BMW TWINPOWER TURBO 1
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
1. EINLEITUNG 3
Wesentliche Optimierungen im Technologiepaket BMW TwinPower Turbo 4
2. ABGASTURBOAUFLADUNG 5
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
ATL Module für TwinPower Turbo 2,0l R4 3,0l R6 4,0l bzw. 4,4l V
TURBO PRO/KONTRA erhöhter Sauerstoffgehalt durch Vorverdichtung keine Energie zum Ansaugen nötig Verzögerter Light-Off (Anspringtemperatur) des Katalysators 8
3. ANFORDERUNGEN & GESETZE 9
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+150.000 Meilen LEV III weitere Verschärfung ab Modelljahr 2015 10
LEV III Flottengesetzgebung 11
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
Emissionsentstehung in FTP-75 und NEFZ 13
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
4. POTENTIALE 4.1.MOTORSTART 15
ZIELE UND STELLGRÖßEN Ziel HC-Emissionen reduzieren DoE (Design of Experiments) der Stellgrößen: Einlassventilhub, Zündwinkel, Einspritzmenge, Einspritzlage, Anzahl der Einspritzungen
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
Einfluß Einlassventilhub als Voll- und Teilhub im Start auf Zylinderfüllung bei VALVETRONIC
Einfluß verschiedener Einlassventilhübe im Start auf den indizierten Druck (indizierte Arbeit) bei der ersten Verbrennung
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
Potenzial der Einspritzstrategie im Motorstart zur Absenkung der HC-Emissionen im HDST
4. POTENTIALE 4.2.KATALYSATORHEIZBETRIEB 22
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
EINSPRITZDRUCK Erhöhung des Einspritzdruckes von 120 200 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
Optimierung der Katalysatorheizstrategie
Reduzierung der Ladungswechselarbeit durch VALVETRONIC und Wirkung der Ladungsbewegungsmaßnahmen Phasing + Masking
Katalysatorheizbetrieb BMW Twinpower Turbo im Wettbewerbsvergleich
4. POTENTIALE 4.3. KLEINSTMENGENFUNKTIONALITÄT & ZÜNDEINSPRITZUNG 28
Kleinstmengenfunktionalität
Einfluss der Zündeinspritzmenge auf die Partikelemission im Katalysatorheizbetrieb
OPTIMIERTE EINSPRITZUNG geringere Eindringtiefe Vermeidung der Kolbenwandbenetzung kein Rußleuchten Rohemissionssenkung
Mehrlochinjektor mit lasergebohrten Spritzlöchern
4. POTENTIALE 4.4.ABGASWÄRMEVERLUSTE & KATALYSATORANSTRÖMUNG 33
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
Optimierung Wastegast-Ports & Maximierung Wastegate-Öffnung
CFD Optimierung Katalysatoranströmung & Vergleich Abgastemperatur
Abgastemperaturverläufe im Katalysatorheizbetrieb
5. ERGEBNISSE 38
Basis 100% ATL -40% Kat -60% Einspr. -50% Wirksamkeit der Einzelmaßnahmen zur Erreichung des SULEV- Grenzwertes
Potenzial einer Einspritzdruckerhöhung zur Erfüllung zukünftiger RDE Partikelanzahl-Limits