INHALTSVERZEICHNIS. 1. Einleitung Kleinstmengenfunktionalität und Optimierungspotenziale Zündeinspritzung im Katalysatorheizbetrieb

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Hermann Lang
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1 BMW TWINPOWER TURBO 1

2 INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung 2. TwinPower Turbo Technologie für Ottomotoren 3. Anforderungen & Gesetze 4. Potenziale für die Emissionierung 4.1. Motorstart 4.2. Optimierung der Applikation im Katalysatorheizbetrieb 4.3. Kleinstmengenfunktionalität und Optimierungspotenziale Zündeinspritzung im Katalysatorheizbetrieb 4.4. Minimierung Abgaswärmeverluste und Optimierung Katalysatoranströmung 5. Funktionsergebnisse im Fahrzeug 2

3 1. EINLEITUNG 3

4 Wesentliche Optimierungen im Technologiepaket BMW TwinPower Turbo 4

5 2. ABGASTURBOAUFLADUNG 5

6 TURBO AUSFÜHRUNG 4 und 6 Zylinder Reihenmotor Mono-ATL System V-Motor Bi-ATL System mit Twinscroll Ausführung (Flutentrennung) V8-Motor zusätzlich zylinderbankübergreifende Abgaskrümmer für gleiche Zündabstände 6

7 ATL Module für TwinPower Turbo 2,0l R4 3,0l R6 4,0l bzw. 4,4l V

8 TURBO PRO/KONTRA erhöhter Sauerstoffgehalt durch Vorverdichtung keine Energie zum Ansaugen nötig Verzögerter Light-Off (Anspringtemperatur) des Katalysators 8

9 3. ANFORDERUNGEN & GESETZE 9

10 GESETZE US LEV II (Low Emission Vehicle) PM (Partikelmassengrenzwert) von 10 1mg/mi SULEV II (Super Ultra Low Emission Vehicle) gültig in Kalifornien, weiteren US-Bundesstaaten PZEV (Partial Zero Emission Vehicle) Zulassung durch: Einhaltung SULEV-Abgasgrenzwerte 15 Jahre Meilen LEV III weitere Verschärfung ab Modelljahr

11 LEV III Flottengesetzgebung 11

12 GESETZE EU EU 5 (aktuell) PM erstmalig auch für Ottomotoren EU 6b ab 2014 zusätzlicher Grenzwert neben PM für Partikelanzahl direkteinspritzender Ottomotoren EU 6c ab 2017 weitere Absenkung von PM Real Driving Emissions in Diskussion ab 2017 mobile Abgasmeßtechnik im Fahrbetrieb 12

13 Emissionsentstehung in FTP-75 und NEFZ 13

14 URSACHEN A. NOx- und HC-Emissionen hohes Rohemissionsniveau durch ungünstige Verbrennungsrandbedingungen bei nicht betriebswarmen Motor geringe Konvertierung des Katalysators bis Light-Off Temperatur durch Wärmesenke zw. ATL-Eintritt und Kat-Eintritt B. Partikelemissionen (PN) Katalysatorheizstrategie mit zündungsnaher zweiter Einspritzung, dadurch inhomogenes Kraftstoff-Luft-Gemisch mit lokalen fetten Zonen 14

15 4. POTENTIALE 4.1.MOTORSTART 15

16 ZIELE UND STELLGRÖßEN Ziel HC-Emissionen reduzieren DoE (Design of Experiments) der Stellgrößen: Einlassventilhub, Zündwinkel, Einspritzmenge, Einspritzlage, Anzahl der Einspritzungen

17 VANOS & VALVETRONIC Problem Geringe Brennraumwandtemperaturen erschweren Gemischaufbereitung im Kaltstart Geringes Ladungsbewegungsniveau durch niedrige Drehzahl Füllungsverluste durch spätem Einlass-Schließt bei Einlass-VANOS Stellung VANOS/VALVETRONIC Teilhub ermöglicht verkürzte Einlass-Öffnungsdauer, frühen Einlass-Schließt Zeitpunkt dadurch Rückströmen angesaugter Frischluft vermieden, hohe Zylinderbefüllung, unterstütze Gemischhomo-genisierung

18 Einfluß Einlassventilhub als Voll- und Teilhub im Start auf Zylinderfüllung bei VALVETRONIC

19 Einfluß verschiedener Einlassventilhübe im Start auf den indizierten Druck (indizierte Arbeit) bei der ersten Verbrennung

20 EINSPRITZSTRATEGIE START Homogenstart konventionell Einspritzung im Ansaugtakt gut homogenisiertes Gemisch zum Zündzeitpunkt!!! HDST (Hochdruckschichtstart) Einspritzung im Kompressionstakt bessere Gemischaufbereitung durch erhöhte Brennraumtemperaturen HC 30% gesenkt durch Verschiebung der Magerlaufgrenze geringe Penetration des Kraftstoffsystems und reduzierte Wandbenetzung durch Zweifach- Einspritzung

21 Potenzial der Einspritzstrategie im Motorstart zur Absenkung der HC-Emissionen im HDST

22 4. POTENTIALE 4.2.KATALYSATORHEIZBETRIEB 22

23 ZWEIFACHEINSPRITZUNG Einsatz magerer Katalysator-Heizbetrieb mit Zweifach-Einspritzung Erste Einspritzung Haupteinspritzung: Erzeugung eines homogenen mageren Grundgemisches Zweite Einspritzung Zündeinspritzung nach Zündzeitpunkt: Stabilisiert everbrennung durch Turbulenzerhöhung im bereits entflammten mageren Grundgemisch Nachreaktion mit O2-Überschuß im Abgas Anhebung der Abgastemperatur Reduzierung HC- und CO-Emissionen

24 EINSPRITZDRUCK Erhöhung des Einspritzdruckes von bar Reduzierung der Partikelemissionen durch bessere Zerstäubung erhöhte Wandbenetzung und steigende HC-Emissionen durch größere Strahleneindringtiefe Kompensierung durch Erhöhung interne AGR-Raten durch VALVETRONIC* & BIVANOS* bessere Kraftstoffverdamfung und Gemischaufbereitung durch Zunahme der Ladungstemperatur durch Restgasgehalt, sodass niedrigere HC- und Patikelemissionen NOx-Vorteil durch langsamere Verbrennungen reduzierter Spitzentemperatur insgesamt spätere Schwerpunktlage der Verbrennung führt zur Erhöhung der Abgastemperatur

25 Optimierung der Katalysatorheizstrategie

26 Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch VALVETRONIC und Wirkung der Ladungsbewegungsmaßnahmen Phasing + Masking

27 Katalysatorheizbetrieb BMW Twinpower Turbo im Wettbewerbsvergleich

28 4. POTENTIALE 4.3. KLEINSTMENGENFUNKTIONALITÄT & ZÜNDEINSPRITZUNG 28

29 Kleinstmengenfunktionalität

30 Einfluss der Zündeinspritzmenge auf die Partikelemission im Katalysatorheizbetrieb

31 OPTIMIERTE EINSPRITZUNG geringere Eindringtiefe Vermeidung der Kolbenwandbenetzung kein Rußleuchten Rohemissionssenkung

32 Mehrlochinjektor mit lasergebohrten Spritzlöchern

33 4. POTENTIALE 4.4.ABGASWÄRMEVERLUSTE & KATALYSATORANSTRÖMUNG 33

34 ABGASWÄRMEVERLUST Problem: Ziel: Lösung: Verlust durch Wärmesenke zw. ATL-Eintritt und Kat-Eintritt (Expansion Turbine & Oberfläche Turbinenschnecke) von 300 K Minimierung schneller Katalysator-Light-Off niedrige Abgasemission Wastegate Steigerung Abgasstrom an Turbine vorbei direkt zum Katalysator Katalysatoranströmung optimiert theoretisch um 200K praktisch um 220K

35 Optimierung Wastegast-Ports & Maximierung Wastegate-Öffnung

36 CFD Optimierung Katalysatoranströmung & Vergleich Abgastemperatur

37 Abgastemperaturverläufe im Katalysatorheizbetrieb

38 5. ERGEBNISSE 38

39 Basis 100% ATL -40% Kat -60% Einspr. -50% Wirksamkeit der Einzelmaßnahmen zur Erreichung des SULEV- Grenzwertes

40 Potenzial einer Einspritzdruckerhöhung zur Erfüllung zukünftiger RDE Partikelanzahl-Limits

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