Handbuch Verbrennungsmotor

Transkript

1 ATZ/MTZ-Fachbuch

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3 Richard van Basshuysen Fred Schäfer Herausgeber Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven 7., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 1804 Abbildungen und mehr als 1400 Literaturstellen

4 Herausgeber Richard van Basshuysen Bad Wimpfen, Deutschland Fred Schäfer Hamm, Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2002, 2005, 2007, 2010, 2012, 2015 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat: Ewald Schmitt/Elisabeth Lange Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

5 V Vorwort zur 7. Auflage Die Komplexität, die heute einen modernen Verbrennungsmotor ausmacht, ist sicherlich einer der Gründe dafür, dass ein Einzelner nicht mehr in der Lage ist, alle wichtigen Zusammenhänge in ihrer Tiefe umfassend darzustellen. Vielleicht ist das auch mit ein Grund dafür, dass es bisher weltweit überraschenderweise keine Gesamtdarstellung zu diesem Thema gibt. Eine Vielzahl von Fachbüchern beschäftigt sich zwar mit Teilaspekten des Verbrennungsmotors; es fehlte jedoch ein Werk, das alle bedeutenden Aspekte von Diesel- und Ottomotoren berücksichtigt. Die über 100-jährige Entwicklung des Verbrennungsmotors hat bezüglich der unterschiedlichen Anforderungen, der großen Anzahl von Bauelementen und deren Zusammenwirken eine explosionsartige Vielfalt an wichtigen Erkenntnissen und Detailwissen hervorgebracht. Mit einem aktualisierten und erweiterten Umfang auf über 1200 Seiten, 1804 Abbildungen und mehr als 1400 Literaturangaben sind die wesentlichen Inhalte der Technik des Verbrennungsmotors dargestellt. Es war das besondere Bestreben der Herausgeber, Akzente an der richtigen Stelle zu setzen und damit ein Werk zu präsentieren, das Defizite in der Fachliteratur beseitigt. Von besonderer Bedeutung ist, dass diese Überarbeitung und Erweiterung in kürzester Zeit entstand und somit den aktuellen, hohen Stand der heutigen technischen Entwicklung widerspiegelt und einen Blick in die Zukunft erlaubt. Besonders wichtig war es den Herausgebern, Theorie und Praxis in einem ausgewogenen Verhältnis darzustellen. Das gelang vor allem dadurch, dass über 130 Autoren aus Wissenschaft und Industrie zur Mitarbeit gewonnen werden konnten. Mit ihrer Hilfe entstand ein Werk, das in Lehre, Forschung und Praxis gleichermaßen ein einmaliger Helfer und Ratgeber bei der täglichen Arbeit ist. Es richtet sich vor allem an in Wissenschaft und Praxis tätige Fachleute der Automobil-, Motoren-, Mineralöl-, und Zubehörindustrie und an Studenten, es ein hilfreicher Begleiter durch das Studium sein soll. Darüber hinaus soll es Patentanwälten, dem Kraftfahrzeuggewerbe, Regierungsstellen, Umweltorganisationen, Journalisten sowie interessierten Laien ein nützlicher Ratgeber sein. Die Frage nach der Zukunft des Verbrennungsmotors spiegelt sich in vielen neuen Ansätzen zur Lösung der Probleme beispielsweise im Zusammenhang mit Kraftstoffverbrauch und Umweltverträglichkeit. Insbesondere unter diesen Aspekten, im Vergleich zu den Alternativen, fällt die Prognose nicht schwer, dass uns der Hubkolbenmotor für den mobilen Einsatz in seinen grundlegenden Elementen noch lange erhalten bleiben wird. Neue Antriebssysteme haben das Problem, gegen eine über 100-jährige Entwicklung mit weltweit enormen Entwicklungskapazitäten konkurrieren zu müssen. Das gilt sicherlich auch für den Elektroantrieb für Kraftfahrzeuge entgegen der zur Zeit von politischer Seite entfachten Euphorie. Neben der Darstellung des aktuellen Standes der Motorenentwicklung ist die Beantwortung der Fragen wichtig: Wohin entwickelt sich der Verbrennungsmotor? Wie ist sein Potenzial im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch, Kostenoptimierung und Umweltverträglichkeit nach über hundert Jahren Entwicklungszeit zu bewerten? Welche Möglichkeiten bieten alternative Kraftstoffe und alternative Antriebssysteme in der Zukunft? Sind Range Extender und hybride Antriebe nur Brückenfunktionen hin zum reinen Elektroantrieb? Gibt es Wettbewerbssysteme, die ihn in den nächsten Jahrzehnten ablösen könnten? Auf diese Fragen wurden nach dem heutigen Kenntnisstand schlüssige Antworten gegeben. Wenn auch der Schwerpunkt des Buches beim Pkw-Motor liegt, betreffen grundsätzliche Zusammenhänge auch Nutzfahrzeugmotoren. Neu ist auch, dass die in vielen Bereichen unterschiedlichen Aspekte des Ottomotors im Vergleich zum Dieselmotor in diesem Buch herausgearbeitet werden. Sind in einigen Jahren überhaupt noch grundsätzliche Unterschiede zwischen Diesel- und Ottomotoren vorhanden? Man denke an die sich annähernden Verbrennungsverfahren zwischen Otto- und Dieselmotoren: Ottomotoren mit Direkteinspritzung zukünftig vielleicht Dieselmotoren mit homogener Verbrennung.

6 VI Unser besonderer Dank gilt allen unseren Autoren für ihre konstruktive und disziplinierte Mitarbeit sowie ihr Verständnis für die schwierige Aufgabe, die Beiträge so vieler Mitarbeiter zu koordinieren. Besonders hervorzuheben ist die Termintreue der Autoren, die es ermöglichte, auch das Erscheinen des überarbeiteten und erweiterten Buches zeitnah und damit aktuell am Markt zu platzieren ein besonders erwähnenswerter Vorgang, wie wir meinen. Nach dem großen Erfolg der ersten sechs Auflagen von 2002 bis 2013 wurden mehr als Exemplare in deutscher und englischer Sprache gedruckt wurde der Inhalt für diese siebte Auflage durch eine sorgfältige Bearbeitung unter anderem des Kapitels Kraftstoffverbrauch aktualisiert. Dabei wird der wachsenden Bedeutung der Diskussion um Treibhausgase wie CO 2 besonders Rechnung getragen und der Einfluss der Motorapplikation auf die CO 2 -Emission gezeigt. An anderen Stellen wurde, wo erforderlich, der Inhalt auf den aktuellen Stand der Technik gebracht und die Literaturstellen durchgängig ergänzt. So sind es inzwischen über 1400 Literaturstellen geworden, die den Nutzen des Lesers weiter verbessern. Dem Springer Vieweg Verlag und insbesondere dem Lektorat Ewald Schmitt und Elisabeth Lange sei für die konstruktive und vorausschauende Mitarbeit herzlich gedankt. Last but not least danken die Herausgeber insbesondere der Firma IAV GmbH für die fachliche und materielle Unterstützung bei der Entstehung dieses Werkes, ohne deren Mithilfe dieses Handbuch so nicht hätte realisiert werden können. Bad Wimpfen/Hamm, im Jahr 2014 Richard van Basshuysen, VDI Fred Schäfer, VDI/SAE

7 VII Die Herausgeber Dr.-Ing. E.h. Richard van Basshuysen, VDI, wurde 1932 in Bingen/Rhein geboren. Nach einer Lehre mit Abschluss als Kfz-Schlosser studierte er an der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbüttel von 1953 bis 1955 mit Abschluss als Ingenieur für Maschinenbau wurde ihm der Hochschulgrad Diplom-Ingenieur verliehen. Von 1955 bis 1965 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Aral AG in Bochum wechselte er zur NSU AG, wo er die Versuchsleitung der Motor- und Getriebeentwicklung einschließlich der Wankelmotorentwicklung übernahm und zum stellvertretenden Leiter des Fahrzeugversuchs berufen wurde. In dieser Funktion war ermitverantwortlich für die Entwicklung der Fahrzeuge Prinz 4, NSU 1000 und 1200, RO 80 und K wurde die NSU AG von der heutigen Audi AG übernommen. Bei der Audi AG begründete er dann als Entwicklungsleiter die Fahrzeugkomfortklasse V8/A8 und war Leiter der Motoren- und Getriebeentwicklung und parallel dazu Aufsichtsratsmitglied der Audi AG als gewählter Vertreter der leitenden Angestellten. Seine bedeutendste Entwicklung war die des weltweit ersten abgasentgifteten Pkw- Dieselmotors mit Direkteinspritzung und Turboaufladung, die er gegen große Widerstände auch im eigenen Hause im VW-Konzern durchsetzte. Da dieser Motor 20 % weniger Kraftstoff als sein Vorgänger als Kammerdieselmotor verbraucht und ein Motor mit hoher Leistung und sehr hohem Drehmoment ist, hat er sich weltweit durchgesetzt. In Europa wuchs sein Marktanteil von circa 12 % im Jahr 1989 auf circa 50 % nach nur etwas mehr als einer Dekade. Nach seiner aktiven Laufbahn in der Automobilindustrie gründete Richard van Basshuysen 1992 ein Ingenieurbüro, das er bis heute leitet. Auch war er 20 Jahre lang Herausgeber der international bedeutenden technisch-wissenschaftlichen Fachzeitschriften ATZ (Automobiltechnische Zeitschrift) und MTZ (Motortechnische Zeitschrift). Er berät internationale Automobilhersteller und Ingenieurdienstleister und ist Autor und Herausgeber technischwissenschaftlicher Fachbücher, die auch ins Englische und Chinesische übersetzt wurden und werden. Außerdem ist er seit 2006 zusammen mit Prof. Dr. Ing. Fred Schäfer Herausgeber und Mitautor des Internetportals www. motorlexikon.de. Darüber hinaus war er Beiratsmitglied und Mitglied des Vorstandes in verschiedenen Gremien wie dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI) und dem Österreichischen Verein für Kraftfahrzeugtechnik. Auch ist er Autor und Mitautor von über 60 technisch-wissenschaftlichen Publikationen erhielt er für die Entwicklung des zukunftsweisenden Dieselmotor mit Direkteinspritzung den hochdotierten Ernst-Blickle-Preis 2000 und die BENZ-DAIMLER-MAYBACH-EHRENMEDAILLE des VDI für,,seine herausragende Ingenieurleistung bei der Entwicklung des Pkw-Dieselmotors mit Direkteinspritzung sowie seine langjährigen Engagements als Herausgeber der ATZ/MTZ und als Beiratsmitglied der VDI-Gesellschaft Fahrzeug- und Verkehrstechnik. Für sein Lebenswerk wurde ihm 2004 von der Universität Magdeburg die Ehrendoktorwürde verliehen. Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer wurde im Jahr 1948 in Neuwied am Rhein geboren. Nach einer Lehre als Maschinenbauer folgte ein Studium des Maschinenbaus an der staatlichen Ingenieurschule Koblenz. Im Anschluss daran absolvierte er ein Studium an der Universität Kaiserslautern in der Fachrichtung Kraft- und Arbeitsmaschinen mit dem Abschluss,,Dipl.-Ing.. Die Promotion zum Dr.-Ing. am Institut für Kraft- und Arbeitsmaschinen der Universität in Kaiserslautern wurde mit dem Thema,,Reaktionskinetische Untersuchungen der Wasserstoff-Methanolverbrennung im Ottomotor abgeschlossen. Der weitere Berufsweg führte zur Audi AG nach Neckarsulm, zunächst als Assistent des Entwicklungsleiters. Weitere Stationen während der zehnjährigen Tätigkeit waren Hauptgruppenleiter im Motorenversuch und im Anschluss daran Leiter der Abteilung Motorkonstruktion wurde er zum Professor für Kraft- und Arbeitsmaschinen an die damalige Fachhochschule Iserlohn berufen, die heute Teil der Fachhochschule Südwestfalen mit Sitz in Iserlohn ist. Im Rahmen dieser Tätigkeit leitet er das Labor für Verbrennungsmotoren und Strömungsmaschinen. Herr Prof. Dr.-Ing. Schäfer war in vielen Hochschulgremien tätig unter anderem im Senat der Hochschule. In der Funktion als Prodekan für Lehre und Forschung war er Mitglied im Leitungsgremium des Fachbereiches Maschinenbau. Herr Prof. Dr.-Ing. Schäfer ist darüber hinaus freiberuflich im Bereich Forschung und Entwicklung auf dem Sektor der Motorentechnik tätig. Zusammen mit Herrn Dr. van Basshuysen war er unter anderem von 1996 bis 2003 Herausgeber der Zeitschriftenbeilage Shell-Lexikon Verbrennungsmotor, welche im Jahr 2004 als Buch mit dem Titel,,Lexikon Motorentechnik erschienen ist. Darüber hinaus ist er mit Herrn Dr.-Ing. E.h. van Basshuysen Herausgeber und Mitautor des Internetportals und des Handbuch Verbrennungsmotor. Herr Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer ist seit Jahren Mitglied des VDI und der SAE.

8 IX Kapitel, Beiträge und Mitarbeiter 1 Geschichtlicher Rückblick Prof. Dr. Ing. Stefan Zima ( )/ Prof. Dr.-Ing. Claus Breuer 2 Definition und Einteilung Dr.-Ing. Hanns Erhard Heinze/ der Hubkolbenmotoren Prof. Dr.-Ing Helmut Tschöke 2.1 Definitionen 2.2 Möglichkeiten der Einteilung 3 Kenngrößen Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher 3.1 Hubvolumen 3.2 Verdichtungsverhältnis 3.3 Drehzahl und Kolbengeschwindigkeit 3.4 Drehmoment und Leistung 3.5 Kraftstoffverbrauch 3.6 Gasarbeit und Mitteldruck 3.7 Wirkungsgrad 3.8 Luftdurchsatz und Zylinderfüllung 3.9 Luft-Kraftstoff-Verhältnis 4 Kennfelder Dipl.-Ing. Bernd Haake 4.1 Verbrauchskennfelder 4.2 Emissionskennfelder 4.3 Zündungs- und Einspritzkennfelder 4.4 Abgastemperaturkennfelder 5 Thermodynamische Grundlagen Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer 5.1 Kreisprozesse 5.2 Vergleichsprozesse 5.3 Offene Vergleichsprozesse 5.4 Wirkungsgrade 5.5 Energiebilanz am Motor 6 Triebwerk 6.1 Kurbeltrieb Prof. Dr.-Ing. Stefan Zima ( )/ 6.2 Drehschwingungen Prof. Dr.-Ing. Claus Breuer 6.3 Variabilität von Verdichtung Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer und Hubvolumen 7 Motorkomponenten 7.1 Kolben/Kolbenbolzen/Kolbenbolzensicherung Dr.-Ing. Uwe Mohr/ Dr.-Ing. Wolfgang Ißler 7.2 Pleuel Dr. Thierry Garnier 7.3 Kolbenringe Prof. Dr.-Ing. Claus Breuer/ Dipl.-Phys. Hans-Rainer Brillert 7.4 Kurbelgehäuse Dipl.-Ing. Günter Helsper/ Dipl.-Ing. Karl B. Langlois/ Dr.-Ing. Michael Wagner Dipl.-Ing. Gerd Ohrnberger

9 X 7.5 Zylinder Prof. Dr.-Ing. Claus Breuer/ Dr.-Ing. Arnim Robota 7.6 Ölwanne Dipl.-Ing. Günter Helsper/ Dipl.-Ing. Karl B. Langlois/ Dr.-Ing. Michael Wagner Dipl.-Ing. Gerd Ohrnberger 7.7 Kurbelgehäuseentlüftung Dr.-Ing. Uwe Meinig 7.8 Zylinderkopf Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal/ Dipl.-Ing. Johann Schopp 7.9 Kurbelwellen Dr. sc. techn. ETH Werner Menk Dipl. Ing., MBA Ilias Papadimitriou Guido Rau 7.10 Ventiltriebskomponenten Wolfgang Christgen/Michael Haas/Norbert Nitz 7.11 Ventile Dr. Olaf Josef/ Dipl.-Ing. Axel Linke 7.12 Ventilfedern Dr.-Ing. Rudolf Bonse 7.13 Ventilsitzringe Dr.-Ing. Gerd Krüger 7.14 Ventilführungen 7.15 Ölpumpe Dr. Christof Lamparski Nockenwelle Dipl.-Ing. Hermann Hoffmann/ Dr.-Ing. Martin Lechner/ Dipl.-Ing. GwL. Falk Schneider/ Dipl.-Ing. Markus Lettmann/ Dipl.-Ing. Rolf Kirschner Nockenwellenverstellsysteme Andreas Strauss 7.17 Kettentrieb Dr.-Ing. Peter Bauer 7.18 Riementriebe Dipl.-Ing. Ralf Walter/ Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer/ Dipl.-Ing. Michael Neu/ Dipl.-Ing. Franz Fusenig 7.19 Lager in Verbrennungsmotoren Dipl.-Ing. Dr. techn. Rainer Aufischer Dipl.-Ing. Andreas Weber/ 7.20 Ansaugsysteme Dipl.-Ing. (FH) Alexander Korn Komponenten der Ansaugsysteme Dipl.-Ing. Andreas Weber/ Dipl.-Ing. Andreas Pelz/ Dipl.-Ing. (FH) Alexander Korn Akustik Dipl.-Ing. (FH) Matthias Alex 7.21 Dichtsysteme Zylinderkopfdichtungssysteme Dipl.-Ing. Armin Diez Spezialdichtungen Dipl.-Ing. Wilhelm Kullen/ Dr.-Ing. Oliver Göb Elastomer-Dichtsysteme Dipl.-Ing. Eberhard Griesinger Entwicklungsmethoden Dipl.-Ing. Uwe Georg Klump/ Dr. rer. nat. Hans-Peter Werner 7.22 Verschraubungen am Motor Dipl.-Ing. Siegfried Jende/ Dipl.-Ing. Thomas Kurtz 7.23 Abgaskrümmer Dipl.-Ing. Hubert Neumaier 7.24 Kühlmittelpumpen für Verbrennungsmotoren Dipl.-Ing. Peter Amm/ Dipl.-Ing. Franz Pawellek Mirko Sierakowski 7.25 Steuerorgane des Zweitaktmotors Dr.-Ing. Uwe Meinig

10 XI 8 Motoren 8.1 Motorkonzepte Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer 8.2 Aktuelle Motoren 8.3 Motorradmotoren/Sondermotoren Andreas Bilek 8.4 Kreiskolbenmotor/Wankelmotor Mazda Motors (Deutschland) Leverkusen 8.5 Kleinvolumige Motoren für handgeführte Dr.-Ing. Tim Gegg Arbeitsgeräte 9 Tribologie 9.1 Reibung Dr.-Ing. Franz Maassen 9.2 Schmierung Prof. Dr. Stefan Zima ( ) 10 Ladungswechsel 10.1 Gaswechseleinrichtungen beim Viertaktmotor Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher/ 10.2 Ladungswechselrechnung Dr.-Ing. Sören Bernhardt 10.3 Gaswechsel bei Zweitaktmotoren Dr.-Ing. Uwe Meinig 10.4 Variable Ventilsteuerungen Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal/ Dipl.-Ing. Andreas Knecht/ Dipl.-Ing. Wolfgang Stephan Perspektiven des variablen Ventiltriebs Prof. Dr.-Ing. Rudolf Flierl/ Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal 10.5 Impulsaufladung mit steuerbaren Dipl.-Ing. Werner Wallrafen Ansaugluft-Ventilen 11 Aufladung von Verbrennungsmotoren 11.1 Mechanische Aufladung Prof. Dr.-Ing. Hans Zellbeck/ 11.2 Abgasturboaufladung Dr.-Ing. Tilo Roß 11.3 Ladeluftkühlung 11.4 Zusammenwirken von Motor und Verdichter 11.5 Dynamisches Verhalten 11.6 Zusatzmaßnahmen bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren 11.7 Leistungsexplosion durch Register- und Dipl.-Ing. Marc Sens/ zweistufige Aufladung bei Personenkraftwagen Dipl.-Ing. Guido Lautrich (Hochaufladung) 11.8 Ermittlung von Turboladerkennfeldern an Dipl.-Ing. Marc Sens/ Turboladerprüfständen Dr.-Ing. Panagiotis Grigoriadis 12 Gemischbildungsverfahren und -systeme 12.1 Innere Gemischbildung Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer 12.2 Äußere Gemischbildung 12.3 Gemischbildung bei Ottomotoren Saugrohreinspritzsysteme Dipl.-Ing. Achim Koch Systeme für Direkteinspritzung 12.4 Gemischbildung bei Dieselmotoren Prof. Dr.-Ing Helmut Tschöke Einspritzsysteme Überblick Systeme mit einspritzsynchroner Druckerzeugung Systeme mit zentralem Druckspeicher Dipl.-Ing. Wolfgang Bloching/ Dr. Klaus Wenzlawski

11 XII Einspritzdüsen und Düsenhalter Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschöke Anpassung des Einspritzsystems an den Motor 12.5 Kraftstoffversorgungssystem Dr.-Ing. Thomas Zapp Kraftstoffbehälter Das Tankentlüftungssystem Anforderungen an ein Kraftstofffördersystem Dipl.-Ing. Holger Dilchert/ Dipl.-Ing. Bernd Jäger/ Dipl.-Ing. Frank Kühnel/ Dipl.-Ing. Ralph Schröder Die Füllstandsmessung Dipl.-Ing. Knut Schröter 13 Zündung Dr. Manfred Adolf/ 13.1 Zündung Ottomotor Dipl.-Ing. Heinz-Georg Schmitz 13.2 Zündkerzen 13.3 Zündung Dieselmotor 14 Verbrennung Univ. Prof. Dr.-Ing. habil Kraftstoffe und Kraftstoffchemie Günter P. Merker/ 14.2 Oxidation von Kohlenwasserstoffen Dr.-Ing. Peter Eckert 14.3 Selbstzündung 14.4 Flammenausbreitung 14.5 Modellbildung und Simulation 15 Verbrennungsverfahren 15.1 Dieselmotoren Prof. Dr.-Ing Helmut Tschöke/ Dr.-Ing. Detlef Hieber 15.2 Ottomotoren Dipl.-Ing. Marc Sens/ Dipl.-Ing. Reinhold Bals/ Dipl.-Ing. Ralf Wascheck/ Dipl.-Ing. Michael Riess 15.3 Zweitakt-Dieselmotor Dr.-Ing. Uwe Meinig 15.4 Zweitakt-Ottomotor 16 Elektronik und Mechanik für Motorund Getriebesteuerung 16.1 Umweltanforderungen Dr. rer. Nat.-Phys. Thomas Riepl/ Dipl.-Ing. Karl Smirra 16.2 Standalone-Produkte Dr. rer. Nat.-Phys. Thomas Riepl 16.3 Verbindungstechnik 16.4 Getriebesteuergeräte Dr. rer. nat.-phys. Matthias Wieczorek 16.5 Elektronischer Aufbau, Strukturen und Dipl.-Ing. Gerwin Höreth/ Bauelemente Dipl.-Ing. Rainer Riecke 16.6 Steuergeräteelektronik Dipl.-Ing. Gerwin Höreth/ Dipl.-Ing. Alexander Sedlmeier/ Dipl.-Ing. Martin Götzenberger/ Dipl.-Ing. Peter Bertelshofer 16.7 Software-Strukturen Dipl.-Ing. Gerhard Wirrer/ Dipl.-Ing. Thomas Vogt 16.8 Die Steuerung des Verbrennungsmotors Dipl.-Ing. Alfred Brandl/ Dipl.-Ing. Martin Jehle 16.9 Funktionen Dipl.-Ing. Martin Jehle Sicherheitskonzepte in Getriebesteuerungen Dipl.-Ing. Peter Bertelshofer

12 XIII 17 System Antriebsstrang 17.1 Antriebsstrang-Architektur Dr.-Ing. Michael Ulm 17.2 Längsdynamik des Kraftfahrzeuges 17.3 Getriebetypen 17.4 Leistungsebene und Signalverarbeitungsebene 17.5 Getriebesteuerung Dipl.-Ing. Friedrich Graf 17.6 Integriertes Antriebsstrangmanagement (IPM ) 17.7 Komponenten für Antriebsstrangelektrifizierung Dipl.-Ing. Uwe Möhrstädt 18 Sensoren Dr.-Ing. Anton Grabmaier/ 18.1 Temperatursensoren Dr.-Ing. Bernd Last 18.2 Füllstandsensoren 18.3 Klopfsensoren 18.4 Abgassensoren 18.5 Drucksensoren 18.6 Luftmassensensor 18.7 Drehzahlsensoren 18.8 Brennraumdrucksensoren für Dieselmotoren 19 Aktuatoren 19.1 Antriebe Dipl.-Ing. Stefan Klöckner 19.2 Drosselklappenstellglieder 19.3 Drall- und Tumbleklappen/ Resonanzaufladung 19.4 Turbolader mit variabler Turbinengeometrie 19.5 Abgasrückführventile Dipl.-Wirt.-Ing. Axel Tuschik 19.6 Verdunstungsemission, Komponenten 20 Kühlung von Verbrennungsmotoren Dipl.-Ing. Matthias Banzhaf/ 20.1 Allgemeines Dr.-Ing. Wolfgang Kramer 20.2 Anforderungen an das Kühlsystem 20.3 Berechnungsgrundlagen und Simulations-Tools 20.4 Subsysteme der Motorkühlung 20.5 Kühlmodule 20.6 Gesamtsystem Motorkühlung 21 Abgasemissionen 21.1 Gesetzliche Vorschriften ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn Abgasmesstechnik Ernst Pucher 21.3 Schadstoffe und ihre Entstehung 21.4 Minderung von Schadstoffen 21.5 Abgasnachbehandlung Ottomotor Katalysatoraufbau und chemische Reaktionen Dipl.-Ing. Stefan Brandt Katalysatorkonzepte stöchiometrisch Dr. Stephan Siemund/ betriebener Motoren Dr.-Ing. Susanne Stiebels Katalysatorkonzepte für Magermotoren Dipl.-Ing. Stefan Brandt/ Dipl.-Ing. Uwe Dahle Metallische Katalysatorträger Dr. Andrée Bergmann 21.6 Abgasnachbehandlung Dieselmotor Diesel-Oxidationskatalysatoren Dr. rer. nat. Peter Scherm

13 XIV NO x Adsorber für Diesel-Pkw Dr. rer. nat. Tilman Beutel Partikel/Partikelfilter Dr. h.c. Dipl.-Ing. Andreas C. R. Mayer/ Dr. Markus Kasper/ Prof. Dr. Heinz Burtscher Katalytischer Partikelfilter Dipl.-Ing. Alfred Punke 22 Betriebsstoffe 22.1 Kraftstoffe Wolfgang Dörmer Dieselkraftstoff Alternative Ottokraftstoffe Norbert Neumann/ 22.2 Schmierstoffe Volker Clasen/ Dr. Ulrich Pfisterer/ 22.3 Kühlmittel Volker Clasen/ Dr. Oliver Busch 23 Filtration von Betriebsstoffen Dr.-Ing. Pius Trautmann 23.1 Luftfilter 23.2 Kraftstofffilter 23.3 Motorölfilter 24 Berechnung und Simulation 24.1 Festigkeits- und Schwingungsberechnung Dr. Peter Klumpp Methoden Ausgewählte Anwendungsbeispiele Kolbenberechnungen Priv.-Doz. Dr.-Ing. Ralf Meske/ Klaus Lades 25 Verbrennungsdiagnostik Indizieren und Dr. Ernst Winklhofer/ Visualisieren in der Verbrennungs- Dr. Walter F. Piock/ entwicklung Dr. Rüdiger Teichmann 25.1 Themenstellung 25.2 Indizieren 25.3 Visualisieren 26 Kraftstoffverbrauch Prof. Dr.-Ing. Peter Steinberg/ 26.1 Allgemeine Einflussgrößen Dr.-Ing. Dirk Goßlau 26.2 Motorische Maßnahmen 26.3 Getriebeübersetzungen 26.4 Fahrerverhalten 26.5 CO 2 -Emissionen 27 Geräuschemissionen Dr.-Ing. Hans-Walter Wodtke/ 27.1 Physikalische Grundlagen und Begriffe Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn Gesetzliche Außengeräuschvorschriften Hartmut Bathelt/ 27.3 Geräuschquellen des Außengeräusches Dipl.-Ing. Andreas Gruber 27.4 Maßnahmen zur Außengeräuschminderung 27.5 Motorgeräusch im Innenraum 27.6 Akustische Leitlinien für den Motorkonstrukteur 27.7 Messtechniken und Analysemethoden 27.8 Psychoakustik

14 XV 27.9 Sound-Engineering Simulationswerkzeuge Anti-Noise-Systeme: Geräuschminderung durch Gegenschall 28 Motorenmesstechnik Univ. Prof. Dr. Christian Beidl/ Dipl.-Ing. Dr. techn. Klaus-Christoph Harms/ Dr. Christoph R. Weidinger 29 Hybridantriebe Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer/ 29.1 Historie Dipl.-Ing. Carsten von Essen 29.2 Grundlagen der Hybridantriebe (allgemeiner Überblick) 29.3 Einteilung der Hybridantriebe 29.4 Elektrische Antriebssysteme 29.5 Energiespeichersysteme 29.6 Getriebe für Hybridantriebe 29.7 Energiemanagement 29.8 Betriebsstrategien 29.9 Aktuelle Hybridfahrzeuge Zukünftige Entwicklung Range Extender Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil. Eduard Köhler/ Dr.-Ing. Martin Hopp 30 Alternative Fahrzeugantriebe und APUs Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert/ (Auxiliary Power Units) Prof. Dr.-Ing. Burghard Voß/ B.Sc. Maximilian Zehmisch 30.1 Gründe für Alternativen 30.2 Elektroantrieb 30.3 Stirlingmotor 30.4 Gasturbine 30.5 Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb 30.6 Zusammenfassende Bewertung der Alternativen Energien und Antriebe 30.7 Wasserstoff-Verbrennungsmotor 30.8 Stromerzeugung durch eine Auxiliary Power Unit (APU) 31 Energiemanagement in Motor und Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer/ Fahrzeug Dr.-Ing. E.h. Johannes Liebl 31.1 Verluste bei der Energieumwandlung 31.2 Bedarfsorientiertes Energiemanagement 31.3 Stromerzeugung im Fahrzeug 31.4 Wärmemanagement 32 Energien für Antriebe nach 2020 Dipl.-Ing. (FH) Rolf Brück/ Dipl. Chem.-Ing. Peter Hirth/ Dr. Eberhard Jacob/ Wolfgang Maus 33 Ausblick Dr.-Ing. E.h. Richard van Basshuysen

15 XVII Firmen- und Hochschulverzeichnis Firmenverzeichnis Akustikzentrum GmbH, Lenting Andreas Stihl AG & Co. KG, Waiblingen Audi AG, Ingolstadt AVL List GmbH, A-Graz BorgWarner BERU Systems GmbH, Ludwigsburg Bleistahl, Wetter BMW Group, München BRP-Powertrain GmbH & Co. KG, Gunskirchen Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Hartmut Bathelt Dr.-Ing. Tim Gegg Dipl.-Ing. Andreas Gruber Dr. Peter Klumpp Dr. F. Walter Piock Dr. Rüdiger Teichmann Dr. Ernst Winklhofer Dr. Christoph R. Weidinger Dipl.-Ing. Dr. techn. Klaus-Christoph Harms Dr. Manfred Adolf Dipl.-Ing. Heinz-Georg Schmitz (ehemals) Dr.-Ing. Gerd Krüger (ehemals) Dipl.-Ing. Johann Schopp Dr.-Ing. E.h. Johannes Liebl Dipl.-Ing. Gerd Ohrnberger Dr.-Ing. Michael Wagner (ehemals) Dipl.-Ing. Peter Bertelshofer Dipl.-Ing. Wolfgang Bloching Dipl.-Ing. Alfred Brandl Dipl.-Ing. Holger Dilchert Dipl.-Ing. Martin Götzenberger Dr.-Ing. Anton Grabmaier Dipl.-Ing. Friedrich Graf Dipl.-Ing. Gerwin Höreth Dipl.-Ing. Bernd Jäger Dipl.-Ing. Martin Jehle Dipl.-Ing. Stefan Klöckner Dipl.-Ing. Achim Koch Dipl.-Ing. Frank Kühnel Dr.-Ing. Bernd Last Dipl.-Ing. Uwe Möhrstädt Dipl.-Ing. Rainer Riecke Dr. rer.nat. Dipl.-Phys.Thomas Riepl Dipl.-Ing. Ralph Schröder Dipl.-Ing. Knut Schröter Dipl.-Ing. Alexander Sedlmeier Dipl.-Ing. Karl Smirra Dipl.-Wirt.-Ing. Axel Tuschik Dr.-Ing. Michael Ulm Dipl.-Ing. Thomas Vogt

16 XVIII Dipl.-Ing. Werner Wallrafen Dr. Klaus Wenzlawski Dr. rer. nat.-phys. Matthias Wieczorek Dipl.-Ing. Gerhard Wirrer Dr.-Ing. Thomas Zapp Deutsche BP AG, Bochum Deutsche BP AG, Hamburg Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Emitec Produktion Eisenach GmbH, Hörselberg-Hainich Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbh, Lohmar ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Federal-Mogul Burscheid GmbH, Burscheid Federal-Mogul Wiesbaden GmbH & Co. KG, Wiesbaden Federal-Mogul Nürnberg GmbH, Nürnberg FEV GmbH, Aachen Gates GmbH, Aachen Georg Fischer Automotive AG, CH-Schaffhausen Dr. Oliver Busch Wolfgang Dörmer Norbert Neumann Dr. Ulrich Pfisterer Volker Clasen Dipl.-Ing. Günter Helsper (ehemals) Dipl.-Ing. Karl B. Langlois Dipl.-Ing. Armin Diez Dr.-Ing. Oliver Göb Dipl.-Ing. Eberhard Griesinger Dipl.-Ing. Uwe Georg Klump Dipl.-Ing. Wilhelm Kullen Dr. rer. nat. Hans-Peter Werner Dr. Andrée Bergmann Dipl.-Ing. (FH) Rolf Brück Dipl. Chem.-Ing. Peter Hirth Dr. Eberhard Jacob Wolfgang Maus Dr. rer. nat. Tilman Beutel Dipl.-Ing. Stefan Brandt (ehemals) Dipl.-Ing. Uwe Dahle Dipl.-Ing. Alfred Punke Dr. rer. nat. Peter Scherm Dr. Stephan Siemund Dr.-Ing. Susanne Stiebels Dipl.-Phys. Hans-Rainer Brillert Dr.-Ing. Arnim Robota Dr. Thierry Garnier Klaus Lades Priv.-Doz. Dr.-Ing. Ralf Meske Dipl.-Ing. Bernd Haake Dr.-Ing. Franz Maassen Dipl.-Ing. Franz Fusenig Dipl.-Ing. Wolfgang Körfer Dipl.-Ing. Michael Neu Dipl.-Ing. Ralf Walter Dr. sc. techn. ETH Werner Menk Dipl. Ing., MBA Ilias Papadimitriou Guido Rau

17 XIX Geräte- und Pumpenbau GmbH Dr. Eugen Schmidt, Merbelsrod Hilite International/Hydraulik-Ring, Nürtingen hofer mechatronik, Oberboihingen IAV GmbH, Berlin IAV GmbH, Gifhorn IGS Zwickau iwis motorsysteme GmbH & Co. KG, München KSPG AG, Neckarsulm KTM Sportmotorcycle AG MAHLE GmbH, Stuttgart MAHLE Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart MAHLE International GmbH, Stuttgart Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Matter Engineering AG, CH-Wohlen Dipl.-Ing. Peter Amm Dipl.-Ing. Franz Pawellek Dipl.-Ing. Andreas Knecht Dipl.-Ing. Wolfgang Stephan Dr.-Ing. Panagiotis Grigoriadis Dipl.-Ing. Guido Lautrich Dipl.-Ing. Michael Riess Dipl.-Ing. Marc Sens Dipl.-Ing. Carsten von Essen Prof. Dr.-Ing. Burghard Voß B.Sc. Maximilian Zehmisch Dr.-Ing. Peter Eckert (ehemals) Dipl.-Ing. Reinhold Bals Dipl.-Ing. Ralf Wascheck Mirko Sierakowski Dr.-Ing. Peter Bauer Dr.-Ing. Martin Hopp Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil. Eduard Köhler (ehemals) Andreas Bilek (ehemals) Dipl.-Ing. Rolf Kirschner Dipl.-Ing. Markus Lettmann Dipl.-Ing. GwL. Falk Schneider Dipl.-Ing. Matthias Banzhaf Dr.-Ing. Wolfgang Kramer Dipl.-Ing. Hermann Hoffmann Dr.-Ing. Uwe Mohr Dr.-Ing. Martin Lechner (ehemals) Dr.-Ing. Wolfgang Ißler Dipl.-Ing. (FH) Matthias Alex Dipl.-Ing. (FH) Alexander Korn Dipl.-Ing. Andreas Pelz Dr.-Ing. Pius Trautmann Dipl.-Ing. Andreas Weber Dr. Markus Kasper Mazda Motors (Deutschland) GmbH, Leverkusen Miba-Bearing Group Miba Gleitlager GmbH, A-Laarkirchen Muhr und Bender KG, Attendorn Peiner Umformtechnik GmbH, Peine Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH & Co. KG, Schwabach Dipl.-Ing. Dr. techn. Rainer Aufischer Dr.-Ing. Rudolf Bonse Dipl.-Ing. Siegfried Jende (ehemals) Dipl.-Ing. Thomas Kurtz

18 XX Schaeffler Engineering GmbH, Werdohl Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach SHW Automotive GmbH, Bad Schussenried Tenneco GmbH, Edenkoben Dr.-Ing. Hans-Walter Wodtke Wolfgang Christgen Michael Haas Norbert Nitz Andreas Strauss Dr. Christof Lamparski (ehemals) Dr.-Ing. Uwe Meinig Dipl.-Ing. Hubert Neumaier TRW Automotive, Barsinghausen Dipl.-Ing. Axel Linke Dr.-Ing. Olaf Josef TTM Technik Thermische Maschinen, Dr. h.c. Dipl.-Ing. C. R. CH-Niederrohrdorf Andreas Mayer Hochschulverzeichnis Fachhochschule Aargau, CH-Windisch Prof. Dr. Heinz Burtscher Technische Hochschule Mittelhessen Prof. Dr.-Ing. Claus Breuer (THM), Friedberg Prof. Dr.-Ing. Stefan Zima ( ) Technische Hochschule Karlsruhe Fachhochschule Südwestfalen, Iserlohn Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg Technische Universität Braunschweig Technische Universität Darmstadt Technische Universität Dresden Technische Universität Hannover Technische Universität Kaiserslautern Technische Universität Wien Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Dr.-Ing. Sören Bernhardt Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer Dr.-Ing. Dirk Goßlau Prof. Dr.-Ing. Peter Steinberg Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert Univ. Prof. Dr. Christian Beidl Prof. Dr.-Ing. Hans Zellbeck Dr.-Ing. Tilo Roß Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Günter P. Merker Prof. Dr.-Ing. Rudolf Flierl ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Ernst Pucher Dr.-Ing. Hanns Erhard Heinze Dr.-Ing. Detlef Hieber Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschöke Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher

19 XXI Autorenverzeichnis Adolf, Manfred, Dr. Alex, Matthias, Dipl.-Ing. (FH) Amm, Peter, Dipl.-Ing. Aufischer, Rainer, Dipl.-Ing. Dr. techn. Bals, Reinhold, Dipl.-Ing. Banzhaf, Matthias, Dipl.-Ing. Bathelt, Hartmut, Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Bauer, Peter, Dr.-Ing. Beidl, Christian, Univ. Prof. Dr. Bergmann, Andrée, Dr. Bernhardt, Sören, Dr.-Ing. Bertelshofer, Peter, Dipl.-Ing. Beutel, Tilman, Dr. rer. nat. Bilek, Andreas Bloching, Wolfgang, Dipl.-Ing. Bonse, Rudolf, Dr.-Ing. Brandl, Alfred, Dipl.-Ing. Brandt, Stefan, Dipl.-Ing. Breuer, Claus, Prof. Dr.-Ing. Brillert, Hans-Rainer, Dipl.-Phys. Brück, Rolf, Dipl.-Ing. (FH) Burtscher, Heinz, Prof. Dr. Busch, Oliver, Dr. BorgWarner BERU Systems GmbH, Ludwigsburg Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Geräte- und Pumpenbau GmbH, Dr. Eugen Schmidt, Merbelsrod Miba Bearing Group Miba Gleitlager GmbH, A-Laakirchen IAV GmbH, Gifhorn MAHLE Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart Akustikzentrum GmbH, Lenting iwis motorsysteme GmbH & Co. KG, München Technische Universität Darmstadt, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe Emitec Produktion Eisenach GmbH, Hörselberg-Hainich Universität Karlsruhe ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover ehemals KTM Sportmotorcycle AG Muhr und Bender KG, Attendorn ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Technische Hochschule Mittelhessen (THM), Friedberg Federal-Mogul Burscheid GmbH, Burscheid Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbh, Lohmar Fachhochschule Aargau, CH-Windisch Deutsche BP AG, Bochum

20 XXII Christgen, Wolfgang Clasen, Volker Dahle, Uwe, Dipl.-Ing. Diez, Armin, Dipl.-Ing. Dilchert, Holger, Dipl.-Ing. Dörmer, Wolfgang Eckert, Peter, Dr.-Ing. Flierl, Rudolf, Prof. Dr.-Ing. Fusenig, Franz, Dipl.-Ing. Garnier, Thierry, Dr. Gegg, Tim, Dr.-Ing. Göb, Oliver, Dr.-Ing. Götzenberger, Martin, Dipl.-Ing. Goßlau, Dirk, Dr.-Ing. Grabmaier, Anton, Dr.-Ing. Graf, Friedrich, Dipl.-Ing. Griesinger, Eberhard, Dipl.-Ing. Grigoriadis, Panagiotis, Dr.-Ing. Gruber, Andreas, Dipl.-Ing. Haake, Bernd, Dipl.-Ing. Haas, Michael Hannibal, Wilhelm, Prof. Dr.-Ing. Harms, Klaus-Christoph, Dipl.-Ing. Dr. techn. Heinze, Hanns Erhard, Dr.-Ing. Helsper, Günter, Dipl.-Ing. Hieber, Detlef, Dr.-Ing. Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach Deutsche BP AG, Hamburg ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Deutsche BP AG, Bochum ehemals IAV GmbH, Gifhorn TU Kaiserslautern Gates GmbH, Aachen Federal-Mogul Wiesbaden GmbH Andreas Stihl AG & Co. KG, Waiblingen ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Brandenburgische Technische Universität Cottbus- Senftenberg, Lehrstuhl Fahrzeugtechnik und -antriebe ElringKlinger AG, Dettingen/Erms IAV GmbH, Berlin Audi AG, Ingolstadt FEV GmbH, Aachen Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach FH Südwestfalen, Iserlohn AVL List GmbH, A-Graz Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

21 XXIII Hirth, Peter, Dipl. Chem.-Ing. Hoffmann, Hermann, Dipl.-Ing. Hopp, Martin, Dr.-Ing. Höreth, Gerwin, Dipl.-Ing. Ißler, Wolfgang, Dr.-Ing. Jäger, Bernd, Dipl.-Ing. Jacob, Eberhard, Dr. Jehle, Martin, Dipl.-Ing. Jende, Siegfried, Dipl.-Ing. Josef, Olaf, Dr.-Ing. Kasper, Markus, Dr. Kirschner, Rolf, Dipl.-Ing. Klöckner, Stefan, Dipl.-Ing. Klump, Uwe Georg, Dipl.-Ing. Klumpp, Peter, Dr. Knecht, Andreas, Dipl.-Ing. Koch, Achim, Dipl.-Ing. Köhler, Eduard, Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil. Körfer, Wolfgang, Dipl.-Ing. Korn, Alexander, Dipl.-Ing. (FH) Kramer, Wolfgang, Dr.-Ing. Krüger, Gerd, Dr.-Ing. Kühnel, Frank, Dipl.-Ing. Kullen, Wilhelm, Dipl.-Ing. Kurtz, Thomas, Dipl.-Ing. Lades, Klaus Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbh, Lohmar MAHLE International GmbH, Stuttgart KSPG AG, Neckarsulm MAHLE International GmbH, Stuttgart Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbh, Lohmar ehemals Peiner Umformtechnik GmbH, Peine TRW Automotive, Barsinghausen Matter Engineering AG, CH-Wohlen MAHLE GmbH, Stuttgart ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Audi AG, Ingolstadt Hilite International/Hydraulik-Ring, Nürtingen ehemals KSPG AG, Neckarsulm Gates GmbH, Aachen Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg MAHLE Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart ehemals Bleistahl, Wetter ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH & Co. KG, Schwabach Federal-Mogul Nürnberg GmbH, Nürnberg

22 XXIV Lamparski, Christof, Dr. Langlois, Karl B., Dipl.-Ing. Last, Bernd, Dr.-Ing. Lautrich, Guido, Dipl.-Ing. Lechner, Martin, Dr. techn. Lettmann, Markus, Dipl.-Ing. Liebl, Johannes, Dr.-Ing. E.h. Linke, Axel, Dipl.-Ing. Maassen, Franz, Dr.-Ing. Maus, Wolfgang Mayer, Andreas C. R., Dr. h.c. Dipl.-Ing. ehemals SHW Automotive GmbH, Bad Schussenried Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach IAV GmbH, Berlin ehemals MAHLE International GmbH, Stuttgart MAHLE GmbH, Stuttgart BMW Group, München TRW Automotive, Barsinghausen FEV GmbH, Aachen Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbh, Lohmar TTM Technik Thermische Maschinen, CH-Niederrohrdorf Mazda Motors (Deutschland) GmbH Leverkusen Meinig, Uwe, Dr.-Ing. Menk, Werner, Dr. sc. techn. ETH Merker, Günter P., Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. Meske, Ralf, Priv.-Doz. Dr.-Ing. Möhrstädt, Uwe, Dipl.-Ing. Mohr, Uwe, Dr.-Ing. Neu, Michael, Dipl.-Ing. Neumaier, Hubert, Dipl.-Ing. Neumann, Norbert Nitz, Norbert Ohrnberger, Gerd, Dipl.-Ing. Papadimitriou, Ilias, Dipl. Ing., MBA Pawellek, Franz, Dipl.-Ing. SHW Automotive GmbH, Bad Schussenried Georg Fischer Automotive AG, CH-Schaffhausen ehemals Leiter Institut für Technische Verbrennung, Universität Hannover Federal-Mogul Nürnberg GmbH, Nürnberg MAHLE International GmbH, Stuttgart Gates GmbH, Aachen Tenneco GmbH, Edenkoben Deutsche BP AG, Bochum Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach BRP-Powertrain GmbH & Co. KG, A-Gunskirchen Georg Fischer Automotive AG, CH-Schaffhausen Geräte- und Pumpenbau GmbH, Dr. Eugen Schmidt, Merbelsrod

23 XXV Pelz, Andreas, Dipl.-Ing. Pfisterer, Ulrich, Dr. Piock, F. Walter, Dr. Pucher, Ernst, ao.univ.-prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Punke, Alfred, Dipl.-Ing. Rau, Guido Riecke, Rainer, Dipl.-Ing. Riepl, Thomas, Dr. rer. nat.-phys. Riess, Michael, Dipl.-Ing. Robota, Arnim, Dr.-Ing. Roß, Tilo, Dr.-Ing. Schäfer, Fred, Prof. Dr.-Ing. Scherm, Peter, Dr. rer. nat. Schmitz, Heinz-Georg, Dipl.-Ing. Schneider, Falk, Dipl.-Ing. Gwl. Schopp, Johann, Dipl.-Ing. Schröder, Ralph, Dipl.-Ing. Schröter, Knut, Dipl.-Ing. Sedlmeier, Alexander, Dipl.-Ing. Seiffert, Ulrich, Prof. Dr.-Ing. Sens, Marc, Dipl.-Ing. Siemund Stefan, Dr. Sierakowski, Mirko Smirra, Karl, Dipl.-Ing. Spicher, Ulrich, Prof. Dr.-Ing. Steinberg, Peter, Prof. Dr.-Ing. Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Deutsche BP AG, Bochum AVL List GmbH, A-Graz Technische Universität Wien, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau, A-Wien ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Georg Fischer Automotive AG, CH-Schaffhausen IAV GmbH, Berlin Federal-Mogul Burscheid GmbH Technische Universität Dresden FH Südwestfalen, Iserlohn ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover ehemals BERU AG, Ludwigsburg MAHLE GmbH, Stuttgart BMW Group, München Technische Universität Braunschweig IAV GmbH, Berlin ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover IGS Zwickau Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Brandenburgische Technische Universität Cottbus- Senftenberg, Lehrstuhl Fahrzeugtechnik und -antriebe

24 XXVI Stephan, Wolfgang, Dipl.-Ing. Stiebels, Susanne, Dr.-Ing. Strauss, Andreas Teichmann, Rüdiger, Dr. Trautmann, Pius, Dr.-Ing. Tschöke, Helmut, Prof. Dr.-Ing. Tuschik, Axel, Dipl.-Wirt.-Ing. Ulm, Michael, Dr.-Ing. van Basshuysen, Richard, Dr.-Ing. E. h. Vogt, Thomas, Dipl.-Ing. von Essen, Carsten, Dipl.-Ing. Voß, Burghard, Prof. Dr.-Ing. Wagner, Michael, Dr.-Ing. Wallrafen, Werner, Dipl.-Ing. Walter, Ralf, Dipl.-Ing. Wascheck, Ralf, Dipl.-Ing. Weber, Andreas, Dipl.-Ing. Weidinger, Christoph R., Dr. Wenzlawski, Klaus, Dr. Werner, Hans-Peter, Dr. rer. nat. Wieczorek, Matthias, Dr. rer. nat.-phys. Winklhofer, Ernst, Dr. Wirrer, Gerhard, Dipl.-Ing. Wodtke, Hans-Walter, Dr.-Ing. Zapp, Thomas, Dr.-Ing. Zehmisch, Maximilian, B.Sc. Zellbeck, Hans, Prof. Dr.-Ing. Zima, Stefan, Prof. Dr.-Ing. ( ) hofer mechatronik, Oberboihingen ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach AVL List GmbH, A-Graz Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg ehem. Herausgeber ATZ und MTZ, Bad Wimpfen IAV GmbH, Berlin IAV GmbH, Berlin ehemals BRP-Powertrain GmbH & Co. KG, A-Gunskirchen Gates GmbH, Aachen IAV GmbH, Gifhorn Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg AVL List GmbH, A-Graz ElringKlinger AG, Dettingen/Erms AVL List GmbH, A-Graz Schaeffler Engineering GmbH, Werdohl IAV GmbH, Berlin Technische Universität Dresden FH Gießen-Friedberg, FB Maschinenbau, Friedberg

25 XXVII Inhaltverzeichnis 1 Geschichtlicher Rückblick Definition und Einteilung der Hubkolbenmotoren Definitionen Möglichkeiten der Einteilung Verbrennungsverfahren Kraftstoff Arbeitsverfahren Gemischbildung Ladungswechselsteuerung Ladungseinbringung Bauform Zündung Kühlung Lastregelung Einsatzzweck Drehzahl- und Leistungsabstufung Kenngrößen Hubvolumen Verdichtungsverhältnis Drehzahl und Kolbengeschwindigkeit Drehmoment und Leistung Kraftstoffverbrauch Gasarbeit und Mitteldruck Wirkungsgrad Luftdurchsatz und Zylinderfüllung Luft-Kraftstoff-Verhältnis Kennfelder Verbrauchskennfelder Emissionskennfelder Zündungs- und Einspritzkennfelder Abgastemperaturkennfelder Thermodynamische Grundlagen Kreisprozesse Vergleichsprozesse Einfache Modellprozesse Der Gleichraumprozess Gleichdruckprozess Seiliger-Prozess Vergleichende Betrachtung der Kreisprozesse Exergieverluste... 37

26 XXVIII 5.3 Offene Vergleichsprozesse Arbeitsprozess des vollkommenen Motors Grundlagen der Berechnung Arbeit des vollkommenen Motors Wirkungsgrad des vollkommenen Motors Exergieverlust beim vollkommenen Prozess Annäherung an den realen Arbeitsprozess Nulldimensionale Modelle Mehrdimensionale Modelle Wirkungsgrade Energiebilanz am Motor Bilanzgleichung Triebwerk Kurbeltrieb Aufbau und Funktion Kräfte am Kurbeltrieb Tangentialkraftverlauf und mittlere Tangentialkraft Massenkräfte Massenkräfte am Einzylinder-Triebwerk Massenkräfte am Zweizylinder-V-Triebwerk Massenkräfte und Massenmomente bei Mehrzylinder-Triebwerken Beispiel (Fünfzylinder-Reihenmotor) Massenausgleich Ausgleich am Einzylinder-Triebwerk Ausgleich am Mehrzylinder-Triebwerk Innere Momente Kröpfungs- und Zündfolgen Drehschwingungen Grundlagen Reduktion der Maschinenanlage Eigenfrequenzen und Eigenschwingungsformen Erregerkräfte, -arbeit und -amplituden Maßnahmen zur Verringerung der Kurbelwellenausschläge Zweimassenschwungräder Variabilität von Verdichtung und Hubvolumen Variables Hubvolumen Variable Verdichtung Motorkomponenten Kolben/Kolbenbolzen/Kolbenbolzensicherung Kolben Anforderungen und Funktion Konstruktive Gestaltung Desachsierung der Nabenbohrung Einbau- und Laufspiele Kolbenmassen Betriebstemperaturen Kolbenkühlung Kolbenbauarten Kolbenherstellung Laufflächenschutz/Oberflächenschutz Kolbenwerkstoffe... 92

27 XXIX Kolbenbolzen Funktion Bauarten Anforderung und Dimensionierung Werkstoffe Kolbenbolzensicherungen Pleuel Aufbau des Pleuels Belastung Pleuelverschraubung Gestaltung Pleuelstangenverhältnis Pleuelfertigung Rohteileherstellung Bearbeitung Pleuel-Werkstoffe Kolbenringe Ausführungsformen Verdichtungsringe Ölabstreifringe Ringbestückungen Kenngrößen Kolbenringherstellung Formgebung Verschleißschutzschichten Oberflächenbehandlungen Werkstoffe für Kolbenringe Beanspruchung, Schäden, Verschleiß, Reibung Kurbelgehäuse Aufgaben und Funktionen Gestaltung von Zylinderkurbelgehäusen Kurbelgehäusebauart Optimierung der Akustik Minimierung der Kurbelgehäusemasse Gießverfahren für Kurbelgehäuse Druckguss Kokillenguss Lost-Foam-Verfahren Sandguss Squeeze-Casting Zylinder Gestaltung von Zylindern Monometall-Bauart Einsatztechnik Verbundtechnik Bearbeitung von Zylinderlaufflächen Bearbeitungsverfahren Zylinderkühlung Flüssigkeitskühlung Luftkühlung Ölwanne Ölwannenbauart Kurbelgehäuseentlüftung Gesetzliche Randbedingungen Technische Anforderungen Systemaufbau aktueller Kurbelgehäuseentlüftungssysteme

28 XXX Ölabscheidung Grobölabscheidung Ölnebelabscheidung Kurbelgehäusedruckregelung Druckregelventile Impaktor-Druckregelventile Module und Ventilhaubenintegration Zylinderkopf Grundauslegung des Zylinderkopfes Auslegung der Grundgeometrie Festlegung der Fertigungsverfahren Auslegung der Gaswechselorgane Variable Ventilsteuerungen Die Konstruktion des Zylinderkopfes Auslegung der Grobabmessungen Brennraum- und Kanalauslegung Ventiltriebsauslegung Kühlkonzepte Ölhaushalt Konstruktive Detailauslegungen Konstruktion in Baustufen CAD-Einsatz in der Konstruktion Rechnergestützte Auslegung Gießverfahren Sandguss Kokillenguss Lost-Foam-Verfahren (Vollform-Verfahren) Druckgussverfahren Modell- und Formenbau Mechanische Bearbeitung und Qualitätssicherung Großserienfertigung Prototypenfertigung Qualitätssicherung der Zylinderköpfe Ausgeführte Bauformen von Zylinderköpfen Zylinderköpfe an Ottomotoren Zylinderköpfe an Dieselmotoren Sonderbauformen von Zylinderköpfen Perspektiven in der Zylinderkopftechnologie Kurbelwellen Funktion im Fahrzeug Kurbelwellen im Hubkolbenmotor Anforderungen Herstellung und Eigenschaften Verfahren und Werkstoffe Werkstoffliche Eigenschaften von Kurbelwellen Leichtbau und Verfahren zur Steigerung der Festigkeit Hohlgegossene Kurbelwellen ADI Austempered Ductil Iron (ausferritisches Gusseisen) Erhöhung der Bauteilfestigkeit durch Nachbehandlung Kombination Werkstoffentwicklung/optimiertes Festwalzen Berechnung von Kurbelwellen Ventiltriebskomponenten Standard-Ventiltrieb Ventiltriebe mit direktem Antrieb Ventiltriebe mit indirektem Antrieb Hydraulischer Ventilspielausgleich Mechanische Ventilspieleinstellung Variable Ventiltriebe

29 XXXI Riemenspannsysteme, Spann- und Umlenkrollen Einführung Automatische Riemenspannsysteme für Zahnriementriebe Spann- und Umlenkrollen für Zahnriementriebe Zahnriementriebe in öliger Umgebung Ausblick Kettenspann- und Führungssysteme Einführung Kette Kettenspannelement Spann- und Führungsschienen Kettenräder Ventile Funktion und Begriffserklärungen Fertigungsmethoden und Ventilarten Monometallventile Bimetallventile Hohlventile Ausführungsformen Ventilkopf Ventilsitz Ventilschaft Ventilführung Ventilwerkstoffe Wärmebehandlung Oberflächenveredelung Sonder-Ventilausführungen Ventile mit werkstofflich bedingt geringer Masse Abgassteuerventile Ventilkegelstücke Aufgabe und Funktion Fertigungsmethoden Ventildrehvorrichtung Aufgabe Bauarten und Funktion Ventilfedern Ventilsitzringe Einleitung Anforderungen an Ventilsitzringe Ventilsitzbeanspruchungen Werkstoffe und Eigenschaften Geometrie und Toleranzen Zylinderkopfgeometrie und -montage Ventilführungen Anforderungen an Ventilführungen Ventilführungsbeanspruchungen Werkstoffe und Eigenschaften Werkstoffe Werkstoffeigenschaften Geometrie Ventilführung Zylinderkopfmontage Ölpumpe Übersicht über Ölpumpensysteme Innenzahnradpumpe Außenzahnradpumpe Flügelzellenpumpe Vor- und Nachteile der einzelnen Pumpensysteme

30 XXXII Regelprinzipien Direkte Regelung Indirekte Regelung Rohöl- und reinölseitige Verstellung Zwei- oder Mehrstufenregelung Registerregelpumpe Volumenstrom-Regelpumpen Innenzahnrad-Regelpumpe (Volumenstromvariable Zahnringpumpe) Außenzahnrad-Volumenstrom-Regelpumpe Flügelzellenpumpe Leistungseinsparung im NEFZ- Zyklus Konstruktionsgrundlagen Kurbelwellenpumpe Sumpfpumpe Ölpumpenkennwerte aus der Praxis Vergleich zwischen Kurbelwellen und Sumpfpumpen Kavitation und Geräuschemission Berechnung Numerische Strömungssimulation CFD Eindimensionale Simulation von Strömungsnetzwerken Nockenwelle Aufgaben der Nockenwelle Ventiltriebkonfigurationen Aufbau einer Nockenwelle Technologien und Werkstoffe Gussnockenwelle Gebaute Nockenwelle Stahlnockenwelle Sonderformen von Nockenwellen Werkstoffeigenschaften und empfohlene Paarungen Massereduktion Einflussfaktoren für Nockenwellenbelastung Auslegung von Nockenprofilen Kinematikrechnung Dynamikrechnung Nockenwellenverstellsysteme Kettentrieb Kettenbauformen Kettenkennwerte Kettenräder Kettenführungselemente Reibungsreduzierungskonzepte von Steuerkettentrieben Riementriebe Zahnriementriebe zum Antrieb von Nockenwellen Antriebselement Zahnriemen Antriebssystem Zahnriemen Zahnriementriebdynamik Ovalradtechnologie Anwendungsbeispiele Keilrippenriementriebe zum Antrieb von Nebenaggregaten Antriebselement Micro-V -Riemen Antriebssystem Nebenaggregatetrieb Anwendungsbeispiele Riemengetriebener Starter-Generator (RSG/Start-Stopp-System) Lager in Verbrennungsmotoren Grundlagen Radiallager Axiallager