ATZ/MTZ-Fachbuch

Richard van Basshuysen � Fred SchäferHerausgeber

HandbuchVerbrennungsmotor

Grundlagen, Komponenten, Systeme,Perspektiven

7., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage

Mit 1804 Abbildungen und mehr als 1400 Literaturstellen

Herausgeber

Richard van BasshuysenBad Wimpfen, Deutschland

Fred SchäferHamm, 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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Lektorat: Ewald Schmitt/Elisabeth Lange

Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.

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

Die über 100-jährige Entwicklung des Verbrennungsmotors hat bezüglich der unterschiedlichen Anforderungen, der großen Anzahl von Bauelementen und deren Zusammenwirken eine explosionsartige Vielfalt an wichtigen Erkenntnissen und Detailwissen hervorgebracht. Mit einem aktualisierten und erweiterten Umfang auf über 1200 Seiten, 1804 Abbildungen und mehr als 1400 Literaturangaben sind die wesentlichen Inhalte der Technik des Verbrennungsmotors dargestellt.

Es war das besondere Bestreben der Herausgeber, Akzente an der richtigen Stelle zu setzen und damit ein Werk zu präsentieren, das Defizite in der Fachliteratur beseitigt. Von besonderer Bedeutung ist, dass diese Überarbei-tung und Erweiterung in kürzester Zeit entstand und somit den aktuellen, hohen Stand der heutigen technischen Entwicklung widerspiegelt und einen Blick in die Zukunft erlaubt.

Besonders wichtig war es den Herausgebern, Theorie und Praxis in einem ausgewogenen Verhältnis darzustel-len. Das gelang vor allem dadurch, dass über 130 Autoren aus Wissenschaft und Industrie zur Mitarbeit gewon-nen werden konnten. Mit ihrer Hilfe entstand ein Werk, das in Lehre, Forschung und Praxis gleichermaßen ein einmaliger Helfer und Ratgeber bei der täglichen Arbeit ist.

Es richtet sich vor allem an in Wissenschaft und Praxis tätige Fachleute der Automobil-, Motoren-, Mineralöl-, und Zubehörindustrie und an Studenten, es ein hilfreicher Begleiter durch das Studium sein soll. Darüber hinaus soll es Patentanwälten, dem Kraftfahrzeuggewerbe, Regierungsstellen, Umweltorganisationen, Journalisten sowie interessierten Laien ein nützlicher Ratgeber sein.

Die Frage nach der Zukunft des Verbrennungsmotors spiegelt sich in vielen neuen Ansätzen zur Lösung der Probleme beispielsweise im Zusammenhang mit Kraftstoffverbrauch und Umweltverträglichkeit. Insbesondere unter diesen Aspekten, im Vergleich zu den Alternativen, fällt die Prognose nicht schwer, dass uns der Hubkol-benmotor für den mobilen Einsatz in seinen grundlegenden Elementen noch lange erhalten bleiben wird. Neue Antriebssysteme haben das Problem, gegen eine über 100-jährige Entwicklung mit weltweit enormen Entwick-lungskapazitäten konkurrieren zu müssen. Das gilt sicherlich auch für den Elektroantrieb für 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 Umweltverträglichkeit nach über hundert Jahren Entwicklungszeit zu bewerten? Welche Möglichkeiten bieten alternative Kraftstoffe und alternative Antriebssysteme in der Zukunft? Sind Range Exten-der und hybride Antriebe nur Brückenfunktionen hin zum reinen Elektroantrieb? Gibt es Wettbewerbssysteme, die ihn in den nächsten Jahrzehnten ablösen könnten? Auf diese Fragen wurden nach dem heutigen Kenntnis-stand schlüssige Antworten gegeben.

Wenn auch der Schwerpunkt des Buches beim Pkw-Motor liegt, betreffen grundsätzliche Zusammenhänge auch Nutzfahrzeugmotoren. Neu ist auch, dass die in vielen Bereichen unterschiedlichen Aspekte des Ottomotors im Vergleich zum Dieselmotor in diesem Buch herausgearbeitet werden. Sind in einigen Jahren überhaupt noch grundsätzliche Unterschiede zwischen Diesel- und Ottomotoren vorhanden? Man denke an die sich annähernden Verbrennungsverfahren zwischen Otto- und Dieselmotoren: Ottomotoren mit Direkteinspritzung – zukünftig vielleicht Dieselmotoren mit homogener Verbrennung.

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Unser besonderer Dank gilt allen unseren Autoren für ihre konstruktive und disziplinierte Mitarbeit sowie ihr Verständnis für die schwierige Aufgabe, die Beiträge so vieler Mitarbeiter zu koordinieren. Besonders hervorzu-heben ist die Termintreue der Autoren, die es ermöglichte, auch das Erscheinen des überarbeiteten und erweiter-ten Buches zeitnah und damit aktuell am Markt zu platzieren – ein besonders erwähnenswerter Vorgang, wie wir meinen.

Nach dem großen Erfolg der ersten sechs Auflagen – von 2002 bis 2013 wurden mehr als 25.000 Exemplare in deutscher und englischer Sprache gedruckt – wurde der Inhalt für diese siebte Auflage durch eine sorgfältige Bearbeitung unter anderem des Kapitels Kraftstoffverbrauch aktualisiert. Dabei wird der wachsenden Bedeutung der Diskussion um Treibhausgase wie 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 durchgängig ergänzt. So sind es inzwischen über 1400 Literaturstellen geworden, die den Nutzen des Lesers weiter verbessern. Dem Springer Vieweg Verlag und insbesondere dem Lektorat Ewald Schmitt und Elisabeth Lange sei für die konstruktive und vorausschauende Mitarbeit herzlich gedankt. Last but not least danken die Herausgeber insbesondere der Firma IAV GmbH für die fachliche und materielle Unterstützung bei der Entstehung dieses Werkes, ohne deren Mithilfe dieses Handbuch so nicht hätte realisiert werden können. Bad Wimpfen/Hamm, im Jahr 2014 Richard van Basshuysen, VDI Fred Schäfer, VDI/SAE

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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/Wolfenbüttel von 1953 bis 1955 mit Abschluss als Ingenieur für 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 einschließlich der Wankelmotorentwicklung übernahm und zum stellvertretenden Leiter des Fahrzeugversuchs berufen wurde. In dieser Funktion war ermitverantwortlich für die Entwicklung der Fahrzeuge Prinz 4, NSU 1000 und 1200, RO 80 und K 70. 1969 wurde die NSU AG von der heutigen Audi AG übernommen. Bei der Audi AG begrün-dete er dann als Entwicklungsleiter die Fahrzeugkomfortklasse V8/A8 und war Leiter der Motoren- und Getriebeentwicklung und parallel dazu Aufsichtsratsmitglied der Audi AG als gewählter Vertreter der leitenden Angestellten. Seine bedeutendste Entwicklung war die des weltweit ersten abgasentgifteten Pkw-Dieselmotors mit Direkteinspritzung und Turboaufladung, die er gegen große Widerstände auch im eigenen Hause im VW-Konzern durchsetzte. Da dieser Motor 20 % weniger Kraftstoff als sein Vorgänger als 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 gründete Richard van Basshuysen 1992 ein Ingenieur-büro, 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 berät internationale Automobilhersteller und Ingenieurdienstleister und ist Autor und Herausgeber technisch-wissenschaftlicher Fachbücher, die auch ins Englische und Chinesische übersetzt wurden und werden. Außerdem ist er seit 2006 zusammen mit Prof. Dr. Ing. Fred Schäfer Herausgeber und Mitautor des Internetportals www. motorlexikon.de. Darüber hinaus war er Beiratsmitglied und Mitglied des Vorstandes in verschiedenen Gremien wie dem Verein Deutscher Ingenieure (VDI) und dem Österreichischen Verein für Kraftfahrzeugtechnik. Auch ist er Autor und Mitautor von über 60 technisch-wissenschaftlichen Publikationen. 2001 erhielt er für die Entwick-lung des zukunftsweisenden Dieselmotor mit Direkteinspritzung den hochdotierten Ernst-Blickle-Preis 2000 und die BENZ-DAIMLER-MAYBACH-EHRENMEDAILLE des VDI für ,,seine herausragende Ingenieurleistung bei der Entwicklung des Pkw-Dieselmotors mit Direkteinspritzung sowie seine langjährigen Engagements als Herausgeber der ATZ/MTZ und als Beiratsmitglied der VDI-Gesellschaft Fahrzeug- und Verkehrstechnik“. Für sein Lebenswerk wurde ihm 2004 von der Universität Magdeburg die Ehrendoktorwürde verliehen. Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer wurde im Jahr 1948 in Neuwied am Rhein geboren. Nach einer Lehre als Maschinenbauer folgte ein Studium des Maschinenbaus an der staatlichen Ingenieurschule Koblenz. Im Anschluss daran absolvierte er ein Studium an der Universi-tät Kaiserslautern in der Fachrichtung Kraft- und Arbeitsmaschinen mit dem Abschluss ,,Dipl.-Ing.“. Die Promotion zum Dr.-Ing. am Institut für Kraft- und Arbeitsmaschinen der Universität in Kaiserslautern wurde mit dem Thema ,,Reaktionskinetische Untersuchungen der Wasserstoff-Methanolverbrennung im Ottomotor“ abgeschlossen. Der weitere Berufs-weg führte zur Audi AG nach Neckarsulm, zunächst als Assistent des Entwicklungsleiters. Weitere Stationen während der zehnjährigen Tätigkeit waren Hauptgruppenleiter im Moto-renversuch und im Anschluss daran Leiter der Abteilung Motorkonstruktion. 1990 wurde er zum Professor für Kraft- und Arbeitsmaschinen an die damalige Fachhochschule Iser-lohn berufen, die heute Teil der Fachhochschule Südwestfalen mit Sitz in Iserlohn ist. Im Rahmen dieser Tätigkeit leitet er das Labor für Verbrennungsmotoren und Strömungsmaschinen. Herr Prof. Dr.-Ing. Schäfer war in vielen Hochschulgremien tätig unter anderem im Senat der Hochschule. In der Funktion als Prodekan für Lehre und Forschung war er Mitglied im Leitungsgremium des Fachbereiches Maschinenbau. Herr Prof. Dr.-Ing. Schäfer ist darüber hinaus freiberuflich im Bereich Forschung und Entwicklung auf dem Sektor der Motorentechnik tätig. Zusammen mit Herrn Dr. van Basshuysen war er unter anderem von 1996 bis 2003 Herausgeber der Zeitschrif-tenbeilage Shell-Lexikon Verbrennungsmotor, welche im Jahr 2004 als Buch mit dem Titel ,,Lexikon Motoren-technik“ erschienen ist. Darüber 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 Schäfer ist seit Jahren Mitglied des VDI und der SAE.

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Kapitel, Beiträge und Mitarbeiter

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

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7.5 Zylinder Prof. Dr.-Ing. Claus Breuer/ Dr.-Ing. Arnim Robota 7.6 Ölwanne Dipl.-Ing. Günter Helsper/ Dipl.-Ing. Karl B. Langlois/ Dr.-Ing. Michael Wagner Dipl.-Ing. Gerd Ohrnberger 7.7 Kurbelgehäuseentlüftung Dr.-Ing. Uwe Meinig 7.8 Zylinderkopf Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal/ Dipl.-Ing. Johann Schopp 7.9 Kurbelwellen Dr. sc. techn. ETH Werner Menk Dipl. Ing., MBA Ilias Papadimitriou Guido Rau 7.10 Ventiltriebskomponenten Wolfgang Christgen/Michael Haas/Norbert Nitz 7.11 Ventile Dr. Olaf Josef/ Dipl.-Ing. Axel Linke 7.12 Ventilfedern Dr.-Ing. Rudolf Bonse 7.13 Ventilsitzringe Dr.-Ing. Gerd Krüger 7.14 Ventilführungen 7.15 Ölpumpe Dr. Christof Lamparski 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 Körfer/ Dipl.-Ing. Michael Neu/ Dipl.-Ing. Franz Fusenig 7.19 Lager in Verbrennungsmotoren Dipl.-Ing. Dr. techn. Rainer Aufischer Dipl.-Ing. Andreas Weber/ 7.20 Ansaugsysteme Dipl.-Ing. (FH) Alexander Korn 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 Göb 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 Abgaskrümmer Dipl.-Ing. Hubert Neumaier 7.24 Kühlmittelpumpen für Verbrennungsmotoren Dipl.-Ing. Peter Amm/ Dipl.-Ing. Franz Pawellek Mirko Sierakowski 7.25 Steuerorgane des Zweitaktmotors Dr.-Ing. Uwe Meinig

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8 Motoren 8.1 Motorkonzepte Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer 8.2 Aktuelle Motoren 8.3 Motorradmotoren/Sondermotoren Andreas Bilek 8.4 Kreiskolbenmotor/Wankelmotor Mazda Motors (Deutschland) Leverkusen 8.5 Kleinvolumige Motoren für handgeführte Dr.-Ing. Tim Gegg Arbeitsgeräte 9 Tribologie 9.1 Reibung Dr.-Ing. Franz Maassen 9.2 Schmierung Prof. Dr. Stefan Zima (†) 10 Ladungswechsel 10.1 Gaswechseleinrichtungen beim Viertaktmotor Prof. Dr.-Ing. Ulrich Spicher/ 10.2 Ladungswechselrechnung Dr.-Ing. Sören Bernhardt 10.3 Gaswechsel bei Zweitaktmotoren Dr.-Ing. Uwe Meinig 10.4 – Variable Ventilsteuerungen Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal/ 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 Roß 11.3 Ladeluftkühlung 11.4 Zusammenwirken von Motor und Verdichter 11.5 Dynamisches Verhalten 11.6 Zusatzmaßnahmen bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren 11.7 Leistungsexplosion durch Register- und Dipl.-Ing. Marc Sens/ zweistufige Aufladung bei Personenkraftwagen Dipl.-Ing. Guido Lautrich (Hochaufladung) 11.8 Ermittlung von Turboladerkennfeldern an Dipl.-Ing. Marc Sens/ Turboladerprüfständen Dr.-Ing. Panagiotis Grigoriadis

12 Gemischbildungsverfahren und -systeme 12.1 Innere Gemischbildung Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer 12.2 Äußere Gemischbildung 12.3 – Gemischbildung bei Ottomotoren 12.3.7 12.3.8.1 Saugrohreinspritzsysteme Dipl.-Ing. Achim Koch 12.3.8.2 Systeme für Direkteinspritzung 12.4 Gemischbildung bei Dieselmotoren Prof. Dr.-Ing Helmut Tschöke 12.4.1 Einspritzsysteme – Überblick 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 Einspritzdüsen und Düsenhalter Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschöke 12.4.5 Anpassung des Einspritzsystems an den Motor 12.5 Kraftstoffversorgungssystem Dr.-Ing. Thomas Zapp 12.5.1 Kraftstoffbehälter 12.5.2 Das Tankentlüftungssystem 12.5.3 Anforderungen an ein Kraftstofffördersystem Dipl.-Ing. Holger Dilchert/ Dipl.-Ing. Bernd Jäger/ Dipl.-Ing. Frank Kühnel/ Dipl.-Ing. Ralph Schröder 12.5.4 Die Füllstandsmessung Dipl.-Ing. Knut Schröter 13 Zündung Dr. Manfred Adolf/ 13.1 Zündung – Ottomotor Dipl.-Ing. Heinz-Georg Schmitz 13.2 Zündkerzen 13.3 Zündung – Dieselmotor 14 Verbrennung Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. 14.1 Kraftstoffe und Kraftstoffchemie Günter P. Merker/ 14.2 Oxidation von Kohlenwasserstoffen Dr.-Ing. Peter Eckert 14.3 Selbstzündung 14.4 Flammenausbreitung 14.5 Modellbildung und Simulation 15 Verbrennungsverfahren 15.1 Dieselmotoren Prof. Dr.-Ing Helmut Tschöke/ Dr.-Ing. Detlef Hieber 15.2 Ottomotoren Dipl.-Ing. Marc Sens/ Dipl.-Ing. Reinhold Bals/ Dipl.-Ing. Ralf Wascheck/ Dipl.-Ing. Michael Riess 15.3 Zweitakt-Dieselmotor Dr.-Ing. Uwe Meinig 15.4 Zweitakt-Ottomotor 16 Elektronik und Mechanik für 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 Getriebesteuergeräte Dr. rer. nat.-Phys. Matthias Wieczorek 16.5 Elektronischer Aufbau, Strukturen und Dipl.-Ing. Gerwin Höreth/ Bauelemente Dipl.-Ing. Rainer Riecke 16.6 Steuergeräteelektronik Dipl.-Ing. Gerwin Höreth/ Dipl.-Ing. Alexander Sedlmeier/ Dipl.-Ing. Martin Götzenberger/ Dipl.-Ing. Peter Bertelshofer 16.7 Software-Strukturen Dipl.-Ing. Gerhard Wirrer/ Dipl.-Ing. Thomas Vogt 16.8 Die Steuerung des Verbrennungsmotors Dipl.-Ing. Alfred Brandl/ Dipl.-Ing. Martin Jehle 16.9 Funktionen Dipl.-Ing. Martin Jehle 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 Längsdynamik des Kraftfahrzeuges 17.3 Getriebetypen 17.4 Leistungsebene und Signalverarbeitungsebene 17.5 Getriebesteuerung Dipl.-Ing. Friedrich Graf 17.6 Integriertes Antriebsstrangmanagement (IPM®) 17.7 Komponenten für Antriebsstrangelektrifizierung Dipl.-Ing. Uwe Möhrstädt 18 Sensoren Dr.-Ing. Anton Grabmaier/ 18.1 Temperatursensoren Dr.-Ing. Bernd Last 18.2 Füllstandsensoren 18.3 Klopfsensoren 18.4 Abgassensoren 18.5 Drucksensoren 18.6 Luftmassensensor 18.7 Drehzahlsensoren 18.8 Brennraumdrucksensoren für Dieselmotoren

19 Aktuatoren 19.1 Antriebe Dipl.-Ing. Stefan Klöckner 19.2 Drosselklappenstellglieder 19.3 Drall- und Tumbleklappen/ Resonanzaufladung 19.4 Turbolader mit variabler Turbinengeometrie 19.5 Abgasrückführventile Dipl.-Wirt.-Ing. Axel Tuschik 19.6 Verdunstungsemission, Komponenten 20 Kühlung von Verbrennungsmotoren Dipl.-Ing. Matthias Banzhaf/ 20.1 Allgemeines Dr.-Ing. Wolfgang Kramer 20.2 Anforderungen an das Kühlsystem 20.3 Berechnungsgrundlagen und Simulations-Tools 20.4 Subsysteme der Motorkühlung 20.5 Kühlmodule 20.6 Gesamtsystem Motorkühlung 21 Abgasemissionen 21.1 Gesetzliche Vorschriften ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. 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 stöchiometrisch Dr. Stephan Siemund/ betriebener Motoren Dr.-Ing. Susanne Stiebels 21.5.3 Katalysatorkonzepte für Magermotoren Dipl.-Ing. Stefan Brandt/ Dipl.-Ing. Uwe Dahle 21.5.4 Metallische Katalysatorträger Dr. Andrée Bergmann 21.6 Abgasnachbehandlung Dieselmotor 21.6.1 Diesel-Oxidationskatalysatoren Dr. rer. nat. Peter Scherm

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21.6.2 NOx Adsorber für 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 Dörmer 22.1.1 Dieselkraftstoff 22.1.2.3 Alternative Ottokraftstoffe Norbert Neumann/ 22.2 Schmierstoffe Volker Clasen/ Dr. Ulrich Pfisterer/ 22.3 Kühlmittel Volker Clasen/ Dr. Oliver Busch 23 Filtration von Betriebsstoffen Dr.-Ing. Pius Trautmann 23.1 Luftfilter 23.2 Kraftstofffilter 23.3 Motorölfilter 24 Berechnung und Simulation 24.1 Festigkeits- und Schwingungsberechnung Dr. Peter Klumpp 24.1.1 Methoden 24.1.2 Ausgewählte 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. Rüdiger Teichmann 25.1 Themenstellung 25.2 Indizieren 25.3 Visualisieren 26 Kraftstoffverbrauch Prof. Dr.-Ing. Peter Steinberg/ 26.1 Allgemeine Einflussgrößen Dr.-Ing. Dirk Goßlau 26.2 Motorische Maßnahmen 26.3 Getriebeübersetzungen 26.4 Fahrerverhalten 26.5 CO2-Emissionen 27 Geräuschemissionen Dr.-Ing. Hans-Walter Wodtke/ 27.1 Physikalische Grundlagen und Begriffe Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. 27.2 Gesetzliche Außengeräuschvorschriften Hartmut Bathelt/ 27.3 Geräuschquellen des Außengeräusches Dipl.-Ing. Andreas Gruber 27.4 Maßnahmen zur Außengeräuschminderung 27.5 Motorgeräusch im Innenraum 27.6 Akustische Leitlinien für den Motorkonstrukteur 27.7 Messtechniken und Analysemethoden 27.8 Psychoakustik

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27.9 Sound-Engineering 27.10 Simulationswerkzeuge 27.11 Anti-Noise-Systeme: Geräuschminderung durch Gegenschall

28 Motorenmesstechnik Univ. Prof. Dr. Christian Beidl/ Dipl.-Ing. Dr. techn. Klaus-Christoph Harms/ Dr. Christoph R. Weidinger 29 Hybridantriebe Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer/ 29.1 Historie Dipl.-Ing. Carsten von Essen 29.2 Grundlagen der Hybridantriebe (allgemeiner Überblick) 29.3 Einteilung der Hybridantriebe 29.4 Elektrische Antriebssysteme 29.5 Energiespeichersysteme 29.6 Getriebe für Hybridantriebe 29.7 Energiemanagement 29.8 Betriebsstrategien 29.9 Aktuelle Hybridfahrzeuge 29.10 Zukünftige Entwicklung 29.11 Range Extender Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil. Eduard Köhler/ Dr.-Ing. Martin Hopp 30 Alternative Fahrzeugantriebe und APUs Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert/ (Auxiliary Power Units) Prof. Dr.-Ing. Burghard Voß/ B.Sc. Maximilian Zehmisch 30.1 Gründe für Alternativen 30.2 Elektroantrieb 30.3 Stirlingmotor 30.4 Gasturbine 30.5 Brennstoffzelle als Fahrzeugantrieb 30.6 Zusammenfassende Bewertung der Alternativen Energien und Antriebe 30.7 Wasserstoff-Verbrennungsmotor 30.8 Stromerzeugung durch eine Auxiliary Power Unit (APU) 31 Energiemanagement in Motor und Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer/ Fahrzeug Dr.-Ing. E.h. Johannes Liebl 31.1 Verluste bei der Energieumwandlung 31.2 Bedarfsorientiertes Energiemanagement 31.3 Stromerzeugung im Fahrzeug 31.4 Wärmemanagement

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

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

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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. Rüdiger 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 Krüger (ehemals) BMW Group, München 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 Götzenberger Dr.-Ing. Anton Grabmaier Dipl.-Ing. Friedrich Graf Dipl.-Ing. Gerwin Höreth Dipl.-Ing. Bernd Jäger Dipl.-Ing. Martin Jehle Dipl.-Ing. Stefan Klöckner Dipl.-Ing. Achim Koch Dipl.-Ing. Frank Kühnel Dr.-Ing. Bernd Last Dipl.-Ing. Uwe Möhrstädt Dipl.-Ing. Rainer Riecke Dr. rer.nat. Dipl.-Phys.Thomas Riepl Dipl.-Ing. Ralph Schröder Dipl.-Ing. Knut Schröter Dipl.-Ing. Alexander Sedlmeier Dipl.-Ing. Karl Smirra Dipl.-Wirt.-Ing. Axel Tuschik Dr.-Ing. Michael Ulm Dipl.-Ing. Thomas Vogt

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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 Dörmer Norbert Neumann Dr. Ulrich Pfisterer Deutsche BP AG, Hamburg Volker Clasen Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach Dipl.-Ing. Günter Helsper (ehemals) Dipl.-Ing. Karl B. Langlois ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Dipl.-Ing. Armin Diez Dr.-Ing. Oliver Göb Dipl.-Ing. Eberhard Griesinger Dipl.-Ing. Uwe Georg Klump Dipl.-Ing. Wilhelm Kullen Dr. rer. nat. Hans-Peter Werner Emitec Produktion Eisenach GmbH, Hörselberg-Hainich Dr. Andrée Bergmann Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH, Dipl.-Ing. (FH) Rolf Brück 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 Nürnberg GmbH, Nürnberg 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 Körfer 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

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

Hilite International/Hydraulik-Ring, Nürtingen 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 Voß 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, München Dr.-Ing. Peter Bauer KSPG AG, Neckarsulm Dr.-Ing. Martin Hopp Hon.-Prof. Dr.-Ing. habil. Eduard Köhler (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 Ißler 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. Sören Bernhardt Fachhochschule Südwestfalen, Iserlohn Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal Prof. Dr.-Ing. Fred Schäfer Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg Dr.-Ing. Dirk Goßlau Prof. Dr.-Ing. Peter Steinberg Technische Universität Braunschweig Prof. Dr.-Ing. Ulrich Seiffert Technische Universität Darmstadt Univ. Prof. Dr. Christian Beidl Technische Universität Dresden Prof. Dr.-Ing. Hans Zellbeck Dr.-Ing. Tilo Roß

Technische Universität Hannover Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Günter P. Merker Technische Universität Kaiserslautern Prof. Dr.-Ing. Rudolf Flierl Technische Universität Wien ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Ernst Pucher Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Dr.-Ing. Hanns Erhard Heinze Dr.-Ing. Detlef Hieber Prof. Dr.-Ing. Helmut Tschöke Karlsruher Institut für 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. Geräte- 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,

München Beidl, Christian, Univ. Prof. Dr. Technische Universität Darmstadt, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Fahrzeugantriebe Bergmann, Andrée, Dr. Emitec Produktion Eisenach GmbH, Hörselberg-Hainich Bernhardt, Sören, Dr.-Ing. Universität 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 Brück, Rolf, Dipl.-Ing. (FH) Emitec Gesellschaft für 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 Dörmer, 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 Göb, Oliver, Dr.-Ing. ElringKlinger AG, Dettingen/Erms Götzenberger, Martin, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Goßlau, Dirk, Dr.-Ing. Brandenburgische Technische Universität 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 Südwestfalen, Iserlohn Harms, Klaus-Christoph, AVL List GmbH, A-Graz Dipl.-Ing. Dr. techn. Heinze, Hanns Erhard, Dr.-Ing. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Helsper, Günter, Dipl.-Ing. Dr.-Ing. h.c. F. Porsche AG, Weissach Hieber, Detlef, Dr.-Ing. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg

XXIII

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

Hoffmann, Hermann, Dipl.-Ing. MAHLE International GmbH, Stuttgart Hopp, Martin, Dr.-Ing. KSPG AG, Neckarsulm Höreth, Gerwin, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Ißler, Wolfgang, Dr.-Ing. MAHLE International GmbH, Stuttgart Jäger, Bernd, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Jacob, Eberhard, Dr. Emitec Gesellschaft für 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 Klöckner, 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, Nürtingen Koch, Achim, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Köhler, Eduard, Hon.-Prof. ehemals KSPG AG, Neckarsulm Dr.-Ing. habil. Körfer, 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 Krüger, Gerd, Dr.-Ing. ehemals Bleistahl, Wetter Kühnel, 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 Nürnberg GmbH, Nürnberg

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, München Linke, Axel, Dipl.-Ing. TRW Automotive, Barsinghausen Maassen, Franz, Dr.-Ing. FEV GmbH, Aachen Maus, Wolfgang Emitec Gesellschaft für 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, Günter P., ehemals Leiter Institut für Technische Verbrennung, Univ. Prof. Dr.-Ing. habil. Universität Hannover Meske, Ralf, Priv.-Doz. Dr.-Ing. Federal-Mogul Nürnberg GmbH, Nürnberg Möhrstädt, 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. Geräte- 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 Universität Wien, Institut für 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 Roß, Tilo, Dr.-Ing. Technische Universität Dresden Schäfer, Fred, Prof. Dr.-Ing. FH Südwestfalen, 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, München Schröder, Ralph, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Schröter, Knut, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Sedlmeier, Alexander, Dipl.-Ing. Continental Automotive GmbH Seiffert, Ulrich, Prof. Dr.-Ing. Technische Universität 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 für Technologie (KIT) Steinberg, Peter, Prof. Dr.-Ing. Brandenburgische Technische Universität 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, Rüdiger, Dr. AVL List GmbH, A-Graz Trautmann, Pius, Dr.-Ing. Mann + Hummel GmbH, Ludwigsburg Tschöke, Helmut, Prof. Dr.-Ing. Otto-von-Guericke-Universität 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 Voß, 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 Universität Dresden Zima, Stefan, Prof. Dr.-Ing. (†) FH Gießen-Friedberg, FB Maschinenbau, Friedberg

XXVII

Inhaltverzeichnis

1 Geschichtlicher Rückblick ................................................................................................................... 1

2 Definition und Einteilung der Hubkolbenmotoren ............................................................................ 8 2.1 Definitionen ................................................................................................................................. 8 2.2 Möglichkeiten 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 Zündung ......................................................................................................................... 11 2.2.9 Kühlung ......................................................................................................................... 12 2.2.10 Lastregelung ................................................................................................................... 12 2.2.11 Einsatzzweck .................................................................................................................. 13 2.2.12 Drehzahl- und Leistungsabstufung ................................................................................. 13

3 Kenngrößen .......................................................................................................................................... 14 3.1 Hubvolumen ................................................................................................................................ 14 3.2 Verdichtungsverhältnis ................................................................................................................ 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 Zylinderfüllung .............................................................................................. 22 3.9 Luft-Kraftstoff-Verhältnis ............................................................................................................ 23

4 Kennfelder ............................................................................................................................................ 26 4.1 Verbrauchskennfelder .................................................................................................................. 28 4.2 Emissionskennfelder .................................................................................................................... 29 4.3 Zündungs- 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 Annäherung 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 Kräfte am Kurbeltrieb .................................................................................................... 51 6.1.3 Tangentialkraftverlauf und mittlere Tangentialkraft ...................................................... 56 6.1.4 Massenkräfte .................................................................................................................. 58

6.1.4.1 Massenkräfte am Einzylinder-Triebwerk ....................................................... 59 6.1.4.2 Massenkräfte am Zweizylinder-V-Triebwerk ................................................ 59 6.1.4.3 Massenkräfte und Massenmomente bei Mehrzylinder-Triebwerken ............. 61 6.1.4.4 Beispiel (Fünfzylinder-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 Kröpfungs- und Zündfolgen ........................................................................................... 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 Erregerkräfte, -arbeit und -amplituden ........................................................................... 71 6.2.5 Maßnahmen zur Verringerung der Kurbelwellenausschläge .......................................... 73 6.2.6 Zweimassenschwungräder ............................................................................................. 74

6.3 Variabilität 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 Kolbenkühlung .............................................................................................. 85 7.1.1.8 Kolbenbauarten .............................................................................................. 86 7.1.1.9 Kolbenherstellung .......................................................................................... 90 7.1.1.10 Laufflächenschutz/Oberflächenschutz ........................................................... 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 Pleuelstangenverhältnis ................................................................................. 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 Ausführungsformen ....................................................................................................... 104 7.3.1.1 Verdichtungsringe ......................................................................................... 104 7.3.1.2 Ölabstreifringe ............................................................................................... 105

7.3.2 Ringbestückungen .......................................................................................................... 106 7.3.3 Kenngrößen .................................................................................................................... 107 7.3.4 Kolbenringherstellung .................................................................................................... 109

7.3.4.1 Formgebung ................................................................................................... 109 7.3.4.2 Verschleißschutzschichten ............................................................................. 109 7.3.4.3 Oberflächenbehandlungen ............................................................................. 110 7.3.4.4 Werkstoffe für Kolbenringe ........................................................................... 111

7.3.5 Beanspruchung, Schäden, Verschleiß, Reibung ............................................................. 111 7.4 Kurbelgehäuse ............................................................................................................................. 112

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

7.4.2.1 Kurbelgehäusebauart ..................................................................................... 114 7.4.3 Optimierung der Akustik ................................................................................................ 119 7.4.4 Minimierung der Kurbelgehäusemasse .......................................................................... 120 7.4.5 Gießverfahren für Kurbelgehäuse .................................................................................. 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 Zylinderlaufflächen ............................................................................. 127 7.5.2.1 Bearbeitungsverfahren ................................................................................... 128

7.5.3 Zylinderkühlung ............................................................................................................. 129 7.5.3.1 Flüssigkeitskühlung ....................................................................................... 129 7.5.3.2 Luftkühlung ................................................................................................... 129

7.6 Ölwanne ....................................................................................................................................... 130 7.6.1 Ölwannenbauart ............................................................................................................. 130

7.7 Kurbelgehäuseentlüftung ............................................................................................................. 131 7.7.1 Gesetzliche Randbedingungen ....................................................................................... 131 7.7.2 Technische Anforderungen ............................................................................................ 132 7.7.3 Systemaufbau aktueller Kurbelgehäuseentlüftungssysteme ........................................... 135

XXX

7.7.4 Ölabscheidung ................................................................................................................ 135 7.7.4.1 Grobölabscheidung ........................................................................................ 137 7.7.4.2 Ölnebelabscheidung ....................................................................................... 137

7.7.5 Kurbelgehäusedruckregelung ......................................................................................... 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 Kühlkonzepte ................................................................................................. 151 7.8.2.5 Ölhaushalt ...................................................................................................... 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 Rechnergestützte Auslegung .......................................................................... 154

7.8.3 Gießverfahren ................................................................................................................ 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 Qualitätssicherung ......................................................... 162

7.8.5.1 Großserienfertigung ....................................................................................... 162 7.8.5.2 Prototypenfertigung ....................................................................................... 162 7.8.5.3 Qualitätssicherung der Zylinderköpfe ............................................................ 162

7.8.6 Ausgeführte Bauformen von Zylinderköpfen ................................................................. 163 7.8.6.1 Zylinderköpfe an Ottomotoren ...................................................................... 163 7.8.6.2 Zylinderköpfe an Dieselmotoren ................................................................... 165 7.8.6.3 Sonderbauformen von Zylinderköpfen .......................................................... 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 Erhöhung 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 Einführung ..................................................................................................... 189 7.10.2.2 Automatische Riemenspannsysteme für Zahnriementriebe ........................... 190 7.10.2.3 Spann- und Umlenkrollen für Zahnriementriebe ........................................... 190 7.10.2.4 Zahnriementriebe in öliger Umgebung .......................................................... 191 7.10.2.5 Ausblick ......................................................................................................... 191

7.10.3 Kettenspann- und Führungssysteme ............................................................................... 191 7.10.3.1 Einführung ..................................................................................................... 191 7.10.3.2 Kette .............................................................................................................. 192 7.10.3.3 Kettenspannelement ....................................................................................... 192 7.10.3.4 Spann- und Führungsschienen ....................................................................... 193 7.10.3.5 Kettenräder .................................................................................................... 194

7.11 Ventile ......................................................................................................................................... 194 7.11.1 Funktion und Begriffserklärungen ................................................................................. 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 Ausführungsformen ......................................................................................................... 197 7.11.3.1 Ventilkopf ...................................................................................................... 197 7.11.3.2 Ventilsitz ....................................................................................................... 197 7.11.3.3 Ventilschaft ................................................................................................... 197 7.11.3.4 Ventilführung ................................................................................................ 198

7.11.4 Ventilwerkstoffe .............................................................................................................. 198 7.11.4.1 Wärmebehandlung ......................................................................................... 198 7.11.4.2 Oberflächenveredelung .................................................................................. 199

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

7.11.6 Ventilkegelstücke ............................................................................................................. 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 Ventilführungen ........................................................................................................................... 213 7.14.1 Anforderungen an Ventilführungen ............................................................................... 213

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

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

7.14.3 Geometrie Ventilführung ............................................................................................... 218 7.14.4 Zylinderkopfmontage ..................................................................................................... 220

7.15 Ölpumpe ...................................................................................................................................... 220 7.15.1 Übersicht über Ölpumpensysteme .................................................................................. 221

7.15.1.1 Innenzahnradpumpe ....................................................................................... 221 7.15.1.2 Außenzahnradpumpe ..................................................................................... 224 7.15.1.3 Flügelzellenpumpe ......................................................................................... 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 Rohöl- und reinölseitige 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 Außenzahnrad-Volumenstrom-Regelpumpe .................................................. 232 7.15.3.3 Flügelzellenpumpe ......................................................................................... 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 Ölpumpenkennwerte aus der Praxis ............................................................... 238 7.15.5.4 Vergleich zwischen Kurbelwellen und Sumpfpumpen .................................. 238

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

7.15.7.1 Numerische Strömungssimulation CFD ........................................................ 244 7.15.7.2 Eindimensionale Simulation von Strömungsnetzwerken ............................... 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 für 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 Kettenräder ..................................................................................................................... 264 7.17.4 Kettenführungselemente ................................................................................................ 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 Lösungen zur Lagerberechnung ................................................. 281 7.19.2.4 Hauptdimensionen: Durchmesser, Breite ....................................................... 281 7.19.2.5 Ölführungsgeometrie ..................................................................................... 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 Lagerschäden ................................................................................ 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 ..................................