Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung
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XII Nomenklatur
Formelzeichen
A Faktor [ - ], Fläche [m
2
]
B Faktor [ - ]
b
e
spezifischer, effektiver Kraftstoffverbrauch [g/kWh]
b
i
spezifischer, indizierter Kraftstoffverbrauch [g/kWh]
c Kohlenstoff-Massenanteil eines Brennstoffes [ - ],
absolute Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
c
m
mittlere Kolbengeschwindigkeit [m/s],
Meridiankomponente der Absolutgeschwindigkeit [m/s]
c
p
spezifische, isobare Wärmekapazität [kJ/kgK]
c
v
spezifische, isochore Wärmekapazität [kJ/kgK]
c
u
Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit [m/s]
c
W
Luftwiderstandsbeiwert [ - ]
d Durchmesser [m]
D Bohrung [m]
F Kraft [N]
F
M
Massenkraft [N]
F
Gas
Gaskraft [N]
h spezifische Enthalpie des Abgases [kJ/kg], Schmierspalthöhe [m]
Wasserstoff-Massenanteil eines Brennstoffes [ - ]
h
+
spezifische Totalenthalpie [kJ/kg]
H
G
Gemischheizwert [kJ/m
3
]
H
u
Unterer Heizwert [kJ/kg]
i Anzahl der Arbeitsspiele pro Kurbelwellenumdrehung [ - ]
Übersetzungsverhältnis [ - ]
j
ij
Spezifische Dissipationsenergie [
K Faktor [ - ], Stoffkonstante [ - ]
l
P
Pleuellänge [m]
L
min
Mindestluftbedarf [ - ]
M Molmasse [kg/kmol], Drehmoment [Nm]
m Masse [kg]
m
Massenstrom [kg/s]
Formelzeichen XIII
n Motordrehzahl [1/min], Stoffmenge [mol]
o Sauerstoff-Massenanteil eines Brennstoffes [ - ]
P Leistung [kW]
P
e
Effektive Leistung [kW]
P
i
Innere oder indizierte Leistung [kW]
P
R
Reibleistung bzw. mechanisch bedingter Leistungsverlust [kW]
P
reib
Verlustleistung durch Motorreibung [kW]
P
v
Leistung des Vergleichsprozesses [kW]
p Druck [bar]
p
+
Totaldruck [bar]
p
me
effektiver Mitteldruck [bar]
p
mi
indizierter Mitteldruck [bar]
p
mr
Reibmitteldruck [bar]
p
max
Maximaler Zylinderdruck oder Zünddruck [bar]
q spezifische Wärme [kJ/kg]
q* dimensionslose Wärmezufuhr [ - ]
Q Wärme [kJ]
Q
B
durch Verbrennung eines Brennstoffes freigesetzte Wärme [kJ]
Q
H
Heizwärme [kJ]
Q
hydr
Hydraulischer Durchfluss einer Einspritzdüse [cm
3
]
(Einspritzdruck 100 bar, Zeitdauer 30 s)
Q
W
Wandwärme [kJ]
r Radius [m]
R spezifische Gaskonstante [kJ/kgK]
R
3z
Grundrautiefe [µm]
s spezifische Entropie [kJ/kgK], Hub [m]
t Zeit [s]
T Thermodynamische Temperatur [K]
u spezifische innere Energie [kJ/kg], Messunsicherheit [ - ]
Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
U innere Energie [kJ]
v spezifisches Volumen [m
3
/kg], Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
V Volumen [m
3
]
XIV Nomenklatur
V
Volumenstrom [m
3
/s]
V
c
Kompressionsvolumen [m
3
]
V
h
Zylinderhubvolumen [m
3
]
V
H
Motorhubvolumen [m
3
]
w Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
W Arbeit [kJ]
w
t
spezifische technische Arbeit [kJ/kg]
x Kolbenweg [m], Anzahl der C-Atome eines Brennstoffes [ - ],
Raumkoordinate
x
A
Abgasgehalt [ - ]
x
AGR
Abgasrückführrate [ - ]
y Kolbenweg [m], Anzahl der H-Atome eines Brennstoffes [ - ],
Raumkoordinate
z Zylinderzahl [ - ], Anzahl der O-Atome eines Brennstoffes [ - ],
Raumkoordinate
Griechische Buchstaben
Į Wärmeübergangskoeffizient [W/m
2
K]
ȕ Winkel [°]
Ȗ
DS
Downsizing-Grad
į Geschwindigkeitsfunktion
į
A
Aufladegrad [ - ]
ǻ Differenz
ǻȘ Wirkungsgraddifferenz [ - ]
İ Verdichtungsverhältnis (geometrische Verdichtung) [ - ]
İ
ij
Entspannungsgrad [ - ]
ȗ Spreizung
Ș Wirkungsgrad [ - ], dynamische Viskosität [Ns/m
2
]
Ș
e
effektiver Wirkungsgrad[ - ]
Ș
g
Gütegrad [ - ]
Ș
i
innerer Wirkungsgrad [ - ]
Ș
m
mechanischer Wirkungsgrad [ - ]
Indizes XV
Ș
v
Wirkungsgrad des Vergleichsprozesses [ - ]
ț Isentropenexponent [ - ]
Ȝ Luftverhältnis [ - ]
Ȝ
a
Luftaufwand [ - ]
Ȝ
l
Liefergrad [ - ]
µ Faktor [ - ], Durchflusszahl [ - ], Coulomb’scher Reibbeiwert [ - ]
ȟ
OV
Oberfläche-Volumen-Verhältnis des Brennraumes [ - ]
ȟ
v
Anteil isochor zugeführter Wärme [ - ]
ʌ
T
Turbinendruckverhältnis [ - ]
ʌ
V
Verdichterdruckverhältnis [ - ]
ȡ Dichte [kg/m
3
]
ı Standardabweichung [ - ]
ij Kurbelwinkel [°KW]
ȥ Ausflussfunktion
Ȧ Kreisfrequenz [1/s]
Indizes
A Abgas, Antrieb, Austritt
ab abgeführt
AS Arbeitsspiel
aus austretend
B Brennstoff
Bb Blow-by
bez bezogen
DS Downsizing
e effektiv
E Eintritt
ein eintretend
F, Fr Frisch
G Gemisch
ges gesamt
GG Gegengewicht
XVI Nomenklatur
GRG Gleichraumgrad
HD Hochdruck
HL Hauptlager
hydr hydraulisch, hydrodynamisch
HZ Hubzapfen
i inneres, indiziert
K Kolben, Kühlung
Konv. Konvektion
KP Kraftstoffpumpe
krit kritisch
L Luft, Ladung
LW Ladungswechsel
m mittleres, Meridian
min minimal
M Massen
NA Nebenaggregate
ND Niederdruck
Nenn Nennpunkt
osz oszillierend
P Pleuel
PL Pleuellager
r real
red reduziert
R Radial
RG Restgas
rot rotierend
s isentrop
Spül Spülend, Spül-
St Strahlung
T Turbine, Tangential
tats tatsächlich
th theoretisch, thermisch
u unverbrannt, unvollständig, Umfang
Indizes XVII
U Umgebung
v verbrannt, isochor
V Verdichter, Vergleichsprozess, Verbrennung
VG Verbrennungsgas
W Wand
Ww Wandwärme
zu zugeführt
Zyl Zylinder
1 Einleitung und Zielsetzung
Der Verbrennungsmotor hat als Antrieb für Fahrzeuge, Schiffe und Generatoren
mit Abstand die größte Bedeutung, und das wird – zumindest in den nächsten
beiden Jahrzehnten – auch so bleiben. Die wesentlichen treibenden Faktoren für
die Entwicklung von Verbrennungsmotoren sind nach wie vor die Einhaltung der
gesetzlich festgelegten Schadstoffgrenzwerte sowie die Reduzierung des Kraft-
stoffverbrauchs. Beiden Zielen kommt zukünftig eine wachsende Bedeutung zu.
Die vom Verband der Europäischen Automobilhersteller (ACEA) getroffene
Selbstverpflichtung zur Senkung des CO
2
-Ausstoßes der Fahrzeugflotten auf
140 g/km im Jahr 2008 entspricht einem Kraftstoffverbrauch von 5,3 bzw.
5,9 Liter/100 km (Diesel- bzw. Ottokraftstoff). Diese Grenze ist jedoch nur ein
Etappenziel. Weitere Vereinbarungen zur Reduzierung der CO
2
-Emission auf 120,
100 oder sogar 90 g/km werden folgen. Mit Blick auf den heutigen CO
2
-Ausstoß
von etwa 160 g/km (Flottenverbrauch ca. 6,9 Liter/100 km) und infolge der Tatsa-
che, dass sich signifikante Verbrauchssenkungen aufgrund der hohen kundenseiti-
gen Komfortansprüche sowie der strengen Emissionsgesetzgebung zunehmend
schwieriger realisieren lassen, wird deutlich, dass zukünftig besondere Anstren-
gungen erforderlich sind, um die Erwartungen erfüllen zu können.
Zu erreichen sind diese Ziele nur mit Hilfe einer umfassenden Gesamtstrategie,
die alle verbrauchsbestimmenden Bestandteile (Fahrzeug, Antriebsquelle, Getrie-
be) mit einbezieht. Sofern die Fahrdynamik und der Komfort als kundenseitige
Anforderungen als gegeben vorausgesetzt werden, gibt es grundsätzlich drei We-
ge, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Zum einen kann versucht werden, den
Leistungsbedarf des Fahrzeugs durch Absenkung der Fahrwiderstände zu reduzie-
ren. Dies erfordert geringe Fahrzeugmassen, ein strömungsgünstiges Fahrzeugde-
sign sowie geringen Rollwiderstand. Zweitens besteht die Möglichkeit, einen
gegebenen Motor über geeignete Getriebestrategien in verbrauchsgünstigen Kenn-
feldbereichen zu betreiben. Dies erfordert jedoch stets einen Kompromiss zwi-
schen Verbrauch und Fahrdynamik. Die dritte Möglichkeit ist die Steigerung des
motorischen Wirkungsgrades entweder durch generelle, verbrauchssenkende
Maßnahmen oder durch die Verlagerung der Motorbetriebspunkte in wirkungs-
gradgünstigere Kennfeldbereiche. Letzterer ist der Inhalt der vorliegenden Arbeit
gewidmet.
Trotzdem moderne Otto- und Dieselmotoren für Pkw im verbrauchsminimalen
Betriebspunkt Wirkungsgrade von etwa 35% bzw. 43% erreichen, sind die auf den
jeweiligen Fahrzyklus bezogenen Gesamtwirkungsgrade mit etwa 15-20% deut-
lich niedriger. Über die Hälfte des resultierenden Kraftstoffverbrauchs von Pkw ist
2 1 Einleitung und Zielsetzung
demnach dafür aufzuwenden, dass der Motor nicht in den günstigen Wirkungs-
gradbereichen – diese liegen bei höheren Lasten – betrieben werden kann.
Ein geeigneter Ansatz sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren ist daher die
generelle Verlagerung der Betriebspunkte in Richtung höherer Mitteldrücke. Da
das vom Motor zur Überwindung der Fahrwiderstände bereit zu stellende Dreh-
moment proportional ist zum Produkt aus Mitteldruck und Hubvolumen, führt die
Reduzierung des Hubvolumens – das sogenannte „Downsizing“ – zu der ge-
wünschten Lastpunktverschiebung. Damit trotzdem genügend Drehmomentreser-
ven für Beschleunigungsphasen zur Verfügung stehen, muss auch der Volllast-
Mitteldruck entsprechend angehoben werden. Downsizing als Verbrauchskonzept
erfordert daher stets ein leistungsfähiges Aufladesystem sowie weitere, speziell
auf den Hochlastbetrieb abgestimmte Maßnahmen.
Ziel dieser Arbeit ist es, dem interessierten Leser einen umfassenden und
detaillierten Überblick über das Downsizing als Maßnahmenpaket zur Kraftstoff-
verbrauchssenkung zu geben. Dies betrifft sowohl die grundlegenden Zusammen-
hänge beim Downsizing selbst, als auch – und dies im Besonderen – die Möglich-
keiten und erforderlichen Maßnahmen zur Darstellung hoher spezifischer Leistun-
gen und Drehmomente vor dem Hintergrund niedriger Kraftstoffverbräuche. In
diesem Sinne ist es nötig, die für ein motorisches Hochlast-Downsizing-Konzept
erforderlichen Subsysteme einer näheren Betrachtung zu unterziehen und Hinwei-
se für eine geeignete Prozessführung zu geben. Die Arbeit beschränkt sich auf 4-
Takt-Otto- und Dieselmotoren. Die Arbeit verzichtet weitgehend auf eine Be-
schreibung konstruktiver Details, um genügend Raum für prozess- bzw. verfah-
rensbedingte Betrachtungen zu lassen.
Nach einer Kurzbeschreibung der wesentlichen Einzelprozesse motorischer E-
nergiewandlung in Kap. 2 sollen anhand einfacher Vergleichsprozesse die Einflüs-
se grundlegender Parameter auf Wirkungsgrad, Mitteldruck, Abgastemperatur
usw. beschrieben werden, um ein besseres Verständnis für die Auswirkung von
Maßnahmen auf den Motorprozess zu bekommen. Da sich eine Laständerung
unmittelbar auf die einzelnen Wirkungsgradverluste entlang der Prozesskette
auswirkt, sollen diese ebenfalls kurz beschrieben werden. Kap. 3 widmet sich ganz
dem Downsizing und erläutert neben den Grundlagen auch die Wirkungsmecha-
nismen, die Problembereiche hochaufgeladener Motoren sowie die Kraftstoff-
verbrauchspotenziale. Fahrzeugseitige Betrachtungen hinsichtlich Package, Ge-
triebekonzepten und Mild-Hybriden umfassen auch motorübergreifende Maßnah-
men, die eine Umsetzung von Downsizing-Konzepten unterstützen können. Das
Kapitel schließt mit einer Analyse derzeitiger Verbrennungsmotoren hinsichtlich
der relevanten motorischen Kennwerte. Die Ausweitung der Volllast-Mitteldrücke
als wesentlicher Bestandteil des Downsizing wirkt sich insbesondere auf das
Kraftstoff-Einspritzsystem, das Aufladesystem sowie die Motormechanik aus und
erfordert spezielle Maßnahmen zur Prozessführung. Daher werden in Kap. 4 die
Aufladung, die Gemischaufbereitung und Verbrennung sowie die Motormechanik
vor dem Hintergrund des motorischen Hochlastbetriebs und generellen wirkungs-
gradsteigernden Maßnahmen erläutert und geeignete Konzepte beschrieben.
2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor
2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung
Die Umsetzung der chemisch im Kraftstoff gebundenen Energie innerhalb des
Verbrennungsmotors ist ein außerordentlich komplizierter Prozess. Neben den
eigentlichen chemischen Umwandlungsvorgängen vor, während und nach der
„Verbrennung“ sind Wärme- und Stofftransportprozesse von ausschlaggebender
Bedeutung für die Güte des Energieumsatzes. Zudem finden die Zustandsände-
rungen überwiegend bei hohen Drücken und Temperaturen statt und sind grund-
sätzlich instationärer Natur. Um ein Verständnis für diese komplexen Vorgänge
entwickeln und diese Informationen zur Steigerung des Wirkungsgrades gezielt
nutzen zu können, muss das Gesamtsystem Verbrennungsmotor näher analysiert
werden. Ausgehend von einer einfachen, globalen Betrachtung des Systems
Verbrennungsmotor können an Hand einfacher Modellprozesse erste Aussagen
zum theoretisch erreichbaren Wirkungsgrad eines Motors gemacht werden. Im
zweiten Schritt kann entlang der gesamten Prozesskette der Energieumsetzung
eine detailliertere Beurteilung der einzelnen Verlustursachen erfolgen. Die hieraus
gewonnenen Erkenntnisse dienen als Grundlage für gezielte Verbesserungen im
Ablauf der entsprechenden Teilprozesse.
2.1.1 Energiebilanz und Wirkungsgradkette
Die Umwandlung der Kraftstoffenergie in mechanische Energie kann an Hand der
in Abb. 2.1 dargestellten Teilprozesse grob beschrieben werden. Mit Hilfe geeig-
neter Systeme für die Gemischaufbereitung werden Kraftstoff und Luft in einen
zündfähigen Zustand versetzt, der nach Einleitung des Zündvorganges die Freiset-
zung von Wärme durch die exotherme Reaktion der Verbrennung ermöglicht. Der
rasante Druck- und Temperaturanstieg innerhalb des Brennraumes führt zu einer
nutzbaren Volumenänderung, die durch das Triebwerk in eine Drehbewegung
transformiert wird.
Eine erste und grobe Beschreibung der dem Verbrennungsmotor zu- und abge-
führten Energieströme erfolgt mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik.
Diese äußere Energiebilanz eines Motors kann durch Verbrauchs-, Leistungs-,
Temperatur- und Durchflussmessungen erstellt werden. Eine Umwandlung der mit
dem Kraftstoff zugeführten Energie in mechanische Bewegungsenergie (Nutzar-
beit) ist jedoch nur zum Teil möglich. Während der Teilprozesse erfolgt die Ener-
giewandlung stets verlustbehaftet. Je nach Ausführung des Motors, die durch das
4 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor
Brennverfahren, die Prozessführung, konstruktive Bedingungen etc. gegeben ist,
und dem Betriebspunkt des Motors wird ein Großteil der Energie mit dem Abgas
und durch Kühlung abgeführt.
Abb. 2.1. Prozesskette der motorischen Energiewandlung
Moderne Dieselmotoren für Pkw geben im Bestpunkt etwa 43% der mit dem
Kraftstoff zugeführten Energie in Form von Nutzenergie ab. Ottomotoren errei-
chen Werte unter 40%. Im Teillastbereich sind nur erheblich niedrigere Wir-
kungsgrade zu realisieren.
Abb. 2.2. Energiebilanz für den Verbrennungsmotor
Abbildung 2.2 zeigt die im System Verbrennungsmotor ein- und austretenden
Energie- bzw. Massenströme. Verluste durch Leckagen sind hierbei vernachläs-
sigt. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik lautet für die globale Betrachtung
des gesamten Motors
AALLabeuB
hmhmQPHm
,
(2.1)
wobei der gesamte Abwärmestrom über das Kühlmedium, den Ölkreislauf sowie
über Konvektion und Strahlung abgegeben wird. Der Abwärmestrom resultiert
zum Teil auch aus der zur Überwindung der mechanischen Reibung und zum
Antrieb der relevanten Hilfsaggregate des Motors erforderlichen Reibleistung.