DeR neUe 1,0-L-DReIZYLInDeR-OTTOMOTOR VOn HYUnDaI / kIa

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titelthema DREIZyLINDERMOTOREN

zentrale rolle in zukünftigen kleinwagen des konzerns

Gegenstand weltweit geführter Diskussi o­nen ist der Klimawandel und insbesondere der Einfluss menschlichen Handelns darauf. Der Transportsektor, einschließlich Auto­, Zug­, Flug­ und Schiffverkehr, re präsentiert mehr als ein Fünftel der gesamten globalen CO2­Emission. Hyundai/Kia stellt sich den Herausforderungen zur Re duzierung der Treibhausgase sowie aller anderen Emis­sionen, wie es die Gesetzgebung in den relevanten Märkten fordert. Dies sowie steigende Energiepreise führen zu einem erhöhten Interesse an kompakten Fahrzeu­gen. Der neue 1,0­l­Dreizylinder aus der κ­Ottomotoren­Baureihe ist Bestandteil der nachhaltigen Hyundai/Kia­Produktstrategie und verbindet hohe Leistung mit Ver­brauchseffizienz. Das gewählte Dreizylin­derkonzept erfüllt aufgrund intensiver Detailoptimierung hohe akustische Ansprüche. Von Beginn der Entwicklung an finden länderspezifische Varianten Berücksichtigung. Die ebenso ökonomi­sche wie ökologische κ­Motoren baureihe wird – unterstützt von weiteren Derivaten – eine zentrale Rolle in den zukünftigen Kleinwagen des Konzerns übernehmen.

konzeptentscheidung: zylinderzahl

Zu Beginn der Entwicklung des neuen 1,0­l­Motors war diese Hubraumklasse durch Vierzylinderaggregate geprägt. Dane­ben existierten auch Dreizylinder im Markt;

über die Entwicklung eines Zweizylinders wurde berichtet. Die wesent lichen Argu­mente für die verschiedenen Umsetzungen sind in dieser Hubraumklasse zum einen in den Kosten, zum anderen in ihrem Potenzial zur Verbesserung der Effizienz zu finden. Die grundsätzliche Frage nach der Zahl der Zylinder wurde in einer Konzeptstudie erör­tert, ❶. Den Vorteilen in Verbrauch und Leis­tungsentfaltung des Dreizylinders stehen Herausforderungen auf Seiten der Akustik gegenüber. Mit einer gestalterischen Opti­mierung der Bauteile wie zum Beispiel Kur­belwelle oder Kurbelgehäuse kann diesem Sachverhalt Rechnung getragen werden.

Zweizylindermotoren, die gewöhnlich als Antrieb für Motorräder genutzt werden, hatten in früheren Jahrzehnten im Kleinst­wagensegment eine nicht unwesentliche Bedeutung. Der gegenüber der dreizylin­drigen Lösung nochmals gesteigerten He ­rausforderung bezüglich des NVH(Noise Vibration Harshness)­Verhaltens bei Zwei­zylinderarchitekturen – unter anderem her­vorgerufen durch die natürlichen, freien Massenkräfte erster Ordnung –, muss mit Zusatzmaßnahmen wie beispielsweise ei ­ner Ausgleichswelle begegnet werden. Dies bringt jedoch Nachteile in Hinblick auf Kosten, Gewicht und Verlustleistung mit sich und kompensiert damit teilweise das spezifische Potenzial des Grundkonzepts. Darüber hinaus erfordert die Akustikan­forderung für das zu bedienende Fahrzeug­segment – zur Eliminierung niederfre­quenter Verbrennungsgeräusche – deut­lich größer und länger dimensionierte Ein­ und Auslasssysteme als sie von Motor­

Bei dem neuen 1,0-l-Ottomotor namens Kappa (κ), der im modellgepflegten Hyundai i10 sowie im neuen

Kia Picanto zum Einsatz kommt, kombiniert Hyundai / Kia ein Dreizylinderkonzept mit modernen Technologien

wie der erstmalig in diesem Hubraumsegment eingesetzten variablen Ventilsteuerung. Unter Verwendung

eines Schalt saugrohrs leistet der neue Motor 60 kW / 82 PS und liefert ein maximales Drehmoment von 94 Nm.

Neben dem Ottomotor ist eine bivalente Version für die Verwendung von Benzin und Flüssiggas (Liquefied

Petroleum Gas – LPG) verfügbar; ein Ethanolmotor befindet sich derzeit in der Entwicklung.

sunghoon leeist Leiter der Konstruktion

Kappa-Baureihe bei Hyundai Motor Company (HMC) in Seoul (Korea).

youngsam guist Mitarbeiter in der Konstruktion

Kappa-Baureihe bei Hyundai Motor Company (HMC) in Seoul (Korea).

dr. taechung kimist Leiter der Berechnung Motoren

bei Hyundai Motor Company (HMC) in Seoul (Korea).

dr. Joachim hahnist Leiter der Konstruktion und

Motormechanik bei Hyundai Motor Europe (HMETC) in Rüsselsheim.

aUTOREN

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radanwendungen bekannt sind. Konstruk­tive Voruntersuchungen haben des Weite­ren gezeigt, dass die Integration von Gene­rator, Klimakompressor sowie Anlasser den vermeintlichen Packagevorteil eines Zweizylinders deutlich einschränkt.

Nach Bewertung aller Kriterien, insbe­sondere der akustischen Qualität, des Kraft­stoffverbrauchs, der Herstellungskosten sowie des Motorgewichts, erweist sich daher der Dreizylinder als das favorisierte Konzept für den neuen κ­1,0­l­Motor.

motorgrunddaten

Der neue κ­1,0­l­Dreizylindermotor mit zwei oben liegenden Nockenwellen und vier Ventilen pro Zylinder erreicht beste Werte für Leistung, Effizienz und Akustik. Die Grunddaten des Aggregats sind in ❷

zusammengefasst. Die konstruktive Gestal­tung des Motors ist in den nächsten Absät­zen dargestellt.

zylinderkurbelgehÄuse

Das als „open deck“ ausgeführte und im Aluminium­Druckgussverfahren gefertigte Kurbelgehäuse reduziert gegenüber einer Umsetzung in Grauguss das Motorgewicht um 12 kg. Zur Optimierung von Baulänge und Gewicht verfügt der Motor über sia­mesische Zylinder mit einer Zwickelbreite von 7,5 mm. Eingegossene Grauguss­Laufbuchsen mit einer 0,7 mm starken Struktur auf der Außenseite zur Verbesse­rung des Gießverbunds bewirken eine hohe Verschleißfestigkeit in Kombination mit geringen Verzügen der Zylinderlauf­bahn und den sich daraus ergebenden

Vorteilen für Ölverbrauch und Blowby. Als bestmöglicher Kompromiss zwischen

Motorgewicht und günstigem NVH­Ver­halten hat sich das sogenannte „semi­half skirt“ mit Leiterrahmen herauskristallisiert, welches hinsichtlich seiner Steifigkeit und akustischen Abstrahlung ebenso wie die Ölwanne bereits in einer frühen Phase der Entwicklung mittels der Finite­Elemente­Methode (FEM) optimiert worden ist.

kurbeltrieb und kolbengruppe

Im Hinblick auf die spezifischen akusti­schen Herausforderungen des Dreizylin­derkonzepts gebührt dem Kurbeltrieb, der den mit Abstand größten Teil der Motor­reibung stellt, besondere Aufmerksamkeit. Die Gewichtsreduzierung der Sphäroguss­Welle sowie die Optimierung der Gestal­tung ihrer Ausgleichsgewichte wurden mittels Mehrkörper­Simulationen erreicht. Es gilt hierbei vor allem einen bestmögli­chen Kompromiss zwischen vertikalem Nicken und der ebenso resultierenden Gierbewegung der Welle zu er reichen. Die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle wurde mittels rechnerbasierten Analysen und experimentellen Dehnungs­ und Span­nungsuntersuchungen sowie Dauerlaufer­probungen verifiziert. Der bereits von den kompakten Vierzylinder­Ottomotoren des Konzerns bekannte Kurbelwellenversatz zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs kommt auch am neuen Dreizylindermotor zum Einsatz, ❸ . Detail lierte Computersi­mulationen weisen für die gegebenen Randbedingungen eine Ex zentrizität e von 11 mm als Optimum aus. Befeuerte Moto­renversuche bestätigen eine Verbrauchsre­duzierung von 1 % im Bereich niedriger Motordrehzahlen. Durch Anwendung der DFSS­Methode (Design for Six­Sigma) auf das FEM­Modell wurde das Crack­Pleuel als leichtestes seiner Hubraumklasse ohne Beeinträchtigung der Dauerfestigkeit kons­truiert, ❹ . Auf Seiten des Kolbens führt eine Reduzierung der Kompressionshöhe auf nur mehr 24,7 mm sowie eine Verklei­nerung des Kolbenaugenabstands und der Hemdlänge zu einer Kolbenmasse von 161 g. Kolben­ und Pleuelverbesserung schlagen sich in einer Verbrauchsreduzie­rung von etwa 0,5 % nieder. Durch die Oberflächenbeschichtung des Kolbens und des Ölabstreifrings sowie das Potenzial, die Ringvorspannung um über 30 % zu redu­zieren, wird der Verbrauch um weitere

4-zylinder 3-zylinder 2-zylinder

Verbrauch

Referenz

+(~ 3 % … 5 %)

+

leistungsentfaltung + +

gewicht+

(~ -10 %)+

akustik - --

kosten+

(~ -9 %)+

synergieeffekte* + o

*mit κ-1,2-l-Vierzylinder

❶ Entscheidungsmatrix Zylinderzahl

❷ Technische Daten

Variante 51 kw / 69 ps 60 kw / 82 ps biValent

zylinderzahl [-] 3

zylinderanordnung [-] Reihe

hubraum [cm³] 998

bohrung X hub [mm x mm] 71 x 84

VerdichtungsVerhÄltnis 10,5

zylinderabstand [mm] 78,5

VentilbetÄtigung [-] 4V – DOHC, Dual CVVT

übertragungselement [-] Tassenstößel mit Spiel

steuertrieb [-] Rollenkette

einlasssystem [-] Fixe Länge Schaltsaugrohr

nennleistung [kw] 50,7 60,3

maX. drehmoment [nm] 95

kraftstoff [-] Benzin LPG / Benzin

titelthema DREIZyLINDERMOTOREN

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0,6 % verbessert. Infolge der geometrisch vielfach optimierten Lagerschalen – double­bit, crush relief sowie Mehrfach­rillenstruk tur – konnte der Leckageöldurch­satz nennenswert reduziert werden. Als Konsequenz ist die Ölpumpenkapazität um 13 % re duziert, was den Kraftstoff­verbrauch um 0,4 % senkt.

zylinderkopf

Zur Sicherstellung thermo­mechanischer Festigkeit wird der Zylinderkopf im Nie­derdruckgussverfahren aus Aluminium (AlSi6Cu4) hergestellt und einer anschlie­ßenden T7­Wärmebehandlung unterzogen. Ein dachförmiger Brennraum in Verbin­dung mit einem auf hohe Ladungsbewe­gung (tumble) ausgelegten Einlasskanal

sorgt für eine stabile Verbrennung und infolgedessen für geringe HC­Rohemissio­nen, ❺. Brennraumseitig wird die hohe Verbrennungsgüte durch die mittige Zünd­kerzenlage mit der Folge kurzer Flamm­wege sowie einer optimierten Quetschhöhe von 10 % des Bohrungsdurchmessers erreicht. Einer hohen thermischen Effizienz mit geringen Wandwärmeverlusten durch minimierte Oberflächen trägt der kleine Summenventilwinkel von 33,2° Rechnung.

Ventil- und steuertrieb

Als weltweit erster Motor der Einliterklasse verfügt der neue κ­Dreizylinder motor über eine kontinuierliche Verstellung der Ein­ und Auslassnockenwelle (Dual Continuously Variable Valve Timing – Dual­CVVT). Diese

❸ Einfluss der Kurbelwellenschränkung auf den Reibmitteldruck

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Hubraum [cm3]

Mas

se [

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Andere Motoren κ-1,0-l-Motor

Optimierte Pleuelform❹ Optimiertes κ-1,0-l-Pleuel im Wettbewerbsumfeld

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Die elastische Kupplung

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Technologie ermöglicht sowohl eine Sen­kung des Kraftstoffverbrauchs um bis zu 3 % als auch die signifikante Verbesserung der Volllastkurve durch die betriebspunkt­optimale Reduzierung der Pumpverluste. Darüber hinaus ist es gelungen, durch die gezielte Steuerung der Restgasmenge im Zylinderraum im Sinne einer internen Ab ­gasrückführung (AGR) die NOX­ und HC­Rohemission nennenswert zu verringern. Dies kommt unmittelbar dem Beschich­tungsaufwand des Katalysators zugute. Im Gegensatz zu den Vierzylindern ist der neue Dreizylindermotor der κ­Baureihe zur Reduzierung der bewegten Massen, aber auch aus Wirtschaftlichkeitsgründen mit spielbehafteten Tassenstößeln zur Betätigung der Gaswechselventile ausgerüstet, ❻. Die wartungsfreien Tassen sind zur Verringe­rung der Gleitreibung DLC(Diamond­Like

Carbon)­beschichtet. Diese insbesondere bei niedrigen Drehzahlen wirkungsvolle Maßnahme führt zu einer Kraftstoffver­brauchsreduzierung von 0,3 %. Darüber hinaus gelang es, durch Optimierung der Wandstärke die Masse des Übertragungs­elements um 20 % zu reduzieren. In Kom bination mit dem Einsatz von Bienen­korbfedern mit abgesenkter Kraft und verkleinertem Federteller konnte die Ventiltriebs reibung um 10 % gesenkt wer­den. Gegenüber einem Zahnriementrieb bietet der wartungsfreie Rollenketten­Steuertrieb des κ­1,0­l­Dreizylinders einen Vorteil von etwa 10 mm in der Baulänge.

saugrohr und auslasskrümmer

Um zwei Leistungsvarianten zu erhalten, wird der κ­Dreizylinder­Ottomotor alter­

nativ mit einem Saugrohr konstanter Länge und einem variablen Pendant aus­gerüstet. Beide Bauteile sind aus Kunst­stoff gefertigt, um Gewicht und Kosten zu reduzieren. Zur Gewährleistung eines hohen Motormoments bei mittleren Drehzahlen entspricht das statische Saug­rohr der langen Stellung des Schaltsaug­rohrs. Die Saugrohrlänge wurde mittels simulativer und experimenteller Untersu­chungen verifiziert und schließlich auf 451 mm festgelegt. Die Formoptimierung des Ansaugtrakts führte zu einer Steige­rung der Nennleistung um 1,5 kW. Die Saugrohr variabilität schlägt sich in einem erhöhten Drehmoment bei niedrigsten Drehzahlen und einer Nennleistungsstei­gerung von etwa 10 kW nieder. Als Guss­teil ausgeführt spart der Auslasskrümmer im Vergleich zu einer Edelstahlvariante 30 % Kosten ein. Ein erhöhter Siliziuman­teil verhindert übermäßige Hochtem pera­tur oxidation. In weiten Kennfeldbereichen kann auf eine Anreicherung des Gemischs als Bauteilschutz verzichtet werden. An den Krümmer schließt sich – aus Gründen eines kurzen Konvertierungsverzugs nach Kaltstart (short light­off) – unmittelbar der Drei­Wege­Katalysator an. Der neuartige Palladium­Rhodium­Katalysator erlaubt eine nochmals effizientere RedOx­Reak­tion von HC beziehungsweise NO

x. In sei­nen Zielfahrzeugen erfüllt der neue Motor die aktuelle Abgasnorm Euro 5.

betriebsstrategie

Alle Derivate des neuen Dreizylindermo­tors sind auch in Kombination mit einer Start­Stopp­Automatik verfügbar, die den Kraftstoffverbrauch um etwa 3 % senkt. Die Entscheidung zum Motorstopp bezie­hungsweise Wiederstart wird durch die Motorsteuerung nach Auswertung einer Vielzahl von Einzelparametern, wie zum Beispiel der Stellung des Kupplungspedals, des Schalthebels, der Raddrehzahl, dem Batterieladezustand, der Außentemperatur sowie eingeschalteter elektrischer Verbrau­cher gefällt. In den Algorithmus greifen sicherheitsrelevante Aspekte mit höchster Priorität ein. Fahrzeuge mit Start­Stopp­Automatik verfügen über einen leistungsfä­higeren Anlasser sowie eine Batterie mit höherer Kapazität. Alle Fahrzeuge sind dar­über hinaus mit einer aktiven Regelung für die Lichtmaschine ausgerüstet. Ein Alter­nator Management System (AMS) kontrol­

❻ Reibungsoptimierter Ventiltrieb

❺ Brennraumgestaltung und Layout des Zylinderkopfs

titelthema DREIZyLINDERMOTOREN

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Kolbenschmidt Pierburg Group

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liert den Generator basierend auf den Fahr­zuständen und ermöglicht eine Ver­brauchsreduzierung von etwa 1,5 %.

optimierung Von motor- und fahrzeugakustik

Den erhöhten akustischen Anforderungen des Dreizylinderkonzepts wurde durch umfangreiche Arbeiten Rechnung getragen, welche sich zum Teil in den bereits beschrie­benen Ausgestaltungen des Grundmotors widerspiegeln. Die Gesamtheit der Änderun­gen umfasst dabei sowohl eine Minimierung der Schallentstehung, als auch die Optimie­rung der Übertragungspfade in Festkörper und Luft. Beispiel für eine Un terbindung von Schall­ und Vibrationsentstehung ist neben der Bauteilmassenreduzierung etwa die Detailoptimierung des Nockenprofils im Bereich der Rampen zur Eliminierung einer

besonders im Leerlauf spürbaren Anregung. Ebenso wurden Form und Volumen der Kraftstoff­Verteilerleitung verändert, um das Tickern der Injektoren stärker zu dämpfen. Die mittels Computersimulation unterstützte Optimierung des Kurbelgehäuses und Lei­terrahmens sorgt in Zusammenhang mit der direkten An bindung der Nebenaggregate für eine hohe Gesamtsteifigkeit, ❼. Die gestalterische Optimierung aller Grund mo­tor begren zungen wie Ventildeckel, Stirn­deckel und Ein­ und Auslasssystem verbes­sert die Schallabstrahlung.

biValente Variante zum alternatiVen betrieb mit lpg und benzin

Zunehmende Anforderungen hinsichtlich der CO2­Emission und schwankende Öl ­preise lassen den Bedarf nach einem

LPG­Motor steigen. Aufgrund der hetero­genen LPG­Infrastruktur wächst dabei das Be dürfnis nach einem Bi­Fuel­Motor, der sowohl Benzin als auch LPG nutzt, um einen sicheren Betrieb unter allen Um ständen zu gewährleisten. Aus die­sem Grund hat Hyundai/Kia eine voll integrierte LPG­Variante des neuen 1,0­l­Motors entwickelt. Höchstmögliche volumetrische Effizienz wird beim κ­1,0­l­Bi­Fuel­Motor durch die Verwendung einer Gaseinspritzung in der Flüssig­phase (Liquid Petroleum Injection – LPI) erreicht. Das LPG wird zylinderindividu­ell in die Einlass kanäle eingespritzt.

Gegenüber Anlagen mit Verdampfern erreicht der Motor auch im Gasbetrieb die gleichen Leistungswerte während sich die CO

2­Emissionen um mehr als 5 % verringern. Die Kraftstoffzuteilung im sogenannten „limp home“­Betrieb (Notlauffunktion) übernehmen konventionelle Benzin­Ein­spritzdüsen. Den besonderen Herausfor­derungen des LPG­Betriebs an die Grund­motormechanik wird durch besondere Ventil­ und Ventilsitzmaterialien Rechnung getragen. Auch der oberste Kolbenring ist durch eine PVD(Physical Vapour Depo ­sition)­Beschichtung gegen übermäßigen Verschleiß geschützt.

funktionsergebnisse

Mit der in dieser Hubraumklasse zum Teil erstmaligen Anwendung moderner Tech­nologien, wie zum Beispiel Dual­CVVT oder dem Schaltsaugrohr VIS, erreicht der neue κ­1,0­l­Dreizylindermotor im gesamten Drehzahlband Volllastwerte, welche für freisaugende Aggregate bislang nur mittels eines größeren Hubraums darstellbar waren.

❼ Beispiele aus dem Entwicklungsprozess: akustische Optimierung

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Trendlinie

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Hubraum [cm3]

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keng

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kg]

Andere Motoren

κ-1,0-l-Dreizylinderκ-1,

❽ Trockengewicht des neuen κ-1,0-l-Dreizylinders im Wettbewerbsumfeld

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I: 10

.136

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Die gleichen Technologien in Kombination mit einer akribischen Detailoptimierung insbesondere der Motormechanik ermögli­chen Teillastverbräuche, die mit beispiels­weise 375 g/kWh bei 2000/min und 2 bar effektivem Mitteldruck einen neuen Best­wert unter den Vergleichsmotoren (λ=1 und keine AGR) darstellen. Intensive Un ­tersuchungen und die aus ihnen abgeleite­ten Maßnahmen zur Akustikoptimierung haben die Geräuschqualität im gesamten Drehzahlbereich um etwa 2 bis 3 dB ver­bessert. Einige dieser Maßnahmen, wie beispielsweise die Optimierung der Motor­

verrippung gehen einher mit dem Anspruch an ein niedriges Motorgewicht. Zusammen mit den ebenso gewichtssensibel entwickel­ten Anbauteilen erzielt der neue 1,0­l­Motor mit seinem vollständig aus Aluminium gefertigten Grundmotor ein Trockenge­wicht von nur 71,4 kg und damit den Bestwert im Umfeld der Wettbewerber, ❽.

zusammenfassung und ausblick

Die interdisziplinären Anstrengungen im Zuge der Entwicklung des neuen κ­1,0­l­Dreizylindermotors haben zu einem Aggre­

gat mit sehr guten Leistungs­ und Effizi­enzwerten geführt. Unter Verwendung des Schaltsaugrohrs leistet der neue Motor 60 kW/82 PS und liefert ein maxi­males Drehmoment von 94 Nm, ❾. Die spezifischen Vorteile des Dreizylinder­konzepts, der Einsatz ausgewählter Tech­nologien – wie zum Beispiel Start­Stopp­System, aber auch Detailoptimierungen aller Komponenten –, tragen zu einem effizienten Fahrzeugantrieb bei. Hohe Komfortansprüche wurden durch konse­quente Bearbeitung der konzeptspezifi­schen Herausforderungen erfüllt. CO2­Emissionen von 95 g/km im neuen Kia Picanto mit Benzinmotor beziehungs­weise 90 g/km in der Variante als biva­lentes Fahrzeug stellen neue Spitzen­werte für das Segment der 1,0­l­Fahr­zeugantriebe dar, ❿. Als weitere Variante wird noch 2011 die Produktion einer ethanolverträglichen Variante (FFV) gestartet; eine turbogeladene Version des 1,0­l­Dreizylindermotors befindet sich in Entwicklung und wird zeitnah einen weiteren, konsequenten Schritt in Rich­tung nachhaltiger Mobilität markieren.

literaturhinweise[1] Sunghoon Lee, Bosung Shin: The Design and Development of New Hyundai Kappa 1.2 L Dual-CVVT Engine. SaE, 2011[2] Sunghoon Lee, Bosung Shin, Chunseok Jeon: The Design and Development of the New Hyundai Kappa Engine. aPaC, 2009[3] Joachim Hahn, Peter Birtel, Seung Beom yoo: Hyundai/Kia-Lösungen für den europäischen LPG Markt. IaV-Tagung Gasfahrzeuge, 2010

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Drehzahl [1/min]

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κ-1,0-l-Dreizylinder

ε-1,0-l-Vierzylinder(Vorgänger)

❾ Drehmoment- und Leistungskurve des neuen κ-1,0-l-Dreizylinders

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Hubraum [cm3]

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Andere Fahrzeuge

Kia Picanto

Benzin (95 g/km)

Bivalent (90 g/km)

❿ CO2-Emission des neuen Kia Picanto im Wettbewerbsumfeld

download des beitrags www.MTZonline.de

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Diese Ergebnisse wären ohne die Mitwirkung

von Sungwon Shin und Dr. Myongho Kim von

der Hyundai Motor Company nicht möglich

gewesen, daher möchten die autoren ihren

Dank dafür aussprechen.

Danke

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