Weiterentwicklung des Ottomotors

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1 Weiterentwicklung des Ottomotors Dr. Uwe D. Grebe LVA , Sommersemester 2005, 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 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 2005, Kapitel 2c, Folie 2

3 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 2005, Kapitel 2c, Folie 3

4 Reibungsanteil an der inneren Arbeit Reibungsverluste bezogen auf die freigesetzte Arbeit MPI DI 90 6% Power [%] % 10% 12% NEDC 15% % 20% 20% 10 0 Quelle: 30% 40% Speed [1/min] 30% 40% LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 4

5 Mechanischer Wirkungsgrad 4-Takt Ottomotor MVEG-Test Zyklus relevanter Bereich Quelle: Manuskript of Internal combustion engines Prof. Hohenberg, TU Darmstadt Durchschnittlicher mech. Wirkungsgrad: 70 % LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 5

6 Einfluß aus Motorgesamtwirkungsgard Faustformel be = ( 1 η be me p ) p mr mr Faustformel (Goetz AG) mit be : spezifischer Kraftstoffverbrauch [g/kwh] be : Absenkung spezifischer Kraftstoffverbrauch [g/kwh] η me : mechanischer Wirkungsgrad [-] p mr : Reibmitteldruck [bar] p mr : Absenkung Reibmitteldruck [bar] Mit einem durchschnittlichen mech. Wirkungsgrad von 0,7 0,023 bar Änderung im Reibmitteldruck bewirkt 1 % im effektiven Wirkungsgrad / Verbrauch LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 6

7 Reibmitteldruck Source: Manuskript of Internal combustion engines Prof. Hohenberg, TU Darmstadt LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 7

8 Entwicklung der Reibung Quelle: van Basshuysen/Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotoren LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 8

9 Motorreibung Anteil der Baugruppen Nebenaggregate Anteil in % Ventiltrieb Kolbengruppe Kurbelwelle Motordrehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 9

10 Reibungsminderung im Ventiltrieb Verbesserung der Reibungsbedingung Vermeidung von Grundkreisreibung Übergang auf Rollreibung Verbesserung der hydrodynamischen Schmierbedingung Massenreduzierung Erlaubt bei gleicher dynamischer Auslegung eine Reduzierung der Federkraft und damit der Normalkraft in der Reibfläche LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 10

11 Mechanische Ventilspieleinstellung Tassenstößel - Ventiltrieb hohlgegossene Nockenwelle Tassenstöß ößel mit mechanischem Spielausgleich konische Ventilfeder LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 11

12 Rollender Abgriff im Ventiltrieb Rollreibung zwischen Nocke und Schlepphebel Schlepphebel 7000 Kipphebel LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 12

13 Reibung im Ventiltrieb Streubänder nach FEV 0,5 Mechanischer Spielausgleich im Vergleich zum Rollenschlepphebel Reibmitteldruck in bar 0,4 0,3 0,2 Tassenstößel mit hydraulischem Spielausgleich 1,6 l 4V (Generation 2) Streuband Hydr. Tassen 0,1 0 Streuband Rollenschlepphebel Bsp eines Tassenstößels mit mech. Spielausgleich Drehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 13

14 Nockenwellenantriebsmoment Drehmoment in Nm 15 12,5 10 7,5 5 2,5 0-2,5-5 -7, ,5-15 Gesamt-Nockenwellenmoment Reibungsmoment + - antreibend Nockenwellenwinkel in NW M Antrieb 0 NW Beim Schließen des Ventils wird Arbeit geleistet! Nur die Reibungsverluste sind aufzuwenden LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 14

15 Ventilmassenreduzierung Möglichkeiten Verringerung des Schaftdurchmesser Hohlventile Kalotten in den Ventilköpfen Materialwahl: AlTi (Titanaluminid) Keramik LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 15

16 Hohlventile LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 16

17 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 2005, Kapitel 2c, Folie 17

18 Massenreduzierung im Ventiltrieb Reduzierung der Ventilmasse Beispiel: Formel 3 Rennmotor LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 18

19 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 Reibungsreduzerung Bei der Feder ist die Zuhaltekraft bei geschlossenem Ventil und die Federrate ebenfalls relevant. die Reibungsreduzierung flacht mit der Gewichtsreduzierung ab LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 19

20 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 2005, Kapitel 2c, Folie 20

21 Reibungsminderung im Kurbeltrieb Verbesserung der Reibungsbedingung Optimierung der Kolbenringspannung Reibung am Kolbenhemd: Optimierung der hydrodynamischen Reibung 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 2005, Kapitel 2c, Folie 21

22 Reibung im Kurbeltrieb Haupteinflußparameter Ringanzahl und Tangentialspannung Masse von Kolben und Pleuel Gleitfläche am Schaft Lagerdurchmesser LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 22

23 Zylinderrohrverformung Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierung von Verbrennungsmotoren LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 23

24 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 2005, Kapitel 2c, Folie 24

25 Profil des Kolbenhemdes Optimierte Form verbessert die Reibungsverhältnisse Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierung von Verbrennungsmotoren LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 25

26 Laserstrukturierte Lauffläche Laserstrukturierung erlaubt glatte Laufbuchsen. Die Ölmenge zur Schmierung wird durch die laserstrukturierten Vertiefungen bereitgestellt. Quelle: MTZ 9/97, Klink LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 26

27 Laserstrukturierung der Laufbuchse Bildmaterial Fa. GEHRING LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 27

28 Struktur nach Laserbehandlung Lasered Pocket: Grat nach Laserbehandlung Oberflächse nach Entgraten und Finish- Honen LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 28

29 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 2005, Kapitel 2c, Folie 29

30 Wälzlagerung der Kurbelwelle Reibmoment der Hauptlager Quelle: LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 30

31 Thermomanagement Quelle: LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 31

32 Thermomanagement Wassermantel im Zylinderkopf Thermostat elektr. beheizt Übertritte in der Kopfdichtung Wasserpumpe Strömung Wassermantel im Zylinderblock Wassersammelrohr Quelle: FIAT-GM Powertrain LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 32

33 Thermomanagement Einfluß auf den Verbrauch im Testzyklus Quelle: LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 33

34 Thermomanagement Wirkungsweise Elektrisch beheiztes Thermostat erlaubt kennfeldgesteuerte Öffnung des Thermostats 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 2005, Kapitel 2c, Folie 34

35 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 2005, Kapitel 2c, Folie 35

36 Leerlaufverbrauch Abhängigkeit von der Leerlaufdrehzahl Leerlaufverbrauch in l/h / 1000 cm³ 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 Ottomotoren Dieselmotoren 0,040 / 100 1/min 0,022 /100 1/min Leerlaufdrehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2004, Kapitel 2c, Folie 33

37 Leerlaufdrehzahlreduzierung Grenzen Verbrennungssystem - Ottomotor mit äußere 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 begrenz die Drehzahlabsenkung (weitere Verbesserungen durch niedrige Massenträgheit, Entkoppflungselement Frelauf, ) Steuertrieb - Dynamik Anfahrbarkeit des Fahrzeugs - Motordrehzahl ist für den Einkuppelvorgang (Kupplungsmodulation notwendig) LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 37

38 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. 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 2005, Kapitel 2c, Folie 38

39 Downsizing Fahrzeug verkleinern? LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 39

40 Downsizing Fahrzeug verkleinern? LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 40

41 Fahrbedarf eines Fahrzeugs Luft-, Roll- und Beschleunigungswiderstand Luft- und Beschleunigungswiderstand a f R. m. g Rollwiderstand LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 41

42 Betriebsbereich eines Motors Europäischer Testzyklus (Mittelklasse-PKW, 2l Motor) 14 effektiver Mitteldruck bar spez. Kraftstoffverbrauch in g/kwh genutzter Bereich im MVEG Testzyklus Strassenteillast (STL) 5. Gang STL 4. Gang 0 0 Verweildauer MVEG Testzyklus: min Motordrehzahl = 100 s LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 42

43 Betriebspunktverlagerung Volllast für gleiche Beschleunigungselastizität Volllast 2 Volllast 1 Drehmoment Betriebspunkt 2 Drehmomentüberschuss 2 Drehmomentüberschuss 2 Drehmomentüberschuss 1 STL 2 Strassenteillast 1 konstante Leistung Betriebspunkt 1 n 2 n 1 Drehzahl LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 43

44 Downsizing durch Vierventiltechnik Leistungsgleicher Dreizylinder ersetzt Vierzylinder Dreizylinder Vierventilmotor Hubraum: 1,0 l 43 kw / 85 Nm ersetzte 1,2 l Zweiventilmotor bei gleichzeitig verbesserten Fahrleistungen 10 % Verbrauchsvorteil durch Hubraumreduzierung Reibungsreduzierung LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 44

45 Downsizing mittels Aufladung Prinzip Mitteldruckanhebung durch Kompression der Ansaugluft Reibungsreduzierung durch kleinere Motoren Gewichtsreduzierung des Motors geringere Packageabmessungen Bedarfsorientierte Kontrolle der Volllast (Aufladegrades): Mehr Leistung aus kleinem Hubraum LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 45

46 Aufladung Technische Möglichkeiten mechanische Aufladung Aufladung von Hubkolbenmotoren Druckwellen-Aufladung (Comprex( Comprex) Abgasturbo - Aufladung LVA , Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 46

47 Verbrauchsreduzierung durch Downsizing Quelle: FEV LVA , Sommersemester 2004, Kapitel 2c, Folie 44