VIII

Handbuch Verbrennungsmotor

Richard van BasshuysenFred Schfer Hrsg.

Grundlagen Komponenten Systeme Perspektiven

7. Auflage

ATZ/MTZ-Fachbuch

ATZ/MTZ-Fachbuch

Richard van Basshuysen Fred SchferHerausgeber

HandbuchVerbrennungsmotor

Grundlagen, Komponenten, Systeme,Perspektiven

7., vollstndig berarbeitete und erweiterte Auflage

Mit 1804 Abbildungen und mehr als 1400 Literaturstellen

Herausgeber

Richard van BasshuysenBad Wimpfen, Deutschland

Fred SchferHamm, Deutschland

ISBN 978-3-658-04677-4 ISBN 978-3-658-04678-1 (eBook)DOI 10.1007/978-3-658-04678-1

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Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 2002, 2005, 2007, 2010, 2012, 2015Das Werk einschlielich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschtzt. Jede Verwertung, die nicht aus-drcklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Dasgilt insbesondere fr Vervielfltigungen, Bearbeitungen, bersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein-speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

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Lektorat: Ewald Schmitt/Elisabeth Lange

Gedruckt auf surefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

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Vorwort zur 7. Auflage Die Komplexitt, die heute einen modernen Verbrennungsmotor ausmacht, ist sicherlich einer der Grnde dafr, dass ein Einzelner nicht mehr in der Lage ist, alle wichtigen Zusammenhnge in ihrer Tiefe umfassend darzustel-len. Vielleicht ist das auch mit ein Grund dafr, dass es bisher weltweit berraschenderweise keine Gesamtdar-stellung zu diesem Thema gibt. Eine Vielzahl von Fachbchern beschftigt sich zwar mit Teilaspekten des Verbrennungsmotors; es fehlte jedoch ein Werk, das alle bedeutenden Aspekte von Diesel- und Ottomotoren bercksichtigt.

Die ber 100-jhrige Entwicklung des Verbrennungsmotors hat bezglich der unterschiedlichen Anforderungen, der groen Anzahl von Bauelementen und deren Zusammenwirken eine explosionsartige Vielfalt an wichtigen Erkenntnissen und Detailwissen hervorgebracht. Mit einem aktualisierten und erweiterten Umfang auf ber 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 prsentieren, das Defizite in der Fachliteratur beseitigt. Von besonderer Bedeutung ist, dass diese berarbei-tung und Erweiterung in krzester 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 Verhltnis darzustel-len. Das gelang vor allem dadurch, dass ber 130 Autoren aus Wissenschaft und Industrie zur Mitarbeit gewon-nen werden konnten. Mit ihrer Hilfe entstand ein Werk, das in Lehre, Forschung und Praxis gleichermaen ein einmaliger Helfer und Ratgeber bei der tglichen Arbeit ist.

Es richtet sich vor allem an in Wissenschaft und Praxis ttige Fachleute der Automobil-, Motoren-, Minerall-, und Zubehrindustrie und an Studenten, es ein hilfreicher Begleiter durch das Studium sein soll. Darber hinaus soll es Patentanwlten, dem Kraftfahrzeuggewerbe, Regierungsstellen, Umweltorganisationen, Journalisten sowie interessierten Laien ein ntzlicher Ratgeber sein.

Die Frage nach der Zukunft des Verbrennungsmotors spiegelt sich in vielen neuen Anstzen zur Lsung der Probleme beispielsweise im Zusammenhang mit Kraftstoffverbrauch und Umweltvertrglichkeit. Insbesondere unter diesen Aspekten, im Vergleich zu den Alternativen, fllt die Prognose nicht schwer, dass uns der Hubkol-benmotor fr den mobilen Einsatz in seinen grundlegenden Elementen noch lange erhalten bleiben wird. Neue Antriebssysteme haben das Problem, gegen eine ber 100-jhrige Entwicklung mit weltweit enormen Entwick-lungskapazitten konkurrieren zu mssen. Das gilt sicherlich auch fr den Elektroantrieb fr Kraftfahrzeuge ent-gegen 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 Umweltvertrglichkeit nach ber hundert Jahren Entwicklungszeit zu bewerten? Welche Mglichkeiten bieten alternative Kraftstoffe und alternative Antriebssysteme in der Zukunft? Sind Range Exten-der und hybride Antriebe nur Brckenfunktionen hin zum reinen Elektroantrieb? Gibt es Wettbewerbssysteme, die ihn in den nchsten Jahrzehnten ablsen knnten? Auf diese Fragen wurden nach dem heutigen Kenntnis-stand schlssige Antworten gegeben.

Wenn auch der Schwerpunkt des Buches beim Pkw-Motor liegt, betreffen grundstzliche Zusammenhnge 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 berhaupt noch grundstzliche Unterschiede zwischen Diesel- und Ottomotoren vorhanden? Man denke an die sich annhernden Verbrennungsverfahren zwischen Otto- und Dieselmotoren: Ottomotoren mit Direkteinspritzung zuknftig vielleicht Dieselmotoren mit homogener Verbrennung.

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Unser besonderer Dank gilt allen unseren Autoren fr ihre konstruktive und disziplinierte Mitarbeit sowie ihr Verstndnis fr die schwierige Aufgabe, die Beitrge so vieler Mitarbeiter zu koordinieren. Besonders hervorzu-heben ist die Termintreue der Autoren, die es ermglichte, auch das Erscheinen des berarbeiteten und erweiter-ten Buches zeitnah und damit aktuell am Markt zu platzieren ein besonders erwhnenswerter Vorgang, wie wir meinen.

Nach dem groen Erfolg der ersten sechs Auflagen von 2002 bis 2013 wurden mehr als 25.000 Exemplare in deutscher und englischer Sprache gedruckt wurde der Inhalt fr diese siebte Auflage durch eine sorgfltige Bearbeitung unter anderem des Kapitels Kraftstoffverbrauch aktualisiert. Dabei wird der wachsenden Bedeutung der Diskussion um Treibhausgase wie CO2 besonders Rechnung getragen und der Einfluss der Motorapplikation auf die CO2-Emission gezeigt. An anderen Stellen wurde, wo erforderlich, der Inhalt auf den aktuellen Stand der Technik gebracht und die Literaturstellen durchgngig ergnzt. So sind es inzwischen ber 1400 Literaturstellen geworden, die den Nutzen des Lesers weiter verbessern. Dem Springer Vieweg Verlag und insbesondere dem Lektorat Ewald Schmitt und Elisabeth Lange sei fr die konstruktive und vorausschauende Mitarbeit herzlich gedankt. Last but not least danken die Herausgeber insbesondere der Firma IAV GmbH fr die fachliche und materielle Untersttzung bei der Entstehung dieses Werkes, ohne deren Mithilfe dieses Handbuch so nicht htte realisiert werden knnen. Bad Wimpfen/Hamm, im Jahr 2014 Richard van Basshuysen, VDI Fred Schfer, VDI/SAE

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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/Wolfenbttel von 1953 bis 1955 mit Abschluss als Ingenieur fr Maschi-nenbau. 1982 wurde ihm der Hochschulgrad Diplom-Ingenieur verliehen. Von 1955 bis 1965 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter der Aral AG in Bochum. 1965 wechselte er zur NSU AG, wo er die Versuchsleitung der Motor- und Getriebeentwick-lung einschlielich der Wankelmotorentwicklung bernahm und zum stellvertretenden Leiter des Fahrzeugversuchs berufen wurde. In dieser Funktion war ermitverantwortlich fr die Entwicklung der Fahrzeuge Prinz 4, NSU 1000 und 1200, RO 80 und K 70. 1969 wurde die NSU AG von der heutigen Audi AG bernommen. Bei der Audi AG begrn-dete er dann als Entwicklungsleiter die Fahrzeugkomfortklasse V8/A8 und war Leiter der Motoren- und Getriebeentwicklung und parallel dazu Aufsichtsratsmitglied der Audi AG als gewhlter Vertreter der leitenden Angestellten. Seine bedeutendste Entwicklung war die des weltweit ersten abgasentgifteten Pkw-Dieselmotors mit Direkteinspritzung und Turboaufladung, die er gegen groe Widerstnde auch im eigenen Hause im VW-Konzern durchsetzte. Da dieser Motor 20 % weniger Kraftstoff als sein Vorgnger als Kammer-dieselmotor 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 grndete Richard van Basshuysen 1992 ein Ingenieur-bro, das er bis heute leitet. Auch war er 20 Jahre lang Herausgeber der international bedeutenden technisch-wis-senschaftlichen Fachzeitschriften ATZ (Automobiltechnische Zeitschrift) und MTZ (Motortechnische Zeitschrift). Er bert internationale Automobilhersteller und Ingenieurdienstleister und ist Autor und Herausgeber technisch-wissenschaftlicher Fachbcher, die auch ins Englische und Chinesische bersetzt wurden und werden. Auerdem ist er seit 2006 zusammen mit Prof. Dr. Ing. Fred Schfer Herausgeber und Mitautor des Internetportals www. motorlexikon.de. Darber hinaus war er Beiratsmitglied und Mitglied des Vorstandes in verschiedenen Gremien wie dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI) und dem sterreichischen Verein fr Kraftfahrzeugtechnik. Auch ist er Autor und Mitautor von ber 60 technisch-wissenschaftlichen Publikationen. 2001 erhielt er fr die Entwick-lung des zukunftsweisenden Dieselmotor mit Direkteinspritzung den hochdotierten Ernst-Blickle-Preis 2000 und die BENZ-DAIMLER-MAYBACH-EHRENMEDAILLE des VDI fr ,,seine herausragende Ingenieurleistung bei der Entwicklung des Pkw-Dieselmotors mit Direkteinspritzung sowie seine langjhrigen Engagements als Herausgeber der ATZ/MTZ und als Beiratsmitglied der VDI-Gesellschaft Fahrzeug- und Verkehrstechnik. Fr sein Lebenswerk wurde ihm 2004 von der Universitt Magdeburg die Ehrendoktorwrde verliehen. Prof. Dr.-Ing. Fred Schfer 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 Universi-tt Kaiserslautern in der Fachrichtung Kraft- und Arbeitsmaschinen mit dem Abschluss ,,Dipl.-Ing.. Die Promotion zum Dr.-Ing. am Institut fr Kraft- und Arbeitsmaschinen der Universitt in Kaiserslautern wurde mit dem Thema ,,Reaktionskinetische Untersuchungen der Wasserstoff-Methanolverbrennung im Ottomotor abgeschlossen. Der weitere Berufs-weg fhrte zur Audi AG nach Neckarsulm, zunchst als Assistent des Entwicklungsleiters. Weitere Stationen whrend der zehnjhrigen Ttigkeit waren Hauptgruppenleiter im Moto-renversuch und im Anschluss daran Leiter der Abteilung Motorkonstruktion. 1990 wurde er zum Professor fr Kraft- und Arbeitsmaschinen an die damalige Fachhochschule Iser-lohn berufen, die heute Teil der Fachhochschule Sdwestfalen mit Sitz in Iserlohn ist. Im Rahmen dieser Ttigkeit leitet er das Labor fr Verbrennungsmotoren und Strmungsmaschinen. Herr Prof. Dr.-Ing. Schfer war in vielen Hochschulgremien ttig unter anderem im Senat der Hochschule. In der Funktion als Prodekan fr Lehre und Forschung war er Mitglied im Leitungsgremium des Fachbereiches Maschinenbau. Herr Prof. Dr.-Ing. Schfer ist darber hinaus freiberuflich im Bereich Forschung und Entwicklung auf dem Sektor der Motorentechnik ttig. Zusammen mit Herrn Dr. van Basshuysen war er unter anderem von 1996 bis 2003 Herausgeber der Zeitschrif-tenbeilage Shell-Lexikon Verbrennungsmotor, welche im Jahr 2004 als Buch mit dem Titel ,,Lexikon Motoren-technik erschienen ist. Darber hinaus ist er mit Herrn Dr.-Ing. E.h. van Basshuysen Herausgeber und Mitautor des Internetportals www.motorlexikon.de und des Handbuch Verbrennungsmotor. Herr Prof. Dr.-Ing. Fred Schfer ist seit Jahren Mitglied des VDI und der SAE.

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Kapitel, Beitrge und Mitarbeiter

1 Geschichtlicher Rckblick 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 Tschke 2.1 Definitionen 2.2 Mglichkeiten der Einteilung 3 Kenngren Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher 3.1 Hubvolumen 3.2 Verdichtungsverhltnis 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 Zylinderfllung 3.9 Luft-Kraftstoff-Verhltnis 4 Kennfelder Dipl.-Ing. Bernd Haake 4.1 Verbrauchskennfelder 4.2 Emissionskennfelder 4.3 Zndungs- und Einspritzkennfelder 4.4 Abgastemperaturkennfelder 5 Thermodynamische Grundlagen Prof. Dr.-Ing. Fred Schfer 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 Variabilitt von Verdichtung Prof. Dr.-Ing. Fred Schfer und Hubvolumen 7 Motorkomponenten 7.1 Kolben/Kolbenbolzen/Kolbenbolzensicherung Dr.-Ing. Uwe Mohr/ Dr.-Ing. Wolfgang Iler 7.2 Pleuel Dr. Thierry Garnier 7.3 Kolbenringe Prof. Dr.-Ing. Claus Breuer/ Dipl.-Phys. Hans-Rainer Brillert 7.4 Kurbelgehuse Dipl.-Ing. Gnter Helsper/ Dipl.-Ing. Karl B. Langlois/ Dr.-Ing. Michael Wagner Dipl.-Ing. Gerd Ohrnberger

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7.5 Zylinder Prof. Dr.-Ing. Claus Breuer/ Dr.-Ing. Arnim Robota 7.6 lwanne Dipl.-Ing. Gnter Helsper/ Dipl.-Ing. Karl B. Langlois/ Dr.-Ing. Michael Wagner Dipl.-Ing. Gerd Ohrnberger 7.7 Kurbelgehuseentlftung 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 Krger 7.14 Ventilfhrungen 7.15 lpumpe Dr. Christof Lamparski 7.16.1 Nockenwelle Dipl.-Ing. Hermann Hoffmann/ 7.16.9 Dr.-Ing. Martin Lechner/ Dipl.-Ing. GwL. Falk Schneider/ Dipl.-Ing. Markus Lettmann/ Dipl.-Ing. Rolf Kirschner 7.16.10 Nockenwellenverstellsysteme Andreas Strauss 7.17 Kettentrieb Dr.-Ing. Peter Bauer 7.18 Riementriebe Dipl.-Ing. Ralf Walter/ Dipl.-Ing. Wolfgang Krfer/ 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 7.20.1 Komponenten der Ansaugsysteme Dipl.-Ing. Andreas Weber/ Dipl.-Ing. Andreas Pelz/ Dipl.-Ing. (FH) Alexander Korn 7.20.2 Akustik Dipl.-Ing. (FH) Matthias Alex 7.21 Dichtsysteme 7.21.1 Zylinderkopfdichtungssysteme Dipl.-Ing. Armin Diez 7.21.2 Spezialdichtungen Dipl.-Ing. Wilhelm Kullen/ Dr.-Ing. Oliver Gb 7.21.3 Elastomer-Dichtsysteme Dipl.-Ing. Eberhard Griesinger 7.21.4 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 Abgaskrmmer Dipl.-Ing. Hubert Neumaier 7.24 Khlmittelpumpen fr Verbrennungsmotoren Dipl.-Ing. Peter Amm/ Dipl.-Ing. Franz Pawellek Mirko Sierakowski 7.25 Steuerorgane des Zweitaktmotors Dr.-Ing. Uwe Meinig

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8 Motoren 8.1 Motorkonzepte Prof. Dr.-Ing. Fred Schfer 8.2 Aktuelle Motoren 8.3 Motorradmotoren/Sondermotoren Andreas Bilek 8.4 Kreiskolbenmotor/Wankelmotor Mazda Motors (Deutschland) Leverkusen 8.5 Kleinvolumige Motoren fr handgefhrte Dr.-Ing. Tim Gegg Arbeitsgerte 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. Sren Bernhardt 10.3 Gaswechsel bei Zweitaktmotoren Dr.-Ing. Uwe Meinig 10.4 Variable Ventilsteuerungen Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal/ 10.4.3 Dipl.-Ing. Andreas Knecht/ Dipl.-Ing. Wolfgang Stephan 10.4.4 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 Ro 11.3 Ladeluftkhlung 11.4 Zusammenwirken von Motor und Verdichter 11.5 Dynamisches Verhalten 11.6 Zusatzmanahmen 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/ Turboladerprfstnden Dr.-Ing. Panagiotis Grigoriadis

12 Gemischbildungsverfahren und -systeme 12.1 Innere Gemischbildung Prof. Dr.-Ing. Fred Schfer 12.2 uere Gemischbildung 12.3 Gemischbildung bei Ottomotoren 12.3.7 12.3.8.1 Saugrohreinspritzsysteme Dipl.-Ing. Achim Koch 12.3.8.2 Systeme fr Direkteinspritzung 12.4 Gemischbildung bei Dieselmotoren Prof. Dr.-Ing Helmut Tschke 12.4.1 Einspritzsysteme berblick 12.4.2 Systeme mit einspritzsynchroner Druckerzeugung 12.4.3 Systeme mit zentralem Druckspeicher Dipl.-Ing. Wolfgang Bloching/ Dr. Klaus Wenzlawski

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12.4.4 Einspritzdsen und Dsenhalter Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschke 12.4.5 Anpassung des Einspritzsystems an den Motor 12.5 Kraftstoffversorgungssystem Dr.-Ing. Thomas Zapp 12.5.1 Kraftstoffbehlter 12.5.2 Das Tankentlftungssystem 12.5.3 Anforderungen an ein Kraftstofffrdersystem Dipl.-Ing. Holger Dilchert/ Dipl.-Ing. Bernd Jger/ Dipl.-Ing. Frank Khnel/ Dipl.-Ing. Ralph Schrder 12.5.4 Die Fllstandsmessung Dipl.-Ing. Knut Schrter 13 Zndung Dr. Manfred Adolf/ 13.1 Zndung Ottomotor Dipl.-Ing. Heinz-Georg Schmitz 13.2 Zndkerzen 13.3 Zndung Dieselmotor 14 Verbrennung Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. 14.1 Kraftstoffe und Kraftstoffchemie Gnter P. Merker/ 14.2 Oxidation von Kohlenwasserstoffen Dr.-Ing. Peter Eckert 14.3 Selbstzndung 14.4 Flammenausbreitung 14.5 Modellbildung und Simulation 15 Verbrennungsverfahren 15.1 Dieselmotoren Prof. Dr.-Ing Helmut Tschke/ 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 fr Motor- und 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 Getriebesteuergerte Dr. rer. nat.-Phys. Matthias Wieczorek 16.5 Elektronischer Aufbau, Strukturen und Dipl.-Ing. Gerwin Hreth/ Bauelemente Dipl.-Ing. Rainer Riecke 16.6 Steuergerteelektronik Dipl.-Ing. Gerwin Hreth/ Dipl.-Ing. Alexander Sedlmeier/ Dipl.-Ing. Martin Gtzenberger/ 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 16.10 Sicherheitskonzepte in Getriebesteuerungen Dipl.-Ing. Peter Bertelshofer

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17 System Antriebsstrang 17.1 Antriebsstrang-Architektur Dr.-Ing. Michael Ulm 17.2 Lngsdynamik 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 fr Antriebsstrangelektrifizierung Dipl.-Ing. Uwe Mhrstdt 18 Sensoren Dr.-Ing. Anton Grabmaier/ 18.1 Temperatursensoren Dr.-Ing. Bernd Last 18.2 Fllstandsensoren 18.3 Klopfsensoren 18.4 Abgassensoren 18.5 Drucksensoren 18.6 Luftmassensensor 18.7 Drehzahlsensoren 18.8 Brennraumdrucksensoren fr Dieselmotoren

19 Aktuatoren 19.1 Antriebe Dipl.-Ing. Stefan Klckner 19.2 Drosselklappenstellglieder 19.3 Drall- und Tumbleklappen/ Resonanzaufladung 19.4 Turbolader mit variabler Turbinengeometrie 19.5 Abgasrckfhrventile Dipl.-Wirt.-Ing. Axel Tuschik 19.6 Verdunstungsemission, Komponenten 20 Khlung von Verbrennungsmotoren Dipl.-Ing. Matthias Banzhaf/ 20.1 Allgemeines Dr.-Ing. Wolfgang Kramer 20.2 Anforderungen an das Khlsystem 20.3 Berechnungsgrundlagen und Simulations-Tools 20.4 Subsysteme der Motorkhlung 20.5 Khlmodule 20.6 Gesamtsystem Motorkhlung 21 Abgasemissionen 21.1 Gesetzliche Vorschriften ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. 21.2 Abgasmesstechnik Ernst Pucher 21.3 Schadstoffe und ihre Entstehung 21.4 Minderung von Schadstoffen 21.5 Abgasnachbehandlung Ottomotor 21.5.1 Katalysatoraufbau und chemische Reaktionen Dipl.-Ing. Stefan Brandt 21.5.2 Katalysatorkonzepte stchiometrisch Dr. Stephan Siemund/ betriebener Motoren Dr.-Ing. Susanne Stiebels 21.5.3 Katalysatorkonzepte fr Magermotoren Dipl.-Ing. Stefan Brandt/ Dipl.-Ing. Uwe Dahle 21.5.4 Metallische Katalysatortrger Dr. Andre Bergmann 21.6 Abgasnachbehandlung Dieselmotor 21.6.1 Diesel-Oxidationskatalysatoren Dr. rer. nat. Peter Scherm

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21.6.2 NOx Adsorber fr Diesel-Pkw Dr. rer. nat. Tilman Beutel 21.6.3 Partikel/Partikelfilter Dr. h.c. Dipl.-Ing. Andreas C. R. Mayer/ Dr. Markus Kasper/ Prof. Dr. Heinz Burtscher 21.6.4 Katalytischer Partikelfilter Dipl.-Ing. Alfred Punke 22 Betriebsstoffe 22.1 Kraftstoffe Wolfgang Drmer 22.1.1 Dieselkraftstoff 22.1.2.3 Alternative Ottokraftstoffe Norbert Neumann/ 22.2 Schmierstoffe Volker Clasen/ Dr. Ulrich Pfisterer/ 22.3 Khlmittel Volker Clasen/ Dr. Oliver Busch 23 Filtration von Betriebsstoffen Dr.-Ing. Pius Trautmann 23.1 Luftfilter 23.2 Kraftstofffilter 23.3 Motorlfilter 24 Berechnung und Simulation 24.1 Festigkeits- und Schwingungsberechnung Dr. Peter Klumpp 24.1.1 Methoden 24.1.2 Ausgewhlte Anwendungsbeispiele 24.1.3 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. Rdiger Teichmann 25.1 Themenstellung 25.2 Indizieren 25.3 Visualisieren 26 Kraftstoffverbrauch Prof. Dr.-Ing. Peter Steinberg/ 26.1 Allgemeine Einflussgren Dr.-Ing. Dirk Golau 26.2 Motorische Manahmen 26.3 Getriebebersetzungen 26.4 Fahrerverhalten 26.5 CO2-Emissionen 27 Geruschemissionen Dr.-Ing. Hans-Walter Wodtke/ 27.1 Physikalische Grundlagen und Begriffe Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. 27.2 Gesetzliche Auengeruschvorschriften Hartmut Bathelt/ 27.3 Geruschquellen des Auengerusches Dipl.-Ing. Andreas Gruber 27.4 Manahmen zur Auengeruschminderung 27.5 Motorgerusch im Innenraum 27.6 Akustische Leitlinien fr den Motorkonstrukteur 27.7 Messtechniken und Analysemethoden 27.8 Psychoakustik

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27.9 Sound-Engineering 27.10 Simulationswerkzeuge 27.11 Anti-Noise-Systeme: Geruschminderung 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 Schfer/ 29.1 Historie Dipl.-Ing. Carsten von Essen 29.2 Grundlagen der Hybridantriebe (allgemeiner berblick) 29.3 Einteilung der Hybridantriebe 29.4 Elektrische Antriebssysteme 29.5 Energiespeichersysteme 29.6 Getriebe fr Hybridantriebe 29.7 Energiemanagement 29.8 Betriebsstrategien 29.9 Aktuelle Hybridfahrzeuge 29.10 Zuknftige Entwicklung 29.11 Range Extender Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil. Eduard Khler/ Dr.-Ing. Martin Hopp 30 Alternative Fahrzeugantriebe und APUs Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert/ (Auxiliary Power Units) Prof. Dr.-Ing. Burghard Vo/ B.Sc. Maximilian Zehmisch 30.1 Grnde fr 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 Schfer/ Fahrzeug Dr.-Ing. E.h. Johannes Liebl 31.1 Verluste bei der Energieumwandlung 31.2 Bedarfsorientiertes Energiemanagement 31.3 Stromerzeugung im Fahrzeug 31.4 Wrmemanagement

32 Energien fr Antriebe nach 2020 Dipl.-Ing. (FH) Rolf Brck/ Dipl. Chem.-Ing. Peter Hirth/ Dr. Eberhard Jacob/ Wolfgang Maus

33 Ausblick Dr.-Ing. E.h. Richard van Basshuysen

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Firmen- und Hochschulverzeichnis

Firmenverzeichnis Akustikzentrum GmbH, Lenting Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Hartmut Bathelt Andreas Stihl AG & Co. KG, Waiblingen Dr.-Ing. Tim Gegg Audi AG, Ingolstadt Dipl.-Ing. Andreas Gruber Dr. Peter Klumpp AVL List GmbH, A-Graz Dr. F. Walter Piock Dr. Rdiger Teichmann Dr. Ernst Winklhofer Dr. Christoph R. Weidinger Dipl.-Ing. Dr. techn. Klaus-Christoph Harms BorgWarner BERU Systems GmbH, Ludwigsburg Dr. Manfred Adolf Dipl.-Ing. Heinz-Georg Schmitz (ehemals) Bleistahl, Wetter Dr.-Ing. Gerd Krger (ehemals) BMW Group, Mnchen Dipl.-Ing. Johann Schopp Dr.-Ing. E.h. Johannes Liebl BRP-Powertrain GmbH & Co. KG, Gunskirchen Dipl.-Ing. Gerd Ohrnberger Dr.-Ing. Michael Wagner (ehemals) Continental Automotive GmbH Dipl.-Ing. Peter Bertelshofer Dipl.-Ing. Wolfgang Bloching Dipl.-Ing. Alfred Brandl Dipl.-Ing. Holger Dilchert Dipl.-Ing. Martin Gtzenberger Dr.-Ing. Anton Grabmaier Dipl.-Ing. Friedrich Graf Dipl.-Ing. Gerwin Hreth Dipl.-Ing. Bernd Jger Dipl.-Ing. Martin Jehle Dipl.-Ing. Stefan Klckner Dipl.-Ing. Achim Koch Dipl.-Ing. Frank Khnel Dr.-Ing. Bernd Last Dipl.-Ing. Uwe Mhrstdt Dipl.-Ing. Rainer Riecke Dr. rer.nat. Dipl.-Phys.Thomas Riepl Dipl.-Ing. Ralph Schrder Dipl.-Ing. Knut Schrter Dipl.-Ing. Alexander Sedlmeier Dipl.-Ing. Karl Smirra Dipl.-Wirt.-Ing. Axel Tuschik Dr.-Ing. Michael Ulm Dipl.-Ing. Thomas Vogt

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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 Dr. Oliver Busch Wolfgang Drmer Norbert Neumann Dr. Ulrich Pfisterer Deutsche BP AG, Hamburg Volker Clasen Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach Dipl.-Ing. Gnter Helsper (ehemals) Dipl.-Ing. Karl B. Langlois ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Dipl.-Ing. Armin Diez Dr.-Ing. Oliver Gb Dipl.-Ing. Eberhard Griesinger Dipl.-Ing. Uwe Georg Klump Dipl.-Ing. Wilhelm Kullen Dr. rer. nat. Hans-Peter Werner Emitec Produktion Eisenach GmbH, Hrselberg-Hainich Dr. Andre Bergmann Emitec Gesellschaft fr Emissionstechnologie mbH, Dipl.-Ing. (FH) Rolf Brck Lohmar Dipl. Chem.-Ing. Peter Hirth Dr. Eberhard Jacob Wolfgang Maus ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover 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 Federal-Mogul Burscheid GmbH, Burscheid Dipl.-Phys. Hans-Rainer Brillert Dr.-Ing. Arnim Robota Federal-Mogul Wiesbaden GmbH & Co. KG, Wiesbaden Dr. Thierry Garnier Federal-Mogul Nrnberg GmbH, Nrnberg Klaus Lades Priv.-Doz. Dr.-Ing. Ralf Meske FEV GmbH, Aachen Dipl.-Ing. Bernd Haake Dr.-Ing. Franz Maassen Gates GmbH, Aachen Dipl.-Ing. Franz Fusenig Dipl.-Ing. Wolfgang Krfer Dipl.-Ing. Michael Neu Dipl.-Ing. Ralf Walter Georg Fischer Automotive AG, CH-Schaffhausen Dr. sc. techn. ETH Werner Menk Dipl. Ing., MBA Ilias Papadimitriou Guido Rau

XIX

Gerte- und Pumpenbau GmbH Dr. Eugen Schmidt, Dipl.-Ing. Peter Amm Merbelsrod Dipl.-Ing. Franz Pawellek

Hilite International/Hydraulik-Ring, Nrtingen Dipl.-Ing. Andreas Knecht hofer mechatronik, Oberboihingen Dipl.-Ing. Wolfgang Stephan IAV GmbH, Berlin 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 Vo B.Sc. Maximilian Zehmisch IAV GmbH, Gifhorn Dr.-Ing. Peter Eckert (ehemals) Dipl.-Ing. Reinhold Bals Dipl.-Ing. Ralf Wascheck IGS Zwickau Mirko Sierakowski iwis motorsysteme GmbH & Co. KG, Mnchen Dr.-Ing. Peter Bauer KSPG AG, Neckarsulm Dr.-Ing. Martin Hopp Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil. Eduard Khler (ehemals) KTM Sportmotorcycle AG Andreas Bilek (ehemals) MAHLE GmbH, Stuttgart Dipl.-Ing. Rolf Kirschner Dipl.-Ing. Markus Lettmann Dipl.-Ing. GwL. Falk Schneider MAHLE Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart Dipl.-Ing. Matthias Banzhaf Dr.-Ing. Wolfgang Kramer MAHLE International GmbH, Stuttgart Dipl.-Ing. Hermann Hoffmann Dr.-Ing. Uwe Mohr Dr.-Ing. Martin Lechner (ehemals) Dr.-Ing. Wolfgang Iler Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Dipl.-Ing. (FH) Matthias Alex Dipl.-Ing. (FH) Alexander Korn Dipl.-Ing. Andreas Pelz Dr.-Ing. Pius Trautmann Dipl.-Ing. Andreas Weber Matter Engineering AG, CH-Wohlen Dr. Markus Kasper Mazda Motors (Deutschland) GmbH, Leverkusen Miba-Bearing Group Miba Gleitlager GmbH, Dipl.-Ing. Dr. techn. Rainer Aufischer A-Laarkirchen Muhr und Bender KG, Attendorn Dr.-Ing. Rudolf Bonse Peiner Umformtechnik GmbH, Peine Dipl.-Ing. Siegfried Jende (ehemals) Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH & Co. KG, Dipl.-Ing. Thomas Kurtz Schwabach

XX

Schaeffler Engineering GmbH, Werdohl Dr.-Ing. Hans-Walter Wodtke Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Wolfgang Christgen Herzogenaurach Michael Haas Norbert Nitz Andreas Strauss

SHW Automotive GmbH, Bad Schussenried Dr. Christof Lamparski (ehemals) Dr.-Ing. Uwe Meinig Tenneco GmbH, Edenkoben 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 Dr.-Ing. Sren Bernhardt Fachhochschule Sdwestfalen, Iserlohn Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal Prof. Dr.-Ing. Fred Schfer Brandenburgische Technische Universitt Cottbus-Senftenberg Dr.-Ing. Dirk Golau Prof. Dr.-Ing. Peter Steinberg Technische Universitt Braunschweig Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert Technische Universitt Darmstadt Univ. Prof. Dr. Christian Beidl Technische Universitt Dresden Prof. Dr.-Ing. Hans Zellbeck Dr.-Ing. Tilo Ro

Technische Universitt Hannover Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gnter P. Merker Technische Universitt Kaiserslautern Prof. Dr.-Ing. Rudolf Flierl Technische Universitt Wien ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Ernst Pucher Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Dr.-Ing. Hanns Erhard Heinze Dr.-Ing. Detlef Hieber Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschke Karlsruher Institut fr Technologie (KIT) Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher

XXI

Autorenverzeichnis

Adolf, Manfred, Dr. BorgWarner BERU Systems GmbH, Ludwigsburg Alex, Matthias, Dipl.-Ing. (FH) Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Amm, Peter, Dipl.-Ing. Gerte- und Pumpenbau GmbH, Dr. Eugen Schmidt, Merbelsrod Aufischer, Rainer, Dipl.-Ing. Miba Bearing Group Miba Gleitlager GmbH, A-Laakirchen Dr. techn. Bals, Reinhold, Dipl.-Ing. IAV GmbH, Gifhorn Banzhaf, Matthias, Dipl.-Ing. MAHLE Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart Bathelt, Hartmut, Akustikzentrum GmbH, Lenting Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Bauer, Peter, Dr.-Ing. iwis motorsysteme GmbH & Co. KG,

Mnchen Beidl, Christian, Univ. Prof. Dr. Technische Universitt Darmstadt, Institut fr Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe Bergmann, Andre, Dr. Emitec Produktion Eisenach GmbH, Hrselberg-Hainich Bernhardt, Sren, Dr.-Ing. Universitt Karlsruhe Bertelshofer, Peter, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Beutel, Tilman, Dr. rer. nat. ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Bilek, Andreas ehemals KTM Sportmotorcycle AG Bloching, Wolfgang, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Bonse, Rudolf, Dr.-Ing. Muhr und Bender KG, Attendorn Brandl, Alfred, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Brandt, Stefan, Dipl.-Ing. ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Breuer, Claus, Prof. Dr.-Ing. Technische Hochschule Mittelhessen (THM), Friedberg Brillert, Hans-Rainer, Dipl.-Phys. Federal-Mogul Burscheid GmbH, Burscheid Brck, Rolf, Dipl.-Ing. (FH) Emitec Gesellschaft fr Emissionstechnologie mbH,

Lohmar Burtscher, Heinz, Prof. Dr. Fachhochschule Aargau, CH-Windisch Busch, Oliver, Dr. Deutsche BP AG, Bochum

XXII

Christgen, Wolfgang Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach Clasen, Volker Deutsche BP AG, Hamburg Dahle, Uwe, Dipl.-Ing. ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Diez, Armin, Dipl.-Ing. ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Dilchert, Holger, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Drmer, Wolfgang Deutsche BP AG, Bochum Eckert, Peter, Dr.-Ing. ehemals IAV GmbH, Gifhorn Flierl, Rudolf, Prof. Dr.-Ing. TU Kaiserslautern Fusenig, Franz, Dipl.-Ing. Gates GmbH, Aachen Garnier, Thierry, Dr. Federal-Mogul Wiesbaden GmbH Gegg, Tim, Dr.-Ing. Andreas Stihl AG & Co. KG, Waiblingen Gb, Oliver, Dr.-Ing. ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Gtzenberger, Martin, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Golau, Dirk, Dr.-Ing. Brandenburgische Technische Universitt Cottbus-

Senftenberg, Lehrstuhl Fahrzeugtechnik und -antriebe Grabmaier, Anton, Dr.-Ing. Continental Automotive GmbH Graf, Friedrich, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Griesinger, Eberhard, Dipl.-Ing. ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Grigoriadis, Panagiotis, Dr.-Ing. IAV GmbH, Berlin Gruber, Andreas, Dipl.-Ing. Audi AG, Ingolstadt Haake, Bernd, Dipl.-Ing. FEV GmbH, Aachen Haas, Michael Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach Hannibal, Wilhelm, Prof. Dr.-Ing. FH Sdwestfalen, Iserlohn Harms, Klaus-Christoph, AVL List GmbH, A-Graz Dipl.-Ing. Dr. techn. Heinze, Hanns Erhard, Dr.-Ing. Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Helsper, Gnter, Dipl.-Ing. Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach Hieber, Detlef, Dr.-Ing. Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg

XXIII

Hirth, Peter, Dipl. Chem.-Ing. Emitec Gesellschaft fr Emissionstechnologie mbH, Lohmar

Hoffmann, Hermann, Dipl.-Ing. MAHLE International GmbH, Stuttgart Hopp, Martin, Dr.-Ing. KSPG AG, Neckarsulm Hreth, Gerwin, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Iler, Wolfgang, Dr.-Ing. MAHLE International GmbH, Stuttgart Jger, Bernd, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Jacob, Eberhard, Dr. Emitec Gesellschaft fr Emissionstechnologie mbH,

Lohmar Jehle, Martin, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Jende, Siegfried, Dipl.-Ing. ehemals Peiner Umformtechnik GmbH, Peine Josef, Olaf, Dr.-Ing. TRW Automotive, Barsinghausen Kasper, Markus, Dr. Matter Engineering AG, CH-Wohlen Kirschner, Rolf, Dipl.-Ing. MAHLE GmbH, Stuttgart Klckner, Stefan, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Klump, Uwe Georg, Dipl.-Ing. ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Klumpp, Peter, Dr. Audi AG, Ingolstadt Knecht, Andreas, Dipl.-Ing. Hilite International/Hydraulik-Ring, Nrtingen Koch, Achim, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Khler, Eduard, Hon.-Prof. ehemals KSPG AG, Neckarsulm Dr.-Ing. habil. Krfer, Wolfgang, Dipl.-Ing. Gates GmbH, Aachen Korn, Alexander, Dipl.-Ing. (FH) Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Kramer, Wolfgang, Dr.-Ing. MAHLE Behr GmbH & Co. KG, Stuttgart Krger, Gerd, Dr.-Ing. ehemals Bleistahl, Wetter Khnel, Frank, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Kullen, Wilhelm, Dipl.-Ing. ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Kurtz, Thomas, Dipl.-Ing. Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH & Co. KG, Schwabach Lades, Klaus Federal-Mogul Nrnberg GmbH, Nrnberg

XXIV

Lamparski, Christof, Dr. ehemals SHW Automotive GmbH, Bad Schussenried Langlois, Karl B., Dipl.-Ing. Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach Last, Bernd, Dr.-Ing. Continental Automotive GmbH Lautrich, Guido, Dipl.-Ing. IAV GmbH, Berlin Lechner, Martin, Dr. techn. ehemals MAHLE International GmbH, Stuttgart Lettmann, Markus, Dipl.-Ing. MAHLE GmbH, Stuttgart Liebl, Johannes, Dr.-Ing. E.h. BMW Group, Mnchen Linke, Axel, Dipl.-Ing. TRW Automotive, Barsinghausen Maassen, Franz, Dr.-Ing. FEV GmbH, Aachen Maus, Wolfgang Emitec Gesellschaft fr Emissionstechnologie mbH,

Lohmar Mayer, Andreas C. R., TTM Technik Thermische Maschinen, CH-Niederrohrdorf Dr. h.c. Dipl.-Ing. Mazda Motors (Deutschland) GmbH Leverkusen Meinig, Uwe, Dr.-Ing. SHW Automotive GmbH, Bad Schussenried Menk, Werner, Dr. sc. techn. ETH Georg Fischer Automotive AG, CH-Schaffhausen Merker, Gnter P., ehemals Leiter Institut fr Technische Verbrennung, Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. Universitt Hannover Meske, Ralf, Priv.-Doz. Dr.-Ing. Federal-Mogul Nrnberg GmbH, Nrnberg Mhrstdt, Uwe, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Mohr, Uwe, Dr.-Ing. MAHLE International GmbH, Stuttgart Neu, Michael, Dipl.-Ing. Gates GmbH, Aachen Neumaier, Hubert, Dipl.-Ing. Tenneco GmbH, Edenkoben Neumann, Norbert Deutsche BP AG, Bochum Nitz, Norbert Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach Ohrnberger, Gerd, Dipl.-Ing. BRP-Powertrain GmbH & Co. KG, A-Gunskirchen Papadimitriou, Ilias, Dipl. Ing., MBA Georg Fischer Automotive AG, CH-Schaffhausen Pawellek, Franz, Dipl.-Ing. Gerte- und Pumpenbau GmbH, Dr. Eugen Schmidt, Merbelsrod

XXV

Pelz, Andreas, Dipl.-Ing. Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Pfisterer, Ulrich, Dr. Deutsche BP AG, Bochum Piock, F. Walter, Dr. AVL List GmbH, A-Graz Pucher, Ernst, Technische Universitt Wien, Institut fr Verbrennungs- ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. kraftmaschinen und Kraftfahrzeugbau, A-Wien Punke, Alfred, Dipl.-Ing. ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Rau, Guido Georg Fischer Automotive AG, CH-Schaffhausen Riecke, Rainer, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Riepl, Thomas, Dr. rer. nat.-Phys. Continental Automotive GmbH Riess, Michael, Dipl.-Ing. IAV GmbH, Berlin Robota, Arnim, Dr.-Ing. Federal-Mogul Burscheid GmbH Ro, Tilo, Dr.-Ing. Technische Universitt Dresden Schfer, Fred, Prof. Dr.-Ing. FH Sdwestfalen, Iserlohn Scherm, Peter, Dr. rer. nat. ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Schmitz, Heinz-Georg, Dipl.-Ing. ehemals BERU AG, Ludwigsburg Schneider, Falk, Dipl.-Ing. Gwl. MAHLE GmbH, Stuttgart Schopp, Johann, Dipl.-Ing. BMW Group, Mnchen Schrder, Ralph, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Schrter, Knut, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Sedlmeier, Alexander, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Seiffert, Ulrich, Prof. Dr.-Ing. Technische Universitt Braunschweig Sens, Marc, Dipl.-Ing. IAV GmbH, Berlin Siemund Stefan, Dr. ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Sierakowski, Mirko IGS Zwickau Smirra, Karl, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Spicher, Ulrich, Prof. Dr.-Ing. Karlsruher Institut fr Technologie (KIT) Steinberg, Peter, Prof. Dr.-Ing. Brandenburgische Technische Universitt Cottbus-

Senftenberg, Lehrstuhl Fahrzeugtechnik und -antriebe

XXVI

Stephan, Wolfgang, Dipl.-Ing. hofer mechatronik, Oberboihingen Stiebels, Susanne, Dr.-Ing. ehemals Engelhardt Technologies GmbH, Hannover Strauss, Andreas Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Herzogenaurach Teichmann, Rdiger, Dr. AVL List GmbH, A-Graz Trautmann, Pius, Dr.-Ing. Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Tschke, Helmut, Prof. Dr.-Ing. Otto-von-Guericke-Universitt Magdeburg Tuschik, Axel, Dipl.-Wirt.-Ing. Continental Automotive GmbH Ulm, Michael, Dr.-Ing. Continental Automotive GmbH van Basshuysen, Richard, ehem. Herausgeber ATZ und MTZ, Bad Wimpfen Dr.-Ing. E. h. Vogt, Thomas, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH von Essen, Carsten, Dipl.-Ing. IAV GmbH, Berlin Vo, Burghard, Prof. Dr.-Ing. IAV GmbH, Berlin Wagner, Michael, Dr.-Ing. ehemals BRP-Powertrain GmbH & Co. KG,

A-Gunskirchen Wallrafen, Werner, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Walter, Ralf, Dipl.-Ing. Gates GmbH, Aachen Wascheck, Ralf, Dipl.-Ing. IAV GmbH, Gifhorn Weber, Andreas, Dipl.-Ing. Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Weidinger, Christoph R., Dr. AVL List GmbH, A-Graz Wenzlawski, Klaus, Dr. Continental Automotive GmbH Werner, Hans-Peter, Dr. rer. nat. ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Wieczorek, Matthias, Continental Automotive GmbH Dr. rer. nat.-Phys. Winklhofer, Ernst, Dr. AVL List GmbH, A-Graz Wirrer, Gerhard, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Wodtke, Hans-Walter, Dr.-Ing. Schaeffler Engineering GmbH, Werdohl Zapp, Thomas, Dr.-Ing. Continental Automotive GmbH Zehmisch, Maximilian, B.Sc. IAV GmbH, Berlin Zellbeck, Hans, Prof. Dr.-Ing. Technische Universitt Dresden Zima, Stefan, Prof. Dr.-Ing. () FH Gieen-Friedberg, FB Maschinenbau, Friedberg

XXVII

Inhaltverzeichnis

1 Geschichtlicher Rckblick ................................................................................................................... 1

2 Definition und Einteilung der Hubkolbenmotoren ............................................................................ 8 2.1 Definitionen ................................................................................................................................. 8 2.2 Mglichkeiten der Einteilung ....................................................................................................... 9

2.2.1 Verbrennungsverfahren .................................................................................................. 9 2.2.2 Kraftstoff ........................................................................................................................ 9 2.2.3 Arbeitsverfahren ............................................................................................................ 9 2.2.4 Gemischbildung ............................................................................................................. 10 2.2.5 Ladungswechselsteuerung .............................................................................................. 10 2.2.6 Ladungseinbringung ....................................................................................................... 10 2.2.7 Bauform ......................................................................................................................... 10 2.2.8 Zndung ......................................................................................................................... 11 2.2.9 Khlung ......................................................................................................................... 12 2.2.10 Lastregelung ................................................................................................................... 12 2.2.11 Einsatzzweck .................................................................................................................. 13 2.2.12 Drehzahl- und Leistungsabstufung ................................................................................. 13

3 Kenngren .......................................................................................................................................... 14 3.1 Hubvolumen ................................................................................................................................ 14 3.2 Verdichtungsverhltnis ................................................................................................................ 15 3.3 Drehzahl und Kolbengeschwindigkeit ......................................................................................... 16 3.4 Drehmoment und Leistung ........................................................................................................... 17 3.5 Kraftstoffverbrauch ...................................................................................................................... 18 3.6 Gasarbeit und Mitteldruck ........................................................................................................... 19 3.7 Wirkungsgrad .............................................................................................................................. 22 3.8 Luftdurchsatz und Zylinderfllung .............................................................................................. 22 3.9 Luft-Kraftstoff-Verhltnis ............................................................................................................ 23

4 Kennfelder ............................................................................................................................................ 26 4.1 Verbrauchskennfelder .................................................................................................................. 28 4.2 Emissionskennfelder .................................................................................................................... 29 4.3 Zndungs- und Einspritzkennfelder ............................................................................................. 32 4.4 Abgastemperaturkennfelder ......................................................................................................... 33

5 Thermodynamische Grundlagen ......................................................................................................... 34 5.1 Kreisprozesse ............................................................................................................................... 34 5.2 Vergleichsprozesse ...................................................................................................................... 35

5.2.1 Einfache Modellprozesse ............................................................................................... 35 5.2.1.1 Der Gleichraumprozess ................................................................................. 36 5.2.1.2 Gleichdruckprozess ....................................................................................... 36 5.2.1.3 Seiliger-Prozess ............................................................................................. 37 5.2.1.4 Vergleichende Betrachtung der Kreisprozesse .............................................. 37

5.2.2 Exergieverluste .............................................................................................................. 37

XXVIII

5.3 Offene Vergleichsprozesse .......................................................................................................... 39 5.3.1 Arbeitsprozess des vollkommenen Motors ..................................................................... 39

5.3.1.1 Grundlagen der Berechnung .......................................................................... 39 5.3.1.2 Arbeit des vollkommenen Motors ................................................................. 41 5.3.1.3 Wirkungsgrad des vollkommenen Motors ..................................................... 41 5.3.1.4 Exergieverlust beim vollkommenen Prozess ................................................. 41

5.3.2 Annherung an den realen Arbeitsprozess ..................................................................... 42 5.3.2.1 Nulldimensionale Modelle ............................................................................. 42 5.3.2.2 Mehrdimensionale Modelle ........................................................................... 44

5.4 Wirkungsgrade ............................................................................................................................. 45 5.5 Energiebilanz am Motor .............................................................................................................. 46

5.5.1 Bilanzgleichung ............................................................................................................. 46

6 Triebwerk ............................................................................................................................................. 48 6.1 Kurbeltrieb ................................................................................................................................... 48

6.1.1 Aufbau und Funktion ..................................................................................................... 48 6.1.2 Krfte am Kurbeltrieb .................................................................................................... 51 6.1.3 Tangentialkraftverlauf und mittlere Tangentialkraft ...................................................... 56 6.1.4 Massenkrfte .................................................................................................................. 58

6.1.4.1 Massenkrfte am Einzylinder-Triebwerk ....................................................... 59 6.1.4.2 Massenkrfte am Zweizylinder-V-Triebwerk ................................................ 59 6.1.4.3 Massenkrfte und Massenmomente bei Mehrzylinder-Triebwerken ............. 61 6.1.4.4 Beispiel (Fnfzylinder-Reihenmotor) ............................................................ 62

6.1.5 Massenausgleich ............................................................................................................ 64 6.1.5.1 Ausgleich am Einzylinder-Triebwerk ............................................................ 64 6.1.5.2 Ausgleich am Mehrzylinder-Triebwerk ......................................................... 65

6.1.6 Innere Momente ............................................................................................................. 68 6.1.7 Krpfungs- und Zndfolgen ........................................................................................... 68

6.2 Drehschwingungen ...................................................................................................................... 69 6.2.1 Grundlagen ..................................................................................................................... 69 6.2.2 Reduktion der Maschinenanlage .................................................................................... 71 6.2.3 Eigenfrequenzen und Eigenschwingungsformen ............................................................ 71 6.2.4 Erregerkrfte, -arbeit und -amplituden ........................................................................... 71 6.2.5 Manahmen zur Verringerung der Kurbelwellenausschlge .......................................... 73 6.2.6 Zweimassenschwungrder ............................................................................................. 74

6.3 Variabilitt von Verdichtung und Hubvolumen ........................................................................... 76 6.3.1 Variables Hubvolumen ................................................................................................... 76 6.3.2 Variable Verdichtung ..................................................................................................... 76

7 Motorkomponenten .............................................................................................................................. 81 7.1 Kolben/Kolbenbolzen/Kolbenbolzensicherung ............................................................................ 81

7.1.1 Kolben ............................................................................................................................ 81 7.1.1.1 Anforderungen und Funktion ......................................................................... 81 7.1.1.2 Konstruktive Gestaltung ................................................................................ 81 7.1.1.3 Desachsierung der Nabenbohrung ................................................................. 83 7.1.1.4 Einbau- und Laufspiele .................................................................................. 84 7.1.1.5 Kolbenmassen ................................................................................................ 84 7.1.1.6 Betriebstemperaturen ..................................................................................... 85 7.1.1.7 Kolbenkhlung .............................................................................................. 85 7.1.1.8 Kolbenbauarten .............................................................................................. 86 7.1.1.9 Kolbenherstellung .......................................................................................... 90 7.1.1.10 Laufflchenschutz/Oberflchenschutz ........................................................... 91 7.1.1.11 Kolbenwerkstoffe .......................................................................................... 92

XXIX

7.1.2 Kolbenbolzen ................................................................................................................. 93 7.1.2.1 Funktion ......................................................................................................... 93 7.1.2.2 Bauarten ......................................................................................................... 94 7.1.2.3 Anforderung und Dimensionierung ............................................................... 94 7.1.2.4 Werkstoffe ..................................................................................................... 95

7.1.3 Kolbenbolzensicherungen .............................................................................................. 96 7.2 Pleuel ........................................................................................................................................... 96

7.2.1 Aufbau des Pleuels ......................................................................................................... 96 7.2.2 Belastung ....................................................................................................................... 97 7.2.3 Pleuelverschraubung ...................................................................................................... 98 7.2.4 Gestaltung ...................................................................................................................... 99

7.2.4.1 Pleuelstangenverhltnis ................................................................................. 99 7.2.5 Pleuelfertigung ............................................................................................................... 100

7.2.5.1 Rohteileherstellung ........................................................................................ 100 7.2.5.2 Bearbeitung ................................................................................................... 100

7.2.6 Pleuel-Werkstoffe .......................................................................................................... 102 7.3 Kolbenringe ................................................................................................................................. 103

7.3.1 Ausfhrungsformen ....................................................................................................... 104 7.3.1.1 Verdichtungsringe ......................................................................................... 104 7.3.1.2 labstreifringe ............................................................................................... 105

7.3.2 Ringbestckungen .......................................................................................................... 106 7.3.3 Kenngren .................................................................................................................... 107 7.3.4 Kolbenringherstellung .................................................................................................... 109

7.3.4.1 Formgebung ................................................................................................... 109 7.3.4.2 Verschleischutzschichten ............................................................................. 109 7.3.4.3 Oberflchenbehandlungen ............................................................................. 110 7.3.4.4 Werkstoffe fr Kolbenringe ........................................................................... 111

7.3.5 Beanspruchung, Schden, Verschlei, Reibung ............................................................. 111 7.4 Kurbelgehuse ............................................................................................................................. 112

7.4.1 Aufgaben und Funktionen .............................................................................................. 112 7.4.2 Gestaltung von Zylinderkurbelgehusen ........................................................................ 114

7.4.2.1 Kurbelgehusebauart ..................................................................................... 114 7.4.3 Optimierung der Akustik ................................................................................................ 119 7.4.4 Minimierung der Kurbelgehusemasse .......................................................................... 120 7.4.5 Gieverfahren fr Kurbelgehuse .................................................................................. 122

7.4.5.1 Druckguss ...................................................................................................... 122 7.4.5.2 Kokillenguss .................................................................................................. 122 7.4.5.3 Lost-Foam-Verfahren .................................................................................... 122 7.4.5.4 Sandguss ........................................................................................................ 123 7.4.5.5 Squeeze-Casting ............................................................................................ 123

7.5 Zylinder ....................................................................................................................................... 123 7.5.1 Gestaltung von Zylindern ............................................................................................... 124

7.5.1.1 Monometall-Bauart ........................................................................................ 124 7.5.1.2 Einsatztechnik ................................................................................................ 125 7.5.1.3 Verbundtechnik ............................................................................................. 126

7.5.2 Bearbeitung von Zylinderlaufflchen ............................................................................. 127 7.5.2.1 Bearbeitungsverfahren ................................................................................... 128

7.5.3 Zylinderkhlung ............................................................................................................. 129 7.5.3.1 Flssigkeitskhlung ....................................................................................... 129 7.5.3.2 Luftkhlung ................................................................................................... 129

7.6 lwanne ....................................................................................................................................... 130 7.6.1 lwannenbauart ............................................................................................................. 130

7.7 Kurbelgehuseentlftung ............................................................................................................. 131 7.7.1 Gesetzliche Randbedingungen ....................................................................................... 131 7.7.2 Technische Anforderungen ............................................................................................ 132 7.7.3 Systemaufbau aktueller Kurbelgehuseentlftungssysteme ........................................... 135

XXX

7.7.4 labscheidung ................................................................................................................ 135 7.7.4.1 Groblabscheidung ........................................................................................ 137 7.7.4.2 lnebelabscheidung ....................................................................................... 137

7.7.5 Kurbelgehusedruckregelung ......................................................................................... 141 7.7.5.1 Druckregelventile ............................................................................................... 141 7.7.5.2 Impaktor-Druckregelventile ........................................................................... 142

7.7.6 Module und Ventilhaubenintegration ............................................................................. 144 7.8 Zylinderkopf ................................................................................................................................ 145

7.8.1 Grundauslegung des Zylinderkopfes .............................................................................. 145 7.8.1.1 Auslegung der Grundgeometrie ..................................................................... 146 7.8.1.2 Festlegung der Fertigungsverfahren ............................................................... 147 7.8.1.3 Auslegung der Gaswechselorgane ................................................................. 147 7.8.1.4 Variable Ventilsteuerungen ........................................................................... 147

7.8.2 Die Konstruktion des Zylinderkopfes ............................................................................ 147 7.8.2.1 Auslegung der Grobabmessungen ................................................................. 147 7.8.2.2 Brennraum- und Kanalauslegung .................................................................. 148 7.8.2.3 Ventiltriebsauslegung .................................................................................... 151 7.8.2.4 Khlkonzepte ................................................................................................. 151 7.8.2.5 lhaushalt ...................................................................................................... 152 7.8.2.6 Konstruktive Detailauslegungen .................................................................... 152 7.8.2.7 Konstruktion in Baustufen ............................................................................. 153 7.8.2.8 CAD-Einsatz in der Konstruktion .................................................................. 153 7.8.2.9 Rechnergesttzte Auslegung .......................................................................... 154

7.8.3 Gieverfahren ................................................................................................................ 156 7.8.3.1 Sandguss ........................................................................................................ 157 7.8.3.2 Kokillenguss .................................................................................................. 158 7.8.3.3 Lost-Foam-Verfahren (Vollform-Verfahren) ................................................. 159 7.8.3.4 Druckgussverfahren ....................................................................................... 160

7.8.4 Modell- und Formenbau ................................................................................................. 161 7.8.5 Mechanische Bearbeitung und Qualittssicherung ......................................................... 162

7.8.5.1 Groserienfertigung ....................................................................................... 162 7.8.5.2 Prototypenfertigung ....................................................................................... 162 7.8.5.3 Qualittssicherung der Zylinderkpfe ............................................................ 162

7.8.6 Ausgefhrte Bauformen von Zylinderkpfen ................................................................. 163 7.8.6.1 Zylinderkpfe an Ottomotoren ...................................................................... 163 7.8.6.2 Zylinderkpfe an Dieselmotoren ................................................................... 165 7.8.6.3 Sonderbauformen von Zylinderkpfen .......................................................... 167

7.8.7 Perspektiven in der Zylinderkopftechnologie ................................................................. 169 7.9 Kurbelwellen ................................................................................................................................ 171

7.9.1 Funktion im Fahrzeug .................................................................................................... 171 7.9.1.1 Kurbelwellen im Hubkolbenmotor ................................................................ 171 7.9.1.2 Anforderungen ............................................................................................... 171

7.9.2 Herstellung und Eigenschaften ....................................................................................... 172 7.9.2.1 Verfahren und Werkstoffe ............................................................................. 172 7.9.2.2 Werkstoffliche Eigenschaften von Kurbelwellen ........................................... 173

7.9.3 Leichtbau und Verfahren zur Steigerung der Festigkeit ................................................. 174 7.9.3.1 Hohlgegossene Kurbelwellen ........................................................................ 174 7.9.3.2 ADI Austempered Ductil Iron (ausferritisches Gusseisen) ............................ 174 7.9.3.3 Erhhung der Bauteilfestigkeit durch Nachbehandlung ................................. 174 7.9.3.4 Kombination Werkstoffentwicklung/optimiertes Festwalzen ........................ 175

7.9.4 Berechnung von Kurbelwellen ....................................................................................... 176 7.10 Ventiltriebskomponenten ............................................................................................................. 177

7.10.1 Standard-Ventiltrieb ....................................................................................................... 177 7.10.1.1 Ventiltriebe mit direktem Antrieb .................................................................. 178 7.10.1.2 Ventiltriebe mit indirektem Antrieb ............................................................... 179 7.10.1.3 Hydraulischer Ventilspielausgleich ............................................................... 181 7.10.1.4 Mechanische Ventilspieleinstellung .............................................................. 182 7.10.1.5 Variable Ventiltriebe ..................................................................................... 182

XXXI

7.10.2 Riemenspannsysteme, Spann- und Umlenkrollen ......................................................... 189 7.10.2.1 Einfhrung ..................................................................................................... 189 7.10.2.2 Automatische Riemenspannsysteme fr Zahnriementriebe ........................... 190 7.10.2.3 Spann- und Umlenkrollen fr Zahnriementriebe ........................................... 190 7.10.2.4 Zahnriementriebe in liger Umgebung .......................................................... 191 7.10.2.5 Ausblick ......................................................................................................... 191

7.10.3 Kettenspann- und Fhrungssysteme ............................................................................... 191 7.10.3.1 Einfhrung ..................................................................................................... 191 7.10.3.2 Kette .............................................................................................................. 192 7.10.3.3 Kettenspannelement ....................................................................................... 192 7.10.3.4 Spann- und Fhrungsschienen ....................................................................... 193 7.10.3.5 Kettenrder .................................................................................................... 194

7.11 Ventile ......................................................................................................................................... 194 7.11.1 Funktion und Begriffserklrungen ................................................................................. 194 7.11.2 Fertigungsmethoden und Ventilarten ............................................................................. 195

7.11.2.1 Monometallventile ......................................................................................... 195 7.11.2.2 Bimetallventile .............................................................................................. 195 7.11.2.3 Hohlventile .................................................................................................... 196

7.11.3 Ausfhrungsformen ......................................................................................................... 197 7.11.3.1 Ventilkopf ...................................................................................................... 197 7.11.3.2 Ventilsitz ....................................................................................................... 197 7.11.3.3 Ventilschaft ................................................................................................... 197 7.11.3.4 Ventilfhrung ................................................................................................ 198

7.11.4 Ventilwerkstoffe .............................................................................................................. 198 7.11.4.1 Wrmebehandlung ......................................................................................... 198 7.11.4.2 Oberflchenveredelung .................................................................................. 199

7.11.5 Sonder-Ventilausfhrungen ............................................................................................. 199 7.11.5.1 Ventile mit werkstofflich bedingt geringer Masse .......................................... 199 7.11.5.2 Abgassteuerventile ......................................................................................... 199

7.11.6 Ventilkegelstcke ............................................................................................................. 199 7.11.6.1 Aufgabe und Funktion .................................................................................... 199 7.11.6.2 Fertigungsmethoden ....................................................................................... 200

7.11.7 Ventildrehvorrichtung ....................................................................................................... 200 7.11.7.1 Aufgabe ......................................................................................................... 200 7.11.7.2 Bauarten und Funktion ................................................................................... 201

7.12 Ventilfedern ................................................................................................................................. 202 7.13 Ventilsitzringe .............................................................................................................................. 205

7.13.1 Einleitung ....................................................................................................................... 205 7.13.2 Anforderungen an Ventilsitzringe .................................................................................. 205

7.13.2.1 Ventilsitzbeanspruchungen ............................................................................ 205 7.13.2.2 Werkstoffe und Eigenschaften ....................................................................... 206 7.13.2.3 Geometrie und Toleranzen ............................................................................. 210 7.13.2.4 Zylinderkopfgeometrie und -montage ........................................................... 212

7.14 Ventilfhrungen ........................................................................................................................... 213 7.14.1 Anforderungen an Ventilfhrungen ............................................................................... 213

7.14.1.1 Ventilfhrungsbeanspruchungen ................................................................... 213 7.14.2 Werkstoffe und Eigenschaften ....................................................................................... 215

7.14.2.1 Werkstoffe ..................................................................................................... 215 7.14.2.2 Werkstoffeigenschaften ................................................................................. 216

7.14.3 Geometrie Ventilfhrung ............................................................................................... 218 7.14.4 Zylinderkopfmontage ..................................................................................................... 220

7.15 lpumpe ...................................................................................................................................... 220 7.15.1 bersicht ber lpumpensysteme .................................................................................. 221

7.15.1.1 Innenzahnradpumpe ....................................................................................... 221 7.15.1.2 Auenzahnradpumpe ..................................................................................... 224 7.15.1.3 Flgelzellenpumpe ......................................................................................... 225 7.15.1.4 Vor- und Nachteile der einzelnen Pumpensysteme ........................................ 226

XXXII

7.15.2 Regelprinzipien .............................................................................................................. 227 7.15.2.1 Direkte Regelung ........................................................................................... 227 7.15.2.2 Indirekte Regelung ........................................................................................ 228 7.15.2.3 Rohl- und reinlseitige Verstellung ............................................................. 229 7.15.2.4 Zwei- oder Mehrstufenregelung .................................................................... 229 7.15.2.5 Registerregelpumpe ....................................................................................... 229

7.15.3 Volumenstrom-Regelpumpen ........................................................................................ 230 7.15.3.1 Innenzahnrad-Regelpumpe (Volumenstromvariable Zahnringpumpe) .......... 231 7.15.3.2 Auenzahnrad-Volumenstrom-Regelpumpe .................................................. 232 7.15.3.3 Flgelzellenpumpe ......................................................................................... 232

7.15.4 Leistungseinsparung im NEFZ- Zyklus ......................................................................... 233 7.15.5 Konstruktionsgrundlagen ............................................................................................... 235

7.15.5.1 Kurbelwellenpumpe ....................................................................................... 236 7.15.5.2 Sumpfpumpe .................................................................................................. 237 7.15.5.3 lpumpenkennwerte aus der Praxis ............................................................... 238 7.15.5.4 Vergleich zwischen Kurbelwellen und Sumpfpumpen .................................. 238

7.15.6 Kavitation und Geruschemission .................................................................................. 241 7.15.7 Berechnung .................................................................................................................... 244

7.15.7.1 Numerische Strmungssimulation CFD ........................................................ 244 7.15.7.2 Eindimensionale Simulation von Strmungsnetzwerken ............................... 246

7.16 Nockenwelle ................................................................................................................................ 246 7.16.1 Aufgaben der Nockenwelle ............................................................................................ 246 7.16.2 Ventiltriebkonfigurationen ............................................................................................. 247 7.16.3 Aufbau einer Nockenwelle ............................................................................................. 248 7.16.4 Technologien und Werkstoffe ........................................................................................ 249

7.16.4.1 Gussnockenwelle ........................................................................................... 250 7.16.4.2 Gebaute Nockenwelle .................................................................................... 250 7.16.4.3 Stahlnockenwelle ........................................................................................... 251 7.16.4.4 Sonderformen von Nockenwellen .................................................................. 251 7.16.4.5 Werkstoffeigenschaften und empfohlene Paarungen ..................................... 254

7.16.5 Massereduktion .............................................................................................................. 255 7.16.6 Einflussfaktoren fr Nockenwellenbelastung ................................................................. 255 7.16.7 Auslegung von Nockenprofilen ...................................................................................... 256 7.16.8 Kinematikrechnung ........................................................................................................ 257 7.16.9 Dynamikrechnung .......................................................................................................... 258 7.16.10 Nockenwellenverstellsysteme ........................................................................................ 258

7.17 Kettentrieb ................................................................................................................................... 262 7.17.1 Kettenbauformen ............................................................................................................ 262 7.17.2 Kettenkennwerte ............................................................................................................ 264 7.17.3 Kettenrder ..................................................................................................................... 264 7.17.4 Kettenfhrungselemente ................................................................................................ 265 7.17.5 Reibungsreduzierungskonzepte von Steuerkettentrieben ............................................... 265

7.18 Riementriebe ................................................................................................................................ 267 7.18.1 Zahnriementriebe zum Antrieb von Nockenwellen ........................................................ 267

7.18.1.1 Antriebselement Zahnriemen ......................................................................... 267 7.18.1.2 Antriebssystem Zahnriemen .......................................................................... 269 7.18.1.3 Zahnriementriebdynamik ............................................................................... 271 7.18.1.4 Ovalradtechnologie ........................................................................................ 272 7.18.1.5 Anwendungsbeispiele .................................................................................... 273

7.18.2 Keilrippenriementriebe zum Antrieb von Nebenaggregaten .......................................... 273 7.18.2.1 Antriebselement Micro-V-Riemen ............................................................. 274 7.18.2.2 Antriebssystem Nebenaggregatetrieb ............................................................ 275 7.18.2.3 Anwendungsbeispiele .................................................................................... 276 7.18.2.4 Riemengetriebener Starter-Generator (RSG/Start-Stopp-System) ................. 276

7.19 Lager in Verbrennungsmotoren ................................................................................................... 277 7.19.1 Grundlagen ..................................................................................................................... 277

7.19.1.1 Radiallager ..................................................................................................... 277 7.19.1.2 Axiallager ...................................................................................................... 279

XXXIII

7.19.2 Berechnung und Dimensionierung von Motorlagern ..................................................... 279 7.19.2.1 Belastung ....................................................................................................... 279 7.19.2.2 Zapfenverlagerungsbahn ................................................................................ 280 7.19.2.3 Numerische Lsungen zur Lagerberechnung ................................................. 281 7.19.2.4 Hauptdimensionen: Durchmesser, Breite ....................................................... 281 7.19.2.5 lfhrungsgeometrie ..................................................................................... 281 7.19.2.6 Feindimensionen ............................................................................................ 283

7.19.3 Lagerwerkstoffe ............................................................................................................. 285 7.19.3.1 Lagermetalle .................................................................................................. 285 7.19.3.2 Laufschichten ................................................................................................ 288

7.19.4 Lagerbauarten Aufbau, Belastbarkeit, Anwendung ..................................................... 289 7.19.4.1 Massivlager ................................................................................................... 290 7.19.4.2 Zweistofflager ................................................................................................ 290 7.19.4.3 Dreistofflager ................................................................................................. 291 7.19.4.4 Miba-Rillenlager ............................................................................................ 292 7.19.4.5 Sputterlager ................................................................................................... 292

7.19.5 Lagerversagen ................................................................................................................ 292 7.19.5.1 Hergang eines Schadens ................................................................................ 292 7.19.5.2 Arten von Lagerschden ................................................................................ 294

7.19.6 Ausblick ......................................................................................................................... 295 7.20 Ansaugsysteme ............................................................................................................................ 295

7.20.1 Komponenten des Ansaugsystems ................................................................................. 296 7.20.2 Akustik ........................................................................................................................... 301

7.21 Dichtsysteme ............................................................................................................................... 305 7.21.1 Zylinderkopfdichtungssysteme ...................................................................................... 305

7.21.1.1 Ferrolastic-Weichstoff-Zylinderkopfdichtungen ............................................ 305 7.21.1.2 Metall-Elastomer-Zylinderkopfdichtungen .................................................... 306 7.21.1.3 Metalllagen-Zylinderkopfdichtungen Metaloflex ........................................ 306 7.21.1.4 Ausblick ......................................................................................................... 310

7.21.2 Spezialdichtungen .......................................................................................................... 311 7.21.2.1 Funktionsbeschreibung der Flachdichtung ..................................................... 311 7.21.2.2 Weichstoffdichtungen .................................................................................... 311 7.21.2.3 Metall-Weichstoff-Dichtungen ...................................................................... 311 7.21.2.4 Spezialdichtungen aus Metaloseal .............................................................. 313 7.21.2.5 Ausblick ......................................................................................................... 315

7.21.3 Elastomer-Dichtsysteme ................................................................................................ 315 7.21.3.1 Elastomerdichtungen ..................................................................