Zukünftiges Downsizing bei Ottomotoren- Potentiale und Grenzen von 2- und 3-Zylinder Konzepten. Taichang Xie Gerd Knaack Nicolas Braatz

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1 Zukünftiges Downsizing bei Ottomotoren- Potentiale und Grenzen von 2- und 3-Zylinder Konzepten Taichang Xie Gerd Knaack Nicolas Braatz

2 Inhalt Kurzfassung Einleitung Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion Weitergehende Maßnahmen zur Verbrauchsreduktion Zusammenfassung

3 Kurzfassung Kurzfassung Einleitung Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion

4 Kurzfassung CO2-Emissionen absenkung 4-3-2Zylindermotoren Fahrleistungen analysieren Die maximal darstellbare Motorleistung

5 Einleitung Kurzfassung Einleitung Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion

6 Einleitung Knappe der fossilen Energieressourcen Erdklimas Ab 2008 EU-Kommission beschließen 95 pro g/km CO2 überschritten Jahr 2008 in Deutschland alle OttoM. Überschritten.

7 Einleitung Deutschland CO2-emission von 2008 Fahrzeuge mit Ottomotor.

8 Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2- Reduktion Kurzfassung Einleitung Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion

9 Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion Lastpunktverschiebung: konstanter Fahrleistungsanforderung, preiswert, Mitteldruckes des Motors untersucht. Als Basis Kleinwagenklasse mit 3-Zylinder-Ottomotor

10 Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion Als Basis Kleinwagenklasse mit 3-Zylinder- Ottomotor: Schwungmassenklasse 1130 kg Höchstgeschwindigkeit 155 km/h 3-Zylinder-Ottomotor, VH=1,1 l, freisaugend, Nennleistung 44 KW Verdichtungsverhältnis (ε) = 11, Kraftstoff ROZ95 2 Ventile pro Zylinder keine Variabilitäten auf der Saug- und Abgasseite Getriebe 5-Gang Handschalter

11 Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion NEDC mit GT-Drive

12 Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion Beschleunigungsphasen besten spezifischen Kraftstoffverbrauches betreiben. CO2-Emission von 125 g/km Hubvolumen schrittweise verringern Aufladung adaptiert Klopfneigung des Motors angepassen Reibmitteldruck erhört Wirkt Kraftstoffverbrauchserhöhen

13 Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion 0,8 l Optimum Downsizingeffekt

14 Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion auf 1,0l verkleinern

15 Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion Nachteile geringeren Downsizinggrad zu 0,8l nur 4% CO2-Reduktion mögliche 2-Zylindervariante CO2-Vorteil von ca. 5,6%, unabhängig vom Hubvolumen.

16 2.2 Thermodynamische Kenngrößen Einzelzylinderhubvolumen 267cm³ 0,8l 3-Zylinder als 2-Zylinder 400 cm³ ( bei vielen Motoren üblich ) Langhubig hoher indizierter Wirkungsgrad s/d-verhältniss ca. 1,1-1,2 (langer Hub) 0,9-1,0 (kurzer Hub) Steigerung des Wirkungsgrades um 1-1,5 % bei langem Hub

17 Thermodynamische Kenngrößen

18 Thermodynamische Kenngrößen HC-Emission große Einzelzylinderhubvolumina vorteilig 500cm³ 1,0l 2-Zylinder 267cm³ 0,8l 3-Zylinder Erhöhung von 100% (im Mittel)

19 Thermodynamische Kenngrößen

20 Thermodynamische Kenngrößen Wegen Packageanforderung im Brennraum, größere Bohrung bevorzugen (s/d sinkt) größere Ventile möglich großes Verhältniss s/d besseres Oberflächen-/Volumenverhältnis Größere Ventile A/V-Verhältniss

21 Thermodynamische Kenngrößen

22 Bewertung der Aufladung zur Kompensation der Fahrleistung Stationär Vorteil: rel. Niedrige spez. Leistung von 55KW/l, kleine Turbine ausreichend Nennleistung bereits bei /min max. Motordrehzahl auf /min begrenzt Getriebeübersetzung in oberen Gängen um bis zu 20 % länger auslegbar

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24 Bewertung der Aufladung zur Kompensation der Fahrleistung Dynamisch Nachteil des hubraumkleinen, aufgeladenen Ottomotors Ansprechverhalten des Turboladers im unteren Durchsatzbereich positver Lastwechsel

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26 Konstruktive Merkmale Konstruktion kleinvolumiger Motoren mit hoher spez. Leistung anspruchsvoller höhere Aufmerksamkeit auf Gestaltung des Brennraums und Ventile wegen Thermodynamik und Robustheit nicht alle Bauteile lassen sich mit dem Bohrungsdurchmesser verkleinern rel. Fertigungstoleranzen steigen, Genauigkeit nicht beliebig erhöhbar Kleinen Motoren müssen aber günstig sein (wichtiges Kaufkriterium der Endkunden)

27 Konstruktive Merkmale Motorbauraum: 2-Zyl.Reihenmotor in Motorlängsrichtung vorteilig Motorhöhe: 3-Zyl. günstiger kürzerer Hub & Pleuel Blöckhöhe bisschen geringer

28 Konstruktive Merkmale

29 Konstruktive Merkmale

30 2.5 Akustische Aspekte Untersuchung von Geräusch und Schwingunspegeln Vergleich mit 1,1 l 3-Zylinderbasismotor mit Ausgleichswelle 1,0 l Saugmotor keine großen Unterschiede zum Basismotor 0,8 l Turbomotor große akustische Unterschiede durch Lader hier: 2- und 3- Zylindermotoren mit Turbo näher untersucht

31 Variation der Zylinderanzahl Parallel-Twin Reihenzweizylinder benötigt Ausgleichswelle Schwingungsverhalten ähnlich wie 3-Zylinder ohne Ausgleichswelle große Vorteil des 3-Zylinders mit Ausgleichswelle

32 Varianten der Zündzeitpunkte beim 2-Zylinder Verzicht auf Ausgleichswelle bei 180/540 Variante schlechtere Drehgleichförmigkeit bei 180/540 alle Varianten akzeptables Geräusch- und Schwingungsniveau unterschiedlicher Geräusch Charakter

33 3. Weitergehende Maßnahmen zur Verbrauchsreduktion Direkteinspritzung für Saug- und Turbomaschinen führt zu 2 % weniger CO2 Emissionen Start / Stopp beide Varianten 5 % Einsparung CO2

34 4. Zusammenfassung und Ausblick Saugvarianten bessere Vorteile gegenüber Turbovarianten bei instationären Lastfällen 3-Zylindersaug: guter Geräuschcharakter 2-Zylindersaug: günstiger, als Range Extender denkbar

35 Danke für die Aufmerksamkeit Gibt es noch Fragen?