Technische Grundlagen des Verbrennungsmotors - Zusammenfassung PDF

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Technische Grundlagen des Verbrennungsmotors - Zusammenfassung...

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Zusammenfassung Technische Grundlagen des Verbrennungsmotors Kap 3 (Anwendungen) 1. Nennen Sie 4 Anwendungsfälle für Verbrennungsmotoren  Motorräder  PKW Ottomotor  Rasenmäher  Baumaschinen 2. Nennen Sie je zwei typische Anwendungen für 2-Takt und 4-Takt Motoren 2-Takt-Motoren  Kettensäge  Laubblasgeräte 4-Takt-Motoren  

PKW-Ottomotor Boote

Kap 4 (Gesetz, Kraftstoffe) 3. Welcher Zyklus wird aktuell für die Emissionsmessung von Pkw verwendet  Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ) 4. Welcher Zyklus wird ab dem Jahr 2017 verwendet?  Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Procedure (WLTP) 5. Einige Unterscheidungsmerkmale der beiden Zyklen  Zeit (von 20min auf 30min)  Zykluslänge (von 11km auf 23km)  Geschwindigkeit (von mittel 34km/h auf 47km/h; max 120km/h auf 131km/h)  Standzeit (von 13% auf 25%)  Antriebsleistung (von mittel 7kW auf mittel 4kW)  Einfluss der Sonderausstattung und Klimatisierung (bisher nicht berücksichtigt, nun wird die Sonderausstattung berücksichtigt) 6. Warum soll ein neuer Zyklus eingeführt werden?  Der alte Zyklus konnte keine „wirklich“ verwendbare Information (Bsp. Verbrauch und Emission) geben  Beim NEFZ war zu viel Spielraum, Bsp. wurde immer das Auto einer Serie gewählt welches dir geringste Ausstattung hatte (somit das geringste Gewicht)  Der neue WLTP Zyklus soll dem Verbraucher einen realistischen Verbrauch sowie wie die entstehenden Emissionen geben ohne, das große Modifikationen am Testfahrzeug gemacht werden können 7. Ordnen Sie aufsteigend nach der Klopffestigkeit: Alkane, Alkene, Naphtene, Benzole  1. Alkane Ermittlung über Druck (𝑝𝑚𝑖 ) etc. 𝑃𝑖 = 𝑖 ∗ 𝑛 ∗ 𝑝𝑚𝑖 ∗ 𝑉ℎ ∗ 𝑍  effektive Werte an der Kurbelwelle ->Ermittlung über Drehmoment und Drehzahl 𝑃𝑒 = 𝑀 ∗ 2 ∗ 𝜋 ∗ 𝑛 20. Was ist der indizierte Mitteldruck? Wie wird er bestimmt?  Der indizierte Mitteldruck 𝑝𝑚𝑖 entspricht der indizierten Arbeit, bezogen auf das Hubvolumen 

𝑝𝑚𝑖 =

𝑊𝐾 𝑉ℎ

(𝑊𝐾 = 𝐴𝑟𝑏𝑒𝑖𝑡 𝐾𝑜𝑙𝑏𝑒𝑛; 𝑉ℎ = 𝐻𝑢𝑏𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑛)

21. Was beschreibt das Luftverhältnis Lambda?  Das Luftverhältnis gibt das Verhältnis zwischen der der Verbrennung zugeführten und der theoretisch für eine stöchiometrische Verbrennung benötigten Luftmasse an.

Kap 6 (Bauarten) 22. Beschriftung einer Motorschnittskizze (Bauteile)

23. Was bedeutet Reihen-, V-, W-, Boxer-, Sternmotor?

Reihenmotor -> Zylinderanordnung in einer Reihe V-Motor -> Zylinder sind in einem „V“ angeordnet W-Motor -> Zylinder sind in einem „W“ angeordnet, siehe Skizze Boxermotor-> Zylinder laufen horizontal (Skizze) Sternmotor-> Anordnung der Zylinder in der Sternform

24. Was ist der Unterschied zwischen einem 180°-V-Motor und einem Boxermotor?  Die Pleuel gegenüberliegender Kolben sind beim 180°-V-Motor an derselben Kröpfung angelenkt, beim Boxermotor an zwei um 180° versetzten Kröpfungen.  Bei einem 180°-V-Motor bewegen sich jeweils zwei gegenüberliegende Kolben im Motor immer gleichzeitig nach links oder rechts, die Massenkräfte addieren sich  Beim Boxermotor bewegen sie sich stets aufeinander zu oder voneinander weg, die Massenkräfte heben sich auf

25. Warum hat eine 4-Zylinder-Kurbelwelle eine 180°Kröpfung und eine 6-Zylinder-Kurbelwelle eine 120°-Kröpfung?  Man möchte einen möglichst gleichen Zündabstand erreichen, sowie diese über die Kurbelwelle verteilt damit die Torsion und Drehschwingungen möglichst gering gehalten werden  Zündabstand 4-Zylinder: 720° / 4 = 180° (Kurbelwelle mit 180° Kröpfung)  Zündabstand 6 Zylinder: 720° / 6 = 120° (Kurbelwelle mit 120° Kröpfung) 26. Welche Kröpfung gibt es bei einer Kurbelwelle eines V8-Motors? Welche Unterschiede ergeben sich daraus?  720° / 8 = 90° Kröpfung an der Kurbelwelle  Unterschied: Crossplane (90° Kröpfung), Flatplane (180° Kröpfung)  Ruhiger Lauf Crossplane + V8 Brabbeln, unruhiger Lauf bei Flatplane + V8 Kreischen 27. Wodurch resultieren unterschiedliche Geräusche?  Unterschiedliche Zündungen über die Zylinderbänke hinweg 28. Nennen Sie einen Motor, der keine freien Massenkräfte und Massenmoment aufweist.  6-Zylinder Reihenmotor mit 120° Kröpfung ist vollständig ausgeglichen! 29. Bei W-Motoren schneiden sich die Zylinderachsen meist nicht in der Kurbelwellenachse. Zu welcher kinematischen „Besonderheit“ führt das?  Durch Schränken laufen Mittelachsen der Zylinder nicht mehr durch die Kurbelwellenmitte    

Kolbenhub Kompression = 186° Kolbenhub Expansion = 174° Weg von OT nach UT und von UT nach OT unterschiedlich Bankwinkel + Kröpfung entspricht nicht dem OT-Versatz

30. Warum verwenden die meisten Hersteller ab 6 Zylinder die V-Bauweise?  V-Motoren können deutlich kürzer gebaut werden, somit bei 6 Zylindern noch Quereinbau möglich (sind zudem auch noch etwas niedriger) 31. Wozu werden Ausgleichswellen verwendet, wieso drehen diese doppelt so schnell?  Ein gegenläufig mit Kurbelwellendrehzahl rotierendes Wellenpaar zum Ausgleich der oszillierenden Massenkräfte 1. Ordnung  Ein gegenläufig mit doppelter Kurbelwellendrehzahl rotierendes Wellenpaar zum Ausgleich der oszillierenden Massenkräfte 2. Ordnung 32. Unterschied Open-Deck und Closed-Deck  Wasserkanäle sind bei der Draufsicht auf das Kurbelgehäuse beim Open Deck sichtbar und beim Closed-Deck nicht.

Kap 7 (Bauteile und Ventiltrieb) 33. Was ist ein Kreuzkopf? Wozu dient er?   

wird bei Großmotoren (z.B. Schiffsdiesel) eingesetzt großes Hub-/Bohrungsverhältnis macht ihn nötig (Pendelbewegung sonst zu groß) nimmt Querkräfte auf

34. Vor- und Nachteile von Open-Deck Kurbelgehäuse (Wasserkanäle sichtbar) zu Closed-Deck (Wasserkanäle nicht sichtbar)

Open-Deck + bessere Kühlung im OT-Bereich + leichter zu Gießen

Closed-Deck + höhere Steifigkeit im OT-Bereich für höhere Belastung geeignet (weniger Verzug im OT-Bereich) - aufwändige Kerne beim Gießen

35. Vor-und Nachteile von Stahl- zu Aluminiumkolben Aluminium + günstig + lange Standzeit der Werkzeuge - starke Wärmeausdehnung - geringere Festigkeit -höherer Verbrauch

Stahl + höhere Festigkeit + geringere Wärmeleitung (weniger Wärmeverluste) + geringere Wärmeausdehnung (weniger Reibung im heißen Zustand) geringeres Spiel und kleinerer Feuersteg (weniger HC-Emissionen) + höhere Spitzendrücke + höhere Temperaturen (bessere Zündung und schnellere Verbrennung) + geringere Bauhöhe (weniger Querkräfte/Reibung)  3 %weniger Verbrauch - teurer - geringere Standzeit der Werkzeuge

36. Wie kann man mit einem Vollvariablen Ventiltrieb in der Teillast den Verbrauch reduzieren. Antwort anhand einer Skizze eines p-V-Diagramms. vollvariable Ventilsteuerung ermöglicht eine Reduktion der Ladungswechselverluste im Teillastbereich durch kürzere Öffnungszeiten der Einlassventile Einlassdauer lässt sich für verschiedene Betriebspunkte im Teillastbereich individuell einstellen

37. Was ist ein Phasensteller? Wozu dient er?

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ein Phasensteller ändert den Zeitpunkt der Ventilöffnung/des Schließens der Ventile es lässt sich nur der Zeitpunkt nach vorne/hinten verschieben, aber nicht die Ventilöffnungsdauer verändern

38. Wie wird bei einem Auslassventil die Hauptmenge der eingetragenen Wärme wieder abgeführt?  Hauptmenge der eingetragenen Wärmemenge wird durch Wärmestrom von Ventilteller zum Ventilsitz abgeführt

39. Wozu dient das Schwungrad? Welche Vorteile ergeben sich daraus?      

Reduzierung der Drehzahlschwankungen durch Erhöhung der Schwungmasse Zahnradkranz für Anlasser weitere Vorteile ZMS: geringere Leerlaufdrehzahlen und untertouriges Fahren möglich (weniger Verbrauch) höherer Geräuschkomfort durch optimale Schwingungsentkopplung Lastwechselruck wird gedämpft

40. Augleichswellen erklären: Wozu, wieso drehen sie sich doppelt so schnell wie Kurbelwelle, warum benötigt man 2 Ausgleichswellen?

Kap 8 (Zündsysteme) 41. Was sind die grundlegenden Begriffe einer Otto-motorischen Zündung im Unterschied zur Dieselmotorischen Zündung? Fremdzündung – Selbstzündung Äußere Gemischbildung (Otto)- Innere Gemischbildung (Diesel) (klassische Betrachtungsweise) 

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Zündung / Ignition: o Verbrennungsstart o Elektrostatische Entladung o Start eines Funkenüberschlages Temperaturanstieg im Funken Entflammung o Wesentlicher Grundstein zyklischer Schwankungen o Lokales Lambda 1 erforderlich o Stochastik zur Beschreibung der Vorgänge o Sinnvolle (willkürliche) Festsetzung = bis 5% Zeitpunkt Umgesetzte Masse als Grenze der Entflammung Flammenkern-Ausbildung o 5% (freie Definition) Umsetzung o Basisreaktionen für den Start der Chemie o Basis für den Start einer Verbrennung Flammenfront-Ausbreitung o Temperaturleitung als wesentlicher Faktor o Diffusion als Transportprozess o Flammenfrontgeschwindigkeit (laminar & turbulent) Verbrennung / Durchbrand o Die Basis wird mit der Zündung gelegt o Einfluss der Ladungsbewegung, Gemisch, Temperaturen... o Quenching an der Brennraumwand

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Wand-Wärmeübergang

Flamme: Wenn der Diffusionsprozess Moleküle in eine Zone bringt, die selbst nicht entflammen würden, sie aber durch Wärme und Radikale (in relevanten Zeiten) reagieren  Eine lokale Selbstzündung kann eine Entflammung hervorrufen Zündwinkel α_z: Zeitpunkt des elektrischen Durchschlages (Bildung des Funkens) an der Zündkerze in °KW vor OT Brennverzug: Zeit zwischen Zündung und dem messbaren Druckanstieg / der Umsetzung (5%) in °KW oder ms Brenndauer: Zeit zwischen Bildung des Funkens und Ende der Verbrennung Effektive Brenndauer: Zeit zwischen messbarem Druckanstieg und Ende der Verbrennung in °KW oder ms Zünddruck(Otto) = Druck, der als Ergebnis der Zündung erzeugt wird, beim Diesel als Spitzendruck bezeichnet Druck zum Zündzeitpunkt = Druck des Gemisches im Zündkerzenspalt zum Zeitpunkt der Zündung Zündverzug = Zeit zwischen Bereitstellung des entflammbaren Gemisches und dem Auftreten der Selbstzündung; ist abhängig von Brennraumdruck, -temperatur und Kraftstoffim Wesentlichen ein Dieselthema, der Zeitraum zwischen der Funkenzündung und der Entflammung ist klein gegen motorische Zeiträume Zündverzug ≠ Brennverzug

42. Welche charakteristischen Größen beschreiben den Ablauf einer Funkenzündung auf Basis einer Zündspule?  Ladephase mit zunehmendem Strom auf der Primärseite  Induzierter Spannungspuls ausgelöst durch Schaltvorgang ist auf der Primärseite sicht-und messbar (rote Kurve) auf der Sekundärseite (grüne Kurve) gemäß dem Windungsverhältnis der Zündspule übersetzt.  Stromsignal auf der Sekundärseite entspricht bei grober Auflösung eine dreieckförmigen Abfall des Stromes bis die Spule energetisch entleert ist

43. Wie bestimmt sich die Energie einer Funkenzündung, wenn eine Zündspule zum Einsatz kommt?

44. Welche Komponenten gehören zu einem induktiven Zündsystem?  Zündspule mit Primär-und Sekundärseite  Parasitäre Widerstände der Zündspule  Schalter / Transistor, um den Ladestrom zu und abzuschalten (wird analog zu früherem Aufbau oft Unterbrecher genannt)  Freilaufdiode  Entstörwiderstand (im Kabel oder in der Spule oder in der Zündkerze) 

Zündkerze

45. Was sind die wesentlichen Komponenten eine Zündkerze?

46. Was sind die wesentlichen Komponenten einer Zündspule?   

Spule Unterbrecher Verteilung



Kabel

47. Was verstehen wir unter der Funkenlage und der Funkenstrecke?

48. Was verstehen wir unter dem Wärmewert wird und wie kann er beeinflusst werden?     

Aufnahme von Wärme aus dem Brennraum Vermeidung der GlühzündungT_ZK< 850 -900°C ca. 20% Kühlung durch vorbeiströmendes frisches Gemisch Wesentliche Beeinflussung durch Geometrie Virtuelle Einheit Wärmewert

49. Welche Möglichkeiten zur Verlängerung der Funkenbrenndauer einer induktiven Zündung kennen Sie?  

Multispark-Zündung Doppelspulen-Zündung

50. Was ist das Grundprinzip einer Doppelspulen-Zündung und was unterscheidet sie von der so genannten Multispark(R)-Zündung? Doppelspulen-zündung:  zwei konventionelle, parallel geschaltete Zündspülen  primärseitig beide Spulen miteinander verbunden  Eine Spule wird entladen, während die andere geladen wird  Hochspannungselektroden für ein Umschalten zwischen den Zündspulen

Multispark-Zündung:  Multi-Spark oder MSI nutzt die verbaute Spule mehrfach durch gesteuertes Nachladen und wieder -zünden  Vorteile:  Die Zündfunken nutzen bei Wieder-Zündung vorhandene Ionen als Kanal  Die Spule braucht nicht sehr groß zu sein (z.B. 50mJ), damit sie eine kurze Ladezeithat (600μs)geringes Gewicht  Die Brenndauer kann sehr lang eingestellt werden  Nachteile:  Die Auslegung der Spule  

erlaubt keine großen Leistungen um z.B. hohe Ströme bereitstellen zu können In der Zeit der Brenndauer kann nicht geladen werden und umgekehrt

51. Worauf basiert das Zünd-Prinzip einer Koronazündungund was sind beispielhafte Vorteile?

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deutlich schnellere Zündung(ca.5°KW bei 2000 U/min)schnellere VerbrennungWirkungsgradsteigerung

Kap 9 (Kraftstoffsystem) 52. Welches sind die physikalischen Hauptvorgänge der Gemischbildung?   

Gemischaufbereitung (Zerstäubung, Verdampfung und Vermischung) Gemischdosierung Gemischtransport

53. Wodurch unterscheiden sich äußere und innere Gemischbildung beim Ottomotor?  

äußerer Gemischbildung: Leistungsregelung durch Änderung der Gemischmengemit Drosselorganen innere Gemischbildung(Direkteinspritzung im Schichtbetrieb): Führung von Gemisch, Luft und Abgas, so dass die Verbrennung räumlich begrenzt um die Zündkerze abläuft

54. In welche Gemischbildungsverfahren kann grundsätzlich unterschieden werden und wie sind diese charakterisiert (Vergaser, SRE,DE)? 

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Vergaser: o äußere Gemischbildung o einfacher Aufbau o Ansaugen von Kraftstoff durch Druckverringerung in Lufttrichter(Venturi-Rohr) Saugrohreinspritzung: o Äußere Gemischbildung (im Ansaugrohr) o Quantitätsregelung o Diskontinuierlich (früher auch kontinuierlich) o Kennfeldgeregelt (heute) o mechanisch oder elektromagnetisch gesteuert o als SPI (single-point injection) vor Drosselklappe oder MPI (multi-point-injection) hinter Drosselklappe angeordnet o MPI ist Stand der Technik Direkteinspritzung: o Innere Gemischbildung: Hochdruck-Einspritzventile direkt im Brennraum o Kennfeldgeregelt o Ausschließlich als Common Rail-System (bei Otto), Diesel auch Pumpe-Düse oder Reiheneinspritzpumpe o Stand der Technik: p_Rail bis 200 bar(Otto) und 2000-2500 bar (Diesel) o Tropfenzerfall im Strahl aufgrund von Turbulenz und Massenträgheitskräften o Direkte Anbindung an Motorsteuerung bietet hohe Flexibilität bei der Anpassung der Einspritzung an den Motorbetriebspunkt o Durch späte Einspritzung Schichtbrennverfahren realisierbar (Otto) Vorkammer/Wirbelkammer (Diesel bei älteren Motoren)

55. Was sind die Grundkomponente eines Vergasers und welche Zusatzfunktionen können von mechanischen Vergasern abgebildet werden?

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Zusatzfunktionen: o Volllastanreicherung durch zusätzliches Anreicherungsrohr mit kalibrierter Kraftstoffdüse o Kaltstart, niedrige Temperaturen: Starteinrichtung mit automatisch betätigter Starterklappe. Diese wird über Bimetallfeder im Warmlauf geschlossen Verschiedene Vergasertypen entsprechend den jeweiligen Anforderungen z.B. : o Doppel-Registervergaser o elektronisch geregelter Vergaser (für Katalysator)

56. Was sind die Vorteile von BDE gegenüber SRE und welche Anforderungen werden bei BDE an die Gemischbildung gestellt ? 

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Vorteile der Direkteinspritzung gegenüber der Saugrohreinspritzung: o Weniger Kraftstoffverbrauch, vor allem durch weniger Ladungswechselverluste (Schichtbrennverfahren bzw. homogenes Brennverfahren mit variablem Ventiltrieb) o Geringere Klopfempfindlichkeit durch Kühleffekt, da direkte Kraftstoffeinspritzung in den Brennraum: dadurch höhere Verdichtung möglichKraftstoffverbrauchsvorteil o Absenkung der Motorrohemissionen o Bessere Füllung (hauptsächlich bei Volllast) o Mehrfacheinspritzung möglich Bei der Benzindirekteinspritzung handelt es sich um eine innere Gemischbildung Grundlage für eine gute Gemischbildung: Zerstäubung und schnelle Verdampfung des KraftstoffesKleine Tropfendurchmesser Kleine Tropfen ergeben sich bei: o kleinen Düsenlochdurchmessern o großer Austrittsgeschwindigkeit (hoher Einspritzdruck) o großer Luftdichte (hohes Verdichtungsverhältnis oder Aufladung) o geringer Zähigkeit des Kraftstoffes o geringer Oberflächenspannung des Kraftstoffes

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Zusätzliche Luftbewegungen (Drall, Tumble) im BrennraumErhöhung der Relativgeschwindigkeit gegenüber Einspritzstrahl positiv für Zerstäubung

57. Welche Düsentypen stehen für BDE zur Auswahl ?

58. Welche Verfahren zur Druckerzeugung werden bei dieselmotorischer DE eingesetzt und wie sind diese charakterisiert?

59. Welches Druckerzeugungsverfahren ist am flexibelsten? Commo-Rail 60. Wie können Injektoren für dieselmotorische DE klassifiziert werden und welche Düsenarten kommen zum Einsatz ?

61. Wie wird der Kraftstoff herausgesaugt(Vergaser)? Es herrscht in der Kraftstoffkammer sowie vor dem Luftrohr Umgebungsdruck. Durch Querschnittsverengung gibt es im Bereich des Zerstäuberrohrs allerdings eine Änderung des statischen Drucks (Bernoulli-Gleichung). Der Unterdruck zieht den Kraftstoff heraus.

Kap 10 (Luftsystem) 62. Wie beeinflusst die Ventilsteuerzeit „Einlass schließt Es“ den Drehmomentverlauf in Abhängigkeit von der Drehzahl? Bitte graphisch darstellen.  Ein frühes Schließen des Einlassventils führt zu einem höheren Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen (höher Füllungsgrad, da Frischluft nicht nach UT wieder ausgestoßen wird). Ein spätes Schließen führt zu hohem Drehmoment bei hohen Drehzahlen und somit auch höheren Nennleistungen (durch Trägheit der Luft wird sie auch nach UT noch in den Brennraum gedrückt).

63. Welche Messtechnik wird für die Bestimmung des Luftmassenstroms eingesetzt? Bitte Prinzip kurz beschreiben!  Hitzdraht-Luftmassen-Messer: zwei Widerstandsdrähte (Sensoren), die in einem Bypass einer Venturi-Düse von der angesaugten Luft umströmt werden. Heißdrahtsensorelement wird auf eine Temperatur von 200°C oberhalb der vom kalten Sensor-Element gemessenen Umgebungstemperatur beheizt. Das heiße Sensor-Element wird von der vorbei streichenden Luft abgekühlt. Der Strom, der benötigt wird, um die Temperatur des heißen Sensor-Elements auf 200°C zu halten, ist proportional zur Masse der umströmenden Luftmenge. Der HitzdrahtLuftmassen-Messer sendet ein analoges Spannungssignal an die Motorsteuerung, proportional der angesaugten Luftmasse. Anm: Es wird im Skript auch noch auf die Heißfilm-Luftmassenmessung eingegangen, aber soweit ich das verstanden habe ist das Prinzip gleich (außer dass anstatt der Drähte zwei Metallfilme benutzt werden).

64. Welche Funktion hat die Drosselklappe im Ansaugrohr bei Ottomotoren?  Regeln der einströmenden Luftmasse und somit auch der Last (λ bleibt konstant, somit weniger Gemisch --> Quantitätsregelung).

65. Bitte das Prinzip des Schaltsaugrohrs an Hand einer Skizze beschreiben!  Schaltsaugrohr ermöglicht zwei verschieden lange Gaswege: - kurz für hohe Drehzahlen (Klappe geöffnet) - lang für niedrige Drehzahlen (Klappe geschlossen) --> Hoher Füllungsgrad auch bei niedrigen Drehzahlen durch größere Luftsäule.

66. Wozu dient die Aufladung?  

Größere Luftmasse bei gleichem Hubraum (Liefergrad, Luftdichte erhöht) -> mehr Gemisch -> höherer effektiver Mitteldruck (pme) -> mehr Leistung in Kombination mit Downsizing & Downspeeding --> Verbrauchseinsparungen (Lastpunktanhebung, Entdrosselung, weniger Reibverluste, tendentiell weniger Motorgewicht)

67. Zählen Sie bitte die Vor- und Nachteile einer mechanischen und e...