniger dominierend, wobei die physikalischen Effekte (z.B. die hohe Verdampfungsenthalpie) die Rußbildung fördern. Die Ergebnisse dieser Arbeit dienen dem besseren Verständnis der Rußentstehung und Rußoxidation von Biokraftstoffen unter motorischen Bedingungen.

Dipl.-Wirt.-Ing. Michael Storch, M. Sc. Matthias Kögl, Prof. Dr.-Ing. Stefan Will, Dr.-Ing. Lars Zigan
7. Verbrennung

Die Darstellung und Analyse der Verbrennungsvorgänge, insbesondere in Wärmekraftmaschinen, beginnt mit der Aufführung fossiler und regenerativer Energieträger, ihrer Strukturen und ihrer Eigenschaften. Für Kraftstoff-Luft-Gemische werden repräsentative Heizwerte, wie der untere Heizwert des Kraftstoffs und die massen- und volumenbezogenen Gemischheizwerte abgeleitet und für unterschiedliche Mischungen verglichen. Eigenschaften konventioneller und alternativer Kraftstoffe für Fahrzeugverbrennungsmotoren von der Struktur, Dichte, Viskosität, Heizwerte und Luftbedarf bis hin zur Verdampfungsenthalpie werden verglichen.Die Verbrennungsrechnung wird für vollständige und für unvollständige Verbrennung abgeleitet. Auf Grundlage des realen Ablaufs von Verbrennungsreaktionen werden Berechnungsformeln für die Bildung von Dissoziationsprodukten wie NO, NO2, O, H abgeleitet und repräsentative Ergebnisse kommentiert.Die Verbrennungsformen in Otto- und Dieselmotoren werden anhand konkreter Beispiele und Ergebnisse dargestellt und diskutiert. Dabei werden klassische und zukünftige Konzepte für Gemischbildung und Verbrennungsprozessgestaltung präsentiert und bewertet.Das Kapitel enthält zahlreiche Aufgaben und Übungen zu diesen Themen.

Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Cornel Stan
10. Grundlagen und Beispiele der Prozesssimulation

Die Gestaltung, Optimierung und Anpassung thermodynamischer Prozesse im Kraftfahrzeug, für alle gegebenen Fahrzustände und Umgebungsbedingungen betreffen sowohl den Antrieb als auch die Klimatisierung, einschließlich Elektromotoren und Batterien sowie den Wärmetausch über die Karosserie und die Dämpfungs- und Federungssysteme.Die Komplexität und die Variabilität der Prozesse in solchen Funktionsmodulen für moderne Kraftfahrzeuge zwingen zur Erweiterung der Gestaltung und der experimentellen Untersuchung mit einer akkuraten numerischen Simulation. Der Ablauf der Modellierung mittels numerischer Simulation verläuft über vier Hauptstationen: Problemstellung, mathematische Formulierung, Diskretisierung und numerische Lösung. Diese Stationen werden anhand konkreter, anschaulicher Beispiele aus der Kraftfahrzeugtechnik dargestellt.Als Beispiele für die Simulation solcher Vorgänge werden die Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum eines Kolbenmotors mit anschließender Bildung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, die Verbrennung eines solchen Gemisches mit Bildung von Schadstoffen, ein gesamter Motorprozess von Ladungswechsel, Kraftstoffdirekteinspritzung und Gemischbildung bis hin zur Verbrennung und die Vorgänge in einem Kühlmittelkreislauf im Kraftfahrzeug dargestellt.

Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Cornel Stan
4. Einspritzsysteme und Systemübersicht

Um das Potenzial der Benzin-Direkteinspritzung auszuschöpfen und die gewonnene Kraftstoffeinsparung nicht durch höhere Leistungsaufnahme der Nebenaggregate zu verlieren, muss jede einzelne Komponente des Einspritzsystems für die gestiegenen Anforderungen optimiert werden. Den größten Beitrag als Einzelmaßnahme bildet die Minimierung der aufgenommenen Pumpenleistung für die Hochdruckerzeugung durch Mengenregelung und Reibungsminderung. Drüber hinaus ist es notwendig, dass die Einspritzkomponenten im Zusammenwirken mit den motorischen Randbedingungen so aufeinander abgestimmt sind, dass bei allen vorkommenden Betriebsbedingungen immer eine den Forderungen nach Leistung, niedrigem Verbrauch und geringen Rohemissionen angepasste Gemischbildung ermöglicht wird.

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher
11. Produktentstehungsprozess

In ihrem Vorwort charakterisieren die Herausgeber die Produktentstehung sehr treffend als einen hochkomplexen Prozess, dessen Gestaltung und Optimierung immer größere Bedeutung gewinnt. Letztendlich muss dieser Prozess termingerecht zu einem Fahrzeug führen, das für die Zielkunden so attraktiv ist, dass sie es zu einem Preis erwerben wollen, der mit den Renditevorstellungen des Automobilunternehmens im Einklang steht und damit dessen Wettbewerbsfähigkeit sichert Abb. 11.1 umreißt einen Produktentstehungsprozess schematisch.

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Hans-Hermann Braess, Prof. Dr.-Ing. Thomas Breitling, Jürgen Weissinger, Dipl.-Ing. Norbert Grawunder, Dr.-Ing. Ulrich Hackenberg, Prof. Dr.-Ing. Volker Liskowsky, Dr.-Ing. Ulrich Widmann
5. Antriebe

In den über 100 Jahren des Gebrauchs von Kraftfahrzeugen hat sich der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler und einer Anfahr-/Schaltkupplung als bevorzugtes Antriebskonzept durchgesetzt und behauptet. Der Antrieb hat eine Reihe von Aufgaben zu erfüllen, von denen die wichtigsten nachfolgend aufgelistet sind: - Das Fahrzeug muss aus dem Stillstand anfahren und bis zur Höchstgeschwindigkeit jede beliebige Geschwindigkeit darstellen können.- Antriebsdrehmoment und -drehzahl müssen schnell regelbar sein, um dynamische Fahrvorgänge zu ermöglichen.- Der Energieträger muss auf kleinem Raum bei geringem Gewicht einen hohen Energieinhalt aufweisen. Ohne große Nutzlast- und Raumverluste soll eine möglichst hohe Reichweite ohne Unterbrechung oder Wiederbetankung möglich sein.- Die Masse und das Bauvolumen sind möglichst klein zu halten.- Das gesamte System muss Erschütterungen und Bewegungen standhalten können.- Der Antrieb soll kurzfristig (auch bei niedrigen und hohen Temperaturen) betriebsbereit sein.

Prof. Dr.-Ing. Roland Baar, Dr.-Ing. Henning Baumgarten, Dipl.-Ing. Markus Beck, M.Sc. Marius Böhmer, Dr. Dennis Bönnen, Dipl.-Ing. Richard Dorenkamp, Dr. Thorsten Düsterdiek, Georg Eichner, Dr. Jürgen Greiner, Dr.-Ing. Gerhard Gumpoltsberger, Dr.-Ing. Jan Hentschel, Dipl.-Ing. Michael Hinz, Dipl.-Ing. Emmanuel Jean, Hugo Kroiss, Gerhard Kurz, Dipl.-Ing. Roman Lahmeyer, Dipl.-Ing. Heribert Lanzer, Dr.-Ing. Martin Nijs, Ing. Hermann Pecnik, Dipl.-Ing. MSc Bert Pingen, Prof. Dr. Dr. E.h. Franz Pischinger, Dr. Christoph Sasse, Dr. Klaus-Peter Schindler, Dr. Torsten Schütte, Dipl.-Ing. Mike Souren, Dipl.-Ing. Klaus Spindler, Dipl.-Ing. Klaus Steinel, Dr.-Ing. Matthias Thewes, Michael Zeiser
4. Berechnung und Auslegung von Bauteilen

Das Pleuel überträgt die auf den translatorisch bewegten Kolben wirkenden Gaskräfte und die oszillierenden Massenkräfte des Triebwerks auf den rotierenden Hubzapfen der Kurbelwelle. Daraus resultieren folgende Anforderungen an dieses Bauteil:

geringe Masse, da ein Teil der Pleuelmasse den oszillierenden Triebwerksmassen zuzurechnen ist

ausreichende Gestaltfestigkeit insbesondere in Hinblick auf:

Formsteifigkeit des Pleuelkopfes und des Pleuelauges; unzulässige Ovalverformung beeinträchtigt hydrodynamischen Schmierfilm und im Extremfall ist „Lagerklemmen“ möglich

Knicksicherheit des Pleuelschafts

dauerfeste Pleuelschraubenverbindung; ausreichende Sicherheit gegen Klaffen in der Teilungsfuge des Pleuelkopfes

ausreichende Dimensionierung der Lagerstellen unter Berücksichtigung der Tragfähigkeit der Lager

5. Antriebe

In den über 100 Jahren des Gebrauchs von Kraftfahrzeugen hat sich der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler und einer Anfahr-/Schaltkupplung als bevorzugtes Antriebskonzept durchgesetzt und behauptet. Der Antrieb hat eine Reihe von Aufgaben zu erfüllen, von denen die wichtigsten nachfolgend aufgelistet sind:

- Das Fahrzeug muss aus dem Stillstand anfahren können und bis zu einer bestimmten Endgeschwindigkeit jede gewünschte Geschwindigkeit einstellen lassen.

- Antriebsdrehmoment und -drehzahl müssen schnell regelbar sein, um dynamische Fahrvorgänge zu ermöglichen.

- Der Energieträger muss auf kleinem Raum bei geringem Gewicht einen hohen Energieinhalt bereitstellen. Ohne große Nutzlast- und Raumverluste soll eine möglichst hohe Reichweite ohne Unterbrechung oder Wiederbetankung möglich sein.

- Masse und das Bauvolumen sind möglichst klein zu halten.

- Das gesamte Systemmuss Erschütterungen und Bewegungen ertragen können.

- Der Antrieb soll kurzfristig (auch bei niedrigen und hohen Temperaturen) betriebsbereit sein.

Neben diesen grundlegenden technischen Anforderungen sind auch ökonomische Ziele bei der Herstellung und beim Betrieb des Fahrzeugs zu erfüllen, zunehmend ökologische Bedingungen einzuhalten sowie ein stetig wachsender Anspruch auf Bedienungskomfort zu befriedigen.

Prof. Dr. Dr. E.h. Franz Pischinger, Dr.-Ing. Philipp Adomeit, Dipl. -Ing. Richard Dorenkamp, Dr. Klaus-Peter Schindler, Prof. Dr.-Ing. Roland Baar, Dr.-Ing. Gerhard Gumpoltsberger, Dr. Jürgen Greiner, Dr. Christoph Sasse, Dipl. -Ing. Klaus Steinel, Dipl. -Ing. Heribert Lanzer, Ing. Hermann Pecnik, Gerhard Kurz, Dr. Dennis Bönnen, Dipl.-Ing. Emmanuel Jean, Dipl. -Ing. Klaus Spindler, Dipl.-Ing. Markus Beck, Dipl.-Ing. MSc Bert Pingen, Dr. rer. nat. Ingo Drescher, Dr.-Ing. Eckart Heinl
Das Fachgebiet Kraftfahrzeuge der TU Berlin imWandel der Zeit

Dass im modernen Automobilbau das gesamte Fahrzeug mit seinen Einzelteilen bereits am Computer vorher berechnet und entworfen wird, ist für uns heute eine Selbstverständlichkeit. Genauso erwartungsgemäß gehen wir davon aus, dass die Fahrzeuge, bevor sie auf den Markt kommen,von der Industrie genauestens nach wissenschaftlichen Maßstäben geprüft worden sind. Ganz anders sah es aus, als der Automobilbau noch in den Kinderschuhen steckte. Es war ein langwieriger Prozess, ehe die Fahrzeugindustrie den Nutzen aus den Erkenntnissen, die bei wissenschaftlichen Prüfungen gewonnen werden konnten, in die Produktion einfließen ließ. Vorreiter für diese wissenschaftliche Auswertung gab es einige, wobei in Deutschland insbesondere die „Königliche Technische Hochschule zu Berlin“ zu nennen ist. Als im Jahre 1907 das „Laboratorium für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftwagen“ an der Technischen Hochschule Berlin- Charlottenburg eingerichtet wurde, war die Entwicklung des Automobils noch nicht abgeschlossen. Es ist besonders bemerkenswert, dass zu diesem frühen Zeitpunkt sich die Wissenschaft dieser technischen Errungenschaft zuwandte. Hierin war sie dem gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Umfeld voraus, wobei gerade in Deutschland ein Interesse an dieser Innovation zu erwarten gewesen wäre.

Immo Sievers
24.. Motorische Verbrennung
5. Fahrzeugentwicklung für Erdgas und erneuerbares Methan

Erdgasfahrzeuge sind eine bereits heute verfügbare und ausgereifte Technologie zur Lösung der durch Automobile verursachten Umweltprobleme. Der Vorteil beruht auf den Eigenschaften des Haupt-Kraftstoffanteils Methan. Bei Einhaltung von Mindest-Kraftstoffstandards ist es für die Fahrzeugtechnik gleich, ob das Methan viele Millionen Jahre oder erst wenige Tage alt ist. Es besteht vollkommene Kompatibilität zwischen fossilen und erneuerbaren Quellen für diesen einfachsten aller Kohlenwasserstoffe. Sein größtmögliches Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenstoff und die daraus resultierenden Eigenschaften machen Methan über die

Erzeugung/Verfügbarkeit

(fossil & regenerativ), den

vertretbaren Aufwand im Kraftstoffsystem

und die

motorischen und Umwelteigenschaften

zu einem idealen Kraftstoff.

Prof. Dr.-Ing. Michael Bargende, Andreas Jauss, Holger Winkelmann, Thorsten B. Bender, Ayhan Sarikaya, Dipl.-Ing. Mahir Tim Keskin, Dr. David Lejsek, Dr. Winfried Langer, Dr. Andreas Kufferath, Dr. Manfred Adolf, Alexander Schenk, Dr. Matthias Budde, Dr. Michael Becker, Rolf Sauerstein, Dr. Sascha Weiske, Dipl.-Ing. Helge Wollenhaupt, Dipl.-Ing. (FH) Klaus Wunderlich, Dipl.-Ing. (FH) Albert Ebner, Dipl.-Ing. Peter Heine, Peter Volz, Dr.-Ing. habil. Eduard Köhler, Dr.-Ing. Ulrich Philipp, Dr. Günter Figer, Dipl.-Ing. Florian Winke, Dr. Timm Kehler, M.A. Florian Feix, Claudia Petersen, Dipl.-Ing. Michael Schaarschmidt
3. Hardwaresicht

Nach der Vorstellung der unterschiedlichen Prüfstandstypen in Kapitel 2 des Buches wird nun auf die einzelnen Ebenen der generellen Architektur eines Prüfstands (siehe Abb. 3-1) eingegangen.

Es werden prinzipiell folgende vier Ebenen unterschieden:

– Physikalische Ebene: Sensoren, Aktuatoren/Konditioniersysteme, intelligente Systeme (z. B. Steuergeräte, komplexe Messysteme etc.)

– Verbindungsebene zwischen den Elementen der physikalischen Ebene und dem Automatisierungssystem: Analogverbindungen, Busverbindungen (CAN-Bus, Profibus, EtherCat, PowerLink, ProfiNet, FlexRay, … – siehe Abschnitt 3.5), serielle Kommunikation (RS232, RS485, EtherNet – siehe Abschnitt 3.6), parallele Kommunikation

– Automatiserungsebene (siehe Kapitel 4)

– Prüffeldweite Datenspeicherung und Datenverarbeitungsebene (siehe Kapitel 5)

Dr. Michael Paulweber, Prof. Dr. Klaus Lebert
1. Elektrifizierte Antriebssysteme mit Verbrennungsmotoren

Die Elektrifizierung des Antriebsstrangs entwickelt sich dynamisch. Dies zeigen unter anderem die steigenden Neuzulassungen von Hybridfahrzeugen; ihre Anzahl ist von 2009 bis 2011 um 67 % gestiegen, und sie beginnen sich im Automobilmarkt zu etablieren. Aktuell haben Hybridfahrzeuge jedoch nur einen Anteil von circa 0,2 % an den zugelassenen Pkw in Deutschland. Dabei bieten Hybridfahrzeuge ein attraktives Konzept zur Kraftstoffeinsparung und Ressourcenschonung, zur Reduzierung der CO

2

- und Schadstoffemissionen und gleichzeitig zur Erhöhung von Fahrspaß und Fahrkomfort. Hybridfahrzeuge verwenden zum Antrieb üblicherweise einen Verbrennungsmotor und mindestens einen Elektromotor.

Weiteres Thema: Range Extender.

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

Die Bestimmung der Abgaszusammensetzung sowie der Gesamtmassen an emittierten Schadstoffen und Klimagasen wird ein immer wichtiger und aufwendiger Teil der Motoren- und Fahrzeugentwicklung.

Die Motivation, Abgas zu messen, kann in drei Hauptbereiche unterteilt werden. Einerseits ist von den Fahrzeug und Motorenherstellern die Erfüllung der gesetzlichen Vorgaben entsprechend der geltenden Emissionslimits nachzuweisen. Andererseits bietet die Abgasanalyse wesentlich Informationen zur Entwicklung und Optimierung von Brennverfahren und Abgasnachbehandlungssystemen. Zusätlich ist im Sinne einer nachhaltigen und verantwortungsvollen Verwendung von Verbrennungsmotoren sicherzustellen, dass umwelt- und klimarelevante Schadstoffe minimiert werden. In diesem Kapitel wird ein Überblick über die gesetzlich relevanten als auch im Motorenentwicklungsprozess eingesetzten Abgasmess- und Analyseverfahren sowohl für gas- als auch partikelförmige Emittenten gegeben.

Dr. Alexander Bergmann, Kurt Engeljehringer, Dr.-Ing. Rüdiger Teichmann
18. Der Verbrennungsmotor als Teil des gesamten Antriebstrangs

Die zukünftigen CO

2

Szenarien stellen weltweit die wesentlichste Entwicklungsherausforderung für PKW-Antriebe dar. Während in den letzten Jahren in Europa die Reduzierung des Flottenmittelwerts stark durch die Erhöhung des Dieselanteils realisiert wurde, erfolgt jetzt durch neue Benzindirekteinspritztechnologien in Verbindung mit verbessertem Energiemanagement und Start/Stopp sowie Hybridantrieben ein echter Stufensprung bei den Ottomotoren. Eine Betrachtung des Motors allein zur Erzielung der Verbrauchsziele ist nicht mehr ausreichend, es muss der gesamte Antriebsstrang im Zusammenspiel mit dem Fahrzeug optimiert werden. Anhand von ausgewählten Beispielen wird die Konfiguration von Antriebssträngen beschrieben. Für die einzelnen Phasen im Motorentwicklungsprozess werden beispielhaft die Anwendungsbereiche unterschiedlicher Simulationsansätze vorgestellt. Anhand ausgewählter Fallbeispiele werden die Einsatzmöglichkeiten heute verfügbarer Berechnungswerkzeuge sowie der erzielbare Erkenntnisgewinn dargestellt. Des Weiteren wird auf die Anforderungen an die Simulation eingegangen, die sich aus der zunehmenden Hybridisierung und Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Kraftfahrzeugen ergeben.

Dr. Günter Fraidl, Dr.-techn. Paul Kapus, Dr.-techn. Reinhard Tatschl, Dr.-techn. Johann Wurzenberger
14. Dreidimensionale Strömungsfelder

Eine immer wesentlichere Rolle bei der Simulation motorischer Vorgänge spielt die 3Dströmungsmechanische oder CFD-Simulation (CFD: Computational Fluid Dynamics), da sie prinzipiell die detaillierteste physikalisch-chemische Beschreibung der relevanten Prozesse ermöglicht. Sie ist aus der modernenMotorenentwicklung nichtmehr 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.

Dr.-Ing. Christian Krüger, Dr. rer. nat. Frank Otto
2. Thermodynamische und chemische Grundlagen

Ausgehend von grundlegenden thermodynamischen Betrachtungen zur Energiewandlung in Kraftmaschinen sowie der Kinematik des Kurbeltriebs von Hubkolbenmotoren werden zunächst ideale Kreisprozesse für Verbrennungsmotoren beschrieben. Mit der Ableitung von Kenngrößen und Überlegungen zur Verlustteilung gelangt man schließlich mittel Kennwerten von diesen Idealprozessen zum realen Motorprozess. Mit Hilfe dieser Kenngrößen können die Hauptabmessungen von Motoren berechnet werden. Dies wird zunächst für Pkw-, Nfz- und Hochleistungs-Dieselmotoren für Schiffsantriebe und anschließend für einen Motor für Rennwagen der Formel 1 erläutert. Aufbauend auf Kohlenwasserstoffverbindungen werden dann konventionelle Brennstoffe vorgestellt, Das Kapitel schließt mit Überlegungen zu den in der Diskussion befindlichen als auch zu zukünftigen Brennstoffen für Benzin-, Gas- und Dieselmotoren.

Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. habil. Günter P. Merker, Dipl.-Ing. Gerhard Haußmann, Dr.-Ing. Peter Eckert, Dr.-Ing. Sebastian Rakowski, Univ.-Prof. Dr. Helmut Eichlseder, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.h.c. Helmut Tschöke
3. Funktionsweise von Verbrennungsmotoren

Die Funktionsweisen von Pkw- Otto- und Groß-Gasmotoren werden erläutert, wobei detailliert auf die Grundlagen der ottomotorischen Verbrennung eingegangen wird. Nach einer Beschreibung der grundlegenden Zusammenhänge der dieselmotorischen Verbrennung werden Pkw- und Nfz- Dieselmotoren vorgestellt, wobei ausführlich und kritisch auf neue Trends wie das Downsizing und auf den Einsatz von Hybridantrieben und Range Extendern bei Pkw- Motoren eingegangen wird. Hier werden verschiedene Verfahren, deren Vorteile, aber auch deren Grenzen klar und anschaulich herausgearbeitet und erläutert. Anschließend werden wird die Funktionsweisen von Groß- Dieselmotoren, d.h. Vier- Takt -Schnell-, Vier-Takt- Mittelschnell- und Zwei- Takt- Langsamläufer beschrieben, wobei detailliert auf Applikationen eingegangen wird.

Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. habil. Günter P. Merker, Dr.-Ing. Rüdiger Teichmann
4. Einspritzsysteme und Systemübersicht

Um das Potenzial der Benzin-Direkteinspritzung auszuschöpfen und die gewonnene Kraftstoffeinsparung nicht durch höhere Leistungsaufnahme der Nebenaggregate zu verlieren, muss jede einzelne Komponente des Einspritzsystems für die gestiegenen Anforderungen optimiert werden. Den größten Beitrag als Einzelmaßnahme bildet die Minimierung der aufgenommenen Pumpenleistung für die Hochdruckerzeugung durch Mengenregelung und Reibungsminderung. Drüber hinaus ist es notwendig, dass die Einspritzkomponenten im Zusammenwirken mit den motorischen Randbedingungen so aufeinander abgestimmt sind, dass bei allen vorkommenden Betriebsbedingungen immer eine den Forderungen nach Leistung, niedrigem Verbrauch und geringen Rohemissionen angepasste Gemischbildung ermöglicht wird.

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher, Dipl.-Ing. Thomas Heidenreich, Dipl.-Ing. Jan Patrick Häntsche
7. Literaturverzeichnis
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. sc. techn. Hans Peter Lenz
7. Verbrennung

Die Wärmezufuhr in Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge erfolgt als Umwandlung der chemischen Energie eines zugeführten Brennstoffs in Wärme infolge einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff aus der angesaugten Luft. Bild 7.1 zeigt beispielhaft einen solchen Vorgang – als Zustandsänderung BC – innerhalb eines idealen Ottokreisprozesses.

Professor Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr. h .c. Cornel Stan
14. Dreidimensionale Strömungsfelder

Eine immer wesentlichere Rolle bei der Simulation motorischer Vorgänge spielt die 3Dströmungsmechanische 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.

Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
7. Emissionsmesstechnik

Die Bestimmung der Abgaszusammensetzung sowie der Gesamtmassen an emittierten Schadstoffen und Klimagasen wird ein immer wichtiger und aufwendiger Teil der Motoren- und Fahrzeugentwicklung. Die Motivation, Abgas zu messen, kann man in drei Hauptbereiche unterteilen:

Gesetzliche Vorgaben erfüllen

: Regierungen haben den Auftrag den Bürger vor Umweltgefahren zu schützen und haben deshalb die zulässigen Emissionswerte von Kraftfahrzeugen limitiert. Diese Begrenzung unterliegt einer ständigen Verschärfung, da die Gesamtzahl des weltweiten Fahrzeugbestandes und andere Anwendungen von Verbrennungsmotoren seit Jahrzehnten stetig steigen. Diese Entwicklung wird sich auch in Zukunft fortsetzen. Fahrzeuge und Motoren dürfen nur verkauft werden (Typfreigabe) wenn nachgewiesen ist, dass sie diese Vorgaben erfüllen. Dazu werden in definierten Prüfzyklen die gesamt emittierten Massen der einzelnen Schadstoffkomponenten bestimmt und entweder auf die Fahrstrecke (g/km) oder die geleistete Arbeit (g/kWh) bezogen. Neuerdings werden in Europa auch die Anzahl an Partikel limitiert, dies erfolgt analog zu den anderen Limits bezogen auf die Wegstrecke (N/km) oder erbrachte Arbeit (N/kWh).

Motorenentwicklung

: Die Zusammensetzung der Abgase gibt einen Einblick in die Verbrennungsqualität des Motors (Gemischbildung, Verbrennung, Luft/Kraftstoff- Verhältnis, usw.), sowie über die Funktion eines Abgasnachbehandlungssystems. Dafür werden vor allem die emittierten Abgas-Konzentrationen gemessen und zusammen mit den gemessenen Ansaugluft- und Kraftstoffmassen bewertet (Mengenbilanzen).

Umweltrelevanz

: Für eine nachhaltige und verantwortungsvolle Verwendung von Verbrennungsmotoren muss die Umweltbelastung, die von emittierten Schadstoffen und Klimagasen ausgeht, minimiert werden. Die Abgasmessung bestimmt was (Komponenten) und wie viel (Masse) der einzelne Motor oder das einzelne Fahrzeug emittiert. Es wird kontinuierlich gemessen, welche Massen der einzelnen Schadstoff- und Klimagaskomponenten je Zeiteinheit (g/s) emittiert werden.

Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
18. Der Verbrennungsmotor als Teil des gesamten Antriebsstrangs

Die zukünftigen CO

2

-Szenarien (

Abb. 18-1

) stellen weltweit die wesentlichste Entwicklungsherausforderung für PKW-Antriebe dar. Die aktuelle und zukünftige Gesetzgebung ist in

Abb. 18-1

dargestellt. Die von einigen Herstellern mit ihrer Fahrzeugflotte im Jahr 2008 und 2009 erreichten CO

2

-Emissionen sind vor dem Hintergrund der für Europa geplanten CO

2

-Zielwerte in

Abb. 18-2

aufgetragen. Während in den letzten Jahren in Europa die Reduzierung des Flottenmittelwerts stark durch die Erhöhung des Dieselanteils realisiert wurde, erfolgt jetzt durch neue Benzindirekteinspritztechnologien in Verbindung mit verbessertem Energiemanagement und Start/Stopp sowie Hybridantrieben ein echter Stufensprung bei den Ottomotoren. Dabei sind verschiedene Entwicklungsrichtungen zu beobachten:

Saugmotor-Schichtladekonzepte

, siehe Langen et al. (2007) und Waltner et al. (2006), als Speerspitze der rein ottomotorischen Verbrauchskonzepte,

die Kombination der Benzin-Direkteinspritzung mit Abgasturboaufladung

, Prevedel und Kapus 2006 und Fraidl et.al (2007), die wohl im Moment den am stärksten ausgeprägten Technologietrend bei Ottomotoren darstellt,

milde Hybridanwendungen

mit vergleichsweise moderaten elektrischen Leistungen, nach Bachmann (2009) sowie

Vollhybride

, siehe Weiss et al. (2009).

Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
4. Berechnung und Auslegung von Bauteilen

Das Pleuel überträgt die auf den translatorisch bewegten Kolben wirkenden Gaskräfte und die oszillierenden Massenkräfte des Triebwerks auf den rotierenden Hubzapfen der Kurbelwelle. Daraus resultieren folgende Anforderungen an dieses Bauteil:

geringe Masse, da ein Teil der Pleuelmasse den oszillierenden Triebwerksmassen zuzurechnen ist

ausreichende Gestaltfestigkeit insbesondere in Hinblick auf:

Formsteifigkeit des Pleuelkopfes und des Pleuelauges; unzulässige Ovalverformung beeinträchtigt hydrodynamischen Schmierfilm und im Extremfall ist „Lagerklemmen“ möglich

Knicksicherheit des Pleuelschafts

dauerfeste Pleuelschraubenverbindung; ausreichende Sicherheit gegen Klaffen in der Teilungsfuge des Pleuelkopfes

ausreichende Dimensionierung der Lagerstellen unter Berücksichtigung der Tragfähigkeit der Lager

Eduard Köhler, Rudolf Flierl
5. Antriebe

In den über 100 Jahren des Gebrauchs von Kraftfahrzeugen hat sich der Hubkolben-Verbrennungsmotor mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler und einer Anfahr-/Schaltkupplung als bevorzugtes Antriebskonzept durchgesetzt und behauptet. Der Antrieb hat eine Reihe von Aufgaben zu erfüllen, von denen die wichtigsten nachfolgend aufgelistet sind:

Das Fahrzeug muss aus dem Stillstand anfahren können und bis zu einer bestimmten Endgeschwindigkeit jede gewünschte Geschwindigkeit einstellen lassen.

Antriebsdrehmoment und -drehzahl müssen schnell regelbar sein, um dynamische Fahrvorgänge zu ermöglichen.

Der Energieträger muss auf kleinem Raum bei geringem Gewicht einen hohen Energieinhalt bereitstellen. Ohne große Nutzlast- und Raumverluste soll eine möglichst hohe Reichweite ohne Unterbrechung oder Wiederbetankung möglich sein.

Masse und das Bauvolumen sind möglichst klein zu halten.

Das gesamte System muss Erschütterungen und Bewegungen ertragen können.

Der Antrieb soll kurzfristig (auch bei niedrigen und hohen Temperaturen) betriebsbereit sein.

Prof. Dr.-Ing., Dr.-Ing. E.h. Hans-Hermann Braess, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert
7. Emissionsmesstechnik

Die Bestimmung der Abgaszusammensetzung sowie der Gesamtmassen an emittierten Schadstoffen und Klimagasen wird ein immer wichtiger und aufwendiger Teil der Motoren- und Fahrzeugentwicklung. Die Motivation, Abgas zu messen, kann man in drei Hauptbereiche unterteilen:

Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
14. Dreidimensionale Strömungsfelder

Eine immer wesentlichere Rolle bei der Simulation motorischer Vorgänge spielt die 3Dströmungsmechanische 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.

Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
18. Der Verbrennungsmotor als Teil des gesamten Antriebsstrangs

Die zukünftigen CO

2

-Szenarien (

Abb. 18-1

) stellen weltweit die wesentlichste Entwicklungsherausforderung für PKW-Antriebe dar. Die aktuelle und zukünftige Gesetzgebung ist in

Abb. 18-1

dargestellt. Die von einigen Herstellern mit ihrer Fahrzeugflotte im Jahr 2008 und 2009 erreichten CO

2

-Emissionen sind vor dem Hintergrund der für Europa geplanten CO

2

-Zielwerte in

Abb. 18-2

aufgetragen. Während in den letzten Jahren in Europa die Reduzierung des Flottenmittelwerts stark durch die Erhöhung des Dieselanteils realisiert wurde, erfolgt jetzt durch neue Benzindirekteinspritztechnologien in Verbindung mit verbessertem Energiemanagement und Start/Stopp sowie Hybridantrieben ein echter Stufensprung bei den Ottomotoren.

Günter P. Merker, Christian Schwarz, Rüdiger Teichmann
4. Analyse und Simulation des Systems Brennraum

Gelingt es, durch Beobachtung eines Systems auf die Gesetzmäßigkeiten seiner Abläufe zu schließen und diese unter Einbeziehung der wesentlichen Parameter mathematisch zu formulieren, ist ein Rechenmodell für das betreffende System gefunden. Der Vorgang der Beschreibung eines existierenden Systems wird als

Analyse

bezeichnet. Nach entsprechender Validierung des Modells durch Experimente kann es auch zur

Simulation

herangezogen werden, d. h. zur Vorhersage des Verhaltens ähnlicher Systeme.

7. Verbrennung
5. Antriebe

In diesem Abschnitt werden die Antriebe beschrieben, die sich im ersten Jahrhundert des Gebrauchs von Kraftfahrzeugen durchgesetzt und behauptet haben: die Hubkolben-Verbrennungsmotoren mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler und einer Anfahr-/Schaltkupplung.

Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert
4. Analyse und Simulation des Systems Brennraum

Gelingt es, durch Beobachtung eines Systems auf die Gesetzmäßigkeiten seiner Abläufe zu schließen und diese unter Einbeziehung der wesentlichen Parameter mathematisch zu formulieren, ist ein Rechenmodell für das betreffende System gefunden. Der Vorgang der Beschreibung eines existierenden Systems wird als Analyse bezeichnet. Nach entsprechender Validierung des Modells durch Experimente kann es auch zur Simulation herangezogen werden, d. h. zur Vorhersage des Verhaltens ähnlicher Systeme.

Dipl.-Ing. Dr. Rudolf Pischinger, Dipl.-Ing. Dr. Manfred Klell, Dipl.-Ing. Dr. Theodor Sams
5. Antriebe

In diesem Abschnitt werden die Antriebe beschrieben, die sich im ersten Jahrhundert des Gebrauchs von Kraftfahrzeugen durchgesetzt und behauptet haben: die Hubkolben-Verbrennungsmotoren mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler und Anfahr-/ Schaltkupplung.

Prof. Dr. Dr. E.h. Hans-Hermann Braess, Prof. Dr. Ulrich Seiffert
5. Antriebe

In diesem Abschnitt werden die Antriebe beschrieben, die sich im ersten Jahrhundert des Gebrauchs von Kraftfahrzeugen durchgesetzt und behauptet haben: die Hubkolben-Verbrennungsmotoren mit einem Drehzahl-/Drehmomentwandler und Anfahr-/Schaltkupplung.

Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert
Simulation im Entwicklungsprozeß

Zunehmender Wettbewerb zwingt die Industrie, innovative Produkte schneller als bisher zu entwickeln und zur Marktreife zu bringen. Die Kosten für ein neues Produkt werden in einer sehr frühen Phase des Produktentwicklungsprozesses festgelegt, in der im allgemeinen noch wenig Produktwissen vorhanden ist (Abb. 1). Erklärtes Ziel der Neugestaltung von Entwicklungsprozessen ist deshalb, so früh wie möglich viel ganzheitliches Produktwissen zu erzeugen und zur Grundlage von Auswahlentscheidungen zu machen. Dieses Produktwissen muß eine Beurteilung hinsichtlich Funktionalität, Ästhetik, Qualität, Herstellbarkeit, Wartbarkeit, Ökonomie und Ökologie ermöglichen. Die Ganzheitlichkeit der Betrachtung und Abwägung ist zur Vermeidung von Fehlauslegungen in der Frühphase wichtiger als lokale Feinoptimierung. Als Mittel zur Erzeugung und Verknüpfung von Wissen über ein zunächst noch nicht physisch vorhandenes Produkt, also dem virtuellen Produkt, eignet sich die Simulation hervorragend. Im folgenden wird nicht auf die Simulation von Geschäftsprozessen, Produktionsprozessen oder Arbeitsabläufen eingegangen, sondern es sollen beispielhaft Anwendungen im Gestaltungsprozeß von Produkten, hier speziell Fahrzeugen, vorgestellt werden.

Günther Häfner
7. Bibliography
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. sc. techn. Hans Peter Lenz
7. Bibliography
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. sc. techn. Hans Peter Lenz
Achtes Kapitel. Die Technik des MAN-Nutzfahrzeugbaus

Nach Ausbruch des Ersten Weltkriegs im Jahre 1914 wandte sich die Inspektion der Verkehrstruppen an Anton von Rieppel mit dem Ersuchen, die MAN möge auch den Lastwagenbau aufnehmen, da sie schon seit 1911 Aufträge für die Reichspost ausführte. Durch die weit entfernten Fronten des Ersten Weltkrieges entstand ein großer Bedarf an LKW, den die Subventionslastzüge (vgl. Kap. 3) nicht decken konnten. Die gleiche Aufforderung erging an die Firmen Audi, Ehrhardt, Dux, Faun, an die Hille-Werke, an Horch, Loeb & Co, Krupp, NSU, Magirus, Bergmann, Presto, Pokorny & Wittekind, Unionwerke Mannheim (Kahn-Gruppe), und Vomag.

Hans Christoph, Graf von Seherr-Thoß
3. Spark Ignition: Its Physics and Effect on the Internal Combustion Engine

The interest in a better understanding of the processes involved in ignition and self-sustained flame propagation is as old as the internal combustion engine itself. In order to gain a better insight into these processes, the main efforts have been concentrated on experiments in the very engine aiming at a direct and quick success. This, however, also presented its major drawback. The complexity of the mutually dependent influences of the large number of different operation parameters of the real engine prevented any significant breakthrough in the past. Too much room had still to be left by this approach for speculations and interpretations due to serious lacks of accessible information.

Rudolf Maly

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