ENTWICKLUNG BEIM PKW-MOTOR SPANNENDER DENN JEImmer strengere gesetzliche Emissions- und CO2-Grenzwerte stellen die Motorenentwickler vor sehr kniffl ige

Aufgaben. In diesem Beitrag zeigt FEV exemplarisch an je einem Fahrzeug der Kompakt- sowie der Mittelklasse

auf, mit welchen Technologien Verbrennungsmotoren auch für die Anforderungen der Zukunft gerüstet sein

werden.

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75 JAHRE MTZ PKW-MOTOREN

Pkw-Motoren

NEUE SCHLÜSSELTECHNOLOGIEN ERFORDERLICH

Die Anforderungen an die heutige Moto-renentwicklung sind zum einen die Ver-ringerung der Schadstoffemissionen und zum anderen die deutliche Reduktion der klimaschädlichen Treibhausgase, um künftige Gesetzgebungen sowie die vor-gegebenen Flottengrenzwerte zu erfüllen. Die Analyse der Pkw-Neuzulassungen im Jahre 2012 in der EU zeigt, dass die der-zeitigen Diesel- und Ottomotoren die vom Gesetzgeber vorgegebenen CO2-Zielwerte für 2020 nicht erreichen, ➊. Zur Zielerrei-chung sind im kompletten Antriebsstrang sowohl für das ottomotorische als auch für das dieselmotorische Brennverfahren neue Schlüsseltechnologien erforderlich.

OTTOMOTOR

Für ein Fahrzeug der Kompaktklasse mit einer Schwungmassenklasse von 1360 kg stellen 90 kW eine typische Leistungsan-forderung an das Motoraggregat dar. Aus-gehend von einem aufgeladenen 1,4-l-DI-Ottomotor mit variabler Phasenverstel-lung der Ein- und Auslassnockenwelle, Start-Stopp-System sowie manuellem Sechsganggetriebe (6G-MT) kann durch weitere Hubraumreduzierung auf 1,0 l in Verbindung mit einem automatisierten Siebengang-Doppelkupplungsgetriebe (7G-DCT) der Kraftstoffverbrauch im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) um 15 % gesenkt werden, ➋. Damit unter-schreiten moderne Downsizing-Kon zepte

deutlich den aktuellen Grenzwert für den CO2-Ausstoß von 120 g/km im NEFZ. Eine zukünftige Limitierung der CO2-Emissio-nen auf 95 g/km erfordert weitere Anstren-gungen in der Motorenentwicklung.

Die Reduzierung der Reibung des Ver-brennungsmotors stellt eine besonders kos-teneffi ziente innermotorische Maßnahme zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs dar [1]. Durch Simulation und spezielle Mess-techniken können Bauteile grenznäher ausgelegt und ein großes Potenzial zur Rei-bungsreduzierung realisiert werden. Exemplarisch sind hier insbesondere die Reibungsminimierung der Kolbengruppe sowie die Reduzierung der Lagerdurch-messer genannt. Zudem kann aufgrund minimierter Massenkräfte auf einen Mas-senausgleich verzichtet werden. Weitere Optimierungen an Öl- und Wasserpumpe reduzieren die benötigte Antriebsleistung und verkürzen den Warmlauf des Motors, wodurch die Reibung des restlichen Trieb-werks weiter verringert wird [1, 2]. Ausge-hend vom 1,0-l-Dreizylindermotor nach aktuellem Stand der Technik kann durch konventionelle Optimierungsmaßnahmen eine Reibungsminderung von circa 33 % erreicht werden, ➌. Im NEFZ resultiert daraus ein um fast 5 % geringerer Ausstoß an CO2-Emissionen.

In den letzten Jahren hat der variable Ventilhub (Variable Valve Lift, VVL) als Maßnahme zur Reduktion der Ladungs-wechselverluste in verschiedenen Ausfüh-rungen Einzug in den Markt gehalten [3]. Auch für den betrachteten kleinvolumigen Motor führt die Adaption eines zweistufi g

➊ CO2-Emissionen der neuzugelassenen Fahrzeuge in der EU 2012

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variablen Ventilhubs in Kombination mit einer Erhöhung der Ladungsbewe-gung mittels Brennraummaskierung zu weiterer Entdrosselung und so zu einer Verbrauchs einsparung von etwa 2,5 %. Weitere Verbrauchspotenziale können mit einer Erhöhung des Verdichtungsverhält-nisses erschlossen werden. Mithilfe einer variablen Verdichtung (Variable Compres-sion Ratio, VCR) kann im Teillastbetrieb der Wirkungsgrad des Hochdruckprozes-ses gesteigert werden, während gleichzei-tig im Bereich höherer Lasten eine ther-modynamisch günstigere Verbrennungs-lage realisiert werden kann [4, 5]. Für den relativ kleinen Motor ermöglicht ein zwei-stufig variables Verdichtungsverhältnis eine Absenkung des Kraftstoffverbrauchs im NEFZ um rund 3 %.

Eine Verringerung des Kraftstoffver-brauchs in vergleichbarer Größenordnung kann im Miller-Zyklus durch die Reduzie-rung des effektiven Verdichtungsverhält-nisses der Kompression und die Anhebung des geometrischen Verdichtungsverhält-nisses um 1,6 Einheiten erreicht werden. Dies resultiert in geringeren Expansions-verlusten, einer Entdrosselung im Bereich der Teillast sowie einer geringeren Klopf-neigung durch externe Verdichtung und Wärmeabfuhr. Allerdings werden zusätz-liche Maßnahmen im Bereich der Aufla-dung erforderlich, um Leistungsverluste zu vermeiden [6]. Eine Absenkung des Kraft-stoffverbrauchs um nahezu 5 % im NEFZ kann mit externer, gekühlter Abgasrück-führung (AGR) erreicht werden. Als Inert-gas erhöht das den thermischen Wirkungs-grad, trägt in der Teillast zur Entdrosse-lung bei und bewirkt bei höheren Lasten

eine Verringerung der Klopfneigung, sodass gegebenenfalls das Verdichtungs-verhältnis angehoben werden kann [7]. Die Kombination von Miller-Zyklus und externer, gekühlter AGR zeigt, dass die Erfüllung des Grenzwerts von 95 g/km für die CO2-Emissionen im NEFZ durch Maß-nahmen am Motor unter Verwendung von konventionellem Kraftstoff im stöchiome-trischen Betrieb möglich ist.

Alternative Kraftstoffe wie Ethanol oder Erdgas eröffnen ein zusätzliches CO2-Reduktionspotenzial. Aufgrund der hohen Klopffestigkeit dieser Kraftstoffe kann der Motor auch bei hohen Lasten wirkungsgradoptimal betrieben werden. Aufsetzend auf Miller-Zyklus und AGR ist mit E85 in einer FlexFuel-Variante eine weitere CO2-Reduktion um 6,7 % zu erzie-len. Für ein monovalentes Erdgaskonzept

kann das Verdichtungsverhältnis nochmals angehoben werden. Zusammen mit dem geringeren heizwertbezogenen CO2-Aus-stoß ergibt sich, aufsetzend auf der einfa-cheren Konstruktion des reibungsoptimier-ten 1,0-l-Dreizylindermotors mit variablem Ventilhub, im NEFZ eine Reduzierung der CO2-Emissionen von über 30 %.

DIESELMOTOR

Die Verbesserung des dieselmotorischen Wirkungsgrads steht zum größten Teil in Konkurrenz mit der Einhaltung der strengen Abgasnormen, sodass eine Aus-weitung des bereits heute existierenden Technologiepakets unumgänglich ist. Deutliche Verbesserungen im Kraftstoff-verbrauch lassen sich durch Reduzierung der Reibung erzielen, ➍. Zur Optimierung des Kurbeltriebs können Stahlkolben ein-gesetzt werden, um gewichtsneutral eine höhere Festigkeit, reduzierte Wanddicken sowie weniger Reibung bei hohen Lasten zu erreichen und zudem höhere Wand-temperaturen zu ermöglichen [8]. Des Weiteren kann durch den Einsatz von beschichteten Zylinderrohren sowie opti-mierten Kolbenringen und unter Verwen-dung eines niedrigviskosen Öls die Rei-bung weiter verringert werden [9, 10].

Zusätzliche Einsparpotenziale liegen in der Anpassung des Luftpfads, bestehend aus leistungsfähigen Aufladeaggregaten, Mehrwege-AGR-Systemen, effizienten Ladungskühlungen und VVL. Durch VVL (variable Ventilsteuerzeiten und -hübe) kann lastpunktspezifisch eine Drallbeein-flussung und damit einhergehend eine gezielte Drallspreizung über das gesamte

➋ Potenzial verschiedener Technologien zur Reduktion der CO2-Emissionen (Ottomotor) (TA: turboaufgeladen)

➌ Potenzial der Reibungsreduzierung beim Ottomotor (Basismotor: 1,0-l-Dreizylinder-Turbo-DI-Motor, 90 kW; Reibmitteldruck: 0,7 bar)

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Kennfeld erzielt werden [11]. Zudem kann der variable Ventiltrieb zum effizienten Aufheizen des Abgasnachbehandlungs-systems genutzt werden. Er minimiert somit gleichzeitig das Risiko der Ölver-dünnung, die durch die Verwendung einer internen Nacheinspritzung verur-sacht werden kann [12].

Ein weiterer Ansatz zur gleichzeitigen Emissionsreduzierung und CO2-Einspa-rung ist die Erhöhung der maximalen Einspritzdrücke auf 2500 bar für Pkw-Motoren [13]. Durch eine verbesserte Auf-ladung kann bereits bei niedrigen Dreh-zahlen ein hohes Drehmoment erzielt werden, was längere Getriebeübersetzun-gen (Downspeeding) zulässt. Somit wird der Motor in einem verbrauchsgünstige-ren Kennfeldbereich betrieben [14]. Ein Vorteil der modellbasierten Motorsteue-rung ist unter anderem die Kompensation von unterschiedlichen Kraftstoffqualitäten sowie des Driftverhaltens der Einspritz-hydraulik, was als weiteres CO2-Einspar-potenzial betrachtet werden kann. Zudem reduziert sich der Applikationsaufwand bei modellbasierten im Vergleich zu kennfeldbasierten Ansätzen [15]. Die Ver-wendung von elektrisch schaltbaren Was-serpumpen kann zum einen das Aufheiz-verhalten des Motors positiv beeinflussen, zum anderen die Verlustleistung durch die geregelte Pumpendrehzahl verringern [16]. Eine thermische Isolierung des Motorblocks unterstützt das schnelle Auf-heizen des Motors. Durch einen luftspalt-isolierten Abgaskrümmer können die Abgasenthalpie-Verluste vor dem Turbo-lader deutlich minimiert werden, sodass eine CO2-Einsparung zu erwarten ist.

Eine NOx-Abgasnachbehandlung zur Einhaltung der künftigen gesetzlichen Grenzwerte steht mittlerweile auch im Pkw-Bereich zur intensiven Diskussion und ist für viele Euro-6-Applikationen unum-gänglich. Bei der Realisierung von extrem hohen Konvertierungsraten sind eine motornahe Installation und der Einsatz von kombinierten Systemen (beispiels-weise SDPF oder der gleichzeitige Ein-satz von LNT und SCR) erforderlich [17]. Jedoch stellen die hohen Anforderungen der Gesetzgebung zur Onboard-Diagnose für diese Systeme eine große Herausforde-rung in Bezug auf die Diagnosegenauigkeit und -robustheit dar, die bei der Konzeptio-nierung berücksichtigt werden muss.

Aktuelle Entwicklungen im Bereich der Einspritztechnik und der Aufladung

sowie die stetige Verbesserung des Brenn-verfahrens führen zu einer Verbrauchs-charakteristik, wie sie zuvor nur von Nutzfahrzeugen bekannt war. Durch die neuesten Technologien sind trotz hoher AGR-Raten keine erhöhten PM- und HC/CO-Schadstoffemissionen oder Einbußen beim Komfort zu verzeichnen. ➎ zeigt exemplarisch den Kraftstoffverbrauch über die effektiven spezifischen NOx-Emissionen für unterschiedliche Pkw- Dieselmotoren in der mittleren Teillast. Maßnahmen wie optimierte Kolben-muldengeometrie, globales Drallniveau, homogene Drallverteilung und ein darauf angepasstes Spray können den Zielkon-flikt zwischen PM- und NOx-Emissionen signifikant entschärfen, gleichzeitig aber auch einen Verbrauchsvorteil bewirken.

➍ Potenzial verschiedener Technologien zur Reduktion der CO2-Emissionen (Dieselmotor)

➎ Potenzial von Brennverfahrens- und Reibungs-opti mierungen beim Dieselmotor

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Der Vergleich dieser Ergebnisse mit denen von Pkw-Dieselmotoren, die 2013 in Europa auf dem Markt waren, zeigt, wie groß das Potenzial durch diese Ent-wicklungen ist, den Kraftstoffverbrauch auf einem sehr geringen Emissionsniveau weiter abzusenken.

ZERTIFIZIERUNGSZYKLEN

Durch die bevorstehende Einführung weiterer Zertifizierungszyklen, zum Bei-spiel der World Harmonized Light Duty Test Procedure (WLTP) und Real Driving Emissions (RDE), werden die Herausfor-derungen an die Entwickler nochmals gesteigert [18]. ➏ zeigt jeweils für einen 1,0-l-Turbo-DI-Otto- (Schwungmassen-klasse 1360 kg) und einen 1,6-l-Turbo-Die-selmotor (Schwungmassenklasse 1590 kg) die Betriebspunkte für den neuen europäi-schen Fahrzyklus (NEFZ) und den World Harmonized Light Duty Cycle (WLTC). Zudem ist der prozentuale Kraftstoffver-brauch in den jeweiligen Fahrzyklen für die einzelnen Motoren dargestellt. Für alle Fahrzyklussimulationen wurde ein Siebengang-Doppelkupplungsgetriebe, jeweils mit angepassten Schaltstrategien, verwendet. Bei der Berechnung der Last-punkte für den WLTC wurde bei der Fahr-

zeugmasse das ausstattungsspezifische Zusatzgewicht berücksichtigt. In der Ver-teilung des Kraftstoffverbrauchs ist durch den WLTC – unabhängig von dem jeweili-gen Brennverfahren – eine deutliche Last-punktverschiebung zu höheren Lasten zu

erkennen. Als Konsequenz werden stark hubraumreduzierte Motoren bis in die Volllast zertifiziert. Dies betrifft beim Ottomotor neben dem Bereich des spülen-den Brennverfahrens am Eckdrehmoment bei höheren Drehzahlen die Anfettung aus

➏ Kraftstoffverbrauchsanteile im NEFZ und WLTP

AUTOR

PROF. DR.-ING. STEFAN PISCHINGERist President und CEO der FEV GmbH in Aachen.

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Bauteilschutzgründen. Damit rücken Technologien zur Senkung der Klopfnei-gung wie Hochlast-AGR oder VCR und hochoktanige Kraftstoffe sowie die Reduk-tion der Partikelemissionen ins Zentrum der Betrachtung. Bei Dieselmotoren spielt künftig auch die Volllast-AGR und damit die AGR-Kühlerleistung eine signifikante Rolle, um die geforderten Zielwerte zu erzielen. Der Einsatz eines VCR kann somit in den Fokus des Interesses rücken. Die Auswahl der Abgasnachbehandlungs-komponenten beziehungsweise deren Dimensionierung muss zudem überdacht werden. Schlussendlich wird das Ziel der CO2-Einsparung nochmals verschärft.

FAZIT

Der konventionelle Verbrennungsmotor besitzt durch die kontinuierliche Optimie-rung des Brennfahrens, die Verringerung der Reibungsverluste, aber auch die Ver-wendung von alternativen Kraftstoffen und getriebeseitiger Maßnahmen noch genü-gend Entwicklungspotenzial, um auch den zukünftigen Anforderungen zu genügen.

LITERATURHINWEISE [1] Schwaderlapp, M.; Domen, J.; Janssen, P.; Schürmann, G.: Friction Reduction - The Contribu-tion of Engine Mechanics to Fuel Consumption Reduction of Powertrains. 22. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2013[2] Beykirch, R.; Knauf, J.; Samoschtschin, A.; Pischinger, S.; Beulshausen, J.: The holistic FEV thermal manangement model used for today‘s and future engines. ATZlive-Tagung “Der Antrieb von morgen”, Wolfsburg, 2013[3] N.N.: „Variabler Ventiltrieb“. In: MTZ 73 (2012), Nr. 3[4] Weinowski, R.; Wittek, K.; Dieterich, C.; Seibel, J.: Zweistufige variable Verdichtung für Ottomotoren. In: MTZ 73 (2012), Nr. 5[5] Weinowski, R.; Wittek, K.; Haake, B.; Dieterich, C.; Seibel, J.; Schwaderlapp, M.: CO2-potential of a two stage VSR system in combination with future gasoline powertrains. 33. Internationales Wiener Motorensym-posium, 2012[6] Schernus, C.; Wolberg, R.; Dieterich, C.; Schaffrath, U.; Podworny, M.: Methods to Reducing End-Gas Temperature in Boosted Gasoline Engines. 1. Interna-tionale Tagung „Motorische Prozesse“, Berlin, 2013[7] Hoepke, B.; Jannsen, S.; Kasseris, E.; Cheng, WK.: EGR Effects on Boosted SI Engine Operation and Knock Integral Correlation. SAE-Bericht Nr. 2012-01-0707, 2012[8] Schneider, S.; Schreer, K.; Ehnis, H.; Spangenberg, S.: Systemvergleich von Aluminium- und Stahlkolben für Pkw-Dieselmotoren. In: MTZ 74 (2013), Nr. 10[9] Gand, B.: Beschichtung von Zylinderlaufflächen in Aluminium-Kurbelgehäusen. In: MTZ 72 (2011), Nr. 2

[10] Crabb, D.; Fleiss, M.; Larsson, JE.; Somhorst, J.: Neue Modulare Motorenplattform von Volvo. In: MTZ 64 (2013), Nr. 9[11] Adolph, D.; Rezaie, R.; Pischinger, S.; Adomeit, P.; Körfer, T.; Kolbeck, A.; Lamping, M.; Tatur, M.; Tomazic, D.: Gas Exchange Optimiziation and the Impact on Emission Reduction for HSDI Diesel Engines, 2009[12] Pischinger, S.; Honardar, S.; Deppenkemper, K.: FVV-Vorhaben 1027, Abschlussbericht, 2013[13] Herrmann, O.E.; Visser, S.; Queck, D.; Uchiy-ama, K.; Takeuchi, K.; Ichizuka, K.; Schnorbus, T.; Schaub, J.: Combustion Improvement and Emission Control Technologies supporting the coming new Cycle Requirements for Passenger Car Diesel Engi-nes. 22. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Moto-rentechnik, 2013[14] Deppenkemper, K.; Glück, S.; Rohs, H.; Schnorbus, T.; Körfer, T.: Einfluss der Nenndrehzahl zukünftiger Pkw-Dieselmotoren auf CO2-Ausstoß und Kraftstoffverbrauch. 6. MTZ-Fachtagung, 2013[15] Schnorbus, T.; Schaub, J.; Hu, Y.; Beck, R.; Kolbeck, A.; Körfer, T.: Reduction of emission vari-ance by intelligent air path control. Stuttgart, 2012[16] Wenzel, W.; Shutty, J.; Becker, M.: Neues Ther-momanagement beim Dieselmotor. In: MTZ 64 (2013), Nr. 5[17] Körfer, T.; Holderbaum, B.; Schnorbus, T.; Pieta, H.; Scassa , M.; Tomazic, D.; Nanjundas-wamy, H.; Schaub, J.: LEV III and CAFE 2025 - Innovative measures for compliance of most strin-gent legislative demands. 22. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik, 2013[18] N.N.: Verordnung (EU) Nr. 459/2012, 2012

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