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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch bringt kurz und bündig die wesentlichen Komponenten. Ohne große Theorie taucht der Leser in die weite Welt der Verbrennungsmotoren ein. Aussagekräftige Abbildungen und kurze verständliche Sätze helfen dabei nachhaltig. Wie bei einer Zeitung steht das Wichtigste ganz am Anfang. Je weiter man liest, umso tiefer dringt man in den Stoff. Damit ist das Buch für Einsteiger, Praktiker und auch Studierende gleichermaßen sehr gut geeignet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

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.
Klaus Schreiner

2. Verbrennungsmotorische Berechnungen

Die Eigenschaften von Verbrennungsmotoren werden durch viele Kenngrößen beschrieben. Die Mindestluftmenge beschreibt, wie viel Luft man für die Verbrennung des Kraftstoffes benötigt. Das Hubvolumen beschreibt die Motorgröße. Leistung, Drehmoment und Mitteldruck sind wichtig, um die Leistungsfähigkeit des Motors zu beurteilen. Wirkungsgrade und Kraftstoffverbräuche kennzeichnen die Effizienz des Motors. Viele dieser Kenngrößen basieren auf Messungen am realen Motor. Es ist noch nicht möglich, Verbrennungsmotoren durch Simulationsrechnungen so genau zu berechnen, dass man keine Messungen mehr bräuchte.
Klaus Schreiner

3. Bauteile und Funktionsgruppen von Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotoren sind komplexe Maschinen, die aus vielen Bauteilen bestehen. Zentral ist der Kolben, der den Verbrennungsdruck aufnimmt und als Kraft an die Pleuelstange leitet. Diese gibt sie an die rotierende Kurbelwelle als Drehmoment weiter. Der Kolben bewegt sich im Zylinderrohr (Laufbuchse), das sich im Kurbelgehäuse befindet. Dieses wird nach oben hin vom Zylinderkopf abgeschlossen. In ihm sind die Ein- und Auslassventile, die Ein- und Auslasskanäle, die Einspritzanlage und bei Ottomotoren auch die Zündkerze integriert.
Durch die bei der Verbrennung entstehende Abwärme wird der Motor thermisch stark belastet. Er muss durch Wasser gekühlt werden. Moderne Motoren besitzen aufwendige Kühlsysteme. Die bewegten Teile werden mit Motoröl geschmiert, wofür entsprechende Schmiersysteme eingesetzt werden.
Klaus Schreiner

4. Variable Motorsteuerung

Die große Herausforderung der modernen Motorenentwicklung ist, den Verbrennungsmotor im gesamten Kennfeldbereich optimal einzustellen. Hierfür benötigt man entsprechende Eingriffsmöglichkeiten (Aktoren) und eine Motorelektronik, die diese optimal ansteuert. Auf diese Weise lässt sich der Motor optimal hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und/oder Drehmoment und/oder Schadstoffemissionen einstellen.
Die Luftversorgung hat einen wesentlichen Einfluss auf das Betriebsverhalten des Motors. Durch eine variable Saugrohrlänge, durch variable Ventilsteuerzeiten und durch einen variablen Ventilhub kann man diese beeinflussen.
Die modernste Maßnahme ist die Zylinderabschaltung, bei der die Luftversorgung und die Verbrennung in einem Teil der Zylinder abgeschaltet werden. Auf diese Weise kann man Kraftstoff einsparen.
Klaus Schreiner

5. Gemischbildung und Verbrennung bei Otto- und bei Dieselmotoren

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

6. Aufladung von Verbrennungsmotoren

Durch die Aufladung wird der Druck der Luft vor dem Motor von einem Verdichter deutlich erhöht. Dadurch saugt der Verbrennungsmotor eine deutlich höhere Luftmasse in das Zylinderhubvolumen. Durch die größere Masse kann mehr Kraftstoff verbrannt werden. So steigt das abgegebene Motordrehmoment und damit die Motorleistung.
Man verwendet heute meistens die Abgasturboaufladung und die Kompressoraufladung. Bei der Kompressoraufladung wird der Verdichter direkt von der Kurbelwelle angetrieben. Dadurch reduziert sich die Wellenleistung des Verbrennungsmotors. Allerdings ist die benötigte Verdichterleistung deutlich geringer als die Mehrleistung, die durch die Aufladung erzielt wird. Der große Vorteil der Kompressoraufladung ist, dass der Verdichter unmittelbar auf Drehzahländerungen des Motors reagiert und nahezu ohne Verzögerung die benötigte Luftmasse zur Verfügung stellt.
Bei der Abgasturboaufladung wird der Verdichter vom Abgasmassenstrom angetrieben. Das ist eine recht effiziente Methode. Allerdings dauert es bei einem Lastwechsel eine gewisse Zeit, bis die Turbine durch den erhöhten Abgasmassenstrom auf eine höhere Drehzahl beschleunigt wird. Dieses Turboloch bemerkt der Autofahrer deutlich. Durch geeignete Maßnahmen kann man das Turboloch verringern.
Klaus Schreiner

7. Schadstoffemissionen

Bei der Verbrennung von Kraftstoff im Zylinder eines Verbrennungsmotors entstehen neben den natürlichen Reaktionsprodukten H2O und CO2 prinzipiell noch viele weitere Komponenten. Der Gesetzgeber hat einige davon (CO, HC, NOx und Rußpartikel) zu Schadstoffen erklärt und deren Emission limitiert. Grundsätzlich gilt, dass man die Schadstoffe entweder im Zylinder oder nach dem Zylinder in einer Abgasnachbehandlungsanlage minimieren kann. Im Zylinder kann man entweder die Entstehung verhindern oder die entstandenen Komponenten im Laufe des Verbrennungsprozesses teilweise wieder abbauen. Im Allgemeinen versucht man, die Rohemissionen, die den Zylinder verlassen, möglichst gering zu halten, damit die nachfolgende Abgasreinigungsanlage nicht zu groß wird.
Bei Ottomotoren ist die Abgasreinigungsanlage üblicherweise der 3-Wege-Katalysator. Bei Dieselmotoren ist es eine Kombination von einigen der Komponenten Oxidationskatalysator, Rußfilter, NOx-Speicherkatalysator und SCR-Technik.
Klaus Schreiner

8. Alternative Kraftstoffe

Die meisten modernen Motoren werden mit Otto- oder Dieselkraftstoff betrieben. Alternativ dazu kann man als Kraftstoff beispielsweise Erdgas, Flüssiggas, Biokraftstoffe oder synthetische Kraftstoffe verwenden.
Der große Vorteil von Gasen besteht darin, dass sie sich besser als Flüssigkeiten mit Luft vermischen lassen. Dadurch entstehen weniger Schadstoffkomponenten im Abgas. Der Nachteil von Gasen ist, dass sie im Tank mehr Platz für den gleichen Energieinhalt benötigen als Flüssigkeiten. Darüber hinaus produzieren sie etwas weniger (Flüssiggas) und deutlich weniger (Erdgas) CO2.
Der große Vorteil von Biokraftstoffen ist, dass mit ihnen ein nahezu geschlossener CO2-Kreislauf möglich ist. Das CO2, das während der Verbrennung im Motor entsteht, haben die Pflanzen zuvor durch die Fotosynthese aus der Luft entfernt.
Der Vorteil der synthetischen Kraftstoffe, die aus Methan oder Wasserstoff hergestellt werden, ist, dass man sie nach genauen Spezifikationen herstellt. Ihre Eigenschaften sind dadurch genauer einstellbar. Das führt dann zu einer besseren Verbrennung.
Klaus Schreiner

9. Motorelektronik

Die hohen Anforderungen an moderne Verbrennungsmotoren bezüglich Emissionen, Kraftstoffverbrauch und Leistung lassen sich ohne den Einsatz von Motorsteuergeräten nicht erfüllen. Die Motorelektronik (Engine Control Unit – ECU) hat die Aufgabe, in jedem Betriebspunkt des Verbrennungsmotors alle Aktoren so anzusteuern, dass der Motor optimal läuft. Dazu werden Betriebsinformationen über den Ist-Zustand des Motors (Sensorwerte) und Strategien (Funktionen in der ECU-Software) für die Festlegung der Aktorsignale benötigt.
Die Software der aktuellen Motorelektronik ist äußert umfangreich. Insbesondere überprüft sie ständig, ob sich der Motor noch ordnungsgemäß verhält (On-Board-Diagnose).
Klaus Schreiner

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