Ladungswechsel und Emissionierung 2018

Die Ausrichtung des Engagements im Motorsport der Marke BMW ruht auf zwei Schwerpunkten.

Das ist zum einen der nachhaltige Motorsport, der „BMW i Motorsport“. Hier steht der werksseitige Einstieg in die Formel E ab der Saison fünf 2018/2019 im Fokus.

Aufgrund von Umweltbelangen und der Gefahr der globalen Erwärmung besteht seit langem der Wunsch, den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Emissionen von Fahrzeugen zu reduzieren. Das Downsizing von Ottomotoren hat sich bereits als Technologie etabliert, um dies zu erreichen [1, 2, 3]. Weitere Vorteile sind durch noch aggressiveres Downsizing möglich.

Zusätzlich zur Einführung des höherlastigen WLTC Fahrzyklus zielen die zukünftigen Abgasnormen in Europa (Euro 6d) und China (China 6b) auf eine Limitierung des Schadstoff- und Partikelausstoßes im Realbetrieb des Fahrzeugs (RDE). Technische Lösungen wie die Integration von Ottopartikelfiltern und großvolumigen Katalysatoren sowie die gezielte Optimierung der Brennverfahren bilden dabei wesentliche Bausteine zur Einhaltung der Grenzwerte.

Aufgrund der von der Europäischen Union festgelegten Grenzwerte für den Emissionsausstoß von Pkw-Verbrennungsmotoren liegt der Fokus des Entwicklungsprozesses auf der Reduzierung der gesetzlich limitierten Schadstoffemissionen, ohne dabei durch die getroffenen Maßnahmen den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen.

Die Zertifizierung von Personenkraftwagen basiert derzeit auf konkret definierten und reproduzierbaren Testzyklen wie zum Beispiel auf dem NEFZ. Diese werden nun kontinuierlich durch den WLTC (Worldwide Harmonized Light Duty Vehicles Testzyklus) ersetzt. Diese Tests werden auf Dynamometerprüfständen durchgeführt, wobei die Testbedingungen in sehr engen Bereichen festgelegt sind, zum Beispiel zusätzlich zu den Konditionen für Temperatur, Druck und Feuchtigkeit während des Tests ist auch der zu verwendende Kraftstoff standardisiert. Durch die Einführung der „Real Driving Emissions (RDE)“ – Gesetzgebung will man der Optimierung von Fahrzeugen für einen begrenzten Betriebsbereich entgegenwirken. Aus Kostengründen ist es nicht realistisch, ganze Entwicklungsprüffelder entsprechend den RDE Anforderungen zu erweitern, und auch nicht denkbar, die komplette Entwicklung direkt in das Fahrzeug zu verlagern. Der verstärkte Einsatz von Modell basierten Ansätzen bringt eine signifikante Reduzierung von Zeitaufwand und Kosten.

Die aktuell gültigen Emissionsnormen sowie die für den PKW-Bereich neu eingeführten, realistischeren Messverfahren WLTC (Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure) und RDE (Real Driving Emissions) stellen die Hersteller von Diesel- und Ottomotoren vor die Herausforderung, den Ausstoß von Stickstoffoxiden weiter zu reduzieren.

Synthetische Kraftstoffe, nachhaltig aus Sonnenergie hergestellt, werden zurzeit vielfältig diskutiert. Bei einer Well-to-Wheel CO₂ Bilanzierung (WtW-CO₂) ergeben sich hier keine oder nur sehr geringe CO₂ Emissionen, da nur das im Herstellungsprozess chemisch gebundene CO₂ bei der Nutzung in Verbrennungsmotoren wieder freigesetzt wird.

Neben nachhaltig hergestellten, paraffinischen, und damit dem fossilen Benzin- oder Dieselkraftstoff sehr ähnlichen Kraftstoffen, sind hier auch stark sauerstoffhaltige Kraftstoffe zu nennen. Für selbstzündenden Motoren ist Oxymethylenether (OME) ein vielversprechender Kraftstoff [1].

OME zeichnet sich durch eine hervorragende Verbrennung mit niedrigsten, zum Teil unter der Messbarkeitsgrenze befindlichen Rußemissionen aus. Der thermische Wirkungsgrad ist meist im gleichen Bereich oder besser als bei der Nutzung von Dieselkraftstoff.

Bei der Einführung eines neuen Kraftstoffs, auch bei der Verblendung mit bereits vorhandenem fossilen Kraftstoff, ist immer zu klären, in wieweit es zu Konsequenzen auf das gesamte Motor- und Fahrzeugsystem kommt. Grundsätzlich können aufgrund der unterschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften des Kraftstoffs Kompatibilitätsprobleme mit Materialien und auch Veränderungen des Brennverfahrens und der Schadstoffemissionsbildung auftreten. Dieses muss bewertet werden und führt zu möglichen Änderungen an Hardware, Software und Kalibrationen.

Es zeigte sich, dass ohne Anpassung der Kalibration die Rußemissionen signifikant gesunken sind aber gleichzeitig die NO_x Emissionen gestiegen sind. Nach der Anpassung der Kalibration wurden die NO_x Emissionen wieder auf das ursprüngliche Dieselniveau reduziert. Die Rußemissionen stiegen mit dieser Anpassung, befanden sich allerdings immer noch deutlich unter denen des Dieselniveaus. Unter Berücksichtigung einer WtW Berechnung ergibt sich eine CO₂ Reduktion von ca. 12 % im Vergleich zu Dieselkraftstoff.

Auf dem Gebiet der hybriden Antriebstechnik werden die unterschiedlichen Hybridisierungskonzepte vorgestellt und erläutert, wie die Leistungen eines Verbrennungsmotors und eines Elektromotors zum Antreiben eines Fahrzeuges kombiniert werden können. Um Trends und Schwerpunkte der Industrie auf dem Gebiet der hybriden Antriebstechnik aufzuzeigen, wurden 3215 europäische Patentanmeldungen gesichtet und bezüglich der offenbarten Konzepte ausgewertet. Um die daraus ableitbaren Aussagen besser verstehen zu können, werden Hintergründe zu üblichen Anmeldestrategien geliefert. Im Besonderen werden Schutzrechtsanmeldungen aus Deutschland und Japan als die beiden anmeldestärksten Länder auf dem Gebiet der hybriden Antriebstechnik genauer untersucht. Inwieweit aus den Patentanmeldungen für die hybriden Verbrennungsmotorenkonzepte Ableitungen für den Ladungswechsel des Verbrennungsmotors getroffen werden können, soll diskutiert werden.

Der effiziente und zuverlässige Betrieb einer Brennstoffzelle stellt hohe Anforderungen an das Luft- und Thermomanagement sowie an die Überwachung der Stack-Funktion.

Neben der reinen Partikelfiltration muss die Prozessluft der Brennstoffzelle von Schadgasen befreit und gezielt befeuchtet und temperiert werden um einen zuverlässigen Betrieb über Lebensdauer zu gewährleisten. Daneben gilt es durch integrierte akustische Maßnahmen die Geräuschentwicklung der aktiven Bauelemente, wie dem Gebläse, zu verringern.

Im Vergleich zu Verbrennungsmotoren bedarf es bei Brennstoffzellenantrieben spezieller Kühlsysteme, die eine sichere Kühlung des Stacks, und der elektrischen Komponenten auch bei niedrigerem Temperaturdifferenzen sicher stellen. Ein effizientes Thermomanagement ist hier der Schlüssel für die Integration in bestehende Fahrzeugbauräume.

Niedrige CO₂-Emissionen zu erreichen, ist ein wichtiges Ziel für alle Automobilhersteller, um massive Strafzahlungen zu verhindern. Ab 2020 gilt für neu zugelassene PKW ein Flottengrenzwert von 95 g/km (für ein Referenzfahrzeug von 1372 kg), für den Zeitraum bis 2030 wird aktuell eine weitere, herstellerspezifische, relative Grenzwertabsenkung diskutiert. Der Umstieg vom alten NEFZ- zum neuen WLTP-Prüfverfahren erschwert das Erreichen der CO₂-Grenzwerte zusätzlich.

Die Einführung des WLTC-Testverfahrens (Worldwide Harmonized Light-Duty Vehicles Test Cycle) und des RDE-Tests (Real Driving Emissions) zieht Konsequenzen bei der Auslegung von Verbrennungsmotoren nach sich. Da der RDE-Test im Alltagsverkehr auf der Straße und somit stochastisch gefahren wird, dürfen die Emissionsgrenzwerte im kompletten Betriebsbereich des Motors nicht überschritten werden.

Since 2010 Pierburg has been involved in development, application and production of variable valve actuation (VVA) systems. UniValve, UpValve and FlexValve are recognized, fully variable mechanical VVA upgrades for SI- as well as for Diesel engines. This paper reports on layout and application of UpValve and highlights potentials to utilize its gas exchange advantages.

The paper briefly recaps the UpValve principle, architecture and layout. The clearance between valve head and piston (pockets) limits the valve lift around TDC of overlap. Different possibilities to minimize the intake pumping work while meeting those constrains are discussed. Obviously VVA introduces additional parts into the valve train. Hence, VVA friction is often considered as an issue. However, UpValve test results reveal a very favorable torque to turn behaviour. A plain simulation is used to understand this outcome.

Special attention must be given to the lift balance across the cylinder head, as the volumetric efficiency is significantly correlated to (early) IVC timing. It is demonstrated how this challenge is addressed during production and assembly. Finally dyno results are disclosed, which are acquired on a state-of-the-art SI engine with UpValve on the intake side. This concept engine also makes use of the inherent UpValve capability to shut down specific valves for cylinder deactivation.

Initially, VVA was introduced to minimize the part load pumping losses. While part of this potential is also utilized by downsizing, the freedom of variable inlet timings can be used as well to mitigate knock (Miller cycle) and to decrease transient AFR excursions due to the better air path controllability. The anti-knock effect allows for less overfueling and higher compression ratios associated with further efficiency gains, and the improved response reduces the need for spark retardation. Even the additional potential of exhaust side VVA was already demonstrated [1, 2].

Der modellbasierte Entwicklungsansatz ermöglicht die Untersuchung der Antriebsstrang- und Fahrzeugfunktionen auf allen Ebenen und zu allen Zeitpunkten entlang des Entwicklungsprozesses. Grundlage dafür ist eine durchgehende Werkzeugkette, die es erlaubt, bestehende Modelldomänen mit geringem Aufwand zu verketten. Dabei werden die Vorteile der Systemsimulation bereits intensiv in der Konzeptphase genutzt und die zugrunde gelegten Modelle über den Entwicklungsfortschritt weiter verfeinert und zur modellbasierten Optimierung und Absicherung genutzt. Als besonders geeignet für diese Aufgabe erweist sich eine Modelltechnologie, welche physikalische und empirische Ansätze kombiniert. Zum einen wird der Parametrieraufwand gesenkt und zum anderen werden Versuchsdaten und Simulationsansätze geschickt miteinander verschränkt und die jeweiligen Stärken kombiniert. Alle verwendeten Simulationswerkzeuge der Werkzeugkette müssen ohne Einschränkung die Möglichkeit bieten, virtuelle und reale Prototypen miteinander zu verknüpfen. Dies gelingt über Standardschnittstellen und eine gemeinsame Entwicklungsplattform, welche sich über alle Testumgebungen spannt. Das Managen, das Verknüpfen und die Nutzung sämtlicher vorhandener Prüfstandsdaten erlaubt es, aus der reichlich vorhandenen Erfahrung zu lernen und dem Ingenieur relevante Informationen zum richtigen Zeitpunkt zur Verfügung zu stellen. Es ist deutlich erkennbar, dass die Durchdringung des modellbasierten Entwicklungsansatzes in der Industrie bereist stark zugenommen hat. Dies ist eine logische Folge aus dem Umstand, dass überproportional mehr Fahrzeugfunktionen entwickelt werden, sich die gesetzlichen Vorgaben rasant ändern und der Wettbewerb zwischen konkurrierenden Antriebsystemen immer stärker wird. Um für diese Entwicklung methodisch gerüstet zu sein, müssen die Ingenieure einen offenen Zugang zu einer agilen Entwicklungsmethodik haben und relevante Daten, domänenübergreifend und ohne Einschränkung nutzen können. Die modellbasierte Entwicklung eröffnet diese Möglichkeit und bietet die fantastische Möglichkeit Simulation und Versuch nahtlos miteinander zu verbinden.

Nowadays 0D/1D simulation is widely used in the engine development process. Thanks to high prediction quality and low computational times, it remains a powerful tool to investigate engine and powertrain concepts for the years 2025+. However, new SI engine concepts such as EGR at full load or lean combustion are needed to meet the decreasing CO₂ targets.

Kommt bei einem V8-Motor eine 90° Crossplane-Kurbelwelle zum Einsatz, ist dies immer ein Kompromiss aus Komfort und Leistung. Auf der einen Seite verfügt man bei dieser Kurbelwellenbauart über die Möglichkeit, sowohl freie Massenkräfte als auch freie Momente auszugleichen, auf der anderen Seite ergibt sich jedoch immer ein unvorteilhafter Zündabstand zwischen zwei Zylindern einer jeden Bank. Da diese Zylinder über einen gemeinsamen Abgaskrümmer verbunden sind, beeinträchtigen sich ihre Auslasstakte gegenseitig. Dies erhöht den Restgasanteil, die Ladungswechselarbeit und reduziert somit die Motorleistung in der Volllast. Da sich die thermodynamischen Bedingungen auf beiden Bänken stark von Zylinder zu Zylinder unterscheiden, lässt sich keine Steuerzeit finden, die für alle Zylinder einen optimalen Ladungswechsel bzw. Spüleffekt ermöglicht.

In dieser Arbeit wird der Einfluss des ungleichmäßigen Zündabstandes eines 90°-Crossplane-V8-Ottomotors, welcher mit zwei Mono-Scroll-Turboladern, 4-2-1 Abgaskrümmern, Direkteinspritzung und beidseitig variablem Ventiltrieb (VVT) ausgestattet ist, detailliert bewertet. Weiterhin wird die mithilfe einer 1D-CFD Software ermittelte innovative Lösung für das oben genannte Problem vorgestellt: die „twisted-camshafts“. Bei dieser Lösung werden die Steuerzeiten für die Ein- und Auslassseite zylinderindividuell eingestellt und ermöglichen somit einen optimierten Ladungswechsel.

Die Entwicklung der Dieselmotoren für den ON Road Nutzfahrzeugbereich ist eng verbunden mit der Forderung nach leistungsfähigen Dauerbremseinrichtungen.

MAHLE hat ein schaltbares Ventilbetätigungssystem für Nutzfahrzeuge in der Ausführung einer verschiebbaren Rolle des Nockenfolgers entwickelt.

Die Erprobungsergebnisse auf dem Zylinderkopfprüfstand als auch im Vollmotor bestätigen die sichere Funktion und Robustheit des Systems für den kritischen Anwendungsfall der Motorbremsfunktion.

Die Simulationen anhand eines abgeglichenen 1D-Modells zeigen, über welche Ansätze die Bauteiltemperaturen und Belastungen unter Beibehaltung der Bremsleistung in gewünschter Richtung beeinflusst werden können.

Die Integration des Systems in den Referenzmotor gelang ohne zusätzlichen Bauraumbedarf und bietet damit eine flexible Basis für weitere innermotorische Optimierungen, welche im Hinblick auf zukünftige gesetzgeberische Vorgaben notwendig werden.

Das Packaging heutiger Fahrzeuge, insbesondere im Bereich des Motorraums und der Abgasanlage, ist eine komplexe Aufgabe. Das Maßkonzept ist abhängig von Aufbauform, Antriebsart, Aggregateumfang und Randbedingungen wie zum Beispiel Fahrkomfort oder Fahr- und Bediensicherheit. Jedes Bauteil muss seine vorgegebenen räumlichen Grenzen einhalten, um Konflikte mit angrenzenden Bauteilen zu vermeiden.