WEITERENTWICKLUNG DES OTTOMOTORS

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

3 Verbrauchsreduzierung Technologien für Ottomotoren Technologien zur Verbrauchsreduzierung Lastpunktverschiebung verbesserter Motorwirkungsgrad Volllast-Anhebung/ Downsizing drosselfreie Laststeuerung Zylinderabschaltung Ladungsverdünnung Reibungsreduzierung Reduzierung der Ladungswechselverluste und / oder Verbesserung der Eigenschaften des Arbeitsgases LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 3

4 Anforderungen an Ventilhubverläufe Betriebsanforderung - Leerlauf - Teillast / Vollast - Kaltstart / Warmlauf - Instationärbetrieb Motorische Zielgröße - Verbrauch - Drehmoment - Leistung - Emissionen - Laufruhe Prozeßtechnische Anforderung - verlustarmer LDW - Ladungsbewegung - Zusammensetzung der Zylinderladung - Klopffestigkeit - Füllung Prinzip der Variabilität Anforderung an Ventilhubverläufe - Ventilüberschneidung - Teilhub - VAS / ZAS - Hub + ES variabel - FES, SES, SEÖ - Fülligkeit - Phasensteller - variable Öffnungsdauer - schaltbare Hubverläufe - kontinuierliche Hubänderung - variables Öffnen / Schließen LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 4

5 Variationsmöglichkeiten Ventilhub Ventilhub Ventilhub Ventilhub Phasenlage Öffnungsdauer Kurbelwinkel Ventilhub Kurbelwinkel Ventilhubfunktion Kurbelwinkel Kurbelwinkel LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 5

6 Verbrauchsreduzierung durch VVT Technologien zur Verbrauchsreduzierung verbesserter Motorwirkungsgrad verbesserte Volllast drosselfreie Laststeuerung Möglichkeiten: Verringerung der Ladungswechselverluste durch Verdrängerregelung statt Drosselregelung bei Ottomotor (Drosselklappenfreie Laststeuerung) Verbesserung der Gemischaufbereitung und der Verbrennung durch Ladungsbewegung (z.b. Drall durch Abschaltung eines von zwei Einlassventilen bei Vierventilmotoren) Lastpunktverschiebung durch Zylinderabschaltung Reibungsreduzierung (geringere Anzahl von Ventilen betätigen, oder Ventilhub reduzieren) Lastpunktverschiebung Zylinderabschaltung Ladungsverdünnung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 6

7 Lastregelung des Hubkolbenmotors Für Teillastbetrieb muss die Lastabgabe unterhalb der Volllast eingestellt werden. Leistungsgleichung P inp P P e e e i n e me e G V G V H G l L V st H L st Hu 1 Hu 1 Bezeichnungen ρ G Gemischdichte im Zylinder beim Schließen des Einlassventils η e effektiver Wirkungsgrad V G Volumenstrom des zugeführten Gemischs H u unterer Heizwert des Kraftstoffs i Taktzahl L st stöchiometrischer Luftbedarf des Kraftstoffs λ Luft-Kraftstoffverhältnis λ l Luftaufwand n Motordrehzahl p me effektive Mitteldruck P e effektive Leistung Motorhubraum V H Quantitätsregelung: - Gemischmassenstrom verringern Qualitätsregelung: - Luftverhältnis zu größeren Werten (Luftüberschuß) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 7

8 Möglichkeiten zur Quantitätsregelung Lasteinstellung durch Quantitätsregelung ( V G G) Gemischdichte ( G ) Volumenstrom (Verdrängerregelung) ( V G ) Ventilsteuerung Motorgeometrie Zylinderzahl Ansaugtemperaturregelung Ansaugdichteregelung Kurbeltriebkinematik LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 8

9 Drosselung und Verdrängerregelung Zylinderdruck Variable Ventiltriebe können die Zeitdauer, in der durch den Kolben im Volumen veränderliche Zylinder mit den Ladungswechselleitungen verbunden sind, variieren Verdrängersteuerung p u Verluste p u Drosselsteuerung Verdrängersteuerung (hier: Früher-Einlass-Schluss) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 9

10 Drosselung und Verdrängerregelung Laststeuerung mit VVT nutzt immer zwei Wirkmechanismen Drosselung Steuerung des Verdrängeranteils Drosselanteil sollte klein sein / unterstützt aber mechanische Kraftstoffaufbereitung bei Saugrohreinspritzung p u Verdrängerregelung (hier: Früher-Einlass-Schluss) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 10

11 Drosselklappenfreie Laststeuerung Steuerungsstrategien variabler Ventiltriebe (Beispiele) Hubreduzierung (HR) Ventilhub Spätes Einlaß-Öffnen (SEÖ) Ventilhub Auslaß Einlaß Auslaß Einlaß Früher Einlaß-Schluß (FES) Ventilhub Später Einlaß-Schluß (SES) Ventilhub Auslaß Einlaß Auslaß Einlaß Kurbelwinkel Kurbelwinkel LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 11

12 Lastregelungsverfahren Drosselung Frühes-Einlaß-Schließt Spätes-Einlaß-Schließt EO : Auslaß-Öffnet IO : Einlaß-Öffnet EC : Auslaß-Schließt IC : Einlaß-Schließt LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 12

13 Früher-Einlass-Schluß (FES) Früher Einlaß-Schluß (FES) Ventilhub p u Auslaß Einlaß Wirkungsweise: Kurbelwinkel Frischgemisch wird ungedrosselt (bei Umgebungsdruck) in der Expansionsphase des Kolbens angesaugt. das Einlassventil schließt, wenn die vorgesehene Ladungsmasse in den Zylinder eingeströmt ist. Der Zeitpunkt des Einlass-Schließens liegt vor dem unteren Totpunkt der Kolbenbewegung (UT) polytrope Expansion des eingeschlossenen Gases von ES bis zum UT Arbeit der Ladungswechselschleife wird deutlich reduziert LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 13

14 Spätes-Einlass-Schliessen (SES) Später Einlaß-Schluß (SES) Ventilhub Auslaß Einlaß Wirkungsweise: Kurbelwinkel während des Ansaughubs wird das Frischgemisch ungehindert angesaugt nach UT wird die für die notwendige Füllung zuviel angesaugte Ladungsmasse wieder in das Saugrohr zurück geschoben die polytrope Kompression beginnt nach dem Schließen der Einlassventile. Da insbesondere bei niedrigen Drehzahlen die Strömungsverluste an den offenen Ventilen sehr gering sind, verläuft die Ladungswechselschleife im p-v-diagramm näherungsweise horizontal auf dem Niveau des Umgebungsdrucks. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 14

15 Atkinson-Cycle Entdrosselung durch späten Einlass-Schluss exhaust intake intake (late) valve lift. intake Push back crank angle in deg CA LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 15

16 Spätes-Einlass-Öffnen (SEÖ) Spezielle Strategie für Motorstart (Otto und Diesel) Vorteile: Erhöhung der Ladungsbewegung sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten sehr gute Gemischaufbereitung Erhöhung der Ladungstemperatur durch die Einströmverluste Nachteile geringe Öffnungsdauer (geringer Zeitquerschnitt) erfordert schnelle Ventilsteuerung hohe Ladungswechselverluste Spätes Einlaß-Öffnen (SEÖ) Auslaß Ventilhub Einlaß LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 16

17 Hubverringerung Hubreduzierung (HR) Ventilhub Auslaß Einlaß LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 17

18 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 Die Reduzierung der aktuell aufzuwendenden Ventilkräfte führt zu einer Reduzierung der Motorreibung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 18

19 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 2015, Kapitel 2b, Folie 19

20 Restgassteuerung durch VVT Verbrauchsreduzierung durch Ladungsverdünnung AGR-Ventil AGR-Leitung äußere AGR Einlaßventil Auslaßventil Frischgasstrom ER BR AR Abgasstrom LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 20

21 Möglichkeiten der Abgasrückführung Einschluss von Restgas (BR), durch Verhindern des Ausschiebens des Gases interne, einlassseitige Abgasrückführung (ER) durch Ausschieben von Abgas in den Einlasstrakt und nachfolgendes Ansaugen dieses Abgases interne, auslassseitige Abgasrückführung (AR) durch Rücksaugen aus dem Auslasstrakt externe Abgasrückführung über eine Verbindung zwischen Auslass- und Einlasstrakt LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 21

22 Zylinderdruck Abgasrückführungsverfahren Zylinderdruck Zylinderdruck Einlasskanalrückführung Auslasskanalrückführung Brennraumrückführung Z y lin d e rd ru c k AS EÖ ES AÖ Z y lin d e r d r u c k EÖ ASES AÖ Z y lin d e r d r u c k EÖ AS ES AÖ V O T Zylinderhubvolumen Zylinderhubvolumen V U T V O T Zylinderhubvolumen V U T V O T V U T Zylinderhubvolumen LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 22

23 Einteilung der variablen Ventiltriebe Variable Ventilsteuerungen ohne Einfluss auf Hubkurve mit Einfluss auf Hubkurve Phasensteller Umschalten zwischen diskreten Hubkurven kontinuierliche Hubkurvenveränderung Schalt-Tassenstößel mehrdimensionale Nocken Honda VTEC mit Nockenwelle ohne Nockenwelle mechanische Zwischenglieder Rastkurvengetriebe (z.b. BMW Valvetronic) Additionsgetriebe (z.b. Meta VVH System) usw. Absteuerung ( lost motion ) hydraulische Absteuerung pneumatische Absteuerung elektromechanischer Ventiltrieb elektrohydraulischer Ventiltrieb LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 23

24 Nockenwellen-Phasensteller (VCP) Möglichkeiten zur Änderung der Phasenlage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle: Stellelement mit Stator und Rotor Veränderung der Länge des Lasttrums der Zugmitteltriebe VCP = variable cam phasing LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 24

25 Motor mit Nockenwellenversteller Nockenwellenversteller mit Schrägverzahnung Schrägverzahnung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 25

26 Nockenwellenversteller, Flügelzellentyp Geregelte Stellung Ausgangsstellung Verstellbereich: < 60 KW Verstellzeit: 0,4... 0,5 KW/ms LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 26

27 Motor mit Nockenwellenversteller Nockenwellenversteller mit Flügelzellen Quelle: Delphi LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 27

28 VCP mit Änderung der Zugtrumlänge Lage der Führungsschiene wird verändert LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 28

29 Einteilung der variablen Ventiltriebe Variable Ventilsteuerungen ohne Einfluß auf Hubkurve mit Einfluß auf Hubkurve Phasensteller Umschalten zwischen diskreten Hubkurven kontinuierliche Hubkurvenveränderung Schalt-Tassenstößel mehrdimensionale Nocken Honda VTEC mit Nockenwelle ohne Nockenwelle mechanische Zwischenglieder Rastkurvengetriebe (z.b. BMW Valvetronic) Additionsgetriebe (z.b. Meta VVH System) usw. Absteuerung ( lost motion ) hydraulische Absteuerung pneumatische Absteuerung elektromechanischer Ventiltrieb elektrohydraulischer Ventiltrieb LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 29

30 Verriegelung von Schlepp-/Kipphebeln Ventilhub Honda VTEC Nocken Druckölleitung Schlepphebel Ventilhub Verriegelungsbolzen Kurbelwinkel LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 30

31 Funktionsprinzip: Honda VTEC entriegelter Zustand verriegelter Zustand Hebel werden durch Bolzen verriegelt kleinere Hubkurve muss vollständig innerhalb der größeren liegen leer bewegte Hebel arbeiten gegen eine lost motion Feder LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 31

32 Schaltbare Kipp-/Schlepphebel Mitsubishi MIVEC Ventilbetätigung für zwei Nockenprofile und Zylinderabschaltung INA Schlepphebel für zwei Nockenprofile LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 32

33 Schalttassenstößel VarioCam Plus Ventiltrieb - Porsche 911 Turbo Porsche: 80% des Potentials eines völlig variablen Ventiltriebs für Mehrkosten < 50% LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 33

34 Schaltbarer Ventilhub Schaltbarer Hub Zylinderabschaltung 2-stufiger Hub für Volllastverbesserung 2-stufiger Hub für Verbrauchsreduzierung Ventilabschaltung Ventil LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 34

35 Ventilhubfunktionen 2-stufiger Hub Beispiel: VarioCam Plus Valve Train Porsche Turbo Quelle: MTZ , Porsche LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 35

36 Steuerzeiten im Kennfeld Beispiel: VarioCam Plus Valve Train Porsche Turbo Quelle: MTZ , Porsche LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 36

37 Schalttassenstößel LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 37

38 Schalttassenstößel, Funktion LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 38

39 Schaltbare Abstützelemente Schlepphebel System schaltet zwischen Normal- und Nullhub! LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 39

40 Schiebenocke Audi AVS Quelle: LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 40

41 Audi AVS Steuerstift elektromagnetisch ausfahrbar Kurvenbahn verschiebt den Nocken während der Grundkreisphase LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 41

42 Einteilung der variablen Ventiltriebe Variable Ventilsteuerungen ohne Einfluß auf Hubkurve mit Einfluß auf Hubkurve Phasensteller Umschalten zwischen diskreten Hubkurven kontinuierliche Hubkurvenveränderung Schalt-Tassenstößel mehrdimensionale Nocken Honda VTEC mit Nockenwelle ohne Nockenwelle mechanische Zwischenglieder Rastkurvengetriebe (z.b. BMW Valvetronic) Additionsgetriebe (z.b. Meta VVH System) usw. Absteuerung ( lost motion ) hydraulische Absteuerung pneumatische Absteuerung elektromechanischer Ventiltrieb elektrohydraulischer Ventiltrieb LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 42

43 Mehrdimensionale Nocken LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 43

44 Mehrdimensionale Nockenwelle Längsverschiebung der Nockenwelle unterschiedliche Profile werden von der Nocke abgegriffen Vorteile: einfacher Aufbau mit wenig Teilen simultane Verstellung aller Ventilerhebungen eines Reihenmotors Nachteile: hohe Flächenpressungen aufwendige Verschiebung der gesamten Nockenwelle hohe axiale Haltekräfte hohe Anforderung an die Fertigungsgenauigkeit Einfluss von unterschiedlichen Wärmedehnungen der Nockenwelle und des Zylinderkopfs auf Hub LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 44

45 Einteilung der variablen Ventiltriebe Variable Ventilsteuerungen ohne Einfluß auf Hubkurve mit Einfluß auf Hubkurve Phasensteller Umschalten zwischen diskreten Hubkurven kontinuierliche Hubkurvenveränderung Schalt-Tassenstößel mehrdimensionale Nocken Honda VTEC mit Nockenwelle ohne Nockenwelle mechanische Zwischenglieder Rastkurvengetriebe (z.b. BMW Valvetronic) Additionsgetriebe (z.b. Meta VVH System) usw. Absteuerung ( lost motion ) hydraulische Absteuerung pneumatische Absteuerung elektromechanischer Ventiltrieb elektrohydraulischer Ventiltrieb LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 45

46 Variables Hebelverhältnis Variable Ventilsteuerung nach L. Renault, 1902 LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 46

47 Rastkurvengetriebe Viergliedriges Rastkurvengetriebe: delta-st Steuerung Rastabschnitt LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 47

48 BMW Valvetronic: Rastkurvengetriebe (1) kontinuierliche Phasensteller (2) Rastkurvengetriebe LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 48

49 Funktionsschema der BMW Valvetronic LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 49

50 BMW Valvetronic, Prinzip BMW AG LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 50

51 Ventilhubkurven der BMW Valvetronic Ventilhub Einlaß Auslaß UT OT UT Das Rastkurvengetriebe vermindert nur den Hub und die wirksame Öffnungsdauer Nockenwellen-Phasenversteller notwenig, um eine System zur drosselfreien Laststeuerung nach FES (Früher-Einlass-Schluss) darzustellen LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 51

52 BMW Valvetronic: Ventilhubkurven LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 52

53 BMW Valvetronic, Hubkurve BMW AG LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 53

54 Additionsgetriebe zur var. Ventilsteuerung Meta VVH System Gleitbahn Öffnungsnockenwelle Schließnockenwelle Gabelschlepphebel Rollenpaket LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 54

55 Variable Einlassventilsteuerung Meta VVH System Phasensteller Meta VVH Ventiltrieb LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 55

56 Nockenhub Ventilhub Variable Einlassventilsteuerung Meta VVH System: Kinematik Öffnungsnockenwelle Schließnockenwelle (phasenverstellbar) Kurbelwinkel LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 56

57 Meta VVH System, Aufbau META Motoren- und Energietechnik GmbH LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 57

58 Meta VVH System Ventilhubkurven 10 8 Einlaß-Öffnen Einlaß-Schluß VVT Ventilhub in mm 6 4 Basis VVT (2000 1/min, p me = 2 bar) Kurbelwinkel in KW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 58

59 Ladungswechsel Vergleich Meta-Ventilsteuerung und Drosselmotor VVT: p m,lw = - 0,47 bar Basis: p m,lw = - 0,68 bar n = /min; p me = 2 bar LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 59

60 Ladungswechselarbeit Mechanisch variabler VVT Früher Einlass-Schluss Ladungswechselarbeit in bar LW - Wirkungsgrad in % 0,7 0,6 0,5 0,4-26% ,2% +14,2 % 0,3-74% 80 0,2 0, Basis VVT BDE 70 Basis VVT BDE n = /min; p me = 2 bar LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 60

61 Meta VVH System p me in bar Ventilhubkennfeld zur Laststeuerung mm 10 mm entdrosselter =1 Betrieb 4 2 1mm 2 mm Drehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 61

62 Wirkungsgradgewinn Entdrosselung Höchste MVEG-Last Drehmoment in Nm % 6% 20 70km/h 9% 9% 50km/h 0~20% Drehzahl in 1/min 120km/h LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 62

63 Reibungsverluste Zylinderkopfreibung Meta-Ventilsteuerung 0,3 Reibmitteldruck in bar 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 VVT: 1 mm Hub X18XE Drehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 63

64 Verbrauchsverbesserung [%] Verbrauchspotential mechanisch variabler Ventiltriebe 2000 U/min 0 10 Einlaßphasenschieber + Hubumschaltung 20 Kontinuierliche Hubverstellung + 2 Phasenschieber (SAE ) 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 Quelle: Fraidl, Eff. Mitteldruck [bar] LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 64

65 Verbrauchsreduzierung im Fahrzeug Vergleich Benzindirekteinspritzung (geschichtet) und VVT 100 Verbrauchsreduzierung in % (MVEG-B Testzyklus) 95-7% -10% Basis VVT BDE Opel Vectra B VVT: 1,8 l - 4V BDE: 2,0 l - 4V LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 65

66 Verbrauchsreduzierungspotential Laststeuernde Var. Ventilsteuerung auf Einlaßseite Einfluß der Motorauslastung Verbrauchsreduzierung. 25 % MVEG-B Testzyklus Emissionsgrenzwerte: EG IV Basis: stöchiometrischer Ottomotor mit moderater Abgasrückführrate (etwa 10 bis 15 % AGR) Variable Einlaßventilsteuerung 1,0 l 4V 2,0 l 4V 3,0 l 4V im Corsa im Vectra im Omega 0 Nm 0,09 0,12 0,15 M 0,18 0,21 max kg fahrzeugspezifisches Motormoment m Fahrzeug Verbesserte Elastizität (Beschleunigung km/h) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 66

67 Mechanisch variable Ventilsteuerung Vorteile + Hub und Steuerzeiten variabel. + Verringerung der Ladungswechselverluste. + gute Gemischbildung und Verbrennung durch variablen Hub. + gleichmäßigeres, höheres Volllastdrehmoment. + verbesserte Reibung bei kleinen Ventilhüben. + Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs (4-9%). LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 67

68 Mechanisch, variable Ventilsteuerung Aufwand, Nachteile aufwendigere Zylinderkopfkonstruktion (Package) höhere Berechnungs- und Simulationsanforderungen höhere Anforderungen an die Zylinderkopf-Fertigung (Toleranzen, Montage, Grundeinstellung, Werkstoffe) Serviceanforderungen (Demontage, Einstellung) höhere Reibung bei großen Ventilhüben durch komplexere Mechanik. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 68

69 Elektrohydraulische Ventilsteuerung Mit Nockenwelle LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 69

70 Funktionsprinzip elektrohydr. VT Konventionelle Nocke Geberkolben Druckkammer Steuerventil Nehmerkolben Einlaßkanal Konventionelle Nocke betätigt den Geberkolben Bei geschlossener Druckkammer wird die Bewegung des Geberkolbens entsprechend der hydraulischen Übersetzung auf den Nehmerzylinder übertragen Elektrisches Steuerventil öffnet die Druckkammer Der Hub des Nehmerzylinders wird durch das abgelassene Öl reduziert. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 70

71 Ventilhübe bei elektrohydr. Ventiltrieb Mögliche Ventilhubverläufe mit vorzeitigem Absteuern verspätetem Öffnen Maximalventilhub immer vor maximalem Nockenhub Ventilhub Nachteile Bauaufwand Kurbelwinkel hohe Energieverluste durch Ablassen des Drucköls aus dem Druckraum ( lost motion ) deshalb: bis 2,5 faches Antriebsmoment der Nockenwelle LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 71

72 Valve Lift Driving Current UNIAIR SYSTEM - ACTUATOR OPERATING PRINCIPLE Oil chamber Solenoid valve Cam Accumulator Piston F1 F1 F1 F2 F2 F Flexible valve lift control Hydraulic Brake Intake 0 Valve Crank Angle LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 72

73 Einteilung der variablen Ventiltriebe Variable Ventilsteuerungen ohne Einfluß auf Hubkurve mit Einfluß auf Hubkurve Phasensteller Umschalten zwischen diskreten Hubkurven kontinuierliche Hubkurvenveränderung Schalt-Tassenstößel mehrdimensionale Nocken Honda VTEC mit Nockenwelle ohne Nockenwelle mechanische Zwischenglieder Rastkurvengetriebe (z.b. BMW Valvetronic) Additionsgetriebe (z.b. Meta VVH System) usw. Absteuerung ( lost motion ) hydraulische Absteuerung pneumatische Absteuerung elektromechanischer Ventiltrieb elektrohydraulischer Ventiltrieb LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 73

74 Elektrohydr. Ventiltrieb ohne Nockenwelle LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 74

75 Elektromechanische Ventilsteuerung Quelle: BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 75

76 Elektromechanischer Ventiltrieb FEV Motorentechnik GmbH LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 76

77 Aufbau: Elektromechanischer Ventiltrieb Schließt-Position Aktuator-Feder Mittellage Öffnet-Position Schließer-Magnet Ventil-Feder Anker Öffner-Magnet Ventil Quelle: FEV LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 77

78 Elektromechanische Ventilsteuerung Freischwinger im Magnetfeld Magnete fangen das Ventil in den Endlagen ohne Magnetkraft: freie, durch Reibung abklingende Schwingung System muss vor Motorstart elektromagnetisch angeschwungen werden (voller Freigang der Ventile gegen den Kolben!!!) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 78

79 Aufbau des Aktuator für den EMV FEV Motorentechnik GmbH LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 79

80 Funktionsprinzip des EMV FEV Motorentechnik GmbH LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 80

81 Ventilerhebungskurve EMV Ventilhub Einlaß-Ventil Auslaß-Ventil Lastregelung Einlaß-Ventil-Schließt UT OT UT Restgassteuerung, Ladungsbewegung Einlaß-Ventil-Öffnet Auslaß-Ventil-Schließt UT OT UT LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 81

82 Betriebsstrategien eines EMV p me in bar Ventile (2E + 1A) 2 V 2 Zyl. + 2 V 4 Zylinder 4 Ventile/Zylinder 2 Zylinder 12-Takt-Betrieb Drehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 82

83 Betriebsstrategien eines EMV Mögliche Betriebsstrategien Ventilstilllegung zur Reduzierung des Antriebsaufwandes ( m ) Zylinderabschaltung durch Geschlossenhalten der Einund Auslassventile 8- und 12-Taktbetrieb = Aussetzen der Zündung und des Ladungswechsels für ein oder 2 Arbeitsspiele LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 83

84 Elektromechanischer Ventiltrieb Vorteile Kraftstoffverbrauchsreduzierung variable Steuerzeiten für jedes Ventil unabhängig regelbar nahezu vollständige Eliminierung der Ladungswechselverluste ist möglich über "Software" applizierbar im Kennfeld: Ventildeaktivierung Zylinderdeaktivierung 12-Takt-Betrieb gleichmäßigeres höheres Volllastdrehmoment. Entfall des NW-Antriebs LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 84

85 Elektromechanischer Ventiltrieb Nachteile Ventilhub nicht variabel! verschlechterte Gemischbildung und Verbrennung (Verbrauch, Abgas) Ventilaufsetzgeschwindigkeit kritisch (Verschleiß, Geräusch) hoher Regelungsaufwand (10 fache Rechenleistung heutiger Motorsteuerungssysteme) hohe elektrische Leistungsaufnahme (ca. 2000W bei n max ) voller Ventilfreigang gegen den Kolben notwendig (Startvorgang, Sicherheit)!! großer Applikationsaufwand Geräuschemission des Aktuators LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 85

86 Zylinderabschaltung Beispiel: GM Small Block V8 LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 86

87 Zylinderabschaltung Wirkprinzip Technologien zur Verbrauchsreduzierung verbesserter Motorwirkungsgrad Variabler Motorhubraum: Verschiebung des Teillast-Betriebspunkts des Motors zu höheren Lasten bei gleicher Drehzahl durch Reduzierung der Anzahl der arbeitenden Zylinder Entfall des Ladungswechsels der abgeschalteten Zylinder Entdrosselung der arbeitenden Zylinder Stöchiometrischer Motorbetrieb kann beibehalten werden (geringes Emissionsrisiko, da Dreiwege- Katalysator!) Gleiche Zündabstände aus Komfortgründen erforderlich Lastpunktverschiebung verbesserte Zylinder- drosselfreie Volllast abschaltung Laststeuerung Ladungsverdünnung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 87

88 Zylinderabschaltung Betriebsbereich im Motorkennfeld (Bsp: 2l Vierzylinder) 200 Drehmoment in Nm Zylinder Volllast Zeitdauer für Schaltvorgang Hubraum: 2 l Drehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 88

89 Zylinderabschaltung Grundsätzlich Möglichkeiten der Abschaltung Zündungsabschaltung Abschaltung der Kraftstoffzufuhr Abschalten der Frischgaszufuhr und Kraftstoffeinspritzung vollständige Abschaltung des Ladungswechsels und der Kraftstoffeinspritzung mechanisches Abkoppeln von Zylindern LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 89

90 Zylinderabschaltung L4 L6 V6 V8 V10 V12 sinnvoll bei Motoren mit gerader Zylinderzahl ab vier Zylindern In Funktion läuft der Motor mit der halben Zylinderzahl. Die verbleibenden Zylinder haben gleichmäßigen Zündabstand Bei geeigneten Vorkehrungen kann im Übergangsbereich auch mit ungeraden Zylinderzahlen gefahren werden, um das volle Potential auszuschöpfen z.b 4 Zylinder z.b 6 Zylinder z.b 8 Zylinder Im Schubbetrieb wird mit halber Zylinderzahl gefahren, um das Motor-Bremsmoment zu minimieren LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 90

91 Zylinderabschaltung Zylinderdruck für versch. Schaltstrategien 14 EV geschlossen Zylinderdruck in bar EV und AV geschlossen 2 AV Öffnung EV-Öffnung Kurbelwinkel in KW Werden nur die Einlassventile abgeschaltet, pumpt der Zylinder über die Auslassventile Abgas LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 91

92 Zylinderabschaltung Zeitlicher Verlauf der Tangentialkraft LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 92

93 Zylinderabschaltung Timing des Schaltvorgangs Innerhalb eines Arbeitsspiels muß geschaltet werden schalten nur in der Grundkreis-Phase Auslaßventil zuerst abschalten und zuerst aktivieren (keine Abgase in den Saugtrakt) schnelles System bei Verwendung eines Hydraulikkreises erforderlich ca. 120 KW an Schaltzeit für 4 Zylindermaschine LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 93

94 Zylinderabschaltung für OHV 2V V-Motoren Beispiel: GM Small Block V8 Lifter oil manifold assembly (LOMA) OHV Motoren werden in hohen Stück-zahlen vor allem in den USA gebaut Vorteile: DoD control passage DoD switching lifter sehr klein/leicht/preiswert wenige Teile (nur zwei Ventile/Zylinder nur eine zentrale Nockenwelle) sehr günstiger Verbrauch (geringereibleistung) ideal für Zylinderabschaltung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 94

95 Schaltstößel für OHV Motoren Aktiviert Deaktiviert fi ppt 8/11/ LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 95

96 Schaltstoessel für OHV Motoren Durch Deaktivierung des Hydro- Stößels wird die Hubbewegung des Nockens nicht mehr auf die Stoßstangen übertragen Die Ventile bleiben geschlossen Der (die) Sperrbolzen werden durch einen getrennten Ölkreislauf aktiviert bzw. deaktiviert Bei niedrigem Öldruck ist der Stößel verriegelt Verriegelungs-Bolzen Die Aktivierung/Deaktivierungszeit beträgt 10 bis 20 ms LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 96

97 Zylinderabschaltung beim GM Vortec V8 Beispiel Elektrohydraulische Öldruckschalter Schaltstößel LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 97

98 Zylinderabschaltung bei OHV-Motoren LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 98

99 Zylinderabschaltung: VW 1,4 l Turbo Quelle: LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 99

100 Beispiel: Daimler/Chrysler V12 Zylinderabschaltung Quelle: MTZ 7/8 2000, Daimler-Chrysler LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 100

101 Verbrauchsreduzierung durch ZAS Verbrauchsreduzierung im Fahrzeug Vergleich BDE (geschichtet), VVT und ZAS 100 Verbrauchsreduzierung in % (MVEG-B Testzyklus) 95-7% -7% -10% Basis VVT ZAS BDE Opel Vectra B VVT,ZAS: 1,8 l - 4V BDE: 2,0 l - 4V LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 101

102 Zylinderabschaltung Zusammenfassung Zylinderabschaltung erlaubt hohe Verbrauchsreduzierungen in der Größenordnung von 7 % (Mittelklasse PKW mit 2 l Ottomotor) Volllast bleibt im wesentlichen unverändert Stöchiometrischer Betrieb mit Dreiwege Katalysator möglich Nachteile: Hoher Aufwand für zyklustreues Schalten Geräusch und Vibrationsnachteile Sekundärmaßnahmen an Motorlagern und Gaswechselanlage notwendig besonders geeignete Maßnahme für Motoren mit 6 oder mehr Zylindern LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2b, Folie 102

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