Aufgaben - HAW Startseite: HAW Hamburg · Man kommentiere die Abb. 1 von S.234 für die Hybridfahrzeuge. ... "T.C." = Turbo Charged ... "S/C" = Supercharger = mechanischer Lader

HAW Hamburg, Fb. MP Kolbenmaschinen (SKM) Prof. Dr.-Ing. Victor Gheorghiu

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Aufgaben (150 Punkte)

Man erkläre mit Hilfe eines selbsterstellten Diagramms den Begriff Lastpunktverschiebung.1.Man kommentiere die Abb. 1 von S.234 für die Hybridfahrzeuge. Wie kommt man unter der2.Ziellinie für 2012?Man kommentiere die Bilder aus Abb. 2 von S.235. Wie sollte eine ideale Kurve des3.Fahrwiderstands im 5.Gang aussehen (bitte direkt drauf zeichnen)? Durch welcheMaßnahmen kann man Ihre ideale Kurve verwirklichen?Man erkläre und kommentiere den auf S.235 unten und S.236 oben markierten Abschnitt.4.Man benutze dafür auch die Abb. 3.Warum sinkt das Drehmoment (s. Abb. 4) unterhalb von 2000 1/min und oberhalb von 40005.1/min? Bitte ausführlich erklären.Man erkläre und kommentiere den auf S.237 oben markierten Abschnitt. Man benutze6.dafür die Abb. 4 und 5.Man erkläre warum S/D > 1 zu einem höheren i führt (s. den auf S.237 unten markierten7.

Abschnitt und Abb. 6 dafür).Warum haben Zylinder mit großem Hubraum eine niedrigere HC-Emission, wie ganz unten8.aus S.237 behauptet und in Abb.7 dargestellt wurde?Man erkläre und kommentiere den auf S.238 unten markierten Abschnitt im9.Zusammenhang mit Abb. 8.Man erkläre und kommentiere den auf S.239 markierten Abschnitt im Zusammenhang mit10.Abb. 9. Worin bestehe der Vorteil erwähnt im auf S.240 oben markierten Abschnitt im11.Zusammenhang mit Abb. 10? Bitte ausführlich erklären.Man erkläre und kommentiere den auf S.240 unten markierten Abschnitt im12.Zusammenhang mit Abb. 11.Man erkläre und kommentiere den auf S.242 oben markierten Abschnitt im Zusammenhang13.mit der Tabelle 2 von S.2 und Abb. 12 von S.242. Man erkläre und kommentiere den auf S.242 unten markierten Abschnitt im14.Zusammenhang mit Abb. 13. Man erkläre und kommentiere den auf S.243 unten markierten Abschnitt im15.Zusammenhang mit Abb. 14. Was wurde in dieser Abb. durch den Balken dargestellt?Man erkläre und kommentiere die auf S.244 markierten Abschnitte im Zusammenhang mit16.der Tabelle 2 von S.2 und Abb. 15 von S.245. Man erkläre und kommentiere die auf S.245 markierten Abschnitte im Zusammenhang mit17.der Abb. 16.Man erkläre und kommentiere die auf S.244 markierten Abschnitte im Zusammenhang mit18.der Evaluationsmatrix aus Abb. 17. Bitte nicht die Schlussfolgerungen aus dem Berichtrüberkopieren (diese werden nicht bewertet!) sondern Ihre eigene vorstellen undbegründen.Seit Ende 2009 ist Fiat mit dem ersten vollvariablem Ventiltrieb, der auf einer19.elektrohydraulischen Verstellung basiert, in Serie. Die Abb. 18 und 19 und die Tabelle 3 allevon S.3 stellen das Verhalten und die Vorteile dieses Ventiltriebs dar. Man erkläre undkommentiere die Zusammenhänge zwischen den Bidern und Tabelle ausführlich.

EEA_EA_110128.mcd 1 05.03.2011

Grg

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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

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Abb. 18: Betätigungsmodi Einlassventil

Abb. 19: Kennfeldabhängige Ventilsteuermodi MOTORDREHZAHL

Tabelle 3: Vorteile der MultiAir-Technologie für Ottomotoren

EEA_EA_110128.mcd 3 05.03.2011

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- 2 -

30. Internationales Wiener Motorensymposium 2009

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 3-Zylinder-Ottomotor (Abb.1), folgendes repräsentatives, fiktives Fahrzeug definiert :

• Schwungmassenklasse 1130 kg • Höchstgeschwindigkeit 155 km/h

CO

2 E

mis

sio

ns [

g/k

m]

50

100

150

200

250

300

350

400

Vehicle Inertia Weight Class [kg]

750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

Source: KBAStatus: 2008

Proposed fleet

standards 2012COM(2007)0856 –C6-0022/2008 –2007/0297(COD) of17/12/2008

Scatterband Gasoline Vehicles Scatterband Gasoline Hybrid Vehicles Scatterband 3-Cylinder Gasoline Vehicles

(Small Size Vehicle Class)

- 234 -

Grg

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- 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 Kraftstoff-verbrauches ergibt sich ein Verweildauerkennfeld nach Abb.2. 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-

Time [%]

Bra

ke M

ean

Eff

ec

tive P

ressu

re [

bar]

0

5

10

15

20

25

Engine Speed [rpm]

1000 2000 3000 4000 5000 6000

300

400

255

275

Inline 3-Cylinder N.A.VH=1.10 lε = 11.0BMEPMAX = 11.4 barPe, max / VH = 40 kW/l

Driving Resistance5 th Gear

246

Engine Speed [rpm]

1000 2000 3000 4000 5000 6000

400

300

275

255

Inline 3-Cylinder T.C.VH=0.80 lε = 9.3BMEPMAX = 15.6 barPe, max / VH = 55 kW/l

Driving Resistance5 th Gear

252

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0.2

0.1

0

- 235 -

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Grg

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- 4 -


Emissionen im NEDC, da offensichtlich die Wirkungsgradverschlechterung durch ε-Absenkung 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.

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).

Abb. 4 : Calculated full load curves for downsizing concepts

0

20

40

60

80

100

120

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Engine Speed / rpm

To

rqu

e /

Nm

1,1 ltr NA (base)

0,8 ltr charged

1,0 ltr NA 3-cyl.

1,0 ltr NA 2-cyl.

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

Inertia weight class: 1130 kgManual transmission: -5- Gears, gear ratios = const.Engine performance = const. (44 kW)PFI-enginesC.R. adaptedFriction losses adapted to peak pressure increase

Charged VersionsBase N.A.

4.954.96

[ l /

100

km ]

Fuel Consumption

5.255.05

4.874.99 4.91 5.04 4.95

1 2 3 4 5100

110

120

130

140

-7.2%-5.6%

118120 118 118117120119

116

[ g /

km ]

CO2 Emissions

125

3-Cylinder engines 2-Cylinder engines

1.1040.011.0

0.9048.910.0

0.8055.09.3

0.6666.78.2

0.6073.37.7ε [ - ]:

Pe/V

H [ kW/l ]:

VH [ l ]:

- 236 -

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- 5 -


Allerdings 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 CO2-Reduktion 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.

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 1,1-1,2 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).

100

110

120

130

140w/o VCT

ε [ - ]:

VH [ l ]:

Pe/V

H [ kW/l ]:

Inertia weight class: 1130 kgManual transmission: -5- Gears, gear ratios = const.Engine performance = const. (44 kW)3-Cylinder PFI-enginesC.R. adaptedFriction losses adapted to peak pressure increase

0.6073.37.7

0.6666.78.2

120119

-5.6%

1.0044.010.5

-4.0%

118119

-4.8%

120 118 119120

[ g /

km ]

CO2 Emissions

125

-4.0%

N.A. engines T.C. engines

1.1040.011.0

0.9048.910.0

0.8055.09.3

Basew/o VCT w/ VCT

- 237 -

Grg

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Grg

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- 6 -


Abb.6 : Indicated engine efficiency depending on stroke/bore ratio

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-/Bohrungs-verhältnis 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).

HC

[g

/kW

h]

02468

1012141618202224262830

Cylinder Displacement [cm3]

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Standard Boundary Conditions(λ=1; 0% EGR; opt. Ign. Timing)

134 Engines

Scatter bandFEV

B04001a

Speed = 2000 rpmBMEP = 2 bar

Upstream Catalyst

Brake SpecificHC - Emission

ηη ηηi [-

]

0.28

0.30

0.32

0.34

0.36

0.38

stroke / bore [-]

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

n = 2000 rpm / WOT 4V-enginesVol. efficiency > 0.8 Naturally aspirated35 Engines ε = const.

ηη ηηi [-

]

0.28

0.30

0.32

0.34

0.36

0.38

stroke / bore [-]

0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

n = 2000 rpm / WOT 4V-enginesVol. efficiency > 0.8 Naturally aspirated35 Engines ε = const.

- 238 -

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- 7 -


50

60

70

80

90

100

110

50 60 70 80 90 100 110

Bore / mm

Str

ok

e / m

m

s/b =

1.2

Overs

peed

Lim

it

6000 r

pm

s/b =

1.1

s/b = 1.0

s/b = 0.9

3 Cyl. 2 Cyl.

1.0 ltr

0.8 ltr

50

60

70

80

90

100

110

50 60 70 80 90 100 110

Bore / mm

Str

ok

e / m

m

s/b =

1.2

Overs

peed

Lim

it

6000 r

pm

s/b =

1.1

s/b = 1.0

s/b = 0.9

3 Cyl. 2 Cyl.

1.0 ltr

0.8 ltr

s/b =

1.2

Overs

peed

Lim

it

6000 r

pm

s/b =

1.1

s/b = 1.0

s/b = 0.9

3 Cyl. 2 Cyl.

1.0 ltr

0.8 ltr

1.0 ltr

0.8 ltr

1.0 ltr

0.8 ltr

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 2-Ventil-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.

Abb. 9 : Comparison of specific flow coefficient of 2V- and 4V-combustion chambers

0%

25%

50%

75%

100%

125%

150%

175%

2V 4V 2V 4V

NA / 1.0 ltr TC / 0.8 ltr

3-Cyl. / Stroke/Bore: 80,1 / 72,8 74,3 / 67,6

2-Cyl. / “ 91,7 / 83,3 85,1 / 77,4

Ta

rget

Are

a0,8 ltr charged1,0 ltr NA

rel.

Flo

wC

ap

ac

ity

/ αα αα

K/s

0%

25%

50%

75%

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2V 4V 2V 4V


3-Cyl. / Stroke/Bore: 80,1 / 72,8 74,3 / 67,6

2-Cyl. / “ 91,7 / 83,3 85,1 / 77,4


3-Cyl. / Stroke/Bore: 80,1 / 72,8 74,3 / 67,6

2-Cyl. / “ 91,7 / 83,3 85,1 / 77,4

Ta

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Are

a0,8 ltr charged1,0 ltr NA

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Flo

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ap

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ity

/ αα αα

K/s

- 239 -

Grg

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- 8 -


2.3. 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).

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

Time [%]

Bra

ke M

ean

Eff

ecti

ve P

ressu

re [

bar]

0

5

10

15

20

25

Engine Speed [rpm]

1000 2000 3000 4000 5000 6000

400

300275

255


15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0.2

0.1

0

252

Driving resistance 5th gear Base gear ratios Adapted gear ratios

15

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0.5

0

Dwell times only valid for base variant

1 2 3100

110

120

130

140

N.A. base engine T.C. engines

Inertia weight class: 1130 kgManual transmission: -5- GearsEngine performance = const. (44 kW)

Basegear ratios

115

-8.0%

119 118

[ g /

km

]

CO2 Emissions

125

-5.6%

1.1040.011.0

0.8055.09.3

Adaptedgear ratios

ε [ - ]:P

e/V

H [ kW/l ]:

VH [ l ]:

Time [%]

Bra

ke M

ean

Eff

ecti

ve P

ressu

re [

bar]

0

5

10

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25

Engine Speed [rpm]

1000 2000 3000 4000 5000 6000

400

300275

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252

Driving resistance 5th gear Base gear ratios Adapted gear ratios

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6

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0.5

0

Dwell times only valid for base variant

1 2 3100

110

120

130

140

N.A. base engine T.C. engines

Inertia weight class: 1130 kgManual transmission: -5- GearsEngine performance = const. (44 kW)

Basegear ratios

115

-8.0%

119 118

[ g /

km

]

CO2 Emissions

125

-5.6%

1.1040.011.0

0.8055.09.3

Adaptedgear ratios

ε [ - ]:P

e/V

H [ kW/l ]:

VH [ l ]:

- 240 -

Grg

Hervorheben

Grg

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- 9 -


Drehmomentaufbaues 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.

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

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

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

Tim

e 1

0%

to

90%

To

rqu

e /

sec NA 0,8 ltr charged

3-cyl. 2-cyl.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

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

Tim

e 1

0%

to

90%

To

rqu

e /

sec NA 0,8 ltr charged

3-cyl. 2-cyl.

- 241 -

- 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.

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).

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

2 Cyl. 3 Cyl. 2 Cyl. 3 Cyl.

Fric

tion

FM

EP

[%

]@

20

00

rp

m

Mass balance drive

Accessories

Valve drive

Crank drive

1.0 l NA 4V0.8 l TC 2V

- 242 -

Grg

Hervorheben

Grg

Hervorheben

- 11 -


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.

0.8 l TC 2 cyl.2V SOHC

1.0 l NA 2 cyl.4V DOHC

1.0 l NA 2 cyl.2V SOHC

1.0 l NA 3 cyl.4V DOHC

0.8 l TC 3 cyl. 2V SOHC

Base Engine 1.1 l NA 3 cyl.

2V SOHC

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 ∆∆∆∆ costs (%)

CO2 saving (%)

- 243 -

Grg

Hervorheben

- 12 -


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.

0 1 2 3 4 0 1 2 3 4

engine order

1.1l 3-cylinder (base) 0.8l 3-cylinder 0.8l 2-cylinder (360°/360°)

mom

ent [

Nm

]

0 w

ith B

/S

2000rpm full load

engine order

B/S

= b

alan

cer

shaf

t

0 w

ith B

/S

forc

e [N

]

- 244 -

Grg

Hervorheben

Grg

Hervorheben

- 13 -


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.

0 1 2 3 4 0 1 2 3 4

engine order

0.8l 2-cylinder (360°/360°) 0.8l 2-cylinder (180°/540°) 0.8l 2-cylinder (270°/450°)

mom

ent

[Nm

]

B/S

= b

alan

cer

shaf

t

2000rpm full load

0 w

ith B

/S

engine order

forc

e [N

]

- 245 -

Grg

Hervorheben

Grg

Hervorheben

- 14 -


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 2- oder 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.

Abb. 17 : Overall evaluation matrix of investigated downsizing concepts

80

85

90

95

100

105

110

Bas

e

Inertia weight class: 1130 kgManual transmission: -5- GearsEngine performance = const. (44 kW)C.R. adapted

-4.8%

10.510.5

-1.8%-5.0%

ε [ - ]:

[ % ]

Fuel Consumption

-2.0%

10.5 12.0 10.5D

I(λ

= 1

.0)

Sta

rt /

Sto

p

Rol

ling

resi

stan

cere

duct

ion

(10

%)

- V

ehic

le m

ass

re

duct

ion

(-10

0 kg

)-

adap

ted

gear

rat

ios

3-Cylinder 2-Cylinder 3-Cylinder 2-Cylinder

CO2 emissions ++ ++ + +

stationary + + o o

instationary - -- o o

Fuel consumption real driving + o + +

Package + ++ o +

Effort / Costs -- - - o

NVH o - o -

Emissions - - + +

1.0 l N.A. - 4V0.8 l T.C. - 2V

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

CO2 emissions

3-Cylinder 2-Cylinder 3-Cylinder 2-Cylinder

CO2 emissions ++ ++ + +

stationary + + o o

instationary - -- o o

Fuel consumption real driving + o + +

Package + ++ o +

Effort / Costs -- - - o

NVH o - o -

Emissions - - + +

1.0 l N.A. - 4V0.8 l T.C. - 2V

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

CO2 emissions

- 246 -

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Aufgaben - HAW Startseite: HAW Hamburg · Man kommentiere die Abb. 1 von S.234 für die Hybridfahrzeuge. ... "T.C." = Turbo Charged ... "S/C" = Supercharger = mechanischer Lader