HÖHERE ANFORDERUNGEN AN DIE AUFLADUNG

Der Verbrennungsmotor (VM) wird auch im Antriebsmix der Zukunft eine zentrale Rolle einnehmen. Zukünftige CO2-Ziele erfordern dabei den Einsatz neuer fortschrittlicher Technologien. Die Reduzierung des Kraftstoffver-brauchs und der Emissionen bei gleich-zeitiger Steigerung der Antriebsdyna-mik bleibt in diesem Zusammenhang der treibende Zielkonflikt. Als effektiver, zugleich vergleichsweise einfacher und kosteneffizienter Ansatz bei Ottomoto-ren hat sich der Miller-Zyklus erwiesen – hier als Begriff gleichermaßen für das

IHI hat ein elektrifiziertes Aufladesystem entwickelt, mit

dem die Potenziale von Ottomotoren mit Miller-Steuerzeiten

weiter gesteigert werden können. Die hohe Aufladeeffizienz

basiert auf einer Festgeometrieturbine, die ohne zusätzliche

Regelungskomponenten auskommt.

© IHI Corporation

Aufladung

Elektrifiziertes Aufladesystem für hocheffiziente Verbrennungsmotoren

ENTWICKLUNG AuFlADung

130

Aufladung

Konzept mit frühem beziehungsweise spätem Schließen der Einlassventile genutzt. Eine Konsequenz aus dem Miller-Zyklus ist die Absenkung des volumetrischen Wirkungsgrads des Motors, was, bei Forderung konstanter Leistung, zu einem erhöhten Ladedruck-bedarf führt. Die Auslegung konventio-neller Turbolader (ATL) mit Wastegate (WG) ist bezüglich der Geschwindig-keit des Ladedruckaufbaus bei niedrigen Drehzahlen und der erreichbaren Leis-tung in diesen Fällen kompromissbehaf-tet. Turbolader mit variabler Turbinen-

geometrie (Variable Geometry System, VGS) sind in der Lage, diesen Zielkon-flikt zu entschärfen. Ihre technische Ausführung ist allerdings komplex und unter ottomotorischen Bedingun-gen herausfordernd. Auch ihr Wirkungs-grad ist durch den weiten Betriebsbe-reich eingeschränkt [1, 2], sodass die Elektrifizierung des Antriebsstrangs gro-ßes Potenzial zur weiteren Milderung der beschriebenen Zielkonflikte bietet. Die Elektrifizierung kann in Verbindung mit einfachen, optimierten Aufladesyste-men einen großen Beitrag zur Verbesse-rung der motorischen Effizienz leisten. Das Konzept des elektrifizierten Auf-ladesystems namens e-xR von IHI zielt insbesondere auf hybridisierte Antriebs-stränge mit hocheffizienten Ottomotoren ab, die im Miller-Zyklus arbeiten.

ELEKTRISCHES AUFLADEKONZEPT

Das Aufladekonzept basiert auf einem ungeregelten, elektrisch unterstützten Turbolader, bei IHI als REF bezeichnet, mit sehr guten aerodynamischen Wir-kungsgraden der Hauptkomponenten [1]. In Verbindung mit einer durchsatzgestei-gerten, wastegatelosen Turbine wird über eine Anhebung des Miller-Grads und des Verdichtungsverhältnisses ein verbesserter thermodynamischer Wir-kungsgrad des Verbrennungsmotors ermöglicht. Der ungeregelte Betrieb wird durch eine Anpassung des Miller-

Niveaus erreicht. Dazu werden die Steu-erzeiten so geändert, dass der Ladedruck und die resultierende Verdichterleistung auf den Wert steigen, der exakt der er -zeugten Turbinenleistung unter unge-regelten Bedingungen entspricht. Dyna-miknachteile des Aufladesystems werden dabei mittels der elektrischen Unterstüt-zung kompensiert. Der Elektromotor des Turboladers ist zwischen Lagerung und Verdichterrad platziert, um eine thermi-sche Entkopplung von der heißen Turbi-nenseite sowie eine einfache Montage in der Fertigung zu erreichen. Der prinzipi-elle Aufbau ist in BILD 1 dargestellt.

Die ungeregelte Turbinenstufe erfor-dert eine alternative Lastregelung, die als Drosselklappenregelung und/oder teil- beziehungsweise vollvariabler Ven-tiltrieb ausgeführt sein kann. Auch die Rekuperation über den Motor des Turbo-laders kann in bestimmten Grenzen genutzt werden, hat jedoch Einfluss auf das Energiemanagement des Fahr-zeugs. Eine weitere, attraktive Lösung bietet die Regelung mittels externer gekühlter Niederdruck-Abgasrückfüh-rung (ND-AGR). Sie kann der Lastrege-lung dienen und gleichzeitig den Kraft-stoffverbrauch signifikant reduzieren. Ihre Kombination mit dem Konzept der elektrisch unterstützten Aufladung ist daher ideal, aber nicht zwingend notwendig. Die technischen Heraus-forderungen sind insbesondere bei Fahr zeugen groß, bei denen hohe

UngeregelteTurbinenstufe

+30 mm axiale Längeund circa 20 %

Trägheitserhöhung

Modulares Lagerungssystem

PermanenterregterSynchronmotor mit 4,5 kW

Leistung

Optimierte Aerodynamik

BILD 1 Schnittdarstellung des elektrisch unterstützten REF-Turboladers (© IHI Corporation)

AuTOREn

Martin Rode, M. Sc.ist Senior-Entwicklungsingenieur

Turbolader-Definition bei der IHI Charging Systems International

gmbH in Heidelberg.

Tetsu Suzuki, B. Eng. ist Entwicklungsingenieur

Turbolader-Definition bei der IHI Charging Systems International

gmbH in Heidelberg.

Dipl.-Ing. Georgios Iosifidis, M. Sc. ist Teamleiter Turbolader-Definition bei der IHI Charging Systems Inter-

national gmbH in Heidelberg.

Dr.-Ing. Tobias Scheuermannist Abteilungsleiter Applikation bei der IHI Charging Systems

International gmbH in Heidelberg.

MTZ 07-08|2019 80. Jahrgang 131

Anforderungen an die Dynamik des Verbrennungs motors gestellt werden.

METHODIK

Zur Quantifizierung der Potenziale des e-xR-Konzepts wird im Folgenden ein thermodynamischer Vergleich moderner Aufladesysteme unter gleichen Randbe-dingungen sowie der Berücksichtigung gleicher Grenzwerte betrachtet. Die Aus-legung der Aufladesysteme erfolgt auf Basis der multiobjektiven Optimierungs-methodik der statistischen Versuchs-planung (Design of Experiments, DoE) von IHI, die in BILD 2 dargestellt ist. DoE-Berechnungen mittels 1-D-Ladungswech-selsimulationen durch das Programm GT-Power (Punkt a in BILD 2) bilden die Basis für die Erzeugung sogenannter Antwortflächen (Response Surfaces) ver-schiedener Motorparameter als Funktion der Einlassventil-Öffnungslänge (EVL), der Auslassventil-Öffnungslänge (AVL), des Verdichtungsverhältnisses (ε), der Ein- und Auslasssteuerzeit (EÖ, AS) und der Turboladerdimensionierung inner-halb des Optimierers (Punkt b in BILD 2). Mithilfe dieser Flächen können die Ven-tilsteuerzeiten für bestimmte Kombinati-onen aus EVL, AVL, ε und ATL-Kompo-nentengrößen optimiert werden (Punkt c in BILD 2). Dieser Prozess wird für eine Reihe von Motorbetriebspunkten wieder-holt (beispielsweise im Niedrigdrehzahl-

bereich zur Analyse des Drehmoment-aufbaus (Low-end Torque, LET), bei Nennleistung und in der Teillast), um den besten Kompromiss aus EVL, AVL, ε und ATL-Komponenten für eine gege-bene Zielfunktionen zu bestimmen (Punkt d in BILD 2).

Optimierungsparameter wie ein Downspeeding des Antriebs oder eine gesteigerte Hybridisierung werden nicht betrachtet. Der untersuchte Motor ist ein 2,0-l-Vierzylinder-Ottomotor mit Direkt-einspritzung, einer Leistung von 160 kW bei 5000/min und einem Nenndrehmo-ment von 350 Nm bei 1500/min (LET). Das zugrundeliegende Fahrzeug aus dem E-Segment hat einen CO2-Ausstoß von152 g/km im WLTC (Worldwide harmo-nized Light Duty Test Cycle). Die Reduk-tion der CO2-Emissionen im Rahmen desWLTC wird mittels stationärer Simula-tion relevanter Betriebspunkte appro-ximiert. Alle Varianten wurden unterBerücksichtigung der Systemgrenzenauf die Parameterkombination (EVL etc.)optimiert, die das Miller-Niveau undsomit den Wirkungsgrad des Motorsmaximiert. Gleichzeitig muss ein Dreh-momentansprechverhalten (Time-to-Torque) von ≤ 2,0 s von 2 bar pme auf90 % des LET erreicht werden. AlsGrenzwerte finden die maximal zuläs-sige Turboladerdrehzahl, eine Tempe-ratur nach Verdichter von 190 °C, einFanggrad > 0,97 in allen Betriebspunk-

ten, eine ND-AGR-Rate von maximal 30 % und die Nennleistung des Motors Berücksichtigung. Die Steuerzeiten wer-den zur Vermeidung von Kollisionen der Ventile untereinander beziehungsweise der Ventile mit den Kolben begrenzt.

Die Auslegungsvarianten umfassen eine konventionelle WG-geregelte Twin-Scroll-Turbine (TS) und eine Double-Scroll-Turbine mit Flutenverbindungs-ventil (DS + SCV), eine hocheffiziente VGS-Turbine sowie einen WG-geregelten Monoscroll-REF-Turbolader. Im fort-schrittlichen e-xR-Konzept ist die Tur-bine an sich ungeregelt, die Regelung wird im gesamten Kennfeld durch die ND-AGR realisiert. Das VGS als schon etablierte, konventionelle Technologie im betrachteten Marktsegment wird eben-falls mit ND-AGR bewertet, um einen gerechten Vergleich zu ermöglichen.

ERGEBNISSE

Die Vorteile im Bezug auf den spezifi-schen Kraftstoffverbrauch (Δbe) in rele-vanten Betriebspunkten sowie die Ver-ringerung des CO2-Ausstoßes im Rah-men des WLTC sind in BILD 3 dargestellt.

Wie zu erkennen ist, machen die betrachteten Systeme unterschiedliche Parameterkombinationen und damit variierende Miller-Grade realisierbar. Verglichen mit dem Basis-TS-ATL ermög-licht der DS-ATL mit SCV einen CO2- Vorteil von circa 1 g/km, der aus dem leicht erhöhten Verdichtungsverhältnis resultiert. Das VGS ermöglicht eine Opti-mierung hin zu einer kürzeren EVL (150 °KW bei 1 mm Hub) und einem erhöhten Verdichtungsverhältnis (11,7) bei gleichzeitiger Verbesserung des Ansprechverhaltens um 55 %. Der resul-tierende CO2-Vorteil beläuft sich auf 2 g/km. Beim elektrifizierten REF-ATL kann die Laderdynamik im Optimie-rungsprozess weitestgehend vernachläs-sigt werden, wodurch das Verdichtungs-verhältnis (13,0) und die EVL (140 °KW) weiter optimiert werden können. Begren-zungen ergeben sich nun durch die Tem-peratur nach Verdichtung und die maxi-male ATL-Drehzahl. Der resultierende CO2-Vorteil beträgt 3,6 g/km, bei gleich-zeitiger Verbesserung der Dynamik um 74 %. Die Betrachtung mit gekühlter ND-AGR wurde für das VG- und das e-xR-System durchgeführt. Für das VGS wurde die ND-AGR-Rate bezüglich der Minimierung des spezifischen Verbrauchs

Wiederholungfür alle

Betriebspunkte

a) DoE-Berechnungin GT-Power

b) Erzeugung von„ResponseSurfaces“

c) Steuerzeiten-optimierung

(EÖ, AS)

d) Auswahl deroptimalen

Motorparameter innerhalb der

Grenzen

e) Response-Surface-Projektion

bestätigt durch1-D-Simulation?

Erweitertes ATL-Matchingbei IHI durch multiobjektive

DoE-Optimierung

Ja

Nein

BILD 2 Entwicklung mittels multiobjektiver DoE-Optimierung (© IHI Corporation)

ENTWICKLUNG AuFlADung

132

optimiert, wodurch sich ND-AGR Raten von bis zu 20 % in der Teillast ergeben. Höhere Werte sind nicht vorteilhaft, da die Verschlechterung des Ladungs-wechsels (pmiLW) die Vorteile durch die ND-AGR überkompensiert. Dieser Effekt ist ein Resultat des verringerten VGS-Wirkungsgrads in stark geschlossenem Zustand. Der CO2-Ausstoß kann vergli-

chen zum VGS ohne ND-AGR durch gekühlte ND-AGR um 5,5 g/km verrin-gert werden. Für das e-xR-Konzept ergibt sich aufgrund der ungeregelten Turbine mit fester Geometrie ein Vorteil im Turbi-nenwirkungsgrad und im Ladungswech-sel. Somit sind Verbrauchsverbesserun-gen bis zur maximalen ND-AGR-Rate von 30 % zu beobachten, was in einer

weiteren CO2-Reduktion von 7 g/km im Vergleich zum REF-ATL und > 3 g/km im Vergleich zum VGS mit ND-AGR re -sultiert. Aufgrund des hohen Miller-Grads mit dem REF-ATL beziehungsweise dem e-xR-System ergibt sich ein Luftaufwand < 0,5, bezogen auf den Zustand im Sammler, sowie ein Ladedruckbedarf von 3,3 bar. Gleichzeitig ermöglichen

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∆be [g/kWh]

*Time-to-Torque (TtT) von 2 bar pme bis auf 90 % von350 Nm

TS +

WG

DS

+ W

G+

SC

V

VGS

RE

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WG

VGS

+N

D-A

GR

e-xR

+N

D-A

GR

990 990 980 970 980 950 T3max [°C]

0,96 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 λ [-]

11,0 11,3 11,7 13,0 11,7 13,0 ε [-]

160 160 150 140 150 140 EVL [ºKW]

4,2 3,2 1,9 1,1 1,9 1,1 TtT* [s]

CO2-Reduktion (WLTC) [g/km]

p me [

bar]

Drehzahl [1/min]

1020

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160 kW

BILD 3 Untersuchungsergebnisse: Δbe und CO2-Reduktion im WLTC und optimierte Motorparameter (© IHI Corporation)

133

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der hohe Turbinenwirkungsgrad und der ungeregelte Ansatz einen geringen Druck vor Turbine (p3) von 3,1 bar, selbst unter Berücksichtigung eines Ottomotor-Parti-kelfilters. Ein spülender Ladungswechsel auch bei Nennleistung des Motors ist möglich, begrenzt wird er durch die Spätverstellung der Einlasssteuerzeit und eine einhergehende Reduzierung des Miller-Grads auf einen Fanggrad von 0,97. Dieser Sachverhalt wird, ne -ben Turbinenwirkungsgrad, Luftauf-wand und pmiLW, in BILD 4 verdeutlicht.

Ein zentraler Punkt bei der Verwen-dung elektrifizierter Aufladesysteme ist der elektrische Energiebedarf während des Fahrzyklus. Sowohl der REF-ATL als auch das e-xR-Konzept wurden so ausge-legt, dass der Elektromotor den Lader im WLTC zu keiner Zeit stationär antreiben oder bremsen muss. Im Volllastbereich bei niedrigen Drehzahlen zwischen 1000 und 2000/min muss mit bis zu 2 kW Wellenleistung unterstützt werden. Beide Systeme wurden durch die Kombination

aus optimierten Motorparametern und einer durchsatzgesteigerten Turbine so ausgelegt, dass die Nennleistung unter ungeregelten Bedingungen mit passivem Elektromotor erreicht wird. Die Durch-messer von Verdichter und Turbine einer solchen Auslegung sind nahezu identisch, der Durchsatz der Turbine liegt bei 80 % des Maximaldurchsatzes der VGS-Stufe. Mehr Details zur Lastregelung sind in BILD 5 für drei Betriebspunkte dargestellt.

An der Volllast bei Motordrehzahlen zwischen 2500 und 4500/min wird der ungeregelte Betrieb der elektrifizierten Systeme durch den minimalen Fanggrad von 0,97 begrenzt. Zur Lastregelung ist hierdurch ein WG-Anteil von maximal 5 % für den REF-ATL und eine ND-AGR-Rate von bis zu 10 % für das e-xR-Kon-zept erforderlich.

ZUSAMMENFASSUNG

Sowohl im Hinblick auf den spezifischen Verbrauch als auch den CO2-Ausstoß im

WLTC konnten für das e-xR-Konzept im Marktsegment von Ottomotoren mit einer spezifischen Leistung von 80 kW/l vielversprechende Vorteile aufgezeigt werden. Bei Anpassung, Zuhilfenahme der vorgestellten DoE-Optimierungs-methodik, ist das e-xR-Konzept aber nicht auf das betrachtete Marktsegment beschränkt. Die Idee der Elektrifizierung eines einfachen, wirkungsgradoptimier-ten Turboladers kann zur Verringerung des CO2-Ausstoßes in allen Motorklassen beitragen. Einen Überblick mit einer bei-spielhaften Marktsegmentierung nach Anforderungen an den Verbrennungs-motor und Eigenschaften des Antriebs-konzepts gibt BILD 6.

Das vorgestellte, elektrisch unter-stützte Aufladekonzept von IHI ist her-ausfordernd in Hinblick auf die Ausle-gung der ATL-Komponenten, die Elektri-fizierung des Systems, die aggressive Miller-Strategie und die Nutzung der gekühlten ND-AGR zur teilweisen oder vollständigen Lastregelung. Ihr signifi-

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-90 -45 0 45 90

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3,5

4,0

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TS + WG REF + WG

DS + WG + SCV VGS + ND-AGR

VGS e-xR (ND-AGR)

Betriebspunkt2000/min,8 bar pme

Betriebspunkt1500/min,350 Nm (LET)

Betriebspunkt5000/min,Pmax (160 kW)

EÖ AS

Betriebspunkt Pmax beispülendem Ladungswechsel

mit e-xR (5000/min, 160 kW)

1

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3

1 2 3

Turb

inen

wir

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G)

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bar]

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-]

Drehzahl [1/min]

p me [

bar]

Dru

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bar]

Kurbelwinkel [ºKW]

ZylinderAuslasskanalEinlasskanal

BILD 4 Kenngrößen des Ladungswechsels (© IHI Corporation)

ENTWICKLUNG AuFlADung

134

kantes Potenzial, Verbrauchsvorteile zu generieren, wird elektrifizierte Auflade-systeme zum Gegenstand weiterer marktübergreifender Systemuntersu-chungen machen [3]. Die Elektrifizie-rung in Kombination mit neuen Techno-logien und Rege lungsstrategien eröffnet zusätzliche Freiheitsgrade bei der Ver-besserung des Verbrennungsmotors.

LITERATURHINWEISE[1] Starke, A.; leonard, T.; Hehn, A; Model, M.; Hoppe, l.; Kotzbacher, T.; Weiß, M.; Segawa, K.; Bamba, T.; Iosifidis, g.: The next generation of Variable geometry Turbochargers from IHI. 23. Aufladetechnische Konferenz, Dresden, 2018[2] Starke, A.; leonard, T.; DeSantis, R.; Filsinger, D.: The Evolution of Mixed Flow Turbochargers from IHI. 22. Aufladetechnische Konferenz, Dresden, 2017[3] Suzuki, T.; Hirai, Y.; Ikeya, n.: Electrically Assisted Turbocharger as an enabling technology for improved fuel economy in new European Driving Cycle operation. 11th International Con-ference on Turbochargers and Turbocharging, london, 2014

BILD 6 Marktsegmentierung bei aufgeladenen Ottomotoren (© IHI Corporation)

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1,54 kW0 kW

0 kW0 kW0 kW

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94 %

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Betriebspunkt2000/min, 8 bar pme

Betriebspunkt1500/min, 350 Nm (LET)

Betriebspunkt5000/min, Pmax (160 kW)

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E-U

nter

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e-xR≤ 30 % ND-AGR

< 20 %

10 % < 5 %< 5 %

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Drehzahl [1/min]

p me [

bar]

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1000 2000 3000 4000 5000 6000

REF + WG

VGS + ND-AGR

e-xR (ND-AGR)

TS + WG

DS + WG + SCV

VGS

BILD 5 Regelungsparameter und ND-AGR-Raten beim e-xR-Konzept (© IHI Corporation)

Spezifische Leistung [kW/l]

< 60 60-80 80-120 120-160 > 160

Hub

raum

[l]

> 4,0

4,0

3,0

2,0

1,5

1,0

< 1,0

Begrenzte Nachfrage

Dezidierte Hybridzone:Mehrheitlich serielleHybrideVerbrennungsmotor alsRange ExtenderBegrenzter BetriebsbereichReduzierte VM-DynamikHöchster VM-Wirkungsgrad

Hocheffizienzzone:λ = 1 durch VerbrennungKonventionelle AntriebeMHEV und Parallel-/Power-Split-HybrideTeilweise serielle HybrideKein spülenderLadungswechselGleichbleibende DynamikCO2-Reduktion im Zyklus

Hochleistungszone:Konventionelle AntriebeMHEV und Parallel-/Power-Split-HybrideKein spülenderLadungswechselVerbesserte Dynamikλ = 1 mit erhöhtemAufwand (z. B. Temp.≥ 1050 ºC oderWassereinspritzung)

e-xR-Studie

Begrenzte Nachfrage

MTZ 07-08|2019 80. Jahrgang 135

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