Handbuch Verbrennungsmotor

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1 Richard van Basshuysen Fred Schäfer (Hrsg.) Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven 5., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 1793 Abbildungen PRAXIS ATZ/MTZ-Fachbuch VIEWEG+ TEUBNER

2 XXVII Inhaltsverzeichnis 1 Geschichtlicher Rückblick 1 2 Definition und Einteilung der Hubkolbenmotoren Definitionen Möglichkeiten der Einteilung Verbrennungsverfahren Kraftstoff Arbeitsverfahren Gemischbildung Ladungswechselsteuerung Ladungseinbringung Bauform Zündung Kühlung Lastregelung Einsatzzweck Drehzahl- und Leistungsabstufung 14 3 Kenngrößen Hubvolumen Verdichtungsverhältnis Drehzahl und Kolbengeschwindigkeit Drehmoment und Leistung Kraftstoffverbrauch Gasarbeit und Mitteldruck Wirkungsgrad Luftdurchsatz und Zylinderfüllung Luft-Kraftstoff-Verhältnis 24 4 Kennfelder Verbrauchskennfelder Emissionskennfelder Zündungs- und Einspritzkennfelder Abgastemperaturkennfelder 33 5 Thermodynamische Grundlagen Kreisprozesse Vergleichsprozesse Einfache Modellprozesse Der Gleichraumprozess Gleichdruckprozess Seiliger Prozess Vergleichende Betrachtung der Kreisprozesse Exergieverluste 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 47

3 XXVIII Inhaltsverzeichnis 6 Triebwerk Kurbeltrieb Aufbau und Funktion Kräfte am Kurbeltrieb Tangentialkraftverlauf und mittlere Tangentialkraft Massenkräfte Massenkräfte am Einzylinder-Triebwerk Massenkräfte am 2-Zylinder-V-Triebwerk Massenkräfte und Massenmomente bei Mehrzylinder-Triebwerken Beispiel 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 80 7 Motorkomponenten Kolben/Kolbenbolzen/Kolbenbolzensicherung Kolben Anforderungen und Funktion Konstruktive Gestaltung Desachsierung der Nabenbohrung Einbau- und Laufspiele Kolbenmassen Betriebstemperaturen Kolbenkühlung Kolbenbauarten Kolbenherstellung Laufflächenschutz/Oberflächenschutz Kolbenwerkstoffe Kolbenbolzen Funktion Bauarten Anforderung und Dimensionierung Werkstoffe Kolbenbolzensicherangen Pleuel Aufbau des Pleuels Belastung Pleuelverschraubung Gestaltung Pleuelstangenverhältnis Pleuelfertigung Rohteileherstellung Bearbeitung Pleuel-Werkstoffe Kolbenringe Ausführungsformen Verdichtungsringe Ölabstreifringe Ringbestückungen Kenngrößen HO

4 XXIX Herstellung 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 Öl wannenbauart Kurbelgehäuseentlüftung Gesetzliche Randbedingungen Technische Anforderungen Systemaufbau aktueller Kurbelgehäuseentlüftungssysteme Ölnebelabscheidung Kurbelgehäusedruckregelung 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 164

5 XXX Inhalts verzeichn i s 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 Berechnung von Kurbelwellen Ventiltriebskomponenten Standard Ventiltrieb Ventiltriebe mit direktem Antrieb Ventiltriebe mit indirektem Antrieb Hydraulischer Ventilspielausgleich Mechanische Ventilspieleinstellung Variable Ventiltriebe Riemenspannsysteme, Spann- und Umlenkrollen Einführung Automatische Riemenspannsysteme für Zahnriementriebe Spann- und Umlenkrollen für Zahnriementriebe INA Durability Drive 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 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 208

6 XXXI 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 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 Riementriebe Zahnriementriebe zum Antrieb von Nockenwellen Antriebselement Zahnriemen Antriebssystem Zahnriemen Zahnriementriebdynamik Ovalradtechnologie Anwendungsbeispiele 272

7 XXXII Inhaltsverzeichnis 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 Berechnung und Dimensionierung von Motorlagern Belastung Zapfenverlagerungsbahn Elastohydrodynamische Berechnung Hauptdimensionen: Durchmesser, Breite Ölführungsgeometrie Feindimensionen Lagerwerkstoffe Lagermetalle Laufschichten Lagerbauarten - Aufbau, Belastbarkeit, Anwendung Massivlager Zweistofflager Dreistoff-Lager Miba-Rillenlager Sputterlager Lagerversagen Hergang eines Schadens Arten von Lagerschäden Ausblick Ansaugsysteme Thermodynamik von Luftansaugsystemen Akustik Dichtsysteme Zylinderkopfdichtungssysteme Ferrolastic-Weichstoff-Zylinderkopfdichtungen Metall-Elastomer-Zylinderkopfdichtungen Metalllagen-Zylinderkopfdichtungen Metaloflex Ausblick Spezialdichtungen Funktionsbeschreibung der Flachdichtung Weichstoffdichtungen Metall-Weichstoff-Dichtungen Spezialdichtungen aus Metaloseal Ausblick Elastomer-Dichtsysteme Elastomerdichtungen Metall-Elastomer-Dichtungen Module Entwicklungsmethoden Finite-Elemente-Analyse Simulation im Labor - Funktions- und Lebensdauerprüfung Verschraubungen am Motor Hochfeste Schraubenverbindungen Qualitätsanforderungen Schraubverbindungen Zylinderkopfschraube Hauptlagerdeckelschraube Pleuelschraube Riemenscheibenschraube Schwungradschraube Nockenwellen-Lagerdeckelschraube Ölwannenbefestigungsschraube Verschrauben in Magnesiumbauteilen 326

8 XXXIII Schraubenanziehverfahren Drehmomentgesteuertes Anziehen Drehwinkelgesteuertes Anziehen Streckgrenzgesteuertes Anziehverfahren Abgaskrümmer Ablauf einer Krümmerentwicklung Krümmer als Einzelkomponente Gusskrümmer Rohrkrümmer EinfachwandigeHalbschalenkrümmer Luftspaltisolierte Krümmer (LSI-Krümmer) Krümmer als Teilmodul Krümmer und Katalysator integriert Krümmer und Turbolader integriert Krümmer-Komponenten Kühlmittelpumpen für Verbrennungsmotoren Anforderungen, Bauarten und konstruktiver Aufbau Flügelrad und Spiralkanal Kühlmittelseitige Abdichtung Kennfeld und Ähnlichkeitsbeziehungen der Kühlmittelpumpe Kavitation Elektrische KUhlmittelpumpe und schaltbare mechanische KUhlmittelpumpe Steuerorgane des Zweitaktmotors Motoren Motorkonzepte Motorbauarten Unterscheidungsmerkmale von Motorkonzepten bezüglich des Grundmotors Weitere Konzeptkriterien Konzepte der Anordnung des Aggregates im Fahrzeug Aktuelle Motoren Motorradmotoren/Sondermotoren Motorräder für die Straße (On road) Einzylindermotoren Zweizylindermotoren Mehrzylindermotoren Leistungsentwicklung Hub-/Bohrungsverhältnis Ventiltrieb Getriebe Motorräder für das Gelände (Off road) Motocross Enduro und Rallye Trial Gesetzgebung Abgasemissionen Geräuschemissionen Rennmotoren und 250 2T für GP GP Sonderanwendungen Schneemobil Wassermotorräder oder PWC (Persnal Water Craft) Kreiskolbenmotor/Wankelmotor Historie Generelle Funktionsweise eines Kreiskolbenmotors Das Viertaktprinzip Der Kreiskolbenmotor des Pkw's Renesis Der Seitenauslass Variable Ansaugsteuerung und elektronische Drosselklappe Der Wasserstoff-Kreiskolbenmotor 421

9 Tribologie Reibung Kenngrößen Reibungszustände Verfahren zur Reibungsmessung Einfluss des Betriebszustandes und der Randbedingungen Einlaufzustand des Verbrennungsmotors Ölviskosität Temperatureinfluss Motorbetriebspunkt Einfluss der Reibung auf den Kraftstoffverbrauch Reibungsverhalten ausgeführter Verbrennungsmotoren Reibungsaufteilung Triebwerk Kurbelwelle Pleuellager und Kolbengruppe Massenausgleich Ventilsteuerung (Ventil- und Steuertrieb) Nebenaggregate Ölpumpe Kühlmittelpumpe Generator Einspritzpumpe Klimakompressor Kühlerventilator Servolenkungspumpe Vakuumpumpe Verfahren zur Reibungsberechnung am Beispiel der Kolbengruppe Schmierung Tribologische Grundlagen Reibung Verschleiß Schmiersystem Schmierung Bauteile und Funktion 441 Ladungswechsel Gaswechseleinrichtungen beim 4-Takt-Motor Bauformen des Ventiltriebs Bauelemente des Ventiltriebs Kinematik und Dynamik des Ventiltriebes Auslegung der Gaswechseleinrichtungen bei 4-Takt-Motoren Ladungswechselrechnung Gaswechsel bei Zweitaktmotoren Spülverfahren Gaswechselorgane Spülluftversorgung Variable Ventilsteuerungen Nockenwellenversteller Überblick zu Funktionsprinzipien von Nockenwellenverstellem Motorische Auswirkungen durch Nockenwellenversteller Nockenwellenversteller an Serienmotoren Perspektiven von Nockenwellenverstellem Systeme mit stufenweiser Ventilhub- oder -Öffnungsdauervariation Vollvariable Ventilsteuerungen Rückblick auf die Entwicklung vollvariabler mechanischer Ventilsteuerungen Mechanische Systeme in Serie Mechanische Systeme in Entwicklung Hydraulisch betätigte Systeme Elektromechanische Systeme Perspektiven des variablen Ventiltriebs 508

10 XXXV 10.5 Impulsaufladung und Laststeuerung von Hubkolbenmotoren durch ein Lufttaktventil Einleitung Technologiebeschreibung Bauprinzip und Randbedingungen Thermodynamisches Potential Entdrosselung zur Kraftstoffeinsparung beim Ottomotor Funktionsweise der Entdrosselung Ergebnisse am Vollmotor (Otto V8) Saugseitige Zylinderabschaltung Impulsaufladung bei niedrigen Drehzahlen ( low-end torque") Funktionsweise der Impulsaufladung Ergebnisse am Vollmotor (Otto V8) Dynamik bei Lastsprüngen Miller-Verfahren Zusammenfassende Bewertung Impulsaufladung mit steuerbaren Ansaugluft-Ventilen Einleitung Anforderungen an die Komponenten für den Serieneinsatz Elektrische Systemintegration Mechanische Systemintegration Integriertes Impulslader-Saugmodul Ausblick Aufladung von Verbrennungsmotoren Mechanische Aufladung Abgasturboaufladung Ladeluftkühlung Zusammenwirken von Motor und Verdichter Viertaktmotor im Verdichterkennfeld Mechanische Aufladung Abgasturboaufladung Dynamisches Verhalten Zusatzmaßnahmen bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren Ottomotoren Dieselmotoren Leistungsexplosion durch Register- und zweistufige Aufladung bei Personenkraftwagen (Hochaufladung) Historie und Evolution der zweistufigen Auflade verfahren (Stufenaufladung) Thermodynamik der zweistufigen Aufladung Registeraufladung und zweistufige Aufladekonzepte/-systeme Registeraufladung Zweistufige Aufladung Einsatzgebiete Ermittlung von Turboladerkennfeldern an Turbol aderprüfständen Prinzipieller Aufbau eines Turboladerprüfstands Verdichter- und Turbinenkennfelder Besonderheiten bei der Verwendung von Turboladerkennfeldern in der Motorprozesssimulation Gemischbildungsverfahren und -Systeme Innere Gemischbildung Äußere Gemischbildung Gemischbildung bei Ottomotoren (Vergaser/Benzineinspritzung) Arbeitsweise des Vergasers Bauarten Anzahl der Ansaugluftkanäle Lage der Ansaugluftkanäle Bauarten für Sonderanwendungen Wichtige Systeme an Vergasern Elektronisch geregelter Vergaser Gleichdruckvergaser Betriebsverhalten Lambda-Regelung 560

11 XXXVI Inhaltsverzeichnis Gemischbildung mittels Benzineinspritzung Saugrohreinspritzsysteme Systeme für Direkteinspritzung Gemischbildung bei Dieselmotoren Einspritzsysteme - Überblick Systeme mit einspritzsynchroner Druckerzeugung Einzelpumpensysteme mit Leitung Reiheneinspritzpumpe Verteilereinspritzpumpe Pumpe-Düse-System Systeme mit zentralem Druckspeicher Hochdruckpumpe Rail und Leitungen Injektor Einspritzdüse Elektronik Entwicklungstrends Einspritzdüsen und Düsenhalter Anpassung des Einspritzsystems an den Motor Kraftstoffversorgungssystem Kraftstoffbehälter Dieselkraftstofftank Ottokraftstofftank Das Tankentlüftungssystem Anforderungen an ein Kraftstofffördersystem Dieselfördersystem Ottokraftstofffördersystem Die Füllstandsmessung Anforderung an die Füllstandsmessung Hebelgeber MAgnetic Passive Position Sensor Zündung Ottomotor Einleitung der Zündung Anforderungen an das Zündsystem Mindestzündenergien Grundlagen der Funkenzündung Phasen des Funkens Energieübertragungswirkungsgrad Spulenzündsystem (induktiv) Weitere Zündsysteme Zusammenfassung/Ausblick Zündkerzen Anforderungen an Zündkerzen Aufbau Wärmewert Zündspannungsbedarf Zündeigenschaft (und Gemischentflammung) Verschleiß Applikation Dieselmotor Selbstzündung und Verbrennung Kaltstart Dieselmotor Wichtige Einflussparameter Startbewertungskriterien Komponenten zur Kaltstartunterstützung Glühsystem Heizflansch Ausblick Kombinierte Systeme Ionenstrommessung Geregelte Glühsysteme 628

12 XXXVII 14 Verbrennung Kraftstoffe und Kraftstoffchemie Oxidation von Kohlenwasserstoffen Selbstzündung Das H System Zündung von Kohlenwasserstoffen Schnelle Kompressionsmaschine Dieselmotor HCCI-Motor Motorklopfen Modellierung der Selbstzündung Einschritt-Mechanismus Shell-Modell Flammenausbreitung Turbulente Skalen Flammentypen Vorgemischte Flammen Nicht-vorgemischte Flammen Partiell-vorgemischte Flammen Modellbildung und Simulation Klassifizierung von Verbrennungsmodellen Nulldimensionale Modelle Ersatzbrennverläufe Wärmeübergangsmodelle Phänomenologische Modelle Ottomotorische Verbrennung Dieselmotorische Verbrennung D-CFD Modelle Verbrennungsverfahren Verbrennungsverfahren für Dieselmotoren Dieselverbrennung Diesel-Viertakt-Verbrennungsverfahren Verfahren mit indirekter Kraftstoffeinspritzung (IDI) Verfahren mit direkter Kraftstoffeinspritzung (DI) Gegenüberstellung der Verbrennungsverfahren Entwicklungsrichtungen Sonderverfahren und Besonderheiten Ottomotoren Brennverfahren von Port-Fuel-Injection-(PFI)-Motoren Brennverfahren von Direct-Injection-Spark-Ignition-(DISI)-Motoren Betriebsarten eines Ottomotors mit Direkteinspritzung Ausprägungen und Spezifika des ottomotorischen Brennverfahrens mit Direkteinspritzung sowie dessen Technologiebausteine und Technologiekombinationen Zweitaktdieselmotor Zweitaktottomotor Elektronik und Mechanik für Motor- und Getriebesteuerung Umweltanforderungen Einbauklassen Thermisches Management Standalone Produkte Verbindungstechnik Integrierte Produkte (MTM = Mechatronic Transmission Module) Elektronischer Aufbau, Strukturen und Bauelemente Grundstruktur Elektronische Bauelemente Eingangsfilterbaustein Klopf-IC Endstufenbaustein Microcontroller Spannungsregler DC/DC Converter 715

13 16.6 Steuergeräteelektronik Allgemeine Beschreibung Signalaufbereitung Signalauswertung Signalausgabe Spannungsversorgung Schnittstellen CAN-Bus Schnittstelle LIN-Bus Schnittstelle FlexRay-Bus Schnittstelle Elektronik für Getriebesteuergeräte Software-Strukturen Aufgabe der Software bei der Steuerung von Motoren Anforderungen an die Software Das Schichtenkonzept der Software Der Software-Entwicklungsprozess Drehmomentbasierte Funktionsstruktur für Motorsteuerung Modellbasierte Funktionen am Beispiel des SaugrohrfüUungsmodells Funktionen A-Regelung Antiruckelfunktion Drosselklappenregelung Klopfregelung On Board"-Diagnose (OBD) Aufgaben der Eigendiagnose Überwachung des Katalysators Sicherheitskonzepte 740 System Antriebsstrang Antriebs Strang-Architektur Längsdynamik des Kraftfahrzeuges Getriebetypen Leistungsebene und Signalverarbeitungsebene Getriebesteuerung Funktionen Überblick Fahr- oder Schaltstrategie Automatgetriebe mit Planetenradsätzen und Drehmomentwandler Automatisiertes Handschaltgetriebe Stufenlosgetriebe (CVT) Integriertes Antriebsstrangmanagement (IPM ) Komponenten für Antriebsstrangelektrifizierung Überblick Varianten Hybrid- und Elektroantrieb Mikrohybrid Mildhybrid Vollhybrid Plugin-Hybrid Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeuge Komponenten Leistungselektronik Drehstrom-Inverter DC/DC Wandler Elektromotor Technologien Asynchronmotor Permanent erregter Synchronmotor Fremderregter Synchronmotor Energiespeicher Überblick Batteriesystem Li-Ionen Zellen Sicherheit Ausblick 758

14 XXXIX Sensoren Temperatursensoren Füllstandsensoren Klopfsensoren Abgassensoren Lambdasensoren NO x -Sensor Drucksensoren Normaldracksensoren Piezoresistives Messprinzip Kapazitives Messprinzip Mitteldrucksensoren Hochdrucksensoren Druckschalter Luftmassensensor Messprinzip Mass Airflow Sensor Sekundär Luftmassensensor (SAF = Secondary Air Flow) Drehzahlsensoren Passive Drehzahlsensoren Aktive Sensoren Brennraumdrucksensoren für Dieselmotoren 767 Aktuatorik Antriebe Pneumatische Antriebe Elektrische Antriebe Schrittmotor DC-Motor Torque-Motor ЕС-Motor Kommunikation mit der Motorsteuerelektronik Gesteuerte Stellglieder Extern geregelte Stellglieder Intern geregelte Stellglieder (smarte Aktuatoren) Rückstellung/Default-Position Drosselklappenstellglieder Kernfunktion Ottomotor Kernfunktion Dieselmotor Zusätzliche Funktionen Leerlaufregelung Ottomotor Positionssignal Lastschlagdämpfung Tempomatfunktion Drive-by-wire"/E-Gas ; Wast-gate Funktion Unterdruck/Vordrosselstellglieder Drall- und Tumbleklappen/Resonanzaufladung Port-Deactivation Schichtladung Turbolader mit variabler Turbinengeometrie Abgasrückführventile Verdunstungsemission, Komponenten Tankentlüftungsventile Diagnose Verdunstungsemission Tankdiagnose mit Überdruck Tankdiagnose mit Unterdruck 782 Kühlung von Verbrennungsmotoren Allgemeines Anforderungen an das Kühlsystem Berechnungsgrundlagen und Simulations-Tools 784

15 20.4 Subsysteme der Motorkühlung Kühlmittelkühlung Kühlerschutzmittel Ladeluftkühlung Abgaskühlung Ölkühlung Lüfter und Lüfterantriebe Kühlmodule Gesamtsystem Motorkühlung 792 Abgasemissionen Gesetzliche Vorschriften Europa Japan Harmonisierung der Abgasvorschriften Abgasmesstechnik Messtechnik für die Zertifizierung von Kraftfahrzeugen Messtechnik für die Motorenentwicklung Schadstoffe und ihre Entstehung Ottomotor Limitierte Abgaskomponenten Nichtlimitierte Abgaskomponenten Dieselmotor Limitierte Abgaskomponenten Nichtlimitierte Abgaskomponenten Minderung von Schadstoffen Motorische Maßnahmen Ottomotor Dieselmotor Abgasnachbehandlung Ottomotor Katalysatoraufbau und chemische Reaktionen Katalysatorkonzepte stöchiometrisch betriebener Motoren Dreiwegekatalysator Der Sauerstoffspeicher Kaltstartstrategien Deaktivierungseffekte und ihre Auswirkung Katalysatorkonzepte für Magermotoren Möglichkeiten zur NO^-Reduktion in magerem Abgas Der NO v -Speicherkatalysator System mit Vorkatalysator und NO^-Adsorber Metallische Katalysatorträger Abgasnachbehandlung Dieselmotor Diesel-Oxidationskatalysatoren Schadstoffe im Diesel-Abgas Charakteristika von Diesel-Oxidationskatalysatoren Deaktivierung der Katalysator-Oberfläche Beurteilung von Diesel-Oxidationskatalysatoren NO, Adsorber für Diesel-Pkw Arbeitsbereich des Speicherkatalysators Entschwefelung Regenerationsmethoden Partikel/Partikelfilter Partikeldefinttionen und Partikeleigenschaften Zielsetzungen für die Partikelfiltration Anforderungen an Filtermedien, technische Lösungen Abscheidung und Haftung Regeneration und periodische Reinigung Emissionen während Regenerationen und Sekundäremissionen Druckverlust Bauraum und Systemintegration Schadensmechanismen/Erfahrungen Qualitätskriterien Eignungstest, Typenprüfung, OBD, Feldkontrolle 859

16 XLI Partikelmesstechnik Penetration oder Abscheidegrad Global Warming durch Rußpartikel Kosten/Nutzen-Betrachtung zur Nachrüstung von Partikelfiltern Katalytischer Partikelfilter Betriebsstoffe Kraftstoffe Dieselkraftstoff (DK) DK-Komponenten und Zusammensetzung Kennwerte und Eigenschaften Additive für DK Alternative Dieselkraftstoffe Ottokraftstoff (OK) OK-Komponenten und Zusammensetzung Kennwerte und Eigenschaften Alternative Ottokraftstoffe Schmierstoffe Schmierstoffarten Aufgabe der Schmierung Arten der Schmierung Anforderungen an die Schmierung Viskosität/Vikositäts-Index(V.I.) Einfluss der Temperatur auf die Viskosität Einfluss des Drucks auf die Viskosität Einfluss der Schergeschwindigkeit auf die Viskosität Basisflüssigkeiten Basisflüssigkeiten aus Mineralöl Synthetische Basisflüssigkeiten Additive für Schmierstoffe V.I.-Verbesserer Detergents/Dispersants Antioxidantien und Korrosionsinhibitoren Reibungs- und Verschleißminderer (EP/AW-Additive) Schauminhibitoren Motoröle für Viertaktmotoren SAE-Viskositätsklassen für Motoröle Einbereichsöle Mehrbereichsöle Leichtlauföle Einlauföle Gasmotoröle Wasserstoffmotoröle Leistungsklassen Gebrauchtölbeurteilung Rennmotoröle Wankelmotoröle Motoröle für Zweitaktmotoren Leistungsklassen Prüfverfahren Kühlmittel Gefrierschutz Korrosionsschutz Spezifikationen Filtration von Betriebsstoffen Luftfilter Bedeutung der Luftfiltration für Verbrennungsmotoren Verunreinigung der Motoransaugluft Kenngrößen zur Beurteilung von Luftfiltermedien Messmethoden und Auswertung Anforderungen an moderne Luftfiltersysteme Auslegungskriterien für Motorluftfilterelemente 935

17 Filtergehäuse Konstruktive Auslegung von Filtergehäusen Kraftstofffilter Ottokraftstofffilter Dieselkraftstofffilter Leistungsdaten von Kraftstofffiltern Filtration von Motoröl Verschleiß und Filtration Hauptstromölfilter Abscheidegrad und Filterfeinheit Nebenstromölfiltration 944 Berechnung und Simulation Festigkeits-und Schwingungsberechnung Verfahren und Methoden Ausgewählte Anwendungsbeispiele Kolbenberechnungen Überblick Anforderungen an Kolbenwerkstoffe und deren Eigenschaften Erstellung des Finite-Elemente Modells auf Basis der CAD-Geometrie Thermodynamische Simulation zur Bestimmung der thermischen Randbedingung FE-Berechnung des Temperaturfeldes FE-Berechnung der Spannungen und Deformationen für jeden zu betrachteten Lastfall Abschätzung der Betriebsfestigkeit Auswertung der Berechnungsergebnisse Strömungsberechnung Ein- und Quasidimensionale Verfahren Dreidimensionale Strömungsberechnung Ausgewählte Anwendungsbeispiele 966 Verbrennungsdiagnostik - Indizieren und Visualisieren in der Verbrennungsentwicklung Themenstellung Indizieren Messtechnik Qualitätskriterien Indizieren - Ausblick Zyklusgenaue signal- und modellbasierte Motorsteuerung Visualisieren Aufgaben- und Themenstellung Visualisieren im realen Motorbetrieb Strahlungseigenschaften von Gas-, Benzin-und Dieselflammen Flammenspektroskopie Flammenausbreitung in vorgemischter Ladung bei Fremdzündung Flammenausbreitung bei Diffusionsverbrennung im Dieselmotor Visualisieren der Verbrennung im realen Motorbetrieb durch das Eigenleuchten der Flamme Technische Umsetzung: Flammenausbreitung Messgeräte - Messsysteme Visualisieren beleuchteter Vorgänge Visualisieren der Gemischverteilung Visualisieren von Geschwindigkeitsfeldern Visualisieren -Ausblick 989 Kraftstoffverbrauch Allgemeine Einflussgrößen Luftwiderstand Gewicht Radwiderstand Kraftstoffverbrauch Motorische Maßnahmen Downsizing Downspeeding 1000

18 XLIII Dieselmotor Ottomotor Magerkonzept, Direkteinspritzung Brennverfahren HCC Variabler Ventiltrieb Zündung Zylinderabschaltung Konzept zur Verbrauchsreduzierung Verbrauchsvorteile im Teillastgebiet Nebenaggregate Wärmemanagementmaßnahmen zur Verbrauchsreduzierung Hybridkonzepte Getriebeübersetzungen Auswahl des direkten Ganges Auswahl der Gesamtübersetzung im größten Gang Auslegung auf maximale Höchstgeschwindigkeit Überdrehende Auslegung Unterdrehende Auslegung Wahl des verbrauchsgünstigsten Ganges Fahrerverhalten C0 2 -Emissionen C0 2 -Emission und Kraftstoffverbrauch Motorapplikationseinfluss auf die C0 2 -Emission Entwicklung der globalen C0 2 -Emission Geräuschemissionen Physikalische Grundlagen und Begriffe Gesetzliche Außengeräuschvorschriften Außengeräusch-Messverfahren Kritische Betrachtung der Aussagefähigkeit des bestehenden Außengeräusch-Messverfahrens Zukünftiges Außengeräusch-Messverfahren und Grenzwerte Geräuschquellen des Außengeräusches Maßnahmen zur Außengeräuschminderung Motorseitige Maßnahmen Fahrzeugseitige Maßnahmen Motorgeräusch im Innenraum Akustische Leitlinien für den Motorkonstrukteur Messtechniken und Analysemethoden Psychoakustik Sound-Engineering Simulationswerkzeuge Anti-Noise-Systeme: Geräuschminderung durch Gegenschall Motorenmesstechnik Hybridantriebe Historie Grundlagen der Hybridantriebe (allgemeiner Überblick) Prinzip Komponenten Verbrennungsmotor E-Motor Generator Elektrischer Energiespeicher Getriebe Energiemanagement Leistungselektronik Funktionen Start/Stopp (Stopp/Start) Elektrisches Fahren Lastpunktverschiebung 1060

19 Boosten Ausgleich von Drehmomentschwingungen Bremsenergierekuperation Elektrische Nebenaggregate Automatisches Einparken Einteilung der Hybridantriebe Arten Leistungseinteilung Elektrische Antriebssysteme E-Maschinen Leistungsbereich Steuerung Leistungselektronik Stromrichter Energiespeichersysteme Blei-Säure Batterie Nickel-Metallhydrid-Batterie Natrium-Nickelchlorid-Batterie Lithium-Ionen-Batterie SuperCaps Batteriemanagement Getriebe für Hybridantriebe Getriebe ohne integrierte E-Maschine Getriebe mit integrierter E-Maschine Sonderbauformen von Getrieben Energiemanagement Start/Stopp Regelung des Generators Energierückgewinnung Ladezustandsregelung Energieverteilungsmanagement Bordnetz Betriebsstrategien Wirkungsgrade Energiebilanz Kraftstoffverbrauch Abgasemissionen Fahrleistungen Ansätze zur Festlegung einer Betriebsstrategie Aktuelle Hybridfahrzeuge Systeme Fahrzeugaufbau Zukünftige Entwicklung Ottohybridantrieb Dieselhybridantrieb Reiner Elektroantrieb 1105 Alternative Fahrzeugantriebe und APUs (Auxiliary Power Units) Grunde für Alternativen Hybridfahrzeuge Elektroantrieb Speichersysteme Stirlingmotor Gasturbine Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb Der Aufbau der PEM-Brennstoffzelle Die Brennstoffzelle im Fahrzeug Bewertung der Brennstoffzelle im Vergleich zu anderen Antrieben Zusammenfassende Bewertung der alternativen Energien und Antriebe Stromerzeugung durch Auxiliary Power Unit = APU Thermoelektrik Die Brennstoffzelle als APU Brennkraftmaschine in Kombination mit einem Lineargenerator (Freikolbenlineargenerator) 1128

20 XLV 31 Energiemanagement in Motor und Fahrzeug Verluste bei der Energieumwandlung Bedarfsorientiertes Energiemanagement Stromerzeugung im Fahrzeug Thermoelektrischer Generator (TEG) Wärmemanagement Ausblick 1139 Sachwortverzeichnis 1143