Die erneuerte 4- Zylindermotorengruppe für das Toyota Hybridsystem. Tobias Abraham & Tomasz Köhn 1

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1 Die erneuerte 4- Zylindermotorengruppe für das Toyota Hybridsystem 1

2 Inhalt 1. Einleitung 2. Toyota Hybrid System 3. Motorenverbesserung für THS 4. Modifikationen und dessen Vorteile a. Atkinson Zyklus b. VVT-i-System c. AGR-System 5. Elektrische Wasserpumpe a. Anpassung des Kühlsystems b. Auslegung EWP c. Vergleich mit dem Vorgänger d. Ergebnisse EWP und Wärmerückgewinnung 6. Modifizierung des Verbrennungsmotors 2

3 Einleitung 1997 Einführung des Toyota Hybrid Systems Ziel: Senkung der CO2-Emmission und des Kraftstoffverbrauschs Prius 1 ( ) Otto 43 kw (58 PS) + E-Motor 30 kw (40 PS) Prius 2 ( ) Otto 58 kw (79 PS) + E-Motor 50 kw (68 PS) Prius 3 (seit 2009) Otto 73 kw (99 PS) + E-Motor 60 kw (82 PS) 3

4 Toyota Hybrid System (THS) CO2-Emission um ca. 50 % gesenkt Wirkungsgradverbesserung der Motoren Rein elektrischer Fahrbetrieb Start-Stopp- Automatik Bremsenergierückgewinnung 4

5 Toyota Hybrid System (THS) 5

6 Motorenverbesserung für THS Motorenmuster: 1NZ-FXE 2. Priusgeneration ( ) 2ZR-FXE 3. Priusgeneration (seit 2009) 6

7 Motorenverbesserung für THS Motorenwirkungsgrad von 38,5 % ca. 90% der Motorenteile sind identisch mit den Basismotoren ohne Hybrid Fertigung auf gleicher Produktionslinie möglich mehr Flexibilität 7

8 Modifikationen und dessen Vorteile Atkinson Zyklus = intelligente Steuerung des Einlassventils Einlassventile schließen später Verdichtungstakt beginnt nicht im UT sonder später Vorteile: + bessere Bestimmung des Füllgrades + Reduzierung der Pumpenverluste + Unterschiedliche Werte für Kompressions- und Expansionsverhältnis + geringer Kraftstoffbedarf Nachteile: - niedrige maximal Drehzahl - im unterem Drehzahlbereich, geringes Drehmoment 8

9 Modifikationen und dessen Vorteile VVT-i-System = adaptive intelligente Ventilsteuerung je nach Betriebszustand wird die Ventilerhebungskurve verschoben führt zu einer Positionsverschiebung der Einlassnockenwelle Drehmomenterhöhung im unterem und mittlerem Drehzahlbereich Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission 9

10 Modifikationen und dessen Vorteile AGR-System: Abgasrückführung Emissionsminderung von Stickoxiden (NOx) Verbesserung der Kraftstoffausnutzung in allen Drehzahlbereichen 10

11 Modifikationen und dessen Vorteile AGR-Ventil: - durch gezielte Anordnung werden Zuleitungen verkürzt kurze Regelstrecke - stabile Verbrennung mit Anteilen von über 20% Abgas möglich 11

12 Modifikationen und dessen Vorteile! Effizienzsteigerung durch gegenseitige Kontrolle von AGR und Öffnungswinkel d. Einlassventils! Teillast Volllast 12

13 Elektrische Wasserpumpe Verbrauchsoptimierung durch EWP (Elektrische Wasserpumpe) : - Konventionelle Wasserpumpe ist an Motordrehzahl gekoppelt Förderleistung ist Lastunabhängig höherer mechanischer Widerstand durch unnötig großen Volumenstrom an Kühlwasser - EWP regelt Kühlwasser bedarfsgerecht Stator S/A Ständer Impellar Antriebsrad Center shaft Zentralwelle 13

14 Anpassung des Kühlsystems 14

15 Anpassung des Kühlsystems Einsatz AGR Kühler -Kühlung der Abgase um Dichte zu erhöhen bessere Verbrennung zu ermöglichen (bessere Füllung) -Nutzung der Wärme aus AGR-Kühler Motor erreicht schneller die Betriebstemperatur effizientere Verbrennung (wichtig da der Motor nicht dauerhaft im Betrieb ist) -Thermostat regelt den Zulauf warmen Kühlwassers und den Zulauf kalten Kühlwassers um optimale Temperatur einzuhalten 15

16 Anpassung des Kühlsystems Wärmerückgewinnung aus der Auspuffanlage -Heiße Abgase geben Wärme an Kühlkreislauf ab - dadurch erreicht Motor schnell Betriebstemperatur -Leistung und Ansprechverhalten der Innenraumheizung wird verbessert 16

17 Auslegung der EWP -Förderleistung wird bedarfsgerecht Konventionelle Wasserpumpe fördert bis zu 160l/min maximaler Bedarf bei 80l/min -EWP arbeitet unabhängig vom Verbrennungsmotor Pumpe auf max. Förderleistung ausgelegt Senkung des Mechanischen Widerstandes damit Senkung des Verbrauchs 17

18 Ergebnis der Auslegung Geringere Anforderungen an Förderleistung deutliche Verringerung des Bauraums (90%) Max. Förderleistung 80l/min Deutliche Senkung des Mechanischen und Hydromechanischen Widerstandes bei hohen Drehzahlen 18

19 Vergleich mit Vorgänger EWP 19

20 Resultierende Kraftstoffersparnis 20

21 Ergebnis EWP u. Wärmerückgewinnung Effizienz des Systems bei -5 C 10% Verbesserung durch neue EWP 9% durch Wärmerückgewinnung um 19% verbesserte Kraftstoffausnutzung 21

22 Vorteile der EWP und Wärmerückgewinnung auf einen Blick -geringerer mechanischer Widerstand: kein Riemen, keine Gleitringdichtung - effizienter Betrieb: geringer Kühlwasser Volumenstrom durch bedarfsgerechte Regelung -Verbesserung der Innenraumheizung -Verbrauchsoptimierung: Kühlwasser Volumenstrom wird je nach Temperatur und Belastung des Motors eingestellt geringere Leistungsaufnahme der Pumpe - Größe der EWP konnte verringert werden -Schnelles Erwärmen des Motors: Kühlwasservolumenstrom verkleinert + mehrere Wärmerückgewinnungen im System schnelles Erreichen und Halten der Betriebstemperatur 22

23 Modifizierung des Verbrennungsmotors Vorgänger 1,5l - Neues Modell 1,8l Hubraum 1,8l Motor benötigt weniger Drehzahl um bei hohen Geschwindigkeiten das gleiche Drehmoment zu liefern dadurch erhöht sich der Bereich des Guten Spez. Kraftstoffverbrauchs (lila Bereich) Bereich kann sogar verbessert werden (dunkel Lila = 218g/kWh 23

24 Verbesserung des therm. Wirkungsgrades Mehr Hubraum u. geringere Drehzahl bei gleicher Leistungsabgabe! Senkung des mechanischen Widerstanden im Gegensatz zur 1,5l Variante 73kw ausreichen für Mittelklasse 24

25 Modifizierung in Zahlen 25

26 Modifizierung in Zahlen Motor mit mehr Hubraum und verbesserte Ventilsteuerung Deutliche Verbesserung der Fahrleistungen 20% mehr Drehmoment 28% mehr Leistung (bei gleicher Drehzahl) 26

27 Fragen??? Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 27