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Motorentechnik

weitere Buchkapitel

Customer first! – The key to achieve customers’ acceptance for connected powertrains

The content of this paper describes a user centered development process to evaluate the engine start and stop procedure of electrified powertrains.

Sebastian Barth, Michael Fischer, Pascal Schlatter

Direct-Injection Hydrogen Combustion Engines - New Requirements for Hardware Development and Simulation Methodology

CO2 emissions from light commercial vehicles and passenger cars have already been regulated by the EU since 2009, yet it was not until 2020 that the limit was tightened from the original 130 g CO2/km to 95 g CO2/km [21]. However, in the heavy-duty sector, especially for trucks and buses, such strict, EU-wide regulation was completely absent until 2019. Nevertheless, in order to achieve the defined climate targets of the EU, it is essential to regulate emissions also or especially in this sector, since heavy-duty vehicles are responsible for about 6% of the total emissions in the EU and for about 25% of the CO2 emissions of road transport in the EU. By 2030, CO2 emissions could even increase by another 40% compared to 2010 [23].

Thomas Ebert, Gidion Maniezki, Gidion Maniezki

Kapitel 6. Die Verkehrswende: Elektromobilität, Wasserstoff und Radverkehr als Fortschritt?

Was heißt Verkehrswende? Die Verkehrs- oder Mobilitätswende ist primär eine Umstellung der auf fossilen Brennstoffen basierenden Antriebsformen, daneben eine Veränderung der Nutzungsformen und Mobilitätspraktiken, der Verkehrsinfrastrukturen sowie Verkehrsräume. Sie ist bezogen auf die Antriebe ein Teil der Energiewende, da alternative Energien benötigt werden, welche entweder dem Energiesystem entstammen oder auch in Form neuer Energiequellen direkt in das Mobilitätssystem integriert werden.

Jörg Radtke

Impacts of E-Fuels on Injection, Combustion and Emissions in a Large Diesel Engine

The reduction of greenhouse gases in the transport sector is fundamental for reaching the European climate goals. Shipping is responsible for about 2-3 percent of the global CO2 emissions, depending on the world trade with an increasing trend. Hence, the International Maritime Organization (IMO) is forcing an emission reduction until year 2050 of at least 50% based on emissions from year 2008.One solution to this problem could be the use of CO2-neutral fuels in conventional internal combustion engines (ICE). Especially synthetic fuels based on hydrogen from renewable energy and carbon dioxide are attractive for a use in ICEs due to their unlimited availability and customizable properties. In the framework of the public founded research project “ISystem4EFuel” such “e-fuels” were tested with respect to their usability in large ship engines at Rostock University and FVTR GmbH.Two promising e-fuels were chosen and investigated as blend components with reference EN 590 diesel in injection chamber and single-cylinder engine tests: oxymethylenether (OME) and paraffinic diesel (HVO). A prototype injector from Woodward L’Orange GmbH that is able to measure control chamber pressure was used to get additional information about fuel impacts on needle dynamic.Results showed drop-in quality of HVO-blends with negligible impact on injection control and positive effects in terms of decreased ignition delay and reduced soot emission. OME-blends were significantly affecting the injection control and the needle dynamic due to their lower heating values. OME-blends showed superior soot emission behavior at slightly increased NOx emissions.

Benjamin Stengel, Fabian Pinkert, Erwin Swiderski, Martin Reißig, Bert Buchholz

10. Die Jahre der Aufrüstung 1933 bis 1939

Am 30. Januar übernahmen die Nationalsozialisten unter Adolf Hitler die Regierung (Abb. 10.1). Damit änderte sich vieles. Zwar hatte sich schon vorher in der Wirtschaft eine gewisse Trendwende angedeutet, doch es war augenfällig, dass es den Nationalsozialisten gelang, wirtschaftlichen Optimismus zu verbreiten. Diese Aufbruchsstimmung kam auch dem Maybach-Motorenbau zugute. Das Dritte Reich war zunächst auf die Revision des Versailler Vertrages sowie die Wiederherstellung der Wehrhoheit Deutschlands ausgerichtet. Hierfür bedurfte es der Aufrüstung. Mit ihr entsprach Hitler nicht nur dem Wunsch seiner unmittelbaren Anhänger, sondern breiter Teile der deutschen Bevölkerung, welche die Bestimmungen des Versailler Vertrages zutiefst ablehnte. Zudem war die Erinnerung an die Besetzung des Ruhrgebietes durch Franzosen und Belgier im Jahre 1923 noch frisch.Bereits zwei Monate nach Hitlers Machtergreifung legte Karl Maybach am 28. März 1933, als der Maybach-Motorenbau dem Bankrott nahe war, der Muttergesellschaft eine Denkschrift »betr. Erweiterung des Fabrikationsprogramms« vor. Darin hieß es, die Berliner Automobil-Ausstellung im Herbst 1932 habe »eklatant gezeigt«, dass während der letzten Jahre, in denen Karl Maybach immer größere Automobilmotoren entwickelt und teurere Wagen gebaut hatte, »in der Entwicklung des mittleren und kleinen Automobils sehr große Fortschritte gemacht wurden. Wollen wir uns aus dem Automobilgeschäft nicht ausschalten lassen, so müssen wir in allerkürzester Zeit ebenfalls mit einem erstklassigen mittelstarken Wagen herauskommen.«

Wilhelm Treue

1. Einführung

Bei wenigen Menschen standen persönliche Neigung und berufliche Tätigkeit so in Einklang wie bei Karl Maybach. Von seinem Vater, Wilhelm Maybach, hatte er die ingeniös-konstruktive Begabung geerbt. Das Umfeld, in dem er aufwuchs, die Anregungen und Förderung, die ihm durch den Vater zuteil wurden, vertieften seine Neigung zur Technik und richteten sie auf eine besondere Maschinenart, die Verbrennungsmotoren. Die Motorentechnik nahm Karl Maybach gefangen und ließ ihn nicht mehr los; sie bestimmte sein Leben mehr als alles andere.

Wilhelm Treue

14. Auf dem Weg zur MTU 1960 bis 1969

Am 6. Februar 1960 starb Karl Maybach (Abb. 14.1) im Alter von 80 Jahren, nachdem er an diesem Tag wie immer gearbeitet hatte. Er sollte somit die grundlegenden Veränderungen, die das von seinem Vater und ihm vor einem halben Jahrhundert begonnene Werk im Jahre 1960 erfuhr, nicht mehr erleben.Am 9. Dezember 1960 konnte Raebel bei einer Betriebsversammlung über die am 10. August dieses Jahres begonnene Zusammenarbeit des Maybach-Motorenbaus mit Daimler-Benz berichten. Beide Unternehmen hatten beschlossen, auf dem Gebiet der schnelllaufenden Großmotoren in Zukunft wirtschaftlich und technisch eng zusammenzuarbeiten. Flick, Großgesellschafter bzw. Großaktionär bei beiden Firmen, sah die Notwendigkeit, dass man auf dem zwar aussichtsreichen, aber technisch anspruchsvollen und hart umkämpften Markt der Großmotoren in Zukunft in größeren unternehmerischen Einheiten operieren müsse, als es bis dahin in Deutschland der Fall gewesen war. Da beide Firmen zusätzliche Fertigungskapazitäten benötigten und die Daimler-Benz-Werke sich in Untertürkheim nicht mehr ausdehnen konnten, beschloss man, durch eine Ausweitung des Maybach-Motorenbaus in Friedrichshafen einen »Schwerpunkt der Großmotorenfertigung« zu schaffen. Dass dies einer organischen Entwicklung entsprach, sollte der Hinweis darauf unterstreichen, dass damit das gemeinsame Werk von Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach eine sinnvolle Fortführung finde.

Wilhelm Treue

22. Mess- und Versuchstechnik

Der Kurbelwellenschaden an dem ersten (Karl) Maybachschen Luftschiffmotor war ein Menetekel für jene physikalischen Phänomene in der Motorentechnik, deren Erkenntnis und Behebung sich – ungleich mehr als in anderen Sparten des Maschinenbaus – als schwierig und aufwendig erwiesen und auch das Prozedere in der Motorenentwicklung maßgeblich beeinflussen sollten.

Stefan Zima

37. Ausklang

Als 1959 mit dem 80. Geburtstag Karl Maybachs auch das 50-jährige Jubiläum der Maybach-Motorenbau GmbH gefeiert wurde, konnte Karl Maybach auf ein erfülltes und erfolgreiches Leben als Konstrukteur und Ingenieur zurückblicken. Ein halbes Jahrhundert hatte er der Motorentechnik wichtige Impulse gegeben und mit seinen Motoren und Getrieben Maßstäbe gesetzt.Die Entwicklung schnelllaufender Hochleistungsmotoren hatte eine Vielzahl von Problemen aufgeworfen. In dieser Erschwernis lag auch ein Grund für den Erfolg der Maybachschen Konstruktionen: hoher entwicklungstechnischer Aufwand in Verbindung mit hochwertiger Präzisionsfertigung. Hierzu brauchte man fähige und qualifizierte Mitarbeiter, die Karl Maybachs Ideen verwirklichen konnten und die beste Gewähr dafür boten, sein Werk auch in der Zukunft fortzusetzen.Karl Maybach hat im Laufe der Jahrzehnte viele Motoren entwickelt: Ottomotoren für Luftschiffe und Flugzeuge, hochwertige Automobilmotoren, aus denen immer stärkere Triebwerke für schwere Nutzfahrzeuge bis hin zu den Motoren für Kettenfahrzeuge abgeleitet wurden. Seine größte Leistung jedoch war der schnelllaufende Dieselmotor größerer Leistung, mit dem die Ära der Diesel-Schienentraktion in Deutschland eingeleitet wurde. Das war nicht nur eine Pioniertat, damit wurden auch die Weichen für die Zukunft gestellt.

Wilhelm Treue, Stefan Zima

21. Dieselmotoren 1919 bis 1969

Als der Maybach-Motorenbau mit der Entwicklung des schnelllaufenden Dieselmotors begann, konnte er sich zwar auf seine Erfahrungen im Bau von Flugmotoren stützen – eine Motorenart, bei der wegen ihres Hochleistungscharakters Probleme der Massenwirkungen, des Ladungswechsels, der Triebwerkslagerung oder der Kühlung in weit schärferer Form auftraten als bei anderen Motoren; dafür war bei Dieselmotoren, schnelllaufenden zudem, mit anderen Schwierigkeiten zu rechnen, insbesondere bei der Gemischbildung. Während Kfz-Ottomotoren bereits in mannigfaltigen Typen existierten und somit eine Ausgangsbasis für Neuentwicklungen boten, gab es für den geplanten Diesel-Schnellläufer-Motor kein Vorbild.Karl Maybach war sich deshalb von Anfang an im Klaren, dass die Entwicklung eines solchen Motors aufwendig und langwierig sein würde, und es spricht für seine Weitsicht und seinen Wagemut gleichermaßen, dass er in der schwierigen Zeit nach dem Ersten Weltkrieg die Entwicklung einer Motorenart in Angriff nahm, von der nicht abzusehen war, wann sie zum Erfolg führen würde. Ein Mitarbeiter Karl Maybachs drückte das später so aus: »… Es ist selbstverständlich, daß man innerhalb eines Werkes die Pflicht hat, Erzeugnisse zu entwickeln, die die Weiterexistenz in der Zukunft sicherstellen können. Einer Firma aber, die auf ihrem Gebiet als Pionier an der Spitze marschieren will, bleibt es nicht erspart, technische Aufgaben zu lösen, deren materieller Erfolg durchaus nicht immer in wünschenswerter Bälde sichergestellt ist …«

Stefan Zima

Kapitel 4. Die Macht: Was leisten Marken?

Es könnte eine makellose Erfolgsgeschichte sein: Marken sind allgegenwärtig, sie sind hilfreich, teilweise sogar unentbehrlich, sie werden geachtet, ihnen wird vertraut, sie weisen den Weg in die Zukunft, sie sind sehr wertvoll. Aber es existiert auch die andere Seite dieser Medaille (Jakob Tanner (2020, S. 149) macht darauf aufmerksam, dass das Bild der ,zwei Seiten einer Medaille’ nicht nur darauf verweist, dass (a) Dinge oft zwei Seiten haben, die (b) meist zusammen gehören, sondern dass (c) regelmässig eben auch gilt, dass man immer nur die eine Seite der Medaille sehen kann, dass also der Blick auf die eine Seite (hier: Leistungen, Erfolge, Nutzen, Wert) systematisch den Blick auf die andere Seite (hier: Niederlagen, Misserfolge, Scheitern, Risiken, Betrügereien) ver-, zumindest behindert.): alle diese Leistungen werden nicht erbracht, wenn und weil Markenmacher*innen mit ihrer Arbeit natürlich auch (mehr oder weniger) scheitern. Dann stehen den (breit kommunizierten) strahlenden Erfolgen die (meist vergessenen) Misserfolge gegenüber. Die Orientierungsfunktion von Marken nach innen und nach außen kann dann nicht erfüllt werden. Oder Marken geraten unversehens zum Risikofaktor und stürzen ihre Besitzer*innen in Krisen. Mächtige Marken sehen sich gezwungen, sich mit trotzigem Widerstand auseinander zu setzen. Und schließlich wecken öffentlich immer wieder gefeierte hohe Markenwerte regelmäßig auch kriminelle Energien. In diesem Kapitel werden die Leistungen und die Macht von Marken eingehend besprochen – dabei aber immer auch von dieser anderen Seite, ihrem Scheitern, her betrachtet.

Prof. Dr. Jürgen Häusler

Optimierung des Emissionsverhaltens innerhalb der hybriden Betriebsstrategie am Prüfstand mittels Co- Simulation

Um Systeme für ihren späteren Einsatzzweck optimal zu entwickeln, gilt es, in sämtlichen Prozessphasen die späteren Einsatzbedingungen mit der nötigen Genauigkeit darzustellen. Insbesondere für komplexe Systeme, wie beispielswiese hybride Fahrzeugantriebe, und deren Interaktion stellt dies einerseits eine Notwendigkeit, andererseits aber auch eine hohe Herausforderung dar. Getrieben wird dieser Trend zusätzlich durch die Umsetzung neuer Emissionsgesetzgebung, welche sicherstellen soll, dass Fahrzeuge im normalen Kundenbetrieb nicht mehr Schadstoffe und CO2 emittieren, als dies im Rahmen der Zertifizierung festgestellt wurde. In Summe besteht ein hoher Bedarf, reale Betriebsbedingungen innerhalb des gesamten Entwicklungsprozesses darzustellen und in unterschiedlichen Phasen reale und virtuelle Komponenten mit geringem Aufwand auszutauschen, um effizientes Arbeiten zu ermöglichen. Die in diesem Artikel vorgestellte Werkzeugkette aus dem VKM-Methodikbaukasten bietet mit der Co-Simulation eine modulare Plattform für genau diesen Zweck.Innerhalb der Werkzeugkette wird eine Betriebsstrategie für einen P2- Hybrid integriert, die auf dem Ansatz der ECMS basiert. Der Strategieansatz erlaubt dabei die Optimierung des Kraftstoffverbrauchs, der zusätzlich um die Berücksichtigung von weiteren Zielparametern erweitert wird. Zugrunde liegt klassischerweise eine Kostenfunktion, die zum einen den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors und zum anderen den äquivalenten Verbrauch des elektrischen Systems beschreibt. Ziel ist es, in jedem Berechnungsschritt die Kostenfunktion zu minimieren und damit den Verbrennungsmotor als auch die elektrischen Komponenten möglichst effizient zu betreiben. Die Optimierung einer solchen Betriebsstrategie ist dabei ein essentieller Schritt, da in Bezug auf die Kosten des elektrischen Systems eine hohe Abhängigkeit von Randbedingungen besteht. Daher werden die Vorgehensweise und die Berücksichtigung verschiedener Faktoren eingehend beschrieben. In einem letzten Schritt der Untersuchungen sollen die erzielten Ergebnisse der Offline-Optimierung hinsichtlich Verbrauch sowie Verbrauch und Emissionen am Prüfstand validiert werden, indem auf Basis der modularen Plattform der simulierte Verbrennungsmotor durch einen realen am Prüfstand ersetzt wird.

Alexander Kuznik, Tim Steinhaus, Maximilian Stumpp, Christian Beidl

3. Gesamtfahrzeug

Im Automobilbereich hat das Design in den letzten Jahrzenten sehr an Bedeutung gewonnen. Einer Studie zufolge liegen heute die Kaufkriterien „Design“, „Anschaffungspreis“ und „Qualität“ weit an der Spitze.Das Design nimmt eine Schlüsselfunktion in der Wahrnehmung des Fahrzeuges ein. Es stellt im Idealfall eine Verbindung zwischen dem Fahrzeug und Kunden über positive Emotionen und Empathie her.Auch bei der Markendifferenzierung spielt die Formgebung eine wesentliche Rolle. Die technologische Differenzierung hat sich in den letzten 20 Jahren verringert. Die Gründe für die immer geringer werdenden technischen Unterschiede sind:- Ein hohes Niveau des Grundkonzepts Auto, welches weltweit viele Fahrzeughersteller erreicht haben.- Die Verlagerung vieler Schlüsseltechnologien vom Fahrzeughersteller zu Entwicklungslieferanten.Umso mehr ist das Design ein Wahrnehmungsfeld, welches von den umworbenen Kunden einem konkreten Hersteller zugeordnet werden kann.

Klaus Wolff, Hans Dieter Futschik, Dipl.-Ing. Dipl. Wirtsch. Ing. August Achleitner, Dipl.-Ing. Christiaan Burgers, Dr.-Ing. Gernot Döllner

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

56. Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotoren sind Energieumwandlungsmaschinen. Sie wandeln die chemische Energie, die in Kraft- oder Brennstoffen enthalten ist, in mechanische Energie um. Aus thermodynamischen Gründen kann die im Kraftstoff enthaltene Energie (Heizwert) nicht vollständig in mechanische Energie umgewandelt werden. Deswegen haben Verbrennungsmotoren genauso wie beispielsweise Kraftwerke immer einen Wirkungsgrad, der deutlich kleiner als 100% ist. Das bedeutet, dass ein Teil der im Kraftstoff enthaltenen Energie in Form von Abwärme und Abgasenergie an die Umgebung abgegeben werden muss.

Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner

48. Werkzeugmaschinen zum Umformen

Das Gestell einer Umformpresse, auch Pressenkörper oder Pressenrahmen genannt, muss folgende Funktionen erfüllen: Aufbringen der Umformkräfte Führung eines oder mehrerer Stößel (Zieh‑, Blechhalter‑, Auswerferstößel etc.) Schließen des Kraftflusses.

Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald, Stefan Wagner

2. Die Systeme und ihre Beschreibung

Die Thermodynamik baut auf Beobachtung auf. Die Gegenstände oder Bereiche der Beobachtung werden als thermodynamische Systeme bezeichnet.Für eine genaue Beobachtung ist es notwendig, ein System von seiner Umgebung durch eine Grenze zu trennen.

Klaus Langeheinecke, André Kaufmann, Kay Langeheinecke, Gerd Thieleke

Systemic development approach for optimizing piston ring design to reduce particulate raw emissions

Due to growing attention on the effects of air-pollutant emissions on human health and the environment, there is now enormous focus on the influence of energy conversion processes. Different types of emissions are released into the environment during the combustion of fossil fuels and oils. Particulate emissions contribute to a significant extent to total emissions, resulting in negative effects on both the environment and human health [1].

Thomas Bastuck, Richard Mittler, Steffen Hoppe

6. Gesellschaftliche Trends

Welchen gesellschaftlichen Rahmenbedingungen unterliegt die Mobilität – und wie werden sich diese in Zukunft entwickeln?

Mobilität ist ein menschliches Grundbedürfnis. Und so wie es beim Essen irgendwann um mehr als die Aufnahme von Nährstoffen und beim Wohnen um mehr als Schutz vor Wind und Wetter geht, stellen wir heute an die Mobilität in der Regel deutlich höhere Ansprüche, als nur irgendwie von A nach B zu kommen.Die individuelle Entscheidung für oder gegen mögliche Mobilitätsalternativen unterliegt dabei immer einem Rahmen aus geografischen, infrastrukturellen und rechtlichen Gegebenheiten aber vor allem auch gesellschaftlichen Werten und Trends.

Julian Weber

Approach to objective evaluation of driving behavior with ESC-interventions demonstrated by a lane change maneuver

Vehicle development is affected by several fundamental influences. The climate debate leads to an extensive change concerning the drive technology [1]. Furthermore, the OEMs offer a wide range of optional equipment that affects the driving behavior of the vehicle. Examples are chassis control systems, several wheel/tire combinations and different chassis variants.

Fabian Fontana, Jens Neubeck, Andreas Wagner, Jochen Wiedemann, Uli Schaaf, Ingo Scharfenbaum

Ride comfort evaluation of predictive ride height and damper control adaptation on single obstacles

Current trends and legislative changes like autonomous driving, emission regulations and connected vehicles lead to new challenges and opportunities for the automotive industry. Recent studies showed that customers expect more comfort and consider it as a purchase criterion in manually driven vehicles [1] as well as in autonomous vehicles [2]. In addition, efficiency continues to gain importance to reduce the emissions of vehicles with internal combustion engines and to increase the range of battery electric and hybrid vehicles [3].

Konstantin Riedl, Sebastian Schaer, Julian Kreibich, Markus Lienkamp, Shane Cannon, Christian Schimmel

Managing software evolution in embedded automotive systems

Customer requirements evolve frequently in the automotive domain. A the same time, rapid integration of innovative solutions is important to maintain and extend the customer base (Vitale et al. 2020). Thus, automotive software components are subject to constant change and variations, even when the vehicle is already on the road (Guissouma et al. 2018).

Lukas Block

Kapitel 17. Forschung und Entwicklung

Die technische Weiterentwicklung im Bereich Straßenbaumaschinen ist seit der Jahrtausendwende maßgeblich durch schrittweise Verschärfung der Abgasnormen getrieben gewesen. Maßgeblich ist die Richtlinie 97/68/EG aus dem Jahr 1997 für mobile Arbeitsmaschinen, welche die Emissionen von $$CO/NO_{x}/PM/HC$$ reglementiertAbgasnorm Abgasstufen Stufe Dieselpartikelfilter. Seit 1999 verfügen Motoren in der EU über eine Typgenehmigungsnummer (European Approval No.) mit Angabe der Emissionsstufe.

Marc Kappel

Kapitel 7. Analyse von Power to - X -Anwendungen mit grünem Wasserstoff

Unter Power-to-X-Prozessen werden energetische Umwandlungsprozesse von elektrischer Energie aus volatilen erneuerbaren Energiequellen in unterschiedliche Ausgangsprodukte, wie H2, synthetische Gase und synthetische flüssige Treibstoffe mithilfe von Elektrolyse verstanden. Diese Ausgangsprodukte dienen als Energiespeicher volatiler Energiequellen und können je nach Nachfrage beliebig in den drei Energiesektoren Wärme, Strom und Mobilität verteilt werden. Diese Möglichkeit, die Energie aus volatilen Quellen zu speichern und beliebig in den Energiesektoren einzusetzen, wird zukünftig für den Energietransformationsprozess und für die Sektorenkopplung (integrated energy) eine wichtige Rolle spielen (Christopher J. 2018; DENA 2018b, 2018a; Foit et al. 2017; Perner J. 2018; Schmidt et al. 2017; Tichler 2014; van Leeuwen 2018; Zapf 2017).

Robert Staiger, Adrian Tanțǎu

Kapitel 5. Motormodelle für Echtzeitanwendungen

Die grundlegende Motivation für Echtzeitanwendungen ist unter möglichst realitätsnahen Einsatzbedingungen zu entwickeln und zu erproben. Dabei wächst die Bedeutung mit fortschreitender Reife im Entwicklungsprozess. In der Entwicklung von Fahrzeugelektronik sind Echtzeitanwendungen wie Hardware-in-the-Loop-Simulationen bereits etabliert und Stand der Technik.

Simon Malcher

Kapitel 5. Mobilität

Bei der Frage nach der Zukunft der Mobilität konkurrieren derzeit Konzepte, die auf Verbrennungsmotoren basieren, aber veränderte Kraftstoffstrategien verfolgen und Konzepte, die auf Elektromotoren basieren und unterschiedliche Speichertechnologien verwenden. Von der Automobilindustrie werden diese sehr verschiedenen Ansätze weitgehend parallel verfolgt. Auch eine förderpolitische Festlegung in dieser konzeptionellen Vielfalt ist zurzeit noch nicht erkennbar.

Thomas Schabbach, Viktor Wesselak

5. Berechnung und Auslegung von Baugruppen

Der Abschn. 5.1 befasst sich mit dem Ladungswechsel, dem Ausschieben des Abgases und dem Füllen des Zylinders mit Luft oder Frischgas und somit dem Austausch der Zylinderfüllung. Beide Vorgänge unterscheiden sich deutlich. Das Einströmen des Frischgases prägt die Gemischbildung und das Strömungsfeld im Zylinder. Zudem steuert der Ladungswechsel den im Zylinder verbleibenden Abgasanteil, das so genannte Restgas. Der Ladungswechsel beeinflusst so entscheidend die Verbrennung, daraus resultierend insbesondere den Drehmomentverlauf über der Motordrehzahl an der Volllast, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen in der Teillast sowie die Leerlaufqualität des Motors.Einführend wird die eindimensionale Simulation des Ladungswechsels vorgestellt. Ausgehend vom Ladungswechsel mit herkömmlichem starrem Ventiltrieb werden die Vorzüge variabler Steuerzeiten erörtert und es wird auf entsprechende Ausführungsformen des Ventiltriebs eingegangen.Um vorhandene, d. h. hier konkret im Ladungswechsel des Hubkolben-Verbrennungsmotors versteckte Potenziale, auszuschöpfen, bedarf es auch der Variabilität des Ventilhubs. In einfachster Ausprägung entspricht dem die variable Ventilhubumschaltung. Ein großer Schritt bedeutet schließlich der voll variable Ventiltrieb, der auch den kontinuierlich variablen Ventilhub beinhaltet. Dieser ermöglicht die drosselfreie Laststeuerung mit erheblicher Kraftstoffverbrauchseinsparung bei niedriger Last und Drehzahl. Ergänzend wird auch auf die Besonderheiten des Ladungswechsels von Turbomotoren eingegangen. Neben ausführlicher Diskussion des Ladungswechsels findet zudem die Berechnung des dynamischen Verhaltens von Ventiltrieben Berücksichtigung.Vor dem Hintergrund rückläufiger Absatzzahlen bei Pkw-Dieselmotoren bestand für die Automobilhersteller zwecks Erreichung der CO2-Flottenemissionsziele, d. h. Vermeidung von Strafzahlungen, die Notwendigkeit, Ottomotoren mit neuen Technologien auszurüsten. So wurden bei einzelnen Vierzylindermotoren u. a. die Zylinderabschaltung, das Miller-Verfahren und die variable Verdichtung eingeführt. Auf Erstere geht der Abschn. 5.1 ebenfalls ein. Mit Letzterer befasst sich der Abschn. 5.3.Beim Massenausgleich des Hubkolbenmotors, Abschn. 5.2, geht es darum, die Einleitung von niederfrequenten Schwingungen über die Motoraufhängung in die Karosserie durch primäre Maßnahmen am Motor selbst zu minimieren. Dies setzt eine günstige Auslegung des Triebwerks hinsichtlich seiner freien Massenwirkungen voraus. Dabei ist zwischen dem Ausgleich rotierender und oszillierender Massenkräfte und -momente zu unterscheiden. Oszillierende Massenkräfte und -momente weisen auch höhere Ordnungen auf, von denen jedoch lediglich noch die 2. Ordnung von praktischer Bedeutung ist.Einführend wird der Massenkraftausgleich 1. Ordnung des Einzylinder-Triebwerks mittels Gegengewichten an der Kurbelwelle erläutert, darauf basierend der der Reihenmotoren und des V2-Triebwerks. Der Massenmomentausgleich 1. Ordnung mittels Gegengewichten wird am Beispiel des so genannten Längskippmoment-Ausgleichs erklärt. Nicht längssymmetrische Kurbelwellen stehen dabei im Fokus. Bei einigen gebräuchlichen Kröpfungsanordnungen kann das Massenmoment 1. Ordnung durch den so genannten „Normalausgleich“ (Ausgleich von 100 % der rotierenden und 50% der oszillierenden Massenkräfte) zumindest halbiert oder sogar gänzlich ausgeglichen werden.Aufgrund gestiegener Komfortansprüche werden mittels Gegengewichten an der Kurbelwelle nicht ausgleichbare oszillierende Restkräfte 2. Ordnung bzw. rotierende -momente 1. Ordnung mit zwei gegensinnig rotierenden Ausgleichswellen bzw. einer gegen die Drehrichtung der Kurbelwelle rotierende Ausgleichswelle vollständig kompensiert.

Eduard Köhler, Rudolf Flierl

11. Family Business Governance: Struktur und Besetzung von Gremien in Familienunternehmen

Corporate Governance in Familienunternehmen wird mit dem Faktor der Familie komplexer als in vergleichbaren Nicht-Familienunternehmen. Die neue Dimension der Familie muss organisiert werden. Daher ist die sogenannte Family Business Governance ein kritischer Faktor für den langfristigen Erfolg und Bestand des Familienunternehmens (in Familienhand). Gremien dienen dabei als Governance Instrumente und können die Interessen von Familie und die Unternehmen in Einklang bringen. Dabei ist insbesondere die Besetzung der Gremien ein entscheidender Erfolgsfaktor, um als Mittler von Unternehmens- und Familieninteressen zu funktionieren. Das beschriebene Familienunternehmen steht vor wichtigen Entscheidungen hinsichtlich Besetzung und Rolle der etablierten Unternehmensgremien. Insbesondere die Altersstruktur und das geplante Ausscheiden des geschäftsführenden Gesellschafters stellt das erfolgreiche Unternehmen vor große Herausforderungen. Einige Mitglieder würden gerne ihre Nachfolge regeln und aufgrund ihres Alters ausscheiden, andere möchten gerne weiter in den Gremien des Unternehmens bleiben. Die aktuellen Mitglieder sind langjährige Begleiter des Unternehmens und tief mit dem Unternehmen verwurzelt. Auch im Familieneinfluss stehen gravierende Veränderungen an. Neben diesen Personalentscheidungen stehen die Mitglieder vor der Entscheidung, wie die Rolle der Stiftung für die zukünftige Unternehmensstruktur aussehen soll. Geplant ist eine stärkere Einbindung als Finanzier des geplanten Unternehmenswachstums der Gruppe. Auch die Rolle der Stiftung als Mediator zwischen Familie und Unternehmen soll hinterfragt werden. Thematische Anlehnung an das Lehrbuch Family Business Governance, Gremienstruktur, Gremienbesetzung, Familieneinfluss Industrie Dienstleistungen, Metallindustrie, B2B Ort Deutschland

Gabor Neumann

Abgasnachbehandlung

Zunächst werden die wichtigsten Abgasbestandteile vorgestellt und deren Entstehung erläutert. Im Detail werden anschließend die innermotorischen Maßnahmen diskutiert, die ergriffen werden können, um die Abgasrohemissionen des Motors zu reduzieren. Diese Maßnahmen werden außerdem im Hinblick auf ihr Reduktionspotenzial gegenüber den aus der Verbrennung resultierenden Geräuschemissionen und dem spezifischen Kraftstoffverbrauch eines Dieselmotors bewertet.Nach einer einleitenden Beschreibung des Begriffs Abgasnachbehandlung wird der aktuelle Aufbau von Abgasnachbehandlungssystemen für Dieselmotoranwendungen in Pkw, leichten und schweren Nutzfahrzeuganwendungen sowie mobilen Arbeitsmaschinen ausführlich erläutert.Abgasnachbehandlungssysteme sind, je nach Anforderung an die Emissionsminderung, aus Systemen zur Eindosierung von Hilfsstoffen (wässrige Harnstofflösung, Kraftstoff), Partikelfilter und verschiedenen Katalysatoren (Diesel-Oxidations-Katalysator, SCR- und NSC-Katalysator) aufgebaut. Die in Verwendung befindlichen Einzelkomponenten werden charakterisiert und hinsichtlich ihrer Funktion und Auslegungsmerkmale beschrieben. Detailliert wird anschließend auf Auslegung, Einsatzrandbedingungen, Wechselwirkung zwischen motorischen Betriebsparametern und den einzelnen Abgasnachbehandlungskomponenten untereinander sowie die Systemintegration eingegangen.

Dr.-Ing. Sebastian Fischer, Dr.-Ing. Michael Krüger, Dr.-Ing. Ulrich Projahn, Dr.-Ing. Hartmut Lüders, Dipl.-Ing. Florian Dittrich

Gemischbildung und Dieseleinspritzung

Der Dieselmotor ist ein Selbstzündungsmotor mit innerer Gemischbildung. Daher ist für eine effiziente und schadstoffarme Verbrennung die physikalisch-chemische Aufbereitung des Luft-Kraftstoffgemischs von zentraler Bedeutung. Die optimale Zerstäubung des Kraftstoffs sowie seine zeitlich und örtlich exakte Zumessung sind, neben der Luftbewegung im Brennraum, dafür entscheidend. Der dazu erforderliche Einspritzdruck, die exakte Mengendosierung und die gewünschte Strahlausbreitung mit schnellem Strahlzerfall und Bildung sehr feiner Tröpfchen muss durch das Einspritzsystem bereitgestellt werden. Nach Erläuterung der Zusammenhänge von Zerstäubung und Verbrennung werden die wesentlichen Einspritzparameter der dieselmotorischen Verbrennung dargestellt und deren Wirkung detailliert beleuchtet.Abgeleitet von den Grundfunktionen eines Dieseleinspritzsystems werden im nachfolgenden Abschnitt die verschiedenen Einspritzsystembauarten schematisch dargestellt und erörtert.Aufgrund ihrer großen Flexibilität haben sich zwischenzeitlich Speichereinspritzsysteme in allen Motoranwendungen durchgesetzt. Neben den bei Nutzfahrzeugen noch in Verwendung befindlichen magnetventilgesteuerten Einzelpumpensystemen wird daher schwerpunktmäßig auf die Common-Rail-Systeme eingegangen. Aufbau und Funktion des Gesamtsystems sowie dessen Steuerung und Regelung werden ausführlich aufgezeigt und beschrieben. Die Besonderheiten für Einspritzsysteme für Großdieselanwendungen werden, einschließlich des Betriebs mit Schweröl, ebenfalls behandelt.

Dr.-Ing. Sebastian Fischer, Dr.-Ing. Ulrich Projahn, Dipl.-Ing. Werner Pape, Dr. techn. Christoph Kendlbacher, Dipl.-Ing. Matthias Hickl, Dipl.-Phys. Thomas Becker, Dr.-Ing. Christian Seibel, Dipl.-Ing. Martin Bernhaupt

Hochdruckkomponenten des Common-Rail-Systems für Pkw- und Nfz-Dieselmotoren

Nach Aufschlüsselung der verschiedenen Bosch-Common-Rail-Systeme im Hinblick auf Druck, Anwendung und Bauart von Injektor und Hochdruckpumpe erfolgt eine detaillierte Beschreibung von Aufbau und Funktion der jeweiligen Hochdruckkomponente.Die Injektoren sorgen für die zeit- und mengengerechte Dosierung der eingespritzten Kraftstoffmenge. Nach Darstellung der verschiedenen Bauarten werden Grundfunktion und Ansteuerung von Injektoren mit Magnetventil, mit und ohne Druckübersetzer sowie Piezo-Aktuator ausführlich beschrieben.Über die Hochdruckpumpe wird dem System die benötigte Kraftstoffmenge auf dem betriebspunktabhängig gewünschten Druckniveau bereitgestellt. Nach der detaillierten Beschreibung der Grundfunktion einer Hochdruckpumpe, deren Kopplung an den Motor und die Realisierung einer bedarfsgerechten Mengensteuerung wird auf den Aufbau und die Funktion der verschiedenen Pumpenbauarten für Pkw- und Nfz-Anwendungen eingegangen.Der Kraftstoffspeicher (Rail) dient dazu, den Kraftstoff bei hohem Druck zu speichern, die Injektoren mit der nötigen Kraftstoffmenge zu versorgen und Druckschwankungen infolge Befüllung und Entnahme zu dämpfen. Aufbau und Funktion von Rail, Druckregel- und Druckbegrenzungsventil werden ausführlich dargestellt und erläutert.An Einspritzsysteme für Großdieselmotoren werden besondere Anforderungen gestellt. Nach deren Darstellung werden die, auf dieser Basis entwickelten, Systemkomponenten des modularen Common-Rail-Systems in Aufbau und Funktion umfassend veranschaulicht und beschrieben. Neben den üblichen Common-Rail-Komponenten, wie Injektor und Hochdruckpumpe, werden auch Bauelemente für den Betrieb mit Schweröl behandelt.Die Geometrie und die fertigungstechnische Präzision der Einspritzdüse sind maßgeblich für Sprayausbildung und Gemischaufbereitung und damit für Verbrennungseffizienz und -qualität verantwortlich. Aufbau, Düsenbauarten und deren Auslegung sowie Weiterentwicklungen werden ausführlich dargestellt. Abschließend werden noch Düsenhalter und Hochdruckverbindung erläutert.

Dipl.-Ing. Christoffer Uhr, Dr.-Ing. Dietmar Zeh, Dipl.-Ing. Andreas Rettich, Dr. techn. Helmut Sommariva, Dr.-Ing. Ulrich Projahn, Dipl.-Ing. Uwe Gordon, Dipl.-Ing. Gerd Lösch, Dipl.-Ing. Michael Stengele, Dipl.-Ing. Tomáš Kománek, Dipl.-Ing. Helmut Gießauf, Dipl.-Ing. Peter Haider, Dr. techn. Christoph Kendlbacher, Dipl.-Ing. Johannes Schnedt, B.Sc. MBA Adil Okumuşoğlu, Dipl.-Ing. Herbert Lederhilger, Dipl.-Ing. Mario Stasjuk

Dieselmotoren im Hybridantrieb

Hybridisierte Pkw sind in der Verbindung mit Ottomotoren seit über einer Dekade weltweit verfügbar und zeigen insbesondere im innerstädtischen Betrieb deutliche Einsparpotentiale. Bei Diesel-Antriebssträngen spielen elektrische Hybride aufgrund der damit verbundenen höheren Kosten bislang nur eine untergeordnete Rolle. Es zeichnet sich aber ab, dass sowohl bei Pkw als auch bei Nutzfahrzeugen die Elektrifizierung der Antriebsstränge eine wichtige Rolle spielen und die Marktdurchdringung stark steigen wird. Die Gründe dafür liegen zum einen in der weltweiten Verschärfung der CO2-Gesetzgebung zum anderen in der Bestrebung, emissionsfreie Zonen oder Flotten vorzuschreiben. In diesem Zuge wird auch das Kosten-Nutzen-Verhältnis von Diesel-hybridischen Antriebssträngen zunehmend attraktiver. Im ersten Abschnitt werden Ursachen und Randbedingungen sowie technische Lösungen vorgestellt. Dabei werden auch die Rückwirkungen der Hybridisierung auf den Betrieb und die Auslegung von Komponenten des Einspritzsystems und der Abgasnachbehandlung aufgezeigt und beispielhaft dargestellt. Die Hybridisierung des Antriebstrangs von Nutzfahrzeugen ist Gegenstand des sich anschließenden Abschnitts. Auf Grund der spezifischen Anwendungen, den damit verbunden unterschiedlichen Lastzyklen und Systemanforderungen kommen in den einzelnen Nutzfahrzeugsegmenten verschiedene Konzepte zum Einsatz. Hierzu werden einige Konzepte und Anwendungsfälle beschrieben und deren Nutzen quantifiziert.

Dr.-Ing. Michael Merkle, Dipl.-Ing. Oliver Käfer

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 14. Radnabenantriebe

Der klassische Pkw in verschiedenen Elektrifizierungsstufen wird um neue Fahrzeugkonzepte wie beispielsweise autonome Stadtfahrzeuge ergänzt. Grundsätzlich kann man die von einem oder mehreren Elektromotoren erzeugten Antriebskräfte auf verschiedenen Wegen übertragen. Bei derzeit realisierten Hybrid- und Elektrofahrzeugen dominieren getriebeintegrierte Traktionsmotoren, konventionelle Elektroantriebe werden heute als Zentralantriebe ausgeführt. Elektrische Radnabenantriebe verfolgen hingegen einen dezentralen Ansatz über das einzelne Rad und bieten dadurch ein hohes Potenzial, völlig neue Fahrzeugarchitekturen mit hoher Raumeffizienz zu verwirklichen.

Sebastian Wielgos

Kapitel 1. Motivation

In naher Zukunft werden elektrifizierte Antriebe vor allem in urbanen Zentren einen signifikanten Anteil darstellen. Die Vorteile der lokalen Emissionsfreiheit, einer tendenziell geringeren Lärmbelastung, das hohe Drehmoment und die Effizienz des Antriebs überzeugen weltweit immer mehr Autokäufer. In den wichtigsten Automobilmärkten wird die Entwicklung der elektrifizierten Antriebe allerdings nicht einheitlich und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit verlaufen; zu unterschiedlich sind kulturelle Besonderheiten, Anzahl kaufbereiter Endkunden, Infrastrukturaufbau sowie die gesetzlichen Vorgaben und ihr jeweiliger Fokus.

Peter Gutzmer, Eike Todsen

1. Mission, History, Trends, Markets, and Costs

The prosperity of a nation needs mechanization in general [1.1]. However, a first step should address agriculture [1.2].

Karl Theodor Renius

Kapitel 8. Entwicklung eines SD-Modells zur Abbildung kommunaler Umweltzonen

Im Folgenden wird das entwickelte SD-Modell vorgestellt, das die Ursache-Wirkungszusammenhänge kommunaler Umweltzonen und ihre relevantesten Einflussfaktoreil abbildet.

Benjamin Dahmen

Status Report on Automotive Software Development

Due to rapid changes in the development of modern automotive systems, the involved development methods, processes, and toolchains are constantly changed, modified, and improved to be able to handle the increasing complexity of the development procedure. In this chapter, the main current challenges in the development itself as well as in the modification of the implied processes are summarized, and both a textual and a graphical overview of the main currently involved tools are given. The provided information can be used for optimal planning of development processes for future automotive systems.

Florian Bock, Christoph Sippl, Sebastian Siegl, Reinhard German

Active materials for electrical motors – Leverage for reducing costs and increasing performance

Driven by new social, environmental and economic challenges the automotive industry has to face those challenges in order to offer fascinating products for the costumer. The so-called CASE trends will lead to a fundamental change in the automotive industry.

Moritz Kilper, Hristian Naumoski, Steffen Henzler

UNICARagil – New architectures for disruptive vehicle concepts

This paper provides an overview of the research topics of the UNICARagil project with the focus on different architectures, such as the mechatronic, the software, and the mechanic architecture. The main research questions as well as possible solutions, which will be investigated in this project, are described. The project is funded by the Federal Ministry of Education and Research of GermanyIn terms of the mechatronic and the software architecture, this paper focuses on the ECU concept: the main tasks of the automated driving process are executed on three ECUs, which are called the cerebrum, the brainstem and the spinal cord. This architecture supports the modular approach regarding functional safety, the ability of future updates and upgrades, and the service orientated architecture (SOA) of the software. The well-known SOA approach is transferred to automotive applications and becomes the automotive service orientated architecture (ASOA).Furthermore, the mechanic structure of the four vehicles AUTOtaxi, AUTOelfe, AUTOliefer and AUTOshuttle is described.

Dan Keilhoff, Dennis Niedballa, Hans-Christian Reuss, Michael Buchholz, Fabian Gies, Klaus Dietmayer, Martin Lauer, Christoph Stiller, Stefan Ackermann, Hermann Winner, Alexandru Kampmann, Bassam Alrifaee, Stefan Kowalewski, Fabian Klein, Michael Struth, Timo Woopen, Lutz Eckstein

Methanol – der Kraftstoff, der uns morgen antreibt

Die Energie- und Rohstoffwende stellt uns in Deutschland vor zahlreiche Herausforderungen. In der gegenwärtigen Situation wird sie aus verschiedenen Gründen eher als Bedrohung denn als Chance gesehen, wodurch die Möglichkeiten, die die Energiewende bietet, verspielt werden. Dabei stehen wir vor einer historischen Gelegenheit, Umweltschutz, Energieeffizienz und Mobilität zum Nutzen aller zu vereinen.

Martin Bertau, Michael Kraft, Ludolf Plass, Hans-Jürgen Wernicke

Das Potenzial einer alternativen Kraftstoffstrategie

Die Erreichung der in Paris vereinbarten Klimaziele zur Reduktion des CO2-Abdruckes („carbon footprint“) bedarf bedeutender Veränderungen, besonders jedoch zukunftsfähiger Innovationen im Energiebereich. In Deutschland haben sich hierbei die Sektoren des Energiesystems im Zuge der Energiewende und der Umsetzung des Klimaschutzplans 2050 in unterschiedlichem Maß weiterentwickelt. Während etwa im Jahr 2014 in der Energiewirtschaft und im Gebäudesektor bereits ein sichtbarer Rückgang bei den CO2-Emissionen gegenüber dem Referenzjahr 1990 erreicht wurde, stagnieren demgegenüber die CO2-Emissionen im Verkehrssektor.

Olaf Toedter, Thomas Koch

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

Kapitel 5. Fallstudien zur SNP

In den vorangegangenen Kapiteln wurde die eigene, explorative Fallstudienforschung vorbereitet, wobei zum einen die begrifflichen und theoretischen Grundlagen (Kapitel zwei und drei) und zum andern die Methodik der empirischen Untersuchung (Kapitel vier) vorgestellt wurden. Als Forschungsdesign wurde die Fallstudienmethode von Eisenhardt gewählt. Hiernach hat das folgende Kapitel fünf die Aufgabe, die Ergebnisse der Datenanalyse vorzustellen.

Oliver Reichel-Busch

6. Großdieselmotoren

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

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

Engine-in-the-Loop: A Method for Efficient Calibration and Virtual Testing of Advanced Diesel Powertrains

This paper will present tools and use cases for Engine-in-the-loop (EiL) operation of diesel powertrains as one part of a virtualized calibration and testing process. Manufacturers of passenger cars and other light duty vehicles are facing tightening emissions standards and CO2 requirements, leading to an increase in powertrain complexity including different stages of hybridization and additional challenges to the engine and the Exhaust gas After Treatment System (EATS). In this context, virtualization is the key element in the development process to provide, on the one hand, a system level test environment at an early project phase without the necessity to build-up a demonstrator vehicle, and, on the other hand, to ensure a high calibration quality and emission compliance under all boundary conditions, while keeping the development effort and cost low.The first part of the paper will focus on the general setup of the hardware and communication between the different systems at a modern engine test bench architecture dedicated to applying the Engine-inthe-Loop approach in a virtual experimentation platform.The second part of the paper will elaborate on the diesel specific challenges of the engine operation in a virtualized environment. The repeatability and reliability of the transient behavior of the entire powertrain in general and in particular the EATS, is essential for substitution of chassis dyno tests by EiL testing. Therefore, conditioning of the engine and its components is implemented based on simulation models. This will be shown by the results of a use case with a modern 2l diesel engine. As an outlook, the extension of the EiL test bed to a virtual hybrid powertrain testbed is also presented, and the benefits for hybrid testing and operating strategy optimization are discussed.

Tom Jung, Matthias Kötter, Joschka Schaub, Carole Quérel, Silja Thewes, Hassen Hadj-amor, Marcel Picard, Sung-Yong Lee

8. Lösungen und Hinweise

In diesem Kapitel finden sich Lösungen oder Lösungshinweise zu den in den vorangegangenen Kapiteln gestellten Übungsaufgaben.

Prof. Dr. Ralf Benölken, Dr. Hans-Joachim Gorski, Dr. Susanne Müller-Philipp

Technologien für moderne Einspritzsysteme von Großdieselmotoren

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

Michael Willmann, Hartmut Schneider

12. Kraft-Wärme-Kopplung

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

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

Development of a Road Condition Observer for the “Vehicle Motion Control” Project

The Continental Road Condition Observer (RCO) opens up new application possibilities in the field of automated driving and driver assistance systems. Safe operation under virtually all ambient conditions is an essential requirement for vehicles that are to be used in everyday, real-world driving conditions. The RCO is intended to reduce accidents when driving on wet or slippery roads.

Thomas Raste, Peter Lauer, Bernd Hartmann

Entwicklung eines Road Condition Observers im Projekt “Vehicle Motion Control”

Der Road Condition Observer (RCO) von Continental bietet dem automatisierten Fahren und den Fahrerassistenz-Systemen eine neue Dimension in der Einsetzbarkeit. Notwendigerweise müssen alltagstaugliche Transportmittel bei fast allen Umweltbedingungen sicher einsetzbar sein. RCO soll dazu dienen, Unfälle wegen nassen oder glatten Straßen zu reduzieren.

Thomas Raste, Peter Lauer, Bernd Hartmann

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

T4. Werkzeugmaschinen zum Umformen

Das Gestell einer Umformpresse, auch Pressenkörper oder Pressenrahmen genannt, muss folgende Funktionen erfüllen: Aufbringen der Umformkräfte Führung eines oder mehrerer Stößel (Zieh‑, Blechhalter‑, Auswerferstößel etc.) Schließen des Kraftflusses. Bild 1 zeigt verschiedene Ausführungen von Pressengestellen.

Prof. Dr.-Ing. Mathias Liewald, Prof. Dr.-Ing. Stefan Wagner

Analysis of the potential of a new control approach for traction control considering a P2‑Hybrid drivetrain

Alexander Zech, Dr.-Ing. Thomas Eberl, Carsten Marx, Prof. Dr.-Ing. Steffen Müller

Objectification of the feedback behavior of the suspension and steering system

Dario Düsterloh, Dr.-Ing. Anton Uselmann, Julian Scherhaufer, Dr.-Ing. Christoph Bittner, Prof. Dr.Ing. Dr. h.c. Dieter Schramm

Die Chancen und Potenziale von hybriden Antriebsmaßnahmen in Verbindung mit Ultraleicht-Fahrzeugen

49 gCO2/km, 600 kg Fahrzeuggewicht – Ambitionierte Ziele verlangen nach ganzheitlich innovativen Lösungsansätzen. Das Fahrzeugkonzept CULT (Cars‘ Ultra Light Technology) vereint in weiten Teilen evolutionäre Ansätze, welche sich über die gesamte Fahrzeugentwicklung erstrecken. Die Integration eines Riemen-Starter-Generators in die Antriebsarchitektur unterstützt das ehrgeizige Gewichtsziel im Vergleich zu aufwendigen Hochvolt Hybridkonfigurationen und bietet bei minimalem Systemaufwand ein deutliches Potenzial im Hinblick auf die CO2 Reduktion. Die Anbindung der Starter-Generator Einheit an das Getriebe und die aus dem geringen Fahrzeuggewicht resultierenden niedrigen Fahrleistungsanforderungen erhöhen die hybriden Freiheitsgrade und ermöglichen einen rein elektrischen Antrieb bei geringen Geschwindigkeiten trotz 12 Volt Bordnetz Topologie. Insgesamt führen diese Maßnahmen zu einer CO2 Minderung von 9,5 % im Vergleich zu konventionellen Start Stopp Konfigurationen.

Robert Steffan, Peter Hoffmann

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

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

Robota Arnim, Dörre Torsten

6. Großdieselmotoren

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

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

Generation of optimal shim stacks for valves in automotive dampers

Today, tuning of hydraulic vehicle shock absorbers is still mainly an empirical and iterative process performed in ride tests. The used valve systems are based on shim stacks which provide a wide behavior variety by millions of different shim combinations where, however, many shim stack variants have rather similar stiffness or flexibility characteristics. In this paper, a strategy based on finite element analysis and numerical optimization is presented for finding an optimal stacking. It allows to automatically identify shim stacks with similar flexibility characteristics taking into account limitations for specific design parameters which may for example improve and cheapen the serial production process. This strategy can also be exploited by transforming the shim stacks resulting from the physical tuning dampers used in ride tests into more robust shim stacks regarding the influence of manufacturing tolerances which are always present in mass production.

Timo Hofmann, Tobias Brenner, J. Hupfeld, D. Bestle

A container-based architecture for the flexible coupling of communication protocols

In the context of Industry 4.0 [1], components of production facilities are getting increasingly connected. Therefore, communication between multiple devices from different manufacturers with different communication protocols is necessary. This task is solved by protocol converters and gateways. The communication at the shop floor, where real-time communication is required, is implemented using industrial fieldbus protocols. The communication to the office floor on the other hand, has no real-time requirements and is implemented using protocols, like MQTT, AMQP, or OPC UA. The communication between shop floor and office floor requires a mapping of parameters and data models, which is done manually during commissioning of the devices in the shop floor.The integration effort increases with the number of protocols used (see Figure 1). If a protocol should be replaced in a 1-to-2 architecture, each interface (number n) to that protocol must be changed. In case of a bidirectional communication, the implementation of each interface must be changed in both devices, which result in a quadratic increase of configuration effort. A common strategy to reduce the integration effort is to limit the number n of protocols in a production facility. However, limiting the number of protocols means also limiting the amount of available devices, because not every device supports every protocol. On the other hand, having many different protocols on the shop floor increases the configuration effort to change the protocol in the office floor.

Timur Tasci, A. Schmidt, Matthias Milan Strljic, A. Verl

4. Klima und Energie

Prof. Dr. Ulrich Förstner, Prof. Dr. Stephan Köster

1. Trends in der Automobil-Sensorik

Die Automobilindustrie befindet sich in einem starken Umbruch. Die Elektrifizierung des Antriebs und die Automatisierung der Fahrfunktionen sowie die Anbindung an die Umwelt insgesamt sind drei der Hauptfaktoren, die die Automobillandschaft in den nächsten 20 Jahren erheblich verändern werden. Fahrzeugarchitektur, Systeme und zugrundeliegende Komponenten werden dadurch radikal beeinflusst und es entstehen neue Möglichkeiten. In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten und Trends für neue Sensortechnologien in einigen interessanten neuen Anwendungsfeldern beschrieben.

Richard Dixon

Einsatz von Spezialmesstechnik im Mechanik-Testing am Beispiel detaillierter Untersuchungen druckdynamischer Effekte im Kolbenringpaket

Effizienzsteigerung und Emissionsreduzierung gehören zu den Hauptentwicklungszielen moderner Verbrennungsmotoren. Die Reduktion der mechanischen Verluste liefert dazu einen signifikanten Beitrag. Betriebspunktabhängig werden 30 bis 50 % der Gesamtmotorreibung vom Tribosystem Kolben – Kolbenring – Zylinder verursacht. Ölverbrauch und HC-Emissionen werden maßgeblich von der Dichtwirkung des Kolbenringpaketes beeinflusst, welche für unterschiedlichste Betriebsbedingungen sichergestellt werden muss. Reibungsreduktion und hohe Dichtwirkung stellen dabei mitunter einen Zielkonflikt dar. Daher kommt besonders vor dem Hintergrund zukünftiger Emissionsziele der Optimierung dieses Tribosystems eine große Bedeutung zu. Um den Entwicklungsprozess zeit- und kosteneffizient gestalten zu können, kommen komplexe Simulationsmodelle zum Einsatz. Zeitlich hochaufgelöste Messdaten bilden dabei eine unverzichtbare Grundlage zur Validierung dieser Modelle und ermöglichen eine hohe Simulationsgüte und verlässliche Vorhersagegenauigkeit. Zur Analyse und zum tieferen Verständnis der dynamischen Effekte im Kolbenringpaket von Verbrennungsmotoren wurde am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen VKA der RWTH Aachen University in Kooperation mit der FEV GmbH eine Spezialmesstechnik entwickelt. Diese ermöglicht die Erfassung des axialen und radialen Bewegungsverhaltens der Kolbenringe sowie der dynamischen Druckausbreitung im gesamten Kolbenringpaket. Darüber hinaus kann das dynamische Deformationsverhalten der Kolbenringe untersucht werden. Eine beanspruchungsgerechte Auslegung der Messtechnik sowie der Signalübertragung ermöglicht dabei die Untersuchung im gesamten Betriebskennfeld typischer Verbrennungsmotoren für PKW Anwendungen. Die ermittelten Messdaten zeigen verschiedenste Einflüsse auf das dynamische 3D-Bewegungsverhalten und die damit verbundene Druckkaskade entlang des Kolbenringpaketes sehr detailliert auf. Dieser Beitrag zeigt am Beispiel der Kolbenringdynamik das Potential von Spezialmesstechniken sowohl hinsichtlich Troubleshooting Anwendungen im konkreten Problemfall als auch hinsichtlich des Aufbaus von notwendigen Detailkenntnissen zur Validierung von Berechnungsergebnissen und zur Weiterentwicklung der Simulationswerkzeuge im modernen Entwicklungsprozess von Verbrennungsmotoren auf.

Daniel Henaux, K. Orlowsky, M. Plettenberg

Methode zur durchgängigen Motor-/Kühlsystemauslegung unter transienten Betriebsbedingungen in Realszenarien

Die Auslegung von Antriebsstrang und Kühlsystem ist eine wichtige und zugleich zunehmend komplexe Aufgabe im Zuge der Entwicklung von Fahrzeugen, weil mit zunehmenden Thermomanagementfunktionen und der Elektrifizierung des Antriebsstranges vielfältige Interaktionen der verschiedenen Subsysteme zu beachten sind und eine umfassende Optimierung nur mit einer ganzheitlichen Betrachtung des Gesamtsystems „Fahrzeug“ gelingt. Eine solche Vorgehensweise stellt den Entwickler jedoch bei der Betrachtung von realistischen Betriebssituationen und insbesondere bei sogenannten kritischen Realfahrszenarien vor die Herausforderung, dass in frühen Entwicklungsphasen nur begrenzt Fahrzeugdaten zur Verfügung stehen und realistische Lastkollektive zur Auslegung von Antriebsstrang und Kühlsystem unter transienten Betriebsbedingungen in der Regel nur abgeschätzt werden können.

Christian Donn, Niko Papadopoulos, Peter Stopp

Kapitel 5. Beschreibung und Einordnung ausgewählter Fallstudien

Die grundlegende Idee des vorliegenden Falls befasste sich mit der Entwicklung einer elektrisch sehr gut leitfähigen, bedruckbaren Materialformulierung („Drucktinte“), die auf flexible Substrate aufgebracht werden kann. Somit können günstig herstellbare Komponenten für tragbare, flexible bedruckte Elektronikanwendungen zugänglich gemacht werden. Die Hauptfragestellung war, eine Alternative für die sehr gut elektrisch leitfähigen, jedoch sehr teuren Materiallösungen, die auf Au-, Ag- oder Cu-Kolloidsysteme basieren, zu entwickeln.

Sebastian Gramlich, Emanuel Ionescu, Eckhard Kirchner, Karsten Schäfer, Stefan Schork

Intelligente Korrektur eines Schweißroboters

Die Robotertechnik findet für viele Aufgaben in der Industrie selbstverständlichen Einsatz. Für diese Aufgaben werden die Roboter geteacht. Dafür müssen die zu bearbeitenden Bauteile sowohl geringe Toleranzen, als auch eine hohe Positioniergenauigkeit vorweisen. Bei kleineren Bauteilen, wie beispielsweise in der Automobilindustrie, kann diese Genauigkeit durch Einspannvorrichtungen erreicht werden.In der Bauindustrie sollen Robotersysteme ebenfalls mehr Anwendung finden, um die Verarbeitung zu beschleunigen und die Herstellungskosten zu minimieren. Die üblichen Toleranzen liegen hier allerdings im Zentimeterbereich. Daher setzt der Roboter-Einsatz Selbstkorrektur-Strategien voraus, welche mit geeigneten Sensoren und parametrisierbaren Prüfprogrammen die Abweichungen identifizieren.Die Abweichungen gegenüber den CAD-Daten können mit den beschränkten Möglichkeiten von Systemen zur Selbstkorrektur nur vereinfacht abgebildet werden. Daher kommt es zu Schweißnähten, die keine Qualität hoher Güte aufweisen. Die Aufarbeitung von Ausschussteilen erfordert manuelle und kostenintensive Reparaturarbeiten. Aus diesem Kontext ergibt sich ein Handlungsbedarf, bestehende Selbstkorrektur-Strategien zu optimieren.Die vorliegende Arbeit beschreibt das Konzept einer CAD-basierten Korrekturstrategie, welche eine höhere Genauigkeit bietet als die bisher eingesetzten Systeme. Mit einer am Roboter montierten optischen 3D-Sensorik kann die äußere Form des zu schweißenden Bauteils ermittelt, und anschließend auf die CAD-Daten projiziert werden. Eine selektive Form des CAD-Messdaten-Vergleichs minimiert den Einfluss von störenden Einspannvorrichtungen und erhöht die Genauigkeit der ermittelten Korrekturen. Gegenüber der merkmalbasierten Selbstkorrektur sinkt der Aufwand zum Parametrisieren des Prüfprogramms und Teachen des Roboters deutlich.Im Rahmen eines Projekts im Spitzencluster intelligente technische Systeme Ostwestfalen- Lippe konnte die Integration einer 3D-Sensorik am Schweißroboter evaluiert werden.

Hannes Wilmsmeyer, Martin Flasskamp, Marc-Oliver Schierenberg

Kombination von Vorturbokatalysator und mechanischer Aufladung – ein Emissions- und Verbrauchskonzept am Dieselmotor

Im Pkw-Bereich erfreut sich der Dieselmotor trotz der aktuellen Diskussionen hinsichtlich einer erhöhten NOx-Emission speziell im realen Fahrbetrieb nach wie vor an großer Beliebtheit. Fast jeder zweite Kunde in Europa entscheidet sich für einen Dieselmotor als Antriebsaggregat. Die Gründe dafür liegen sowohl in der hohen Leistungsdichte und der guten Drehmomentcharakteristik als auch im niedrigen Kraftstoffverbrauch. Das Letztgenannte ist nicht nur für den Kunden von besonderem Interesse, sondern besitzt auch für die Automobilindustrie zum Erreichen des gesetzlich geforderten CO2-Emissionsziels von 95 g/km als mittleren Fahrzeugflottenwert bis zum Jahr 2020 eine eminente Bedeutung.

Robert Walter, Ronny Werner

Die Audi Beiträge zur ATK – 20 Jahre Erfolgsgeschichte im Zeichen des technischen Fortschritts begeisternder aufgeladener Motoren

Audi gehört seit der Markteinführung von Turbomotoren im Jahr 1979 zu den Vorreitern im Segment aufgeladener Ottomotoren und ist es bis heute geblieben. In den letzten 20 Jahren war Audi mit zahlreichen Beiträgen auf der Aufladetechnischen Konferenz (ATK) vertreten. Bereits 1997 zeigt Audi auf der 6. ATK „Moderne Auflade-konzepte der Turbomotoren“ [1] seine Kompetenz in der Auslegung und Konzeption von aufgeladenen Aggregaten. Viele Technologien, die Audi seitdem großserienreif entwickelt hat, haben frühzeitig einen Trend gesetzt und gelten heute als Standard.

Uwe Rosenberger, Markus Sonner, Rainer Wurms

Katalysatorträgerdesigns für die Abgasnachbehandlung zur Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte

Moderne Dieselmotorenkonzepte mit variabler Turbinengeometrie zeichnen sich durch hohe spezifische Leistung und niedrigen Kraftstoffverbrauch aus. Der hohe Wirkungsgrad führt jedoch zu niedrigeren Abgastemperaturen. Dieser Effekt beeinflusst die Funktion der notwendigen Abgasnachbehandlungssysteme nachteilig. Im Hinblick auf eine sich weiter verschärfende Abgasgesetzgebung und der Entwicklungstendenz hin zu zweistufigen Aufladesystemen stellt die möglichst motornahe Positionierung des Oxidationskatalysators einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde ein Vorturbolader-Katalysator (Pre Turbocharger Catalyst) mit bis zu einem Liter Volumen für maximale Konvertierungsraten entwickelt. Anhand der in diesem Beitrag dargestellten Ergebnisse aus Messungen am hochdynamischen Motorenprüfstand soll insbesondere der Zielkonflikt aus effektiver Emissionsminderung durch Einsatz des PTC und daraus resultierenden fahrdynamischen Nachteilen diskutiert und Lösungsansätze abgeleitet werden.

Markus Thiel, Ronny Werner, Rolf Brück, Sylvie Kröger, Naroa Zaldua-Moreno, Klaus Augsburg, Rüdiger Horn, Peter Hirth, Bin Hu, Christian Schorn

Gesamtheitlicher Ansatz zur Optimierung der Reibpartner Kolbenring / Zylinderlaufbahn mithilfe von Einzylinder-Versuchen

Der gesamtheitlicher Ansatz zur Bewertung von Oberflächenstrukturen der Paarung Kolbenring / Zylinderlaufbahn [1] setzt sich aus Versuchen, numerischen Simulationen und weiterführenden Analysen von Werkstoffeigenschaften zusammen. Der folgende Beitrag umfasst Auszüge zur Einbindung des Einzylinder-Versuchsmotors am Institut für Automobiltechnik Dresden (IAD) in diesen gesamtheitlichen Ansatz. Eine umfangreiche Systemanalyse der Einzylinderversuche in Bezug auf die Messgenauigkeit und auf die Übertragbarkeit auf Realzustände im Serienmotor war die Basis zur Bewertbarkeit von Oberflächenstrukturen.

Falk Hannemann

6. Konventionelle Dieselkraftstoffe

Abgrenzung des Dieselkraftstoffes (DK) gegenüber dem Ottokraftstoff. Verfügbarkeit und Qualitätsanforderungen an den Dieselkraftstoff. Herstellung und chemische Strukturen der C-H Moleküle des DK. Cetanzahlbestimmung und Beschreibung der chemisch/physikalischen Kennwerte und deren Bestimmung. Normgerechte Kraftstoffe können nur über eine Additivierung hergestellt werden. Beschreibung der Wirkung der einzelnen Additive.

Gerd Hagenow

56. Dieselmotoren für leichte Nutzfahrzeuge

Die Anforderungen an die zukünftigen Antriebe für leichte Nutzfahrzeuge steigen immer weiter an. Für eine hohe Wirtschaftlichkeit und Effizienz müssen Nutzfahrzeug-Aggregate verbrauchsarm bei gleichzeitig hohen Leistungs- und Drehmomentwerten sein. Damit wird der Zuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit eine zentrale Bedeutung beigemessen. Wegen ihrer Allroundfähigkeiten sind moderne Dieselaggregate bereits seit Jahrzehnten die dominierende Antriebsquelle für leichte Nutzfahrzeuge.

Ekkehard Pott

39. Externe Kühlung von Dieselmotoren

Als Wärmesenke ist das Motorkühlsystem ein essentieller Bestandteil jeder Wärmekraftmaschine und erfüllt die Aufgabe des Bauteilschutzes. Die Aufgaben des Motorkühlsystems gehen aber weit darüber hinaus. Ladeluft und Abgasrückführung sind zu kühlen, um einen hohen Motorwirkungsgrad bei geringen Emissionen zu erreichen. Das Kühlsystem muss außerdem so geregelt werden, dass es seine Aufgabe bei minimalem Eigenenergiebedarf erfüllt. In diesem Abschnitt wird beschrieben, wie die unterschiedlichen Kühlsystemarchitekturen aussehen, wie Wärmeübetrager für die verschiedenen Aufgaben aufgebaut sind und welche Regelstrategien für das Kühlsystem verfolgt werden. Dabei wird auf die unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Diesemotoranwendungen eingegangen.

Eberhard Pantow

1. Überblick über Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotoren sind Energieumwandlungsmaschinen. Sie wandeln einen Teil der chemischen Energie, die in Kraftstoffen enthalten ist, in mechanische Energie um. Meistens wird als Kraftstoff Benzin oder Diesel eingesetzt. Für die Verbrennung wird Sauerstoff benötigt. Dieser ist in der Umgebungsluft enthalten. Eine der großen Herausforderungen der Verbrennungsmotoren ist, möglichst viel Luft in den Motor zu bringen. Das kann durch eine Aufladung unterstützt werden.Verbrennungsmotoren werden häufig in einem großen Drehzahl- und in einem großen Lastbereich eingesetzt. Der Wirkungsgrad des Motors ist in diesem Kennfeld nicht konstant, sondern vom Betriebspunkt abhängig. Die Ursache hierfür sind Verlustquellen im Motor wie zum Beispiel Reibungsverluste oder Wärmeverluste.Bei der Verbrennung entstehen Abgase. Deren Bestandteile sind teilweise problematisch für die Umwelt. Deswegen limitiert der Gesetzgeber diese Emissionen.Verbrennungsmotoren sind heute meistens 4-Takt-Hubkolbenmotoren. Um sie optimal betreiben zu können, benötigt man eine Motorelektronik. Diese erfasst den aktuellen Zustand des Motors mit Sensoren, legt mit Funktionen Ziele fest und steuert Aktoren an, um diese Ziele zu erreichen.

Prof. Dr. Klaus Schreiner

Open Access

15. Technischer Klimaschutz

Hamburg als dicht besiedelter Ballungsraum ist ein Nettoimporteur von Strom. Im Jahr 2014 z. B. wurden in Hamburg insgesamt 12,4 TWh Elektrizität verbraucht, aber nur 3 TWh innerhalb der Stadtgrenzen produziert. Die beste Option für den Klimaschutz in der Energieerzeugung ist die Vermeidung von Treibhausgasen durch Nutzung erneuerbarer Quellen, wenn der Strom auch lokal verbraucht und in Zeiten geringen erneuerbaren Angebots nicht durch emissionsintensive Kraftwerke substituiert wird. Der Anteil von erneuerbaren Energien in der FHH am Primärenergieverbrauch lag 2012 mit 4,7 % deutlich unter dem Bundesdurchschnitt von 10,3 %. Noch deutlicher ist die Differenz bei der Stromerzeugung. Während in der Freien und Hansestadt Hamburg (FHH) 2,9 % des Bruttostromverbrauchs durch erneuerbare Energien gedeckt werden konnten, waren dies bundesweit bereits 23,7 % (Umweltbundesamt 2015). Der primäre Grund hierfür ist die für Stadtstaaten typische Flächenknappheit. Eine ausführliche Betrachtung der unterschiedlichen Kraftwerkstypen sowie die Auswirkungen des Klimawandels auf diese findet sich in ▶ Abschn. 9.2.

Prof. Dr. Detlef Schulz, Dr. Thomas Weiß

Objective assessment of the dynamic system behavior of multi-chamber air springs

Emre Boyraz, Dr. C. Kandler, M. Gantikow, Prof. Dr. Dr. D. Schramm

Systematische Optimierung der Kurbelgehäuseentlüftung in turbogeladenen Benzin- und Dieselmotoren

Bei Verbrennungsmotoren wird durch Leckageströmungen an den Kolbenringen vorbei ins Kurbelgehäuse (KGH) sowie an der Lagerung des Turboladers sogenanntes Blowby-Gas erzeugt. Es enthält neben gasförmigen auch flüssige Bestandteile, die aus Öltropfen und Ölligamenten, Verbrennungsprodukten, Kraftstoff und Wasser bestehen können. Diese flüssigen Bestandteile sind vor der Einleitung des Blow-by-Stroms in die Ansaugung oder in die Umgebung möglichst vollständig abzuscheiden und in den Ölsumpf rückzuführen.

Martin Janßen, Stefan Ruppel, Tatsuji Fukusen, Atsushi Nonaka

Vergleich einer Erdgas-Direkteinblasung und VTG-Abgasturboaufladung an einem monovalenten Downsizing-Erdgasmotor

Erdgas (CNG) bietet ein beträchtliches Potential die CO2 Emissionen im Fahrzeug zu senken. Dank einem günstigeren Wasserstoff/Kohlenstoff-Verhältnis sowie einem höheren Heizwert kann allein durch die Kraftstoffsubstitution gegenüber Benzinkraftstoffen ca. 20-25 % CO2 eingespart werden.

Simon Streng, Peter Wieske, Norman Nagel, Michael Foisel, M.Eng. Benjamin Hibberd

Der neue 3.0 l-V6-TFSI-Motor von AUDI – ausgewählte Entwicklungsergebnisse des neuen V6-Ottomotors

Mit dem 3.0l-V6-TFSI (EA839) führt AUDI die Right-Sizing Strategie in das Hochleistungssegment ein (siehe Bild 1). Der Motor leistet 260 kW (354 PS) und entwickelt als Monoturbo durch den Einsatz der Twinscroll-Technologie ein Drehmoment von 500 Nm in einem breiten Drehzahlband von 1370 min-1 bis 4500 min-1.

Andreas Möndel, Jürgen Jablonski, Andreas Rehr, Hans-Joachim Reichert, Sascha Srebacic, André Keller

Transient microstructural thermomechanical fatigue and deformation characteristics under superimposed mechanical and thermal loading, in AlSi based automotive diesel pistons

Presently AISi based alloys, consisting up to 12 element systems, are used in the manufacture of automotive pistons for light vehicle (LVD) and heavy (HD) duty diesel engines. The pistons combustion wall is subject to complex superimposed transient mechanical and thermal loading with peak operating temperature representing a homologous temperature range of 0.8–0.9 Thom.Using specialist superimposed thermomechanical bench test apparatus, ‘engine like’ TMF loading has been reproduced and a number of semi in-situ experiments have been carried out to evaluate key micro structure damage mechanisms. The evolution of micro structural damage at the interface between hard Si inclusions and the softer Al matrix has been documented using scanning electron microscopy. The deformation characteristics at the α-Al/ Si interface have been recreated using FEA techniques incorporating non-linear elasto-viscoplastic properties for the matrix material. Comparisons of bench test fatigue lives for transient superimposed high frequency and micro structural TMF loading, with fatigue lives from isothermal mechanical loading are also made.

Roman Morgenstern, Scott Kenningley

4. Komponenten und Bauteile

Hydraulik und Pneumatik sind in der Lage, auf begrenztem Raum größere Stellkräfte und Momente bereitzustellen. Das Grundprinzip der Leistungsübertragung in der Fluidtechnik wird anhand eines hydraulischen Wagenhebers erläutert. In Abb. 4.1 soll die linke Seite durch ein schweres Fahrzeug F1 und die rechte Seite durch menschliche Muskelkraft F2 belastet werden. Aufgrund des hydrostatischen Gleichgewichtes gilt im Ruhezustand4.1$$ {{p}_{1}}={{p}_{2}} \quad \text{also} \quad p=\frac{{{F}_{1}}}{{{A}_{1}}}=\frac{{{F}_{2}}}{{{A}_{2}}} \quad \text{und somit} \quad \frac{{{F}_{1}}}{{{F}_{2}}} = \frac{{{A}_{1}}}{{{A}_{2}}}\quad \text{hier also:}\quad {{F}_{1}} > F_{2}.$$Das Kräfteverhältnis hängt nur vom Flächenverhältnis ab, kann also konstruktiv nahezu beliebig gewählt werden, einzige Begrenzung ist der verfügbare Bauraum.Der Vorteil der Kraftverstärkung wird mit einem Nachteil erkauft: Soll die linke Seite angehoben werden, so gilt wegen der Kontinuitätsgleichung (3.2)4.2$$ \dot{m}=\dot{V} \cdot \rho =\dot{x} \cdot A \cdot \rho =\text{konst}$$speziell für inkompressible Medien4.3$$ {{\dot{x}}_{1}} \cdot {{A}_{1}}={{\dot{x}}_{2}} \cdot {{A}_{2}}\quad \text{und somit}\quad \frac{{{{\dot{x}}}_{1}}}{{{{\dot{x}}}_{2}}}=\frac{{{A}_{2}}}{{{A}_{1}}}\quad \text{hier:}\quad {{\dot{x}}_{1}}<\dot{x}_{2}.$$

Holger Watter

vRDE – Virtual Real Driving Emission

Die Verbrauchs- und Emissionszertifizierung anhand des NEFZ stand bis zuletzt, nicht nur im Zusammenhang mit den sogenannten „Defeat Devices“, in scharfer Kritik – 2017 soll mit der Einführung von WLTP und RDE genau diese Problematik aufgegriffen werden. Europa übernimmt damit eine Pionierrolle auf dem Gebiet der Emissionsgesetzgebung.

Dr. Markus Wenig, Dominik Artuković, Christian Armbruster

Next steps towards EGR-only concept for medium-duty industrial engine

Globally small industrial engines in the range from 2.5 to 4.5 liter displacement play a major role for construction, agricultural and other industrial applications. As shown in Figure 1 the number of emission regulated industrial engines today is still comparable small as especially in Asia and other emerging markets the emission requirements are still limited. Today SCR systems for these small engines just have been introduced and are causing several disadvantages to these applications, like space requirement, need for an infrastructure for a second liquid and additional sensors and actuators which cause some risk to reduce the robustness of these engines and at the same time increase the cost. A significant number of industrial engines in the Asia region will sooner or later require a simple and robust emission reduction technology which is easy to apply to many different applications.

Dirk Queck, Olaf Erik Herrmann

Chapter 4. Diagnosis of gasoline engines

The model-based approach for the fault diagnosis of gasoline engines follows a modular structure. The engine is divided in engine parts and their components, actuators, standard sensors and additional sensors.

Rolf Isermann

8. Motoren

Das Motorkonzept wird von vielen Faktoren beeinflusst, die oft nicht frei wählbar sind, so zum Beispiel Arbeitsverfahren (Zweitakt – Viertakt), Arbeitsprozess (Diesel – Otto), Kühlungsart (Wasser – Luft), Leistungsabstufung, Zahl und Anordnung der Zylinder, Triebwerkskonfiguration, Kurbelgehäusebauart, Steuerungsart, Aufladung unter anderem mehr.Wichtigstes Kriterium für einen Motor ist sein Verwendungszweck, Abb. 8.1. Danach richten sich die Bedingungen, unter denen bestimmte Anforderungen erbracht werden müssen.

Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer, Andreas Bilek, Dr.-Ing. Tim Gegg

7. Motorkomponenten

Die Aufgabe des Kolbens besteht darin, die bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches entstehenden Druckkräfte aufzunehmen, über den Kolbenbolzen und die Pleuelstange auf die Kurbelwelle zu übertragen.

Dr.-Ing. Uwe Mohr, Dr.-Ing. Wolgang Issler, Dr. Thierry Garnier, Prof. Dr.-Ing. Claus Breuer, Dipl.-Phys. Hans-Rainer Brillert, Dipl.-Ing. Günter Helsper, Dipl.-Ing. Karl B. Langlois, Dr.-Ing. Michael Wagner, Dipl.-Ing. Gerd Ohrnberger, Dr.-Ing. Arnim Robota, Dr.-Ing. Uwe Meinig, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Wilhelm Hannibal, Dipl.-Ing. Johann Schopp, Dr. sc. techn. ETH Werner Menk, Dipl.-Ing. Ilias Papadimitriou, Guido Rau, Wolfgang Christgen, Michael Haas, Norbert Nitz, Dr.-Ing. Olaf Josef, Dipl.-Ing. Axel Linke, Dr.-Ing. Rudolf Bonse, Dr.-Ing. Gerd Krüger, Dr. Christof Lamparski, Dipl.-Ing. Hermann Hoffmann, Dr.techn. Martin Lechner, Dipl.-Ing. GwL. Falk Schneider, Dipl.-Ing. Markus Lettmann, Dipl.-Ing. Rolf Kirschner, Andreas Strauss, Dr.-Ing. Peter Bauer, Dipl.-Ing. Ralf Walter, Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer, Dipl.-Ing. Michael Neu, Dipl.-Ing. Franz Fusenig, Dipl.-Ing. Dr.techn. Rainer Aufischer, Dipl.-Ing. Andreas Weber, Dipl.-Ing. (FH) Alexander Korn, Dipl.-Ing. Andreas Pelz, Dipl.-Ing. Matthias Alex, Dipl.-Ing. Armin Diez, Andreas Göttler, Dipl.-Ing. Wilhelm Kullen, Dr.-Ing. Oliver Göb, Dipl.-Ing. Eberhard Griesinger, Dipl.-Ing. Uwe Georg Klump, Dr. rer.nat. Hans-Peter Werner, Dipl.-Ing Siegfried Jende, Dipl.-Ing. Thomas Kurtz, Dipl.-Ing. Hubert Neumaier, Dipl.-Ing. Peter Amm, Dipl.-Ing. Franz Pawellek, Mirko Sierakowski

Hybridantriebe

Ein elektrisches Hybridfahrzeug (Hybrid Electric Vehicle, HEV) verwendet zum Antrieb sowohl einen Verbrennungsmotor als auch mindestens eine elektrische Maschine. Dabei gibt es eine Vielzahl von Antriebsstrukturen, die zum Teil verschiedene Optimierungsziele verfolgen und die in unterschiedlichem Maße elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs nutzen. Mit dem Einsatz von elektrischen Hybridantrieben werden im Wesentlichen drei Ziele verfolgt: Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, Reduzierung der Schadstoffemissionen und Erhöhung von Drehmoment und Leistung (zur Verbesserung der Fahrdynamik).

Dipl.-Ing. Thomas Huber, Dr.-Ing. Jan Lichtermann, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif

Getriebe für Kraftfahrzeuge

Jeder Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs arbeitet in einem bestimmten Drehzahlbereich, begrenzt durch die Leerlauf- und Maximaldrehzahl. Leistung und Drehmoment werden nicht gleichmäßig angeboten, und die Maximalwerte stehen nur in Teilbereichen zur Verfügung. Die Getriebe wandeln deshalb das Motordrehmoment und die Motordrehzahl entsprechend dem Zugkraftbedarf des Fahrzeugs, sodass die Leistung annähernd konstant bleibt. Sie ermöglichen außerdem die für die Vorwärts- und Rückwärtsfahrt unterschiedlichen Drehrichtungen.

Dipl.-Ing. Dieter Fornoff, Dieter Graumann, E. Hendriks, Dipl.-Ing. Thomas Laux, Dipl.-Ing. Thomas Müller, Dipl.-Ing. A. Schreiber, Dipl.-Ing. Steffen Schumacher, Dipl.-Ing. W. Stroh

Geschichte des Dieselmotors

Bereits im Jahr 1863 unternahm der Franzose Etienne Lenoir eine Versuchsfahrt mit einem Fahrzeug, das von einer von ihm entwickelten Gasmaschine angetrieben wurde. Dieser Antrieb erwies sich aber als untauglich für den Einbau und Antrieb von Fahrzeugen. Erst mit Nikolaus August Ottos Viertaktmotor mit Magnetzündung war der Betrieb mit flüssigem Kraftstoff und somit der mobile Einsatz möglich. Der Wirkungsgrad dieser Motoren war allerdings gering. Die Leistung des Rudolf Diesel bestand darin, einen Motor mit vergleichsweise sehr viel höherem Wirkungsgrad theoretisch zu entwickeln und seine Idee bis zur Serienreife zu verfolgen.

Dipl.-Ing. Karl-Heinz Dietsche

Fahrsicherheit im Kraftfahrzeug

Neben den Komponenten des Antriebsstrangs (Motor, Getriebe), die für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs sorgen, übernehmen auch die Fahrzeugsysteme, die den Vortrieb begrenzen und das Fahrzeug abbremsen, eine wichtige Rolle. Erst sie machen das sichere Bewegen des Fahrzeugs im Straßenverkehr möglich. Aber auch Systeme, die die Insassen bei Unfällen schützen, werden immer wichtiger.

Dipl.-Ing. Friedrich Kost

Grundlagen der Fahrphysik

Bewegungsänderungen eines Körpers lassen sich nur durch Kräfte erreichen. Auf ein Fahrzeug wirken im Fahrbetrieb viele Kräfte ein. Eine wichtige Funktion übernehmen dabei die Reifen: jede Bewegungsänderung des Fahrzeugs führt über am Reifen wirkende Kräfte.

Dipl.-Ing. Friedrich Kost

Füllungssteuerung bei Ottomotoren

Bei einem mit definiertem Luft-Kraftstoff- Verhältnis λ homogen betriebenen Ottomotor werden Drehmoment und Leistung von der zugeführten Luftmasse bestimmt. Damit λ genau eingehalten werden kann, wird die zugeführte Luftmasse exakt gemessen, die zu λ passende Einspritzmenge Kraftstoff berechnet und zugemessen.

Dr.-Ing. Martin Brandt, Dr.-Ing. Alex Grossmann, Dipl.-Ing. Markus Deissler, Prof. Dr. Kurt Kirsten, Dipl.-Ing. Michael Bäuerle, Dipl.-Ing. Martin Rauscher, Dr.-Ing. Jochen Müller, Dr.-Ing. Wolfgang Samenfink, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif

Grundlagen des Ottomotors

Der Ottomotor ist eine Verbrennungskraftmaschine mit Fremdzündung, die ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt und damit die im Kraftstoff gebundene chemische Energie freisetzt und in mechanische Arbeit umwandelt. Hierbei wurde in der Vergangenheit das brennfähige Arbeitsgemisch durch einen Vergaser im Saugrohr gebildet. Die Emissionsgesetzgebung bewirkte die Entwicklung der Saugrohreinspritzung (SRE), welche die Gemischbildung übernahm. Weitere Steigerungen von Wirkungsgrad und Leistung erfolgten durch die Einführung der Benzin-Direkteinspritzung (BDE). Bei dieser Technologie wird der Kraftstoff zum richtigen Zeitpunkt in den Zylinder eingespritzt, sodass die Gemischbildung im Brennraum erfolgt.

Dr.-Ing. David Lejsek, Dr.-Ing. Andreas Kufferath, Dr.-Ing. André Kulzer, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif

Zündung

Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor mit Fremdzündung. Die Zündung hat die Aufgabe, das verdichtete Luft-Kraftstoff- Gemisch im richtigen Zeitpunkt zu entflammen. Eine sichere Zündung ist Voraussetzung für den einwandfreien Betrieb des Motors. Dazu muss das Zündsystem auf die Anforderungen des Motors ausgelegt sein. Unter den zahlreichen unterschiedlichen Lösungsansätzen für ein Zündsystem haben sich bisher weltweit nur zwei Zündsysteme in größerem Umfang verbreitet. Das sind einerseits die Magnetzündung und andererseits die Batteriezündung. Beiden gemeinsam ist die Erzeugung eines elektrischen Funkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze im Brennraum zur Entflammung des Luft-Kraftstoff-Gemisches.

Dipl.-Ing. Walter Gollin, Dipl.-Ing. (FH) Klaus Lerchenmüller, Dr.-Ing. Grit Vogt, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif

Benzin-Einspritzung

Aufgabe der Einspritzsysteme ist es, den vom Kraftstoffversorgungssystem aus dem Tank zum Motorraum geförderten Kraftstoff auf die einzelnen Zylinder des Ottomotors zu verteilen und den Kraftstoff entsprechend der Anforderungen aufzubereiten.

Dipl.-Ing. Andreas Posselt, Dipl.-Ing. Markus Gesk, Dipl.-Ing. Anja Melsheimer, Dipl.-Ing. (BA) Ferdinand Reiter, Dipl.-Ing. (FH) Klaus Joos, Dipl.-Ing. Peter Schenk, Dr.-Ing. Andreas Kufferath, Dr.-Ing. Wolfgang Samenfink, Dipl.-Ing. Andreas Glaser, Dr.-Ing. Tilo Landenfeld, Dipl.-Ing. Uwe Müller, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif

Abgasnachbehandlung in Ottomotoren

In den vergangenen Jahren konnte der Schadstoffausstoß der Kraftfahrzeuge durch technische Maßnahmen drastisch gesenkt werden. Dabei wurden sowohl die Rohemissionen durch innermotorische Maßnahmen und intelligente Motorsteuerungskonzepte als auch die in die Umwelt emittierten Emissionen durch verbesserte Abgasnachbehandlungssysteme signifikant reduziert.

Dipl.-Ing. Klaus Winkler, Dr.-Ing. Wilfried Müller, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif

Abgasnachbehandlung in Dieselmotoren

Bisher wurde die Emissionsminderung beim Dieselmotor vorwiegend durch inner motorische Maßnahmen bewirkt. Bei vielen Diesel-Fahrzeugen werden die vom Motor freigesetzten Emissionen (Rohemissionen) jedoch die zukünftig in Europa, den USA und Japan geltenden Emissionsgrenzwerte überschreiten. Die erforderlichen hohen Minderungsraten lassen sich voraussichtlich nur durch eine effiziente Kombination von innermotorischen und nachmotorischen Maßnahmen erreichen. Analog zur bewährten Vorgehensweise bei Benzinfahrzeugen werden deshalb auch für Dieselfahrzeuge verstärkt Systeme zur Abgas - nachbehandlung (nachmotorische Emis sions minderung) entwickelt.

Dr. rer. nat. Norbert Breuer, Dr. rer. nat. Thomas Hauber, Priv.-Doz. Dr.-Ing. Johannes Schaller, Dr. Ralf Schernewski, Dipl.-Ing. Stefan Stein, Dr.-Ing. Ralf Wirth

Systemübersicht Common Rail

Die Anforderungen an die Einspritzsysteme des Dieselmotors steigen ständig. Höhere Drücke, schnellere Schaltzeiten und eine flexible Anpassung des Einspritzverlaufs an den Betriebszustand des Motors machen den Dieselmotor sparsam, sauber und leistungsstark. So haben Dieselmotoren auch den Einzug in die automobile Oberklasse gefunden.

Dipl.-Ing. Felix Landhäuser

Diesel-Einspritzsysteme im Überblick

Das Einspritzsystem spritzt den Kraftstoff unter hohem Druck, zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Menge in den Brennraum ein. Wesentliche Komponenten des Einspritz systems sind die Einspritzpumpe, die den Hochdruck erzeugt, sowie die Einspritz düsen, die – außer beim Unit Injector System – über Hochdruckleitungen mit der Einspritzpumpe verbunden sind. Die Einspritz düsen ragen in den Brennraum der einzelnen Zylinder.

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber, Dipl.-Ing. Jens Olaf Stein

Systemübersicht der Verteilereinspritzpumpen

Die Verbrennungsvorgänge im Dieselmotor hängen in entscheidendem Maße davon ab, wie der Kraftstoff von der Einspritzanlage aufbereitet wird. Die Einspritzpumpe spielt hierbei eine wesentliche Rolle. Sie erzeugt den zum Einspritzen benötigten Druck. Der Kraftstoff wird über Hochdruckleitungen zu den Einspritzdüsen gefördert und in den Brennraum eingespritzt. Kleine, schnell laufende Dieselmotoren erfordern eine Einspritzanlage mit hoher Leistungsfähigkeit, schnellen Einspritzfolgen, geringem Gewicht und kleinem Einbau volumen. Die Verteilereinspritzpumpen erfüllen diese Forderungen. Sie bestehen aus einem kleinen, kompakten Aggregat, das Förderpumpe, Hochdruckpumpe und Regelung umfasst.

Dipl.-Ing. (FH) Helmut Simon, Dipl.-Ing. Johannes Feger, Dr. rer. nat. Dietmar Ottenbacher

Systemübersicht der Einzelzylinder-Systeme

Dieselmotoren mit Einzelzylinder-Systemen haben für jeden Motorzylinder eine Einspritzeinheit. Diese Einspritzeinheiten lassen sich gut an den entsprechenden Motor anpassen. Die kurzen Einspritzleitungen ermöglichen ein besonders gutes Einspritzverhalten und die höchsten Einspritzdrücke.

Dr. tech. Theodor Stipek, Dipl.-Ing. Joachim Lackner

Einsatzgebiete der Dieselmotoren

Kein anderer Verbrennungsmotor wird so vielfältig eingesetzt wie der Dieselmotor 1). Dies ist vor allem auf seinen hohen Wirkungsgrad und der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit zurückzuführen.

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber, Dipl.-Ing. Joachim Lackner, Dr.-Ing. Herbert Schumacher

Insassenschutzsysteme

Insassenschutzsysteme sollen die bei einem Unfall auf die Passagiere wirkenden Beschleunigungen und Kräfte niedrig halten und die Unfallfolgen vermindern.

Dipl.-Ing. Bernhard Mattes

Grundlagen des Dieselmotors

Der Dieselmotor ist ein Selbstzündungsmotor mit innerer Gemischbildung. Die für die Verbrennung benötigte Luft wird im Brennraum hoch verdichtet. Dabei entstehen hohe Temperaturen, bei denen sich der eingespritzte Dieselkraftstoff selbst ent zündet. Die im Dieselkraftstoff enthaltene chemische Energie wird vom Dieselmotor über Wärme in mechanische Arbeit um gesetzt.

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber, Dr.-Ing. Thorsten Raatz

Grundlagen der Dieseleinspritzung

Die Verbrennungsvorgänge im Dieselmotor – und damit die Motorleistung, der Kraftstoffverbrauch, die Abgaszusammensetzung und das Verbrennungsgeräusch – hängen in entscheidendem Maße von der Aufbereitung des Luft- Kraftstoff-Gemischs ab.

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber, Dipl.-Ing. Jens Olaf Stein

Füllungssteuerung bei Dieselmotoren

Beim Dieselmotor ist neben der eingespritzten Kraftstoffmasse die zugeführte Luftmasse eine entscheidende Größe für das abgegebene Drehmoment und damit für die Leistung sowie für die Abgas zusammen setzung. Deshalb kommt neben dem Einspritzsystem auch den Systemen, die die Zylinderfüllung 1) beeinflussen, eine besondere Bedeutung zu. Diese Systeme zur Füllungssteuerung reinigen die Ansaugluft und beeinflussen die Bewegung, die Dichte und die Zusammensetzung (z. B. den Sauerstoffanteil) der Zylinderfüllung.

Dipl.-Betriebsw. Meike Keller, Dr.-Ing. Thomas Wintrich

Steuerung und Regelung von Dieselmotoren

Die elektronische Steuerung des Dieselmotors erlaubt eine exakte und differenzierte Gestaltung der Einspritzgrößen. Nur so können die vielen Anforderungen erfüllt werden, die an einen modernen Dieselmotor gestellt werden. Die „Elektronische Dieselregelung“ EDC (Electronic Diesel Control) wird in die drei Systemblöcke „Sensoren und Sollwertgeber“, „Steuergerät“ und „Stellglieder (Aktoren)“ unterteilt.

Dipl.-Ing. Felix Landhäuser, Dipl.-Ing. (FH) Mikel Lorente Susaeta, Dipl.-Ing. Martin Grosser, Dipl.-Ing. Andreas Michalske

Steuerung und Regelung von Ottomotoren

Die Aufgabe des elektronischen Motorsteuergeräts besteht darin, alle Aktoren des Motor- Managementsystems so anzusteuern, dass sich ein bestmöglicher Motorbetrieb bezüglich Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen, Leistung und Fahrkomfort ergibt. Um dies zu erreichen, müssen viele Betriebsparameter mit Sensoren erfasst und mit Algorithmen – das sind nach einem festgelegten Schema ablaufende Rechenvorgänge – verarbeitet werden. Als Ergebnis ergeben sich Signalverläufe, mit denen die Aktoren angesteuert werden.

Dipl.-Ing. Stefan Schneider, Dipl.-Ing. Andreas Blumenstock, Dipl.-Ing. Oliver Pertler, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif

Antiblockiersystem ABS

Bei kritischen Fahrverhältnissen kann es während des Bremsvorgangs zum Blockieren der Räder kommen. Ursachen dafür können z.B. nasse oder glatte Fahrbahnen sowie eine schreckhafte Reaktion des Fahrers (unvorhergesehenes Hindernis) sein. Das Fahrzeug kann dadurch lenkunfähig werden, es kann ins Schleudern geraten und/oder von der Fahrbahn abkommen. Das Antiblockiersystem (ABS) erkennt beim Bremsen frühzeitig die Blockierneigung eines oder mehrerer Räder und sorgt dann sofort dafür, dass der Bremsdruck konstant gehalten oder verringert wird. So blockieren die Räder nicht und das Fahrzeug folgt der Lenkung. Damit lässt sich ein Auto sicher und schnell abbremsen bzw. zum Stillstand bringen.

Dipl.-Ing. Heinz-Jürgen Koch-Dücker, Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Papert

Lichttechnik

Die wichtigsten Lichtquellen für die Beleuchtungssysteme an Fahrzeugfront und Fahrzeugheck sind Halogenlampen, Glühlampen, Gasentladungslampen und LED.

Dipl.-Ing. Doris Boebel, Dr.-Ing. Michael Hamm, Dipl.-Ing. Tilman Spingler

Elektronisches Stabilitäts-Programm ESP

Ein hoher Anteil von Unfällen im Straßenverkehr ist auf personenbezogenes Fehlverhalten zurückzuführen. Durch äußere Umstände – wie z. B. ein plötzlich auftauchendes Hindernis – oder aber aufgrund von überhöhter Geschwindigkeit kann das Fahrzeug in den Grenzbereich gelangen, in dem es sich nicht mehr sicher beherrschen lässt. Die auf das Fahrzeug wirkenden Querbeschleunigungskräfte erreichen Werte, die den Fahrer überfordern. Elektronische Systeme können hier einen großen Beitrag zur Fahrsicherheit leisten.

Dipl.-Ing. Thomas Ehret

Antriebsschlupfregelung ASR

Kritische Fahrsituationen können nicht nur beim Bremsen, sondern allgemein in allen Fällen auftreten, in denen große Längskräfte an der Kontaktfläche zwischen Reifen und Untergrund abgesetzt werden sollen. Der Grund dafür ist, dass hierdurch die absetzbaren Seitenkräfte reduziert werden. Dies trifft also auch auf das Anfahren und Beschleunigen, insbesondere auf glatter Fahrbahn, am Berg und bei Kurvenfahrt zu. Solche Situationen können den Autofahrer überfordern und zu Fehlreaktionen sowie instabilem Fahrzeugverhalten führen. Diese Probleme löst die Antriebsschlupfregelung (ASR), sofern die physikalischen Grenzen nicht überschritten werden.

Dr.-Ing. Frank Niewels, Dipl.-Ing. Jürgen Schuh

Bremssysteme in Personenkraftwagen

Die Bremsanlagen sind für die Betriebsfähigkeit eines Kraftfahrzeugs und seine Sicherheit im Straßenverkehr unerlässlich. Sie sind deshalb strengen gesetzlichen Bestimmungen unterworfen. Die mechanische Bremsanlage wurde aufgrund der steigenden Anforderungen an die Fahrsicherheit immer weiter verbessert.Mit dem Einsatz von Mikroelektronik hat sich die Bremsanlage zu einem komplexen elektronischen Bremssystem entwickelt.

Dipl.-Ing. (FH) Jochen Wagner, Dipl.-Ing. Bernhard Kant

Elektrische und elektronische Systeme im Kfz

Der Anteil der Elektronik im Fahrzeug stieg in den letzten Jahren stark an und wird auch in Zukunft noch weiter zunehmen. Die technische Entwicklung in der Halbleitertechnik ermöglicht mit der zunehmenden Integrationsdichte immer komplexere Funktionen. Die Funktionalität der in Kraftfahrzeugen eingebauten elektronischen Systeme übertrifft mittlerweile die Leistungsfähigkeit der Raumkapsel Apollo 11, die 1969 den Mond umkreiste.

Dipl.-Ing. Bernhard Mencher, Dipl.-Ing. (BA) Ferdinand Reiter, Dipl.-Ing. Andreas Glaser, Dipl.-Ing. Walter Gollin, Dipl.-Ing. (FH) Klaus Lerchenmüller, Dipl.-Ing. Felix Landhäuser, Dr.-Ing. Frank Niewels, Dipl.-Ing. Thomas Ehret, Dr.-Ing. Gero Nenninger, Prof. Dr.-Ing. Peter Knoll, Dr. rer. nat. Alfred Kuttenberger

Energiebordnetze

Das Energiebordnetz eines Kfz besteht aus dem Generator als Energiewandler, einer oder mehreren Batterien als Energiespeicher und den elektrischen Geräten als Verbraucher. Mithilfe der Energie aus der Batterie wird der Fahrzeugmotor über den Starter gestartet. Im Fahrbetrieb müssen Zünd- und Einspritzanlage, Steuergeräte, die Sicherheitsund Komfortelektronik, die Beleuchtung und weitere Geräte mit Strom versorgt werden. Der Generator liefert hierfür sowie zum Laden der Batterie die benötigte elektrische Energie.

Dipl.-Ing. Clemens Schmucker, Dipl.-Ing. Reinhard Meyer, Dipl.-Ing. Markus Beck, Dipl.-Ing. (FH) Bernd Moosmann, Dipl.-Ing. Wolfgang Kircher, Dipl.-Ing. Werner Hofmeister, Dipl.-Ing. Andreas Simmel, Dipl.-Ing. Ingo Koch, Dr.-Ing. Wolfgang Pfaff

Geschichte des Automobils

Die Mobilität spielt für die Menschen seit jeher eine große Rolle. In fast jeder Epoche versuchte man Mittel zu finden, die Menschen über längere Strecken mit größtmöglicher Geschwindigkeit zu tragen vermochten. Mit der Entwicklung von zuverlässigen Verbrennungsmotoren, die mit flüssigen Kraftstoffen betrieben werden konnten, wurde der Traum des selbstfahrenden Automobils Wirklichkeit.

Dipl.-Ing. Karl-Heinz Dietsche, Dipl.-Ing. Dietrich Kuhlgatz, Prof. Dr.-Ing. Konrad Reif

Strength-analysis of a crankcase with a multibody-simulation

The new OM 654 four-cylinder diesel-engine is the first engine of the modular Mercedes- Benz engine-family and celebrated its premiere in 2016 in the new E-Class. One of the development objectives apart from optimized weight, emission and fuel consumption was the adjustment to a modular system between diesel / gasoline as well as four- / six cylinder-engines. As a result to the increasing electrification of the powertrain, this focus was indispensable for the engine-family, too. [1]

M.Sc. Stefan Jetter, F.-O. Müller, R. Weller, B. Bertsche

Evaluation aspects of potential influences on human beings by wearing exoskeletal systems

The demographic change is a not to be underestimated factor on the labor market. For this reason the issues of occupational safety and health will become prioritized topics of labor market policy themes in Germany and Europe [1]. The goal of ergonomics is to implement occupational health and safety and productivity in the workplace and to prevent work-related musculoskeletal disorders (wMSD’s).

M.Sc. Urban Daub

Bosch common rail for passenger car/light duty – The first 20 years

For a long time the image of the Diesel engine was seen as a fuel efficient, but noisy and phlegmatic power source for passenger cars. With the introduction of turbo charging this turned around the first time. A second big step was the cultivation of the direct injection combustion technology, as it once again added a significant fuel consumption reduction opportunity compared to the in-direct combustion systems of these days. With the injection of fuel directly into the combustion chamber the control of combustion was shifted away from air motion much more towards the injection itself. As in former times pre- or swirl chamber concepts defined the course of combustion, the shape of the injection rate became the dominant parameter of controlling the combustion process. These new requirements now defined the boundaries for the next generation of injection systems. One of the important steps was the introduction of electronic controlled valves and software functions, which offered the opportunity to meter the fuel more precisely and drove the transformation of mechanical pumps into the first computer controlled devices. Another important topic was the need of higher injection pressure levels to serve the combustion process requirements with less support of swirl or squish. Last but not least the control of combustion required a higher degree of freedom in terms of injection timing and pressure level within the whole engine map of the engine. By stepping into this new exciting world of direct combustion the focus areas of combustion system developers at the OEM differed tremendously. As a result the requirements led Bosch to develop different injection systems serving all the new engine concepts. Therefore the start of passenger car Common Rail fuel injection technology is time wise strongly linked to the development of unit pump systems and different types of distributor pumps with a radial and axial plunger concepts. As this was an open race of technologies at the beginning, it is a must mentioning them as technical competitors of the early times of Common Rail. The content of the presentation will focus on the technical development steps of Common Rail injector, as it was and is today the interface to the combustion and therefore direct link to the engine performance being the subject of biggest changes from a spring controlled nozzle holder to a sophisticated high precision mechatronic component. Nevertheless it has to be underlined, that all components, a Common Rail fuel injection system is containing of, went through significant development steps contributing to the all over improvement of performance during the last 20 years [1].

Dr. Thomas Wintrich, M. Krüger, D. Naber, D. Zeh, C. Hinrichsen, C. Uhr, D. Köhler, H. Rapp

Fuel and CO2 savings in real driving using machine learning HEV operating strategy

Today, HEV operating strategies are optimized mainly in regards to the legal driving cycles. This leads to increased fuel consumption in customer operation, as this was not part of the optimization process. The paper shows, how learning algorithms can be used to extend a control unit applicable operation strategy, in the way that the operation parameters can be optimally fit to cycle as well as customer operation. Hence, the optimum of fuel consumption and CO2 can be achieved. Based on an adaptive operation strategy, best parameterization is chosen by a driving style- and driving environment identifier (from the DAS-sector), using identification algorithms, which are validated by measurement data. The parameter sets for different driving style and environment combinations have previously been collected. Thereafter, a concept to enhance the operating strategy by machine learning is proposed, which utilizes an individual adaption to the driver and achieves the global consumption optimum independent on the driving situation. The paper displays the CO2 reductions of the learning operating strategy in comparison to a basic heuristic operating strategy. The investigations show, that in real driving conditions on average 14% CO2, can be saved using a controlled learning operating strategy.

M.Sc. Mark Schudeleit, W. Gu, F. Küçükay, M. Zhang

Modelling of high volume agricultural tyres for driving dynamics investigations

The force transmission characteristics of high volume agricultural tyres have been extensively investigated at the University of Hohenheim during the last decades. One result of this research is the ongoing development of a physically based tyre model for agricultural tyres. In contrast to commercially available tyre models, the Hohenheim Tyre Model was developed with respect to the differing behaviour of agricultural tyres in comparison to automotive tyres. In this paper the structure of this model is summarised and different alternatives for the parameterisation process are presented. The tyre model has been fully validated using single wheel test stands and total vehicle road tests.

M.Sc. Alexander Bürger, S. Böttinger

vRDE – A virtual extension of the RDE tool chain

The certification of consumption and emissions based on the NEDC has been subject to substantial criticism not only because of so called “Defeat Devices” – in 2017 the implementation of WLTP and RDE into the regulatory framework is aimed at addressing this criticism with Europe taking the leadership on emission regulation. The introduced RDE regulation is therefore meaning to determine emissions based on a real-life operation of a vehicle by introducing the driving cycle itself as the unknown. This results in a significant increase of the complexity from a development and certification perspective.

Markus Wenig, D. Artuković, C. Armbruster, N. Framke

Simulation-based identification of excitation spectra for a dynamic suspension test rig

The objective characterization of modern vehicles on roads and test rigs regarding ride comfort delivers a key factor for an efficient vehicle development process. To completely understand the vibration phenomena of a vehicle, detailed information about the subsystem suspension in the relevant frequency range is required. This study presents a method to derive excitation spectra for a dynamic suspension test rig from full vehicle measurements or simulations while passing uneven roads. Hence a method to generate synthetic single-track excitation signals has been developed to simplify the treatment of excitation signals on the test rig as well as in the post processing. Furthermore the presented method has been extended to provide synthetic double-track excitation based on a modal decomposition into heave and roll excitation signals. Additionally, this methodology allows to integrate several vehicle setups, suspension types and ride speeds into the synthesis process to receive a synthetic excitation that is independent from the vehicle setup. In conclusion a recommendation for the shape of a frequency continuous (frequency sweep) excitation signal is given based on the identified excitation spectra.

Dipl.-Ing. Christoph Zauner, G. Boisdequin, M. Eisenbarth, T. Maulick, M. Plöchl, J. Edelmann

Investigations of the process of road matching on powertrain test rigs

This paper will present investigations and a methodology for the matching between the vehicle behavior on the road and on the powertrain test rig. The focus lies on the mathematical tire model of Pacejka [1], which is used on the powertrain test rig to describe the force between the tires and the road. If the model parameters of the tire manufacturer are not available, they are determined in an iterative process. For this purpose, the tire parameters are varied in a driving maneuver until the deviation from the road data is reduced to a minimum. In [2], a new methodology has been introduced. This new methodology uses an empirical black box model to describe the difference of the measured signals of the driving maneuvers between the test rig and the road. The inputs of the model are the Pacejka parameters, so that the optimal parameters can be determined with a numerical optimization. This methodology reduces the duration and the effort to calibrate the test rig. In some application scenarios it can be difficult to compute the Pacejka parameter in a single test because the influence of the parameters on the behavior of the transferred force varies with the level of tire slip. Therefore, it is necessary to split the parameter identification based on the Design of Experiment and black box modeling in two different tests with an operating point with a high tire slip level and an operating point with a low tire slip level. In the first test, the slope of the low slip range and in the second test the required Pacejka parameters will be determined.

M.Sc. Sebastian Weber, Y. Dursun, F. Kirschbaum, R. Jakobi, B. Bäker, J. Fischer

Chapter 3. Kraftwerke, Technologien und Kosten

In diesem Kapitel werden die verschiedenen Kraftwerkstechnologien nach dem Stand der Technik in einer kompakten Form beschrieben und ihre Kostenstrukturen berechnet und analysiert. Als Brennstoffe kommen in Deutschland trotz Bedenken hinsichtlich des Klimaschutzes weiterhin Braun-, Steinkohle und auch Erdgas in Betracht.

Panos Konstantin

6. Die Leichtbauwerkstoffe für den Fahrzeugbau

Der Werkstoff Stahl hat sich bei der Konstruktion von Automobilen insbesondere aufgrund seiner hervorragenden Kombination von Festigkeit und Duktilität in Verbindung mit einer hohen Verfügbarkeit und relativ günstigen Herstellungskosten bewährt. Jedoch sind die Anforderungen an die Auslegung von Automobilen hinsichtlich Leichtbau, Sicherheit und Umweltschutz in den letzten Jahren stetig gestiegen, wovon auch der Werkstoff Stahl betroffen ist. Impulse hierfür gaben vor allem veränderte gesetzliche Rahmenbedingungen wie die Auflagen zur Reduzierung der CO2-Emissionen, erhöhte Energiekosten und damit eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs genauso wie die Erhöhung der Recyclingraten für einen nachhaltigen Ressourceneinsatz. Darüber hinaus stiegen die Komfortansprüche des Kunden genauso wie die Ansprüche an einen hohen Sicherheitsstandard. Diese zum Teil widersprüchlichen Anforderungen können nur über den Lösungsansatz Leichtbaukonzepte erfüllt werden. Eine zentrale Rolle für den wirtschaftlichen Automobilleichtbau spielen dabei insbesondere die höher- bis höchstfesten Stähle.Aus diesem Grund konzentrierte sich seit Mitte der 90er die Entwicklung auf neue Stahlgüten mit gesteigerter Festigkeit und verbesserter Umformbarkeit (Bake-Hardening-Stähle, höherfeste IF-Stähle, Mehrphasenstähle), welche inzwischen im Automobilbau etabliert sind. Andere Entwicklungen wie HSD®-Stähle (siehe Abschn. 6.1.9) stehen kurz vor dem Einsatz.

Dr. Thomas Evertz, Dr. Volker Flaxa, Zacharias Georgeou, Dr. Rudolf-Hermann Gronebaum, Norbert Kwiaton, Dr. Christian Lesch, Dr. Manuel Otto, Dr. Joachim Schöttler, Thomas Schulz, Dr. Bianca Springub, Dr. Peter Furrer, Andreas Müller, Gerald Widegger, Dr. Hajo Dieringa, Prof. Dr. Karl Ulrich Kainer, Prof. Dr. Christoph Leyens, Dr. Manfred Peters, Prof. Dr. Dr. h. c. mult. Rainer Gadow, Prof. Dr. Klaus Drechsler, Prof. Dr.-Ing. Gerhard Ziegmann

Reduction of Diesel Engine Emissions Performance – Further Steps Towards a Fast and Flexible Fuel Injection

Diesel engines remain the main powertrain concept in view of efficiency and robustness. On the one hand the emissions towards the future EU CO2 limit of 95 g/km by 2021 further demands the reduction of the fuel consumption. On the other hand the new WLTP test cycle and RDE emissions tests demand to reduce the engine-out raw emissions. So far, the main development path of the fuel injection system is focusing on increasing the rail pressure. The increase of the no. of injection events is another approach that aims for phasing the combustion in the working process of the Diesel engine efficiently. This approach is limited by the needle opening speed and capability of closed-coupled injection events. Such features were so far restricted to Piezo injectors. Recently the solenoid injector was enhanced to close this gap and it was firstly tested on an hydraulic test bench and a 4 cyl. passenger car Diesel engine. The hydraulic and engine performance is compared against the solenoid injector G4S and the Piezo injector G4P. With increasing the injection rate steepness and reducing the hydraulic intervals, a triple pilot injection strategy is applied to control the ignition delay and rate of combustion. The steep injection rate reduces the soot emissions without compromising the combustion noise. On the other hand the short interval and fast needle actuation reduces the injection and combustion duration. Thanks to this improved hydraulic performance the BSFC could be improved by 1.7% and soot emissions reduced by 36% at engine part load conditions (2000 rpm, BMEP=6 bar).

Dr.-Ing. Jost Weber, M. Sc. Naoyuki Sashima, Dr.-Ing. Olaf Herrmann, Dr.-Ing. Jürgen Hagen

Chapter 13. Mobilität

Bei der Frage nach der Zukunft der Mobilität konkurrieren derzeit Konzepte, die auf Verbrennungsmotoren basieren, aber veränderte Kraftstoffstrategien verfolgen und Konzepte, die auf Elektromotoren basieren und unterschiedliche Speichertechnologien verfolgen. Von der Automobilindustrie werden diese sehr verschiedenen Ansätze weitgehend parallel verfolgt. Auch eine förderpolitischer Festlegung in dieser konzeptionellen Vielfalt ist zur Zeit noch nicht erkennbar.

Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

Chapter 7. Biomasse

Biomasse kann durch technische Prozesse in vielfältiger Form in feste, flüssige oder gasförmige Energieträger umgewandelt werden (vgl. Abb. 7.1), so dass es zahlreiche Nutzungsmöglichkeiten gibt.

Viktor Wesselak, Thomas Schabbach, Thomas Link, Joachim Fischer

70. Verbrennungsmotoren

Das Kapitel „Verbrennungsmotoren“ gibt eine Einführung in das wichte und große Gebiet der Verbrennungsmotoren. Leserinnen und Lesern, die noch nie etwas über Verbrennungsmotoren gehört haben, wird empfohlen, zunächst den Abschnitt 1 zu lesen. Dieser ist bewusst einfach und anschaulich geschrieben, um den Zugang zum Thema zu erleichtern. Danach können gezielt weitergehende Informationen in den Abschnitten 2 bis 9 studiert werden. Diese Abschnitte wurden so verfasst, dass man sie nicht nacheinander lesen muss. Grundlage ist jeweils nur der Abschnitt 1. Dieser selbst ist so verfasst, dass das Wichtigste ganz am Anfang steht. Je weiter hinten man in diesem Abschnitt ankommt, umso spezieller werden die Themen. Bei nur begrenztem Interesse an dem Thema Verbrennungsmotoren kann man das Lesen des Abschnitts 1 jederzeit abbrechen und hat trotzdem das bis dahin Wichtigste erfahren.

Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner

2. Vertrieb muss einfach (und) anders sein

Was unterscheidet den Durchschnittsverkäufer vom Top‐Performer? Warum machen manche Verkäufer in einem Monat mehr Umsatz als andere Verkäufer in einem Jahr? Warum verdienen Top‐Verkäufer teilweise mehr als DAX‐Vorstände?Es sind oftmals sehr einfache Vorgehensweisen, die den Unterschied zwischen erfolgreichen und weniger erfolgreichen Verkäufern ausmachen. Gerade komplexe und schwierig verständliche Verkaufsgespräche verunsichern potentielle Kunden und lassen den Verkaufsabschluss in weite Ferne rücken, wenn nicht sogar scheitern.Zur Einfachheit gesellt sich jedoch in der Regel noch ein wichtiger Umstand: Den Verkauf und alles was dazu gehört anders gestalten als es die breite Masse der Verkäufer tut. Und genau auf diese beiden Komponenten kommt es an. Der Verkauf muss einfach sein und weniger komplex. Zudem muss er sich von den althergebrachten Verkaufssystemen angenehm absetzen und so für eine positive Aufmerksamkeit bei den Kunden sorgen.Wer das als Verkäufer beherrscht, dem sind große Umsatzerfolge sicher! Und nichts wird in Unternehmen dringender benötigt als starke Verkäufer.Lassen Sie mich Ihnen im Folgenden meine wichtigsten Erfahrungen aus fast 20 Jahren Vertrieb schildern. Viele meiner Ratschläge sind Ihnen vielleicht schon bekannt, einiges wird auch neu sein. Allerdings sind es seit jeher stets dieselben grundlegenden Weisheiten, die den Vertriebserfolg verursachen. Nehmen Sie sich meine Tipps zu Herzen. Sie werden es im Umsatz spüren.

Dominik Fürtbauer, Marc Heemskerk, Dieter Menyhart, Roberto Wendt, Claus Zerenko

5. Industrie

Der Industriesektor hat einen maßgebenden Einfluss auf die Energiebilanz und die Entwicklung der Energieeffizienz in Deutschland. Insbesondere in der energieintensiven Industrie wurden in der Vergangenheit bereits deutliche Steigerungen in der Energieeffizienz erzielt. Die Analyse verschiedener Studien hat gezeigt, dass sowohl bei Prozess- als auch bei den Querschnittstechnologien noch erhebliche Potenziale zur Energieeinsparung vorhanden sind. Diese wurden in diesem Kapitel näher untersucht und zusammengefasst.

Fabian Zimmermann, Ekrem Köse, Markus Reichart, Sebastian Weckmann, Alexander Sauer

7. Verkehr

In diesem Kapitel werden Publikationen zur Energieeffizienz im Verkehrssektor aggregiert dargestellt. Ziel dieses Kapitels ist es, die sektorspezifische Entwicklung der Energieeffizienz aufzuzeigen, Effizienzpotenziale darzustellen und die aktuellen Energieszenarien übersichtlich zusammenzufassen. Im letztenVierteljahrhundert hat sich dieEnergieeffizienz im Sektor verdoppelt. Aufgrund des starken Anstiegs der Verkehrsnachfrage konnte der Endenergieverbrauch des Sektors bisher nicht signifikant gesenkt werden. Basierend auf Alternativen Antriebstechniken prognostizieren die Energieszenarien tendenziell eine Verringerung des Endenergieverbrauchs in der Nutzungsphase.

Martin Reisinger, Ekrem Köse, Alexander Sauer

Fahrsicherheit im Fahrzeug

Neben den Komponenten des Antriebsstrangs (Motor, Getriebe), die für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs sorgen, übernehmen auch die Fahrzeugsysteme, die den Vortrieb begrenzen und das Fahrzeug abbremsen, eine wichtige Rolle. Erst sie machen das sichere Bewegen des Fahrzeugs im Straßenverkehr möglich. Aber auch Systeme, die die Insassen bei Unfällen schützen, werden immer wichtiger.

Dipl.-Ing. Friedrich Kost

Bremssysteme im Personenkraftwagen

Die Bremsanlagen sind für die Betriebsfähigkeit eines Kraftfahrzeugs und seine Sicherheit im Straßenverkehr unerlässlich. Sie sind deshalb strengen gesetzlichen Bestimmungen unterworfen. Die mechanische Bremsanlage wurde aufgrund der steigenden Anforderungen an die Fahrsicherheit immer weiter verbessert.Mit dem Einsatz von Mikroelektronik hat sich die Bremsanlage zu einem komplexen elektronischen Bremssystem entwickelt.

Dipl.-Ing. Bernhard Kant, Dipl.-Ing. (FH) Horst Bauer

Einsatzgebiete der Dieselmotoren

Kein anderer Verbrennungsmotor wird so vielfältig eingesetzt wie der Dieselmotor. Dies ist vor allem auf seinen hohen Wirkungsgrad und der damit verbundenen Wirtschaftlichkeit zurückzuführen.

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber, Dipl.-Ing. Joachim Lackner, Dr.-Ing. Herbert Schumacher

Elektrische und elektronische Systeme im Kfz

Der Anteil der Elektronik im Fahrzeug stieg in den letzten Jahren stark an und wird auch in Zukunft noch weiter zunehmen. Die technische Entwicklung in der Halbleitertechnik ermöglicht mit der zunehmenden Integrationsdichte immer komplexere Funktionen. Die Funktionalität der in Kraftfahrzeugen eingebauten elektronischen Systeme übertrifft mittlerweile die Leistungsfähigkeit der Raumkapsel Apollo 11, die 1969 den Mond umkreiste.

Dipl.-Ing. Bernhard Mencher, Dipl.-Ing. (BA) Ferdinand Reiter, Dipl.-Ing. Andreas Glaser, Dipl.-Ing. Walter Gollin, Dipl.-Ing. Klaus Lerchenmüller, Dipl.-Ing. Felix Landhäußer, Dipl.-Ing. Doris Boebel, Dr.-Ing. Michael Hamm, Dipl.-Ing. Tilman Spingler, Dr.-Ing. Frank Niewels, Dipl.-Ing. Thomas Ehret, Dr.-Ing. Gero Nenninger, Prof. Dr.-Ing. Peter Knoll, Dr. rer. Nat. Alfred Kuttenberger

Energiebordnetze

Das Energiebordnetz eines Kfz besteht aus dem Generator als Energiewandler, einer oder mehreren Batterien als Energiespeicher und den elektrischen Geräten als Verbraucher. Mithilfe der Energie aus der Batterie wird der Fahrzeugmotor über den Starter gestartet. Im Fahrbetrieb müssen Zünd- und Einspritzanlage, Steuergeräte, die Sicherheitsund Komfortelektronik, die Beleuchtung und weitere Geräte mit Strom versorgt werden. Der Generator liefert hierfür sowie zum Laden der Batterie die benötigte elektrische Energie.

Dipl.-Ing. Clemens Schmucker, Dipl.-Ing. Reinhard Meyer, Dipl.-Ing. Markus Beck, Dipl.-Ing. (FH) Bernd Moosmann, Dipl.-Ing. Wolfgang Kircher, Dipl.-Ing. Werner Hofmeister, Dipl.-Ing. Andreas Simmel, Dipl.-Ing. Ingo Koch, Dr.-Ing. Wolfgang Pfaff

Grundlagen der Dieseleinspritzung

Die Verbrennungsvorgänge im Dieselmotor – und damit die Motorleistung, der Kraftstoffverbrauch, die Abgaszusammensetzung und das Verbrennungsgeräusch – hängen in entscheidendem Maße von der Aufbereitung des Luft-Kraftstoff-Gemischs ab.

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber, Dipl.-Ing. Jens Olaf Stein

Grundlagen des Dieselmotors

Der Dieselmotor ist ein Selbstzündungsmotor mit innerer Gemischbildung. Die für die Verbrennung benötigte Luft wird im Brennraum hoch verdichtet. Dabei entstehen hohe Temperaturen, bei denen sich der eingespritzte Dieselkraftstoff selbst ent zündet. Die im Dieselkraftstoff enthaltene chemische Energie wird vom Dieselmotor über Wärme in mechanische Arbeit um gesetzt.

Dipl.-Ing. (FH) Hermann Grieshaber, Dr.-Ing. Thorsten Raatz

Getriebe für Kraftfahrzeuge

Jeder Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs arbeitet in einem bestimmten Drehzahlbereich, begrenzt durch die Leerlauf- und Maximaldrehzahl. Leistung und Drehmoment werden nicht gleichmäßig angeboten, und die Maximalwerte stehen nur in Teilbereichen zur Verfügung.Die Getriebe wandeln deshalb das Motordrehmoment und die Motordrehzahl entsprechend dem Zugkraftbedarf des Fahrzeugs, sodass die Leistung annähernd konstant bleibt. Sie ermöglichen außerdem die für die Vorwärts- und Rückwärtsfahrt unterschiedlichen Drehrichtungen.

Dipl.-Ing. Walter Gollin, Dipl.-Ing. Klaus Lerchenmüller, Dr.-Ing. Grit Vogt, Dipl.-Ing. (FH) Markus Weimert, Dipl.-Ing. Tim Skowronek, Konrad Reif

Grundlagen des Ottomotors

Der Ottomotor ist eine Verbrennungskraftmaschine mit Fremdzündung, die ein Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt und damit die im Kraftstoff gebundene chemische Energie freisetzt und in mechanische Arbeit umwandelt. Hierbei wurde in der Vergangenheit das brennfähige Arbeitsgemisch durch einen Vergaser im Saugrohr gebildet. Die Emissionsgesetzgebung bewirkte die Entwicklung der Saugrohreinspritzung (SRE), welche die Gemischbildung übernahm. Weitere Steigerungen von Wirkungsgrad und Leistung erfolgten durch die Einführung der Benzin-Direkteinspritzung (BDE). Bei dieser Technologie wird der Kraftstoff zum richtigen Zeitpunkt in den Zylinder eingespritzt, sodass die Gemischbildung im Brennraum erfolgt.

Dr.-Ing. David Lejsek, Dr.-Ing. Andreas Kufferath, Dr.-Ing. André Kulzer, Konrad Reif

Zündung

Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor mit Fremdzündung. Die Zündung hat die Aufgabe, das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch im richtigen Zeitpunkt zu entflammen. Eine sichere Zündung ist Voraussetzung für den einwandfreien Betrieb des Motors. Dazu muss das Zündsystem auf die Anforderungen des Motors ausgelegt sein. Unter den zahlreichen unterschiedlichen Lösungsansätzen für ein Zündsystem haben sich bisher weltweit nur zwei Zündsysteme in größerem Umfang verbreitet. Das sind einerseits die Magnetzündung und andererseits die Batteriezündung. Beiden gemeinsam ist die Erzeugung eines elektrischen Funkens zwischen den Elektroden einer Zündkerze im Brennraum zur Entflammung des Luft-Kraftstoff-Gemisches.

Dipl.-Ing. Dieter Fornoff, Dieter Graumann, Dipl.-Ing. Thomas Laux, Dipl.-Ing. Thomas Müller, Dipl.-Ing. Steffen Schumacher

Hybridantriebe

Ein elektrisches Hybridfahrzeug (Hybrid Electric Vehicle, HEV) verwendet zum Antrieb sowohl einen Verbrennungsmotor als auch mindestens eine elektrische Maschine. Dabei gibt es eine Vielzahl von Antriebsstrukturen, die zum Teil verschiedene Optimierungsziele verfolgen und die in unterschiedlichem Maße elektrische Energie zum Antrieb des Fahrzeugs nutzen. Mit dem Einsatz von elektrischen Hybridantrieben werden im Wesentlichen drei Ziele verfolgt: Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, Reduzierung der Schadstoffemissionen und Erhöhung von Drehmoment und Leistung (zur Verbesserung der Fahrdynamik).

Dipl.-Ing. Thomas Huber, Dr.-Ing. Jan Lichtermann, Konrad Reif

Grundlagen der Fahrphysik

Bewegungsänderungen eines Körpers lassen sich nur durch Kräfte erreichen. Auf ein Fahrzeug wirken im Fahrbetrieb viele Kräfte ein. Eine wichtige Funktion übernehmen dabei die Reifen: jede Bewegungsänderung des Fahrzeugs führt über am Reifen wirkende Kräfte.

Dipl.-Ing. Friedrich Kost

12. Benzin-Direkteinspritzung im elektrischen Hybridverbund

Nachdem mit dem Dieselmotor mit Direkteinspritzung auf Grund seiner Verbrauchsvorteile speziell in Europa sehr hohe Marktanteile erzielt wurden, gibt es eine große Anzahl von technischen Entwicklungen für den Ottomotor, um den Verbrauch zu senken. Gerade der Ottomotor bietet sich für die Hybridisierung an. Neben der Reduzierung der Reibungsverluste, Optimierung der Nebenaggregate, Einsatz des Energiemanagements und neuen Brennverfahren zeigt das „Downsizing“ und die Direkteinspritzung ein erhebliches Einsparpotenzial. Das Bild 12.1 erläutert die Pfade der Verbrauchsreduzierung durch Hybridisierung. Zwei Punkte betreffen direkt den motorischen Antrieb: die Erzeugung der Energie bei Lastpunkten mit besserem Wirkungsgrad und „Downsizing“ mit Lastpunktverschiebung. Der Nachteil des Zusatzgewichtes wird bei Weitem durch die positive Wirkung der Hybridkomponenten aufgehoben.

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert

13. Betriebsstoffe

Auf Basis von Erdöl wird eine Vielzahl unterschiedlichster Produkte hergestellt. Nach der Aufbereitung des Erdöls (Reinigung, Destillation, Nachverarbeitung, Veredlung) entstehen unter anderem zwei Kraftstofftypen, die entsprechend ihrer motorischen Eignung als Otto- und Dieselkraftstoff eingesetzt werden. Insbesondere aufgrund ihrer hohen Energiedichte, der flüssigen Form und der damit verbundenen Handhabbarkeit sowie ihrer guten Wirtschaftlichkeit sind sie besonders für die Energieversorgung des Straßenverkehrs geeignet. Hier haben sie sich seit mehr als 100 Jahren bewährt, wobei die anwendungstechnischen Eigenschaften der Kraftstoffe ständig an die Motorenentwicklung und Anforderungen aus Umweltschutz angepasst werden bzw. diese überhaupt erst ermöglichen.

Wolfgang Dörmer, Ulrich Baron

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

10. Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Die Werkstoffe und Technologien, die in den Automobilen zum Einsatz kommen, spiegeln den jeweils vorhandenen Stand der Technik wider. Der für die gegebenen Anforderungen bestgeeignete Werkstoff bzw. das bestgeeignete Fertigungsverfahren kommt zum Einsatz. Somit ist ein Exkurs in die Werkstoffe der frühen Automobile zugleich ein Blick zurück in die Werkstofftechnik der damaligen Zeit, siehe auch Tab. 10.1 und Tab. 10.2.

Dr. Ludwig Hamm, Berthold Krautkrämer, Reinhart Malik, Dipl.-Ing. Volker Peitz, Dr.-Ing. Robert Plank, Dr. Peter Solfrank

STEERING FEEL AND STEER-BY-WIRE – Design of an energy-efficient front axle for a wheel-individual steer-by-wire system illustrated by the SpeedE research vehicle

Benjamin Schwarz

1. Einleitung

Thomas Schütz

3. From vision to action: Lösungsansatz für die Umsetzung des IWRM

Die Herleitung und Verifizierung dieser These basiert auf der Betrachtung von erfolgreichen Wasserwirtschaftsmodellen, insbesondere aus Bayern. Es gibt hier wenigstens zwei Motive, sich mit internationaler best practice in der Wasserwirtschaft zu beschäftigen: Einmal der Wunsch, mit der vorhandenen Erfahrung und Technologie durch aktive Beteiligung an internationalen Projekten bei der Umsetzung der MDGs als der internationalen Herausforderung mitzuwirken, zum anderen die Notwendigkeit der Optimierung der eigenen nationalen Strukturen mit Hilfe internationaler Erfahrung.

Chapter 1. Einleitung

Die zuverlässige und nachhaltige Erzeugung elektrischer Energie stellt aus heutiger Sicht eine der größten technologischen Herausforderungen der Zukunft dar. Unter den zahlreichen Ansätzen stellt der Organic Rankine Cylce (ORC) eine besonders vielversprechende Möglichkeit zur Nutzung von Wärmequellen mit nur geringem Temperaturgefälle dar. Das Verfahren ist in Anlehnung an den mit Wasserdampf arbeitenden klassischen Rankine Cycle benannt, wie er vor allem in konventionellen Kohlekraftwerken Anwendung findet.

Maximilian Paßmann

Chapter 6. Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Auslegung und Konstruktion der modularen Testsektion des geschlossenen Windkanals für ORC-Fluide im Labor für Wärme- Energie- und Motorentechnik des Fachbereichs Maschinenbau an der Fachhochschule Münster. Haupteinsatzgebiete des Windkanals sind die Untersuchung von Realgaseffekten in ORC-Turbinen sowie die experimentelle Validierung von CFD Simulationen.

Maximilian Paßmann

12. Methanol — der Schlüssel zur Energie- und Rohstoffwende

Methanol (CH3OH) ist eine leichtentzündliche, farblose Flüssigkeit. Es besitzt das höchste H/C-Verhältnis aller Flüssigtreibstoffe. Der C1-Alkohol kommt natürlich vor und wird biologisch aerob wie anaerob abgebaut. Zugleich ist Methanol als kleinster Vertreter aller Alkohole eine stabile Chemikalie, die tagtäglich über die ganze Welt verfrachtet wird, um in einer Vielzahl von industriellen Prozessen Anwendung zu finden. Doch Methanol birgt auch das Potential, der Energie- und Rohstoffwende in Deutschland den notwendigen Schub zu verleihen.

Martin Bertau, Ludolf Plass, Konstantin Räuchle, Michael Kraft, Heribert Offermanns

Identification and evaluation of the real temperature loading of steering electronics

Within a few years, electric power steering (EPS) almost completely replaced hydraulic steering assistance in all vehicle segments. This is largely due to a more compact design – because the hydraulic unit is no longer needed – and a significant reduction in fuel consumption for the end customer. [1]The EPS is becoming increasingly important as a central actuator in an electronic ECU network for vehicle guidance. This means the whole EPS system must be extremely reliable. Errors with a high potential for danger must be avoided at all costs: An important parameter is the probability of failure (Failures in Time, FIT rate) of the electronics module in the steering system. This is the main focus of the cooperation between Robert Bosch Automotive Steering GmbH and the FKFS. The aim of the project is a reliable prediction of the probability of failure under realistic operating conditions for the EPS, when used by the end customer (“Real world driving”).

Ulrike Weinrich, G. Baumann, H.-C. Reuss, S. Walz

Investigation of the mixture formation process with combined injection strategies in high-performance SI-engines

An SI-race engine’s performance depends largely on how the combustible mixture is formed. In light of severely restrictive technical regulations of the various racing series, the optimization of the mixture formation process is one of the few remaining ways to increase engine performance. Being the predominant injection strategies in SI engines, both direct injection (DI) at high fuel pressures and port fuel injection (PFI) with much lower fuel pressures show intrinsic advantages. Hence, the potential of a combination of said injection strategies in the context of a motorsports application was investigated in a joint effort by means of both an experimental and a numerical approach. The former was carried out at the Institute of Internal Combustion Engines of the Technische Universität München (TUM). The latter, a 3d-CFD-simulation of the gas exchange and mixture formation process, was conducted by the Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS). As the preliminary investigations revealed, the combination of said injection strategies seems to have increased engine performance by a marginal yet measurable amount, thus supporting the initial assumption that in a motorsports application the otherwise superior DI injection strategy has its limitations. Subsequently, the focus of this paper is to conduct a more thorough analysis to deepen the understanding of a combined injection system’s impact on the mixture formation process.

Daniel Koch, G. Wachtmeister, Marlene Wentsch, M. Chiodi, Michael Bargende, C. Pötsch, D. Wichelhaus

Creation of driving cycles with lateral and longitudinal dynamics for analyzing energy losses in chassis

The naturalistic driver behavior has an influence on many types of energy losses in chassis systems. Therefore it is important to know for analyzing methods to improve the energy efficiency. It is possible to record the usage of cars on different roads. It is necessary to post-process this data for investigations.This paper presents a method for generating driving cycles including longitudinal and lateral dynamics. Both cannot be neglected for chassis based energy losses. In contrast to the literature, the method is vehicle-independent, since it uses yaw rate and velocity.Driving cycles are generated using the Markov chain stochastic method and are evaluated with regard to their representativeness of the database using a quality criteria. This is composed of different values describing longitudinal and lateral dynamics. The validity is demonstrated through simulations of an extended two-track model.

Andreas Schultze, M. Hauck, M. Lienkamp

3D-CFD analysis on scavenging and mixture formation for CNG direct injection with an outward-opening nozzle

On the basis of comprehensive experimental measurements, 3D-CFD analyses of CNG direct injection, using an outward-opening nozzle, were performed. Main objective of the presented work was the examination of influencing factors on the hollowcone jet propagation, fuel distribution and therewith directly associated back flow into the intake manifolds.For charged operation with scavenging, experimental investigations identified the injector needle tip protrusion, or mounting depth, as one of the dominating factors. By means of the conducted 3D-CFD simulations, assumed affect on the fuel-wallinteraction could be confirmed. It causes an expansion or collapse of the hollow-cone jet and determines the amount of fuel that is stored in the intake manifold and scavenged into the exhaust system in the subsequent operating cycle.During the numerical studies, a thorough definition of the spray angles to describe the hollow-cone jet shape turned out to be of utmost importance in order to ensure high quality and validity of the spray simulation. Schlieren images, taken in a constant volume spray chamber as well as measurements in a two-cylinder SI-engine, provided by Robert Bosch GmbH, served as a reference for injector and engine calibration and results validation.

Marlene Wentsch, M. Chiodi, Michael Bargende, M.Sc. Dimitri Seboldt, D. Lejsek

Extreme downsizing for gasoline engines – fun to drive with extremely low emissions

This paper elaborates different boosting systems for extreme downsizing levels considering the target of optimal transient performance:• Turbocharger for 90 kW/l and 140 kW/l layout• Turbocharger (TC) and electric turbocompressor in three different layouts• Turbocharger supported by electric motor-generator unit (eTC) with and without FEV Dual Fresh Air Bypass (FEV Dual FAB)The performance benefits of the combination (TC+eC) are confirmed by FEV’s new high performance demonstrator vehicle and underline the fun-to-drive of such a concept.The addition of a 48 V eC enables improvement in time to torque between 23 % and 77 % depending on the investigated engine speed. Low-end-torque-speed can be (temporarily) shifted from engine speed of 2500 1/min to 2000 1/min. These outstanding results are based on an optimized matching of the TC and the eC, the performance of the eC unit itself and the model based ECU control. It could also be demonstrated that the favourable dimensions of the eC lead to an optimum package situation resulting in low pressure losses and therefore an optimized airpath concept.The introduction of an eTC yields great transient performance benefit especially at high engines speeds. Transient performance at low engine speeds as well as well lowend-torque is limited due to compressor surge. The addition of FEV’s Dual Fresh Air Bypass solves this drawback of the eTC in these operating conditions.

Dr. Tolga Uhlmann, Dr.-Ing. Henning Baumgarten, Dipl.-Ing. Björn Franzke, Dr.-Ing. Johannes Scharf, Dr.-Ing. Matthias Thewes, Dr.-Ing. Georg Birmes

Advanced model-based diagnosis of internal combustion engines

Model-based methods allow to detect and diagnose faults earlier and more detailed compared to classical limit checking and plausibility checks of directly measurable signals. The effect of faults by using signal models is, e.g. shown in changes of their frequencies or amplitudes. Process models allow using changes of the input-output behavior expressed by their parameters, state variables, or parity equations. This was illustrated for categories or groups of a diesel engine in form of the intake system, the injection system, and the turbocharger. Some results were also summarized for a direct injection gasoline engine. Corresponding methods can be developed for the combustion and mechanics and for the exhaust gas aftertreatment. Integrating the faultdetection results of all categories allows a comprehensive fault-diagnosis coverage of diesel engines and similarly for gasoline engines in addition to the known OBD functions.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Rolf Isermann

Optimization of the piston assembly friction

The present paper points out that improvements of the piston assembly friction necessitate a high level of system knowledge, which requires experimental investigations. Therefor the self-developed research engine of the Institute of Internal Combustion Engines of the Technical University of Munich is introduced. Besides the high accuracy of the measurement device a well-defined testing procedure is important to analyze the influence of specific design changes of the piston assembly on their frictional behavior. The presented testing methodology developed by the Institute guarantees the comparability of different testing configurations.Crank angle resolved measurements of two top ring design features were presented, which prove the positive influences regarding the piston assembly friction of a low friction coating and an optimized shape of the running face. The results illustrate in detail that these particular design changes only affects the friction force in the expansion stroke within high cylinder pressures. Although the impact on the friction force is pretty similar for both design changes the given reasons for the effects differs. Furthermore, the results show that with higher engine load and lower speed the improvement of the frictional losses increases. Thus, both design changes are an effective way to optimize the mechanical efficiency of an internal combustion engine.

Stefan Graf, Fabian Ruch, Richard Mittler, Georg Wachtmeister

Validation of a 4-cylinder engine concept for heavy-duty vehicles with a parameterized model

Carrying over the major trend of downsizing from passenger cars to commercial engines is not entirely possible for several reasons. One reason is that commercial engines have to also comply with the most stringent exhaust gas emission limits at full load. Another one is a much higher requirement regarding the life time of the engine. Both reasons limit the achievable specific performance to a rather low level compared to passenger car engines. Nevertheless development engineers are challenged more than ever with the need to reduce fuel consumption, size and weight of heavy duty engines. Moreover this has to be fulfilled at acceptable engine costs. This paper shows a possibility to combine the advantages of downsizing with the requirements of a commercial engine. This is achieved by reducing the number of cylinders but keeping the total displacement of the original engine.The focus of the research is a 215 kW truck engine with a displacement of 7.4 l. This engine is realized as a 6 cylinder and as a geometrically similar 4 cylinder engine. Both engines are designed in CAD for geometrical investigations and in new engine models for thermodynamic investigations. The thermodynamic models were parameterized in terms of heavy duty engines. This models answers questions of friction, gas exchange and fuel consumption. Furthermore the models can be used for a wide range (3 l – 15 l displacement) of commercial vehicles.The aim of this article is to provide a short overview of the structure of these different calculation models. These tools are developed for the very early stage of an engine design to judge about the engine performance beyond the application scope of the final engine. In summary each tool was used to compare the new engine layout of the 4 cylinder in contrast to a 6 cylinder engine in special and commercial engines in general.

Peter Methfessel, Dipl.-Ing. Katharina Eichler, Dipl.-Ing. Thomas Ebert, Dipl.-Ing. Michael Neitz

19. Biogaserzeugung und -nutzung

Dipl.-Ing. Christiane Dieckmann, Dr. Werner Edelmann, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, Dr.-Ing. Jan Liebetrau, Dr.-Ing. Saskia Oldenburg, Dr.-Ing. Marco Ritzkowski, Prof. Dr. Frank Scholwin, Dr. Heike Sträuber, Dipl.-Ing. Sören Weinrich

16. Produktion und Nutzung von Pflanzenölkraftstoffen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Martin Kaltschmitt, Dr.-Ing. Franziska Müller-Langer, M.Sc. Ulf Neuling, Dr. Edgar Remmele, Dr. Klaus Thuneke

12. Verbrennungen dritten Grades

Vorab erstmal eine Warnung: In diesem Kapitel geht es um technische Verbrennungen. Bei dieser Art von Vorgang handelt es sich um chemische Reaktionen. Deswegen geht es in diesem Abschnitt hin und wieder etwas chemisch zu. Davon sollte man und frau sich aber nicht abschrecken lassen: Die Chemie kommt nur dann zum Zug, wenn dies auch unbedingt erforderlich ist.

12. Verbrennungen dritten Grades

Vorab erstmal eine Warnung: In diesem Kapitel geht es um technische Verbrennungen. Bei dieser Art von Vorgang handelt es sich um chemische Reaktionen. Deswegen geht es in diesem Abschnitt hin und wieder etwas chemisch zu. Davon sollte man und frau sich aber nicht abschrecken lassen: Die Chemie kommt nur dann zum Zug, wenn dies auch unbedingt erforderlich ist. Ansonsten bleiben wir hübsch auf dem Gebiet der Thermodynamik und interessieren uns vor allem für den Energieumsatz beim Verbrennen.

5. Rückschau 1910 – Zeitreise in die Vergangenheit

Im Folgenden möchte ich die gleichen Rubriken wie in Kap. 4 vorstellen, nun allerdings bezogen auf das Jahr 1910 – die Welt vor 100 Jahren. Wie wir sehen werden, ist eine direkte Gegenüberstellung sehr aufschlussreich. Nach einem umfangreichen Überblick werde ich versuchen, uns auf den Wissensstand und in die Gemütslage der Menschen der damaligen Zeit zu versetzen und die Frage zu beantworten: Hätten sie sich damals eine vernünftige Vorstellung von unserer Gegenwart machen können?

Dr. Andreas Müller

4. Management Dashboard zur geschäftsmodellbasierten Steuerung

Kapitel 4 der vorliegenden Arbeit stellt den Kern der Untersuchung dar, der sich den einleitenden Gestaltungs- und Erkenntniszielen widmet. Zur Erreichung dieser Ziele werden zum einen eine fachliche Konzeption und zum anderen eine prototypische Umsetzung eines Management Dashboards durchgeführt. In Abschnitt 4.1 wird zunächst das Fachkonzept eines Geschäftsmodellsystems entwickelt, das sowohl die betriebswirtschaftlichen als auch die technischen Grundlagen für die darauffolgende prototypische Umsetzung fokussiert. Hierzu werden die internen und externen Einflussfaktoren identifiziert, die auf Geschäftsmodelle und deren Komponenten einwirken und die als Daten in ein Business-Inteligence-System integriert werden können. Auch die dabei notwendigen Ressourcen und Prozesse werden als Aktionsparameter berücksichtigt und anhand von Datenmodellen spezifiziert.

Markus Linden

3. Motor

Die rasant wachsende Komplexität moderner Antriebsstrangkonzepte sowie die steigende Anzahl von Fahrzeugvarianten bei gleichzeitig reduzierten Entwicklungszeiten bilden die wesentlichen Treiber einer simulationsgestützten (virtuellen) Entwicklung. Zusätzlich verlangt die zunehmende Vernetzung der Einzelkomponenten im Gesamtfahrzeug (z. B. Verbrennungsmotor und automatische Getriebetypen oder Verbrennungsmotor und Elektromotor in einem Hybridantrieb) die durchgängige Entwicklung und Optimierung im Sinne des Gesamtsystems. Ein wesentlicher Anspruch an die simulationsgestützte, virtuelle Antriebsstrangentwicklung besteht daher in der Nachbildung von nicht vorhandenen Antriebs- bzw. Fahrzeug-Komponenten zur Prüfung bzw. Abstimmung einer oder mehrerer Teile des Gesamtantriebsstranges an beliebiger Station im Prozess. Dies betrifft sowohl die Fahrzeughersteller als auch deren Zulieferer und Dienstleister jeweils lokal als auch in deren vernetzter Zusammenarbeit.

6. Motor

Die Klassifizierung der Nutzfahrzeuge erfolgt allgemein nach der Gesamtmasse des Fahrzeuges und ist beispielsweise ausschlaggebend für die unterschiedlichsten Gesetzgebungsvorschriften, wie die Begrenzung von Abgasemissionen und die Regelung der zulässigen Höchstgeschwindigkeit des Fahrzeuges. Der Übergang von der leichten zur schweren Klasse im Sinne des Antriebes ist nicht exakt definiert und bewegt sich eher fließend in einem Bereich zwischen 3,5 t und 6,5 t. In der schweren Klasse wird noch einmal zwischen leichten, mittleren und schweren Nutzfahrzeugen unterteilt. Die maximal zulässige Gesamtmasse liegt innerhalb Europas für den öffentlichen Straßenverkehr bei 44,0 t (Tabelle 6-1).

T. Esch, U. Dahlhaus

2. Fahrdynamik

Die Fahrdynamik von Kraftfahrzeugen wird klassisch getrennt nach den drei verschiedenen translatorischen Bewegungsfreiheitsgraden des Fahrzeugaufbaus betrachtet (

Bild 1-15

). Bei Untersuchung der Bewegungsvorgänge in Fahrzeuglängsrichtung, also Antreiben und Bremsen, spricht man von der Längsdynamik des Fahrzeugs. Hierbei sind vor allem die Fahrwiderstände mit dem daraus resultierenden Leis-tungs- und Energiebedarf des Fahrzeugantriebs Gegenstand der Untersuchungen. Weiterhin von Interesse bei Betrachtung der Fahrzeuglängsdynamik sind die Brems- und Traktionseigenschaften auch auf verschiedenen Fahrbahnbelägen und -zuständen.

3. Bestandteile des Fahrwerks

Der größte Teil des Buches ist den Bestandteilen des Fahrwerks gewidmet. Unter den Bestandteilen sind die Untersysteme des Fahrwerks und dessen Module und Bauteile zu verstehen. Da die Struktur des Fahrwerks sich sowohl nach Funktion als auch nach Gestalt definieren lässt, ergibt sich eine Systematik, die nicht überschneidungsfrei ist.

7. Systeme im Fahrwerk

Der Elektrik- und Elektronikanteil an der Wertschöpfung moderner Fahrzeuge liegt aktuell bei etwa 20%. In Oberklassefahrzeugen werden teilweise über 70 Steuergeräte verbaut. Prognosen sagen einen weiteren Anstieg des Elektronikanteils auf bis zu 40% im Jahr 2015 voraus. Was sind die wesentlichen Vorteile der Elektronik im Antriebsstrang und im Fahrwerk für den Autofahrer?

2. Die Systeme und ihre Beschreibung

Die Thermodynamik baut auf Beobachtung auf. Die Gegenstände oder Bereiche der Beobachtung werden als

thermodynamische Systeme

bezeichnet.

5. Berechnung und Auslegung von Baugruppen

Der Ladungswechsel, d. h. das Ausschieben des Abgases und das Füllen des Zylinders mit Luft oder Frischgas (Bild 5.1-1), beeinflusst den Drehmomentverlauf über der Motordrehzahl an der Volllast, Verbrauch und Emissionen in der Teillast und die Leerlaufqualität des Motors entscheidend. Streng genommen umfasst der Ladungswechsel den Austausch der Zylinderfüllung. Da das Einströmen des Frischgases in den Zylinder die Gemischaufbereitung und das Strömungsfeld im Zylinder prägen und der Anteil von Abgas, der im Zylinder als so genanntes Restgas verbleibt, durch den Ladungswechsel gesteuert wird, beeinflusst der Ladungswechsel auch die Verbrennung und die Mengen an schädlichen Emissionen wesentlich. Dabei unterscheidet sich das Ausschieben von Abgas deutlich von den Einströmvorgängen.

13. Zubehör, Spezialteile und technische Verfeinerung

Motorräder haben heute einen exzellenten technischen Stand und das Angebot an Serienmotorrädern ist so vielfältig wie nie zuvor. Dennoch besteht weiterhin der Wunsch nach einer Individualisierung der Fahrzeuge, wobei seit einigen Jahren die optische Aufwertung des Fahrzeugs und die Anpassung an spezielle Einsatzzwecke dem klassischen Tuning mehr und mehr den Rang abläuft.

2. Unternehmensplanung und Unternehmensorganisation

Die Unternehmensplanung hat die Aufgabe, eine dauerhafte, nachhaltige Strategie für das Unternehmen zu entwickeln, alle Aktivitäten auf diese Strategie auszurichten und in die Planungen der einzelnen Unternehmensbereiche einzubringen.

2. Die Systeme und ihre Beschreibung

Die Thermodynamik baut auf Beobachtung auf. Die Gegenstände oder Bereiche der Beobachtung werden als

thermodynamische Systeme

bezeichnet.

5. Berechnung und Auslegung von Baugruppen

Der Ladungswechsel, d. h. das Ausschieben des Abgases und das Füllen des Zylinders mit Luft oder Frischgas (Bild 5-1), beeinflusst den Drehmomentverlauf über der Motordrehzahl an der Volllast, Verbrauch und Emissionen in der Teillast und die Leerlaufqualität des Motors entscheidend. Streng genommen umfasst der Ladungswechsel den Austausch der Zylinderfüllung. Da das Einströmen des Frischgases in den Zylinder die Gemischaufbereitung und das Strömungsfeld im Zylinder prägen und der Anteil von Abgas, der im Zylinder als so genanntes Restgas verbleibt, durch den Ladungswechsel gesteuert wird, beeinflusst der Ladungswechsel auch die Verbrennung und die Mengen an schädlichen Emissionen wesentlich. Dabei unterscheidet sich das Ausschieben von Abgas deutlich von den Einströmvorgängen.

2. Fahrdynamik

Die Fahrdynamik von Kraftfahrzeugen wird klassisch getrennt nach den drei verschiedenen translatorischen Bewegungsfreiheitsgraden des Fahrzeugaufbaus betrachtet (

Bild 1-15

). Bei Untersuchung der Bewegungsvorgänge in Fahrzeuglängsrichtung, also Antreiben und Bremsen, spricht man von der Längsdynamik des Fahrzeugs. Hierbei sind vor allem die Fahrwiderstände mit dem daraus resultierenden Leistungs- und Energiebedarf des Fahrzeugantriebs Gegenstand der Untersuchungen. Weiterhin von Interesse bei Betrachtung der Fahrzeuglängsdynamik sind die Brems- und Traktionseigenschaften auch auf verschiedenen Fahrbahnbelägen und -zuständen.

3. Bestandteile des Fahrwerks

Der größte Teil des Buches ist den Bestandteilen des Fahrwerks gewidmet. Unter den Bestandteilen sind die Untersysteme des Fahrwerks und dessen Module und Bauteile zu verstehen. Da die Struktur des Fahrwerks sich sowohl nach Funktion als auch nach Gestalt definieren lässt, ergibt sich eine Systematik, die nicht überschneidungsfrei ist.

7. Systeme im Fahrwerk

Der Elektrik- und Elektronikanteil an der Wertschöpfung moderner Fahrzeuge liegt aktuell bei etwa 20%. In Oberklassefahrzeugen werden teilweise über 70 Steuergeräte verbaut. Prognosen sagen einen weiteren Anstieg des Elektronikanteils auf bis zu 40% im Jahr 2015 voraus. Was sind die wesentlichen Vorteile der Elektronik im Antriebsstrang und im Fahrwerk für den Autofahrer?

5. Umweltauswirkungen des Dieselmotors

Die zweite Wärmekraftmaschine, die sich für die wirtschaftliche Nutzung der fossilen Kraftstoffe aus dem Erdöl am besten eignet, ist der Dieselmotor. Im Laufe der intensiven Forschung und Entwicklung am Ende des 19. Jahrhunderts, hat sich Rudolf Diesel das Ziel gesetzt, eine thermische Maschine zu entwickeln, die einen wesentlich, höheren Wirkungsgrad haben sollte, als der Wirkungsgrad der damals schon 100 Jahre alten Dampfmaschine, der nur etwa 3% betrug. Als Rudolf Diesel 1892 sein Patent angemeldet hat und in einer Studie „Theorie und Konstruktion eines rationellen thermischen Motors“ 1893 veröffentlichte, hatte er die Türe für eine neue Wärmekraftmaschine, bekannt als der Dieselmotor, weit geöffnet [

1

]. Schon die ersten Dieselmotoren, die um 1897 gebaut worden sind, hatten einen Wirkungsgrad von 26,2% erreicht und damit um einen Faktor von 10 den Wirkungsgrad der Dampfmaschine übertroffen. Die Dampfmaschine wurde dann innerhalb der folgenden 50 Jahre durch den Dieselmotor vollständig verdrängt.

6. Betriebsstoffe und Umwelt

Eine der billigsten und bequemsten Energiequellen der Erde stellt seit über 150 Jahren das Erdöl dar. Die Entdeckung dieser Energiequelle Mitte des 19. Jahrhunderts hat eigentlich den Weg für die etwas später stattgefundene Erfindung des Hubkolbenverbrennungsmotors geebnet. Aus dem Erdöl können unterschiedliche Kraftstoffe gewonnen werden (

Bild 6.1

) wovon das Benzin und der Dieselkraftstoff die bekanntesten sind.

2. Oszillierende Verdrängerpumpen

Kolbenpumpen, Membrankolbenpumpen und Membranpumpen bilden die Gruppe der oszillierenden Verdrängerpumpen. Mit ihrem Wirkprinzip folgen diese Pumpenarten dem Vorbild des menschlichen oder auch tierischen Herzens, dessen Fördercharakteristik durch Vergrößern und Verkleinern der Herzkammern, durch Ansaugen und Verdrängen — also durch einen Saug- und einen Druckhub — bestimmt ist. Die Förderung ist daher pulsierend und nicht kontinuierlich, wie für viele industrielle Prozesse gewünscht. Man darf sich fragen, warum die Natur solche Wirkprinzipien benutzt. Die Antwort darauf ist einfach und nahe liegend. Die Natur verwendet nur effiziente Systeme. Wer unsere belebte Welt genau beobachtet, wird feststellen, dass man nirgendwo ein rotierendes Fördersystem und nur ein rotierendes Beförderungssystem, die Flagellen von Bakterien, findet. Alle Fördermechanismen in der Natur beruhen auf dem oszillierenden Prinzip. Oszillierende Pumpen sind also effizient. Und genau dies und die daraus ableitbaren Eigenschaften sind die Gründe für die große Anwendungsbreite dieser Pumpentechnik in allen Teilen der chemischen, petrochemischen, biologischen und pharmazeutischen Prozesstechnik sowie in der auf hohe Effizienz angewiesenen Hochdrucktechnik.

4. Brennkraftmaschinen

Aufgaben der Hauptbauteile des Motors sind die Steuerung des Ladungswechsels, die Realisierung der Verbrennung, die Aufnahme der entstehenden Gaskräfte und die Umwandlung dieser Kräfte in ein nutzbares Drehmoment. Zylinderkopf und Kurbelgehäuse dienen dabei als Lagerung und Führung der bewegten Bauteile des Kurbel- und Ventiltriebes.

Kapitel VI:. Außensteuergesetz

Das

Außensteuergesetz (AStG)

641

wurde erstmals 1972 als Art. 1 des sog. Außensteuerreformgesetzes (AStRG)

642

eingeführt. Nach zahlreichen Änderungen und Ergänzungen wurde im Jahr 2004 der sehr ausführliche

Anwendungserlass (AEAStG)

643

veröffentlicht, der die Handhabung des Gesetzes erleichtern und Unklarheiten beseitigen sollte. Durch das Unternehmensteuerreformgesetz 2008

644

wurden die Vorschriften des § 1 AStG zur Berichtigung von Einkünften erweitert und verschärft. In § 1 AStG sind nun eine gesetzliche Definition des Fremdvergleichsgrundsatzes und Regelungen zur Besteuerung von Funktionsverlagerungen enthalten. Darüber hinaus wurde mit dem Jahressteuergesetz 2008

645

die Vereinbarkeit der Hinzurechnungsbesteuerung nach §§ 7 ff. AStG mit der bestehenden Rechtsprechung des EuGH wiederhergestellt.

12. Kraft-Wärme-Kopplung

Nachfolgend werden die wichtigsten Kraftmaschinen in Bezug auf nachhaltige Energiesysteme angesprochen. Zur Vertiefung sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.

3. Strategisches Controlling

Das strategische Controlling sichert die Wettbewerbssituation des Unternehmens und setzt die langfristigen Ziele und Rahmenbedingungen, unter denen der operative Leistungsprozess erfolgt. Das strategische Controlling ist Kernaufgabe eines auf oberster Hierarchieebene angesiedelten zentralen Controllings.

5. Internationale Standortentscheidungen

Im Rahmen fortschreitender Internationalisierungsbestrebungen der Automobilhersteller sehen sich System-und Modullieferanten (Tier-1/Tier-2)788 immer häufiger mit der Forderung ihrer Kunden konfrontiert, ihnen an neue Standorte zu folgen („Following Customer“)789. Die Internationalisierung von Wertschöpfungsumfängen und-beziehungen ist jedoch nicht die einzige Handlungsalternative. Anstelle des Standortaufbaus in Entwicklungsländern kann bspw. die Restrukturierung bestehender Standorte der dauerhaften Sicherung von Wettbewerbsvorteilen dienen. In einer äußerst wettbewerbsintensiven Branche wie der Automobilindustrie ist dies indes immer schwerer zu realisieren. Hinzu kommt der beständige Kostendruck, dem standgehalten werden muss. Folglich ist die Ausweitung der internationalen Standortpräsenz nicht zu umgehen, denn das „[...] Verharren in der gewachsenen Standortstruktur birgt ernsthafte Risiken: Wer die Potenziale einer wirklich globalen Produktion nicht nutzen kann, riskiert eine schleichende Verschlechterung seiner strukturellen Kostenposition. Wird diese nicht durch klar überlegene Produkteigenschaften (über-)kompensiert, kann schon der Markteintritt eines Wettbewerbers mit strukturellen Kostenvorteilen schmerzhafte Folgen haben [...].Vielfach aber werden notwendige Entscheidungen immer wieder aufgeschoben; gerade auch die Restrukturierung heimischer Standorte ist in den Unternehmen häufig umstritten. “

790

2. Motor und Antriebsstrang

Ein modernes Motormanagement koordiniert Zündbzw. Einspritzzeitpunkt, Einspritzmenge, Luftmenge und Ventilstellung in Relation zur Kurbelwellenlage und steuert darüber hinaus weitere Aktoren, abhängig von dem aktuellen Fahrerwunsch sowie externen Lastanforderungen. Die technische Voraussetzung dafür bilden das Motorsteuergerät, die Aktorik und die Sensorik. Der Fahrerwunsch wird anhand der Stellung des elektronischen Gaspedals erkannt und als Drehmomentanforderung interpretiert. Systeme dieses Typs werden als E-Gas (Drive-by-wire) bezeichnet. Eine feste mechanische Kopplung zwischen Fahrpedal und Drosselklappe (beim Ottomotor) existiert dabei nicht mehr. Systeme mit mechanischen Drosselklappen sind inzwischen nur noch im Segment der einfach ausgestatteten Fahrzeuge im Einsatz, verlieren aber auch dort an Bedeutung.

3. Fahrwerksysteme

Im Folgenden werden die wichtigsten physikalischen Grundlagen zum Verständnis von Fahrdynamik-Regelungen behandelt. Die Ausfuhrungen basieren auf dem Buch [

1

].

4. Bordnetz und Vernetzung

Standen am Beginn des Elektronikeinsatzes im Kraftfahrzeug zunächst einzelne lokal abgegrenzte Anwendungen, so hat sich mit dem zunehmenden Einsatz von Elektronik, der Vielzahl von Steuergeräten und der Einführung von Bussystemen das Bild komplett gewandelt. Mehr als 60 elektronische Steuergeräte unterschiedlicher Zulieferer übernehmen die Steuerungs- und Regelungsaufgaben eines modernen Oberklassefahrzeuges (

Bild 4-1

). Sie kommunizieren untereinander und mit den Sensoren und Aktoren über verschiedene Bussysteme wie CAN, MOST oder Byteflight. Es hat sich ein komplexer Verbund hoch vernetzter Steuergeräte herausgebildet. Innovationen im Bereich des Infotainment, der Fahrerassistenz oder der aktiven Sicherheit werden in Zukunft sogar noch vermehrt nur über hoch vernetzte und komplexe Systeme zu realisieren sein, wie dies in

Bild 4-2

gezeigt wird. Die Systemkomplexität ist dabei durch das Produkt der Anzahl der Funktionen und der Anzahl der ausgetauschten Informationen definiert.

9. Fahrerassistenzsysteme und Verkehr

Bereits Ende der 1980er Jahre wurden im europäischen Forschungsprogramm PROMETHEUS (Programme for a European Traffic with Highest Efficiency and Unlimited Safety) die Visionen für einen Straßenverkehr mit höchster Effizienz und mit höchstem Sicherheitsniveau entwickelt [

1

]. Allerdings waren damals die notwendigen Komponenten, wie z.B. Sensoren zur Umfelderfassung und zur Erfassung der Fahrzeugdynamik und kompakte Hochleistungsrechner nicht verfügbar. Heute sind sie da und rücken die Vision vom „.sensitiven Fahrzeug“, das sein Umfeld erfasst und aus der Lage und der Relativgeschwindigkeit von Objekten zum eigenen Fahrzeug Warnungen und Fahrzeugeingriffe zur Vermeidung von Unfällen ableitet, immer näher.

II. Klimatische und rechtliche Grundlagen

Die Veränderungen der Erdatmosphäre sind der Wissenschaft schon seit über 200 Jahren bekannt. Bereits Anfang des 19. Jahrhunderts beschrieb der französische Wissenschaftler

Fourier

das Grundprinzip des Treibhauseffektes.

24

Ende des gleichen Jahrhunderts erstellte der schwedische Wissenschaftler

Arrhenius

die erste quantitative Berechnung über die Erwärmung der Erdatmosphäre, verursacht durch steigende Kohlenstoffdioxidemissionen der Fabriken der industriellen Revolution, und spezifizierte die Zusammenhänge des Treibhauseffektes.

25

Der Treibhauseffekt beschreibt die Eigenschaft der Erdatmosphäre, kurzwellige Sonnenstrahlung durchdringen zu lassen, diese zu absorbieren und etwa 30–35 % wieder in den Weltraum als Wärme in Form von Infrarotstrahlen (langwellige Wärmstrahlung) zu reflektieren. Dieser Vorgang läuft gemäß dem Glashausprinzip ab: in Glas gedeckten Häusern erhöht sich die Temperatur, da die einfallenden Lichtwellen der Sonne das Glas besser durchdringen als die zurückstrahlenden Wärmewellen. In der Erdatmosphäre werden die längerwelligen Infrarotstrahlen jedoch nicht direkt in den Weltraum abgestrahlt, sondern von den natürlichen Treibhausgasen in der Atmosphäre, wie z. B. Kohlenstoffdioxid (CO

2

) und Methan (CH

4

), aufgenommen. Über zahlreiche interaktive Prozesse werden die Infrarotstrahlen dann in die äußeren Schichten der Atmosphäre und schließlich in den Weltraum transportiert und zum Teil auch wieder reflektiert, was zum relativ ausgeglichen Klima auf der Erde sorgt. Dieser Mechanismus wird als natürlicher Treibhauseffekt bezeichnet.

17. Entwicklungsumgebung mit echtzeitfähigen Gesamtfahrzeugmodellen für sicherheitsrelevante Fahrerassistenzsysteme

Zur Bewertung des Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeugs benutzt der Fahrer subjektive Begriffe wie Komfort, Fahrspaß und Handling. Es gibt zwar Ansätze, diese Eigenschaften in Gütekriterien im Zeit- und Frequenzbereich mit Hilfe standardisierter Testverfahren zu erfassen ([

11

], [

12

]), letztendlich kann das subjektive Fahrgefühl jedoch nur durch Testfahrten mit Prototypen untersucht werden. Systematische Änderungen werden in diesem Entwicklungsstadium unter Umständen sehr kostspielig. Mit Fahrsimulatoren, die über ein geeignetes Human-Machine-Interface (HMI) verfügen, können die Regelungskonzepte bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium durch Simulation realitätsnah getestet werden ([

4

], [

9

], [

14

]). Aus diesem Grund wurden am Institut für Automatisierungstechnik ein Force-Feedback-Lenkrad und eine Pedaleinheit mit einem echtzeitfähigen Gesamtfahrzeugmodell gekoppelt. Das Gesamtfahrzeugmodell ist ein Zweispurmodell mit Motor-, Getriebe-, Bremsen- und Reifenmodell, programmiert unter Matlab ®/Simulink™. Es besitzt eine modulare und hierarchische Struktur, die die Anpassung an verschiedene Fahrzeugtypen möglich macht. Das Fahrzeug wurde im Laufe der Entwicklung auf verschieden Fahrzeuge abgestimmt ([

6

], [

7

], [

8

]). Das gesamte Modell wird durch automatische Codegenerierung auf einer Echtzeithardware der Fa. dSpace übertragen und kann anschließend mit dem Force-Feedback-Lenkrad und der Pedaleinheit vom Bediener gesteuert werden. Die Simulationsergebnisse werden online visualisiert und zur Weiterverarbeitung unter Matlab® aufgezeichnet.

Dipl.-Ing. Jürgen Schmitt

18. Modellgestützte Überwachung und Fehlerdiagnose für Kraftfahrzeuge

Im Rahmen einer zunehmenden Anzahl mechatronischer Komponenten und Regelungsfunktion und größer werdenden Anforderungen an Zuverlässigkeit, Sicherheit und Funktionsgarantien für Kraftfahrzeuge kommt einer umfassenden Überwachung und Fehlerdiagnose eine wachsende Bedeutung zu, [

49

]. Die Aufgaben der Überwachung bestehen dabei darin, den gegenwärtigen Prozesszustand anzuzeigen, unerwünschte oder unerlaubte Prozesszustände zu melden und entsprechende Maßnahmen einzuleiten, um den weiteren Betrieb zu erhalten und um Schäden oder Unfälle zu verhindern ([

1

], [

3

]). Hierbei kann man folgende Arten der Überwachung unterscheiden, vgl. Bild 18-1.

a)

Grenzwert-Überwachung

: Direkt messbare Größen werden im Hinblick auf das Überschreiten von Toleranzen oder Plausibilitäten geprüft, und es werden Alarmmeldungen gegeben.

b)

Automatischer Schutz

: Bei gefährlichen Prozesszuständen leitet eine GrenzwertÜberschreitung automatisch eine geeignete Gegenmaßnahme ein, um den Prozess in einen sicheren Zustand zu überführen.

c)

Überwachung mit Fehlerdiagnose

: Aus messbaren Größen werden Merkmale berechnet, Symptome erzeugt, eine Fehlerdiagnose durchgeführt und Entscheidungen für Gegenmaßnahmen getroffen.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Rolf Isermann

19. Fehlererkennung und -diagnose für Fahrdynamiksensoren mit querdynamischen Modellen

Neue Fahrerassistenzsysteme und Drive-by-Wire-Architekturen benötigen eine detaillierte Fehlererkennung für Sensoren und Aktoren. Zur Anwendung kommen bisher überwiegend Grenzwertüberwachungen und Plausibilitätsprüfungen von messbaren Größen sowie direkte Vergleiche redundant gemessener Größen [

1

]. Eine detaillierte Erkennung von Fehlerart und -ursache sowie eine Lokalisierung können mit diesen Verfahren nicht erreicht werden. Außerdem können Fehler erst dann detektiert werden, wenn sie ein relativ großes Ausmaß angenommen beziehungsweise bereits zum Ausfall einer Komponente geführt haben. Aber besonders während sicherheitskritischer querdynamischer Fahrmanöver müssen Fehler zuverlässig erkannt werden, um schnellstmöglich auf eine intakte Komponente umzuschalten. Aufgrund der höheren Zahl an Sensorinformationen wird es nun wegen der internen Kopplungen möglich, Fehlererkennung und -diagnose von Fahrwerkskomponenten systematisch durchzuführen. Hierzu eignen sich besonders modellgestützte Methoden.

Dr.-Ing. Marcus BÖrner

9. Mechatronische Lenksysteme: Modellbildung und Funktionalität des Active Front Steering

Elektronisch geregelte Lenksysteme halten im Kraftfahrzeug zunehmend Einzug. Seit längerem bekannt sind z.B. Systeme wie die Elektrolenkung [

1

] und die Elektrohydraulische Lenkung, die das Moment des Lenksystems abhängig von der Fahrsituation beeinflussen. Dementgegen und recht neu auf dem Markt stellt die so genannte Aktivlenkung, auch Überlagerungslenkung oder Active Front Steering genannt, eine elektronisch geregelte Überlagerung eines Winkels zum Lenkradwinkel dar. Active Front Steering ermöglicht sowohl einen vom Fahrer abhängigen als auch einen aktiven Lenkeingriff an der Vorderachse, ohne die mechanische Kopplung zwischen Lenkrad und Vorderachse auftrennen zu müssen. Die nächste Stufe stellen die Steer-by-wire-Systeme dar [

2

], die auch die permanente mechanische Verbindung zwischen Lenkrad und Vorderrädern aufheben bzw. auftrennen.

Dr.-Ing. Wolfgang Reinelt, Dipl.-Ing. Christian Lundquist
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