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Über dieses Buch

Höhere elektrische Fahrzeug-Bordnetzspannungen eröffnen die Chance, bei Ladungswechsel,Verbrennung, Emissionierung und Reibung neue Lösungsansätze zu finden. Dies wird beim Experten-Forum Powertrain mit der ATZlive-Veranstaltung Ladungswechsel und Emissionierung 2019 diskutiert.Die Tagung ist eine unverzichtbare Plattform für den Wissens- und Gedankenaustausch von Forschern und Entwicklern aller Unternehmen und Institutionen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Auslegung von Hochleistungssaugmodulen mit integriertem indirektem Ladeluftkühler

Zusammenfassung
Zukünftige hocheffiziente und saubere Verbrennungsmotoren stellen hohe Anforderungen an deren Komponenten und ihre Entwicklung.
Jürgen Stehlig, Ivano Morgillo, Rainer Handel, Stefano Quinto

Emissionsvorhersage in der Entwicklung ottomotorischer EU7-Antriebe

Zusammenfassung
Zukünftige Antriebskonzepte müssen unter allen Betriebsbedingungen, die unter realen Fahrbedingungen (RDE) auftreten können, sehr hohe Emissionsanforderungen erfüllen. Insbesondere die Entwicklung moderner Ottomotoren für kommende Abgasgesetze wie EU7 wird maßgeblich von den RDE-Grenzwerten beeinflusst. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wird der Einsatz virtueller Entwicklungsmethoden immer wichtiger, um die Entwicklungszeit zu verkürzen und vor allem die Kosten für teure Prototypenmotoren und Fahrzeuge zu senken.
Ein wichtiger Bestandteil eines solchen virtualisierten Entwicklungsprozesses ist die genaue Vorhersage der Rohemissionswerte im Rahmen der Komponentenauslegung für den Gesamtantriebsstrang. Die dafür notwendigen Modelle müssen prädiktiv und robust sein, aber auch in angepasster Form auf Systemebene eingesetzt werden können – also beispielsweise zur Vorhersage von Emissionen in einem Fahrzyklus.
Dieser Beitrag beschreibt einen auf numerischen Strömungssimulationen basierenden Ansatz zur Vorhersage des Einflusses von Motorkomponenten auf die Rohemissionen für relevante Bereiche des Motorkennfelds. Insbesondere die Vorhersage von HC- und Partikelzahl-Emissionen (PN) stellt dabei eine große Herausforderung dar. Es wird gezeigt, dass die Injektorauslegung einen signifikanten Einfluss auf die Rohemissionen hat. Basierend auf detaillierten Berechnungen können in einer Modellreduktion Fahrzyklussimulationsmodelle erstellt werden, um die relevanten Fahrzeugemissionen unter realen Fahrbedingungen vorherzusagen.
Bastian Morcinkowski, Philipp Adomeit, Max Mally, Stefania Esposito, Vitali Walter, Surya Yadla

A Quasi-Dimensional Charge Motion and Turbulence Model for Spark Injection Engines with Fully Variable Valve Train and Direct Fuel Injection

Abstract
High SI engine part load efficiencies require simultaneously part load dethrottling and small burn durations. The latter ones necessitate – in case of SI combustion in its prevalent appearance – minimum residual burnt gas and high in-cylinder turbulence generated by charge motion. These demands can especially be fulfilled by variable valve trains with asymmetric valve actuation, also called intake valve lift phasing with intake port deactivation as its borderline case. They can combine early intake valve closing and strong charge motion generation, which contains both tumble and swirl.
In order to enable phenomenological burn rate prediction via 0D/1D engine simulation for these cases, a quasi-dimensional charge motion and turbulence model has been developed. The generation of charge motion is modeled by use of charge motion coefficients which should be derived from at least one engine operation point calculated by 3D-CFD. The conversion of tumble and swirl to turbulence around top dead center is predicted by a quasi-dimensional flow shear model.
An additional model part is also presented considering an approach for the impact of direct fuel injection on tumble and turbulence. The model development was based on 3D CFD simulations.
Sebastian Fritsch, Sven Fasse, Qirui Yang, Michael Grill, Michael Bargende

Onboard-Adaption motorindividueller Ventiltriebtoleranzen für Miller-/Atkinson-Anwendungen

Zusammenfassung
Brennverfahren mit verlängerter Expansion stellen eine effiziente Maßnahme zur Senkung der CO2-Emissionen dar. In Realität werden solche Brennverfahren jedoch meist nicht durch eine Modifikation des Expansionstaktes, sondern vielmehr durch einen veränderten Kompressionstakt umgesetzt. Die Verkürzung des Kompressionstakts gegenüber dem Expansionstakt wird dabei über eine Variation der Einlasssteuerzeit realisiert.
Es wird zwischen folgenden Ausführungsformen unterschieden:
  • Verfahren mit „frühem Einlass schließt“ (Miller)
  • Verfahren mit „spätem Einlass schließt“ (Atkinson)
Für Turbomotoren zeichnet sich derzeit ein Trend in Richtung Miller-Steuerzeiten mit „frühem Einlass schließt“ ab.
Eine Kernproblematik bei beiden Verfahren stellt die gesteigerte Sensitivität der Zylinderfüllung gegenüber dem tatsächlichen „Einlass-schließt“ Zeitpunkt dar. Bei konventionellen Motoren liegt dieser in der Nähe des unteren Totpunktes, wobei die Kolbengeschwindigkeit relativ niedrig ist. Bei Miller- bzw. Atkinson-Motoren hingegen schließt das Einlassventil während des Ansaug- bzw. Kompressionstakts bei fast maximaler Kolbengeschwindigkeit. Ein veränderter „Einlass-schließt“ Zeitpunkt von 1 °KW führt zu einer Veränderung der angesaugten Frischluftmasse von etwa 3 %. Dies entspricht bei diesen beiden Verfahren gegenüber der Sensitivität konventioneller Motoren etwa dem Faktor 3.
Fertigungsbedingt weisen heutige Serienmotoren im Feld eine Nockenwellentoleranz von bis zu ±5 °KW auf (Einlass- wie Auslass-Nockenwelle).
Allein aufgrund der Toleranz der Einlassnockenwelle können sich somit Füllungsfehler von größer 10 % ergeben. Hinzu kommt noch ein zusätzlicher Füllungsfehler, verursacht durch die Toleranz der Auslassnockenwelle, sodass sich ein Gesamtfehler in der Berechnung der Frischluftmasse von größer 15 % im Feld ergeben kann.
Neben den Einflüssen auf die Zylinderfüllung ergeben sich aufgrund der Nockenwellentoleranzen auch Nachteile beim Verbrennungsprozess selbst, da jeder individuelle Serienmotor im Feld nicht mehr mit den thermodynamisch optimal abgestimmten Ventilsteuerzeiten betrieben wird.
Continental hat zur Lösung dieser Problematik die Funktion „Pressure based Camshaft Angle Adaptation“ (PCAA) entwickelt. Durch die Implementierung der PCAA-Funktion in das Motorsteuergerät ist es möglich, die genauen Positionen der Nockenwellen eines individuellen Motors zu detektieren und diesen in Bezug auf seine Steuerzeiten mit einem Referenzmotor gleichzustellen. Es werden dabei ausschließlich heute bereits verfügbare Systemsensoren genutzt und komplexe Eingriffe in den Fertigungsprozess der Motoren können dadurch vermieden werden.
Tobias Braun, Thomas Burkhardt, Jürgen Dingl, Sven Eisen, Matthias Knöfel

Erhöhung des Low-End-Torque eines Ottomotors durch Querschnittsvariation des Turboladerverdichters

Zusammenfassung
In dem Forschungsvorhaben „Querschnittsvariabler Radialverdichter“ wird der Einfluss von unterschiedlichen Maßnahmen zur Kennfelderweiterung eines Radialverdichters analysiert und bewertet. Mittels numerischer Untersuchungen erfolgt vorab eine Bewertung der Maßnahmen hinsichtlich der erzielbaren Kennfelderweiterung zu niedrigen Verdichtermassenströmen und des Einflusses auf den Verdichterwirkungsgrad. Die experimentellen Untersuchungen mit einem modifizierten Verdichter erfolgen sowohl an einem Heißgas- als auch an einem Motorprüfstand. Parallel erfolgt eine Optimierung des Arbeitsprozesses der Verbrennungskraftmaschine in Verbindung mit dem Versuchsturbolader an einem validierten 1-D-Simulationsmodell des Motors.
Ziel des Vorhabens ist es das Potenzial eines einstufigen Aufladekonzeptes für den Einsatz an kleinvolumigen Ottomotoren über eine verdichterseitige Variabilität zu steigern. Auf das aktuell zur Steigerung der Motorperformance eingesetzte Verfahren des spülenden Ladungswechsels über eine erhöhte Ventilüberschneidung soll hinsichtlich des negativen CO2-Einflusses verzichtet werden. Bedingt durch die Reduzierung des Verdichtermassenstroms durch die reduzierte Ventilüberschneidung wird das Verdichterkennfeld mithilfe der kennfelderweiternden Maßnahmen (KEM) hin zu niedrigen Verdichtermassenströmen erweitert.
Als Maßnahme wird in diesem Bericht die Querschnittsvariation am Verdichtereintritt untersucht, wodurch eine deutliche Verschiebung des stabilen Kennfeldbereichs hin zu niedrigen Massenströmen erreicht wird. Mit dieser Maßnahme ist es möglich das Eckdrehmoment des Versuchsmotors von 250 Nm bei 1500 min−1 ohne Einsatz von Scavenging zu erreichen. Das Potenzial des Einsatzes einer vollvariablen Maßnahme wird anhand des Simulationsmodells des Motors über den gesamten Betriebsbereich bewertet. Hier stellt sich die Variation der Querschnittsfläche am Verdichtereintritt über eine Blende als zielführend heraus.
Ole Willers, Thorsten kleine Sextro, Tore Fischer, Jörg Seume, Felix Valstar, Jan Flinte, Peter Eilts

Ladungswechsel als Energiequelle – Untersuchungen mit einem Turbogenerator im Ansaugtrakt

Zusammenfassung
Eine Turbine wird in Verbindung mit einem Generator in Form einer bürstenlosen E-Maschine als neues Element Turbogenerator in die Ansaugseite des Verbrennungsmotors eingebracht. Diese Turbine ist mit variabler Leitschaufelgeometrie (VTG) ausgeführt, was es zum einen erlaubt, Luftmasse und Druckniveau im Saugrohr dem jeweiligen Lastpunkt des Motors entsprechend einzustellen und zum anderen über den angekoppelten Generator elektrische Leistung zu erzeugen.
In einem ersten Schritt wurde mittels 1D-Motorprozeßrechnung das Potential dieses Konzepts für verschiedene Betriebspunkte eines 2 L-Ottomotors untersucht und daraus Anforderungen für die Auslegung der Kaltluft-Turbine abgeleitet.
Basierend darauf wurde ein erstes Versuchsmuster durch Adaption einer VTG-Turbine aus einem Pkw-Turbolader realisiert und auf einem Komponentenprüfstand der sa-charging solutions AG hinsichtlich Funktion erprobt und das thermodynamische Verhalten beleuchtet.
In weitergehenden Versuchen an einem Vollmotoren-Prüfstand des Instituts für Kolbenmaschinen am KIT wurde das System im Realbetrieb an einem 2 L-Ottomotor untersucht. Der Fokus wurde dabei auf den Motor-Betriebsbereich von 1000–3000 min−1 und effektiven Mitteldrücken von 2–10 bar gelegt.
Zusätzlich zur Gewinnung von elektrischer Energie kann über die Entspannung der Ansaugluft in der Turbine das Temperaturniveau je nach Betriebspunkt um bis zu 25 K abgesenkt werden. Die damit verbundene Kühlleistung kann auf unterschiedliche Weise am Fahrzeug genutzt werden.
Als weiterer interessanter Aspekt ist das Zusammenspiel des Turbogenerators mit dem zur Aufladung des Motors verwendeten Turboladers zu nennen. Mit den an heutigen Ottomotoren gängigen hohen Abblaseraten sind niedrige Turbinenwirkungsgrade verbunden. In einem weiten Motorbetriebsbereich ist es möglich, das Wastegate weiter zu schließen und den damit verbundene Überschuss an Ladedruck gegenüber dem eigentlich für den jeweiligen Motorlastpunkt erforderlichen Niveau über den Turbogenerator auf der Ansaugseite in elektrische Energie umzusetzen.
Thomas Weyhing, Uwe Wagner, Thomas Koch, Werner Thoma, Peter Fledersbacher, Daniel Gohl, Pascal Mühlebach, Daniel Sigg

CE12 – der neue 3-Zylinder TGDI der PXC Core Engine Family

Zusammenfassung
Mit der Markteinführung des CE12 3-Zylinder TGDI Motors in 2020, wird PXC sein Motoren Portfolio der neuen Core Engine Familie komplettiert haben. Der CE12 erfüllt alle anspruchsvollen Projektziele in Bezug auf Leistung, Drehmoment, Low end Torque, Kraftstoffverbrauch, Emissionen und NVH-Verhalten. Dabei sind die neuen gesetzlichen Vorgaben in Richtung Verbrauch und Emissionen ab 2020 eine Hürde, die nur mit modernen Technologien erfüllbar werden.
Für den chinesischen Markt ist aufgrund des sehr hohen Wettbewerbs unter den chinesischen Fahrzeugherstellern dabei im ganz besonderen großes Augenmerk auf ein ausgezeichnetes Kosten/Nutzen Verhältnis der Einzelmaßnahmen zu richten, was in der Konzeptphase einen wichtigen Anteil darstellte.
Motoren von inzwischen zwei Motorbaugruppen mit bereits hohem Anteil an Serienwerkzeugen haben in mehr als 10 000 h erfolgreich verschiedene Motorprüfstandsläufe und Fahrzeugtests einen hohen Reifegrad und Robustheit der Auslegung demonstriert. Die andauernde Dauerlauferprobung und Fahrzeugapplikation wird in den nächsten Monaten die Detailoptimierung in Richtung Serienanlauffähigkeit nochmals verbessern.
Um zukünftige Anforderungen in Richtung Elektrifizierung, RDE, weitere Emissions-, und Kraftstoffverbrauchsreduzierungen zu befriedigen, wurde das CE12 Konzept sehr flexibel gestaltet. Diese Anforderungen können in weiteren Entwicklungsprojekten bei Bedarf kurzfristig und einfach umgesetzt werden.
Jianzhong Wang, Gaoquan Lv, Johann Schopp, Hermann Josef Ecker

First Launch of 2.0l I4 Engine with UpValve VVA System

Abstract
Since 2010 Pierburg has been involved in development, application and production of mechanical, fully variable valve actuation (VVA) systems. UpValve, UniValve und FlexValve are recognized upgrades for SI- as well as for Diesel engines. This paper reports on the first launch of a gasoline engine with the UpValve VVA System on the intake side.
After a brief introduction to the VVA system architecture and operation principle, the specific application to the target engine is presented, emphasizing the cylinder head design and constrains, the intrinsic cylinder deactivation (CDA) functionality and the control system structure. Subsequently, engine dyno results in terms of full load performance and part load efficiency are shared.
Finally, an insight into the mass production strategy is given. The production process of the UpValve rocker, including machining, assembly and testing, is explained in more detail.
Stefan Moormann, Stephan Schmitt, Rainer Strauss, Roland Kaiser, Rong-Shieh Chen, William Huang, Ting-Yi Chiu

Emissionsoptimierung am hybriden Sattelzug mittels Most Relevant Testing

Zusammenfassung
In Vergangenheit wurde am VKM eine Methode zur Identifikation emissionsrelevanter Betriebsphasen entwickelt, die in ihrer Anwendung bisher vornehmlich auf den Einsatz in Personenkraftwagen unter Real-Driving-Emissions (RDE) Bedingungen beschränkt war. Das parallel entwickelte Projekt evTrailer hybridisiert Nutzfahrzeuge, indem der Trailer als elektrifizierte Komponente dient und damit eine hohe Variabilität der darstellbaren Betriebszustände des konventionellen Dieselaggregates der Zugmaschine erlaubt. Dieser Freiheitsgrad wird in dem vorgestellten Beitrag genutzt, um die mithilfe der Most-Relevant-Methode identifizierten Betriebsphasen zu verschieben. Am Truck-in-the-Loop Prüfstand werden damit die entstehenden Emissionen unter Realbedingungen möglichst effizient reduziert.
Mit fortschreitender Entwicklung der Abgasapplikation auf Basis von realfahrtbezogenen Emissionsgrenzwerten wird zunehmend deutlich, dass ein emissionsminimaler Betrieb von Verbrennungsmotoren unter betriebswarmen Bedingungen technisch lösbar ist. Besonders relevant für die Gesamtemission ist damit das Erreichen und das Beibehalten jener betriebswarmen Bedingungen durch ein entsprechendes Thermomanagement. Dies gilt insbesondere für hybridisierte Antriebstränge. Deren gesteigerte Flexibilität in Punkto Betriebsweise führt allerdings zu deutlichen Aufwandssteigerungen bei der Applikation. Der zusätzlich vorgestellte Co-Simulations-Workflow beschreibt eine Herangehensweise, durch deren Einsatz den neuen Herausforderungen durch Modularität, Konsistenz und Echtzeitfähigkeit effizient begegnet werden kann. Kennzeichnendes Merkmal ist dabei die flexible Austauschbarkeit von virtuellen und realen Werkzeugen.
Nicolas Hummel, Mikula Thiem, Tim Steinhaus, Christian Beidl

Auslegung der Ladungswechselkomponenten für Hybrid – Antriebe

Zusammenfassung
Mit neuen gesetzlichen Rahmenbedingungen und zukünftigen Antriebsszenarien (Hybridantriebe etc.), verändern sich die Anforderungen an die Gestaltung der Ladungswechselkomponenten. Der Beitrag spricht die Rahmenbedingungen an, nennt Konzeptlösungen für den Ansaugtrakt und andere Motorkomponenten. Am Beispiel einer Zylinderkopfhaube wird die Materialauswahl gezeigt. Eine kompakte Ansaugluftführung stellt ein Beispiel eines akustisch optimierten Konzepts für einen Hybridantrieb dar.
Stefan Biba, Ian Reynolds, Rainer Handel

EU7/RDE mit hybridelektrischem Antriebsstrang – Spannungsfeld CO2 und Emission

Zusammenfassung
Die Hybridtechnik gilt als ein wesentlicher Baustein zur Erfüllung künftiger strenger Vorgaben für die CO2-Emission von Fahrzeugflotten. Im Hinblick auf nicht minder strenge, auch im Realbetrieb des Fahrzeuges nachzuweisende Emissionsanforderungen könnte der hybridtypisch diskontinuierliche Betrieb des Verbrennungsmotors ein grundsätzliches Risiko für eine gesetzeskonform robust funktionierende Abgasnachbehandlung bergen. Zielkonflikte bei der bestmöglichen Erfüllung beider Anforderungen sind also bereits aus Funktionssicht vorabzusehen und werden dadurch verstärkt, dass mit der hohen Komplexität eines Hybrid-Gesamtsystems generell ein hoher Kostendruck auf System- und Bauteilebene verbunden ist.
K. Prevedel, O. Dumböck, P. Götschl, A. Huss, G. Reddy

Zusatzmaterial

Zusammenfassung
Dieses Kapitel enthält zusätzliche Folien, die auf der Konferenz präsentiert wurden. Sie sind als elektronisches Zusatzmaterial auf SpringerLink frei verfügbar.
Johannes Liebl

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