WEITERENTWICKLUNG DES OTTOMOTORS

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1 WEITERENTWICKLUNG DES OTTOMOTORS Prof. Dr. Uwe D. Grebe LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, 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 2c, Folie 2

3 Verluste im Antriebsstrang 100 % Kraftstoff - Energieinhalt Wärmeverluste im Abgas und im Kühlmedium ~ 62% der Kraftstoffenergie Arbeit am Kolbenboden ~ 38% der Kraftstoffenergie Beschleunigung der Fahrzeugmasse 11 % Rollwiderstand der Reifen 12 % Luftwiderstand 17 % Elektrische Verbraucher 3 % Getriebe und Achsantrieb 18 % Antriebsstrang und Fahrwerk mechanische Verluste 2 % im Motor 37% Reduzierung der mechanischen Verluste hat einen direkten Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 3

4 Reibungsreduzierung Sinn und Notwendigkeit Parasitäre Verluste des Motors: Reibung der gegeneinander bewegten Teile Ventilations- und Panschverluste im Motor Reibung der Nebenaggregate Verluste aller zum Betrieb des Motors benötigter Komponenten (Öl-, Wasser-, Kraftstoffpumpe,... ) Reduzierung der mechanischen Verluste ( Reibung ) führt zu einer generellen Verbrauchsreduzierung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 4

5 Reibmitteldruck in bar Motorreibung - Streuband 3,0 2,5 Ottomotoren Diesel-Motoren 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Gesamtmotor geschleppt - T Öl / T Kühlmittel 90 C Drehzahl in 1/min Ottomotoren profitieren von dem niedrigeren Spitzendrücken (Architekturauslegung und direkter Einfluß) und der niedrigeren Antriebsarbeit für das Einspritzsystem LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 5

6 Drehmoment [%] Reibungsanteil an der inneren Arbeit Reibungsverluste bezogen auf die freigesetzte Arbeit % % MVEG 10% 12% 15% 30 20% Quelle: FEV Drehzahl [1/min] 30% 40% LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 6

7 Mechanischer Wirkungsgrad 4-Takt Ottomotor MVEG-Test Zyklus relevanter Bereich Quelle: Manuskript - Verbrennungskraftmaschinen Prof. Hohenberg, TU Darmstadt Durchschnittlicher mech. Wirkungsgrad: 70 % LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 7

8 Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch Reibungsreduktion im Motor 10% Reduktion der mechanischen Verluste im Motor 1% Kraftstoffersparnis Maßnahmen zur Minimierung der Reibung im Verbrennungsmotor Oberflächenrauheit Struktur/Texturierung Beschichtungen Niedrigviskose Öle Friction Modifier Verschleißschutz- Additive Alternative Maschinenelemente (Wälzlager) Quelle: D.E. Sander, Virtual Vehicle Research Center LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 9

9 Reibmitteldruck Quelle: Manuskript - Verbrennungskraftmaschinen Prof. Hohenberg, TU Darmstadt LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 10

10 Motorreibung Anteil der Baugruppen Anteil in % Nebenaggregate Ventiltrieb Kolbengruppe Kurbelwelle Motordrehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 11

11 Entwicklung der Reibung Ottomotor Reibmitteldruck [bar] bei 2000 min -1 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 aufgeladene Motoren Saugmotoren? Jahr Reduzierung der Reibung um 40% in 25 Jahren! Beispiel: Ottomotor LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 12

12 Reibungsminderung im Ventiltrieb Verbesserung der Reibungsbedingung Vermeidung von Grundkreisreibung Übergang auf Rollreibung Verbesserung der hydrodynamischen Schmierung Massenreduzierung Erlaubt bei gleicher dynamischer Auslegung eine Reduzierung der Federkraft und damit der Normalkraft in der Reibfläche LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 13

13 Nockenwellenantriebsmoment Drehmoment in Nm 15 12,5 10 Gesamt-Nockenwellenmoment 7,5 Reibungsmoment 5 2, , ,5-10 antreibend -12, Nockenwellenwinkel in NW M Antrieb 0 NW Beim Schließen des Ventils wird Arbeit geleistet! Nur die Reibungsverluste sind aufzuwenden Gesamtantriebsmoment bestimmt sich aus den Öffnungskräften der Ventile (Federkraft und Massenkraft) und der Reibung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 14

14 Reibkontakt Stribeck - Kurve Hertz Kontakt Schmierstoff Festkörperreibung Mischreibung Vergleichsspannung und Reibung Grundkörper Gegenkörper Partikel Reibmoment M R Flüssigkeitsreibung EHD-Schmierung Kein Materialkontakt Reibung Abrasiver Verschleiß Rauheit Relativgeschwindigkeit v zunehmende Bedeutung der Oberfläche Abrasiver Verschleiß Quelle: Dr. Yashar Musayev, Edgar Schulz, Dr.- Ing. Tim Hosenfeldt; Schaeffler LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 15

15 Mechanische Ventilspieleinstellung Tassenstößel - Ventiltrieb Tassenstößel mit mechanischem Spielausgleich Konische Ventilfeder zur Massenreduzierung Beispiel: GM Powertrain 1,6l 4V Twinport LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 16

16 Reibung Führende Ventiltrieb Technologie Bewertung von Ventilbetätigungssystemen Mech. Tassenstößel Kosten Montage Reibung Rollenschlepphebel Kosten Montage Dynamik Wartung Dynamik Wartung Quelle: Dr. Yashar Musayev, Edgar Schulz, Dr.- Ing. Tim Hosenfeldt; Schaeffler LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 17

17 Rollender Abgriff im Ventiltrieb Rollreibung zwischen Nocke und Schlepphebel Schlepphebel 7000 Kipphebel LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 18

18 Reibmitteldruck in bar Reibung im Ventiltrieb Streubänder der Reibung 0,5 0,4 Mechanischer Spielausgleich im Vergleich zum Rollenschlepphebel Tassenstößel mit hydraulischem Spielausgleich GM 1,6 l 4V (Gen. 2) 0,3 0,2 Streuband Hydr. Tassen 0,1 Bsp eines Tassenstößels mit mech. Spielausgleich Streuband Rollenschlepphebel Drehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 19

19 Reibmoment der Nockenwelle [Nm] Anzahl der Nockenwellenlager Ventiltriebsreibung Nockenwellenlager Zahnkette (Ramsey) Rollenkette % 15-20% Nockenwellenlager Motordrehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 20

20 Beschichtete Reibflächen DLC Diamant Like Coating Harte, diamantähnliche Oberflächenbeschichtung. Meist in PVD (physical vapor deposition) aufgebracht Direkte Beeinflussung der Reibfläche DLC Schichtdicke 5µm Etwa 5% Reibungsreduzierungspotentzial Quelle: Mahle LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 21

21 Nadellagerung der Nockenwelle -44% Gebaute Nockenwelle mit Nadellagern Nadeln laufen direkt auf der gehärteten Nockenwelle Ventile und Ventilfedern für die Messung unverändert - 20% Quelle: Mahle LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 22

22 Ventilmassenreduzierung Möglichkeiten Verringerung des Schaftdurchmesser Hohlventile Kalotten in den Ventilköpfen Materialwahl: AlTi (Titanaluminid) Keramik LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 23

23 Hohlventile LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 24

24 Materialwahl für Ventile Keramikventile Gewichtsreduzierung bis 50% Sehr günstiges Verschleißverhalten Bauteilprüfung in der Fertigung nicht zerstörungsfrei möglich Bei Ventilschaden dringen die Bruchstücke durch die Gaspulsationen in alle Zylinder Motortotalschaden Keramikventile Quelle: MTZ 9-99, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 25

25 Massenreduzierung im Ventiltrieb Möglichkeiten und Grenzen Bauteile für Massenreduzierung Ventil (mit Ventilkeilstücken und Federteller) Ventilfeder (bewegte Windungen!) Übertragungselemente (auf das Ventil reduzierte Masse ist relevant) Wirkung Reduzierung der Federkraft bei gleicher dynamischer Auslegung (Grenzdrehzahl) Reduzierung der Massenkraft infolge der Beschleunigungen Grenzen für die Reibungsreduzierung Bei der Feder ist die Zuhaltekraft bei geschlossenem Ventil und die Federrate ebenfalls relevant. die Reibungsreduzierung flacht mit der Gewichtsreduzierung ab LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 26

26 Reibungsreduzierung durch VVT Stilllegen von Ventilen in Teilbereichen des Motorkennfelds (bei Mehrventilmotoren: nur minimal notwendige Anzahl der Ein- und Auslassventile betreiben; bei Mehrzylindermotoren: Abschalten von Zylindern) Reduzieren des Ventilhubs Beispiel: Ventildeaktivierung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 27

27 Reibungsminderung im Kurbeltrieb Verbesserung der Reibungsbedingung Optimierung der Kolbenringspannung Reibung am Kolbenhemd: Optimierung der hydrodynamischen Reibung Lagerdurchmesser Wälzlagerung im Kurbeltrieb Massenreduzierung Vermindert die Massenkräfte und damit der Normalkräfte an den Reibflächen Thermomanagement Steuerung der Motortemperatur (Motoröltemperatur) in Abhängigkeit der Motorlast LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 28

28 Reibung im Kurbeltrieb Haupteinflußparameter Ringanzahl und Tangentialspannung Masse von Kolben und Pleuel Gleitfläche am Schaft Lagerdurchmesser LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 29

29 Einfluss des Lagerdurchmessers Reibmitteldruck [bar] 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 15% Reduzierung der Kurbelwellen- Reibung 0,3 Lagerdurchmesser kpi 0,2 Variante Hauptlager Hublager 0,1 A D Motordrehzahl [1/min] Kurbelwellenreibung hängt stark vom Hauptlager-Durchmesser ab Balance mit Dauerhaltbarkeit und Geräuschverhalten (NVH) Reibungsvorteil: 2 3 % CO 2 Vorteil: 0,4 0,6% LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 30

30 Geschränkter Kurbeltrieb Kolbenreibung FMEP [%] 105% 100% 95% 90% r/l = 0,31, 1700 Teillast -10% Kolbenreibung Pin Offset -0.3 mm Pin Offset -0.5 mm Beste Kombination 85% Kurbelwellenversatz [mm] Reibungsvorteil: 1 2 % CO 2 Vorteil : % LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 31

31 Kolbenring-Tangentialspannung Die Kolbenringe müssen durch die Tangentialspannung der Zylinderrohrform folgen, um Blow-by von Arbeitsgas in das Kurbelgehäuse zu minimieren Öl zu dosieren (minimale Schmierfilmdicke zur Funktion der Kolbengruppe Minimierte Laufbuchsenverformung erlaubt Reduzierte Ringspannung Reduzierte Reibungskräfte LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 32

32 Zylinderrohrverformung Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierung von Verbrennungsmotoren LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 33

33 Reibung, Verschleiß- und Freßneigung Ölverbrauch und Reibung Reduzierte Laufflächen-Rauigkeit Verbesserte Ölabstreifung Reduzierter Laufbuchsenverzug Verbesserte Honung Materialverbesserung bei Ringen und Buchse Verringerte Temperaturen Ölverbrauch LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 34

34 Minimaler Bohrungverzug Vertikale Rippe Versatz zwischen Wassermantel und Gewinde Angepasste Wassermantelkontur zur Steifigkeitsoptimierung Angepasste Dicke der eingegossenen Laufbuche Tragholmkonstruktion Reduzierter Bohrungsverzug ist die Voraussetzung für eine Kolbenringoptimierung 5 8 µm reduzierter Verzug ist durch CAE-Einsatz möglich Reibungsvorteil: 2-7% CO 2 Vorteil: 0,4 1,4% LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 35

35 Profil des Kolbenhemdes Optimierte Form verbessert die Reibungsverhältnisse Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierung von Verbrennungsmotoren LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 36

36 Laserstrukturierte Lauffläche Laserstrukturierung erlaubt glatte Laufbuchsen. Die Ölmenge zur Schmierung wird durch die laserstrukturierten Vertiefungen bereitgestellt. Quelle: MTZ 9/97, Klink LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 37

37 Laserstrukturierung der Laufbuchse Bildmaterial Fa. GEHRING LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 38

38 Struktur nach Laserbehandlung Lasered Pocket: Grat nach Laserbehandlung Oberflächse nach Entgraten und Finish- Honen LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 39

39 Laserstrukturierte Laufbuchse Laser Pocket Specifications Fam. II DI-Diesel (Production) In this area laser pockets on RHS helix pitch 2 +/- 0.2 mm consecutively positioned. R max in the pocket area > 20 µm, for 80% min. of 10 measurements per cylinder block controlled / / µm to 80 µm referred to the distance between the center lines of the surface profiles of both lateral surfaces. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 40

40 Ölpumpensysteme Kurbelwellen- und Kettenantrieb FMEP [bar] 0,4 0,3 T oil = T coolant = 90 C Fixed Capacity Fixed Capacity, Crank driven Flow Controlled 0,2 0,1 0,0 Engine Speed [rpm] Reibungsvorteil: 5 7 % CO 2 Vorteil: 1,4 2,3 % Reibungsvorteil: 2 4 % CO 2 Vorteil: 0,4 1,0 % LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 41

41 Wälzlagerung der Kurbelwelle Reibmoment der Hauptlager Quelle: FEV LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 42

42 Thermomanagement im Kühlsystem Einfluss auf den Verbrauch (Zyklus od. stationär) Warmlauf (kaltgestarter NEDC) Alltag (warmgestarter NEDC) Max. Leistung (spez. Verbrauch) Elektr. Wasserpumpe -2% -1.5% -0% (assumed) (simulation, test back-up) Mech. Wasserpumpe On/Off-1.5% <-0.5% ---- (assumed) (no effect) Split cooling (add on) -1-2% % -0.5% (assumed) (dependent on enrichment) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 43

43 Thermomanagement Quelle: FEV LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 44

44 Thermomanagement Wassermantel im Zylinderkopf Thermostat elektr. beheizt Übertritte in der Kopfdichtung Wasserpumpe Wassermantel im Zylinderblock Wassersammelrohr Quelle: FIAT-GM Powertrain LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 45

45 Kontinuierliche Strömungsaufteilung Beispiel: Audi EA888 Gen. 3 1,8 l T-GDI Thermo management Coolant Engine In Temperatures LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 46

46 Thermomanagement Wirkungsweise Elektrisch beheiztes Thermostat erlaubt kennfeldgesteuerte Öffnung des Thermostats und damit bedarfsgerechte Kühlung Teillast Hohe Kühlmitteltemperatur (ca C) Höhere Öltemperatur, weil die Wärmeübertragung an das Kühlwasser vermindert ist Viskosität des Öls sinkt Reduzierte Reibung Volllast Maximale Kühlung für kühlen Zylinderkopf Optimierte Randbedingung für das Klopfverhalten Maximierte Zylinderfüllung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 47

47 Leerlaufdrehzahlreduzierung Reduzierung der Leerlaufdrehzahl verringert den Verbrauch Daumenregel: Reduzierung um 100 1/min ergibt Ottomotor 0,04 l/h pro 1000 cm 3 Motorhubraum Dieselmotor 0,022 l/h pro 1000 cm 3 Motorhubraum LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 48

48 Leerlaufverbrauch in l/h / 1000 cm³. Leerlaufverbrauch Abhängigkeit von der Leerlaufdrehzahl 0,55 0,5 0,45 0,4 Ottomotoren 0,040 / 100 1/min 0,35 0,3 0,25 0,2 Dieselmotoren 0,022 /100 1/min 0, Leerlaufdrehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 49

49 Leerlaufdrehzahlreduzierung Grenzen Verbrennungssystem - Ottomotor mit äußerer Gemischbildung erlaubt ca /min - Benzindirekteinspritzung erlaubt niedrigere Drehzahlen wegen stabiler Gemischbildung und exakterer Zumessung Pumpenauslegung Öldruck muß sicher gestellt sein (eventuell größere Ölpumpe mit höherer Antriebsleistung!) Nebenaggregatetrieb Generator begrenzt die Drehzahlabsenkung (weitere Verbesserungen durch niedrige Massenträgheit, Entkoppflungselement Freilauf, ) Steuertrieb - Dynamik Anfahrbarkeit des Fahrzeugs - Motordrehzahl ist für den Einkuppelvorgang (Kupplungsmodulation notwendig) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 50

50 Zusammenfassung - Reibung Ausgehend vom heutigen Stand, besteht nach wie vor Potential den mechanischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu verbessern CO 2 Reduktionen im Bereich bis zu 5% erscheinen möglich durch die richtige Kombination kleiner mechanischer Verbesserungen Reibungsreduktion erfordert einen systematischen Ansatz sowie geeignete Methoden in Simulation und Versuch LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 51