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Voll variabler
Ventiltrieb
und variable
Verdichtung
Erste Messergebnisse
Der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der TU Kaiserslautern hat untersucht, wie sich die variable Verdich-tung mit drosselfreier Laststeuerung durch mechanisch vollvariablen Ventiltrieb und/oder mit Direkt einspritzung beim Ottomotor kombinieren lässt. Weiterhin wurde untersucht, welche Wirkungsgradvorteile durch erhöhte Reibung und durch verschlechterte Verbrennungsrandbedingungen aufgegeben werden müssen. Welche Verbrauchspotenziale schlussendlich durch die vollvariable Verdichtung in Kombination mit dem voll variablen Ventiltrieb auf der Auslass-seite eröffnet werden, kann nur im Motorversuch festgestellt werden, da die lastabhängige Erhöhung des Restgas-anteils durch die variablen Steuerzeiten zu einer Veränderung des effektiven Verdichtungsverhältnisses und ebenso zur Beeinflussung der Verbrennung führt.
FORSCHUNG
MTZ 07-08I2009 Jahrgang 70596
Prüfstandstechnik
1 Einführung
Um das CO2-Ziel der Europäischen Auto-mobilindustrie zu erreichen, trug der Die-selmotor mit Common-Rail-Direktein-spritzung und Turboaufladung wesent-lich bei. Partikelfilter und die Nachbe-handlung der NOx-Emissionen werden aber weitere deutliche Reduzierungen der CO2-Emissionen verhindern.
Bei Ottomotoren wurden neue Tech-niken zur Verbesserung des Motorwir-kungsgrads eingeführt. Hierzu zählen vari-able Steuerzeit, variabler Ventiltrieb mit Hubumschaltung und mechanisch vollva-riabler Ventiltrieb. Zu dem wurde die Di-rekteinspritzung – homogen und geschich-tet – in Großserie eingeführt. Zusätzlich wurde durch die Verkleinerung des Hub-raums bei gleichzeitiger Aufladung (Down-sizing) in Verbindung mit optimierten Ge-trieben, der Kraftstoffverbrauch, und da-mit die CO2-Emissionen weiter reduziert. Diese beiden Wege, Wirkungsgradverbes-serung und Downsizing wurden und wer-den zusammengeführt, um das neue CO2-Ziel von 120 g/km zu erreichen.
Der nächste konsequente Schritt zur Reduzierung des Teillast- und Volllast-kraftstoffverbrauchs von aufgeladenen Ottomotoren wird von vielen Entwicklern dann in der variablen oder vollvariablen Verdichtung gesehen. Bei Otto- und Die-selmotoren hängt der thermische Wir-kungsgrad th vom Verdichtungsverhält-nis und von den Stoffwerten des Gases, das verdichtet wird ab, Bild 1.
Das effektive Verdichtungsverhältnis
eff, das sich aufgrund der Quantitätsrege-lung beim Ottomotor in der Teillast er-gibt, ist deutlich kleiner als das geomet-rische Verdichtungsverhältnis geom, das an der Volllast erreicht werden kann.
Berücksichtigt man die technische Ent-wicklung von Ottomotoren, so stellt sich die Frage, wie sich die variable Verdich-tung mit drosselfreier Laststeuerung durch einen mechanisch vollvariablen Ventil-trieb oder durch eine Direkteinspritzung kombinieren lässt und welche Wirkungs-gradvorteile durch die erhöhte Reibung, zusätzliche Verluste durch Halte- und Ver-stellkräfte und durch die Beeinflussung der Energieumsetzung aufgegeben werden müssen. Da das effektive Verdichtungsver-hältnis ebenfalls durch die „Auffüllung“ des Zylinders mit Restgas, beispielsweise mit variabler Steuerzeit auf der Auslasssei-te, lastabhängig erhöht wird, kann nur im Versuch festgestellt werden, welche Ver-brauchspotenziale durch vollvariable Ver-dichtung eröffnet werden können.
2 Technische Umsetzung
In einer ersten Abschätzung mit GT- Power-Simulationen wurde festgestellt, dass die geometrische Verdichtung den Bereich von 9 bis 19 abdecken sollte. Bei einem ge-ometrischen Verdichtungsverhältnis von 19 ergibt sich für einen typischen Vierzy-linder-Ottomotor bei einem effektiven Mit-teldruck von pme= 2 bar etwa ein effektives
Bild 1: Thermischer Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses als Annäherung für den Ottomotor
Die Autoren
Prof. Dr.-Ing. Rudolf Flierl ist Leiter des Lehr-
stuhls für Verbren-
nungskraftmaschinen
der Technischen
Universität Kaisers-
lautern.
Dipl.-Ing. Stephan Schmitt ist wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Lehr-
stuhl für Verbren-
nungskraftmaschinen
der Technischen
Universität Kaisers-
lautern.
Dipl.-Ing. (FH) Din Wabbals ist wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Lehr-
stuhl für Verbren-
nungskraftmaschinen
der Technischen
Universität Kaisers-
lautern.
Dr.-Ing. Gerd Kleinert ist Vorsitzender des
Vorstands der Kolben-
schmidt Pierburg AG in
Neckarsulm.
MTZ Peer Review
Das Gütesiegel für wissenschaftliche Bei träge in der MTZ. Von Experten aus Forschung und Industrie begutachtet.
Eingegangen . . . . . . . . . . . . . 19. Januar 2009Geprüft . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27. Januar 2009Angenommen . . . . . . . . . . . 05. Februar 2009
Verdichtungsverhältnis von 11. Da ein Ver-dichtungsverhältnis von 19 mit Ventilta-schen im Kolben nicht darstellbar ist, muss der Ventilhub auch auf der Auslass-seite variabel einstellbar sein. Deshalb wurde an der Technischen Universität Kai-serslautern mit Unterstützung der Firma EnTec ein Einzylinderversuchsmotor mit einem Großserienzylinderkopf und dem vollvariablen Ventiltrieb „UniValve“ auf der Ein- und Auslassseite aufgebaut, Bild 2.
Bei der konstruktiven Ausführung der variablen Verdichtung wurde im Vorfeld eine Literaturrecherche und eine Funk-tions- und Risikoanalyse der verschie-denen Prinzipien durchgeführt.
Für das ausgewählte Verstellprinzip 1, Bild 1, mit einem einstellbaren Abstand des Zylinderkopfes mit Büchse zur Kurbel-wellenmitte sprach vor allem, dass die Verstellung der Verdichtung nicht an der drehenden Kurbelwelle und nicht am os-zillierenden Kolben/Pleuel erfolgt. Zudem kann die eingestellte Verdichtung sehr ge-nau und einfach im „statischen“ System gemessen werden.
Da sich bei einer Änderung des Ver-dichtungsverhältnisses der Abstand der Nockenwellen zur Kurbelwelle ändert, wurde ein Kettentrieb entwickelt, der diese Abstandsänderung automatisch ausgleicht, Bild 3.
Der Kettentrieb ist aus drei Teilketten-trieben aufgebaut, die über gemeinsame Wellen miteinander gekoppelt sind. Die Zwischenwelle wird in einem auf der Kur-
belwelle drehbar gelagerten Arm auf ei-ner Kreisbahn geführt und von einem Kettentrieb 1 angetrieben. Der Abtrieb der Zwischenwelle treibt die Auslassnocken-welle an. Wird der Zylinderkopf angeho-ben, schwenkt der Arm nach innen und gleicht die Abstandänderung aus. Dieser Kettentrieb ist im Package eines Serien-motors darstellbar und begrenzt die Dreh-zahl des Motors nicht. Die Verstellung der Verdichtung erfolgt durch ein Schnecken-getriebe, das über ein Schraubgetriebe Büchse und Zylinderkopf verschiebt. Bild 4
zeigt die Integration der optischen Mess-technik und der Direkteinspritzung.
Bei einem Bohrungsdurchmesser von 83 mm ergibt sich ein Verschiebeweg von 10 mm um die Verdichtung von 9 auf 19 zu verstellen. Das Schneckengetriebe wird von einem Elektromotor angetrieben und kann während des Betriebes verstellt werden.
Die Motorsteuerung übernimmt ein frei programmierbares Steuergerät der Firma Motec, mit dem auch die beiden Phasensteller angesteuert werden. Aktuell wird der Motor mit Saugrohreinspritzung betrieben. Die Direkteinspritzung von flüssigen Kraftstoffen und die Direktein-düsung von Methan sind vorbereitet, so dass auch ein Mischbetrieb von Methan und Benzin dargestellt werden kann.
3 Erste Messergebnisse
Der Einzylinder-Forschungsmotor besitzt neben dem Freiheitsgrad der Verdich-tungsvariation zusätzlich einen mecha-nisch voll variablen Ventiltrieb auf der Ein- und auf der Auslassseite – einerseits um den Motorbetrieb bei hoher Verdichtung kollisionsfrei zu realisieren und anderer-seits, um ein maximales Potenzial zur La-dungswechsel-, Verbrauchs- und Emissions-optimierung darstellen zu können.
An dem Forschungsmotor kann die Last entweder mit Hilfe einer Drosselklap-pe oder drosselfrei über den Einlassventil-
Bild 3: Konzept Kettentrieb und Ketten-spanner mit Achsabstandsausgleich [6]
Bild 2: Modifizierter Zylinderkopf mit „UniValve“
FORSCHUNG
MTZ 07-08I2009 Jahrgang 70598
Prüfstandstechnik
Bild 5: Effektiver spezifischer Kraftstoffverbrauch über ES bei verschiedenen geometrischen Verdichtungsverhältnissen
Bild 4: Integration optischer Messtechnik und Direkteinspritzung
Bild 6: Minimaler effektiver spezifischer Kraftstoffver-brauch über geometri-schem Ver-dichtungs-verhältnis
fürs Studium ...
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MTZ 07-08I2009 Jahrgang 70 599
hub gesteuert werden. Es ist das Ziel zu-künftiger Forschungsarbeiten, nicht nur den Einfluss der variablen Verdichtung auf den Kraftstoffverbrauch mit diversen Gemischaufbereitungssystemen zu be-trachten, sondern insbesondere auch neue Ladungswechsel- und Restgasstrate-gien mit dem variablen Auslassventiltrieb zu untersuchen.
In den nächsten Abschnitten erfolgt eine kurze Darstellung vereinzelter Mess-ergebnisse am Einzylinder-Forschungs-motor. Der Lastpunkt bei allen Messungen liegt bei n= 800/min und pme= 3 bar.
3.1 Drosselfreie Laststeuerung und variable VerdichtungDer Einfluss der Einlassspreizung auf den effektiven spezifischen Kraftstoffver-brauch ist in Bild 5 dargestellt. Der Ein-lassventilhub wurde dabei so eingestellt, dass ein effektiver spezifischer Mittel-druck von 3 bar vorlag.
Der Kraftstoffverbrauch nimmt nahe-zu linear mit der Reduzierung der Ein-lassspreizung ab, wie es auch von Vierzy-lindermotoren bekannt ist [2]. Im Bereich einer Einlassspreizung von 60° KW steigt der Verbrauch wieder an. Der exakten La-ge des Verbrauchsminimums bei den ver-schiedenen Verdichtungen kann keine eindeutige gemeinsame Zuordnung zur Einlassspreizung zugeordnet werden. Der geringste Verbrauch wird bei einer geo-metrischen Verdichtung von =13 für die-se Drehzahl und diesen Lastpunkt er-reicht. Bei einer geometrischen Verdich-tung von =14 tritt ab einer Einlasssprei-zung von ES=60° KW eine klopfende Ver-brennung auf. Bild 6 zeigt den geringsten, bei den Spreizungsvariationen, Bild 5, ge-messenen Verbrauch über dem geomet-rischen Verdichtungsverhältnis.
Durch die variable Verdichtung wird der effektive spezifische Kraftstoffver-brauch in diesem Lastpunkt bei einer Auslassspreizung von AS=110° KW nur um zirka 2,5 % abgesenkt, während der indizierte Kraftstoffverbrauch um nahe-zu 9 % verbessert wird, Bild 7.
Die Ladungswechselarbeit, die bei kon-stanter Auslassspreizung den Kraftstoff-verbrauch wesentlich beeinflusst, nimmt mit der Einlassspreizung nahezu ebenso linear ab, wie es von den Messungen an Vierzylindermotoren bekannt ist.
Um den Lastpunkt von pme=3 bar auch bei zunehmender Verdichtung und damit
bei höherem Prozesswirkungsgrad kon-stant zu halten, muss die angesaugte Frischladungsmasse und damit auch der Ventilhub mit steigendem reduziert wer-den. Durch den reduzierten Ventilspalt nehmen die Drosselverluste zu. Weiterhin wirkt sich der durch die geringere Zylind-erfüllung und die Verdichtungsänderung begründete geringere Druck im unteren Totpunkt negativ auf die Ladungswechsel-arbeit (nach UT-UT-Definition) aus [1].
Die Erhöhung des geometrischen Ver-dichtungsverhältnisses von geom=13 auf
geom=14 kann jedoch nicht in eine wei-tere Reduktion des effektiven spezifi-schen Kraftstoffverbrauchs umgesetzt werden, da der Reibmitteldruck mit zunehmender Verdichtung steigt. Mit ei-nem geometrischen Verdichtungsverhält-
nis von geom=14 kompensiert der erhöhte Reibmitteldruck den Vorteil des erhöh-ten Prozesswirkungsgrades.
Mit zunehmendem geometrischen Verdichtungsverhältnis steigt das Ober-flächen-Volumen-Verhältnis des Brenn-raums. Der Brennraum wird scheibenför-miger, wodurch sich die Randbedingun-gen für eine saubere, vollkommene Ver-brennung weiter verschlechtern. Zusätz-lich führt der höhere Prozesswirkungs-grad zu geringen Abgastemperaturen. Aufgrund der abgesenkten Abgastempera-turen werden die Randbedingungen für die Nachoxidation der unverbrannten Kohlenwasserstoffe im Abgas verschlech-tert, so dass eine Zunahme der HC-Emissio-nen mit steigender Verdichtung festge-stellt werden kann, Bild 8.
Bild 8: HC-Emissionen über ES und mit variabler Verdichtung
Bild 7: Indizierter spezifischer Kraftstoffverbauch über ES mit variabler Verdichtung
FORSCHUNG
MTZ 07-08I2009 Jahrgang 70600
Prüfstandstechnik
Mit der variablen Verdichtung kann – zusätzlich zum Potenzial des vollvariab-len Ventiltriebs – eine Erhöhung des Pro-zesswirkungsgrades erzielt werden. Aller-dings führt die Verdichtungserhöhung
zu einer Erhöhung der Reibung inner-halb des Systems und zu einer Steigerung des Anteils der unverbrannten Kohlen-wasserstoffe. Die Reduktion des effekti-ven spezifischen Kraftstoffverbrauchs ist
nur bis zu einem „optimalen“ geometri-schen Verdichtungsverhältnis möglich. Eine weitere Steigerung des Verdichtungs-verhältnisses führt zu einer über pro por-tionalen Zunahme der Verluste, wodurch der effektive spezifische Kraftstoffver-brauch steigt.
3.2 Drosselfreie Laststeuerung und voll variable Auslassseite Bei diesem Einzylindermotor kann im drosselfreien Betrieb zusätzlich zum Ein-lassventilhub und zur Einlassspreizung auch der Auslassventilhub, die Auslass-steuerzeit und die Auslassspreizung voll-variabel verändert werden.
Der Auslassphasenschnitt bei drossel-freier Laststeuerung, einer festen Einlass-spreizung von ES=40° KW und auslasssei-tigem Vollhub des Ventils – gleichbedeu-tend mit einer Auslasssteuerzeit von 290° KW – zeigt ein Verbrauchsminimum bei einer Auslassspreizung von AS=70° KW, Bild 9 (blaue Linie). Hierbei stellt sich der beste Kompromiss aus Expansionsverlus-ten, Ausschiebeverlusten und Ventilüber-
Bild 9: Effektiver spezifischer Kraftstoffverbrauch über Auslassspreizung mit drosselfreier Laststeuerung
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MTZ 07-08I2009 Jahrgang 70 601
schneidung (mit Beeinflussung der Rest-gasmenge, aber auch Durchspülungsver-lusten von Frischladung) ein. Wird die Aus-lasssteuerzeit auf 280° KW reduziert, sinkt der Kraftstoffverbrauch weiter ab. Die für diesen Punkt „optimale“ Auslassspreizung wird in Richtung AS=100° KW verschoben.
Eine „optimale“ Auslassspreizung mit der Ausbildung eines minimalen Ver-brauchs wird im Spreizungsbereich bis AS=110° KW jedoch nicht mehr gefunden. Wird der fahrbare Spreizungsbereich je-doch bis hin zu einer Auslassspreizung von AS=150° KW erweitert, so stellt sich ein re-duzierter Kraftstoffverbrauch und ein Ver-brauchsminimum bei einer Auslasssprei-zung von 130° KW, einem Auslassventilhub von 4,5 mm und einer Steuerzeit von 220° KW ein. Verursacht wird die Reduk-
tion des spezifischen Kraftstoffverbrauchs durch reduzierte Expansionsverluste und durch eine höhere effektive Verdichtung in Folge der höheren Restgasmenge, Bild 10.
Anzumerken ist jedoch, dass die Ein-lassspreizung in dieser Versuchsreihe fix bei ES=40° KW eingestellt war. Das damit einhergehende frühe Öffnen der Einlass-ventile ist bei kurzer Auslasssteuerzeit und großer Auslassspreizung als unvorteilhaft zu bewerten: im Zuge der Rekompression des im Brennraum eingeschlossenen Rest-gases steigt der Brennrauminnendruck. Sobald die Einlassventile öffnen, wird die-ser Druck in das Saugrohr abgegeben. Es entstehen Niederdruck-Expansionsverlus-te, welche durch ein späteres Öffnen der Einlassventile vermieden werden können.
Die Variation von sowohl Ein- als auch Auslassspreizung wird in weiteren Ver-suchsreihen erfolgen.
4 Zusammenfassung und Fazit
Der Einzylindermotor zeigt mit einer drosselfreien Laststeuerung, die über ei-nen variablen Einlassventiltrieb realisiert ist, das gleiche Verbrauchsverhalten, wie es von Messungen am Vierzylindermotor bekannt ist.
Eine zusätzliche Erhöhung des geomet-rischen Verdichtungsverhältnisses von
geom=10 auf geom=13 ermöglicht bei den bisherigen Untersuchungen eine weitere
Reduktion des effektiven spezifischen Kraftstoffverbrauchs um 2,5 %. Grenzen der Wirkungsgraderhöhung durch Ver-dichtungssteigerung werden dabei durch die zunehmende Reibung und damit zu-nehmende Verluste gesetzt.
Als weiterer Freiheitsgrad steht die An-passung der Auslassspreizung und des Auslasshubs zur Verfügung, wodurch eine weitere Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und eine variable Anpassung des intern rückgeführten Restgasanteils ermöglicht wird. Mit reduziertem Auslasshub können hohe Restgasmengen durch Abgasrückhal-tung realisiert werden.
Welche Potenziale der geometrischen Verdichtungserhöhung durch die gezielte Steuerung der Restgasmenge abgedeckt werden, soll in weiteren Versuchsreihen geklärt werden. Die ersten Messdaten zei-gen bereits auf, dass die einfache Addition einzelner Verbrauchspotenziale nicht möglich ist, sondern eine gegenseitige Be-einflussung vorhanden ist.
Mit dem Einzylinder-Forschungsmotor können alle Freiheitsgrade während eines Prüflaufs beziehungsweise während des Motorbetriebs variiert werden, so dass die Vergleichbarkeit der Messungen und die Rückführung einzelner Effekte auf ihre Ur-sache eindeutig geklärt werden können.
Literaturhinweise[1] Flierl, R.; Schmitt, S, Fuchs, T., Barrois, Hannibal, W.:
Optimierte Ladungswechselauslegung bei Otto-
motoren mit variablen Ventilsteuerzeiten. Ladungs-
wechsel im Verbrennungsmotor, Stuttgart, 2008
[2] Hannibal, W.; Flierl, R.; Gollasch, D.; Barrois, A.:
Komponenten und Konzepte des variablen Ventil-
triebs und deren Einfluss auf Verbrauchsreduzie-
rung und Drehmomentverbesserung. Variable
Ventilsteuerung, Haus der Technik, 2007
[3] Unger, H.: Valvetronic: Der Beitrag des Ventiltriebs
zur Reduzierung der CO2-Emissionen des
Ottomotors, Die Bibliothek der Technik, Band 263,
verlag moderne industrie, 2004
[4] Bollig, C.; Habermann, K.: Variable Verdichtung – Ein
Weg zur effizienten Hochaufladung, In: MTZ 12-2001
[5] Schmitt, S, Wabbals, D., Flierl, R.: Erste Untersuchungs-
ergebnisse an einem Forschungsmotor mit variabler
Verdichtung und voll variablem Ventiltrieb. Ladungs-
wechsel im Verbrennungsmotor, Stuttgart, 2008
[6] Patentschrift DE 102 25 587 B4
Bild 10: p-V-Diagramm mit variablem Auslasshub
Verwendete Abkürzungen
Abkürzung Bezeichnung Einheit
° KW Grad Kurbelwinkel ° KW
eff effektives
Verdichtungsverhältnis
geom geometrisches
Verdichtungsverhältnis
AS Auslassspreizung ° KW
ES Einlassspreizung ° KW
OT Oberer Totpunkt
pme
effektiver Mitteldruck bar
PMEP Pumpmitteldruck bar
UT Unterer Totpunkt
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