WEITERENTWICKLUNG DES OTTOMOTORS
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- Mathias Goldschmidt
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1 WEITERENTWICKLUNG DES OTTOMOTORS Prof. Dr. Uwe D. Grebe LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, 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 2a, Folie 2
3 Verluste des Motorbetriebs Verluste Nutzleistung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 3
4 Verluste des Motorbetriebs Nutzleistung Reibungsverluste Verbrennungsverluste Ladungswechselverluste durch gedrosseltes Ansaugen von Gemisch und Ausstoßen der Abgase LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 4
5 Verbrauch des Ottomotors Warum verbraucht der Ottomotor mehr als der Dieselmotor? Energieinhalt pro Liter des Dieselkraftstoffs ist größer: % Ladungswechsel / Drosselverluste in der Teillast Kalorische Werte des Arbeitsgases (Betrieb mit stöchiometrischem Kraftstoff- Luft-Gemisch) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 5
6 CO 2 Emission von Diesel und Otto Höherer Kohlenstoffanteil des Diesel-Kraftstoffs führt zu höheren CO 2 Emissionen bei gleichem volumetrischen Verbrauch Quelle: MTZ , BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 6
7 Ladungswechselverluste Arbeitsverluste des Ladungswechsels: Verlust an Expansionsarbeit durch Auslaß-Öffnen vor UT Verlust durch Ausschiebearbeit gegen Überdruck Verlust durch Ansaugarbeit bei Unterdruck Dieselmotor / Ottomotor in Volllast (ungedrosselt) Ottomotor in Teillast (gedrosselt) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 7
8 Ladungswechselverluste p mi in bar Drosselgesteuerter Ottomotor (p mi,lw / p mi ) * 100 % 10 2 EÖ OT AS p mi = p mi,hd - p mi,lw AÖ ES UT p mi,lw Drehzahl in 1/min Ladungswechselverluste betragen beim Ottomotor im Leerlauf bis zu 50% der indizierten Arbeit Quelle: FEV LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 8
9 Luftbedarf bei der Verbrennung Chemische Energie wird umgewandelt in: - Wärme - Kohlendioxid CO 2 - Wasser H 2 O Es entstehen ferner: Schadstoffe Quelle: Skriptum TU Darmstadt, Prof. Hohenberg LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 9
10 Luft-Kraftstoff Gemisch Ottomotorische Verbrennung (homogener Betrieb / keine Schichtung) Otto-Kraftstoff verbrennt nur innerhalb der Zündgrenzen des Luft-Kraftstoff-Gemischs 0,8 < l < 1,4 (... 1,7) Betrieb mit vorgemischtem Gas gedrosselter Motorbetrieb Spezifische Wärme des Arbeitsgases steigt mit dem Kraftstoffgehalt Ladungsverdünnung durch inerte Gase bringt Vorteile für den Ottomotor LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 10
11 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 2a, Folie 11
12 Ladungsverdünnung Mögliche Formen der Ladungsverdünnung Technologien zur Verbrauchsreduzierung Magerbetrieb Betrieb mit Luftüberschuss Abgasrückführung Lastpunktverschiebung verbesserte Zylinder- Volllast abschaltung verbesserter Motorwirkungsgrad drosselfreie Ladungs- Laststeuerung verdünnung Ladungsverdünnung Betrieb mit hohem Anteil an Verbrennungsprodukten Ladungswechselarbeit und die spezifischen Wärmen der Arbeitsgase im Zylinder werden positiv durch kurzkettige Gasmoleküle beeinflusst. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 12
13 Ladungswechselverluste Magerbetrieb (homogen) des Ottomotors 1,2 Technologien zur Verbrauchsreduzierung Lastpunktverschiebung verbesserter Motorwirkungsgrad verbesserte Volllast Zylinderabschaltung drosselfreie Laststeuerung Ladungsverdünnung bar Zylinderdruck 0,8 0,6 0,4 0,2 l = 1,5 l = 1,0 l = 1,5-0,49 bar 0 0 0,25 0,5 0,75 1 norm. Volumen V l = 1,0-0,58 bar zusätzliche Gasmasse erhöht den Druck im Saugrohr LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 13
14 Gleichraum - Wirkungsgrad Einfluss der spezifischen Wärmen Betrachtung am idealen Kreisprozeß 55 vollkommener Motor % Gleichraumverbrennung gemischansaugend 53 = 10, Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses: th 1 1 = 9,5% Technologien zur Verbrauchsreduzierung Lastpunktverschiebung verbesserter Motorwirkungsgrad verbesserte Volllast Zylinderabschaltung drosselfreie Laststeuerung Ladungsverdünnung 45 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 Luftverhältnis langkettige Moleküle nehmen mehr innere Wärme auf LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 14
15 Wirkungsgrad bei Abmagerung Magerbetrieb (homogen) des Ottomotors Technologien zur Verbrauchsreduzierung Variationskoeffizient des ind. Mitteldruckes % effektiver Wirkungsgrad 29 % Vierventil- Ottomotor S = 7 KWnOT Fahrbarkeitsgrenze Lastpunktverschiebung verbesserte Zylinder- Volllast abschaltung verbesserter Motorwirkungsgrad drosselfreie Ladungs- Laststeuerung verdünnung 0 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 Luftverhältnis Wirkungsgrad steigt bis zur Aussetzergrenze LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 15
16 Wirkungsgrad bei Ladungsverdünnung Gründe für die Wirkungsgradzunahme Änderung des Ladungswechselwirkungsgrades Entdrosselung durch Zusatzgasmasse Thermische Entdrosselung bei heißer Abgasrückführung Änderung des Verbrennungswirkungsgrades Erhöhter Polytropenexponent infolge Gaszusammensetzung und Absenkung der Spitzentemperatur Reduzierte Dissoziationsverluste des Kraftstoffes (Cracken) Reduzierte Wandwärmeverluste Angehobenes mittleres Druck- und Temperaturniveau während des Kreisprozesses aber Gleichraumgrad sinkt (Verbrennungsdauer nimmt zu) Verbrennungsschwankungen nehmen zu LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 16
17 CO in g/kwh NO x, HC in g/kwh Emissionen bei Abmagerung Rohemissionen homogener Ottomotor Wirksamkeit des Drei-Wege-Katalysators NOx Vierventil-Ottomotor homogenes Gemisch n = 2000 rpm bmep = 3 bar HC 10 5 CO Luftverhältnis GM Family 2 2.0l, konstante Verbrennungsschwerpunktlage LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 17
18 Abgasrückführverfahren AGR-Ventil AGR-Leitung Technologien zur Verbrauchsreduzierung äußere AGR Lastpunktverschiebung verbesserte Zylinder- Volllast abschaltung verbesserter Motorwirkungsgrad drosselfreie Ladungs- Laststeuerung verdünnung Einlaßventil Auslaßventil Frischgasstrom ER BR AR Abgasstrom BR brennraumseitige Rückhaltung ER einlaßseitige AGR AR auslaßseitige AGR Abgasrückführung ermöglicht Ladungsverdünnung ohne das Luftverhältnis zu verändern LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 18
19 Abgasrückführ-System Beispiel: GM Powertrain 1,6 l 4V Twinport AGR-Ventil Verteilerkanal für AGR AGR-Kanal im Zylinderkopf Abgaskrümmer Quelle: GM LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 19
20 Abmagerung und AGR-Zugabe Kurbelwinkel in KW Kurbelwinkel in KW Teillast-Massenumsatz, /min, p me = 2 bar Abmagerung ZZP Kanalabschaltung 95% Unsatz -40 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 Luftverhältnis 50% Umsatz 5% Massenumsatz -50 0,4 0,45 0,5 0,55 Brenndauer und Zündverzug erhöhen sich mit der Ladungsverdünnung Abgasrückführung 95% Umsatz ZZP Kanalabschaltung 50% Umsatz 5% Umsatz Saugrohrdruck in bar LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 20
21 Zylinderinnenströmung Effiziente und schadstoffarme Verbrennung erfordert eine intensive Strömung im Zylinder; diese ist eine Voraussetzung für homogene Ladungsverdünnung Einteilung der Zylinderinnenströmung: Ausdehnung der Zylinderinnenströmung Erzeugung der Zylinderinnenströmung Globale Ladungsbewegung (Drall, Tumble) Lokale Ladungsbewegung (Turbulenz) Einlassinduzierte Ladungsbewegung Kompressionsindizierte Ladungsbewegung Zylinderinnenströmung (Ladungsbewegung) beschleunigt die Verbrennung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 21
22 Zylinderinnenströmung Globale Ladungsbewegungsformen Unterscheidung nach Ausrichtung der Rotationsachse der Strömung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 22
23 Tumble-Erzeugung durch Einlasskanal Beispiel für Ladungsbewegung durch Einlaßströmung Tumble motion around the middle of the cylinder ( half displacement ) due to separation after the intake valve. Tumble Axis: Quelle: AVL LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 23
24 Prinzip der Kanalabschaltung Beispiel für variable Ladungsbewegung Kanal aktiviert Kanalfenster Kanal abgeschaltet Tangentialkanal Neutralkanal Drall Quelle: GM LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 24
25 Massenumsatz bei der Verbrennung Kurbelwinkel in KW Teillast: /min, p me = 2 bar % Umsatz 30 Kanalabschaltung Basis % Umsatz ZZP l = 1,0; AGR = 0% 5% Massenumsatz Zündzeitpunkt in KW vot Erhöhte Zylinderinnenströmung kompensiert die erhöhte Brenndauer und den Zündverzug! LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 25
26 Auswirkung der Kanalabschaltung Erhöhung der Ladungsbewegung Stabilisierung der Verbrennung Erhöhung der Ladungsverdünnbarkeit in Form von Abgasrückführung und/oder Abmagerung Senkung des Verbrauchs LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 26
27 Verluste der erhöhten Ladungsbew. spez. Verbrauch [g/kwh] Klappe offen, ES-saugsynchron Klappe zu, ES-saugsynchron n=2000 1/min p me =2 bar AGR - Rate [%] - erhöhter Wärmeübergang vom Gas zu der Zylinderwand - erhöhte Drosselverluste beim Ansaugen (Erzeugen der Zylinderinnenströmung) Diese Verluste müssen überkompensiert werden!! LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 27
28 rel. Füllung in % Aktivierung der Kanalabschaltung Kennfeld der Ladungsbewegungsklappe l = 1 l = 0, Schieber öffnen Schieber schließen Drehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 28
29 Ladungsverdünnung / Var. Ladungsbewegung Zusammenfassung der Eigenschaften Variable Ladungsbewegung / z.b. infolge von Kanalabschaltung ermöglicht hohe Ladungsverdünnungen; ohne Nachteile an der Volllast Beibehaltung der bewährten, preisgünstigen Saugrohreinspritzung und des Dreiwege-Katalysator bei Verdünnung mit AGR möglich Im Kleinwagensegment sind Verbrauchsreduzierungen von 3 bis 6 % im europäischen Fahrzyklus durch Kanalabschaltung in Verbindung mit hohen Abgasrückführraten möglich Verhältnis Verbrauchsreduzierung zu Kosten ist bei Kanalabschaltung sehr günstig LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 29
30 Benzindirekteinspritzung Technologien zur Verbrauchsreduzierung Lastpunktverschiebung verbesserter Motorwirkungsgrad verbesserte Volllast drosselfreie Laststeuerung Zylinderabschaltung Ladungsverdünnung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 30
31 Benzindirekteinspritzung Erste PKW-Anwendung: Goliath GP 700 von 1952??? angewandt im Zweitaktmotor um Spülverluste zu reduzieren LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 31
32 Benzindirekteinspritzung Historie Benzindirekteinspritzung (BDE) 1937 bei Flugmotoren 1951 Gutbrod Superior 600 mit 2-Taktmotor 1954 Mercedes 300SL mit 4-Taktmotor 1996 BDE mit Schichtbetrieb (z.b. MMC1,8l et al.) Generation BDE mit zentraler Injektorlage Herausforderungen bei Schichtbetrieb: Stabiles Brennverfahren bei Schichtbetrieb Neue Motorsteuerung (Momentenstruktur,..) Neue Abgasnachbehandlung (kontinuierlich, diskont.) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 32
33 Innere Gemischbildung Potentiale durch innere Gemischbildung: Innenkühlung höheres Verdichtungsverhältnis höheres Drehmoment verbesserte Kontrolle über Kraftstoffmasse im Brennraum Potential zur Ladungsschichtung Kraftstoff wird im Inneren des Zylinders zugeführt und verdampft dort LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 33
34 Anforderungen an die Einspritzung Benzindirekteinspritzung Gemischbildung: Energie zur Gemischbildung muss zu einem großen Anteil hydraulisch zur Verfügung gestellt werden (Einspritzdruck!) sehr gute Aufbereitung des Kraftstoffs durch Zerstäubung Einspritzdauer: Saugrohreinspritzung Einspritzung ist beim Viertaktmotor möglich über 2 Kurbelwellenumdrehungen: 720 KW Benzindirekteinspritzung Einspritzung zwischen Ansaugbeginn und Zündzeitpunkt < 360 KW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 34
35 Einspritzdauer Quelle: Bosch, mot LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 35
36 Gemischhomogenität Gemischbildungs- Konzepte der Benzindirekteinspritzung Direkteinspritzung bei Ottomotoren Homogenbetrieb Schicht- und Homogenbetrieb Schichtbetrieb (ungedrosselt) Verfahren (bei Schichtung) Luftgeführte Verfahren Wandgeführte Verfahren Tumble unterstützt Drall unterstützt Strahlgeführte Verfahren Air-Assist Einspritzung Hochdruckeinspritzung Art der Kraftstoffeinbringung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 36
37 Funktion der luftunterstützten BDE Quelle: LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 37
38 Hochdruck-BDE und Gemischeinblasung Gemischeinblasung hat Vorteile in der Gemischaufbereitung und Emissionsvorteile vor allem im Kaltstart das komplexe Druckluftversorgungssystem mit der Notwendigkeit hohe Massenströme bei hohen Drücken zur Verfügung zu stellen ist ein bislang technisch nicht für die Großserie gelöstes Problem Hochdruck-Direkteinspritzung hat sich bei allen Serienlösungen durchgesetzt die Gemischaufbereitung wird ständig durch Innovationen bei den Einspritzsystemen verbessert Gemischeinblasung hat sich nicht durchgesetzt LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 38
39 Hochdruck - Benzindirekteinspritzung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 39
40 Komponenten der Hochdruck-BDE Niederdruckleitung Hochdruckleitung Drucksensor Druckregler Kraftstoff- Hochdruckpumpe Kraftstoff- Verteilerrohr Einspritzventil LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 40
41 Volllastverbesserung durch BDE eff. Mitteldruck p me in bar Homogene Benzindirekteinspritzung BDE Streuband FEV 8/2002 PFI / Saugrohreinspritzung Quelle: GM Powertrain, 2.2 l Ecotec Direct Motordrehzahl in 1/min Volllast durch Innenkühlung angehoben LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 41
42 Vorteile bei homogener BDE Nutzung der Innenkühlung für - höhere Verdichtung oder - höhere Volllast bessere dynamische Kontrolle der Einspritzmenge hohe Abgasrückführraten (ähnlich Kanalabschaltung und AGR) möglich LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 42
43 BDE mit Ladungsschichtung Thermodynamische Vorteile Entdrosselung des Ladungswechsels Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses thermodynamisch günstigere Gaszusammensetzung reduzierte Wandwärmeverluste verbessertes Instationärverhalten infolge der fehlenden Wandfilmproblematik Absenkung der Leerlaufdrehzahl Grüner Text weist auf die Eigenschaften bei Ladungsschichtung hin. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 43
44 Einteilung der Brennverfahren Geschichtete Benzindirekteinspritzung - Genaue Positionierung Einspritzstrahl zu Zündkerze erforderlich - Hohe Beanspruchung der Zündkerze Gemisch wird über Ladungsbewegung zur Zündkerze geführt Tumble - generierte Stömung Drall - generierte Strömung Quelle: Bosch LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 44
45 Homogenbetrieb / Ladungsschichtung Homogene Ladung Schichtladung Einspritzzeitpunkt: ca. 30 nach o.t. Einspritzzeitpunkt: ca. 70 vor o.t. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 45
46 Beispiel: Audi 2.0 FSI Luftgeführtes, Tumbleunterstütztes Brennverfahren LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 46
47 Audi FSI Brennverfahren Kolbenform Quelle: Audi LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 47
48 Tumbleunterstütztes, luftgeführtes Brennverfahren Zylinderinnenströmung VW Quelle: Audi, VW, mot LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 48
49 Audi FSI Brennverfahren Lenkung des Gemischs zur Zündkerze 55 KW v.ot 45 KW v.ot 30 KW v.ot Quelle: Audi LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 49
50 Geschichtetes Brennverfahren Tumblesteuerung Quelle: Audi LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 50
51 Beispiel: Drallunterstütztes Brennverfahren Drallunterstütztes, wandgeführtes Brennverfahren LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 51
52 Drallunterstütztes BDE Brennverfahren Einlaßkanalkonzept für erhöhte Ladungsverdünnung Drallklappe geschlossen Drallklappe offen Füllungskanal Drallklappe geschlossen Tangentialkanal Schubstange Drallklappe offen Stellmotor (kontinuierlich) Drall Einspritzdüse im Brennraum Tumble Teillast / Volllast Volllast Quelle: Fiat-GM Powertrain, 2.2 l Ecotec Direct LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 52
53 Kolbenkonstruktion Muldenkolben Verdichtung 12,2 : 1 Wandgeführtes Brennverfahren mit Drallunterstützung Quelle: Fiat-GM Powertrain LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 53
54 Flüssigkeits-Hochdruckeinspritzung Ergebnis einer CFD Berechnung Quelle : AVL LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 54
55 Einspritzvorgang Ergebnis einer CFD - Simulation Quelle : AVL LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 55
56 Flammenausbreitung Teillast - geschichtet Quelle : AVL LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 56
57 Ladungsschichtung Luftverhältnis Effektiver Mitteldruck in bar ,65 > l > 1,25 homogene Ladungsverdünnung 3,0 > l > 1,65 Schichtbetrieb l = 1, Drehzahl in 1/min Ladungsschichtung ist nur im unteren Teillastbetrieb möglich LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 57
58 Ladungsschichtung Saugrohrunterdruck / Entdrosselung psaug. mbar 100 Effektiver Mitteldruck in bar Drehzahl in 1/min Entdrosselung des Teillast-Betriebsbereiches LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 58
59 BDE - geschichtet Kraftstoffverbrauchseinsparung in % % b e % 0 Effektiver Mitteldruck in bar Gang 4. Gang Drehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 59
60 Grenzen des Schichtbetriebs eff. Mtteldruck in bar Russbildung Begrenzung durch Luftund AGR-Mangel Drehzahl in 1/min LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 60
61 Zylinderdruck in bar Ladungswechsel bei BDE (geschichtet) Ladungswechselschleifen im p-v-diagramm 1,6 1,4 1,2 p m,lw = - 0,17 bar LW = 14 % 1 0,8 0,6 0,4 p m,lw = - 0,68 bar 0,2 0 Basis BDE, geschichtet 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Hubvolumen, normiert n = /min; p me = 2 bar LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 61
62 Ladungswechselarbeit (BDE geschichtet) Ladungswechsel bei Teillast Ladungswechselarbeit in bar LW - Wirkungsgrad in % 0,7 0,6 0, ,2 % 0,4 0,3-74% ,2 0, Basis BDE 70 Basis BDE n = /min; p me = 2 bar GM 2.2 l 4-Zylinder Saugmotor LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 62
63 Umsetzungsrate in %/ KW Brennverlauf Benzindirekteinspritzung - geschichtet Basis (ZZP = 36 KWvOT) BDE, geschichtet (ZZP = 28 KWvOT) n = /min; p me = 2 bar Kurbelwinkel Die Schwerpunktlage ist bestimmt durch den letztmöglichen Einspritzzeitpunkt (Position des Kolbenboden) und die Gemischaufbereitungszeit. Wandgeführte Brennverfahren zeigen ungünstige, vor dem Kolben-OT liegende Verbrennungsschwerpunkte. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 63
64 rel. Wirkungsgradänderung in % Einfluß der Verbrennungslage Benzindirekteinspritzung - geschichtet BDE mit AGR Saugrohr- Einspr. -8 BDE ohne AGR Lage des Verbrennungsschwerpunktes in KWvOT n = /min; p me = 2 bar LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 64
65 Mechanischer Wirkungsgrad Benzindirekteinspritzung Reibmitteldruck in bar mech. Wirkungsgrad in % 0,86 0,82 +12% ,78 0, ,3% 0,7 70 0,66 Basis BDE 69 Basis BDE n = /min; p me = 2 bar LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 65
66 rel. Änderung in % Wirkungsgradanalyse Benzindirekteinspritzung geschichtet Stationärbetrieb (n = /min, p me = 2 bar) BDE geschichtet % Ƞ e Ƞ Br Ƞ th Ƞ v Ƞ LW Ƞ m effektiver Wirkungsgrad Brennstoffumsetzungsgrad theoretischer Wirkungsgrad Verbrennungswirkungsgrad Ladungswechsel - Wirkungsgrad mechanischer Wirkungsgrad -4 Basis e Br th v LW m Wirkungsgrade LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 66
67 Rohemissionen im Stationärbetrieb Benzindirekteinspritzung - geschichtet HC in g/kwh NO 2 in g/kwh % % 0 Basis BDE 0 Basis BDE n = /min; p me = 2 bar LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 67
68 Abgasnachbehandlungssystem Speicherkatalysator für Stickoxidnachbehandlung im mageren Abgas Zweipunkt- Lambdasonde Temperatursensor Breitband- Lambdasonde Vorkatalysator NO x Adsorber mit integrierter 3-Wege-Funktion LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 68
69 Speicherkatalysatortechnik Quelle: Skriptum TU Darmstadt, Prof. Hohenberg LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 69
70 NO x Speicherstrategie Betriebsstrategie Quelle: Skriptum TU Darmstadt, Prof. Hohenberg LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 70
71 NOx - Konvertierung in % Stickoxid-Konvertierung Adsorber - Temperaturfenster Neuzustand nach 40 h fuel cut - Alterung Abgastemperatur in C Einspeicherungszyklus: 30s; l = 1,4 / 2s; l = 0,8 Alterungszyklus: Schwefel im Kraftstoff: 30s; 850 C; l = 0,9 / 5s Schubbetrieb S < 15 ppm LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 71
72 einspeicherbare NO 2 - Masse in g/l Schwefeleinfluss Schwefelvergiftung und Desulfatisierung 0,30 0,25 nach 5h Mager- / Fett - Betrieb nach Desulfatisierung bei l = 0, C 650 C 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 schwefelfrei 5 h 15 ppm 5 hso 2 30 min 2 min 10 min 30 min im Abgas Speicherkatalysator verliert nach kurzer Zeit seine Wirkung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 72
73 Abgasnachbehandlungssystem Thermomanagement des Speicherkats LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 73
74 Speicherkatalysatortechnologie NO x - Konvertierung Verbrauchseinfluß der Regeneration % neuer Katalysator Schwefelvergiftung und thermische %? MVEG-B Testzyklus Abgasgrenzwerte EG III Schwefelgehalt im Kraftstoff: 30 ppm fahrzeugspez. Motormoment: 0,14 Nm/kg Alterung? gealterter Katalysator Kraftstoffverbrauchserhöhung durch NO x -Regeneration LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 74
75 Verbrauch im Fahrzyklus Kalt gestarter Testzyklus Zeitanteil im MVEG Zyklus Verzögerung 16% Leerlauf 24% Konstantfahrt 36% Verzögerung 6% Leerlauf 11% Kraftstoffanteil im MVEG Zyklus Konstantfahrt 46% Fahrgeschwindigkeit in km/h Beschleunigung 37% Beschleunigung 37% Testzeit in s LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 75
76 Anspringen des Speicherkatalysators Abgastemperatur in C Abgastemperatur vor und nach NO x - Adsorber vor NO x -Adsorber Temperarturbereich des NO x -Adsorber Temperarturbereich des NO x -Adsorber nach NO x -Adsorber Zeit in s LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 76
77 Doppel- / Mehrfacheinspritzung Potential zur Temperaturerhöhung im Warmlauf 1. Einspritzung 2. Einspritzung Kolbenhub Zylinderdruck Einlaßventil = UT = OT Kurbelwinkel Mehrfacheinspritzung erlaubt es, zusätzliche unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Sauerstoff am Katalysator während des Warmlaufs zur Verfügung zu stellen Durch die Reaktionen am Katalysator steigt die Temperatur schneller LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 77
78 zyklusaufgelößter Verbrauch Geschwindigkeit in km/h Kraftstoff-Schubabschaltung PFI BDE Testzeit im MVEG-B Zyklus in sec Benzindirekteinspritzung vermeidet/verringert den Wandfilmaufbau im Saugrohr Dadurch kann die Schubabschaltung schneller einsetzen, ohne dass unverbrannte Kohlenwasserstoffe an den Katalysator gelangen LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 78
79 Verbrauchsreduzierung im Fahrzeug geschichtete Benzindirekteinspritzung Verbrauchsreduzierung in % (MVEG-B Testzyklus) % 90 Opel Vectra B 85 Basis BDE BDE: 2,0 l - 4V LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 79
80 Verbrauchsreduzierung BDE Verbrauchsreduzierungspotential Einfluß der Motorauslastung 25 % 20 MVEG-B Testzyklus Emissionsgrenzwerte: EG IV Basis: stöchiometrischer Ottomotor mit moderater Abgasrückführrate (etwa 10 bis 15 % AGR) 15 Benzindirekteinspritzung ,09 0,12 0,15 0,18 Nm 0,21 Mmax kg fahrzeugspezifisches Motormoment m Fahrzeug Verbesserte Elastizität (Beschleunigung km/h) Die spezifische Auslastung des Motors (Last und Drehzahl) im Fahrbetrieb bestimmt das Verbrauchsreduzierungspotential LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 80
81 Homogener gegen geschichteter Betrieb Viele Vorteile werden bereits im homogenen Betrieb erschlossen! LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 81
82 Entwicklungspotential Geschichteter Benzindirekteinspritzung Verbesserung des Warmlaufverhaltens bis zum Einsetzen des Schichtbetriebs Regeneration des Speicherkatalysators Entschwefelung des Speicherkatalysators Produktionstoleranzen im Brennverfahren Unterdruckbedarf des Fahrzeugs LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 82
83 Benzindirekteinspritzung Zusammenfassung Direkteinspritzung bei Ottomotoren hat ein hohes Potential zur Verbrauchsreduzierung in der Teillast insbesondere bei Betrieb mit Ladungsschichtung Leistungssteigerung ist aufgrund der Innenkühlung und des dadurch besseren Klopfverhaltens möglich Die stationären Verbrauchsvorteile bei Ladungsschichtung können nicht vollständig in eine Fahrzeuganwendung im europäischen Fahrzyklus übertragen werden Die Kundenverbräuche bei Betrieb mit Ladungsschichtung sind im starken Maße abhängig vom Lastkollektiv und damit von der Fahrweise des Kunden sowie vom Leistungsgewicht des Fahrzeugs Das Kosten/Nutzen Verhältnis der Benzindirekteinspritzung im Vergleich mit anderen Technologien ist für jede Motoranwendung individuell zu betrachten LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 83
84 BDE Zentraleinspritzung Srahlgeführtes Brennverfahren Merkmale : Einspritzung im wesentlichen in Richtung der Zylinderachse Enger Abstand Zündkerze - Injektor Nach außen öffnender Injektor oder Mehrlochinjektor Schichtkonzept - DENOx System exzellente Schichtungsfähigkeit Quelle: Fraidl, signifikante Vorteile gegenüber der Seiteneinspritzung bez. Kraftstoffverbrauch, HC- Emissionen und Ruß Nachteile: höhere Temeperaturbelastung des Injektors (Ablagerungen, Robustheit) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 84
85 Zentraleinspritzung Einspritzventil Zündkerze Zentraleinspritzung für den Schichtladebetrieb Beispiel: BMW 4- und 6-Zylindermotoren Lage der Zündkerze auf der Auslaßseite Quelle: MTZ 5/2007, BMW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 85
86 Vorteile der Zentraleinspritzung Kraftstoffverbrauch Verbesserte Ladungsschichtung Geringere Wärmeverluste zu den Brennraumwänden (insbesondere Kolben) Volllastverhalten Geringere konstruktive Einschränkungen in der Kanalgestaltung Gemischaufbereitung Verbesserte Verteilung des Kraftstoffstrahls im Zylinder Kaltstart und Warmlauf Verbesserte Gemischaufbereitung (Weg des Kraftstoffstrahl über den Kolbenboden wird vermieden) Technologie Baustein für zukünftige Brennverfahren (z.b. HCCI kontrollierte Selbstentzündung homogener Gemische) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 86
87 HCCI Kontrollierte Selbstentzündung HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Hochverdünnte Ladung (mager und AGR) Flammenloses Verbrennungsprozess Verdichtungsverhältnis wie konventioneller Ottomotor Selbstzündung bei Teillast, Funkenzündung bei Volllast Kein DENOx-Kat, da extrem niedrige NO x Rohemission Geschichtete Benzindirekteinspritzung HCCI Verbrennung Quelle: GM Powertrain LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 87
88 Motivation für HCCI Drosselfreier magerer Motorbetrieb ohne Stickoxidnachbehandlung Prozessführung: Schnelle Kraftstoffumsetzung über den Brennraum verteilt ohne die Stickoxidbildungstemperatur lokal zu überschreiten Wirkungsgrad-optimierter Betrieb - ohne Drosselverluste - schnelle Verbrennung LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 88
89 Flammenausbreitung im Vergleich zu HCCI HCCI Combustion HCCI: Spontane Energieumsetzung über den ganzen Brennraum verteilt Zündfunken gesteuerte Verbrennung: Einleitung der Verbrennung an der Zündkerze Räumliche Ausbreitung um die Zündstelle durch Flammenfortschrit Conventional Spark ignited Combustion LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 89
90 Steuerung des HCCI Prozesses Ansaugtemperatur Verdichtungsverhältnis Selbstentzündung Restgasgehalt (Gemischtemperatur) Die Steuerung der Motorlast und der Gemischtemperatur sind gekoppelt. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 90
91 Bedingungen für Selbstentzündung Überschreiten der Selbstentzündungstemperatur (Funktion von lokalem Luftverhältnis, Druck) Variable Ventilsteuerung Zündung Externe AGR Insulated Exhaust On-board Fuel Reforming Einflußfaktoren auf Gemischtemperatur: Ansaugtemperatur Verdichtungsverhältnis Restgasgehalt Hohe / var. Verdichtung Direkteinspritzung Ansaugluftvorwärmung Quelle: Najt, GM LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 91
92 Ventilhub Ventilhub Ventilhub Ventilhub Steuerung des Rastgasgehaltes Auslaß Einlaß Frühes Einlaß-Öffnen: Einlaßkanalseitige Restgas-Rückführung UT OT UT Auslaß Einlaß Spätes Einlaß-Schliessen: Auslaßkanalseitige Restgas-Rückführung UT OT UT Auslaß Einlaß Restgaseinschluß: Brennraumseitigeseitige Restgas- Rückführung UT OT UT Auslaß Einlaß 2. Auslaßhub: Restgas-Rücksaugen UT OT UT LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 92
93 Steuerung des HCCI Systems von GM 2-stufiger Ventilhub Externe AGR Zentrale Direkteinspritzung leistungsfähige Motorsteuerung Zylinder- Drucksensor Elektrische NW-Versteller LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 93
94 Ventilhub (Auslass und Einlass) HCCI Ventilsteuerung und Einspritzung Zylinderdruck Zünd-OT Ladungswechsel-OT first Injection second Injection =OT Kurbelwinkel in KW LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 94
95 HCCI Ventilsteuerungs-Strategie: Re-Kompression LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 95
96 Iind. Mitteldruck [bar] Restgasraten für kontrollierte Selbstzündung Restgasanteil [%] Quelle: Fraidl, Motordrehzahl [U/min] 3500 LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 96
97 Closed-loop Verbrennungssteuerung Zylinderdruck messen Anpassung der Einspritzparameter Zeitpunkt Menge Datenverarbeitung Vegleich mit Vorgabe LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 97
98 Drehmoment Begrenzung des HCCI Betriebs Konventioneller Betrieb mit Zündkerze HCCI ist ein Teillast - Verbrennungskonzept begrenzt durch NOx und Partikel - Emission begrenzt durch Verbrennungsgeräusch 2 HCCI Betrieb Engine Speed [rpm] begrenzt durch verfügbare Abgasenergie (Mischtemperatur) LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 98
![Spezifischer Kraftstoffverbrauch brake mean effective pressure [kpa] 800 700 600 500 400 300 200 100 brake specific fuel consumption [g/ kwh] 250](/docs-images/74/71157849/images/99-1.jpg "260 270 HCCI vs.")
99 Spezifischer Kraftstoffverbrauch brake mean effective pressure [kpa] brake specific fuel consumption [g/ kwh] HCCI vs. SI 280 bsfc / / idle 15 / 1 35 / 3-20 % 0 % / 6-10 % / / 6 NEDC EUDC accels veh. speed range [km/h] / gear -20 % -30 % 50 / 3 32 / / / 6 HCCI NEDC steady state veh. speed [km/h] / gear 500 spark ignited (SI) engine speed [rpm] LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 99
100 HCCI technische Herausforderungen HCCI Verbrennung ist abhängig von der Ansauglufttemperatur und luftdichte, der Luftfeuchtigkeit und von dem verwendeten Kraftstoff eine robuste Steuerung des Verbrennungsprozesses ist notwendig Verbrennungsgeräusch ist infolge rascher Druckanstiegsraten ausgeprägt Der Wechsel zwischen dem HCCI Betrieb und dem konventionellen Betrieb muss steuerungstechnisch beherrscht werden Drehmomentanregung des Antriebsstranges durch die Rekompression des Gemisches ist deutlich verändert und muss beherrscht werden LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 100
101 Vergleich HCCI und geschichtete BDE HCCI Geschicht. BDE Stationärer Kraftstoffverbrauch + ++ Kraftstoffverbrauch in der Katalysatoranspringphase + o Möglichkeit nach Hochlastbetrieb in den Magerbetrieb zu schalten + - Abgasnachbehandlung: Komplexität und Abgasrückdruck + - Komplexität der Motorsteuerung Verbrennungsgeräusch Einfluß des Schwefelgehaltes im Kraftstoff o - LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 101
102 HCCI Konzept Zusammenfassung Kontrollierte Selbstentzündung im Ottomotor durch Steuerung von: - Gaszusammensetzung im Brennraum - Luftaufwand des Motors - Einspritzzeitpunkt Gleichverteiltes mageres Gemisch ergibt niedrige Spitzentemperaturen und reduziert die NO x Bildung Verbrennungsbeginn an vielen Orten zur gleichen Zeit (auf niedrigen Temperaturniveau, da Kompression durch das verbrannte Gas fehlt) Schnelle Umsetzung Vermeidung von NO x Bildung HCCI kann als Alternative zur Nachbehandlung des mageren Abgases mit NO x Speicherkatalysatoren gesehen werden. LVA , Sommersemester 2015, Kapitel 2a, Folie 102
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