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Über dieses Buch

​Bis nachhaltige technische und wirtschaftliche Lösungen für den Elektroantrieb gefunden sind, behält der Verbrennungsmotor seine dominierende Stellung als Antriebsquelle für Pkw und Nutzfahrzeuge. In den nächsten Jahrzehnten kommt dem klassischen Motor damit weiterhin die Rolle des Schrittmachers für CO2-arme Mobilität zu. Um die ambitionierten Umweltziele zu erreichen, müssen alle Komponenten, Systeme und Funktionen des Motors weiter optimiert und an die immer komplexeren Anforderungen im Gesamtsystem angepasst werden. Vor dem Hintergrund dieser Entwicklungsaufgaben veranstaltet ATZlive und das VDI Wissensforum erstmals gemeinsam den Internationalenen Motorenkongress.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Development and importance of internal combustion engines

Friedrich Indra

Antriebskonzepte eines Sportwagenherstellers

Thomas Wasserbäch

50 Jahre Porsche Sechszylinder-Boxermotor

Mit dem 50. Geburtstag des Porsche 911 feiert auch der Porsche Sechszylinder-Boxermotor sein 50-jähriges Bestehen. Nicht um der Tradition willen, sondern wegen seiner konzeptionellen Vorteile: Er ist besonders flach, leicht, kompakt und deshalb die ideale Motorisierung für einen Sportwagen. Der Boxermotor mit sechs Zylindern ist besonders laufruhig, es gibt weder so genannte freie Momente noch freie Kräfte. Außerdem sind Boxermotoren sehr gut dazu geeignet, den Schwerpunkt eines Fahrzeugs zu senken. Die liegenden Zylinder ermöglichen eine besonders niedrige Bauweise. Und je tiefer der Schwerpunkt eines Fahrzeugs liegt, desto sportlicher lässt es sich fahren.

Eines der hervorstechendsten Merkmale der Porsche Sechszylinder-Boxermotoren war darüber hinaus schon immer der im Vergleich zur Motorleistung geringe Kraftstoffverbrauch. Diese herausragende Effizienz beruht auf dem durch den Motorsport geprägten Gesamtkonzept. Es basiert auf konsequentem Leichtbau, hoher Drehfreude und hoher spezifischer Leistung durch vorteilhaften Ladungswechsel.

Generell bestehen bei der Entwicklung eines neuen 911 seit 50 Jahren folgende Zielkonflikte (siehe Bild 1): Zum einen muss ein neuer Porsche immer in allen Bereichen innovativer und leistungsfähiger sein als sein Vorgänger. Ein Design aufzeigen, welches diese Eigenschaften betont, aber gleichzeitig die Tradition bewahrt und damit den exklusiven Ansprüchen unserer Kunden entspricht. Gleichzeitig muss die soziale Akzeptanz erhalten bleiben. Die Erreichung bester Verbrauchswerte und die Erfüllung aller gesetzlichen Grenzwerte sind somit selbstverständlich. Weiterhin ist der Spagat zwischen Alltagstauglichkeit und Sportlichkeit zu beherrschen. In beiden Eigenschaften sollte ein 911 schon immer neue Maßstäbe setzen.

Thomas Wasserbäch, Markus Baumann, Frank Maier, Jörg Kerner

VEA – the new engine architecture from Volvo

Volvo Car Corporation has introduced a completely new engine family and architecture called Volvo Engine Architecture – VEA – in autumn 2013. The main characteristics of this new engine family are high specific performance, a modular light weight base engine and low fuel consumption. Moreover, the high commonality and compactness create new design freedom for a vehicle platform with improved handling, attractive front design and continued best in class safety. The engine family comprises a total of eight engines.

Niels Möller, Michael Fleiss, Staffan Rengmyr, Joop Somhorst

Combustion system design of the new PSA Peugeot Citroën EB TURBO PURE TECH engine

PSA Peugeot Citroën teams have been involved for a long time to address the two major environmental challenges linked to transport, climate change and air quality. They introduced several original technologies for both gasoline and Diesel engines in order to reduce fuel consumption (thus CO2 emissions) and pollutants emissions such as nitrogen oxides (NOx), Carbon monoxide (CO) or particulate matter (PM and PN).

The objective of this paper is to focus on a key brick to reach the 95 g of CO2 per km required by the European Commission by 2020: the new PSA Peugeot Citroën EB TURBO PURE TECH engine.

This new PSA Peugeot Citroën 3-cylinder 1.2L turbocharged direct injection gasoline engine , EB TURBO PURE TECH, was developed to achieve a challenging fuel economy target while keeping a high level of performances.

To reach that goal, EB TURBO PURE TECH engine offers high specific performance, to get all benefits of the downsizing by gear set optimisation, with a robust combustion system using a central direct injection and dual cam phasers.

The ISFC was optimised by using Atkinson cycle at low load and by finding the best trade-off between valve overlap and exhaust opening at mid-load.

The high performances of the engine (230 N.m @ 1750 rpm and 96 kW @5500 rpm) lead to a real challenge for the design of the combustion system in order to manage risks regarding abnormal combustion, knock and oil dilution. One of the key components of the combustion system is the injector which has been designed to ensure optimal Air/Fuel mixture in all conditions. This was achieved through the use of a 200 bar multi-injection system. Thanks to CFD, in-cylinder spray/mixture formation, injector position and design were optimised and the best designs were extensively tested on engine bench in order to define the best trade-off between: emissions, gasoline/oil dilution, combustion stability with high EGR rate, full load combustion and abnormal combustion, and spark plug fouling.

To ensure performance and reliability at full load with a 10.5:1 compression ratio, the water jacket, injection settings and valve overlap have been optimised. A specific work has been also done on the ignition system to perform the A/F mixture ignition at maximum BMEP.

As a result, in comparison with the 1.6L NA replaced engine, a fuel economy of 17% is achieved on NEDC cycle with respect to Euro6.1 emissions regulation.

Philippe Souhaite, Smaïl Mokhtari

Die Kurbelgehäusematerialwahl während der frühen Konzeptphase der Motorenentwicklung

Im Motorenbau werden klassisch die beiden Kurbelgehäusewerkstoffe Aluminium und Grauguss eingesetzt. Das Anliegen dieses Beitrages ist es, diese beiden Materialien eingehender in Bezug auf motorische Attributsmerkmale zu analysieren und zu erörtern, inwieweit sie zukünftigen Anforderungen an moderne Motoren gerecht werden können. Speziell der Trend zum Down-Sizing von Ottomotoren und der damit einhergehenden hohen spezifischen Literleistung stellt hohe Ansprüche an die Grundmotorarchitektur. Anhand von Unterschieden der motorischen Attributs- und Designmerkmale werden jeweilige Vor- und Nachteile erörtert, verglichen und in einer gesamtheitlichen Betrachtungsweise bewertet. Es zeigt sich, daß für neue Motorgenerationen die jeweilige Entscheidung für den Kurbelgehäusewerkstoff individuell ausfallen kann und keine Verallgemeinerung zuläßt. Für den neuen aufgeladenen, direkt- einspritzenden 1.0L Dreizylinder Ottomotors zeigt sich, daß Grauguss als Kurbelgehäusewerkstoff die vielversprechendere Wahl darstellt, um motorische Attributsmerkmale zu erfüllen, und darüber hinaus noch ausreichendes Potential für zukünftige Anforderungen bereithält.

Rainer Lach, F. Weber, H. Maas, U. Weiss

Entwicklungswerkzeuge zur reibungsoptimierten Auslegung des Grundtriebwerks

Aufgrund der sich weiter verschärfenden Gesetzgebungen bezüglich Effizienz und Emissionen von Verbrennungsmotoren steht während der Entwicklung die Schadstoff- und Reibleistungsminimierung verstärkt im Vordergrund. Im Zuge verkürzter Entwicklungszyklen gewinnen zeiteffiziente Entwicklungswerkzeuge für die Auslegung, Schwachstellenanalyse und Erprobung zunehmend an Bedeutung. Die Bündelung der Kompetenzen der APL Group und der iST GmbH ermöglicht die zielgerichtete Entwicklung des Grundtriebwerks durch die Kombination der Simulationstechnik mit experimentellen Methoden.

Jens Hadler, Christian Lensch-Franzen, Marcus Gohl, Gunter Knoll, Jochen Lang, Katja Backhaus

2-stufiges VCR-System – Herausforderungen in der Mechanik

Der Wunsch der Motorenentwickler den wichtigen Parameter – das geometrische Verdichtungsverhältnis – variabel zu gestalten ist nicht viel jünger als der Verbrennungsmotor selber. Ein Grund warum es bis heute noch keinen Motor mit variabler Verdichtung in die Serienproduktion geschafft hat, liegt zum großen Teil darin, dass der thermodynamische Nutzen den zu treibenden Aufwand bislang nicht rechtfertigen konnte. Der Änderungsaufwand zur Realisierung einer variablen Verdichtung ist bei den meisten bekannten Systemen immens. Wenn es hingegen gelingen würde, eine modulare und universell einsetzbare und robuste Technik darzustellen, könnte der lang gehegte Wunsch vielleicht doch bald Realität werden. Die FEV GmbH arbeitet bereits seit einigen Jahren an einer solchen modularen Lösung und konnte die VCRFunktion in unterschiedlichen Motor- und Fahrzeugprojekten erfolgreich darstellen.

Das Potenzial zur CO2-Reduktion beim Ottomotor hängt wie in /1/ ausgeführt, bei einer bestimmten Schwungmassenklasse von der gewählten Verdichtungsspreizung, vom darzustellenden Volllastmitteldruck und vom Fahrprofil ab. Bei heutigen Motor- Fahrzeugkombinationen ist von einem CO2-Reduktionspotenzial im NEDC in Höhe von ca. 4-6% bei 2-stufigen und 6-8% bei vollvariablen Systemen auszugehen. Weiteres Potenzial kann in der Kombination mit anderen Technologien gehoben werden, z.B. in Kombination mit einer kontrollierten Selbstzündung oder in Kombination mit Flex-Fuel-Anwendungen.

Der vorliegende Beitrag vertieft die Entwicklung des 2-stufigen VCR-Systems mit dem Fokus auf Mechanik und Konstruktion und beleuchtet die wichtigsten Systemeigenschaften. Im Kapitel 3 – Ausblick – werden u.a. Aktivitäten hinsichtlich einer zeitnahen Serieneinführung und den damit verbundenen Aufgaben für die Industrialisierung vorgestellt.

Uwe Schaffrath, Jürgen Dohmen, Karsten Wittek

Moderne Kolbenwerkstoffe und Kolbenkonstruktionen für Pkw-Diesel-Anwendungen: Aluminiumkolben versus Stahlkolben

Über viele Jahre wurden in Pkw-Dieselmotoren ausschließlich im Schwerkraftguss hergestellte Aluminiumkolben verwendet. Eine kontinuierliche Weiterentwicklung von Werkstoffen, örtlichen Verstärkungen, Prüf-und Kühlungsmethoden haben es ermöglicht, die durch rasante Leistungsexplosion herbeigeführten Spitzenbelastungen erfolgreich zu meistern. Dazu hat Federal-Mogul einen wesentlichen Beitrag geleistet.

Seit einigen Jahren befinden sich bei Pkw-Dieselmotoren nun neben Aluminiumauch Stahlkolben in der Entwicklung. Letztere haben sich bei Nutzfahrzeugmotoren in der Großserie millionenfach bewährt. Beide Werkstoffe haben dabei ihre charakteristischen Merkmale.

Im folgenden Beitrag zeigt Federal-Mogul, welches die spezifischen Besonderheiten beider Technologien sind. Besondere Bedeutung wird hierbei der Kolbentemperatur beigemessen.

Josef Harrer, Arnd Baberg, Harald Mergler

Ventilsteuerungen von Verbrennungsmotoren: Trends und deren historischer Hintergrund

Die Trends, wie zukünftig die Gaswechselventile an Verbrennungsmotoren betätigt werden, sind maßgeblich von der Zielsetzung abhängig, in wie weit der Kraftstoffverbrauch und somit die CO2-Emissionen deutlich weiter gesenkt werden können. Schon heute ist man bereit, für aufwendigere Ventiltriebskomponenten wie den Einsatz von variablen Ventilsteuerungen Mehrkosten in Kauf zu nehmen, wenn entsprechende CO2-Reduktionen durch diese Zusatzmaßnahmen in der Serie gesenkt werden können. Dabei sind weltweit die unterschiedlichsten Ventilsteuerungssysteme im Einsatz. Die Vielzahl dieser Ventilsteuerungsmechanismen ist kaum zu überschauen, so dass es auch für die Entwickler einzelner OEMs es unumgänglich ist, sich intensiv mit den Ventilantrieben zu beschäftigen. An dieser Stelle wird auf die wesentlichen Ventiltriebskonzepte eingegangen und versucht die Trends aufgrund der Sichtung von Patentanmeldungen und der Ausführungen an ausgeführten Serienmotoren sowie aufgrund von Gesprächen mit Entwicklern der OEMs abzuleiten. Der Blick zurück in die Historie der Ventilsteuerungen zeigt auf, dass es zu den einzelnen Ventilantriebskonzepten – auch zu den variablen Ventilsteuerungen – schon seit Beginn des Motorenbaus vergleichbare Lösungen existierten, wie sie heutzutage in Serie umgesetzt werden. Aufgrund der Vielzahl der Systeme wird im nachfolgenden Text teils nur auf Quellen zu den Ventilsteuerungen verwiesen, zu den historischen Steuerungen wird jeweils eine Lösung dargestellt. Für die jungen Ingenieurkollegen unter uns soll dieser Beitrag unterstreichen, dass viele heutzutage aufkommenden Ideen und vermeidliche Erfindungen schon lange bekannt sind. Umso mehr macht das Studium der historischen Ventilsteuerungen Sinn, um die Grundprinzipien als Anregung für zukünftige Betätigungen zu nutzen. Die Gründe für den Einsatz der unterschiedlichsten Konstruktionen in der Historie sind so vielschichtig wie die Einsatzgebiete der Verbrennungsmotoren. Heutige Verbrennungsmotoren haben im Wesentlichen standardisierte Ventiltriebskomponenten, die Konstruktionen unterscheiden sich eher durch die Art der variablen Ventilsteuerungen, die vermehrt zum Einsatz kommen.

Wilhelm Hannibal, Michael Haas

Reducing fuel consumption and CO2 emissions by optimizing active intake systems for naturally aspirated and turbocharged engines

Lower fuel consumption and fewer emissions – these are two of the key requirements of modern engines. A decisive and economically efficient influencing parameter in this context is improvement of the gas exchange process in engines through the optimization of active intake systems. Since the end of the 1980s, intensive work has been carried out on improving the gas exchange process for naturally aspirated gasoline engines through the use of optimally adapted intake systems. The pressure pulses of the air intake system caused by the gas exchange process are used to achieve high charge filling of the combustion chamber. To this end, the lengths, diameter and volumes of the intake manifold between the throttle body and the inlet valves are adapted to the desired engine speed range. In order to achieve optimal filling over a wide speed range, active intake manifolds were introduced that permit switchable flow paths for the intake air by means of active switching elements such as flaps and rotary valves. Typically, different resonance runner lengths or resonance volumes are employed.

Alexander Korn, Bernhard Huurdeman, Heinz Bühl

Gasoline engine combustion development for EU 6c emission legislation

CO2 legislation in Europe – with 130g/km as a fleet average starting in 2012 and the discussion of 95g/km in 2020 – requires a significant CO2 reduction of existing power trains. Diesel engines are known to be beneficial regarding CO2 emissions. However, higher costs limit their market share and thus impact on CO2 fleet emission reduction potential, especially in cost sensitive vehicle segments. In the area of gasoline engine development, downsizing has moved from a “mega” trend to a well established engine technology in Europe. Hyundai-Kia’s all-new Kappa T-GDI engine family is developed to be a downsizing concept replacing e.g. a 1.6l naturally aspirated engine in B and C-segment with the aim to reduce CO2 emissions. The associated low end torque benefit enhances “fun to drive” for the customer. With Euro 6 starting in 2014, not only CO2 and standard emissions like HC, CO and NOx will be in the focus of engine development, but also Particle Number (PN) and Mass (PM).

In order to achieve Euro 6c PN-emission targets, more than a 95% PN reduction over a Euro 5 calibration is required. A major portion of this required PN reduction can be achieved by increasing fuel pressure at part load to 150 to 200bar in combination with optimized cam and start of injection timing. In order to achieve the Euro 6c PN emission target, additional combustion development is required. Injector layout and spray targeting can be optimized by means of in-cylinder optical investigations and result in BSFC as well as PN reduction.

From a technical point of view, the upcoming Euro 6c legislation limit can be fulfilled either by combustion development or by after treatment. For a single vehicle, the Particle Number limit – including a safety margin – can be fulfilled by combustion development only and thus without a gasoline particle filter. The real challenge is to maintain this level for mass production as well as for the life time of the vehicle.

Michael Winkler, Jürgen Grimm, Holger Lenga, Byoung-Hyouk Min

Potenziale elektrischer Zusatzaufladung mit neuen Regelungskonzepten

Die heutigen Entwicklungstrends im Bereich der Fahrzeugantriebe werden maßgeblich durch gesetzliche Reglementierungen von Schadstoff- und CO2-Emissionen und Kundenanforderungen betreffend Fahrspaß, Image und Sparsamkeit getrieben.

Einen beispielhaften technologischen Siegeszug konnte der Dieselmotor im PKW vorweisen, nachdem ein Imagewechsel vollzogen wurde und der Antrieb mit Fakten wie Drehmomentverhalten und Sparsamkeit überzeugte.

Auf dem Weg zu effizienteren Verbrennungsmotoren wird Downsizing bereits umfangreich eingesetzt. Wesentliche wirkungsgradsteigernde Effekte (im Folgenden speziell für den Ottomotor) sind:

● reduzierte Drosselverluste

● reduzierte Reibleistung entsprechend der reduzierten Anzahl an Zylindern (reduzierte Zylinderanzahl, gleiche Zylindergeometrie)

● weitere Reduzierung des Reibmitteldrucks (gleiche Zylinderanzahl, geänderte Zylindergeometrie)

● reduzierte Ventilationsverluste entsprechend der Anzahl an Zylindern.

Neben Maßnahmen wie Start/Stopp-Systeme und Gewichtsreduktion liefert auch das Downsizing einen maßgeblichen Beitrag zur Kraftstoffsverbrauchseinsparung. Abbildung 1 zeigt den Trend des Hubraumes zusammen mit dem CO2-Trend über der Zeit. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage nach den Grenzen des Downsizings aus dem Blickwinkel der Effizienz wie auch ökonomisch.

Sebastian Martin, Christian Beidl, Markus Münz, Rolf Müller

Cylinder deactivation for CO2 reduction of 3-cylinder gasoline engines

Ever growing need for fuel efficiency improvement combined with new WLTC driving cycle and large penetration of 3-cylinder gasoline engines in Europe, has incentive Eaton to developing unique technical solution that allows cylinder deactivation on 3-cylinder gasoline engines, targeting CO2 reduction. The focus is on development mechanical Variable Valve Actuation system that enables Dynamic Cylinder Deactivation; where each cylinder operates in mode where one cycle is active (combustion) and next cycle is deactivated. In this way, the 3-cylinder engine would virtually run in 1 ½ cylinder mode.

The valvetrain designed by Eaton electrically driven variable cam-phasing with infinite angle of cam-phasing, fully independent on engine oil supply; pressure and flow.

Majo Cecur, Lubos Tomiska

Innovative Start- / Stopp-Systeme für Verbrennungsmotoren

Es kann generell anhand des Drehzahlniveaus bei Einsetzen der ersten Verbrennungen zwischen Hochdrehzahlstarts, Niedrigdrehzahlstarts und Starts aus dem Verbrennungsmotor- Stillstand differenziert werden.

Ein Verbrennungsmotor (VM)-Start aus dem Stillstand wird auch als Direktstart bezeichnet. Er charakterisiert sich durch das gezielte Einspritzen und Zünden in den stehenden Motor und dessen Hochlauf auf Leerlaufdrehzahl ohne das Einwirken eines extern anliegenden Drehmomentes.

Bei einem Niedrigdrehzahlstart finden die ersten Einspritzungen und Verbrennungen bei ca. 250 U/min statt. Der VM muss von einem Startaggregat auf diese Drehzahl beschleunigt werden. Dies kann über einen konventionellen Anlasser, einen Riemenstartergenerator oder im Triebstrang befindliche leistungsstärkere Elektromaschinen (Hybridstart) erfolgen.

Der Hochdrehzahlstart auf Leerlaufdrehzahlniveau ist den Fahrzeugen mit stärkerer EM vorbehalten (Hybridstart). In diesen Konzepten kann dann entweder nach Niedrigdrehzahl – oder Hochdrehzahlstart gestartet werden.

Heinz Schäfer

Kombinierte Miller- / Atkinson-Strategie für zukünftige Downsizing-Konzepte

Die in Europa geplanten Emissionsgrenzen von 95 gCO2/km für eine mittlere Fahrzeugmasse von 1372 kg erfordern deutliche Schritte zur Erhöhung der Effizienz der Verbrennungsmotoren. Am Ottomotor steht die Verbesserung des Teillastwirkungsgrades besonders im Fokus, um den Zyklusverbrauch zu senken. Downsizing ist derzeitig ein vielversprechender Ansatz den Teillastverbrauch signifikant zu reduzieren. Für zukünftige Antriebe erfordert das aber eine Zunahme der Komplexität der turboaufgeladenen Ottomotoren. Die Kombination aus Aufladung und Entdrosselung durch Betriebspunktverlagerung erschließt zwar deutliche Verbrauchspotenziale, verschärft jedoch mit zunehmendem Aufladegrad die Problematik des ottomotorischen Klopfens bzw. der Vorentflammung der Ladung. Die Anwendung von Miller- Atkinson-Strategien zur Senkung des effektiven Verdichtungsverhältnisses durch variable Einlass-Schließt-Zeitpunkte, wirkt dieser Problematik entgegen, wodurch einerseits der Downsizinggrad erhöht werden kann, oder sich andererseits die Gemischanreicherung reduziert und damit ein Schritt zur Erfüllung zukünftiger RDE-Gesetzgebung (Real Drive Emissions) unternommen wird. Zur übersichtlicheren Darstellung wird das Miller-Verfahren im Folgenden als Frühes-Einlass-Schließt- Strategie (FES) und das Atkinson-Verfahren als Spätes-Einlass-Schließt-Strategie (SES) bezeichnet.

Martin Scheidt, Ch. Brands, M. Lang, M. Kratzsch, M. Günther, N. Elsner, T. Spannaus, C. Vogler

The international emission legislation for cars, trucks, motorcycles and non‑road applications

Helge Jahn

Ansätze zur Verbrauchsreduktion eines HD-Dieselmotors durch Basismotor- Systemoptimierungen

Die Diesel Technologie wurde in den letzten Jahren weiterentwickelt. Mit der Einführung der Euro VI Emissionsgesetzgebung für HD-Strassentransport 2014 sehen sich die Dieselmotorenhersteller konfrontiert, Lösungen entwickeln, welche sich nicht mehr immer zum Vorteil der Endverbraucher entwickeln.

Mit Euro VI sind NOx- und Partikelemssionen sind an der Grenze des Messbaren. Jetzt ist der Fokus auf dem Klimaschutz und der Schonung der fossilen Ressourcen, d.h. auf der Verringerung der CO2-Emissionen.

Das direkte Resultat ist die Notwendigkeit, am Wirkungsgrad des Dieselmotors zu arbeiten, wobei FPT Industrial in den letzten Jahrzehnten eine Schlüsselrolle gespielt hat. Heute haben Dieselmotoren Wirkungsgrade bis zu 46% im Bestpunkt, mit unserem neuen Ansatz wir dies signifikant verbessert.

Wolfgang Gstrein, Richard Ham, Jonathan Borg

Contribution fuel consumption reduction by optimizing pistons/piston rings

Changes in societies and demands for global protection of the environment place intense and growing demands on engine developers for reduced exhaust emissions and, increasingly in future, for significantly reduced fuel consumption. Passenger car engines as well as engines for commercial applications (Midrange Diesel and Heavy Duty Diesel) are concerned.

Improvement of fuel efficiency by initiation of single and isolated measures has become very difficult due to deep interactions between thermodynamics, mechanics and tribology strategies exceeding the single component level. So it appears to be consistent to consider fuel and friction saving developments on pistons and piston rings in this paper.

With regard to pistons it is demonstrated that an optimized piston design opens opportunities to exploit better thermal load bearing strength of steel pistons with the result of an oil pump design significantly more efficient. With respect to piston rings it will be shown that measures of layout, design and coating technologies even today can still make significant contributions for friction reduction and improvement of CO² emissions.

Johannes Esser, R. Gladwin, N. Schneider, W. Stumpf

Nächste Entwicklungsschritte im Ventiltrieb von Nutzfahrzeug- Dieselmotoren

Die sich bereits abzeichnenden nächsten Entwicklungen im Ventiltrieb von Nutzfahrzeug Dieselmotoren wird im Wesentlichen eine Wiederholung der Entwicklungsschritte von PKW-, Otto- und PKW-Dieselmotoren sein. Aufgrund der hohen Laufleistungen und der damit verbundenen hohen Kosten einer Dauerlauferprobung muss allerdings genau geprüft werden, ob jeder Entwicklungsschritt

– Vierventiligkeit/2 Nockenwellen

– 2-stufiges VVT

– Rollenschlepphebel

– vollvariable VVT

– 2-stufige Umschaltung

– vollvariabler Ventiltrieb VVL

umgesetzt wird, oder ob in einer grundsätzlichen Neukonstruktion der letzte Entwicklungsstand von PKW Otto- und Dieselmotoren appliziert und somit eine für zukünftige Abgasvorschriften, CO2- und Kraftstoffverbrauchszielen nachhaltige Basis geschaffen wird.

In Ottomotoren wurden die Ventiltriebe weiter entwickelt um

– Kraftstoffverbrauch und CO2-Emissionen

– Rohemissionen (NOx) zu reduzieren

– Abgastemperaturen (Katheizen) zu beeinflussen

– und Anfahrdrehmoment zu erhöhen

Eine Reduktion des Kraftstoffverbrauches wurde durch die Reduktion der Ventiltriebsreibung, der Ladungswechselarbeit und des Expansionsverlustes erreicht.

Rudolf Flierl, P. Lege, Daniel Hosse, Arne Temp

Systematic calibration procedure for the air path control of diesel engines

Heavy-duty diesel engines are designed for low fuel consumption and flexibility in the engine-out emissions of Nitrogen Oxides (NOx) and Particulate Matter (PM) to meet the Euro VI en EPA13 emission legislation and market expectations on low operating cost. Generally, the amount of NOx formed in the combustion chamber exceeds the legal tailpipe limits. Therefore, a diesel engine can be equipped with a catalyst that converts the NOx to harmless N2 and O2 by the injection of a urea solution. Flexibility in engine-out NOx emissions is required to deal with the varying conversion performance of the catalyst.

It is common knowledge that the formation of NOx during the combustion can be reduced by applying cooled Exhaust Gas Recirculation (EGR). A state-of-the-art diesel engine layout that comprises cooled EGR is depicted in Figure 1. The engine is equipped with an EGR valve and a Variable Geometry Turbine (VGT) that give authority over the EGR mass flow.

Thijs van Keulen, Gert-Jan van der Heijden, Chris Criens

Gas für Nutzfahrzeugmotoren – Potenzial zur Reduktion der CO2‑Emissionen

Nachdem die Emission der klassischen Schadstoffe sowohl für On-Road als auch für Non-Road Applikationen bereits auf niedrigste Werte limitiert wurde, konzentriert sich in Europa, USA, Japan und Südkorea die Gesetzgebung speziell beim Nutzfahrzeug verstärkt auf die Verringerung der Treibhausgasemissionen. Über eine Verbrauchsreduktion mittels Wirkungsgradsteigerung hinaus bietet sich dazu als wirksame Maßnahme auch der Einsatz von alternativen Kraftstoffen an. Speziell Erdgas mit seinem niedrigen Kohlenstoffanteil stellt eine interessante Alternative zum vorherrschenden Dieselkraftstoff dar. Zusätzliche Treiber sind die im Vergleich zum Diesel niedrigen Preise, staatliche Förderungen sowie lokale Verfügbarkeit.

Das Streben nach einer möglichst weitgehenden Ausschöpfung des CO2- Potenzials erfordert Motoren- und Antriebskonzepte, die auf den jeweiligen Einsatzzweck zugeschnitten sind. Maßnahmen, die in einem Antriebskonzept mit Dieselmotor zur Verbrauchssenkung vorgesehen sind (z. B. Downsizing, Waste Heat Recovery, etc.), sind hinsichtlich ihrer Tauglichkeit und Relevanz ebenfalls in Kombination mit einem Gasmotor zu berücksichtigen.

In der vorliegenden Präsentation werden für unterschiedliche Antriebskonzepte Möglichkeiten zur Verbrauchsreduktion aufgezeigt und diskutiert. In einer anschließenden Bewertung werden neben dem CO2- Potenzial auch die Herausforderungen bei der Entwicklung von Gasmotoren sowie die Randbedingungen für den Einsatz der betrachteten Konzepte behandelt.

Peter Heuser, José Geiger, Yves Rosefort

Turbo-Compound-Systeme an Nutzfahrzeugmotoren – Anforderungen, Nutzen und innovative Lösungsansätze

Die Turbocompoundtechnologie wird seit Jahren von verschieden Nutzfahrzeugherstellern, bevorzugt in Schwerlastanwendungen eingesetzt. Die Möglichkeit, Energie die sonst ungenutzt über das Abgas in die Umwelt entweichen würde, für den Antrieb eines Fahrzeuges nutzbar zu machen, erscheint auf den ersten Blick sehr sinnvoll.

Die Gesamtkomplexität eines solchen Systems und der, speziell in Straßenanwendung mit hohen Teillastanteilen, recht bescheidene Einspareffekt hat eine flächendeckende Einführung von Turbocompound bisher verhindert. Lag der Schwerpunkt der NFZMotorenentwicklung bis Euro VI auf der Einhaltung der Emissionsgrenzen, z.B. für NOx oder Ruß, geht es bei der CO2-Emissionsbegrenzung ganz konkret um die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. In dem vorliegenden Text wird auf verschiedene Optimierungsansätze für Turbocompoundsysteme eingegangen, durch die die Attraktivität dieser Technologie gesteigert werden könnte.

Kurt Adleff, Kai Kamossa, Markus Kley

Efficient downsizing engine technologies for real world driving

Increasing demands for ever more fuel efficient and environmentally friendly vehicles, deriving from both political and social motivation, have made the fuel optimisation of the whole powertrain the main focus of development programmes.

One of the main outcomes of this drive has been the trend for the downsizing of IC engines, where the specific power output has increased to enable smaller displacement and number of cylinder power units to be used. This offers significant de-throttling benefits at part load, together with the potential for reductions in specific friction, which derive in the most part from reductions in the number of cylinders used, and consequently the number of bearing surfaces required.

However, in order to achieve increased specific power output levels, IC engines generally require boosting, which leads to a potential reduction in operating efficiency at high load due to increased tendency to knocking, and the need to overfuel at high power levels to keep exhaust gas temperatures within material specifications for exhaust gas components. The increased tendency to knock not only forces the combustion phasing to be retarded, but also requires lowered compression ratios to be employed, in order to maintain high load combustion quality. This however also has a negative impact on part-load operating efficiency.

The result of these effects is that the benefits of downsizing diminish as specific power outputs increase, and the optimum level of downsizing depends to a large extent on driving style and the types of roads (and thereby the average speeds and acceleration / deceleration rates) on which the vehicle is being used.

In order to take downsizing further and gain the full potential of the fuel consumption benefits, as well as to maintain these benefits over a wide range of applications, a selection of advanced complementary technologies have been investigated.

Marco Warth, Paul Freeland, Bernd Mahr

Magerbrennverfahren – Die Zukunft für Ottomotoren

Seit der Erfindung des Verbrennungsmotors wird intensiv an der Steigerung der Effizienz und Verringerung der Emissionen der Motoren gearbeitet. Mit der Einführung der BlueDIRECT Technologie bei Mercedes-Benz, die neben der Nutzung eines strahlgeführten Brennverfahrens für Magerbetriebsarten auch ein Piezo-Einspritzsystem beinhaltet, können mit letzterem alle aktuellen Mercedes-Benz und AMG Ottomotoren ohne Änderungen ausgerüstet werden. D. h. vom M270DE16 (1,6l 4-Zylinder Turbo) mit 30 kW/Zylinder bis zum M157DE55 (5,5l V8 bi-Turbo) mit 55 kW/Zylinder wird der gleiche Injektor ohne Anpassungsmaßnahmen eingesetzt. Der schnelle nach außen öffnende Piezo-Injektor macht es möglich, Mehrfacheinspritzungen von 80μs (< 1 mg) bis über 5,5 ms bei einem Systemdruck von 200 bar zu nutzen, um die Emissionen und insbesondere die Partikelanzahlemission deutlich zu verringern. Die mit der BlueDIRECT Technologie mögliche Effizienzsteigerung ist so groß, dass der innere Wirkungsgrad des Ottomotors sehr nahe an den des Dieselmotors heranrückt. Mit dem für den M274 DE 20 weiterentwickelten BlueDIRECT Brennverfahren ist es gelungen, zum ersten Mal in einem Fahrzeug des Premiumsegments das Effizienz Lable A mit einem Ottomotor zu erreichen. Dies verdeutlicht, welche Potentiale beim Einsatz von Magerbrennverfahren beim Ottomotor erschlossen werden können.

Anton Waltner, Frank Altenschmidt, Uwe Schaupp

Aspects on injection pressure for diesel and gasoline DI engines

Since the very beginning of providing fuel metering equipment for combustion engines, injection pressure is a key enabler for mixture preparation and spray performance, fulfilling the task to bring the fuel into the combustion chamber in the right time, with the right quality to the right place. This paper deals with the role of injection pressure for Diesel and Gasoline Direct Injection combustion processes.

Future requirements on propulsion coming from the overall market trends especially on emission and CO

2

by means of fuel consumption are discussed. As the key technology for internal combustion engines direct fuel injection in Gasoline and Diesel plays a major role gaining the challenging development targets like power output, comfort, lowest emission and benchmark fuel consumption at attractive cost level. This trend is already established in Western Europe and North America followed by the Asia market and will be rolled out in the next upcoming decade. There is no alternative than using that technology in a broad manner fulfilling overall CO

2

emission legislation.

Diving deeper in the DI technologies one obtains the injection pressure as main key performance indicator. Looking at Diesel the energy cascade starts from pressure via spray momentum to spray penetration and ends up in a vapor liquid multi phase fluid which is burned in the combustion chamber in order to realize best combustion results defines the core of injection technology. Some multidimensional optimization of contradictionary targets is discussed and results are shown. Consequences on the system and component layout follow to deliver high pressure injection technology in a most efficient way.

Looking on the gasoline side the main target on DI technologies is avoiding particulates by simultaneously realizing best fuel consumption at lowest raw emissions. Further investigation leads to the rule of avoiding wall wetting of the piston roof as well as the valve and cylinder head area. In addition late fuel evaporation which is initially layered as a fluid film which lands on the injector tip or other surfaces in the combustion chamber should be minimized. Discussion sources of particulates and measures to reduce them are followed by engine results showing best emissions and lowest fuel consumption in parallel. From system and component point of view key measures to provide high injection pressure are described.

Finally on both Gasoline and Diesel side the need of high injection pressure is summarized and of course the way to do so most efficiently closes the paper.

Jürgen Hammer, Roger Busch

Corona ignition for natural gas engines with charge dilution

Triggered by upcoming legislation enforcing lower CO

2

emissions, CNG as an alternative fuel for passenger car engines has recently gained more importance. As the CO

2

emission of a natural gas engine is on average 20 % lower as compared to its gasoline counterpart, CNG engines play an important role in reaching the prescribed fleet average CO

2

emission limits. Consequently the last few years saw the introduction of CNG applications in different vehicle classes from almost every larger OEM, especially in Europe. In addition, particle emissions are close to zero which is an important advantage over Diesel engines. Per today’s legislation CNG as a fuel benefits from lower taxation resulting in substantial cost savings for the customer, which at least partially compensates for the additional cost of the CNG system.

Similar to gasoline engines, CNG engines benefit from EGR and lean combustion strategies to improve fuel efficiency in particular at part load. The lower calorific value of the combustible air-fuel mixture of CNG can be compensated by turbocharging. In order to benefit from the high octane number of natural gas, the compression ratio of the engines is oftentimes increased. Both aspects put high demands on the ignition system.

In comparison, natural gas as a fuel for stationary industrial engines is already very much established and allows combined electrical and thermal efficiencies in excess of 85 % to be reached in modern heat and power co-generation plants. An increasing use with heavy duty trucks and buses can also be seen, as operating cost is an even stronger driver than in the case of passenger cars and gas storage is, in many applications, not that much of an issue. Moreover, CO

2

emissions are becoming more important for heavy duty applications, too, and huge natural gas reserves have been found recently. To obtain the highest possible fuel consumption benefits a heavy duty gas engine needs to be operated lean and in a window where a stable operation can be achieved avoiding knock at lower as well as misfire at higher air/fuel ratios. The ignition system is of particular importance to push this window to air/fuel ratios which are most efficient and, as important, result in lowest NO

x

emissions.

Steffen Bohne, Georg Rixecker, Volker Brichzin, Michael Becker

Konzepte zur Reduzierung der dieselmotorischen Rohemissionen – eine Bewertung im Hinblick auf Kraftstoffverbrauch und künftige RDE Anforderungen

Weltweit werden ambitionierte Ziele zur Reduktion der verkehrsbezogenen CO

2

-Emission verfolgt. Vor diesem Hintergrund zeigt der in Europa konstant hohe Anteil von Dieselzulassungen, aber insbesondere auch der zunehmende Anteil in den USA, welche wichtige Rolle der Dieselmotor zur Senkung des CO

2

-Flottenausstoßes einnimmt.

Parallel verschärft sich kontinuierlich die Abgasgesetzgebung in den Dieselmärkten. In Europa erfolgt bei zunächst gleichbleibenden Grenzwerten eine Ausweitung des zertifizierungsrelevanten Zyklus bis hin zu hohen Motorlasten und es ergeben sich zusätzliche Anforderungen an die ″In-Use-compliance″. In den USA verschärfen sich die NO

X

+HC Grenzwerte bei unverändert hochlastigen Fahrzyklen. Zusammenfassend kann daraus abgeleitet werden, dass die Stickoxidemissionen in Zukunft insbesondere bei höheren Lasten effizient reduziert werden müssen. Mit der SCR Technologie steht hierfür eine zuverlässige Abgasnachbehandlung zur Verfügung, die gerade bei höheren Lasten und den damit verbundenen höheren Temperaturen eine effiziente Stickoxidminderung ermöglicht. Problematisch können jedoch der damit verbundene, hohe Adblue Verbrauch und der damit zunehmende Platzbedarf für den Adblue Tank sein, der vor allem bei kleineren Fahrzeugen zu Herausforderungen bei der Einbausituation führt.

Christopher Severin, Hauke Oetjens, Jürgen Rohr, Maximilian Brauer, Matthias Diezemann, René Pohlke

Kraftstoffverbrauchssenkung mittels innovativer Komponenten des Thermomanagements

Der umsichtige und effiziente Umgang mit fossilen Energieträgern gewinnt bei stationärer wie auch bei mobiler Nutzung immer mehr an Bedeutung.

Gerade im Bereich der Individualmobilität greifen weltweit mehr und mehr gesetzgeberische Maßnahmen zur Eindämmung des Kraftstoffverbrauchsverhaltens von Kraftfahrzeugen. Einerseits ist dies eine Konsequenz aus der zunehmend deutlich werdenden Verknappung der Ressourcen fossiler Kraftstoffe und andererseits Ausdruck der Entschlossenheit den Ausstoß von Schadstoffen und klimaschädlichen Gasen zu vermindern. Neben der stetigen Optimierung des heute noch klar dominanten Verbrennungsmotors bei Fahrzeugantrieben erlangen auch alternative Konzepte, beispielsweise in hybridisierter Form oder rein elektrische Fahrantriebe, erste Markteintritte.

Heinrich Dismon, Karl Krebber-Hortmann, Peter Seggewiß, Stefan Rothgang, Frank Seifert

Thermomanagement – Komponenten für innovative Kühlsysteme

Bis vor wenigen Jahren bestand die vordringlichste Aufgabe der Motorkühlung darin, den Motorblock - vor allem bei Hochlast - vor Überhitzung zu schützen. Das hat sich heute völlig geändert. Mit den Anforderungen an Verbrauch, Emission und Innenraumkomfort hat sich die Motorkühlung mehr und mehr zum komplexen „Thermomanagement“ gewandelt und wird weitere Aufgaben im Zuge neuer CO

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-und Emissionsgrenzwerte übernehmen - unabhängig von der fortschreitenden Elektrifizierung des Antriebsstrangs.

„Bauteileschutz“ ist zwar noch der wichtigste funktionale Aspekt, jedoch müssen heute zusätzliche Komponenten im Motor durch den Kühlmittelkreislauf zu unterschiedlichen Zeitpunkten gekühlt oder erwärmt werden. Früher wurden die Kreisläufe und Komponenten statisch für hohe Lasten ausgelegt. Zukünftig wird die Kühlung dynamisch, d. h. bedarfsgerecht erfolgen.

Andreas Eilemann, Eberhard Pantow

Requirements for future gasoline engines

The worldwide CO2 and fuel economy legislations will converge on extremely low level requiring fleet-CO2 reductions of up to 45% by 2025. This not only enhances electrification and alternative fuels, but also demands break through innovations with the conventional powertrain. On top, more stringent requirements regarding the “conventional” pollutants, Particulate Number and especially the future Real Driving Emission legislation will have a major impact both on powertrain technology but also on powertrain development, validation and in field compliance.

One of the key aspects is a comprehensive system development not only focused on the engine, but incorporating the whole powertrain, vehicle aspects and the huge variety of customer operating conditions to a much larger extend than in the past. To master these enhanced demands within short time to market, new development tools and methodologies will be applied.

Günter Fraidl

The potential of an advanced GPF concept for low pressure drop and low CO2 emission

Gasoline Direct Injection (GDI) concepts are the key technology of gasoline engine development to reduce CO

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emissions while improving torque and power output. However there is a side effect of increasing particle number emissions of GDI engines compared with conventional Multi Port Injection (MPI). The Particle Number (PN) limit for compression ignition (diesel) engines of 6×10

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/km was introduced with the enforcement of Euro 5b (09/2011). Then in 2012 a PN limit for GDI engines was decided to be effective from 09/2014 with the implementation of Euro 6b. Within the first three years of this introduction it is allowed to apply a higher limit value of 6×10

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/km at the manufacturer’s request. Eventually it will be mandatory for all to apply 6×10

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/km effective from 09/2017 (Euro 6c).

Since most of GDI particles are formulated during cold start phase as well as during catalyst heating mode, the injection system including injection operating program (e.g. number of injections, timing and amount), has been further developed in order to improve air fuel mixture at cold start phase. As a result, currently some of the latest GDI vehicles can achieve 6×10

11

/km during NEDC by internal engine measures such as improved mixture homogenization and minimized amount of injected fuel striking the walls to avoid the formulation of particles during the combustion.

Philipp Kattouah, K. Kato, D. Thier, E. Ohara, C. D. Vogt, Y. Ito, T. Shimoda, T. Aoki, Y. Shibagaki, K. Yuuki, H. Sakamoto

Wechselwirkung Rohemissionen und Verbrauch: Folgen für die Abgasnachbehandlung

Bisher wurden für Personenkraftwagen eher niedriglastige Zyklen zur Ermittlung von Kraftstoffverbrauch und Emissionen herangezogen. Dies hatte zu Folge, dass die Entwicklungsschwerpunkte in der Vergangenheit massiv darauf konzentriert wurden, in diesen eher schwachlastigen Zyklen möglichst verbrauchsgünstig und unauffällig im Emissionsverhalten zu sein.

Die gesetzlichen Regularien diesbezüglich ändern sich derzeit maßgeblich, sowohl in Europa und als auch in weiten Teilen der restlichen Welt. Von den Zulassungsbehörden werden erheblich dynamischere Testzyklen, wie z.B. der WLTC-Zyklus, geplant und eingeführt.

Rein in Bezug auf die Emissionsgesetzgebung geht der Gesetzgeber auch noch einen Schritt weiter und fordert in Zukunft die Einhaltung der Schadstoffgrenzwerte nicht nur innerhalb der vorgeschriebenen Fahrzyklen, sondern auch im gesamten Betriebsspektrum des Fahrzeugantriebs. Diese Real-Driving-Emissions (RDE) sollen nach aktuellen Planungen mit im Fahrzeug mitzuführenden Messstationen (sog. PEMS) ermittelt werden.

Hermann Rottengruber, Eike Christian Todsen

Motornahe Kompaktsysteme – die Katalysatortechnik der Zukunft für Pkw und Nutzfahrzeuge

Zukünftig wird die Effektivität der Katalysatoren für mobile Anwendungen nicht nur bei der Zertifizierung auf dem Prüfstand sondern auch im realen Betrieb überprüft werden.

Ob mit PEMs (Portable Emission Measurement Systems) oder auf dem Prüfstand in sogenannten ″Random Cycles″ müssen alle Abgasnachbehandlungssysteme neben den Zertifizierungstests auch die ″Real Driving Emission″ (RDE) einhalten. Damit ergeben sich neue Herausforderungen.

Moderne Motoren, insbesondere Dieselmotoren, zeichnen sich aufgrund ihrer hohen Effektivität vor Allem im Niederlast Stadtbetrieb durch sehr niedrige Abgastemperaturen aus. Da sowohl für die Oxidation der Kohlenwasserstoffe (HC), des Kohlenmonoxids (CO) als auch für die Reduktion der Stickoxide (NO

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) und die Aufbereitung des Reduktionsmittels AdBlue Temperatur zwingend notwendig ist müssen Maßnahmen zum Temperaturmanagement ergriffen werden.

Diese Maßnahmen sollen im Idealfall die Verbrauchswerte des Fahrzeugs und damit die CO

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Emissionen nicht verschlechtern. Damit stellt sich die Aufgabe für die Abgasnachbehandlung das Temperaturmanagement zu unterstützen bzw. die Abgasanlage so zu konstruieren dass Temperaturverluste minimiert werden.

Angefangen bei den PKW Anwendungen werden, mit Schwerpunkt auf die Stickoxidnachbehandlung bei Dieselmotoren, neue motornahe Katalysatorkonzepte auch für den Nutzfahrzeugbereich vorgestellt.

Rolf Brück

Model-based development of combustion-engine control functions

The increasing economic and ecologic requirements to reduce fuel consumption and emissions, and to provide detailed diagnosis functions are strong challenges for the further development of internal combustion engines. Many basic improvements are reached by basic design measures like multiple injections, mixture formation, charging, combustion methods, exhaust gas after-treatment, and in general downsizing. A significant part of the progress is reached by an increase of variabilities like, e.g. adjustable pre-, main- and post-injections, variable rail pressure, adjustable exhaust-gas recirculation and variable turbochargers. These higher variabilities result in an increase of actuators and additional sensors, like for example the air excess factor λ, NO

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, charging pressure, combustion pressure, and exhaust-gas temperatures. As a consequence the structure and the control functions of the electronic control unit (ECU) become rather complex and need a model-based design with physical-based and experimentally gained mathematical models.

This contribution briefly describes ways and methods from test bench measurements to model-based design of multi-variable control functions and shows some examples for the model-based control of a turbocharged diesel engine and the model-based fault diagnosis of a VGT turbocharger system.

Rolf Isermann, M. Kowalczyk

Engine management systems and powertrain management systems for 2020 and beyond

Since internal combustion engines (ICE) will continue to be the core element of powertrains of vehicles for the next 20 years, development of technologies for diesel and gasoline engines for increased combustion engine efficiency (like new injection systems, valve controls, cylinder deactivation) and electrification and hybridization of powertrains will go on with increased priority.

Worldwide harmonized test cycles, off-cycle emission requirements and the consumers’ desires for individual mobility and regional market needs for further CO

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- and emissions reduction will have to be taken into account appropriately.

The requirements scenario will be answered by different future technology proposals for gasoline and diesel engine management systems, embedded in Continental’s future powertrain management platform EMS3 with different degrees of hybridization as options.

The holistic EMS3 platform approach helps by its modular structure to manage the variety and complexity of different engines, electric motors and powertrains of the various vehicles of the OEMs in a highly efficient way.

Hong Zhang, Friedrich Kapphan, Erwin Achleitner, Hervé Dupont

Further improvement potentials for heavy-duty diesel engines with ultra high injection pressure under transient operation

Die Erfüllung der Emissionsgrenzwerte hat in den letzten Jahren die Rahmenbedingungen für die Auslegung von Nutzfahrzeugmotoren vorgegeben. Neue Motoren wurden entwickelt, die zusätzlich zu den Emissionsanforderungen auch noch hohe spezifische Leistungen möglich gemacht haben. Die thermische Belastung und auch die Spitzendrücke der Motoren sind kontinuierlich gestiegen.

Der zukünftige Fokus auf weitere signifikante Kraftstoffverbrauchsreduktion, wird, neben weiterer Optimierung der Grundmotoren, eine gesamtheitliche Betrachtung der Antriebsarchitektur unter Einbeziehung der Motor und Getriebekonzepte erfordern.

Dirk Queck, Olaf Erik Herrmann

Kraftstoffeffizienz als Herausforderung zukünftiger Nutzfahrzeugantriebe

Compliance with emission regulations had set the boundary conditions for the layout of commercial engines in recent years. New engines had been developed, providing significantly increased power density beside conformance to emission limits.

The future focus on further significant reduction in fuel consumption requires a holistic view of the commercial powertrain architecture including engine and transmission concepts beside further optimization of the base engines.

Downspeeding is a promising approach, particularly for engines in the long-haul sector, whereby the operating range of the engines is being pushed to lower engine speeds. In order to ensure sufficient climbing ability and drivability in lower gears, the torque characteristic of future engines must be adapted. The combination with a power shift transmission, particularly a double-clutch transmission is necessary or at least beneficial.

In the definition of new Heavy Duty engines special attention has to be given on the increasing mechanical and thermal loads on the engine structure, on one hand to reduce the engine weight by a light weight design approach, on the other hand to achieve the complete fuel reduction potential by friction optimisation.

At the same time cost reduction at the base engine is a premise, in order to at least partially compensate the increasing technology cost of the additional powertrain components. This leads to high requirements on the engine manufacturing strategy, accompanied with the need to consider a large variety of variants in unpredictable volume splits.

Accurate concept evaluation and optimisation, supported by state of the art CAEtools, provide further potential for friction reduction at the base engine, in particular in the areas cylinder running surface and crankshaft bearings.

An even larger friction reduction potential is to be expected in future by further development of surface coating technologies, although their current cost level partially still reflects low volume production methods.

Further improvements are available by application of additional technologies, such as on-demand controlled pumps and auxiliaries, or thermal management.

Wolfgang Schöffmann, Helfried Sorger, Georg von Falck, Kurt Schmidleitner, Heimo Schreier, Georg Biegelbauer

Optimizing combustion in an opposed-piston, two-stroke (OP2S) diesel engine

This study examines how Achates Power has developed the optimal combustion system for its OP2S engine through the:

● Experimental selection and identification of the best performance within the required limits for piston temperatures that are designed for modern, heavy-duty engine durability requirements

● Correlation of combustion computational fluid dynamics (CFD) to single-cylinder engine measurement results and determination of the right merit function with regard to fuel consumption, emissions and heat rejection

● Use of Genetic Algorithms (GAs) in CFD to iterate the combustion system of an OP2S engine within the available design space in order to further enhance performance

The study also provides an overview of the latest Achates Power engine performance and emissions results versus published data from the Ford Power Stroke benchmark engine. That data demonstrates best brake thermal efficiency of 48.3 percent, an increase of seven percentage points over the Ford engine. It also shows a very flat fuel map, which results in a 24 percent brake-specific fuel consumption reduction.

Finally, the study briefly highlights some of the fundamental OP2S advantages including

● Favorable surface-to-volume ratio

● Leaner combustion

● Shorter and earlier combustion

Gerhard Regner, John Koszewnik, Rishikesh Venugopal

Rußfilter oder Aschefilter? – Grundsatzuntersuchungen zur Filtration des Abgases von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren

Das Verständnis der sog. Ascheproblematik in Dieselpartikelfiltern ist eine wesentliche Herausforderung bei der Dimensionierung des Partikelfilters für die Anwendung zur Abgasnachbehandlung in Nutzfahrzeugen. Es ist bekannt, dass die Ascheablagerungen in Partikelfiltern hauptsächlich durch anorganische Bestandteile des Motoröls bedingt sind. Die wirtschaftliche Auslegung des Partikelfilters erfordert eine periodische Entfernung der Asche aus den Partikelfiltern nach einer (herstellerspezifischen) Laufleistung ab etwa 270.000km. Zur Entfernung von Asche aus Partikelfiltern haben sich Verfahren der Rückspülung mit einem Fluid etabliert. Druckluftbasierte Reinigungsverfahren liefern gute Reinigungsergebnisse, die aber nicht immer reproduzierbar zuverlässig erreicht werden können. Eine Verbesserung des Reinigungserfolgs kann durch die Rückspülung der Filter mit Flüssigkeit erzielt werden. Dabei kann ein maximaler Reinigungserfolg dann erzielt werden, wenn eine auf die Aschezusammensetzung abgestimmte Reinigungslösung verwandt wird. Damit ist die nahezu vollständige Entfernung von Asche aus Partikelfiltern wiederholbar möglich. Letztlich bleibt die Vision eines Schmieröls ohne anorganische Bestandteile. Die Ascheproblematik würde sich deutlich einfacher darstellen. Die Auslegung von Partikelfiltern für die Anwendung zur Abgasnachbehandlung in Nutzfahrzeugen wäre als Lebensdauerbauteil ohne die Notwendigkeit einer aufwändigen Reinigung des Filters möglich.

Uwe Gärtner, Achim Dittler

Cost-effective emissions solutions for China CN IV and India BS IV commercial vehicles

Heavy and medium duty on-highway commercial vehicles complying to Euro IV exhaust emissions legislation were first introduced into the European market in 2006. At the initial introduction, two main technology solutions were followed:

1) Exhaust Gas Recirculation (EGR) with use of a particulate filter

2) Selective Catalytic Reduction (SCR)

Both systems have their advantages and disadvantages and have since been delivered in large numbers to the emissions leading markets.

However, in 2014, many of the major developing markets are still working towards implementing these emissions standards or their equivalent. The final introduction into China (CN IV) and India (BS IV) has met with several delays. The reasons for these delays are numerous but the major factors are the nationwide availability of suitable fuel, AdBlue and the costs of the after treatment and control systems required to meet Euro IV based norms in comparison to previous exhaust emissions limits.

For compliance with Euro III equivalent emissions legislation, fuel with a sulphur level of less than 350 ppm is required, for Euro IV equivalent the fuel sulphur content requirement reduces to less than 50 ppm.

The investment required to deliver fuel with reduced sulphur content has been delayed in many markets, but in the recent months it has been seen that availability of low sulphur fuel has been increasing in both the Chinese and Indian markets. Notable is the rate of increased availability in China where 50 ppm fuel is planned to be nationally available from the end of 2014. This is perhaps in reaction to the severe smog that made international news during winter 2012/ 2013 and has reoccurred during this winter. It is therefore expected that the roll-out of the revised fuel standard and emission legislation will finally take place in the near future.

Richard Judge, David Needham, Kenneth Smith

Off-highway technology trends: strategies for Tier 4 Final / Stage 4 and beyond

This paper compares and contrasts the technology strategies for Tier 4 Final / Stage 4 off-highway emissions standards, focussing on the various combinations of EGR and SCR for NOx reduction. The importance of a low soot combustion system is emphasised as an enabler for low engine out NOx. In the case of higher EGR rates, very high injection pressures are shown to be beneficial.

The significance of the anticipated Stage V Particle Number (PN) limit is discussed. Results from a test programme with and without DPF, including the effect of very high injection pressures, are reviewed.

Legislation on Green House Gases or fuel consumption in the USA, Japan and other areas will soon be introduced for heavy duty, on-highway engines and vehicles. The resulting development of new technology for CO

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reduction for on-highway engines is reviewed and its potential impact on the off-highway engine market is considered.

Christian Hörter, Chris Such, Andrea Trevisan, Andrew Noble

Modellbasierte Bedatungsmethodik für moderne On- und Off-Highway- Motoren

The complexity of engines and aftertreatment systems increased considerably with implementation of the emission standards Euro VI for on-highway commercial vehicles and EU Stage 4 for off-highway mobile machinery. The requirement to achieve the emission legislation while maintaining or improving fuel consumption and guaranteeing high robustness poses a high demand on the selection and optimization of components, the development of control algorithms as well as on the calibration process. In addition, there is a high variety of variants for different vehicles and machines for which an optimal setting needs to be found. A high amount of testing hours on the engine dyno and test equipment is necessary with conventional methods. Especially calibration for extreme conditions as high altitude, cold and warm climate require cost-intensive special test facilities or vehicle/machine testing.

Model-based calibration methods offer an answer to these challenges. Data-based and physically-based models can be used in an efficient way to create base calibrations that have to be only fine-tuned by engine dyno or vehicle testing. The model-based calibration process also offers the possibility to create more robust data sets for certain functionalities. While the reduction of development time is a general goal, the focus of the model based calibration process is on the reduction of testing time as well as on improved robustness.

In this article, the model-based calibration process with its corresponding tools will be presented. The methodology will then be further discussed with three examples for calibration tasks for on- and off-highway engines and aftertreatment systems.

Peter Eckert, Reza Rezaei, Lars Henning

Development trends in heavy-duty diesel engines

Heavy duty diesel engines will be heavily influenced by the upcoming EU and EPA CO

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limits. In parallel, manufacturers need to control the cost of hardware and find ways to reduce the cost of operation at the customer side.

Karl Viktor Schaller

Potential of the combustion engine to reach future CO2 emissions

Within the upcoming emission legislations, engine exhaust pollutants and the fuel consumption respectively CO

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emissions will become more stringent worldwide. Since there is typically a trade-off between reducing tailpipe pollutants and the car’s fuel efficiency meeting both limits simultaneously will be challenging. However, the CO

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- saving potential of both gasoline and diesel engines is not outbid yet but further improving the engines efficiency will require an accurate balancing of their benefits and costs.

For all types of engines thermal management and friction reduction will be in the main focus for all segments. Efficient exhaust gas aftertreatment systems will be a key measure for reducing CO

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-emissions and pollutants particularly for diesel engines. Additionally, engine hardware measures as e.g. variable valve timing and valve lift will be introduced and combined high- and low-pressure exhaust gas recirculation will be used more frequently. Another potential for engine optimization is in coupling of different technologies, e.g. 2-stage turbo-charging in combination with a gearbox featuring a wider gear spread for load point shift into more favourable regions. For spark ignited engines there will be an increase of engines equipped with valve train variability in order to utilize Miller- and Atkinson cycles for de-throttling the engine. At high and full load operation recirculation of cooled exhaust gas can reduce the knock tendency giving the potential to further increase the compression ratio and thus the thermal efficiency at part load operation. By utilizing a variable compression ratio high efficiency at part load can be achieved while simultaneously not sacrificing power output at full load. Further, this technology enables to fully exploit the potential of fuels with high knock resistance and stretch the operational area of unconventional combustion processes as e.g. controlled auto ignition. For both types of engines different fuels help meeting the emission limits as well. E.g., compressed natural gas (CNG) is an interesting fuel candidate for SI engines since it features a very high knock resistance on the one hand and a higher hydrogen to carbon ratio on the other hand.

Stefan Pischinger, Benedikt Heuser
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