Weiterentwicklung des Ottomotors · Europäischer Testzyklus (Mittelklasse-PKW, 2l Motor) spez....

Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien LVA 315.032, Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 1

Dr. Uwe D. Grebe

Weiterentwicklung Weiterentwicklung des Ottomotorsdes Ottomotors


Weiterentwicklung des Ottomotors

1. Entwicklungsrandbedingungen1.1 Gesetzliche Vorschriften1.2 Anforderungen von der Kundenseite

2. Verbrauchsreduzierung2.1 Thermodynamik

(Benzindirekteinspritzung, variable Ventiltriebe, Ladungsverdünnung, ...)2.2 Reibungsreduzierung2.3 Downsizing, Lastpunktverschiebung2.4 Alternative Kraftstoffe

3. Volllastverbesserung3.1 Luftaufwandsverbesserung bei freisaugenden Motoren3.2 Aufladung

4. Reduzierung der Abgasemissionen4.1 Motorinterne Maßnahmen4.2 Abgasnachbehandlung

5. Verbesserte Architektur5.1 Gewichtsreduzierung5.2 Kostenreduzierung5.3 Komfortverbesserung

6. Aktuelle Technologieeinführungen bei Ottomotoren

7. Entwicklungstendenzen für die Zukunft

Gliederung


Reibungsreduzierung

Parasitäre Verluste des Motors:• Reibung der gegeneinander bewegten Teile• Ventilations- und Panschverluste im Motor• Reibung der Nebenaggregate• Verluste aller zum Betrieb des Motors benötigter

Komponenten (Öl-, Wasser-, Kraftstoffpumpe, ... )

Reduzierung der mechanischen Verluste („Reibung“) führt zu einer generellen Verbrauchsreduzierung

Sinn und Notwendigkeit


NEDC

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Speed [1/min]1000 2000 3000 4000 5000 6000

MPI

6%

8%

10%

12%

15%

20%

30%

40%

Pow

er [%

]

30%

20%

15%

40%

DI

Reibungsanteil an der inneren ArbeitReibungsverluste bezogen auf die freigesetzte Arbeit

Quelle:


Mechanischer Wirkungsgrad

Quelle: Manuskript of Internal combustion enginesProf. Hohenberg, TU Darmstadt

MVEG-Test Zyklus relevanter Bereich

Durchschnittlicher mech. Wirkungsgrad: 70 %

4-Takt Ottomotor


Einfluß aus Motorgesamtwirkungsgard

Mit einem durchschnittlichen mech. Wirkungsgrad von 0,70,023 bar Änderung im Reibmitteldruckbewirkt 1 % im effektiven Wirkungsgrad / Verbrauch

mr

mrme p

pbebe ∆

−=∆ )1( η

mit be : spezifischer Kraftstoffverbrauch [g/kWh] ∆be : Absenkung spezifischer Kraftstoffverbrauch [g/kWh] ηme : mechanischer Wirkungsgrad [-] pmr : Reibmitteldruck [bar] ∆pmr : Absenkung Reibmitteldruck [bar]

Faustformel (Goetz AG)

Faustformel


Reibmitteldruck

Source: Manuskript of Internal combustion enginesProf. Hohenberg, TU Darmstadt


Quelle: van Basshuysen/Schäfer, Handbuch Verbrennungsmotoren

Entwicklung der Reibung


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Ante

il in

%

Motordrehzahl in 1/min

Kurbelwelle

Kolbengruppe

Nebenaggregate

Ventiltrieb

Motorreibung Anteil der Baugruppen


Reibungsminderung im Ventiltrieb

Verbesserung der Reibungsbedingung• Vermeidung von Grundkreisreibung• Übergang auf Rollreibung• Verbesserung der hydrodynamischen Schmierbedingung

Massenreduzierung• Erlaubt bei gleicher dynamischer Auslegung eine Reduzierung der

Federkraft und damit der Normalkraft in der Reibfläche


Mechanische Ventilspieleinstellung

TassenstTassenstößößel mit el mit mechanischem mechanischem SpielausgleichSpielausgleich

hohlgegossene hohlgegossene NockenwelleNockenwelle

konische konische VentilfederVentilfeder

Tassenstößel - Ventiltrieb


7000

Rollender Abgriff im Ventiltrieb

Rollreibung zwischen Nocke und Schlepphebel

Schlepphebel

Kipphebel


Reibung im Ventiltrieb

Mechanischer Spielausgleich im Vergleich zum Rollenschlepphebel

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000Drehzahl in 1/min

Rei

bmitt

eldr

uck

in b

ar

Streuband Hydr. Tassen

Streuband Rollenschlepphebel

Tassenstößel mit hydraulischem Spielausgleich 1,6 l – 4V (Generation 2)

Bsp eines Tassen-stößels mit mech. Spielausgleich

Streubänder nach FEV


Nockenwellenantriebsmoment

-15-12,5

-10-7,5

-5-2,5

02,5

57,510

12,515

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70

Nockenwellenwinkel in °NW

Dre

hmom

ent i

n N

m

Gesamt-Nockenwellenmoment

Reibungsmoment

+

-antreibend

MAntrieb

0°NW

Beim Schließen des Ventils wird Arbeit geleistet !Nur die Reibungsverluste sind aufzuwenden


Ventilmassenreduzierung

Möglichkeiten• Verringerung des Schaftdurchmesser• Hohlventile• Kalotten in den Ventilköpfen

Materialwahl:• AlTi (Titanaluminid)• Keramik


Hohlventile

Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien LVA 315.032, Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 17Quelle: MTZ 9-99, BMW

Keramikventile

Materialwahl für Ventile

Keramikventile • Gewichtsreduzierung bis 50%• Sehr günstiges

Verschleißverhalten• Bauteilprüfung in der

Fertigung nicht zerstörungsfrei möglich

• Bei Ventilschaden dringen die Bruchstücke durch die Gaspulsationen in alle Zylinder Motortotalschaden


Massenreduzierung im VentiltriebReduzierung der Ventilmasse

Beispiel: Formel 3 Rennmotor


Massenreduzierung im VentiltriebMöglichkeiten und GrenzenBauteile für Massenreduzierung• Ventil (mit Ventilkeilstücken und Federteller)• Ventilfeder (bewegte Windungen !)• Übertragungselemente (auf das Ventil reduzierte Masse ist relevant)

Wirkung• Reduzierung der Federkraft bei gleicher dynamischer Auslegung

(Grenzdrehzahl)• Reduzierung der Massenkraft infolge der Beschleunigungen

Grenzen für die Reibungsreduzerung• Bei der Feder ist die Zuhaltekraft bei geschlossenem Ventil und die

Federrate ebenfalls relevant.die Reibungsreduzierung flacht mit der Gewichtsreduzierung ab


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

Beispiel:Ventildeaktivierung


Reibungsminderung im Kurbeltrieb

Verbesserung der Reibungsbedingung• Optimierung der Kolbenringspannung• Reibung am Kolbenhemd: Optimierung der hydrodynamischen

Reibung

• Wälzlagerung im Kurbeltrieb

Massenreduzierung• Vermindert die Massenkräfte und damit der Normalkräfte an den

Reibflächen

Thermomanagement• Steuerung der Motortemperatur (Motoröltemperatur) in Abhängigkeit

der Motorlast


Reibung im Kurbeltrieb

Lagerdurchmesser

Gleitfläche am Schaft

Ringanzahl und Tangentialspannung

Haupteinflußparameter Masse von Kolben und Pleuel


Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierungvon Verbrennungsmotoren

Zylinderrohrverformung


Die Kolbenringe müssen durch die Tangentialspannung der Zylinderrohrform folgen, um

• Blow-by von Arbeitsgas in das Kurbelgehäuse zu minimieren• Öl zu dosieren (minimale Schmierfilmdicke zur Funktion der

Kolbengruppe

Minimierte Laufbuchsenverformung erlaubt

Reduzierte RingspannungReduzierte Reibungskräfte

Kolbenring-Tangentialspannung


Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierungvon Verbrennungsmotoren

Profil des Kolbenhemdes

Optimierte Form verbessert die Reibungsverhältnisse

Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien LVA 315.032, Sommersemester 2005, Kapitel 2c, Folie 26Quelle: MTZ 9/97, Klink

Laserstrukturierte Lauffläche

Laserstrukturierung erlaubt glatte Laufbuchsen. Die Ölmenge zur Schmierung wird durch die laserstrukturierten Vertiefungen bereitgestellt.


Laserstrukturierung der Laufbuchse

Bildmaterial Fa. GEHRING


• Lasered Pocket:

Grat nach Laserbehandlung

Oberflächse nach Entgraten und Finish-

Honen

Struktur nach Laserbehandlung


•Laser Pocket Specifications Fam. II DI-Diesel (Production)

9.3-

0.5

27.5

-0.5

2.0 +/- 0.35

3.0 +/- 0.35

Rmax in the pocket area > 20 µm, for 80% min. of 10 measurements per cylinder block controlled.

35 µm to 80 µm referred to the distance between the center lines of the surface profiles of both lateral surfaces.

In this area laser pockets on RHS helix pitch 2 +/- 0.2 mm consecutively positioned.

Laserstrukturierte Laufbuchse


Wälzlagerung der Kurbelwelle

Quelle:

Reibmoment der Hauptlager


Thermomanagement

Quelle:


Übertritte in der Kopfdichtung

Wassermantel im Zylinderkopf

Wasser-pumpe

Wassermantel im Zylinderblock

Wassersammelrohr

Strömung

Thermomanagement

Thermostatelektr. beheizt

Quelle: FIAT-GM Powertrain


Quelle:

ThermomanagementEinfluß auf den Verbrauch im Testzyklus


Elektrisch beheiztes Thermostat erlaubt kennfeldgesteuerte Öffnung des Thermostats

Teillast• Hohe Kühlmitteltemperatur (ca. 105 – 110 °C)• Höhere Öltemperatur, weil die Wärmeübertragung an das

Kühlwasser vermindert ist• Viskosität des Öls sinkt Reduzierte Reibung

Volllast• Maximale Kühlung für kühlen Zylinderkopf

Optimierte Randbedingung für das KlopfverhaltenMaximierte Zylinderfüllung

Thermomanagement Wirkungsweise


Leerlaufdrehzahlreduzierung

Reduzierung der Leerlaufdrehzahl verringert den VerbrauchDaumenregel:

Reduzierung um 100 1/min ergibt• Ottomotor

0,04 l/h pro 1000 cm3 Motorhubraum• Dieselmotor

0,022 l/h pro 1000 cm3 Motorhubraum

Weiterentwicklung des Ottomotors, TU WienLVA 315.032, Sommersemester 2004, Kapitel 2c, Folie 33

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

600 650 700 750 800 850 900 950Leerlaufdrehzahl in 1/min

Leer

lauf

verb

rauc

h in

l/h

/ 100

0 cm

³ .

Dieselmotoren

≈ 0,040 / 100 1/min

≈ 0,022 /100 1/min

Ottomotoren

LeerlaufverbrauchAbhängigkeit von der Leerlaufdrehzahl


Leerlaufdrehzahlreduzierung

• Verbrennungssystem- Ottomotor mit äußere Gemischbildung erlaubt ca. 500 – 600 1/min- Benzindirekteinspritzung erlaubt niedrigere Drehzahlen wegen stabilerGemischbildung und exakterer Zumessung

• Pumpenauslegung• Öldruck muß sicher gestellt sein (eventuell größere Ölpumpe mithöherer Antriebsleistung !)

• Nebenaggregatetrieb• Generator begrenz die Drehzahlabsenkung

(weitere Verbesserungen durch niedrige Massenträgheit, Entkoppflungselement – Frelauf, … ) • Steuertrieb - Dynamik

• Anfahrbarkeit des Fahrzeugs- Motordrehzahl ist für den Einkuppelvorgang (Kupplungsmodulationnotwendig)

Grenzen


Weiterentwicklung des Ottomotors

1. Entwicklungsrandbedingungen1.1 Gesetzliche Vorschriften1.2 Anforderungen von der Kundenseite

2. Verbrauchsreduzierung2.1 Thermodynamik

(Benzindirekteinspritzung, variable Ventiltriebe, Ladungsverdünnung, ...)2.2 Reibungsreduzierung2.3 Downsizing, Lastpunktverschiebung

3. Volllastverbesserung3.1 Luftaufwandsverbesserung bei freisaugenden Motoren3.2 Aufladung

4. Reduzierung der Abgasemissionen4.1 Motorinterne Maßnahmen4.2 Abgasnachbehandlung

5. Verbesserte Architektur5.1 Gewichtsreduzierung5.2 Kostenreduzierung5.3 Komfortverbesserung

6. Aktuelle Technologieeinführungen bei Ottomotoren

7. Entwicklungstendenzen für die Zukunft

Gliederung


Downsizing

Fahrzeug verkleinern ?


Fahrbedarf eines Fahrzeugs

Luft-, Roll- und Beschleunigungswiderstand

fR . m . gRollwiderstand

aaLuft- und Beschleunigungswiderstand


effe

ktiv

er M

ittel

druc

k

14

bar

10

8

6

4

2

01000 2000 3000 4000 5000 min-1 70000

Motordrehzahl

500

240

250

260

280 300

330400

600

Betriebsbereich eines MotorsEuropäischer Testzyklus (Mittelklasse-PKW, 2l Motor)

spez. Kraftstoffverbrauch in g/kWh

Strassen-teillast (STL)5. Gang

STL4. Gang

genutzter Bereich im MVEG Testzyklus

VerweildauerMVEG Testzyklus: = 100 s


Dre

hmom

entü

bers

chus

s 2

Dre

hmom

ent

Drehzahln2

Strassenteillast 1

konstante Leistung

Volllast 1

BetriebspunktverlagerungVolllast für gleiche Beschleunigungselastizität

Volllast 2

Dre

hmom

entü

bers

chus

s 2

STL 2

Betriebs-punkt 2

n1

Dre

hmom

entü

bers

chus

s 1

Betriebspunkt 1


Downsizing durch VierventiltechnikLeistungsgleicher Dreizylinder ersetzt Vierzylinder

Dreizylinder Vierventilmotor• Hubraum: 1,0 l• 43 kW / 85 Nm• ersetzte 1,2 l Zweiventilmotor

bei gleichzeitig verbessertenFahrleistungen

10 % Verbrauchsvorteil durch• Hubraumreduzierung• Reibungsreduzierung


Downsizing mittels Aufladung

• Mitteldruckanhebung durch Kompression der Ansaugluft

• Reibungsreduzierung durch kleinere Motoren• Gewichtsreduzierung des Motors• geringere Packageabmessungen• Bedarfsorientierte Kontrolle der Volllast

(Aufladegrades): Mehr Leistung aus kleinem Hubraum

Prinzip


AufladungTechnische Möglichkeiten

Aufladungvon

Hubkolben-motoren

mechanische Aufladungmechanische Aufladung

DruckwellenDruckwellen--Aufladung (Aufladung (ComprexComprex))

Abgasturbo Abgasturbo -- AufladungAufladung

Weiterentwicklung des Ottomotors, TU WienLVA 315.032, Sommersemester 2004, Kapitel 2c, Folie 44

Verbrauchsreduzierung durch Downsizing

Quelle: FEV

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