DREIZYLINDER-TURBOMOTOR MIT ZUSCHALTUNG EINES ZYLINDERSAm Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der Technischen Universität Kaiserslautern wurde ein

Dreizylinder-Ottomotor entwickelt, bei dem bei Volllast ein Zylinder zugeschaltet wird. Dieser arbeitet dann

parallel zu einem der drei ständig betriebenen Zylinder. Gegenüber konventionellen Konzepten, bei denen

ein oder zwei Zylinder von Vierzylindermotoren abgeschaltet werden, ergeben sich Ladungswechselvorteile,

die den Kraftstoffverbrauch reduzieren und die Dynamik des Motors steigern.

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ENTWICKLUNG DOWNSIZING

Downsizing

DREIZYLINDERMOTOR WIRD VERMEHRT EINGESETZT

Der Verbrennungsmotor wird das Haupt-antriebsaggregat von Pkw bleiben, auch wenn die Diskussion um rein elektrische oder hybride Antriebsstränge immer mehr an Bedeutung ge winnt. Zu weite-ren Effizienzsteigerung werden Otto- und Dieselmotoren hochaufgeladen und im Hubraum reduziert. Dieses sogenann- te Downsizing wird zu einem vermehr-ten Einsatz von Dreizylindermo toren im Pkw-Antrieb führen. Insbesondere der Ladungswechsel des Dreizylin-dermotors hat gegenüber dem eines kon ventionellen Vierzylindermotors Vorteile,  da sich durch die längeren Zündabstände Puls a tionen im Abgas-strom nicht so negativ auf die Füllung auswirken. Bei einem Vierzylindermotor mit langer Auslasssteuerzeit wird bei-spielsweise der Restgasgehalt von Zylin-dern in Zündfolge durch die Pulsationen im Abgasrohr erhöht.

Eine Effizienzsteigerung an Verbren-nungsmotoren ist mit teil- oder vollvari-ablen Ventiltrieben möglich. Zur Errei-chung eines optimalen Ladungswechsels haben sich vollvariable Ventiltriebe mit Turboaufladung und Direkteinspritzung bereits im Markt etabliert. Eine weitere Option zur Umsetzung eines Verbrauchs-konzepts ist die Zylinderabschaltung durch Stilllegung der Gaswechselventile der betreffenden Zylinder. An Vier- und Achtzylindermotoren ist die Zylinder-deaktivierung mittels der Ventilabschal-tung in Großserie umgesetzt [1, 2]. Mit me chanisch vollvariablen Ventiltrieben ist eine Zylinderabschaltung ebenfalls umsetzbar, was Vorteile bei der Regelung und im instationären Motor betrieb mit sich bringt. Die realisierten Lösungen zeigen ein sehr hohes Potenzial zur CO2-Reduktion [3].

LADUNGSWECHSEL DES VIERZYLINDERMOTORS

Bei der Entwicklung von Vierzylinder-Turbomotoren zeigt sich, dass der Rest-gasgehalt an der Volllast durch die Länge der Auslasssteuerzeit beeinflusst wird [4]. Die Auslassventile von in der Zünd-folge benachbarten Zylindern stehen bei diesem Motor gleichzeitig offen, wenn die Auslasssteuerzeit größer als 180 °KW ist. Durch Überschneidung beispielsweise der Auslassventile des ersten und dritten

Zylinders kann Abgas vom dritten in den ersten Zylinder überströmen. Durch den erhöhten Rest- und damit verringerten Fristgasgehalt wird das Volllastmoment vermindert. Außerdem beeinflusst die Länge der Auslasssteuerzeit den Expan-sionsverlust in der Ladungswechselphase und damit den Kraftstoffverbrauch in der Teillast, ❶. Nach [4] wird außerdem der Kraftstoffverbrauch in der Teillast, beispielsweise bei einer Last von pme = 3 bar, durch eine längere Auslass-steuerzeit um bis zu 5 % reduziert.

LADUNGSWECHSEL DES DREIZYLINDERMOTORS

Bei einer Dreizylinderzündfolge kann die Auslasssteuerzeit deutlich verlängert werden, ohne dass der Restgasgehalt an der Volllast ansteigt. In ❷ ist der berechnete Restgasgehalt für einen Drei- gegenüber einem Vierzylindermotor auf-getragen. Im Vergleich zum Vierzylinder-betrieb weisen die berechneten Massen-ströme für den Dreizylinderbetrieb über die Auslassventile nur sehr geringe Werte für die Restgasrückströmung auf.

Aufgrund des geringeren Restgasge-halts steigt der Liefergrad. Dies führt im Vergleich mit einer hubraumkonstanten Zylindereinheit eines Vierzylindermotors zu einem höheren spezifischen Drehmo-ment. Allerdings reicht die Drehmoment-verbesserung mit der Dreizylinderzünd-folge nicht aus, um an das Drehmoment eines Vierzylindermotors mit gleichem Einzelzylinderhubraum heranzukom-men. Um diesen Drehmoment- und Leis-tungsnachteil des Dreizylindermotors zu kompensieren, könnte man einen vierten Zylinder hinzufügen, den man in der Volllast parallel zu einem der drei Zylin-der anordnet und betreibt.

Der Kraftstoffverbrauch eines derarti-gen Vierzylindermotors mit einer Drei-zylinderfolge kann durch eine innere Lastpunktverschiebung verringert werden. Dazu wird der vierte Zylinder durch Stilllegung der Ladungswechsel-ventile nur in der Volllast zugeschaltet. Bei dieser Be trachtung ist insbesondere interessant, wie nahe der Kraftstoffver-brauch dieses speziellen Motors durch seine optimale Auslasssteuerzeit und die innere Lastpunktverschiebung an den Kraftstoffverbrauch eines Vier-zylindermotors mit zwei abgeschalteten Zylindern herankommt, wie er heute bereits in Serie realisiert ist.

AUTOREN

PROF. DR.-ING. RUDOLF FLIERL ist Wissenschaftlicher Leiter des

Lehrstuhls für Verbrennungskraft-maschinen der Technischen

Universität Kaiserslautern und Geschäftsführer der Entec

Consulting GmbH in Hirschau.

PROF. DR.-ING. WILHELM HANNIBAL

ist Leiter des Labors für Konstruktion und CAE-Anwendungen der

Fachhochschule Südwestfalen in Iserlohn und Geschäftsführer der

Entec Consulting GmbH in Hirschau.

DIPL.-ING. ANTON SCHURR ist wissenschaftlicher Mitarbeiter

am Lehrstuhl für Verbrennungs-kraftmaschinen der Technischen

Universität Kaiserslautern.

DIPL.-ING. (FH) JÖRG NEUGÄRTNER

ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Verbrennungs-

kraftmaschinen der Technischen Universität Kaiserslautern.

06I2014 75. Jahrgang 39

Downsizing

INNOVATION DES DREIZYLINDERMOTORS MIT ZYLINDERZUSCHALTUNG

Um die oben beschriebenen Vorteile des Drei- und Vierzylinderlayouts in einem Verbrennungsmotor umzusetzen, müsste man lediglich einen Zylinder wahlweise hinzuschalten. Diese Innovation wird an dieser Stelle erstmalig anhand des neuen, ausgeführten Konzepts mit der Bezeich-nung Three-Up vorgestellt. Mit Three-Up ist gemeint, dass ein Vierzylindermotor hauptsächlich mit drei aktiven Zylindern betrieben wird. Bei Inanspruchnahme der maximalen Leistung wird der vierte Zylinder durch Zuschaltung aktiviert und nimmt an der Verbrennung teil [5]. An dem Motor wird eine spezielle Kur-belwelle eingesetzt, die den Kurbelstern eines üblichen Dreizylindermotors mit 120° Kröpfungswinkel an drei Zylin-dern aufweist. Außerdem ist diese Kurbelwelle konstruktiv so ausgeführt, dass zwei der vier Zylinder mit gleicher Kröpfungslage zueinander ausgeführt sind, Titelbild. Die beiden mit gleicher Kröpfung versehenen Zylinder zünden gleichzeitig.

AUSLEGUNG UND AUFBAU DES VERSUCHSTRÄGERS

Am Lehrstuhl für Verbrennungskraft-maschinen der TU Kaiserslautern wurde ein turboaufgeladener 1,4-l-Vierzylinder-Ottomotor mit dieser Dreizylinder-Zünd-folge aufgebaut. Bei diesem ersten Ver-suchsmotor wurde die Kurbelwelle aus zwei Vierzylinder-Kurbelwellen „ge baut“. Diese wurden dazu getrennt und über

kegelige Polygonprofile in den Kurbel-lagerzapfen wieder verbunden. Dabei ist aus fertigungstechnischen Gründen die parallele Anordnung von Zylinder 2 und 3 gewählt. Selbstverständlich ist eine einteilige konventionell hergestellte Kurbelwelle von Vorteil. Der Motor ist mit gebauten Nockenwellen ausgerüstet, bei denen die Nocken einfach in einer neuen Position angeordnet werden kön-nen. Der Motor ist zudem mit dem me -chanischen vollvariablen Ventiltrieb mit der Bezeichnung UniValve auf der Ein-

und Auslassseite und mit einer Drossel-kappe ausgerüstet. Somit können alle Laststeuerverfahren untersucht werden. Zusätzlich wurde neben der Direktein-spritzung eine Saugrohreinspritzung realisiert. Der vollvariable Ventiltrieb ermöglicht es, diesen Versuchsmotor im Vier-, Drei und Zweizylinderbetrieb zu betreiben.

ERSTE VERSUCHSERGEBNISSE AM PROTOTYPENMOTOR

Die gebaute Kurbelwelle hat sich auf-grund der fertigungstechnisch darstell-baren Präzision ungünstig auf die Rei-bung ausgewirkt; der Reibmitteldruck des Versuchsträgers beträgt > 1 bar beim Lastpunkt n = 2000/min und pme = 2 bar. Trotzdem wurde dieser mit der gebauten Kurbelwelle versehene Motor im Zwei- Drei- und Vierzylinder-modus betrieben, dabei wurden unter-schiedliche Strategien erprobt. In ❸ sind die am Prüfstand ermittelten Kraftstoff-verbräuche für verschiedene Varianten für die Drehzahl n = 2000/min und die effektiven Mitteldrücke pme = 2 und 3 bar dargestellt.

Bei einem Kompaktklasse-Pkw mit 1,4 t Leergewicht ist es möglich, den ge -samten Lastbereich des NEFZ mit abge-

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Auslasssteuerzeit bei 0 mm Hub [°KW]

Simulation1,4-l-Vierzylinder-Turbomotorn = 2000/min, Volllast

Vierzylindermotor

Dreizylindermotor

❷ Vergleich des Restgasgehalts an der Volllast bei einem Vier- und Dreizylindermotor

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n = 2000/minpme = 6 bar

Auslasssteuerzeit: 220 °KWAuslasssteuerzeit: 248 °KW Auslasssteuerzeit: 257 °KWAuslasssteuerzeit: 270 °KW

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Laststeuerung durchvollvariablen Einlassventilhub

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Einlassspreizung = 80 °KWAuslassspreizung = 80 °KW

❶ Kraftstoff-verbrauchsvor teile durch eine variable Auslasssteuerzeit

ENTWICKLUNG DOWNSIZING

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schaltetem vierten Zylinder zu absolvie-ren, ❹. Der Leerlauf ist ebenfalls mit nur drei Zylindern möglich. Ein Hochschal-ten auf den Vierzylinderbetrieb ist erst ab einer Last von pme > 10 bis 11 bar notwendig. Zur Vermeidung eines Motor-drehmomentsprungs beim Umschalten des Betriebsmodus müssen Eingriffe in Zündwinkel und Lastpfad erfolgen, die den Wirkungsgrad verschlechtern [6]. Damit steigt bei Abschaltkonzepten der Kraftstoffverbrauch durch häufiges Um -schalten, und der Vorteil aus den Teil-lastbetriebspunkten wird reduziert. Da ein Motor nach dem Three-Up-Konzept deutlich weniger Umschaltungen im NEFZ und im Realbetrieb notwendig macht, können zusätzlich CO2-Emissi-onen reduziert werden.

Die innere Lastpunktverschiebung führt dazu, dass der Abgasmassenstrom pro Zylinder im Dreizylinderbetrieb steigt. Dieser höhere Abgasmassenstrom führt zu einer gegenüber dem normalen Vierzylindermotor größeren Turbolader-drehzahl bei gleicher Last, ❺ (oben). Wird nun auf den Vierzylinderbetrieb mit zwei parallel befeuerten Zylindern umgeschaltet, wird gleichzeitig der Abgasmassenstrom von zwei Zylindern auf die Turbine geführt. Der Ladedruck und damit auch das Drehmoment steigen bei niedrigen Drehzahlen sehr schnell an. Wie eine Simulation mit dem Pro-gramm GT-Power in ⑤ (unten) zeigt, wird damit bereits bei einer Motordreh-zahl von n = 1000/min das Volllastdreh-moment erhöht. Das Three-Up-Konzept stellt damit ein Antriebskonzept zur

Verbesserung der Triebwerksdynamik dar, das durch ein schnelleres Hoch-laufen der Drehzahl des Turboladers einen schnellen Ladedruckaufbau erwar-ten lässt.

BETRACHTUNG DER DREHUNGLEICHFÖRMIGKEIT

Ähnlich wie bei der Zylinderabschaltung von zwei Zylindern an einem Vierzylin-dermotor sind auch bei diesem neuen Ansatz im Besonderen die Drehungleich-förmigkeit und der Massenausgleich zu betrachten. ❻ (unten) zeigt den berech-neten Drehmomentverlauf über 720 °KW des Motors auf. Durch die Dreizylinder-zündfolge und den Gleichlaufbetrieb von zwei Zylindern im Vierzylindermodus

kommt es zu einer Anregung der Kurbel-wellendrehungleichförmigkeit in der 0,5ten Ordnung. Diese Drehungleich-förmigkeit kann zu Getrieberasseln und zu Geräuschabstrahlungen führen. Durch entsprechende Maßnahmen, das heißt durch den Einsatz geeigneter Tilger oder besser eines Zweimassen-schwungrads mit Fliehkraftpendeln, können diese Drehungleichförmigkeiten reduziert werden. Außerdem können sie durch leichte Schränkung der gleich-laufenden Zylinder gegeneinander re -duziert werden. Diese Schränkung der beiden gleichlaufenden Zylinder erhöht nicht den Kraftstoffverbrauch und be -einflusst das Drehmoment verhalten des Motors bei geringen Drehzahlen (Low-end Torque) nur geringfügig.

In ⑥ (oben) wird verglichen, wie sich die Maschinendynamik beziehungs-weise die Massenkräfte des Three-Up-Konzepts gegenüber einem typischen Drei- und Vierzylindermotor darstellen. Dieser Vergleich zeigt, dass die freien Massenkräfte und Momente der 1. Ord-nung auf nied rigem Niveau zunehmen und die der 2. Ordnung im Vergleich zum Vierzylindermotor reduziert sind. Allerdings kommen zusätzlich Anregun-gen durch freie Momente hinzu. Es bleibt also zu untersuchen, wie sich ein derartiger Motor bezüglich des NVH- Verhaltens im Fahrzeug verhält.

Für den Fahrzeugeinsatz ist aus Kom-fortgründen die Verwendung eines Zwei-massenschwungrads mit Pendel [7] oder ein System mit sogenannter „Leistungs-verzweigung“ nach Orlamünder et al. zu empfehlen [8].

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1,4-l-Vierzylinder-Turbomotorn = 2000/minVollvariabler Ventiltrieb ein- undauslassseitig (UniValve)

pme = 2 bar pme = 3 bar

❸ Vergleich des spezifischen Verbrauchs für die Betriebsarten bei einem effektiven Mitteldruck (pme) von 2 und 3 bar (DK = Drosselkontrolle)

❹ Vergleich der Betriebsarten im Motorkennfeld

06I2014 75. Jahrgang 41

ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Das an dieser Stelle erstmalig vorgestellte Konzept eines Dreizylindermotors mit einem zuschaltbaren Zylinder zu einem Vierzylindermotor und mit Dreizylinder-

zündfolge weist ein deutliches Verbrauchs-potenzial auf. Insbesondere beim hohen motorischen Lasten überwiegen die Vorteile dieses sogenannten Three-Up-Konzepts. Die Vorteile des optimierten Ladungswechsels eines Dreizylinder-motors werden genutzt, zudem kann

der Verbrennungsmotor im gesamten Testzyklus im Dreizylindermodus gefah-ren werden, ohne dass eine Zylinderzu-schaltung erfolgen muss. Mit einem frü-heren Ansprechen des Abgasturboladers steigt auch das Drehmoment bei gerin-gen Drehzahlen, wodurch die Fahrdyna-mik verbessert werden kann.

Innerhalb einer Motorenfamilie ist die Umsetzung einfach vorstellbar; lediglich andere Kurbel- und Nockenwellen wer-den benötigt. Die Weiterentwicklung und zukünftigen Untersuchungen an der TU Kaiserslautern werden weitere Poten-ziale dieses neuartigen Motorenkonzepts aufzeigen. Für die Optimierung des Dreh-schwingungsverhaltens werden derzeit Konzepte auf der Primärseite, das heißt am Grundmotor, sowie Sekundärmaß-nahmen wie der Einsatz eines Zweimas-senschwungrads mit Fliehkraftpendeln untersucht [8].

Im Gegensatz zu den bekannten Ver-brennungsmotorkonzepten werden mit diesem neuen Ansatz zur Laststeuerung die Zielkriterien Verbrauch und Fahrdy-namik gleichzeitig verbessert. An konven-tionellen Verbrennungsmotoren ge lingt dies nur bedingt, da sich die Entwick-lungsziele geringer Verbrauch und hohe Dynamik in der Regel nicht ergänzen.

LITERATURHINWEISE[1] Middendorf, H.; Theobald, J.; Lang, L.; Hartel, K.: Der 1,4-l-TSI-Ottomotor mit Zylinderabschal-tung. In: MTZ 73 (2012), Nr. 3[2] Schäfer, M.; Schiedt, G.; Müller, R.; Jablonski, J.: Der neue V8 TFSI-Motor von Audi, Teil 1. In: MTZ 74 (2013), Nr. 2[3] Flierl, R.; Lauer, F.: Mechanisch vollvariabler Ventil-trieb und Zylinderabschaltung. In: MTZ 73 (2012), Nr. 4[4] Schmitt, S.: Potenziale durch Ventiltriebsvariabilität auf der Auslassseite am drosselfrei betriebenen Otto-motor mit einstufiger Turboaufladung. Dissertation, TU Kaiserslautern, VKM-Schriftreihe, Band 8, 2012[5] N. N.: Kurbelwelle für eine Vierzylinder Brenn-kraftmaschine. Patent DE 10 2011 054 881 B3 der Fa. Entec Consulting GmbH, Hirschau, Deutsches Patentamt, München [6] Kortwittenborg, T.; Walter, F.: Strategie zur Steue-rung der Zylinderabschaltung. In: MTZ 74 (2013), Nr. 2[7] Fidlin, A.; Seebacher, R.: Simulationstechnik am Beispiel des ZMS – die Stecknadel im Heuhaufen finden. LUK-Kolloquium, 2006 [8] Orlamünder, A.; Fischer, M.; Lorenz, D.: Die Leistungsverzweigung zur DU Entkopplung – Die (R)Evolution geht weiter. Internationaler VDI-Kongress „Getriebe in Fahrzeugen“, Friedrichshafen, 2013

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Drehzahl [1/min]

4 akt. Zylinder, 4 Zyl., 3-Zyl.-Zündfolge 4 akt. Zylinder, 4 Zyl., 4-Zyl.-Zündfolge

GT-Power-Simulation1,4-l-Vierzylinder-Turbomotor

❺ Gemessene Turbo laderdrehzahl im Vergleich (oben) und Drehmomentaufbau bei kleinen Drehzahlen (unten)

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Kurbelwinkel [°KW]

4 akt. Zylinder, 4 Zyl.,4-Zyl.-Zündfolge

4 akt. Zylinder, 4 Zyl.,3-Zyl.-Zündfolge

4 akt. Zylinder, 4 Zyl.,4-Zyl.-Zündfolge,15° Schränkung

GT-Power-Simulation1,4-l-Vierzylinder-Turbomotorn = 2000/min, Volllast

DreizylinderVierzylinderThree-Up

❻ Freie Massenkräfte und Massenmomente im Überblick (oben) und Drehmomentverlauf im Vergleich (unten)

ENTWICKLUNG DOWNSIZING

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