WEITERENTWICKLUNG DES OTTOMOTORS

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1 WEITERENTWICKLUNG DES OTTOMOTORS Prof. Dr. Uwe D. Grebe LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 1

2 Weiterentwicklung des Ottomotors Gliederung 1. Entwicklungsrandbedingungen 1.1 Gesetzliche Vorschriften 1.2 Anforderungen von der Kundenseite 2. Verbrauchsreduzierung 2.1 Thermodynamik (Benzindirekteinspritzung, variable Ventiltriebe, Ladungsverdünnung,...) 2.2 Reibungsreduzierung 2.3 Downsizing, Lastpunktverschiebung 3. Alternative Kraftstoffe 4. Volllastverbesserung 4.1 Luftaufwandsverbesserung bei freisaugenden Motoren 4.2 Aufladung 5. Reduzierung der Abgasemissionen 5.1 Motorinterne Maßnahmen 5.2 Abgasnachbehandlung 6. Verbesserte Architektur 6.1 Gewichtsreduzierung 6.2 Kostenreduzierung 6.3 Komfortverbesserung 7. Aktuelle Technologieeinführungen bei Ottomotoren 8. Entwicklungstendenzen für die Zukunft LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 2

3 Bedeutung des Gewichts im PKW Abhängigkeit des Verbrauchs von Fahrzeugparametern 0-1% -2% -3% -4% -5% -6% Verbrauchseinfluss bei 10 %Parameteränderung: Rollwiderstand 1,5% Verbesserung Luftwiderstand Masse 2,7% Verbesserung 3,5% Verbesserung gemittelt (incl. Testgewichtsklassenänderung) und Rollwiderstandseinfluß -7% -8% -9% -10% 0-2% -4% -6% -8% -10% Parameteränderung Antrieb 10% Verbesserung Quelle: Opel LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 3

4 Wo soll Gewicht reduziert werden? Für ein gutes Fahrzeughandling muss die Achslastverteilung und der Abstand zum Schwerpunkt berücksichtigt. Reihenfolge für Gewichtsreduzierung an nicht drehenden, oszillierenden Teilen: Quelle: Opel 1.) Ungefederte Massen (incl. Rotierende Massen) Rotierende und/oder oszillierende Massen im Antrieb 2.) Masse vor der Vorderachse 3.) Masse zwischen Vorderachse und Fahrgastzelle 4.) Massen oberhalb des Schwerpunktes 5.) Massen zwischen Fahrgastzelle und Hinterachse 6.) Masse hinter der Hinterachse Gewichtsreduzierung des Antriebsstrang ist anzustreben! LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 4

5 Massenreduzierung im Fahrzeug Leichtbau Karosserie Leichtere Strukturteile Kleinerer Motor Kleinere Getriebe Kleinere Bremsen Kleinere Räder Gleichbleibende Fahrleistungen Massenreduzierung hat einen selbstverstärkenden Effekt: Verbesserte Fahrzeugeffizienz Verbesserte Fahrdynamik (längs und quer) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 5

6 Zylinderblock - Gewichtsreduzierung Möglichkeiten Materialwahl - Gußeisen, Aluminium, Magnesium Konstruktion - spezifische Konstruktion für gewünschte Leistung (Ausnutzen des Material an seinen Grenzen) - Hybride Bauweise LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 6

7 Gewichtsvergleich bearbeiteter Zylinderblöcke Gusseisen und Aluminium aus MTZ 12/97 LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 7

8 Zylinderblock Optimierte Konstruktion in Tragholmbauweise 1,6 l Ottomotor Werkstoff: GG25 Masse: 27,8 kg incl. Lagerdeckel Ölrückläufe Wassereintritt Blow-by Kanäle Blow-By Kanal im Schnitt Struktur zur optimalen Unterstützung des Kraftflusses Minimale Wandstärke an Wänden, die nur Dichtfunktion haben Ölfilterflansch LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 8

9 Lost Foam Aluminium-Block GM Powertrain, 2.2 l Motor Masse = 32 kg LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 9

10 Eingegossene Aluminiumbuchsen Daimler/Chrysler V6 Spraykompaktierte Buchsen eingegossen Quelle: Daimler-Chrysler LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 10

11 Spraykompaktierte Aluminiumlegierung Spray Compaction of Billets Consolidation Heat Treatment (Si-Particle-Coarsening) Hot Tube Extrusion Hot Rotary Swaging Cut to Length, Machining Cleaning / Surface activation Aluminium mit hohem Anteil an Legierungselementen wird zerstäubt Tropfen erstarren teilweise auf dem Weg zum billet Quelle: LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 11

12 Plasmabeschichtete Lauffläche Quelle: mot, Bild: Wurz LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 12

13 Laserlegieren von Al-Laufflächen Quelle: MTZ 3-01, VAW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 13

14 Magnesium Zylinderblock Masse: Produktion GG 34 kg Prototyp Magnesium 13 kg Reduzierung: 62 % Probleme: Kriechverhalten des Magnesium Korrosionsverhalten (elektrochem. Korrosion) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 14

15 Lagerspielveränderung Temperatureinfluss auf die Lagergasse Stärkere Ausdehnung des Aluminiums als das Material der Kurbelwelle Geräuschprobleme Klemmen bei niedrigen Temperaturen vermeiden Schmierungseinfluss Quelle: MTZ ,Neunkirchner LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 15

16 Lagerspielveränderung Konstruktive Maßnahmen an Aluminiumblöcken Quelle: MTZ ,Neunkirchner LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 16

17 Hybride Konstruktionen Trennen der Funktionen Quelle: MTZ ,Neunkirchner LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 17

18 Bruchgetrennte Lagerdeckel BMW V8 Di Diesel Kurbelgehäuse aus Vermiculargraphit mit Hauptlagern in Crack-Technik Vorteile: Weniger Bearbeitung Genaue Passung Nur zwei Schrauben Weniger Gewicht Quelle: Indra LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 18

19 Bruchgetrennte Lagerdeckel BMW V8 DI-Diesel LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 19

20 Kurbeltrieb FIAT-GM Powertrain Familie 1 1,6 l 4V Kolben 224 g Kompressionshöhe: 26,73 mm (22 % leichter als Vorgänger) Pleuel 380 g (14 % leichter als Vorgänger) Antrieb der Ölpumpe Segmentscheibe Drehschwingungsdämpfer LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 20

21 Spez. Kolbenmasse in g/l(r 2 ) Spezifische Kolbenmasse 800 Ottomotoren Zylinderhubvolumenhub 0,4 0,6 l 1.6 l 3. Generation FEV Formel Jahr LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 21

22 Spez. Pleuelmasse in g/mm Spezifische Pleuelmasse 6 Ottomotoren Zylinderhubvolumenhub 0,4 0,6 l 1.6 l 3. Generation Jahr LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 22

23 Rennsport - Kolben Opel Formel 3 (2 l - 4V; p me = 16,8 bar) Rennsportkolben Serienkolben der Zukunft Zweiringausführung Niedrige Kompressionshöhe Kurzes Hemd LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 23

24 Titanpleuel im Rennsport Opel Formel 3 (2 l - 4V; p me = 16,8 bar), Saison 94 Rundum bearbeitet H-förmiger Querschnitt LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 24

25 Titanpleuel Ottomotor mit 400 cm 3 pro Zylinder Masse: Produktion 350 g Prototyp 220 g Reduzierung: 37 % Produktion GG Prototyp TiMMC LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 25

26 Trapezpleuel BMW 1,8 l Valvetronic Bearbeitetes kleines Pleuelauge LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 26

27 Trapezpleuel Belastete Fläche im Pleuel ist vergrößert Lager des Kolbens ist stark ausführbar Quelle: MOT LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 27

28 Ansaugsystem in Magnesium Magnesium Design vs current Sandcast Design Weight reduction: 4,5 kg/car Advanced Engineering Body - Dipl. Ing. G. Heim LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 28

29 VR Motoren Enge V-Winkel für reduzierte Motorlänge Lancia Fulvia LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 29

30 VR und W Motorenkonzept von VW Quelle: MTZ 4-01, VW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 30

31 Zylinderköpfe für VR Motoren Längenunterschiede der Kanäle im Kopf: Unterschiedliche Aufheizbedingungen VR Motoren werden teilweise mit unterschiedlichen Zündwinkeln auf beiden Bänken betrieben LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 31

32 Maximaler Hubraum BMW M3 Hochleistungsmotor: nur 4mm zwischen den Zylindern Fahrzeuge immer größer und schwerer: Die intelligent einfachste Methode für gleiche oder verbesserte Fahrleistungen ist die Kompensation durch mehr Hubraum Vorteile: Leistungsdichte steigt Wirkungsgrad wird besser Motorgewicht bleibt gleich Abmessungen bleiben gleich Drehmoment besonders begünstigt Kombination mit automatischen Getrieben Wirksamkeit mit Zylinderabschaltung Kosten praktisch unverändert LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 32

33 Maximaler Hubraum Opel Calibra DTM Rennmotor nur 3mm zwischen den Zylindern Entwicklung: gemeinsam mit Neue Materialien z.b. Vermiculargraphitguß Materialbehandlung z.b. Wärmebehandlung Kolbenherstellern kleinere Kompressionshöhe Dichtungsherstellern z.b. mehrlagige Metalldichtung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 33

34 Tricks für maximalen Hubraum Für Reihen und V Motoren Für V Motoren Für VR Motoren Zylinder längsseitig auseinanderziehen Zylinder querseitig auseinanderziehen Zylindermitten nicht durch die Kurbelwellenmitte LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 34

35 Intelligent einfache Konstruktionen 2002 alle Mercedes V-Ottomotoren sind SOHC mit drei Ventilen pro Zylinder Vorteile: Package Gewicht Kosten Reibleistung Verbrauch Zylinderabschaltung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 35

36 Intelligent einfache Konstruktionen Neue Honda L4 Motor-Familie i-dsi mit zwei Ventilen pro Zylinder Zylinderabschaltung für Hybridantrieb Vorteile: Gewicht Reibleistung Verbrauch Kosten LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 36

37 Weiterentwicklung des Ottomotors Gliederung 1. Entwicklungsrandbedingungen 1.1 Gesetzliche Vorschriften 1.2 Anforderungen von der Kundenseite 2. Verbrauchsreduzierung 2.1 Thermodynamik (Benzindirekteinspritzung, variable Ventiltriebe, Ladungsverdünnung,...) 2.2 Reibungsreduzierung 2.3 Downsizing, Lastpunktverschiebung 2.4 Alternative Kraftstoffe 3. Volllastverbesserung 3.1 Luftaufwandsverbesserung bei freisaugenden Motoren 3.2 Aufladung 4. Reduzierung der Abgasemissionen 4.1 Motorinterne Maßnahmen 4.2 Abgasnachbehandlung 5. Verbesserte Architektur 5.1 Gewichtsreduzierung 5.2 Kostenreduzierung 5.3 Komfortverbesserung 6. Aktuelle Technologieeinführungen bei Ottomotoren 7. Entwicklungstendenzen für die Zukunft LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 37

38 Kostenreduzierung Akzeptable Produktkosten sind Voraussetzung für den Erfolg von Motoren Steigender Technologieinhalt muss bezahlbar bleiben Immer schärfere Abgasbestimmungen erhöhen die Systemkosten Einfache Konstruktionen, die die gleichen technischen Eigenschaften erfüllen sind besser Die Komplexität / Kosten müssen an die Anforderungen angepasst sein LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 38

39 SOHC Motor für Schwellenländer 2 V Motor mit niedriger Komplexität und einfacher Herstellbarkeit Quelle: MTZ 11-99, Ford LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 39

40 Funktionserfüllung mit einfachen Motoren SOHC Motoren mit zwei oder drei Ventilen haben einige Vorteile und eignen sich sehr gut für neue Technologien. VW Ford Daimler- Chrysler LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 40

41 Angepasste Materialauswahl Opel s kleinste Motorfamilie mit drei oder vier Zylindern Vierventil Zylinderkopf Aluminium Motorblock Oberteil Grauguß - minimaler Zylinderabstand - keine Laufbüchsen - minimale Baulänge Motorblock Unterteil Aluminium Vorteile: Kleinste Abmessungen Preiswert Keine Ausgleichswelle Reibleistung reduziert Niedriges Gewicht Ölwanne Aluminium LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 41

42 Modularität des Motors Ein Weg zur beherrschbaren Variantenvielfalt LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 42

43 Einsatzbreite von Motoren Top-Motorisierung B-segment vehicle e.g. Punto, Corsa 1.8 l Motor Basismotor D-segment vehicle e.g. Vectra, 9-3 Technology Fuel Consumption Cost Modularität zum Erfüllen untersch. Aufgaben Technology Fuel 1 Consumption Cost Noise & Vibration Performance Noise & Vibration Performance LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 43

44 Modularer Aufbau GM Powertrain Familie 1 variabler Ventilhub Benzindirekteinspritzung alternative Kraftstoffe: Alkohol (E20, E100) Gas (CNG/ LPG) Nockenwellensteller Auspuffvarianten Kanalabschaltung variable Saugrohre Ausgleichswellen Turbolader LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 44

45 Weiterentwicklung des Ottomotors Gliederung 1. Entwicklungsrandbedingungen 1.1 Gesetzliche Vorschriften 1.2 Anforderungen von der Kundenseite 2. Verbrauchsreduzierung 2.1 Thermodynamik (Benzindirekteinspritzung, variable Ventiltriebe, Ladungsverdünnung,...) 2.2 Reibungsreduzierung 2.3 Downsizing, Lastpunktverschiebung 2.4 Alternative Kraftstoffe 3. Volllastverbesserung 3.1 Luftaufwandsverbesserung bei freisaugenden Motoren 3.2 Aufladung 4. Reduzierung der Abgasemissionen 4.1 Motorinterne Maßnahmen 4.2 Abgasnachbehandlung 5. Verbesserte Architektur 5.1 Gewichtsreduzierung 5.2 Kostenreduzierung 5.3 Komfortverbesserung 6. Aktuelle Technologieeinführungen bei Ottomotoren 7. Entwicklungstendenzen für die Zukunft LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 45

46 Vierzylinder mit Ausgleichswellen Prinzip Ausgleich der freien Massenkräfte 2. Ordnung Gegenläufig rotierende Wellen mit exzentrischer Masse Erhöhung der Laufruhe des Vierzylinders Quelle: MTZ 5-99, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 46

47 Integrierte Ausgleichwellen GM Powertrain L850 LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 47

48 Ausgleichswellen LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 48

49 Ausgleichswellen Anbaumodul Quelle: BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 49

50 Steifer Lagerverbund Vermeidung von Schallanregung Zunehmende Steifigkeit LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 50

51 Verbundene Hauplagerdeckel Quelle: MTZ 10-00, Ford LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 51

52 Entkopplung von Hauben Entkoppelte Ventilhaube Schallentkopplung für Ölwannen Quelle: MTZ System Partners 2002, Elring Klinger LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 52