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Bitte alles lesbar verfassen! Was nicht lesbar ist - HAW Hamburg

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HAW Hamburg, Fb. MP
Name
Kolbenmaschinen (SKM)
Vorname
Prof. Dr.-Ing. Victor Gheorghiu
Matrikel-Nr.
PO
Bitte alles lesbar verfassen!
Was nicht lesbar ist, wird als solches kennzeichnet und nicht bewertet!!!
Aufgaben
(150 Punkte)
1. Man erkläre mit Hilfe eines selbsterstellten Diagramms den Begriff Lastpunktverschiebung.
2. Man kommentiere die Abb. 1 von S.234 für die Hybridfahrzeuge. Wie kommt man unter der
Ziellinie für 2012?
3. Man kommentiere die Bilder aus Abb. 2 von S.235. Wie sollte eine ideale Kurve des
Fahrwiderstands im 5.Gang aussehen (bitte direkt drauf zeichnen)? Durch welche
Maßnahmen kann man Ihre ideale Kurve verwirklichen?
4. Man erkläre und kommentiere den auf S.235 unten und S.236 oben markierten Abschnitt.
Man benutze dafür auch die Abb. 3.
5. Warum sinkt das Drehmoment (s. Abb. 4) unterhalb von 2000 1/min und oberhalb von 4000
1/min? Bitte ausführlich erklären.
6. Man erkläre und kommentiere den auf S.237 oben markierten Abschnitt. Man benutze
dafür die Abb. 4 und 5.
7. Man erkläre warum S/D > 1 zu einem höheren i führt (s. den auf S.237 unten markierten
Abschnitt und Abb. 6 dafür).
8. Warum haben Zylinder mit großem Hubraum eine niedrigere HC-Emission, wie ganz unten
aus S.237 behauptet und in Abb.7 dargestellt wurde?
9. Man erkläre und kommentiere den auf S.238 unten markierten Abschnitt im
Zusammenhang mit Abb. 8.
10. Man erkläre und kommentiere den auf S.239 markierten Abschnitt im Zusammenhang mit
Abb. 9.
11. Worin bestehe der Vorteil erwähnt im auf S.240 oben markierten Abschnitt im
Zusammenhang mit Abb. 10? Bitte ausführlich erklären.
12. Man erkläre und kommentiere den auf S.240 unten markierten Abschnitt im
Zusammenhang mit Abb. 11.
13. Man erkläre und kommentiere den auf S.242 oben markierten Abschnitt im Zusammenhang
mit der Tabelle 2 von S.2 und Abb. 12 von S.242.
14. Man erkläre und kommentiere den auf S.242 unten markierten Abschnitt im
Zusammenhang mit Abb. 13.
15. Man erkläre und kommentiere den auf S.243 unten markierten Abschnitt im
Zusammenhang mit Abb. 14. Was wurde in dieser Abb. durch den Balken dargestellt?
16. Man erkläre und kommentiere die auf S.244 markierten Abschnitte im Zusammenhang mit
der Tabelle 2 von S.2 und Abb. 15 von S.245.
17. Man erkläre und kommentiere die auf S.245 markierten Abschnitte im Zusammenhang mit
der Abb. 16.
18. Man erkläre und kommentiere die auf S.244 markierten Abschnitte im Zusammenhang mit
der Evaluationsmatrix aus Abb. 17. Bitte nicht die Schlussfolgerungen aus dem Bericht
rüberkopieren (diese werden nicht bewertet!) sondern Ihre eigene vorstellen und
begründen.
19. Seit Ende 2009 ist Fiat mit dem ersten vollvariablem Ventiltrieb, der auf einer
elektrohydraulischen Verstellung basiert, in Serie. Die Abb. 18 und 19 und die Tabelle 3 alle
von S.3 stellen das Verhalten und die Vorteile dieses Ventiltriebs dar. Man erkläre und
kommentiere die Zusammenhänge zwischen den Bidern und Tabelle ausführlich.
EEA_EA_110128.mcd
1
05.03.2011
HAW Hamburg, Fb. MP
Kolbenmaschinen (SKM)
Prof. Dr.-Ing. Victor Gheorghiu
Tabelle 2: Freie Kräfte bei verschiedenen Triebwerksarchitekturen
Im Bericht verwendete Abkürzungen bzw. Bezeichnungen
"NVH-Verhalten" = Noise Vibration Harshness
"NEDC" = New European Drive Cycle
"GT-Drive" = Simulations Tool der Fa. Gamma Technology
"Dwell time map" = Verweildauerkennfeld
"T.C." = Turbo Charged
"N.A." = Naturally Aspirated
"BMEP" = Break Mean Pressure
"PFI" = Port Fuel Injection
"C.R." = Compression Ratio
"VCT" = Variable Camshaft Timing
"w/o" = without
"w" = with
"s/b" = Stroke / Bore
"S/C" = Supercharger = mechanischer Lader
"DOHC" = Double Overhead Camshaft, auch Twin cam
"SOHC" = Single Overhead Camshaft
"2V, 4V" = Zwei- bzw. Vier-Ventil-Technik
EEA_EA_110128.mcd
2
05.03.2011
HAW Hamburg, Fb. MP
Kolbenmaschinen (SKM)
Prof. Dr.-Ing. Victor Gheorghiu
Abb. 18: Betätigungsmodi Einlassventil
MOTORDREHZAHL
Abb. 19: Kennfeldabhängige Ventilsteuermodi
Tabelle 3: Vorteile der MultiAir-Technologie für Ottomotoren
EEA_EA_110128.mcd
3
05.03.2011
- 234 -2400
350
Scatterband Gasoline Vehicles
Scatterband Gasoline Hybrid Vehicles
Scatterband 3-Cylinder Gasoline Vehicles
(Small Size Vehicle Class)
Proposed fleet
standards 2012
COM(2007)0856 –
C6-0022/2008 –
2007/0297(COD) of
17/12/2008
CO2 Emissions [g/km]
300
250
200
150
100
Source: KBA
Status: 2008
50
750
1000
1250
1500
1750
Vehicle Inertia Weight Class [kg]
2000
2250
Abb. 1 : CO2-emission of 2008 registered German vehicles with gasoline engines /2/
größeren Fahrzeugen, auch solchen mit Hybridantrieb, weit überschritten. Aber auch im
Klein- und Kompaktwagensegment unterhalb einer Schwungmasse von 1250 kg
unterschreitet derzeit kaum ein Fahrzeug mit Ottomotor die vorgeschlagene Grenzkurve.
Somit ist in diesem Fahrzeugsegment die Notwendigkeit gegeben, auch über motorische
Maßnahmen den Kraftstoffverbrauch nachhaltig zu senken, will man die genannten
Strafsteuern vermeiden.
Einige der Fahrzeuge im Kleinwagensegment sind bereits heute mit 3-Zylindermotoren
ausgestattet und liegen in der unteren Hälfte des Streubandes. Für diese Fahrzeuge soll
im Folgenden untersucht werden, inwieweit sich die CO2-Emissionen durch Downsizing
sinnvoll absenken lassen, ob bei Verkleinerung des Zylinderhubvolumens der Übergang
auf einen 2-Zylindermotor weiteres Potenzial birgt und ob eine Aufladung in diesem
Motorsegment das geeignete Mittel zur Kompensation der Fahrleistungen darstellt.
2. Potenzial und Grenzen des Downsizings zur CO2-Reduktion
2.1. Zyklussimulation
Downsizing stellt durch die Lastpunktverschiebung des Motors bei konstanter
Fahrleistungsanforderung des Fahrzeuges zunächst ein geeignetes und relativ
preiswertes Mittel dar, den Kraftstoffverbrauch nachhaltig zu senken. Deshalb wird
zunächst der zur CO2-Reduktion sinnvolle Grad der Hubraumverkleinerung bei
gleichzeitiger Kompensation der Fahrleistungen durch Maßnahmen zur Steigerung des
effektiven Mitteldruckes des Motors untersucht.
Als Basis wird ausgehend von dem Streuband der Fahrzeuge der Kleinwagenklasse mit 3Zylinder-Ottomotor (Abb.1), folgendes repräsentatives, fiktives Fahrzeug definiert :
•
•
Schwungmassenklasse 1130 kg
Höchstgeschwindigkeit 155 km/h
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 235 -3•
•
•
•
•
3-Zylinder-Ottomotor, VH=1,1 l, freisaugend, Nennleistung 44 KW
Verdichtungsverhältnis (ε) = 11, Kraftstoff ROZ95
2 Ventile pro Zylinder
keine Variabilitäten auf der Saug- und Abgasseite
Getriebe 5-Gang Handschalter
Zunächst wird eine Zyklussimulation im NEDC mit GT-Drive durchgeführt. Unter der
Annahme eines für einen solchen Motor typischen Kennfeldes spezifischen Kraftstoffverbrauches ergibt sich ein Verweildauerkennfeld nach Abb.2.
Time [%]
Brake Mean Effective Pressure [bar]
25
20
Inline 3-Cylinder N.A.
VH=1.10 l
ε = 11.0
BMEPMAX = 11.4 bar
Pe, max / VH = 40 kW/l
Inline 3-Cylinder T.C.
VH=0.80 l
ε = 9.3
BMEPMAX = 15.6 bar
Pe, max / VH = 55 kW/l
15
14
13
12
11
Driving Resistance
5 th Gear
10
9
15
8
7
Driving Resistance
5 th Gear
6
252
10
5
255
246
4
275
3
255
300
2
300
275
5
1
0.2
400
400
0.1
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Engine Speed [rpm]
6000
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Engine Speed [rpm]
Abb.2 : Dwell time map (NEDC) of vehicle with base and downsized 3-cylinder engine
version
Es zeigt sich, dass der relativ kleine Motor im europäischen Fahrzyklus aufgrund der
angenommenen Schwungmassenklasse von 1130 kg schon relativ häufig bei mittleren
Lasten betrieben wird und in den Beschleunigungsphasen nahe des Punktes besten
spezifischen Kraftstoffverbrauches betrieben wird. Es ergibt sich eine CO2-Emission für
dieses Fahrzeug von 125 g/km (Abb.3), dieser liegt damit am unteren Ende des
Streubandes nach Abb.1.
Wird das Hubvolumen bei gleicher Zylinderanzahl nun schrittweise verringert, wird parallel
in einem ersten Schritt zum Ausgleich der geringeren Fahrleistungen eine Aufladung
adaptiert. Gleichzeitig muss das Verdichtungsverhältnis aufgrund der höheren
Klopfneigung des Motors angepasst werden wie in Abb.3 angegeben, dies reduziert den
Wirkungsgrad des Motors entsprechend. Außerdem erfolgt eine Erhöhung des
Reibmitteldruckes aufgrund der Berücksichtigung eines erhöhten Spitzendruckes und
damit notwendiger Verstärkung des gesamten Kurbeltriebes, was ebenfalls
kraftstoffverbrauchserhöhend wirkt.
Es zeigt sich, dass bei einer Verkleinerung des Motorhubvolumens auf 0,8 l ein Optimum
des Downsizingeffektes mit einer CO2-Reduktion von ca. 5,6% erreicht ist, eine weitere
Verringerung des Hubvolumens zeigt sogar wieder einen leichten Anstieg der CO2-
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 236 -4Emissionen im NEDC, da offensichtlich die Wirkungsgradverschlechterung durch εAbsenkung sowie die Reibungserhöhung den Entdrosselungseffekt überkompensiert.
Führt man dieselbe Simulation für einen 2-Zylindermotor durch, ergibt sich prinzipiell das
gleiche Verhalten, allerdings ist eine weitere Reduktion der CO2-Emission von 1,6%, also
insgesamt 7,2% bezogen auf den Basismotor mit 1,1 l Hubvolumen, möglich.
6.0
[ l / 100 km ]
3-Cylinder engines
2-Cylinder engines
Inertia weight class: 1130 kg
Manual transmission: -5- Gears, gear ratios = const.
Engine performance = const. (44 kW)
PFI-engines
C.R. adapted
Friction losses adapted to peak pressure increase
5.5
Fuel Consumption
5.25
5.0
5.05 4.96
4.5
4.99 4.91
4.95 4.87
5.04 4.95
4.0
Base N.A.
140
Charged Versions
CO2 Emissions
[ g / km ]
130
-5.6%
-7.2%
125
120
120
110
100
VH [ l ]:
1
1.10
Pe/VH [ kW/l ]: 40.0
ε [ - ]:
11.0
118
2
0.90
48.9
10.0
118
116
3
0.80
55.0
9.3
119
117
120
4
0.66
66.7
8.2
118
5
0.60
73.3
7.7
Abb.3 : Possible reduction of CO2-emission by downsizing in NEDC, 3- and 2-cylinder
engine
Bei dem relativ geringen Downsizinggrad von ca. 27% stellt sich die Frage, ob die
Fahrleistungskompensation durch Mitteldrucksteigerung auch mit konventionellen
Maßnahmen durchzuführen ist, um den beträchtlichen Mehraufwand für die Aufladegruppe
einzusparen. Als Maßnahmen bieten sich zum Beispiel Nockenwellenverstellung und die
Verwendung einer Variabilität im Saugtrakt an. Mit diesen Maßnahmen lassen sich bis auf
den Drehzahlbereich unterhalb 1500 1/min ähnliche Drehmomente darstellen wie mit dem
definierten Basismotor (Abb.4).
120
Torque / Nm
100
80
60
1,1
0,8
1,0
1,0
40
20
ltr
ltr
ltr
ltr
NA (base)
charged
NA 3-cyl.
NA 2-cyl.
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
Engine Speed / rpm
Abb. 4 : Calculated full load curves for downsizing concepts
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 237 -5Allerdings lässt sich dann der Hubraum nur auf 1,0l verkleinern, will man nicht
Fahrleistungseinbußen in Kauf nehmen.
Die Nachteile durch den geringeren Downsizinggrad werden im Vergleich zur
aufgeladenen Variante mit 0,8l Hubraum durch die Möglichkeit der internen
Abgasrückführung teilkompensiert, somit würde sich bei dieser Variante eine CO2Reduktion von ca. 4% darstellen lassen (Abb. 5). Eine mögliche 2-Zylindervariante hätte
wie in Abbildung 3 schon gezeigt damit einen CO2-Vorteil von ca. 5,6%, unabhängig vom
Hubvolumen.
Inertia weight class: 1130 kg
Manual transmission: -5- Gears, gear ratios = const.
Engine performance = const. (44 kW)
3-Cylinder PFI-engines
C.R. adapted
Friction losses adapted to peak pressure increase
140
Base
w/o VCT
[ g / km ]
w/ VCT
w/o VCT
CO 2 Emissions
130
120
N.A. engines
T.C. engines
-4.0%
-4.8%
-4.0%
-5.6%
125
120
119
120
118
118
119
119
120
110
100
1.10
V H [ l ]:
P e/V H [ kW/l ]: 40.0
11.0
ε [ - ]:
1.00
44.0
10.5
0.90
48.9
10.0
0.80
55.0
9.3
0.66
66.7
8.2
0.60
73.3
7.7
Abb.5 : CO2-emission reduction by downsizing - charged versus N.A. versions
2.2. Thermodynamische Kenngrößen
Das verminderte Motorhubvolumen führt zu einem Einzelzylinderhubvolumen von 267 cm3
beim aufgeladenen 0,8 l-3-Zylindermotor, eine Größenordnung, die die Frage nach einem
möglichen Bohrungsdurchmesser bei sinnvollem Hub-/Bohrungsverhältnis aufkommen
lässt. Würde man den Motor als 2-Zylinder ausführen, ergäbe sich immerhin ein
Einzelzylinderhubvolumen von 400 cm3, eine Größenordnung die bei vielen Motoren
üblich ist.
Zur Darstellung eines möglichst hohen indizierten Wirkungsgrades ist eine langhubige
Auslegung generell wünschenswert, durch eine Auslegung auf ein s/D-Verhältnis von 1,11,2 lässt sich dieser im Vergleich zu einer kurzhubigen Auslegung in der Größenordnung
s/D=0,9…1 um etwa 1-1,5% steigern (Abb. 6).
Ein weiterer zu berücksichtigender Parameter bei der Festlegung der bestmöglichen
Zylinderabmessungen ist die HC-Emission. Hier haben große Einzelzylinderhubvolumina
eindeutig Vorteile. Zwischen dem größten (500 cm3 bei der 1,0 l-2-Zylinder Variante) und
kleinsten Wert (267 cm3 beim 3-Zylinder 0,8 l-Motor) erfolgt im Mittel des Streubandes
eine Erhöhung von 100% der HC-Rohemissionen (Abb. 7).
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 238 -6-
n = 2000 rpm / WOT
Vol. efficiency > 0.8
35 Engines
0.38
4V-engines
Naturally aspirated
ε = const.
η i [-]
0.36
0.34
0.32
0.30
0.28
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
stroke / bore [-]
HC [g/kWh]
Abb.6 : Indicated engine efficiency depending on stroke/bore ratio
Brake Specific
HC - Emission
Speed = 2000 rpm
BMEP = 2 bar
Upstream Catalyst
30
28
26 Standard Boundary Conditions
24 (λ=1; 0% EGR; opt. Ign. Timing)
22
20 134 Engines
18
16
14
FEV
Scatter band
12
10
8
6
4
2
0
0
100
200
300
400
B04001a
500
600
700
800
Cylinder Displacement [cm3]
Abb.7 : HC-emission as a function of single cylinder displacement
Allerdings sollte dies bei der Konzeptfindung eine untergeordnete Rolle spielen, da bei den
Abgasmassenströmen in diesem Fahrzeugsegment bei allen hier diskutierten Varianten
die Einhaltung der EU5-Grenzwerte möglich ist.
Für den Motorhubraum von 0,8l ergeben sich für ein angenommenes Hub-/Bohrungsverhältnis von 1,1 nach Abb. 8 ein Zylinderdurchmesser von 77,4 mm für den
Dreizylinder- und 67,6 mm für den Zweizylindermotor, für die Saugvarianten mit 1,0l 72,8
mm (3-Zylinder) bzw. 83,3 mm (2-Zylinder).
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
110
s/ b
Stroke / mm
100
.2
=1
s/b
=1
.1
=
s/b
s/b
90
Overspeed Limit
6000 rpm
- 239 -7-
1.0
.9
=0
1.0 ltr
0.8 ltr
80
70
60
3 Cyl.
50
50
60
70
80
2 Cyl.
90
100
110
Bore / mm
Abb.8 : Bore and stroke of investigated 2- and 3-cylinder engines (s/b=1,1)
Wegen der Packageanforderungen im Brennraum ist grundsätzlich eine größere Bohrung
zu bevorzugen. Thermodynamisch sind die mit der größeren Bohrung realisierbaren
maximalen Ventilgrößen dem mit einem größeren Hub-/Bohrungsverhältnis günstigeren
Oberflächen-/Volumenverhältnis gegenüberzustellen. Eine Betrachtung des auf den
Kolbenhub bezogenen relativen Durchflusskoeffizienten αK/s (Abb. 9) zeigt, dass alle 2Ventil-Varianten am unteren Ende des anzustrebenden Bereiches liegen, deshalb werden
zumindest die Saugmotorvarianten als 4-Ventiler auszuführen sein, bei den aufgeladenen
Varianten wird davon ausgegangen, dass bei dem relativ geringen notwendigen
Aufladegrad zwei Ventile pro Zylinder ausreichend sind.
rel. Flow Capacity / αK/s
175%
1,0 ltr NA
TC / 0.8 ltr
74,3 / 67,6
85,1 / 77,4
0,8 ltr charged
150%
125%
Target Area
NA / 1.0 ltr
3-Cyl. / Stroke/Bore: 80,1 / 72,8
2-Cyl. /
“
91,7 / 83,3
100%
75%
50%
25%
0%
2V
4V
2V
4V
Abb. 9 : Comparison of specific flow coefficient of 2V- and 4V-combustion chambers
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 240 -82.3. Bewertung der Aufladung zur Kompensation der Fahrleistungen bei Downsizing
•
Stationäre Auslegung
Ein Vorteil für die aufgeladene Variante ist, dass aufgrund der relativ niedrigen
notwendigen spezifischen Leistung von ca. 55 KW/l eine kleine Turbine verwendet werden
kann. Die Nennleistung wird bereits bei einer Drehzahl von ca. 4200 1/min erreicht, die
maximale Motordrehzahl würde auf ca. 5000 1/min begrenzt werden können. Dies gibt die
Möglichkeit, die Getriebeübersetzung in den oberen Gängen um bis zu ca. 20% länger
auszulegen (Abb. 10).
20
Dwell times only valid for base variant
Time [%]
15
Inline 3-Cylinder T.C.
VH=0.80 l
ε = 9.3
BMEPMAX = 15.6 bar
Pe, max / VH = 55 kW/l
15
14
14
1313
1212
Inertia weight class: 1130 kg
Manual transmission: -5- Gears
Engine performance = const. (44 kW)
1111
1010
15
9
9
8
8
7
6
252
5
10
255
4
6
5
300
23
12
5
400
1000
2000
Driving resistance 5th gear
Base gear ratios
Adapted gear ratios
3000
4000
5000
CO2 Emissions
130
120
-5.6%
-8.0%
125
119
118
115
110
4
3
275
0
7
N.A. base engine
T.C. engines
140
[ g / km ]
Brake Mean Effective Pressure [bar]
25
0.2
1
100
VH [ l ]:
Pe/VH [ kW/l ]:
ε [ - ]:
1
1.10
40.0
11.0
2
Base
gear ratios
0.80
55.0
9.3
3
Adapted
gear ratios
0.1
0.5
0
0
6000
Engine Speed [rpm]
Abb. 10 : CO2 emission reduction by gear ratio adaptation for turbocharged versions
Eine Zyklussimulation im NEDC zeigt durch die Reduktion des Drehzahlniveaus im
Testzyklus ein weiteres Verbrauchspotenzial von ca. 2,4%. Die Getriebeübersetzungen
wurden bei dieser Simulation folgendermaßen gewählt :
1.Gang 10% kürzer
2.Gang unverändert
3.Gang 5% länger
4.Gang 10% länger
5.Gang 18% länger
als die Basisvariante mit 1,1l Hubvolumen.
•
Dynamisches Verhalten
Ein wesentlicher Nachteil des hubraumkleinen, aufgeladenen Ottomotors ist das
Ansprechverhalten des Turboladers im unteren Durchsatzbereich und positivem
Lastwechsel. Abb. 11 zeigt exemplarisch den Vergleich der Zeit des
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 241 -9Drehmomentaufbaues von 10 auf 90% des Volllastmomentes bei einer Drehzahl von 1500
1/min. Im Vergleich zum fahrleistungsgleichen Saugmotor ist diese Zeit bei allen
aufgeladenen Varianten um Größenordnungen erhöht. Selbst der Übergang auf eine
mehrstufige Aufladung, unabhängig von dem Aufladeprinzip der 1. Stufe, würde diesen
Effekt nicht kompensieren. Hierbei sind die aufgeladenen 2-Zylindervarianten aufgrund der
wesentlich höheren Schwankung des Abgasmassenstromes über der Zeit noch einmal
schlechter als die Dreizylindermotoren. Allerdings ist in diesem preissensitiven
Fahrzeugsegment eine mehrstufige Aufladung, egal in welcher Form, nicht vorstellbar.
Time 10% to 90% Torque / sec
3
NA
0,8 ltr charged
2,5
3-cyl.
2-cyl.
2
1,5
1
0,5
0
1,1ltr
1,0ltr
Single
T/C
T/C +
T/C
S/C +
T/C
Single
T/C
T/C +
T/C
S/C +
T/C
Abb. 11 : Transient response time of engine versions at 1500 rpm
2.4. Konstruktive und mechanische Merkmale
Die Konstruktion von kleinvolumigen Motoren mit hoher spezifischer Leistung ist im
Vergleich zu Aggregaten mit größerem (Zylinder)hubraum grundsätzlich anspruchsvoller.
Die Gestaltung des Brennraums und des Ventiltriebs erfordert im Hinblick auf
Thermodynamik und Robustheit höhere Aufmerksamkeit, da sich Bauteile wie Zündkerze,
Injektoren und Ventilbetätigungselemente nicht analog zum Bohrungsdurchmesser
verkleinern lassen. Gleichzeitig kann die Fertigungsgenauigkeit nicht beliebig erhöht
werden, so dass die relativen Fertigungstoleranzen mit zunehmendem Downsizing größer
werden.
Wenn der Motor zusätzlich mit Nockenwellenstellern oder direkter Einspritzung mit zentral
im Brennraum platziertem Injektor ausgestattet werden soll, nehmen die
Herausforderungen noch zu.
Weiterhin ist zu beachten, dass gerade kleine Motoren kostengünstig zu fertigen sein
müssen, da in diesem Fahrzeugsegment der Preis stärker zur Kaufentscheidung beiträgt
als das bei höherklassigen PKW der Fall ist.
Im Vergleich von Zwei- und Dreizylinderreihenmotoren hat in Bezug auf den
Motorbauraum der 2-Zylindermotor in Motorlängsrichtung klare Vorteile. Die Motorhöhe
stellt sich beim 3-Zylinder etwas günstiger dar. Wegen des kürzeren Hubes baut auch das
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 242 - 10 Pleuel (bei gleichem Schubstangenverhältnis) kürzer, so dass die Blockhöhe einige
Millimeter geringer sein kann als beim 2-Zylindermotor.
Bei der Reibung (Abb. 12) finden sich zwischen den hier diskutierten Motoren nur sehr
geringe Unterschiede. Das gilt sowohl für die Hubraumvarianten als Sauger und Turbo als
auch für den Vergleich 2- zu 3-Zylinder bei gleichem Hubvolumen. Die geringere Reibung
durch die reduzierte Anzahl an Zylindern und Lagerstellen im Kurbeltrieb wird
kompensiert, weil wegen den mit der größeren Zylinderbohrung beim 2-Zylindermotor
einhergehenden zunehmenden Gas- und Massenkräften größere Lagerdurchmesser nötig
sind und weil die größeren Massen der Ventile entsprechend härtere Ventilfedern
erfordern. Außerdem ist beim R2-Motor für einen akzeptablen Geräusch- und
Schwingungskomfort eine Massenausgleichswelle zum Ausgleich der freien Massenkräfte
vorzusehen, während beim R3-Motor (freies Moment 1. Ordnung) auch mit
Sekundärmaßnahmen eine befriedigende Akustik darstellbar ist. Beim Reibungsvergleich
zwischen den hier definierten Saug- und Turbomotoren ist die deutliche Mehrreibung im
Ventiltrieb bei den Saugern (4V zu 2V) nennenswert. Der Reibungsanteil für die
Nebenaggregate (Ölpumpe, Lichtmaschine, Wasserpumpe) ist bei den aufgeladenen
Motoren entsprechend höher.
100%
Mass balance drive
@2000 rpm
Friction FMEP [%]
120%
80%
Accessories
Valve drive
60%
Crank drive
40%
20%
0%
2 Cyl.
3 Cyl.
0.8 l TC 2V
2 Cyl.
3 Cyl.
1.0 l NA 4V
Abb. 12 : Comparison of friction losses – 2- and 3-cylinder engine
In Bezug auf die Motorkosten stellt sich der 2-Zylindermotor günstiger dar. Im Vergleich
zum oben beschriebenen Basismotor (1,1 l, R3, 2V, freisaugend, keine Variabilitäten)
kann unter Berücksichtigung des – anders als beim 3-Zylinder - nötigen
Massenausgleichsgetriebes bei ansonsten identischer Ausstattung von einer etwa 15%
günstigeren Motorenfertigung und Montage ausgegangen werden. Durch diesen
Kostenvorteil ergeben sich für die diskutierten Zweizylinder-Saugmotoren (4V,
Nockenwellensteller, Variabilität im Saugtrakt) und die 2V Turbomotoren in der Relation
zwischen Kosten und CO2-Reduzierung deutliche Vorteile im Vergleich zu den 3-Zylinder
Varianten (Abb. 13).
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 243 - 11 -
CO2 saving (%)
-11
-10
0.8 l TC 2 cyl.
0.8 l TC 3 cyl.
2V SOHC
2V SOHC
-9
-8
-7
1.0 l NA 2 cyl.
4V DOHC
-6
-5
1.0 l NA 3 cyl.
4V DOHC
-4
1.0 l NA 2 cyl.
2V SOHC
-3
-2
Base Engine
1.1 l NA 3 cyl.
2V SOHC
-1
0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30 ∆ costs (%)
Abb. 13 : Cost estimation of possible additional technologies
2.5. Akustische Aspekte
Das Geräusch- und Schwingungsverhalten des hier definierten 1,1 l Basismotors ist auf
einem für Kleinwagen heute akzeptierten Niveau. Bei solchen Motoren wird heute teilweise
zum Ausgleich des freien Momentes der 1. Ordnung eine Ausgleichswelle eingesetzt, es sind
aber auch Motoren ohne Ausgleichswelle in der Serie /z.B. 3/. Der Motor mit Ausgleichswelle
ist dem ohne wegen des günstigeren Schwingungsverhaltens aus Sicht der Akustik zu
bevorzugen, auch wenn dadurch die Reibung und damit der Kraftstoffverbrauch etwas
ansteigen. Alternativ zur Ausgleichswelle werden für zukünftige Motoren aber auch etwa
aktive Motorlager diskutiert, womit die gewünschte Akustik dann ohne Nachteile im
Kraftstoffverbrauch erzielt wird.
Das Geräusch- und Schwingungsverhalten von zukünftigen 3-Zylindermotoren mit
reduziertem Hubraum unterscheidet sich nicht grundsätzlich von den heutigen Motoren. Bei
dem hier diskutierten 1,0 l Saugmotor mit Variabilitäten im Ventiltrieb und Saugsystem
kommt es nicht zu signifikanten Unterschieden im NVH-Verhalten. Das akustische Verhalten
im Umschaltpunkt bei Wechsel der Betriebsstrategien ist im Entwicklungsprozess zu
berücksichtigen, dies ist aber eine lösbare Aufgabe. Bei dem 0,8 l Turbomotor ist der Einfluss
des Laders auf die Akustik zu beachten. Die für die Schwingungsanregung relevanten freien
Kräfte und Momente sind durch das Downsizing kaum verändert (Abb.14). Einerseits steigen
zwar die spezifische Leistung und damit der Spitzendruck an, andererseits sind aber die
Zylinderdurchmesser und –abstände geringer.
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
0
1
2
3
4
2000rpm full load
0 with B/S
B/S = balancer shaft
force [N]
0 with B/S
moment [Nm]
- 244 - 12 -
0
engine order
1
2
3
4
engine order
1.1l 3-cylinder (base)
0.8l 3-cylinder
0.8l 2-cylinder (360°/360°)
Abb. 14 : Free forces and moments of 3- and 2-cylinder engines
Der 2-Zylindermotor kann sich in der subjektiven Bewertung der Geräuschabstrahlung - je
nach Ausführung – recht deutlich von einem 3-Zylindermotor unterscheiden, die
Unterschiede im Pegel von Motor- und Mündungsgeräuschen hingegen sind eher gering.
Beim 2-Zylinder sind verschiedene Varianten der Zylinderanordnung und Zündfolge möglich.
In diesem Artikel wird ein Parallel-Twin Reihenzweizylindermotor mit 360° Zündabstand und
Ausgleichswelle angenommen. Der hierdurch erzielte Ausgleich der freien Massenkräfte 1.
Ordnung ist für diesen Motor auch unbedingt erforderlich. Bezüglich seines
Schwingungsverhaltens ist dieser Motor eher auf einem Niveau mit dem 3-Zylinder ohne
Ausgleichswelle, der 3-Zylinder mit Ausgleichswelle hat dem gegenüber Vorteile. Die
Frequenz der an den Mündungen abgestrahlten Motorordnungen ist niedriger, wodurch
die Drehzahl subjektiv als niedriger empfunden wird. Es ergibt sich ein im PKW-Bereich
heute eher ungewohnter Geräuschcharakter.
Einige Varianten des 2-Zylinders sind aus Akustiksicht allerdings interessant. Führt man etwa
den Motor als Reihenmotor mit geänderter Kröpfung und einem Zündabstand von 180° und
540° aus, kann auf die Ausgleichwelle verzichtet werden (Abb.15). Bei diesem Motor
verschlechtert sich jedoch die Drehungleichförmigkeit etwas. Die Kombination mit
Turboaufladung in der 0,8-Liter Variante ist außerdem thermodynamisch weniger effizient.
Den im Motorradbereich typischen V2-Klang kann mit einem Reihenzweizylinder und einem
Zündabstand von 270° und 450° realisiert werden. Hiermit lässt sich auch im PKW ein
interessantes Motorgeräusch erzielen, das sich positiv von anderen 2-Zylindergeräuschen
absetzen kann.
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 245 - 13 -
0
1
2
engine order
3
4
B/S = balancer shaft
force [N]
moment [Nm]
0 with B/S
2000rpm full load
0
1
0.8l 2-cylinder (360°/360°)
0.8l 2-cylinder (180°/540°)
0.8l 2-cylinder (270°/450°)
2
3
4
engine order
Abb. 15 : Free forces and moments of 2-cylinder engines variants
Alle hier diskutierten Ansätze und Varianten sind hinsichtlich der Geräusch- und
Schwingungspegel auf einem akzeptablen Niveau und können grundsätzlich im
Kleinwagensegment eingesetzt werden. Unterschiede zwischen den verschiedenen
Konzepten ergeben sich vor allem in der subjektiven Empfindung des Geräuschcharakters.
Durch geeignete Konzeptwahl lässt sich hier ein insgesamt akustisch günstiges Aggregat
realisieren.
3. Weitergehende Maßnahmen zur Verbrauchsreduktion
Eine weitere Möglichkeit, die CO2-Emissionen bei allen Varianten weiter zu verringern, ist
die Adaption einer Direkteinspritzung. Bei beiden Varianten, aufgeladene wie
Saugvariante, zeigt sich ein weiterer Vorteil von ca. 2% durch die mögliche Anhebung des
Verdichtungsverhältnisses um 1 Einheit bei der aufgeladenen Version und ca. 1,5
Einheiten bei der Saugvariante (Abb.16). Eine Variante mit zentralem Injektor würde
zumindest für die aufgeladenen 0,8l-3-Zylinder-Variante aufgrund der Platzverhältnisse im
Zylinderkopf nicht in Frage kommen. Allerdings wird in diesem Fahrzeugsegment auch
nicht die Notwendigkeit gesehen, einen zentralen Injektor im Zylinderkopf zu
berücksichtigen.
Das Potenzial weiterer fahrzeugseitiger Maßnahmen, die auch in diesem
Fahrzeugsegment die CO2-Emissionen nachhaltig senken würden (Start/Stopp-Funktion,
Reduzierung des Rollwiderstandes, Reduktion der Schwungmassenklasse) wurden
ebenfalls in der durchgeführten Zyklussimulation untersucht (Abb.16). Insbesondere die
Start/Stopp-Option
ist
in
dieser
Fahrzeugklasse
aufgrund
des
Kosten/Nutzenverhältnisses, eine CO2-Absenkung von ca. 5%, attraktiv.
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
- 246 - 14 Inertia weight class: 1130 kg
Manual transmission: -5- Gears
Engine performance = const. (44 kW)
C.R. adapted
110
-2.0%
-5.0%
-1.8%
-4.8%
12.0
10.5
10.5
10.5
Rolling resistance
reduction (10 %)
[%]
100
Start / Stop
Fuel Consumption
105
95
90
- Vehicle mass
reduction (-100 kg)
- adapted gear ratios
10.5
Base
80
ε [ - ]:
DI
(λ = 1.0)
85
Abb. 16 : Additional possible measures for CO2 reduction in small vehicle segment
4. Zusammenfassung und Ausblick
Für das hier untersuchte Kleinwagensegment kommen als zukünftige Antriebe generell 2oder 3-Zylindermotoren in Frage, wobei die 2-Zylindervarianten aufgrund des größeren
Einzelzylinderhubvolumens leichte Vorteile im Kraftstoffverbrauch aufweisen. Aufgrund der
bei heutigen in Serie befindlichen Motoren schon relativ hohen Lasten im europäischen
Fahrzyklus ist der Verbrauchsvorteil durch Downsizing mit 4-9% im Vergleich zu ähnlichen
Konzepten in gehobeneren Fahrzeugklassen relativ gering. Hierbei zeigen sich Vorteile
bei den aufgeladenen Varianten im Vergleich zu den 4V-Saugmotorvarianten mit variablen
Steuerzeiten aufgrund des größeren realisierbaren Downsizinggrades sowie der
Möglichkeit der Maximaldrehzahlabsenkung und entsprechende Anpassung der
Getriebeübersetzungen.
0.8 l T.C. - 2V
1.0 l N.A. - 4V
3-Cylinder 2-Cylinder 3-Cylinder 2-Cylinder
CO2 emissions
CO2
emissions
++
++
+
+
stationary
+
+
o
o
instationary
-
--
o
o
Fuel consumption real driving
+
o
+
+
Package
+
++
o
+
Effort / Costs
--
-
-
o
NVH
o
-
o
-
Emissions
-
-
+
+
Performance
o = Equal to base engine, PFI-2V, N.A., VH = 1.1 l, vehicle mass = 1130 kg
+ = better than base engine
- = worse than base engine
Abb. 17 : Overall evaluation matrix of investigated downsizing concepts
30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009
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