BMW TWINPOWER TURBO

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INHALTSVERZEICHNIS1. 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

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1. EINLEITUNG

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Wesentliche Optimierungen im Technologiepaket BMW TwinPower Turbo

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2. ABGASTURBOAUFLADUNG

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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

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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

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3. ANFORDERUNGEN & GESETZE

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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

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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

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Emissionsentstehung in FTP-75 und NEFZ

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URSACHENA. 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

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ZIELE UND STELLGRÖßEN

• Ziel → HC-Emissionen reduzieren

• DoE (Design of Experiments) der Stellgrößen: Einlassventilhub, Zündwinkel, Einspritzmenge, Einspritzlage, Anzahl der Einspritzungen

VANOS & VALVETRONICProblem

• Geringe Brennraumwand-temperaturen erschweren Gemischaufbereitung im Kaltstart

• Geringes Ladungsbewegungs-niveau 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

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ZWEIFACHEINSPRITZUNGEinsatz → 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

EINSPRITZDRUCKErhöhung 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

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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

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ABGASWÄRMEVERLUSTProblem: Verlust durch Wärmesenke zw. ATL-Eintritt und Kat-Eintritt (Expansion Turbine & Oberfläche Turbinenschnecke) von 300 K

Ziel: Minimierung→ schneller Katalysator-Light-Off →niedrige Abgasemission

Lösung: 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

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Wirksamkeit der Einzelmaßnahmen zur Erreichung des SULEV- Grenzwertes

Basis 100% ATL -40% Kat -60% Einspr. -50%

Potenzial einer Einspritzdruckerhöhung zur Erfüllung zukünftiger RDE Partikelanzahl-Limits