2011-12-07 Innovations in FSAE:Joanneum Racing

5/13/2018 2011-12-07 Innovations in FSAE:Joanneum Racing - slidepdf.com

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TECHNISCHE HÖCHSTLEISTUNGEN AUSFORMULA STUDENT

INNOVATIONEN DER GRAZER TEAMS

Motor und Getriebe



Vorschau

ReglementAntriebsstrang

Antriebsstrang 2010 &2011

Konzept für

Antriebsstrang 2012

Projekt bei/mitMercedes AMG

Auslegung des Motors Antriebsstrang 2012

Michael Resel Alexander Habermann



Reglement Antriebsstrang 4-Takt Hubkolbenmotor

Vh ≤ 610 cm³ Luftrestriktor d = 20 mm (19 mm)

Drosselorgan -> Restriktor -> (Aufladeaggregat)-> Motor

kein E-Gas



Anforderungsprofil ↑ Zuverlässigkeit

↑ Fahrbarkeit ↑ Leistungsdaten

↓ Gewicht ↓ Treibstoffverbrauch



Konzeptentscheidung 2010

Konzept Effizienz

Leistung/

Moment Wartung Gewicht

Kompressor-Motor

Saugmotor

Kombinierte Aufladung

(Turbo + Kompressor)

Turbo-Motor



Antriebsstrang 2010 1-Zylinder 450 cm³

Turboaufladung MoTec – ECU

Hydraulik



450 cm³ ? Restriktor

Aufladung ↓ Gewicht

Downsizing

RsthAm 240

max,=&



Entwicklung 450 cm³ E85

Verbrennung Kolben & Pleuel

Turbolader Ladungswechsel



Kolben & Pleuel Brennraum-Design

Massenausgleich Spitzendruck > 120 bar



Turbolader Anforderungen Unterdruck

Ansprechverhalten Druckverhältnis 2

Abgastemperatur 850 °C



Turbolader Garrett GT12 Aerocharger 53 Series



Ölverlust 2 Kolbenringdichtungen

Druckdifferenz

Entwicklungsschleifen



Turbolader-Entwicklung

originalLager-

gehäuse

Ein-schweißteil

ausgedrehtesLager-

gehäuse

fertigbearbeitetes

Gehäuse

modifizierteDichtungs-

aufnahme



Turbolader-Ölverbrauch Test @ 4000 U/min 60 kPa

original: 0,7 l/h

0,485 l/h

0,09 l/h

Entwicklungsstand 2011:0,065 l/h



Ladungswechsel Auslassnockenwelle

0 120 240 360 480 600 7200,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

Kurbelwinkel (°)

V e n t i l h u b ( m m )

Ventilerhebungskurven

Einlassnockenwelle

AuslassnockenwelleserieAuslassnockenwellekurz



Ladungswechsel mögliche Steuerzeiten

0 120 240 360 480 600 7200,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

Kurbelwinkel (°)

V e

n t i l h u b ( m m )

Ventilerhebungskurven



Motorprüfstand Abgas-

gegendruck Ventilüber-

schneidung

Nocken-wellen

Turbolader



Prüfstand-Ergebnisse

max. Moment:

65 Nm @ 5500 –

7000 rpm

+55 %

max. Leistung:

49 kW @ 8500 rpm

+51 %

2500 3500 4500 5500 6500 7500 8500 9500 105000,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

Drehzahl (U/min)

M o m e n t ( N m ) / L e i s t u n g ( k W )

Drehmoment / Leistung – jrX vs Rotax 449

M_jrX

P_jrXM_Rotax 449

P_Rotax 449



Ausschreibung Mercedes AMG

80 FS-Teams

Konzept für FS-Motor



Auswahlverfahren80 FS

Teams

9 FSTeams

4 FSTeams

2 FSTeams

Herbst2010

Dezember2010

Jänner2011

März2011

Konzepte anMercedes AMG

Assessment Centerbei MercedesAMG

Projektstart beiMercedes AMG

Auswahl von 9 aus 80Teams für mögliche

Zusammenarbeit



Konzeptfindung/Nutzwertanalyse



Konzept AMG

2-Zylinder Reihenmotor

Getriebe & Differential integriert Trockensumpf

Direkteinspritzung

Turboaufladung

mittragend



Assessment Tag Jänner 2010



Zeitplan



Ziele

Renneinsatz 2012 des FS133 am FS Bewerb England

Top Ten Platzierung Leistung 75 kW

Verbrauch <3,5 l / Endurance



Randbedingungen



Randbedingung



Auszug Datenblatt FS133

Bohrung 83 mm

Hub 55 mm

Hubraum 596 cm³Abregeldrehzahl 7500 1/min

Verdichtungsverhältnis 10 bzw. 11

Mitteldruck 23 barmax. Zünddruck 130 bar

max. Ladedruck 1,3 bar



Ladungswechselsimulation



Steuerzeitenauslegung

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-280 -240 -200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240 280

V e n t i l h u b

i n m m

KW in °

LWOT



Ladungswechselsimulation

Versuch 1 Spreizungsvariation

Öffnungszeitenvariation

Drehzahl: 6500 min-1

Ziel: Höchste Leistung

Versuch 2 Spreizungsvariation

Drehzahl: 3000 min-1

Ziel: Höchstes Drehmoment

0

1234567

89

10

-280-240-200-160-120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240 280

01234567

89

10

-280-240-200-160-120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240 280



Steuerzeit

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

-280 -240 -200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240 280

V e n t i l h u b i n m m

Kurbelwinkel in °

Einlass 185°KW Auslass 185°KW HDP Profil 138 Kolbenhub (mm)

LWOT



Ventiltriebsdynamik

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

100 120 140 160 180 200 220 240 260

Nockenwinkel in °

s (mm) v (mm/rad) a (mm/rad²)

s,v a



Kurbelwellenkröpfung/Zündfolge

gleichlaufend

360° - 360°

gegenlaufend

180° - 540°



Kurbelwellenkröpfung/Zündfolge

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

D r e h m o m e n t ( N m )

L e i s t u n g

( k W )

Motordrehzahl (min-1

)

Drehmoment gegenlaufend

Leistung gegenlaufend

Drehmoment gleichlaufend

Leistung gleichlaufend



Massenkräfte Kurbeltrieb

Rotierende + oszillierendeMassen

-35

-15

5

25

45

-25 -15 -5 5 15 25

Fx in

kN

Fz in kN

unbalanced mass forcesrot. + osz. Massenkräfte



Massenkräfte Kurbeltrieb

Rotierende + oszillierendeMassen

Ausgleich Kurbelwelle:

100% rotierendeMassen

50 % oszillierendeMassen

-35

-15

5

25

45

-25 -15 -5 5 15 25

Fx in

kN

Fz in kN

unbalanced mass forces

remaining mass forces

rot. + osz. Massenkräfte

Verbleibende Massenkräfte



Ausgleichswelle

Reduzierung derMassenkräfte

Drehrichtung gegen

Kurbelwelle

-7

-2

3

8

13

-10 -5 0 5 10

Fx in kN

Fz in kN

without balancing shaftohne Ausgleichswelle



Ausgleichswelle

50 % oszillierendeMassen

Massenkräfte 2.O

nicht ausgeglichen

-7

-2

3

8

13

-10 -5 0 5 10

Fx in kN

Fz in kN

without balancing shaft

with balancing shaft

ohne Ausgleichswelle

mit Ausgleichswelle



Massenmomente

-1.000

-750

-500

-250

0

250

500

750

1.000

0 90 180 270 360

KW in °

Massenmoment durch Ausgleichswelle Massenmoment durch KolbenseitenkraftSumme der Massenmomente durch Massenkräfte

-1.000

-750

-500

-250

0

250

500

750

1.000

0 90 180 270 360

KW in °

FS 133 Rotax 450

M a s s e n m o m e

n t i n K u r b e l w e l l e n a c h s r i c h t u n g i n

N m

M a s s e n m o m e

n t i n K u r b e l w e l l e n a c h s r i c h t u n g i n

N m

Massenmoment durch AusgleichswelleMoment durch KolbenseitenkraftSumme der Momente



Zugkraftdiagramm

0

1

2

3

4

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

F i n k N

v in km/h

75 kW

1st gear

2nd gear

3rd gear

4th gear

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