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 Anteil des PKW-Verkehrs an den Emissionen Zeitliche Entwicklung seit 1990 Quelle: Shell LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 3

4 Entwicklung der Fahrzeugemissionen Beispiel Quelle: MTZ12/1998, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 4

5 Verringerung der Schadstoffemission Einteilung der Maßnahmen Maßnahmen vor dem Motor Maßnahmen in dem Motor Maßnahmen nach dem Motor Gemischdosierung Gemischaufbereitung Gemischverteilung Gaszusammensetzung (AGR, Restgas) Vermeiden von Kraftstoffverdunstung aus dem Tank Brennraumgestaltung Spalträume Thermischer Zustand Zündenergie und zeitpunkt Gemischhomogenität (Schichtung Thermische Nachreaktion Isolation / Wärmeverluste Katalysator Adsorptionsspeicher (NO x Speicher, HC Speicher) Partikel-Filter LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 5

6 Gemischbildung Quelle: MTZ 7/8 1995, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 6

7 Entwicklung der Gemischbildung Quelle: Skript TU Darmstadt, Hohenberg LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 7

8 Maßnahmen vor dem Motor Verbesserungen der Gemischbildner Zylinderindividuelle Einspritzung ist Standard Verbesserte Zerstäubung Genaue Strahlausrichtung zur Vermeidung von Wandbenetzungen Direkteinspritzung mit hohen Drücken zur Bereitstellung der Gemischbildungsenergie Gemischverteilung und Verteilung des rückgeführten Abgases Elektronische Steuerung der AGR Ventile Gasdynamische Auslegung der Ladungswechselleitungen Weiterentwicklungspotential Verbesserung der Gemischverdampfung während des Kaltstarts und des Warmlauf (z.b. beheizte Einspritzventile für Flash-Boiling Effect) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 8

9 Verbrennungsablauf Ottomotor - fremdgezündet Zündungü Verbrennungsgas Frischgemisch Flammenfront LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 9

10 Quellen unverbrannter HC Quelle: MTZ 7/8 1995, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 10

11 Emissionsoptimierter Brennraum Konstruktive Maßnahmen und Zündsystem offener Brennraum 3mm Feuersteg 8mm Brennraumwandstärke Hochleistungs- Zündsystem 0,45mm Mehrlagen- Metalldichtung Vermindern der Spalträume Brennraum für gutes Durchbrennen der Flammenfront LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 11

12 Katalytische Abgasnachbehandlung Aufbau eines Abgaskatalysators LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 12

13 Washcoat Schicht und Edelmetall LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 13

14 Anforderungen die Nachbehandlung Schnelles Anspringen des Katalysators motornahe Anordnung (begrenzt durch Maximaltemperatur) geringe Wärmeverluste auf dem Weg zum Katalysator Gleichverteilung des Abgases auf den Katalysator Nutzen des gesamten Katalysatorquerschnitts (Rückdruck, Alterung) Vermeiden von thermisch und strömungsmechanisch hochbelasteten Stellen Weiterentwicklungspotential Anspringverhalten Thermische Alterung Vergiftungsbeständigkeit (Anlagerungen) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 14

15 Geschwindigkeit und Druck Verteilung in der Katalysatorstirnfläche Schnittebene Katalysator LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 15

16 Anordnungskonzepte für Katalysatoren vom Motor Quelle: MTZ 97 LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 16

17 Anspringverhalten eines Katalysators Dreiwege - Katalysator LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 17

18 Kopfintegrierter Auslasskrümmer Opel Dreizylinder Vierventil-Motor mit und ohne integrierter Auspuffkanalführung Vorteile: Gewicht Kosten Verbrauch Abgasverhalten Katalysatorschutz Wagenheizung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 18

19 Kat-Eintrittstemperatur bei Warmlauf amerikanischer FTP Zyklus Quelle: MTZ12/1998, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 19

20 Vergleich von Katalysator-Systemen Quelle: MTZ12/1998, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 20

21 Luftspaltisolierter Abgaskrümmer Beispiel: Audi V6 Quelle: MTZ 7/8 2001, Endres LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 21

22 Kaskaden-Katalysator Beispiel: Alfa-Romeo JTS Sehr guter Kompromiss zwischen motornaher Katalysatoranordnung und Volllast-optimierter Gasdynamik Quelle: FIAT-GM Powertrain LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 22

23 Sekundärlufteinblasung Betrieb des Motors mit fettem Gemisch Zumischen von Zusatzluft nach dem Brennraum Exotherme Reaktion im Abgassystem Quelle: Schäfer, Basshuysen, Schadstoffreduzierung und Kraftstoffverbrauch von PKW-Verbrennungsmotoren LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 23

24 Sekundärlufteinblasung Quelle: MTZ 10-00, FEV LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 24

25 Heizkatalysator Quelle: MTZ11/1998, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 25

26 Bauformen von Heizkatalysatoren Quelle: MTZ , Otto LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 26

27 Aufbau eines Heizkatalysators Quelle: MTZ11/1998, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 5, Folie 27