Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

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3.5 Verbrauchspotenziale 105

Insbesondere der Antriebstrang mit dem zum Einsatz kommenden Getriebe

stellt grundsätzlich einen weiteren Freiheitsgrad dar, den Kraftstoffverbrauch zu

beeinflussen sowie die Charakteristik des Motors entsprechend auszulegen. Dieser

Sachverhalt gilt im Besonderen für Downsizing-Konzepte, die beispielsweise im

Anfahr- und im instationären Betriebsverhalten prinzipbedingte Schwächen im

Vergleich zu großvolumigen Saugmotoren aufweisen.

Die Analyse unterschiedlicher Verbrauchsszenarien im jeweiligen Fahrzyklus

liefert detaillierte Erkenntnisse, welche motor- oder getriebeseitigen Maßnahmen

zur weiteren Senkung des Kraftstoffverbrauchs zielführend sind. Dabei ist z.B. die

folgende Unterscheidung möglich:

x Verbrauch entsprechend dem Energieäquivalent

x Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses

x Wirkungsgrad im Bestpunkt des realen Motorkennfeldes

x Verbrauchsoptimale Getriebestufung ohne Verluste im Antriebstrang

x Reales Getriebe

Weitere Szenarien sind denkbar. Der Kraftstoffverbrauch entsprechend dem

Energieäquivalent berücksichtigt allein die zur Überwindung der Fahrwiderstände

am Rad nötige Leistung und beinhaltet damit nicht die Leerlaufphasen des jewei-

ligen Fahrzyklus´. Wird der Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses unter Ver-

wendung der realen geometrischen Verdichtung sowie des realen Luftverhältnis-

ses eingesetzt, so erhält man den motorisch minimal möglichen Kraftstoff-

verbrauch.

Mit Berücksichtigung der relevanten thermodynamischen und mechanischen

Verluste des ausgeführten Motors ergibt sich der Kraftstoffverbrauch, der bei

einem verlustlosen Antriebstrang und einem Betrieb ausschließlich im Bestpunkt

des Motors möglich ist. Die verbrauchsoptimale Getriebestufung berücksichtigt

bereits die vom Betriebspunkt abhängigen, spezifischen Kraftstoffverbräuche und

trägt damit dem Umstand Rechnung, dass ein Fahrbetrieb in einem einzigen Be-

triebspunkt praktisch nicht möglich ist. Die Betriebslinie im Motorkennfeld ver-

läuft bei der verbrauchsoptimalen Getriebestufung durch die Punkte, in denen sich

die Linien konstanter Motorleistung mit den Isolinien des spezifischen Kraftstoff-

verbrauchs (sogenannte Muschelkurven) kreuzen.

Die Form bzw. Lage der entsprechenden Motorbetriebslinie wird durch die La-

ge der Muschelkurven bestimmt und erfordert eine ständige, stufenlose Anpassung

der Übersetzung für unterschiedliche Fahrgeschwindigkeiten. Sofern ein reales

Getriebe verwendet wird, spiegelt der resultierende Kraftstoffverbrauch die ge-

samten Verluste im Antriebsstrang, die endliche Anzahl der Übersetzungsstufen

sowie den Kompromiss aus Kraftstoffverbrauch und Beschleunigungsreserve

wider. Abb. 3.28 verdeutlicht die letzten drei Punkte der Verbrauchsszenarien im

realen, motorischen Verbrauchskennfeld am Beispiel eines direkteinspritzenden,

turboaufgeladenen Pkw-Dieselmotors. Während die verbrauchsoptimale Getriebe-

abstufung ausschließlich vom Motorkennfeld abhängig ist, wird die Lage der

Betriebspunkte innerhalb des Fahrzyklus (NEFZ) in hohem Maße von den fahr-

zeugspezifischen Parametern beeinflusst.

106 3 Downsizing

Abb. 3.28. Kraftstoffverbrauchsszenarien im realen Motorkennfeld

Ansatzweise ist das Potenzial, das aufgeladene Motoren hinsichtlich des Kraft-

stoffverbrauchs im NEFZ bieten, bereits bei aktuellen Motoren zu erkennen. In

Abb. 3.29 ist der auf die Fahrzeugmasse und die Nennleistung bezogene Kraft-

stoffverbrauch aktueller Pkw mit Ottomotoren in Deutschland dargestellt.

Abb. 3.29. Auf die Fahrzeugmasse und die Nennleistung bezogener Kraftstoffverbrauch

von aktuellen Pkw mit Ottomotoren (NEFZ)

3.5 Verbrauchspotenziale 107

Untersucht wurden etwa 960 Motoren. Die Trendlinie der aufgeladenen Moto-

ren liegt entlang aller massebezogenen Fahrzeugklassen unterhalb der Trendlinie

der freisaugenden Ottomotoren. Dies gilt, obwohl derzeitige Turbo- oder mecha-

nisch aufgeladene Motoren häufig als Leistungsvarianten bestehender Saugmotor-

Baureihen angeboten werden und damit die Verbrauchssenkung nicht oberstes

Ziel ist. Der Zusammenhang gilt in qualitativer Form ebenfalls für den Fall, dass

der bezogene Kraftstoffverbrauch über der Motorleistung aufgetragen wird, sodass

sich hier – trotzdem z.T. sehr unterschiedliche, motorische Ausführungsformen

miteinander verglichen werden – ein eindeutiger Trend zeigt, der allerdings quan-

titativ nur sehr bedingt aussagekräftig ist. Bei konsequentem Einsatz der Erkennt-

nisse zum Downsizing lässt sich ein noch deutlich größerer Anteil des Potenzials

zur Verbrauchssenkung ausschöpfen.

Um auch Aussagen zur absoluten Größenordnung der Verbrauchssenkung

durch Downsizing treffen zu können, sind detailliertere Betrachtungen erforder-

lich, zumal der reale Wirkungsgrad von zahlreichen weiteren Einflussparametern

abhängig ist.

3.5.2 Vergleich unterschiedlicher Motorkonzepte

Der in Abb. 3.29 dargestellte Status aktueller Motoren liefert einen ersten Hinweis

darauf, dass die Aufladung prinzipiell praktisch nutzbare Vorteile zur Verbrauchs-

senkung ermöglicht. Um abschätzen zu können, welche Kraftstoffverbrauchsein-

sparungen durch Downsizing-Konzepte tatsächlich realisierbar sind, soll daher im

Rahmen dieses Abschnittes ein Vergleich unterschiedlicher Ottomotoren-

Konzepte durchgeführt werden. Da Dieselmotoren heute nahezu ausschließlich

mit Abgasturboaufladung und Direkteinspritzung angeboten werden und sich

Downsizing beim Selbstzünder als sinnvolles und geeignetes Maßnahmenpaket

herausgestellt hat, erfolgt kein separater Vergleich von Dieselmotoren unter-

schiedlicher Leistungsdichte.

Hierbei sei angemerkt, dass der absolute Kraftstoffverbrauch neben dem Mo-

torkonzept in beträchtlichem Ausmaß von dem zu Grunde liegenden Fahrzyklus

sowie dem eingesetzten Fahrzeug und der Getriebecharakteristik beeinflusst wird.

Diese Parameter bestimmen die Lage der Betriebspunkte im Motorkennfeld und

damit die spezifischen Verbräuche. Hinsichtlich der Getriebeabstufung ist speziell

in den unteren Gängen stets ein Kompromiss zwischen der Zugkraft am Rad –

diese bestimmt das Anfahrverhalten – und dem Kraftstoffverbrauch zu finden.

Fahrzeug und Motorvarianten

Basisfahrzeug ist ein Kompaktwagen der Fahrzeug-Klasse C (VW Golf) mit ei-

nem 5-Gang-Getriebe. Um ähnliche Fahrleistungen erzielen zu können, ist eine

Anpassung des Getriebes an den jeweiligen Motor erforderlich. Dabei ist der 5.

Gang möglichst lang übersetzt, sodass die Fahrleistungslinie den Bereich des

Nennleistungspunktes kreuzt. Der 1. Gang wird durch das Anfahrverhalten bzw.

die Zugkraft am Rad bestimmt, während die übrigen Gänge progressiv gestuft

108 3 Downsizing

sind. Der im instationären Motorbetrieb verzögerte Ladedruckaufbau von turbo-

aufgeladenen Varianten kann eine noch kürzere Übersetzung des ersten Ganges

erforderlich machen. Die vorliegende Untersuchung beschränkt sich jedoch auf

den stationären Betrieb. Der Vergleich erfolgt auf Basis realer Verbrauchskenn-

felder moderner 4-Zylinder-Ottomotoren. Folgende Motorenkonzepte wurden

untersucht:

x Saugmotor mit Direkteinspritzung und luftgeführtem Schichtlade-

konzept („BDE-Saugmotor“)

x Direkteinspritzung mit Abgasturboaufladung, Homogenkonzept,

mäßig aufgeladen („BDE-Turbo“)

x Direkteinspritzung mit Abgasturboaufladung, Homogenkonzept,

hochaufgeladen, Konzeptstudie („BDE-Hochlast-Turbo“)

x Saugrohreinspritzer, mechanisch aufgeladen („SRE-Kompressor“)

x Saugmotor mit Saugrohreinspritzung, Hochdrehzahlkonzept („SRE-

Hochdrehzahl“)

Tabelle 3.1 gibt einen Überblick über die wichtigsten Daten der untersuchten

Motoren. Bis auf das Hochlast-Konzept (BDE-Hochlast-Turbo) handelt es sich bei

den betrachteten Aggregaten um Serienmotoren. Sie weisen damit einen gewissen

Reifegrad auf. Das Hochdrehzahl-Aggregat wurde in Bezug auf die Reibungsver-

luste für die Serie modifiziert und weist daher vergleichsweise günstige

Kraftstoffverbräuche auf. Die Motoren wurden hinsichtlich des Hubvolumens

skaliert, sodass eine gleiche Nennleistung von

Nenn

= 130 kW erreicht wird. Diese

für einen Kompaktwagen vergleichsweise hohe Leistung wurde gewählt, um einen

möglichst kleinen Skalierungsfehler realisieren zu können.

Tabelle 3.1. Kennwerte der untersuchten Motoren

Motor P

Nenn

[kW]

[cm

]

[ - ]

Nenn

[kW/dm

]

me,max

[bar]

5,ges

[ - ]

V,max

[1/min]

Kenn-

feld

BDE-

Saugmotor

130 2.345 11,5 55,44 12,70 3,040 5.800 [GRI02]

BDE-Turbo 130 1.780 10,5 73,47 18,20 2,778 5.300 [KRE04]

BDE-Hochlast-

Turbo

135,8 1.672 10,5 81,20 25,12 2,306 4.400 [FRE02]

SRE-

Kompressor

130 1.948 9,5 66,74 16,90 2,725 5.200 [MIK02]

SRE-

Hochdrehzahl

130 1.634 11 79,54 12,08 4,350 8.300 [FEV99]

Sofern das skalierte Hubvolumen größer ist als das ursprüngliche Hubvolumen

des Motors (BDE-Saugmotor, SRE-Kompressor), liegen die realen, spezifischen

Verbräuche eher etwas unterhalb der im Kennfeld angegebenen Werte. Ursache

hierfür sind geringere thermodynamische und Reibungsverluste aufgrund des mit

3.5 Verbrauchspotenziale 109

steigendem Hubvolumen günstigeren Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und

des geringeren Einflusses der Nebenaggregate auf die mechanischen Verluste. Die

Motoren mit einem Skalierungsfaktor kleiner eins (restliche Motoren) sind real

durch etwas höhere Kraftstoffverbräuche charakterisiert als die entsprechenden

Originalmotoren. Dieser Einfluss kann in der Summe nur schwer quantifiziert

werden, sollte jedoch trotzdem bei der Analyse Berücksichtigung finden. Die

stationären effektiven Volllast-Mitteldrücke der Motoren in Abhängigkeit der

Drehzahl sowie die spezifischen Leistungen und Drehmomente zeigt Abb. 3.30.

Infolge der Direkteinspritzung erreicht der Saugmotor Leistungsdaten, die auf dem

Niveau sehr guter Saugrohreinspritzer liegen.

Abb. 3.30. Effektive Volllast-Mitteldrücke und Leistungskennwerte der untersuchten Mo-

toren

Das Hochlast-Downsizing-Konzept verfügt über einen für Ottomotoren ver-

gleichsweise hohen maximalen Mitteldruck von über 25 bar. Es weist infolge des

nahezu gleichen Hubvolumens in etwa die gleiche spezifische Leistung von ca. 80

kW/dm

auf wie das Hochdrehzahlkonzept. Der Verlauf des Volllast-

Drehmomentes ist darüber hinaus dem Verlauf moderner Dieselmotoren sehr

ähnlich, wobei das nutzbare Drehzahlband jedoch um etwa 50% größer ist als

beim Dieselmotor. Aufgrund des fast plateauartigen Leistungsverlaufes im oberen

Drehzahlbereich kann das Hochlast-Konzept im Interesse niedriger Kraftstoff-

verbräuche im höchsten Gang sehr lang übersetzt werden, ohne dass zu große

Einschränkungen in Bezug auf die Zugkraft am Rad in Kauf genommen werden

müssen. Bis auf das Hochdrehzahlkonzept erreichen alle Motoren die Höchstge-

schwindigkeit von etwa 227 km/h bei einer Drehzahl unterhalb von 6.000 1/min.

110 3 Downsizing

Spezifischer Kraftstoffverbrauch ausgewählter Betriebspunkte

Die spezifischen effektiven Kraftstoffverbräuche der untersuchten Motoren liegen

in der unteren Hälfte des FEV-Streubandes, sodass die Aggregate durchaus mo-

derne Ausführungen von Ottomotoren darstellen, siehe Abb. 3.31. Während sich

die Motorkonzepte im Bestpunkt (Wirkungsgradoptimum) nur geringfügig von-

einander unterscheiden, treten beim klassischen Teillastbetriebspunkt mit

2.000 min

-1

/ 2 bar doch beträchtliche Differenzen in den spezifischen Verbräu-

chen auf. Der moderne direkteinspritzende Ottomotor kann bei diesem Betriebs-

punkt infolge der möglichen Schichtladung nahezu voll entdrosselt gefahren wer-

den und erreicht daher einen spezifischen Verbrauch von 330 g/kWh. Da das

Streuband nur Motoren mit stöchiometrischem Homogenbetrieb beinhaltet, liegt

der Verbrauch des BDE-Saugmotors außerhalb des Streubandes.

Abb. 3.31. Spezifische Kraftstoffverbräuche im Teillastbereich [GRE04, LÜC04]

Der mechanisch aufgeladene Saugrohreinspritzer weist aufgrund des niedrigen

Verdichtungsverhältnisses und der bereit zu stellenden Antriebsenergie für den

Kompressors einen signifikant höheren Kraftstoffverbrauch von 437 g/kWh auf.

Die BDE-Turbo und SRE-Hochdrehzahlkonzepte liegen mit 375 g/kWh gleichauf,

und die BDE-Hochlast-Turbo-Konzeptstudie ist mit einem spezifischen Verbrauch

von 400 g/kWh ebenfalls vergleichsweise weit vom BDE-Saugmotor entfernt.

Interessant ist nun ein Vergleich der spezifischen Kraftstoffverbräuche im Teil-

und Volllastbetrieb, wenn leistungsgleiche Betriebspunkte bei gleichen Drehzah-

len betrachtet werden, Abb. 3.32. Das luftgeführte Brennverfahren des BDE-

Saugmotors sowie das Hochdrehzahlkonzept erzielen mit 330 bzw. 325 g/kWh die

geringsten Teillastverbräuche im Betriebspunkt 3.000 min

-1

/ 3 bar.

3.5 Verbrauchspotenziale 111

Abb. 3.32. Kraftstoffverbrauchswerte ausgewählter Motorbetriebspunkte

Erwartungsgemäß ist der mechanisch aufgeladene Saugrohreinspritzer auch

hier mit einem Wert von 375 g/kWh weit abgeschlagen. Die turboaufgeladenen

Varianten liegen dazwischen.

Ein Vergleich der Verbräuche bei gleichem Drehmoment von 56 Nm – dieses

Drehmoment entspricht beim BDE-Saugmotor einem effektiven Mitteldruck von 3

bar – zeigt nun den eigentlichen Vorteil des Downsizing auf: die Verlagerung des

Betriebspunktes in wirkungsgradgünstigere Bereiche. Das gilt sowohl für die

turboaufgeladenen Motoren als auch in diesem Betriebspunkt für den hochdrehen-

den Saugmotor. Der mechanisch aufgeladene Motor weist auch hier noch einen

konzeptbedingten Nachteil auf. Je höher der Drehmomentbedarf bei konstanter

Drehzahl jedoch ist, desto wirkungsvoller kommt der Downsizing-Effekt zum

Tragen und desto größer wird der Kraftstoffverbrauchsvorteil von aufgeladenen

Motoren. Das Hochlastkonzept weist bei den betrachteten Betriebspunkten zwar

stets höhere Verbräuche auf als die konventionelle Turbo-Variante, allerdings

bietet dieses Downsizing-Konzept aufgrund der Drehmomentcharakteristik die

Möglichkeit einer vergleichsweise langen Getriebeübersetzung, sodass der Ge-

samt-Wirkungsgrad im praktischen Fahrbetrieb von allen Motor-Konzepten am

höchsten ist, wie die Analyse im NEFZ zeigt. Diesem Sachverhalt muss besondere

Beachtung zuteil werden, da das Hochlast-Turboaggregat noch Konzept-Charakter

aufweist und damit nicht in allen Bereichen optimiert ist. Die zur Darstellung der

hohen Mitteldrücke erforderlichen Ladedrücke können beispielsweise durch leis-

tungsfähigere Aufladesysteme (z.B. zweistufige, geregelte Aufladung) mit deut-

lich geringeren Abgasgegendrücken bzw. höheren Aufladewirkungsgraden und

damit in der Summe günstiger hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades realisiert

werden.

112 3 Downsizing

Realer Kraftstoffverbrauch im NEFZ

Für den praktischen Fahrbetrieb sind die spezifischen Kraftstoffverbräuche einzel-

ne Motorbetriebspunkte weniger aussagekräftig, da hierbei keine Informationen

über das Getriebe sowie das Fahrzeug, in dem sich der Motor befindet, berück-

sichtigt werden. Der sich im realen Fahrbetrieb einstellende Kraftstoffverbrauch

wird in bedeutendem Maß auch von der Getriebeabstufung, vom Wirkungsgrad

des gesamten Antriebsstranges sowie vom Fahrzyklus beeinflusst

Für den Europäischen Markt gilt der Neue Europäische Fahrzyklus (NEFZ)

bzw. New European Driving Cycle (NEDC), der sich aus einem vier mal zu

durchfahrenden Stadtfahrzyklus und einem außerstädtischen Fahrzyklus zusam-

mensetzt. Der Fahrbetrieb auf der Autobahn mit hohen Geschwindigkeitsanteilen

wird durch den NEFZ jedoch nicht abgedeckt. Die in diesem Fahrzyklus durchzu-

führenden Kraftstoffverbrauchs- und Emissionsmessungen umfassen Konstant-

fahrten inklusive Schaltphasen (Zeitanteil: 40,3%), Beschleunigungen (20,9%),

Verzögerungen (15,1%) sowie Leerlaufphasen (23,7%). Aufgrund des beträchtli-

chen Zeitanteils im Leerlauf geht der Leerlaufverbrauch mit hoher Gewichtung in

den gesamten Kraftstoffverbrauch ein.

Den vorgeschriebenen Geschwindigkeits-Zeit-Verlauf zeigt Abb. 3.33. Inner-

halb der gesamten Zyklusdauer von 1.180 s wird eine Fahrstrecke von 11.007 km

gefahren. Neben den genauen Schaltzeitpunkten sind auch die Beschleunigungs-

und Verzögerungsphasen exakt vorgeschrieben.

Abb. 3.33. Neuer Europäischer Fahrzyklus (NEFZ)

In Abb. 3.34 sind die Verbrauchskennfelder der untersuchten Motorkonzepte

mit den Fahrwiderstandslinien des 5. Ganges dargestellt. Darüber hinaus ist der

Bereich, in dem die Betriebspunkte des Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ)

bei Konstantfahr- und Beschleunigungsphasen liegen, grau hinterlegt. Der 5. Gang

als niedrigste Übersetzungsstufe ist dabei so ausgelegt, dass die Fahrwiderstands-

linie den Nennpunkt kreuzt bzw. in unmittelbarer Nähe des Nennpunktes verläuft.

3.5 Verbrauchspotenziale 113

Abb. 3.34. Kennfelder der untersuchten Motorkonzepte

Diese Getriebeabstufung ist stark von dem Verlauf der stationären Volllastlinie

abhängig. Das BDE-Hochlast-Turbo-Konzept erlaubt aufgrund des im oberen

Drehzahlbereichs fast plateauartigen Leistungsverlaufs eine sehr lange Überset-

zung mit entsprechenden positiven Auswirkungen auf den Kraftstoffverbrauch,

ohne allzu große Nachteile im Beschleunigungsverhalten in Kauf nehmen zu müs-

sen. Die Beschleunigungsreserve wird bei stationärer Betrachtung durch den ver-

114 3 Downsizing

tikalen Abstand der jeweiligen Fahrwiderstandslinie zur Volllastlinie quantifizier-

bar.

Aus den Kennfeldern wird deutlich, dass nur die beiden turboaufgeladenen Mo-

torvarianten im NEFZ spezifische Kraftstoffverbräuche unterhalb von 245 g/kWh

erreichen. Das BDE-Hochlast-Turbo-Konzept ist darüber hinaus in der Lage, diese

günstigen Verbräuche über einen größeren Drehzahlbereich beizubehalten. Die

anderen Motorkonzepte liegen z.T. deutlich darüber. Da die zur Verfügung ste-

henden Verbrauchskennfelder keine Informationen über den Leerlaufverbrauch

beinhalten, dieser jedoch einen vergleichsweise großen Zeitanteil aufweist, wurde

für alle Motoren ein Leerlaufverbrauch von 1,6 Liter pro Stunde angenommen.

Der Wirkungsgrad des Antriebsstranges (Antriebswellen, Lager, Differenzialge-

triebe, Stufengetriebe etc.) wurde mit 88,2 % beziffert. Abb. 3.35 stellt die NEFZ-

relevanten Kraftstoffverbräuche der untersuchten Motorkonzepte gegenüber.

Abb. 3.35. Resultierende Kraftstoffverbräuche im NEFZ für ein Fahrzeug der Klasse C

Vergleichsbasis ist der BDE-Saugmotor, der aufgrund des im Teillastbereich

möglichen Schichtladebetriebs bereits sehr gute Verbrauchswerte aufweist. Trotz-

dem kann der Kraftstoffverbrauch im NEFZ durch Abgasturboaufladung deutlich

reduziert werden, wobei das Hochlast-Konzept über das größte Potenzial verfügt.

Sowohl der mechanisch aufgeladene Motor als auch das Hochdrehzahlkonzept

liegen im Kraftstoffverbrauch höher als die Basisvariante. Die für ein Fahrzeug

der Klasse C relativ hohe Leistung von 130 kW führt dazu, dass die Lage der

Betriebspunkte überwiegend in der unteren Teillast angesiedelt ist. Die in diesen

Kennfeldbereichen niedrigen Turboladerwirkungsgrade bewirken bei den turbo-

aufgeladenen Varianten spürbare Nachteile im Ladungswechsel, sodass der erziel-

bare Verbrauchsvorteil im NEFZ insgesamt moderat ausfällt.

In Abb. 3.36 sind für die Basisvariante und die beiden Downsizing-Konzepte

die Lage der Betriebspunkte bei Geschwindigkeiten von 50 km/h, 100 km/h, 150

km/h und 200 km/h im

M,n- und p

,n-Kennfeld dargestellt. Die Fahrwiderstands-

linien gelten für die höchste Gangstufe.