Der Verbrennungsmotor - ein Antrieb mit Vergangenheit und Zukunft

Ich glaube, dass mich mit Hans Zellbeck nicht zuletzt verbindet, dass wir beide durch die Zinner / Woschni-Schule gegangen sind, wodurch unser beruflicher und wissenschaftlicher Werdegang deutlich geprägt und befördert worden ist. Bemerkenswert finde ich, dass beide genannten wissenschaftlichen Lehrer ihre eigene wissenschaftliche Ausbildung an der TU Dresden erfahren haben, also an derjenigen Universität, an der Hans Zellbeck nunmehr über 21 Jahre erfolgreich als Professor gewirkt hat.

Hans Zellbeck, Jahrgang 1950, in Griesbach / Rottal geboren, studierte an der Technischen Universität München und forschte als wissenschaftlicher Assistent bei Prof. Woschni am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen und Kraftfahrzeuge der TU München. In Prof. Woschni hatte Herr Zellbeck einen hervorragenden Lehrer und praktischen Ingenieur, der eng mit der Industrie, insbesondere der MAN Augsburg, zusammenarbeitete. Im Vordergrund standen bahnbrechende Methoden zur Berechnung des Wärmeübergangs in Verbrennungsmotoren mit Aufladesystemen und Methoden zur Vorausberechnung von deren Betriebsverhalten. Dabei standen die Forschungsarbeiten in enger Verbindung zu den Nutzern aus den Bereichen Fahrzeug- und Schiffsbau. Herr Zellbeck promovierte 1981 mit einer Arbeit über das dynamische Verhalten aufgeladener Dieselmotoren. Die enge Kooperation zwischen Ingenieurswissenschaften und Ingenieurpraxis, die er am Institut kennen gelernt hatte, prägte ihn in seinem weiteren beruflichen Werdegang.

In „grauen Vorzeiten“ der Motorenentwicklung (Ende der 70er Jahre im letzten Jahrtausend), als die Diesel-Saugmotoren mit Vorkammer noch mit Literleistungen von 20 PS (was sind denn PS?) an der Rauchgrenze BOSCH 6 arbeiteten, entwickelte Mercedes einen PKW-Dieselmotor mit Turboaufladung für die S-Klasse, weil die 8-Zylinder- Ottomotoren infolge der Katalysatoreinführung zur Abgasnachbehandlung träge und leistungsschwach geworden waren.

Alfred Büchi (1879-1959) gilt weithin als der Vater der Turboaufladung. Sein erstes Patent, datiert 1905, markiert den Beginn einer globalen Industrie. Büchi erkannte, dass die Kopplung einer Zentrifugalmaschine mit einer Kolben- bzw. Verbrennungskraftmaschine die spezifische Motorleistung steigern würde. Damit könnte er einen gegebenen Motor stärker machen oder einen Motor mit einer gewünschten Leistung kleiner, leichter und preisgünstiger gestalten, als dieser es andernfalls wäre. Dieses Grundprinzip hat bis heute Bestand und bleibt die Grundvoraussetzung dafür, dass sich eine globale Industrie entwickeln und soweit wachsen konnte, dass fast jeder Dieselmotor und rund 30% aller Benzinmotoren turboaufgeladen sind. Heute, im Jahr 2017, hat die Branche eine geschätzte Größe von 32 Millionen Einheiten pro Jahr mit einem Wert von etwa 9-10 Milliarden US-Dollar.

Turbolader für Verbrennungsmotoren werden heute typischerweise an speziellen Turbolader- Prüfständen vermessen. Die Ergebnisse dienen dazu, die Turbolader grundsätzlich zu bewerten, verschiedene Hersteller oder Baustände miteinander zu vergleichen und Daten für die Motorprozessrechnung zu liefern. Die Vorschrift zur Vermessung ist in SAE J922 beschrieben. Es hat sich in den letzten Jahren herausgestellt, dass die Vorschrift aufgrund zunehmender Anforderungen heute nicht mehr ausreichend ist. Es geht dabei insbesondere um den Einflüsse der Wärmeübergänge, die einerseits die Bewertung der Aerodynamik beeinflussen und andererseits für moderne Antriebsstrangsimulationen eine notwendige Information als eigenes Modell darstellen. Daher wird vielfach nach einer Erweiterung der Untersuchungsmöglichkeiten gesucht. Insbesondere die Strömungssimulation (CFD) hat sich, vor allem in Kombination mit der Wärmeübergangssimulation (CHT), als gute Möglichkeit erwiesen, fehlende Daten bereit zu stellen. Der zentrale Nachteil dabei ist jedoch, dass solche Simulationen einerseits sehr zeitaufwendig sind und andererseits CAD-Daten voraussetzen, die selten vorliegen. An der TU Berlin wird daher seit einigen Jahren an einem neuen Messverfahren gearbeitet, das die bestehende Messvorschrift mit vertretbarem Aufwand erweitert. Es hat sich dabei als notwendig erwiesen, neue Methoden zur Bestimmung der Turbinenaustrittstemperatur und des isentropen Turbinenwirkungsgrads. Außerdem sind neue Verfahren zur Definition eines adiabaten und damit nahezu wärmeübergangsfreien Zustands sowie neue Verfahren zur Extrahierung und Modellierung von Wärmeübergängen in Turboladern zu entwickeln. Dieser Beitrag fasst den aktuellen Stand dazu an der TU Berlin zusammen.

Bei der Entwicklung aufgeladener Verbrennungsmotoren stehen insbesondere das dynamische Verhalten und der Ladungswechsel im Fokus. Der Motorprozessrechnung kommt dabei eine entscheidende Rolle zu [1]. Das thermodynamische Verhalten des Abgasturboladers wird über die am Heißgasprüfstand gemessenen Kennfelder von Verdichter und Turbine beschrieben, die unmittelbar als Randbedingung in die Prozesssimulation eingehen. Durch die gemessenen Kennfelder wird jedoch nur ein begrenzter Teil des für den Motorbetrieb relevanten Betriebsbereiches abgebildet. So liegt der überwiegende Anteil der beim Testzyklus WLTC durchfahrenen Betriebspunkte außerhalb des üblicherweise vermessenen Kennfeldbereiches von Verdichter und Turbine.

In seinem Einleitungsvortrag zur 1. Aufladetechnischen Konferenz im Jahre 1981 in Flensburg erläuterte Professor Karl Zinner, der Nestor der wissenschaftlichen Analyse der Aufladetechnik, dass thermodynamische Vorausberechnungen nicht nur die richtigen Wege zur Führung und Weiterentwicklung des motorischen Arbeitsverfahrens aufzeigen, sondern dass in der Regel ohne Theorie eine systematische Ordnung von noch so vielen Versuchsergebnissen gar nicht möglich ist und vielleicht die Versuchsergebnisse ohne Zuhilfenahme von Theorie umso unübersichtlicher werden, je mehr davon vorliegen [1, 2]. Diese wichtige Erkenntnis beruhte auf einer Berufserfahrung, die 1930 als Doktorand an der Hochschule Dresden begann, wo er ab 1923 studierte, und die vor und während seiner Tätigkeit als Hochschullehrer eine erfolgreiche Tätigkeit bei MAN in Augsburg ab 1940 beinhaltete, während der er maßgeblich die Aufladetechnologie und später auch die Weiterentwicklung der Motorprozessrechnung förderte.

Infolge der anhaltenden Bevölkerungsentwicklung und des damit einhergehenden Bedarfs zur Beförderung von Personen und Gütern erhöht sich der Stellenwert der Mobilität stetig. Als grundlegendes Antriebssystem wird der Verbrennungsmotor, ungeachtet der aktuell überproportional forcierten Elektromobilität, auch in Zukunft eine zentrale Position einnehmen.

Der Umwelt- und Klimaschutz hat sich in den vergangenen Jahren zu einer wichtigen gesamtgesellschaftlichen Aufgabe entwickelt. Dies schlägt sich beispielsweise im Klimaabkommen von Paris aus dem Jahr 2016 nieder, in dem verbindlich beschlossen wurde, die globale Erderwärmung zu begrenzen. Um dieses Ziel zu erreichen ist es notwendig den Ausstoß klimaschädlicher Emissionen, wie Kohlendioxid (CO2) oder Stickoxide (NOx), zu verringern. Ein wesentlicher Beitragsleister neben der industriellen Produktion stellt dabei der öffentliche und private Verkehr dar.

Im Pkw-Bereich erfreut sich der Dieselmotor trotz der aktuellen Diskussionen hinsichtlich einer erhöhten NOx-Emission speziell im realen Fahrbetrieb nach wie vor an großer Beliebtheit. Fast jeder zweite Kunde in Europa entscheidet sich für einen Dieselmotor als Antriebsaggregat. Die Gründe dafür liegen sowohl in der hohen Leistungsdichte und der guten Drehmomentcharakteristik als auch im niedrigen Kraftstoffverbrauch. Das Letztgenannte ist nicht nur für den Kunden von besonderem Interesse, sondern besitzt auch für die Automobilindustrie zum Erreichen des gesetzlich geforderten CO₂-Emissionsziels von 95 g/km als mittleren Fahrzeugflottenwert bis zum Jahr 2020 eine eminente Bedeutung.

Audi gehört seit der Markteinführung von Turbomotoren im Jahr 1979 zu den Vorreitern im Segment aufgeladener Ottomotoren und ist es bis heute geblieben. In den letzten 20 Jahren war Audi mit zahlreichen Beiträgen auf der Aufladetechnischen Konferenz (ATK) vertreten. Bereits 1997 zeigt Audi auf der 6. ATK „Moderne Auflade-konzepte der Turbomotoren“ [1] seine Kompetenz in der Auslegung und Konzeption von aufgeladenen Aggregaten. Viele Technologien, die Audi seitdem großserienreif entwickelt hat, haben frühzeitig einen Trend gesetzt und gelten heute als Standard.

Mittelschnelllaufende Großmotoren werden seit Jahrzehnten überwiegend als Antriebsmaschinen im Marinebereich oder zur marinen bzw. stationären Stromerzeugung eingesetzt. Sie kommen beispielsweise überall dort zum Einsatz, wo keine anderweitige Elektrifizierung verfügbar ist (Inselbetrieb) oder bei einem Netzausfall die Stromversorgung (Notstrombetrieb) kurzfristig sichergestellt werden muss. Durch optionale Abwärmenutzung von Abgas, Kühlmittel und Öl können bereits heute schon Systemwirkungsgrade von über 90 Prozent erzielt werden. Bei Generatoranwendungen sind elektrische Systemwirkungsgrade über 50 Prozent umsetzbar. Der Leistungsbereich der mittelschnelllaufenden 4-Takt-Grossmotoren beträgt etwa 500kW bis über 10 MW. Als Brennstoff kommen je nach Motorbauart entweder Gas, Diesel oder Schweröl zum Einsatz. Eine kombinierte oder alternierende Verbrennung mehrerer Kraftstoffarten ist bei Dualfuel- oder Bifuel-Motoren ebenfalls möglich.

Im Jahre 1901 erfolgte erstmalig der Einbau eines in Deutschland entwickelten Verbrennungsmotors von Wilhelm Maybach mit 35 PS in ein Wasserflugobjekt. [1] Der anschließend geplante Jungfernflug auf einem Stausee endete jedoch schon beim Startversuch mit dem Versinken des Flugzeugs im Stauseebecken. Der erste derzeitig schriftlich belegbare Motorflug fand 1903 mittels eines 12 PS starken und ca. 81 kg schweren wassergekühlten Vierzylinder-Viertakt-Benzinmotors durch die Gebrüder Wright statt. Die folgenden Jahre der Entwicklungsgeschichte der Flugmotoren waren überwiegend durch äußerst fehleranfällige Innovationen geprägt. Erst mit Kriegsbeginn im Jahre 1914 sollte sich dies aufgrund der strategischen Bedeutung einer Lufthoheit im Kriegsgebiet grundlegend ändern. Neben der Maximierung der Tragkraft, der Dienstgipfelhöhe und der Leistung nimmt auch die Wendigkeit und Robustheit einen immer wichtiger werdenden Stellenwert ein. Dies sind auch bis heute noch neben weiteren im Laufe der Entwicklungsgeschichte erweiterten Anforderungen, wie beispielsweise Umweltschutz und Lärmpegel, die treibenden Fragen für Innovationen für Flugmotoren.

Festreden und Beiträge zu Festschriften sind immer ehrenhafte Angelegenheiten, die im Auditorium oder beim Leser besondere Botschaften hinterlassen sollen, an die man sich gern erinnert. Doch wie kann das gelingen, wenn der festliche Anlass dem Auslaufen der Pflicht zur universitären Lehre eines hoch anerkannten Wissenschaftlers in einem Fachgebiet gilt, von dem Einige denken, dass es keine Zukunft hat, und darüber sogar politische Willenserklärungen organisieren. Als einer, der sich die Aufgabe gestellt hat, Beiträge für den Aufbau einer solaren Stoffund Energiewirtschaft zu leisten und vor 25 Jahren vorausschauend mit der Entwicklung von erneuerbaren synthetischen Kraftstoffen begonnen hat, bin ich in der glücklichen Lage, die Botschaft zu überbringen, dass dem nicht so ist. Vielmehr haben die Verbrennungsmotoren das Potential, auch in einer solaren Stoff- und Energiewirtschaft ihre große Bedeutung zu behalten und damit eine gute Zukunft, wenn die Motorenbauer diese entsprechend gestalten.

Durch die immer strenger werdende Abgasgesetzgebung bedarf es einer stetig fortlaufenden Entwicklung der Verbrennungskraftmaschine. Dabei spielt die Brennverfahrensentwicklung eine entscheidende Rolle bei der Erforschung von neuen Brennraumgeometrien, Kraftstoffen und Komponenten, die eine dynamische Leistungsentfaltung bei gleichzeitiger Einhaltung der gesetzlich geforderten Grenzwerte ermöglichen. Durch das komplexe System, bestehend aus Verbrennungsmotor einschließlich Abgasnachbehandlungssystem, Antriebsstrang und einer zunehmenden Integration von Elektromotoren, ergibt sich ein breites Feld der Entwicklungsmöglichkeiten.

Der Verbrennungsmotor ist eine bedeutende Antriebstechnik und eine der Schlüsseltechnologien der Automobilindustrie zur Erreichung der anspruchsvollen CO₂-Emissionsziele bis 2020. Jedoch stehen der vergleichsweise geringen CO₂-Emission des Dieselmotors prinzipbedingt hohe Schadstoffemissionen gegenüber. Durch den flächendeckenden Einsatz der Partikelfiltertechnologie in Europa im PKW-Bereich ist zusammen mit dem Oxidationskatalysator im Bereich Dieselmotor eine signifikante und langzeitstabile Absenkung der Partikelemission erfolgt. Aufgrund der weiteren Verschärfung der Grenzwerte für die Stickoxidemission ist die Erweiterung der Abgasnachbehandlung speziell von Dieselmotoren um aktive Stickoxidminderungssysteme die logische Konsequenz. Mithilfe der momentan verfügbaren Nachbehandlungstechnologien lassen sich rein technisch in den meisten Fällen sehr hohe Emissionsminderungsraten realisieren. Auch für den direkteinspritzenden Ottomotor steht zum Erreichen der Grenzwerte für die submikrone Partikelemission der Partikelfilter zur Debatte.

Individuelle Mobilitätsansprüche mit Personenkraftwagen prägen einen sehr großen Teil unseres wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Lebens. Für das Fahrzeug als Gesamtsystem und das Antriebsaggregat als dominierende Systemkomponente ergeben sich verschiedene Anforderungen aus umweltpolitischen Regularien und durch verbraucherrelevante Zielfunktionen. Die hieraus abgeleiteten Entwicklungsaktivitäten betrachten verschiedene Antriebsmöglichkeiten mit elektrischem Antrieb, Verbrennungsmotor und Hybridvarianten in verschiedenen Ausprägungen. Diskussionen zur Festlegung eines einzelnen optimalen Antriebsaggregats für die umfängliche Erfüllung aller Anforderungen scheitern an der Vielfältigkeit des Individualverkehrs, der kurzfristigen Veränderung der vorhandenen Infrastruktur und den unterschiedlichen Anforderungen des Fahrzeugnutzers.

Bekanntlich spielt bei der dieselmotorischen Gemischbildung und Verbrennung neben der zeit- und mengengenauen Dosierung des einzuspritzenden Kraftstoffes, dessen zeitund ortsgenaue lokale Mischung mit der Luft im Brennraum eine entscheidende Rolle für Verbrauch, Emissionen und Geräusch. Insbesondere bei höheren Lasten ist die Anhebung der Strahlkraft ein probates Mittel um eine intensivere Durchmischung im Strahl und eine bessere Umlenkung des Brenngases an der Kolbenmulde für eine gute Luftausnutzung zu erzielen. Die Strahlkraft am Spritzlochaustritt steigt bei gegebenem Spritzlochquerschnitt mit dem Düsenwirkungsgrad (Verhältnis aus realem zu theoretischem Durchfluss laut Bernoulli) und dem Sacklochdruck, der wiederrum über Drosseln (Düsensitz, Injektor) in hohem Maße mit dem Raildruck kommuniziert. Basisuntersuchungen zum Einfluss des Wirkungsgrades auf die Verbrennung sind in /1/ erfolgt.

Aufgrund seines vergleichsweise hohen Wirkungsgrads und dem damit verbundenen niedrigen CO₂-Ausstoß gehört der Dieselmotor zu den wirtschaftlichsten Kraftmaschinen im Bereich der Fahrzeug- und Energietechnik. Trotzdem steht der Dieselmotor als Antriebskonzept im Pkw-Bereich mehr denn je großen Herausforderungen gegenüber. Neben dem geringen CO₂-Ausstoß rücken zunehmend Forderungen nach minimaler Schadstoffemission, Verfügbarkeit und geringen Kosten in den Fokus. Während bei der Weiterentwicklung der alternativen Antriebe die infrastukturbedingte Verfügbarkeit und die CO₂-Emission bei der Primärenergiegewinnung einen Schwerpunkt bilden, liegt der aktuelle Fokus bei Verbrennungsmotoren auf der Einhaltung der Schadstoffgrenzwerte unter möglichst allen Fahrbedingungen. Im Gegensatz zum bisherigen Zertifizierungszyklus (NEFZ) ist mit Einführung der Emissionsstufe 6c der Nachweis der Einhaltung vorgegebener Emissionsgrenzen unter realen Fahrbedingungen (RDE) auf der Straße verbindlich. Wie in Abbildung 1 zu erkennen, findet dabei eine erhebliche Ausweitung des Betriebspunktspektrums statt, bei gleichzeitig zunehmendem transienten Fahrbetrieb.

The Diesel engine has come a long way in the last 30 years. Before the series introduction of the direct injection for passenger cars by FIAT in 1987, only pre- or swirl chambers were used. These engines however suffered from a reduced thermal efficiency compared to DI engines, due to the flow losses between the prechamber and the main chamber, i.e. the cylinder.

Moderne Dieselmotorenkonzepte mit variabler Turbinengeometrie zeichnen sich durch hohe spezifische Leistung und niedrigen Kraftstoffverbrauch aus. Der hohe Wirkungsgrad führt jedoch zu niedrigeren Abgastemperaturen. Dieser Effekt beeinflusst die Funktion der notwendigen Abgasnachbehandlungssysteme nachteilig. Im Hinblick auf eine sich weiter verschärfende Abgasgesetzgebung und der Entwicklungstendenz hin zu zweistufigen Aufladesystemen stellt die möglichst motornahe Positionierung des Oxidationskatalysators einen vielversprechenden Lösungsansatz dar. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde ein Vorturbolader-Katalysator (Pre Turbocharger Catalyst) mit bis zu einem Liter Volumen für maximale Konvertierungsraten entwickelt. Anhand der in diesem Beitrag dargestellten Ergebnisse aus Messungen am hochdynamischen Motorenprüfstand soll insbesondere der Zielkonflikt aus effektiver Emissionsminderung durch Einsatz des PTC und daraus resultierenden fahrdynamischen Nachteilen diskutiert und Lösungsansätze abgeleitet werden.

Der 2-Takt-Großmotor ist im wahrsten Sinne des Wortes ein großer Motor, Bild 1. Verwendung finden diese Art Motoren in den ebenfalls großen Handelsschiffen, die in zumeist internationalem Gewässer und auf längeren Strecken operieren. Die kleineren Versionen dieser Schiffe sind aber auch auf großen Binnengewässern, wie den großen Seen in Nordamerika oder den großen Flüssen in China, zu Hause.

Schon immer war es das Bestreben der Menschheit, mechanische Arbeit durch Maschinen ersetzen zu können und so höhere Arbeitsleistungen zu erzielen. So wurde schon in der Antike die Wasserkraft benutzt, um die Bewässerung der Felder zu automatisieren und effizienter zu gestalten. Auch die Windkraft wurde bereits sehr früh zur Erzeugung mechanischer Energie eingesetzt, wobei auch hier erste Anwendungen aus der Landwirtschaft und den nachgelagerten Gewerken zu nennen sind.

motoren erfordert eine komplexe Konzeption des Kurbelgetriebes, d. h. die organische Kopplung der Kurbelwelle einschließlich deren klassischer Bestandteile mit dem Dämpfer von Torsionsschwingungen nicht nur als Zubehör oder Ergänzung, sondern als integralen Bestandteil des gesamten Systems. Die bisher verwendeten Vorgehensweisen zur Lösung gehen von der klassischen Vorstellung der Anwendung des dynamischen Dämpfers als Zusatzsystem mit einem Freiheitsgrad aus, wobei dessen Kopplung an das Grundsystem durch das rheologische Zwei-Parameter Modell in Parallelanordnung (Kelvin-Modell) realisiert ist. In der Gegenwart ist der Silikondämpfer unumstritten der am meisten verbreitete Typ des dynamischen Dämpfers der Torsionsschwingungen der Kurbelwellen, der an Motoren verschiedenster Größe und Bestimmung verwendet wird, s. Bild 1.1. Beim Entwurf des Silikondämpfers werden sehr gute Übereinstimmungen zwischen den Ergebnissen moderner Berechnungsmethoden und nachfolgender experimenteller Überprüfung unter Respektierung der viskoelastischen Eigenschaften der Silikonöle [1] erreicht.

Jeder Maschine liegt ursprünglich der Wunsch zu Grunde, bestimmte Aufgaben bzw. Ziele mit reduziertem Aufwand erreichen zu können. Diese Anregung führt zur entscheidenden Idee, welche die Realisierung der Aufgabe ermöglicht. In seltenen Fällen handelt es sich hier um einzelne einfache technische Hilfsmittel; meistens werden mehrere dieser einfachen Hilfsmittel miteinander kombiniert und vernetzt. Jede technische Apparatur kann somit in logisch und sinnvoll miteinander wirkende Baugruppen und Elemente zerlegt werden. Im funktionellen Zusammenspiel der Einzelkomponenten sind sie dafür bestimmt, das übergeordnete Ziel, die an die Maschine gestellte Aufgabe, möglichst effizient zu erledigen. Die zielgerechte Ausarbeitung der Zusammenhänge und die Detaillierung der Bauteile und Baugruppen stellen die grundlegende Aufgabe eines Konstruktionsprozesses dar.

Der Verbrennungsmotor wird noch über einen längeren Zeitraum das Bild der Antriebstechnik für den mobilen Einsatz prägen. In der heutigen Übergangszeit zur E-Mobilität für den Massenmarkt werden viele Faktoren den Grad der Marktdurchdringung beeinflussen. Verschiedene Marktszenarien zeigen, dass bis 2030 über 90 % der im Betrieb befindlichen Fahrzeuge (global PKW & NKW) noch einen Verbrennungsmotor besitzen werden. Deshalb muss eine parallele Weiterentwicklung der heutigen Verbrennungsmotorentechnik hinsichtlich Verbrauchs- und Abgasemissionsreduzierung zur Einhaltung der vorgegebenen Ziele aus dem Kyoto-Protokoll (1997), der UN-Klimakonferenz in Paris 2015 und dem RDE-Prüfverfahren ab September 2017 erfolgen.

Neue Motorenöle mit stark abgesenkter Viskosität bieten Potenziale zur Verringerung der innermotorischen Reibung von Verbrennungsmotoren. Diese Studie des Lehrstuhls Verbrennungsmotoren der Technischen Universität Dresden beschreibt, wie die Zylinderlaufbahn für den gefeuerten Motorbetrieb mit niedrig viskosen Motorenölen mithilfe der Messung der Reibkraft und der Simulation des Ölverbrauchs der Kolbengruppe optimiert werden kann.

Der gesamtheitlicher Ansatz zur Bewertung von Oberflächenstrukturen der Paarung Kolbenring / Zylinderlaufbahn [1] setzt sich aus Versuchen, numerischen Simulationen und weiterführenden Analysen von Werkstoffeigenschaften zusammen. Der folgende Beitrag umfasst Auszüge zur Einbindung des Einzylinder-Versuchsmotors am Institut für Automobiltechnik Dresden (IAD) in diesen gesamtheitlichen Ansatz. Eine umfangreiche Systemanalyse der Einzylinderversuche in Bezug auf die Messgenauigkeit und auf die Übertragbarkeit auf Realzustände im Serienmotor war die Basis zur Bewertbarkeit von Oberflächenstrukturen.

Im Bemühen um stetige Leistungssteigerung sowie der Optimierung von Wirkungsgrad und Ansprechverhalten, unterliegt der Motorentwicklungsprozess im Rennsport erheblichem Zeit- und Kostendruck. Gezielt eingesetzte 3D-CFD-Simulationen können diesen Entwicklungsprozess maßgeblich unterstützen, indem das Verständnis für innermotorische Vorgänge (Kraftstoffeinspritzung und -vermischung, Verbrennung, Wandwärmeübergang, usw.) sowie deren Beeinflussung durch Motor-Geometrien und Steuerungsstrategien verbessert wird. Die Volkswagen Motorsport GmbH wurde in den vergangenen Jahren bei der Antriebsstrangentwicklung durch umfangreiche virtuelle Untersuchungen vielfältiger Motorkonzepte am Forschungsinstitut für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren Stuttgart (FKFS) unterstützt. Zusätzliche experimentelle Analysen an einem Einzylinder-Forschungsmotor wurden am Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen (LVK) der Technischen Universität München (TUM) durchgeführt. Die gemeinsame Entwicklungsarbeit für die World Rally Championship (WRC) Rennsportserie sowie die zunehmend autonome Verwendung prädiktiver 3D-CFD-Simulationen werden innerhalb des vorliegenden Beitrags beschrieben und anhand konkreter Beispiele praxisnah erläutert.

Mit dem Einsatz verbrennungsmotorisch angetriebener Fahrzeuge sind mehrere Ziele verbunden. Aus ökologischer Sicht ist ein geringer Ausstoß an gesundheitsschädlichen Abgasen sowie an Kohlenstoffdioxid, welches als Treibhausgas gilt (vgl. [1]), wünschenswert. Zusätzlich besteht aus ökonomischer Sicht der Wunsch, den Kraftstoffverbrauch und damit die Betriebskosten niedrig zu halten (vgl. [2]). Diese Ziele lassen sich durch unterschiedliche Maßnahmen erreichen. Beispielsweise können die Fahrwiderstände und Trägheiten minimiert werden, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Dies gelingt etwa durch Verbesserung der Aerodynamik, Einsatz von Leichtlaufreifen oder Fahrzeugleichtbau (vgl. [3]). Demgegenüber kann durch fortschrittlichere Konstruktion von Verbrennungsmotoren (VMs) die Wirtschaftlichkeit erhöht und durch neue innermotorische Maßnahmen zugleich der Schadstoffausstoß gesenkt werden. Darüber hinaus sind weitere Maßnahmen nötig, weil der Gesetzgeber die Grenzen für Abgasemissionen stetig verschärft.

Der Verbrennungsmotor stellt nach wie vor die Hauptantriebsquelle und damit einen elementaren Bestandteil im Personen- und (Güter-) Transportverkehr dar. Insbesondere die in Summe hohe Leistungsdichte von Antrieb und Energiespeicher macht dieses Antriebssystem besonders attraktiv. Forderungen, wie: „Ab 2030 keine Neufahrzeuge mit Verbrennungsmotoren!“, wären zwar technisch möglich und theoretisch realisierbar, sind im Hinblick auf die anfallenden Kosten für die notwendige Infrastruktur und die Einschränkungen der Individualität sowie Unabhängigkeit im Transportwesen aufgrund geringerer Reichweite nicht nur unwirtschaftlich sondern auch illusorisch. Gerade die bestehende Infrastruktur und die gewährleistete Flexibilität sichern seit Jahrzehnten die herausgehobene Stellung des Verbrennungsmotors als Antriebsquelle. Angeheizt und gefördert werden Attitüden, wie das eben aufgeführte Postulat zum Umbruch, nicht zuletzt durch die Stickstoffdioxid- und Feinstaubbelastung in verkehrsnahen und innerstädtischen Bereichen sowie der Abgasaffäre im Zulassungsprozess.

Mobilität stellt eine der stärksten Triebfedern für wirtschaftliches Wachstum in der heutigen Zeit dar und ist daher mit einer stetigen Zunahme von Kraftfahrzeugen weltweit verbunden. Besonders im asiatischen Raum findet derzeit eine starke Individualisierung des Personenverkehrs statt, die zu einer signifikanten Steigerung der dort zugelassenen Personenkraftwagen führt. Durch zwingend termingerechte Lieferungen zur Optimierung von Produktionsprozessen ist auch im Nutzfahrzeugbereich ein beständiges Wachstum zu beobachten. Der Verbrennungsmotor gilt aufgrund seines hohen Entwicklungsgrades und seiner Robustheit als entscheidender Baustein bei der Entwicklung von Antriebssträngen. Derzeitige Bestrebungen, den Verkehr stärker zu elektrifizieren, scheitern nach wie vor an der mangelnden Energiedichte von verfügbaren Akkumulatoren und der damit verbundenen geringen Reichweite von reinen Elektrofahrzeugen. Die Hybridisierung von Antriebssträngen ist eine Lösung dieser Problematik, auch dort kann jedoch auf Verbrennungsmotoren zur Reichweitenverlängerung nicht verzichtet werden. Das Prinzip der Verbrennungskraftmaschine ist mehr als 150 Jahre alt und beruht auf der Umwandlung von im Kraftstoff gebundener chemischer Energie in mechanische Energie über einen exothermen Oxidationsprozess.

Innerhalb der neuen Reihenmotorenfamilie von Mercedes-Benz ist der innovative 6-Zylindermotor M 256 das erste Otto-Mitglied und löst damit seinen äußerst erfolgreichen Vorgänger, den M 276-Motor – der noch in V-Bauweise konzipiert worden ist – ab. Das zukunftsfähige Konzept dieses Motors besticht durch ein Bündel an technischen Maßnahmen, die in der Summe ihrer Eigenschaften dafür Sorge tragen, einen Motor entwickelt zu haben, der in den Disziplinen Laufruhe, Agilität, Verbrauch, Elektrifizierung und Abgasnachbehandlung neue Maßstäbe setzt.Neben den bekannten Stärken eines 6-Zylinder-Reihenmotors hinsichtlich der Laufkultur ist das Technologieportfolio des M 256-Motors erweitert worden durch eine konsequente Umsetzung eines riemenlosen Motors in Kombination mit einer 48VElektrifizierung mit den Hauptkomponenten Starter-Generator und elektrischer Zusatzverdichter, durch einen variabel geregelten Ölkreislauf, ein intelligentes Wärmemanagement und ein sehr effizientes Abgasnachbehandlungssystem mit integriertem Ottopartikelfilter.Die Integration der elektrischen Bausteine ist dabei ein wichtiger und entscheidender Stellhebel, um einerseits die Verbrauchspotenziale des Motors sehr effizient zu verbessern und andererseits das Ansprechverhalten bzw. die Gesamtperformance des Motors deutlich zu optimieren. Im Ergebnis kann mit einer CO₂-Absenkung von nahezu 20% bei einer Leistungssteigerung um mehr als 15% gegenüber dem Vorgänger V6 ein Sechszylinder dargestellt werden, der sich verbrauchsseitig in Vierzylinderregionen bewegt und sich bzgl. Leistung mit Achtzylindern messen kann.

Der Einsatzbereich von großen Gasmotoren ist heute äußerst vielfältig. Grundsätzlich wird zwischen mobilen und stationären Anwendungen unterschieden. Bei stationären Anwendungen, Schwerpunkt dieser Abhandlung, werden gasbetriebene Verbrennungsmotoren mit einer Leistung von >500 kW heute vor allem zur dezentralen Energieversorgung (Strom oder Strom-Wärmekopplung, Bild 1) und zum Antrieb von Kompressoren bei der Förderung und Verteilung von Gas eingesetzt (Verdichterantriebe) [1].

Die Technify Motors GmbH, als rechtlicher Nachfolger der Thielert Aircraft Engines, ist ein Herstell- und Entwicklungsbetrieb nach EASA Part 21. Somit kann die Technify Motors GmbH Komponenten für die allgemeine Luftfahrt entwickeln, produzieren und als zugelassene Bauteile in den Markt bringen. Seit der Übernahme durch die AVIC (Aviation Industry Corporation of China) im Jahr 2013 wird die Technify Motors GmbH, die US Amerikanischen Schwesterfirma Continental Motors Inc. (CMI) sowie die chinesischen Niederlassung Continental Motors Beijing (CMB) in der Continental Motors Group Ltd. zusammengeführt. Die Produkte werden unter dem einheitlichen Markennamen Continental Diesel vermarket.

Dieser Beitrag ist Herrn Professor Zellbeck gewidmet als Dank dafür, dass er sich stets gegenüber anderen Wissenschaften und interdisziplinärer Forschung offen gezeigt hat. Dabei hat er mir selbst Wege eröffnet, die mich zu Sprachdaten und Probanden führten, um meinem Interesse für die Fach- und Wissenschaftssprache der Ingenieure – insbesondere im Kontext des Studiums – wissenschaftlich nachgehen zu können. Im Folgenden soll zunächst die Rolle des schulischen Sprachunterrichts in Bezug auf die späteren Anforderungen in Studium und Wissenschaft diskutiert werden. Anschließend werden ausgewählte Merkmale ingenieurwissenschaftlicher Texte anhand von Beispielen vorgestellt. Dabei ist es nicht möglich (und wahrscheinlich auch nicht im Interesse der Leser dieser Festschrift), an jeder Stelle in die Tiefe der Materie einzudringen; vielmehr versteht sich dieser Beitrag als allgemeinverständliche „Notiz am Rande“, die aber auch aufzeigen soll, in welcher Weise sich Ingenieur- und Geisteswissenschaften durchaus befruchten können.