motor 2.2 i

550 MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 9

1 Einleitung

Die Zahl der Fahrzeuge, die auf gemeinsa-

men Plattformen basieren, steigt rasch an

und wird sich im Zuge der Globalisierung

noch weiter beschleunigen. Das bedeutet

keineswegs identische Fahrzeuge für so

verschiedene Regionen wie Nordamerika,

Europa, Asien und Südamerika. Die Herstel-

ler streben allerdings eine Vereinheitli-

chung von möglichst vielen Komponenten

und Verfahren an. Dabei muss die Basis-

konstruktion so flexibel gestaltet sein, dass

sie individuellen Kunden- und Marktanfor-

derungen entsprechen kann.

General Motors hat daher bereits 1994 un-

ter dem Projekt-Code L850 ein weltweites

Motorenprojekt gestartet, das allen Anfor-

derungen an den Antriebsstrang über meh-

rere Plattformen hinweg gerecht werden

kann. Diese neue ECOTEC-Motorenbaurei-

he, die den Hubraumbereich von 1,8 bis 2,2 l

abdeckt, weist eine hohe Flexibilität auf

und kann daher in vielen Applikationen

eingesetzt werden. Die Produktvielfalt und

die Zahl der Fertigungsstätten wird da-

durch verringert.

Die Entwicklung der neuen Motorenbaurei-

he erfolgte in einem international besetz-

ten Konstruktions- und Entwicklungsteam

unter der Leitung des Internationalen Tech-

Entwicklung Neue Motoren

Das ECOTEC-Verbrennungssystem und die Motorarchitektur des neuen2,2-l-Aluminium-Triebwerks von Opel sind auf niedrige Geräusch- undAbgasemissionen ausgelegt. Das in Deutschland erstmals im Astra Coupéeingesetzte Triebwerk ist bereits nach Euro 4 zertifiziert. Es zeichnet sichdurch minimale Wartungsumfänge und eine lange Lebensdauer aus. DerDOHC-Vierventil-Ottomotor hat zwei kettengetriebene Nockenwellen,einen Ventiltrieb mit Rollenschlepphebeln und hydraulischem Spielaus-gleich. Des Weiteren sind in den Zylinderblock des Motors zwei ketten-getriebene Ausgleichswellen integriert. Das modulare Konzept ermög-licht eine gute Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Fahrzeugkonzepteund Märkte.

Der neue 2,2-l-ECOTEC-Aluminium-Motor von Opel

551MTZ Motortechnische Zeitschrift 61 (2000) 9

nischen Entwicklungszentrums (ITEZ) der

Adam Opel AG in Rüsselsheim. Das Lasten-

heft berücksichtigte dabei bereits die viel-

fältigen Anforderungen an einen Motor,

der weltweit in verschiedenen Fahrzeugen

zum Einsatz kommen soll. Die wesentli-

chen Punkte im Lastenheft waren eine Ge-

wichts-, Verbrauchs- und Rohemissionsre-

duzierung sowie eine Komfortverbesse-

rung im Geräusch- und Schwingungsver-

halten bei zugleich guter Anpassungsfähig-

keit an unterschiedliche Fahrzeugkonzepte

und Märkte. Diese Vorgaben führten zu ei-

nem modularen Konzept, Bild 1. Dabei kön-

nen dem Basismotor Elemente wie Abgas-

turboaufladung, Abgasrückführung (AGR),

Direkteinspritzung (BDE), Einlasskanalab-

schaltung (PDA), Schaltsaugrohr, variabler

Ventiltrieb (VVT), Ausgleichswellen oder

Sekundärlufteinblasung (SLE) je nach Be-

darf hinzugefügt werden.

Die große Flexibilität des Triebwerkes zeigt

sich auch in einem Leistungsband, das sich

über 44 kW erstreckt. Es werden Drehmo-

mente von 181 Nm bis 300 Nm angeboten.

Kraftstoffe der Qualität ROZ 91 bis ROZ 98

sowie auch der brasilianische E20 können

eingesetzt werden. Die Verdichtung vari-

iert von 9,5:1 bis 12,0:1. Im spezifischen

Kraftstoffverbrauch, Bild 2, und bei den

Rohemissionen werden im Vergleich zu

den zu ersetzenden Motoren sowie zum

Wettbewerb Spitzenwerte erreicht.

Die neue Motorenbaureihe wurde erstmals

im März 1999 in Sinsheim [1] sowie auf dem

Wiener Motorensymposium [2] vorgestellt.

Sie löst die bisherigen ECOTEC-Motoren mit

1,8 und 2,0 l Hubraum [3] ab. Die Premiere

in einem Fahrzeug hatte das 2,2-l-Trieb-

werk in den USA im Saturn LS sowie in

Europa im Astra Coupé 2.2-16V der Adam

Opel AG. Die technischen Daten für diese

beiden Modelle sind in Tabelle 1 zusam-

mengefasst. Bild 3 zeigt die Leistungs- und

Drehmomentkurve des Astra Coupé mit

dem 2,2-l-Triebwerk. Der nächste Serienein-

satz im Opel Speedster steht kurz bevor,

weitere Varianten und Modelle werden fol-

gen.

2 Die Technik der neuen ECOTEC-Motoren

Bei der neuen ECOTEC-Motorenbaureihe

sind der Zylinderkopf, die Zylinderkopfhau-

be, der Zylinderblock sowie das untere Kur-

belgehäuse und die Ölwanne aus Alumini-

um gefertigt. Nach DIN 70020A wiegt das

2,2-l-Aggregat 138 Kilogramm. Der Zylin-

derblock hat eingepresste Grauguss-Lauf-

buchsen. Bei den beiden ersten Anwendun-

gen – im Saturn LS und dem Astra Coupé –

hat das neue 2,2-l-Aggregat zwei Aus-

EntwicklungNeue Motoren

Dipl.-Ing.Walter Schnittger ist Chefingenieurder neuen ECOTEC-Aluminium-Motorenbaureiheund Leiter des Projekts im Internationalen TechnischenEntwicklungszentrum (ITEZ)der Adam Opel AG in Rüsselsheim.

Dipl.-Ing. Georg Bednarek ist „Total Integration Engineer“ für Konstruktion und Freigabe imInternationalen TechnischenEntwicklungszentrum (ITEZ)der Adam Opel AG in Rüsselsheim.

Dipl.-Ing. (FH) Manfred Pöpperl istEntwicklungsgruppenleiterim Internationalen Techni-schen Entwicklungszentrum(ITEZ) der Adam Opel AGin Rüsselsheim.

Die Verfasser

Bild 1: Modulares Konzept des neuen ECOTEC-Motors

Figure 1: Modular concept of the new ECOTEC engine

Bild 2: Spezifischer Kraftstoffverbrauch des neuen 2,2-l-ECOTEC-Motors

Figure 2: Specific fuel consumption of the new 2.2 l ECOTEC engine


gleichswellen. Bild 4 zeigt den Motor im

Längs- und Querschnitt.

2.1 Der Zylinderblock

Der Zylinderblock ist aus 319-T5 Aluminium

im Lost-Foam-Verfahren aus fünf verkleb-

ten Styrolschäumen hergestellt. Der um-

weltfreundliche Prozess liefert ein Gussteil,

das maximale Integrationsmöglichkeiten

bietet. Mit anderen Gießverfahren wäre

dies in der Großserie nicht herstellbar. Das

Lost-Foam-Verfahren ermöglicht zudem

optimierte Wandquerschnitte zur Verrin-

gerung des Gewichts, eine Minimierung

der Bearbeitungs- und Montageoperatio-

nen sowie gleichmäßige, genaue und gut

definierte Gussteile.

Die primäre Längenabmessung des Zylin-

derblocks, der Zylinderabstand, war wegen

ehrgeiziger Motorlängen-Zielvorgabe in

Kombination mit weiteren Anforderungen

Gegenstand einer umfangreichen Untersu-

chung. Dabei mussten – unter Berücksichti-

gung des Gießverfahrens – folgende Punk-

te beachtet werden:

– Open-Deck-Zylinderblock

– Kühlmittelkanäle zwischen den Zylin-

dern

– eingepresste Grauguss-Zylinderlauf-

buchsen

– Flansch an Zylinderlaufbuchse für

festen axialen Sitz der Laufbuchse in der

Bohrung und für gutes Dichtverhalten

der Zylinderkopfdichtung

– Bearbeitungsfähigkeit des kopfseitigen

Flansches

– Verwendung einer Mehrlagen-Stahl-

dichtung.

Außerdem wurde eine detaillierte Analyse

des Wassermantelbodens und des Zylinder-

kopfschrauben-Gewindebereichs durchge-

führt, um eine gleichmäßige Krafteinlei-

tung der Schraubenkräfte zu erzielen und

somit die Zylinderverzüge der vierten Ord-

nung zu minimieren. Die besondere Beach-

tung dieser Zylinderverzüge war notwen-

dig, um eine hohe Systemdauerhaltbarkeit

zu erreichen sowie die Kolbenringspan-

nung und den Ölverbrauch zu reduzieren.

Die Wassermanteltiefe wurde auf 70% des

Hubs festgelegt, um das Kühlmittelvolu-

men für eine schnelle Erwärmung zu redu-

zieren. Die Open-Deck-Konstruktion erhöht

den Anteil der gekühlten Fläche der oberen

Zylinderbohrung.

Die Schmierölkanäle sind eingegossen und

bedürfen keiner Längs- oder Querbohrope-

ration. Die beiden Hauptölgalerien speisen

alle Schmiersysteme innerhalb des Motors:

Hauptlager, Zylinderkopf, Kettentrieb und

Ausgleichswellen. Es können Ölspritzdüsen

zur Kolbenkühlung für Spitzenleistungsva-

rianten des Triebwerks – etwa für den Tur-

bo – eingesetzt werden.

Das Ölfiltergehäuse ist ebenfalls an den Zy-

linderblock angegossen und ist als aufrech-

te Filterkonstruktion mit voll veraschbarer

Patrone ausgeführt.

Die Ausgleichswellen sind im Zylinder-

block auf gleicher Höhe integriert. Die

dafür eingepressten Lagerbuchsen werden

nicht nachbearbeitet. Die im Zylinderblock

integrierten Ölrückläufe und die Kurbel-

gehäuseentlüftung sind mit dem Aus-

gleichswellengehäuse verbunden. Große

Querschnitte führen zu niedrigen Gasge-

schwindigkeiten und unterstützen somit

die Ölabscheidung. Die kettengetriebene

Wasserpumpe ist in die Rückseite des ange-

gossenen Kettenkastens eingesetzt. Ein in-

terner Kanal fördert Kühlmittel vor dem er-

sten Zylinder in das im U-Flow-Design aus-

geführte Kühlsystem. Für den Kühlmittel-

Nebenstrom vom Zylinderkopf ist ein Ka-

nal zwischen dem Zylinderblock und dem

Auslasskrümmer integriert.


Bild 3: Leistungs- und Drehmomentkurve des 2,2-l-ECOTEC-Motors

Figure 3: Power and torque curves of the 2.2 l ECOTEC engine

USA: SATURN LS Europa:ASTRA

Hubraum cm3 2198

Hub/Bohrung mm 94,6 / 86,0

Max. Leistung kW bei 1/min 103 bei 5600 108 bei 5800

Max. Drehmoment Nm bei 1/min 195 bei 4200 203 bei 4000

Verdichtung 9.5 : 1 10,0 : 1

Ventiltrieb DOHC, Rollenschlepphebel

Ventilwinkel Einlass: 18° / Auslass: 16°

spez. Leistung kW/l 47 49

Klopfregelung Global Zylinderselektiv

Kraftstoff ROZ 91 (95, 98) 95 (91, 98)

Abgasnachbehandlung 3-Wege Katalysator 3-Wege Katalysator, AGR

Abgasgesetzgebung LEV EURO IV

Tabelle 1:Technische Daten des 2,2-l-ECOTEC-Motors

Table 1:Technical data of the 2.2 l ECOTEC engine


2.2 Das untere Kurbelgehäuse

Das untere Kurbelgehäuse ist aus Alumini-

um 319 F im Niederdruckgussverfahren

hergestellt. Zur Anbindung an den Zylin-

derblock werden für jede der fünf Lagerstel-

len vier Hauptlagerschrauben verwendet,

weitere Schrauben dienen zur Verschrau-

bung der Außenwand im Flanschbereich.

Die Hauptlagerschalen sind dickwandig

ausgeführt, um die Einflüsse der unter-

schiedlichen Wärmeausdehnungen des

Aluminium-Zylinderblocks und der Guss-

eisen-Kurbelwelle auf das Geräuschverhal-

ten zu minimieren. Um die Lagerverfor-

mungen trotz der hohen mechanischen Be-

lastung zu verringern, wurden umfangrei-

che FEM-Analysen (Finite Element Metho-

de) durchgeführt. Die Lager sind nicht klas-

sifiziert und decken einen Betriebstempe-

raturbereich von -40° bis +150°C ab.

Die Kurbelwelle ist nahezu vollständig vom

unteren Kurbelgehäuse eingeschlossen.

Ausgenommen sind die Öffnungen zur

Verschraubung der Pleuelstangen. Durch

die Konstruktion des Kurbelgehäuses

konnte auf einen Ölhobel verzichtet wer-

den. Ölkanäle, Rücklauf- und Entlüfter-

kanäle sowie Anlasserflansch sind eben-

falls in das untere Kurbelgehäuse inte-

griert. Eine aerobe Flüssigdichtung (RTV)

wird sowohl im Dichtungsbereich von Zy-

linderblock und dem unteren Kurbelgehäu-

se als auch zwischen der Ölwanne und dem

unteren Kurbelgehäuse verwendet.

2.3 Die Zylinderlaufbuchsen

Die Grauguss-Zylinderlaufbuchsen mit ei-

ner Wandstärke von 1,5 mm werden im

Schleudergussverfahren hergestellt. Sie

werden bündig zum oberen Flansch einge-

presst und ausgerichtet. Die Laufbuchsen

werden im Block bearbeitet und gehont. Für

die Zylinderbohrung ist eine Toleranz von

16 µm spezifiziert, was die Verwendung ei-

ner einzigen Kolbenklasse ermöglicht.

2.4 Der Zylinderkopf

Der Zylinderkopf besteht aus 319 T5-Alumi-

nium und wird im Lost-Foam-Gießverfah-

ren hergestellt. Mit diesem Gießverfahren

können alle Ölkanäle, die Kanäle für die Ab-

gasrückführung und die Sekundärluft-

führung, die Kanäle für die Kurbelgehäu-

seentlüftung und den Ölrücklauf sowie die

Kühlmittel By-Pass- und Auslass-integriert

werden. Bild 5 zeigt den Zylinderkopfzu-

sammenbau. Wesentliche Konstruktions-

merkmale des Zylinderkopfs sind:

– Zylinderkopf mit optimierter Höhe und

Breite erlaubt einen Ventilwinkel von

18° bei den Einlass- und 16° bei den Aus-

lassventilen

– reibungsoptimierter Ventiltrieb mit Rol-

lenschlepphebel

– Ventiltellerdurchmesser: 35,1

mm für die Ein- und 30,1 mm

für die Auslassventile

– Applikation von bereits in Se-

rie befindlichen Ventiltrieb-

komponenten anderer GM-

Motoren

– Kraftstoff-Einspritzventile im

Zylinderkopf montiert

– integrierte Sekundärluftkanäle am Aus-

lasskanal nahe dem Auslassventil

– integrierte AGR-Kanäle mit Montage-

flansch für das Ventil

– freier Werkzeugzugang zu den Zylinder-

kopfschrauben auch bei montierten

Nockenwellen

– U-Flow-Design Kühlsystem: Das Kühl-

mittel strömt von der Vorderseite des

Zylinderblocks zur Rückseite, weiter in

den Zylinderkopf und anschließend zur

Vorderseite zum Austritt in den Kühler.

Um die Bauteilfestigkeit des Zylinderkopfs

sicherzustellen, wurden umfangreiche

FEM-Analysen durchgeführt. CFD(Compu-

tational Fluid Dynamics)-Analysen bilde-


Bild 4: Längs- undQuerschnitt des 2,2-l-ECOTEC-Motors

Figure 4: Longitudinaland cross-sectionalview of the 2.2 l ECOTEC engine

Bild 5: Zylinderkopfzusammenbau

Figure 5: Cylinder-head assembly


ten die Grundlage für die Auslegung des

motorinternen Kühlsystems. Begleitende

Versuche wurden an transparenten Stereo-

lithographie-Modellen (SLA) des Wasser-

mantels für Zylinderkopf und -block am

Kühlmittelströmungs-Prüfstand durchge-

führt. Ein Ergebnis dieser Versuche sind

Kühlmittel-Leitrippen, die zwischen den

Zylindern an der Wassermanteloberseite

einer guten Kühlung der Brennraumober-

seite sowie des Zündkerzenauges dienen.

Der Motor wurde auf ein Minimum von Fu-

gen und Leckagepfaden hin optimiert. Das

Design des Kettenkastens ist hierfür ein gut-

es Beispiel, denn es vermeidet eine Dreiwege

„T“-Fuge zwischen Zylinderkopf, Zylinder-

block und Steuergehäuse. Das Entlüftungs-

system ist in das Zylinderkopfgussteil inte-

griert. Dadurch bleiben die primären Kurbel-

gehäuse-Entlüftungskanäle warm, wodurch

auch bei wiederholten Kaltstarts und kurzen

Warmlaufbedingungen einer Emulgierung

des Motoröls entgegen gewirkt wird.

Die Sekundärluftkanäle sind ebenfalls im

Zylinderkopf integriert. Bei Motoren mit Se-

kundärlufteinblasung wird diese über den

Auslasskrümmer gespeist. Dies liefert bei

der Abgasnachbehandlung zusätzlichen

Sauerstoff in den Abgasstrom. Die dadurch

eingeleitete exotherme Reaktion verbessert

das Startverhalten des Katalysators.

Das Ventil für die Abgasrückführung ist auf

der Rückseite des Zylinderkopfs montiert,

die AGR-Kanäle sind ebenfalls in den Zylin-

derkopf integriert. Die Einspritzdüsen sind

zwecks optimalem Abstand zur Rückseite

des Einlassventiltellers am Zylinderkopf

montiert, ihre optimierte Strahlgeometrie

verringert die Wandbenetzung.

Die Lagerdeckel der Nockenwelle aus Alu-

minium-Druckguss werden in der Ferti-

gungslinie hydraulisch fixiert. Die unteren

Hälften des vorderen Nockenwellenlager-

zapfens wirken gleichzeitig als Axiallager.

2.5 Der Kurbeltrieb

Die Bohrungs- und Huboptionen innerhalb

der Motorfamilie zeigt Tabelle 2.

2.5.1 Die Kolben

Die Kolben haben eine Kompressionshöhe

von 26,75 mm und einen Feuersteg von nur

drei Millimetern. Sie werden mit nur einer

Größenklasse verbaut. Gewichtsoptimie-

rungen am Kolben, den Ringen und dem

Kolbenbolzen ergeben deutliche Verbesse-

rungen hinsichtlich Kraftstoffverbrauch

und Geräusch. Die Minimierung der Spalt-

volumina und die kleine Feuersteghöhe er-

möglichen geringe HC-Emissionen.

Der in der Höhe reduzierte Feuersteg führt

zu erhöhten Temperaturen im Bereich des

Kompressionsrings, was ein Hartanodisie-

ren der Ringnut erforderlich macht. Der

Kolbenbolzen ist sowohl im Kolben als

auch in der Pleuelstange schwimmend ge-

lagert. Details des Ringpaketes zeigt Tabel-

le 3.

2.5.2 Die Pleuelstange

Die sintergeschmiedete Pleuelstange aus

C70 S6 ist bereits als Rohteil maßgenau.

Das große und kleine Auge sind gleich

stark, was die Bearbeitung vereinfacht und

die Fertigungskosten reduziert. Als Ergeb-

nis werden nur sechs Klassen benötigt. Das

große Auge wird mit dem von Opel ent-

wickelten „Crack-Verfahren“ hergestellt,

im kleinen Auge ist eine 1 mm dicke Lager-

buchse eingepresst.

2.5.3 Die Hauptlager

Es werden nur Hauptlagerschalen einer

Größenklasse verwendet. Die Ölversorgung

erfolgt durch die obere Lagerschale, die eine

140 Grad Nut statt der traditionellen 180

Grad aufweist. Die obere Nut endet vor der

Trennfuge der Lagerschalen. Auf diese Wei-

se werden Leckagen reduziert und der Ölbe-

darf gesenkt. Die Ölversorgung des Pleuel-

lagers erfolgt über eine Bohrung vom Hub-

zum Hauptlagerzapfen, welche in eine

Querbohrung im Hauptlagerzapfen mün-

det. Das zweite Hauptlager dient als Axial-

lager, um die Toleranzen und Differential-

ausdehnungseffekte auf die Ausrichtung

der Kettentriebe zu reduzieren.

2.5.4 Die Kurbelwelle

Die Sphäroguss-Kurbelwelle mit 56 mm

Hauptlager- und 49 mm Hublagerzapfen-

durchmesser hat acht Gegengewichte, um

Kurbelwellendurchbiegungen zu minimie-

ren. Die Vorder- und Hinterkanten der Ge-

gengewichte sind aerodynamisch geformt,

Bild 6, um die Ventilationsverluste der Kur-

belwelle zu reduzieren.

Das Motorreibungsziel des 2,2-l-ECOTEC-

Motors wurde per Benchmarking der be-

sten Wettbewerber-Motoren festgelegt.

Messungen zeigen, dass die ECOTEC-Kurbel-

welle eine der besten ihrer Klasse ist, Bild 7.


Hubraum 1.8 l 2.0 l 2.2 l

Bohrung [mm] 86 86 86

Hub [mm] 77,4 86 94,6

Tabelle 2: Bohrungs- und Huboptionen der neuen 2,2-l-ECOTEC-Motorenbaureihe

Table 2: Bore and stroke options for the new 2.2 l ECOTEC engine family

Ring Typ Material Dicke

1. symmetrisch balliger Rechteckring Molybdän plasmabeschichtet 1,2 mm

2. Nasenminutenring Gusseisen 1,5 mm

3. dreiteiliger Ölabstreifring verchromter Stahl 2,5 mm

Tabelle 3: Das Kolbenringpaket der ECOTEC-Motoren

Table 3: Piston ring package for ECOTEC engines

Bild 6: Kurbelwelle

Figure 6: Crankshaft



Die Kurbelwelle besitzt eine integrierte

Segmentscheibe mit eingearbeiteten

Schlitzen für das Abgreifen des Kurbelwin-

kels. Die sehr genauen Kurbelgeschwindig-

keits- und Beschleunigungsdaten werden

für die EOBD-Funktion benötigt.

2.6 Die Kettentriebe

Die Nockenwellen werden von einer Sim-

plex-Rollenkette mit acht Millimeter Tei-

lung angetrieben, bei den Ausgleichswel-

len kommt eine Hülsenkette mit 7 mm Tei-

lung zum Einsatz. Die Kühlmittelpumpe ist

in den Ausgleichswellen-Kettentrieb inte-

griert. Ihr Kettenrad wirkt gleichzeitig als

Umkehrrad für die Ausgleichswellen-Ge-

gendrehung, Bild 8.

Die Kettengliedlänge und die Durchmesser

der Kettenräder wurden – innerhalb des

vorgegebenen Bauraums – optimiert, um

die Eingriffsgeräusche zu optimieren. Die

Kettenradzähne der Ausgleichswellen be-

sitzen Dämpfungsringe, um das Ketten-

geräusch weiter zu reduzieren. Beide Ket-

tensysteme haben hydraulische Ketten-

spanner. Die Ölzufuhr der Kettenspanner

sowie kritische Punkte hinsichtlich der Ket-

tenschmierung sind ebenfalls integriert

ausgeführt. Diese gezielte Schmierung wird

durch das Öl ergänzt, das von der Vorder-

seite des Zylinderkopfs zurückläuft und auf

die Kette gerichtet wird.

2.7 Ventiltrieb und Ausgleichswellen

Das Ventilbetätigungssystem mit Rollen-

schlepphebeln wurde aus Gründen der ge-

ringeren Reibung gewählt, Bild 9. Schlepp-

hebel und hydraulischer Spielausgleich

wurden von anderen GM-Motorenbaurei-

hen übernommen. Ein weiterer Vorteil die-

ses Layouts ist die geringe Zylinderkopf-

höhe.

2.7.1 Die Nockenwellen

Die Nockenwellen bestehen aus indukti-

onsgehärtetem Kugelgraphitguss. Die

Nockenprofile sind mit einem konkaven

Radius von 60 mm ausgeführt. Die Ketten-

radzähne der Nockenwelle bestehen aus

gesintertem Pulvermetall und sind über

eine Nut-Feder-Verbindung verbunden.

Der Ventilfederdraht hat einen ovalen

Querschnitt, der höhere Oberflächenbelas-

tungen zulässt.

Die Servolenkungspumpe wird bei Anwen-

dungen ohne elektrohydraulische Servo-

pumpe (EHSP) direkt vom hinteren Ende

der Einlassnockenwelle angetrieben. Da-

durch wird die Betriebsdrehzahl der Pumpe

reduziert und der Riementrieb vereinfacht.

Somit wird eine verbesserte Systemhalt-

barkeit und eine geringere Geräuschent-

wicklung erreicht.

2.7.2 Die Ausgleichswellen

Die zwei gegenläufigen Ausgleichswellen

drehen mit dem Zweifachen der Motor-

drehzahl und kompensieren die – für einen

Vierzylinder-Reihenmotor typischen –

Massenkräfte zweiter Ordnung. Die Aus-

gleichswellen sind aus Gusseisen herge-

stellt und laufen in je zwei Lagern.

Wegen der stark unterschiedlichen Wär-

meausdehnung von Zylinderblock-, Lauf-

buchsen- und Ausgleichswellenmaterial

werden an die Auslegung der Lagerbuchse

hinsichtlich Presssitz und letztlich erreich-

tem Lagerspiel – ohne Nachbearbeitung des

Bild 7: Spezifischer Reibmitteldruck der Kurbelwelle

Figure 7: Specific mean friction pressure for the crankshaft

Bild 8: Kettentriebe

Figure 8: Chain drives



Lagerinnendurchmessers – hohe Anforde-

rungen gestellt. Eine dickwandige Lager-

buchse zeigte Vorteile hinsichtlich der Halt-

barkeit gegenüber der dünnwandigen Aus-

legung. Bild 10 zeigt eine FEM-Berechnung

der Ausgleichswellendurchbiegung bei

maximaler Drehzahl.

2.8 Das Kühlsystem

Die Besonderheit des Kühlsystems ist der

Vollstrom-By-Pass, gekoppelt mit einem

motoreinlassseitig angeordneten Ther-

mostat. Dadurch werden die zyklischen

Temperaturschwankungen reduziert und

das Gesamtsystem rascher erwärmt. Insbe-

sondere unter Kaltstartbedingungen – bei

geschlossenem Thermostat – strömt der ge-

samte Kühlmittelstrom durch den Heizer-

kern und liefert eine sehr schnelle Aufwär-

mung des Fahrgastraums.

2.9 Der Einlasskrümmer

Der Einlasskrümmer wird aus drei Nylon

6.6 Schalen mit 30% Glasfaseranteil im

Reibschweißverfahren hergestellt, Bild 11.

Er ist in Fahrtrichtung vorne angeordnet.

Die sehr kompakte Ausführung wurde

durch die Umsetzung eines Krümmers im

Scroll-Design erzielt. An ein zentral gespei-

stes Sammelvolumen im Inneren der auf-

gewickelten Saugarme schließen sich die

– zum Zylinderkopf konisch verjüngenden –

Einzelsaugarme an. Im Flansch des Saug-

rohrs zum Zylinderkopf gewährleistet die

zylinderselektive Zuführung des Primär-

stroms der Kurbelgehäuseentlüftung opti-

male Gleichverteilungsraten und elimi-

niert die Vereisungsproblematik.

2.10 Ladungswechsel und Luftführung

Aufgrund des sehr kompakten Bauraums

wurde den Optimierungsarbeiten hinsicht-

lich der Luftführung und Gleichverteilung

besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Es

wurden umfangreiche CFD-Analysen

durchgeführt. Mit Erstellung des ersten De-

signvorschlages kamen zudem im Stereo-

lithographie-Verfahren hergestellte Proto-

typen zum Einsatz. Die hohen Zielvorgaben

wurden erreicht durch:

– Strömungsoptimierte Zuführung der

angesaugten Frischluft vom Drossel-

klappenteil zum Sammelvolumen über

einen sich öffnenden Querschnitt zen-

tral über den Saugarmen der Zylinder 2

und 3

– gleichmäßiger Verlauf der Saugarm-

querschnitte unter Vermeidung restrik-

tiver Querschnittsänderungen und Op-

timierung der Saugarmeintrittsquer-

schnitte und Krümmungsradien

– hohe Oberflächengüte unter Berück-

sichtigung der Teilungsebenen der

Saugrohrschalen

– Reduzierung der Längenabweichungen

der einzelnen Saugarme.

Der maximale Luftaufwand > 1,0 stellt im

Vergleich zu sehr viel aufwändigeren Saug-

rohrkonstruktionen einen beachtlichen

Wert dar.

Neben den im Detail beschriebenen Maß-

nahmen der Saugrohroptimierung wurde

insbesondere die Zuführung der Kurbel-

gehäusegase beachtet. Von einem Vertei-

lerplenum, das im Saugrohrflansch ange-

ordnet ist, werden die Gase über getrennt

geführte Kanäle den Zylindern zugeführt.

Im Abgastestzyklus relevanten Motorbe-

trieb ergibt sich somit eine maximale Zylin-

Bild 9: Reibung des Nockenwellenantriebs

Figure 9: Friction in the camshaft drive

Bild 10: FEM-Berechnung der Ausgleichswellendurchbiegung

Figure 10: FEM calculation of balancer shaft flexing



dervariation des Luft-/Kraftstoffverhältnis-

ses von ≤ 3%.

Neben der Anforderung an einen hohen

Luftaufwand in Volllast ist für die Verbren-

nungsstabilität im Teillastbetrieb die Er-

zeugung einer stabilen Ladungsbewegung

im Brennraum während des Ansaug- und

Verdichtungsprozesses von entscheidender

Bedeutung.

Dies gilt im Besonderen bei Ladungsver-

dünnung durch Abgasrückführung. In Ver-

bindung mit der Saugrohrentwicklung

wurde an Strömungsmodellen die Optimie-

rung der Einlasskanäle zur Generierung ei-

nes Ladungswirbels parallel zur Kurbelwel-

lenachse (Tumble) abgestimmt und am

Vollmotor verifiziert. Insbesondere wurde

dabei auf eine hohe Unempfindlichkeit der

Kanalform hinsichtlich Guss- und Bearbei-

tungstoleranzen sowie dem Einfluss der

Ansaugarme geachtet.

Im Vergleich zum bestehenden 2,2-l-Motor

der Baureihe Familie II wurde der Durch-

flussbeiwert um 13% erhöht und der

Wert für den Tumble um 10% redu-

ziert, ohne Nachteile hinsichtlich

Verbrennungsstabilität und AGR-

Verträglichkeit zu erzeugen.

2.11 Kraftstoffverteilerrohrund Drosselklappen-stutzen

Das Aluminium-Kraftstoffverteilerrohr

wird am Zylinderkopf verschraubt. Der

Drosselklappenstutzen ist mittig zum Ein-

lasskrümmer direkt vor dem Kraftstoffver-

teilerrohr montiert. Eine der Anforderun-

gen für den frontalen Fahrzeugaufprall ist

die Vermeidung einer potenziellen Beschä-

digung des Kraftstoffverteilerrohrs. Um-

fangreiche Pendeltests wurden durchge-

führt, um sicherzustellen, dass die Dicht-

heit des Kraftstoffverteilerrohrs bei einem

solchen Ereignis gewährleistet ist.

2.12 Der Auslasskrümmer

Der Auslasskrümmer besteht aus Gussei-

sen mit hohem Silizium-Molybdängehalt.

Das „4-2-1“ Krümmerdesign mit optimier-

ten Querschnitten ist zwischen den Monta-

geflanschen sehr kompakt gehalten. Um

die strengen Anforderungen hinsichtlich

der Dauerhaltbarkeit zu erfüllen, wurde der

Krümmerflansch am Zylinderkopf zwi-

schen den Armen geschlitzt, Bild 12.

An den Wärmeabschirmblechen sind die

Montagehalterungen vernietet statt punkt-

geschweißt, um die Verbindungen flexibler

gegenüber thermischen und mechanischen

Belastungen zu machen. Dies wirkt sich

günstig auf die Dauerhaltbarkeit aus.

3 Motormanagement

Das Motormanagementsystem ist wie folgt

aufgebaut:

– Temperatur- und Drucksensoren im An-

saugkrümmer

– Kraftstoffverteilerrohr mit integriertem

Kraftstoffdruckregler

– Einspritzdüsen direkt am Zylinderkopf

montiert

– Kurbelwellensensor mit einer in die

Kurbelwelle eingegossenen und bear-

beiteten 7x (6+1 zur Synchronisierung)

Geberscheibe

– am Zylinderblock montierter Klopfsen-

sor, zylinderselektive Klopfregelung

– Zündungsmodul mit zwei Spulen, mit

integrierter Zylindererkennung über

Zündfunkendauer, Bild 13

– Long-Life-Zündkerzen, Wechselintervall

60 000 km

– zweite Lambda-Sonde hinter dem

Hauptkatalysator für EOBD (Selbstdia-

gnose)

– elektronische Drosselklappe.

4 Emissionen und spezifischerVerbrauch

Eine herausragende Eigenschaft des 2,2-l-

ECOTEC-Motors sind die niedrigen HC-Roh-

emissionen, Bild 14. Diese ausgezeichnete

Leistung wird durch folgende Merkmale

des Verbrennungssystems möglich:

– Offene Brennraum-Geometrie, Bild 15

– optimierte Ladungsbewegung

– minimiertes Spaltvolumen durch Mehr-

lagen-Metall Zylinderkopfdichtung so-

wie nur 3 mm Feuersteghöhe

– optimierte Steuerzeiten

– optimiertes Motormanagement

– Hochenergie-Zündsystem

Bild 11: Einlasskrümmer

Figure 11: Intake manifold

Bild 12:Auslasskrümmer

Figure 12: Exhaust manifold

Bild 13: Zündmodul

Figure 13: Ignition module



– optimale Zündkerzenposition und Elek-

trodenkonfiguration

– optimierter Abgaskanal und Abgasrohr-

durchmesser.

Die hintenliegende Auslassseite und der

Krümmer aus Gusseisen gewährleisten

eine rasche Erwärmung des direkt hinter

dem Auslasskrümmer angeordneten Start-

Katalysators aus Metall. Dieser Oxidations-

Katalysator ist 69 mm im Durchmesser und

74,5 mm lang. Der Hauptkatalysator befin-

det sich unter dem Wagenboden. Sein Kera-

mik-Monolith hat einen Durchmesser von

rund 113 mm bei 228 mm Länge. Beide Kata-

lysatoren sind mit den Edelmetallen Palla-

dium und Rhodium beschichtet. Um die

EOBD-Anforderungen zu erfüllen, ist vor

und hinter dem Hauptkatalysator jeweils

eine Lambda-Sonde platziert.

Die erste Applikation des Motors in den

USA hat zwar keine Abgasrückführung

(AGR), doch das Verbrennungssystem wur-

de in Richtung hoher AGR–Verträglichkeit

entwickelt und kommt zum Beispiel beim

Astra Coupé zum Einsatz. Dank eines elek-

tronisch angesteuerten Rückführventils ar-

beitet das System unabhängig vom Saug-

rohr-Unterdruck, der Regelbereich wird da-

durch größer und die Anpassung an den je-

weiligen Betriebszustand des Motors ver-

bessert. Das Astra Coupé ist bereits nach

Euro 4 zertifiziert, der Saturn LS erfüllte in

seiner ersten Ausführung die LEV-Abgas-

werte. Das neue Leichtmetalltriebwerk

zeichnet sich durch günstige Verbrauchs-

werte aus. Der minimale spezifische Ver-

brauch beträgt 230 g/kWh, Bild 16, das sind

drei Prozent weniger als beim bisherigen

Zweiliter-Triebwerk.

5 Motorakustik

Ein wesentliches Entwicklungsziel waren

geringe mechanische Geräuschwerte sowie

niedrige Werte beim Verbrennungs-

geräusch. Der Zielwert von 92 dB(A) Nah-

feld-Schalldruck bei Volllast mit 4.000/min

Motordrehzahl wurde erreicht. Er liefert

eine ausgezeichnete Grundlage zur Erfül-

lung künftiger Geräuschvorschriften. Die

wesentlichen Maßnahmen für die Ge-

räuschoptimierung sind:

– Ausgleichswellen, im Zylinderblock in-

tegriert

– einteiliges unteres Kurbelgehäuse mit

dickwandigen Hauptlagern

– strukturversteifende Ölwanne mit Ge-

triebeanbindung

– direkt montierte Nebenantriebsaggre-

gate (keine Halter)

Bild 14: NOx-Emissionen über HC bei Teillast

Figure 14: NOx emissions plotted against HC at part-load

Bild 15: Brennraumgeometrie

Figure 15: Combustion-chamber geometry

Bild 16: Kennfeldspezifischer Verbrauch

Figure 16: Map of specific fuel consumption



– Kettentriebe vollständig gekapselt (in-

nerhalb Zylinderblock und -kopf)

– Kurbelwellenzahnrad mit Elastomer-

Dämpfungsring

– hydraulische Raster-Kettenspanner

– interne Kühlmittelpumpe integriert in

Ausgleichswellen-Kettentrieb

– direkt von der Einlassnockenwelle an-

getriebene Servolenkungspumpe beim

Saturn LS

– kurzer Poly-V-Riementrieb

– entkoppelte Ventilhaube

– Einlasskrümmer strukturoptimiert,

Saugarme mit minimaler Längendiffe-

renz.

6 Service undUmweltfreundlichkeit

Das Aggregat ist für eine Lebensdauer von

mehr als zehn Jahren oder 240 000 km

Laufleistung konzipiert, wobei es beson-

ders wartungsarm ist. Die technischen Vor-

aussetzungen dafür sind:

– Silikatfreie Kühlflüssigkeit ohne Wech-

selintervall

– kettengetriebene Nockenwellen

– wartungsfreier Ventiltrieb mit hydrau-

lischem Ventilspielausgleich

– kabelloses Hochleistungs-Zündmodul,

in die Zylinderkopfhaube integriert

– Long-Life-Zündkerzen

– aerobe Flüssigkeitsdichtungen am

zweigeteilten Kurbelgehäuse und an

der Ölwanne

– vollständig veraschbarer Ölfilter

– Ölfiltergehäuse direkt an den Zylinder-

block angegossen, Bild 17.

7 Produktion

Die Produktion der neuen Motoren startete

bereits im weltweit größten Motorenwerk

in Tonawanda nahe Buffalo im US-Bundes-

staat New York. Der Fertigungsumfang be-

schränkt sich dabei auf die fünf Hauptkom-

ponenten Zylinderkopf, Zylinderblock,

Pleuel, Nockenwelle, Kurbelwelle und auf

den Motorzusammenbau inklusive Tests,

Bild 18. Durch die Fertigungsgleichheit der

Module ist der Austausch der Komponen-

ten innerhalb der 2,2-l-ECOTEC-Fertigungs-

gemeinschaft gewährleistet, so dass Be-

darfsspitzen abgedeckt werden können. Ab

2001 werden die neuen Leichtmetall-Moto-

ren auch in Kaiserslautern produziert, wo

zur Zeit die Fertigungseinrichtungen für die

neue ECOTEC-Motorenbaureihe installiert

werden. Eine dritte Fertigungsstätte ist zur

Zeit noch in Planung.

8 Zusammenfassung

Das neue Leichtmetall-Triebwerk mit 2,2-l-

Hubraum ist der erste Vertreter einer völlig

neuen Motorengeneration der Opel-ECO-

TEC-Baureihe. Es zeichnet sich durch gerin-

ges Gewicht, deutlich verringerte Roh-Emis-

sionen, hervorragenden Kraftstoffver-

brauch sowie ein wesentlich verbessertes

Geräusch- und Schwingungsverhalten aus.

Das neue Aggregat wird weltweit in mehre-

ren Fahrzeugkonzepten und Märkten zum

Einsatz kommen. Die unterschiedlichsten

Anforderungen können dabei durch den

modularen Aufbau abgedeckt werden.

Dazu ist der Basismotor mit Elementen wie

Abgas-Turboaufladung, Abgasrückführung

(AGR), Direkteinspritzung, Einlasskanal-Ab-

schaltung (PDA), Schaltsaugrohr, variabler

Ventiltrieb (VVT), Ausgleichswellen oder Se-

kundärlufteinblasung (SAI) erweiterbar.

Der erste Einsatz des neuen Triebwerks in

Europa erfolgte bereits im neuen Astra

Coupé. Das nach Euro 4 zertifizierte Coupé

leistet 108 kW und verbraucht nach MVEG

nur 8,4 l/100 km.

Der nächste Serieneinsatz im Opel Speeds-

ter und im Vectra steht unmittelbar bevor.

Literaturhinweise

[1] Willenbockel, Dr. O.: Konstruktion, Entwick-lung und Produktion eines neuen Motors in ei-ner globalen Organisation. 3. FachkonferenzAutomobilentwicklung und Management,März 1999 in Sinsheim

[2] Schnittger, W.; Bednarek, G.; Jacobsen, R.;Spiess, R.; Forst, R.: Der neue 2,2-l-ECOTEC Alu-minium-Motor von Opel. 21. InternationalesWiener Motorensymposium, Mai 2000

[3] Breitwieser, K.; Bednarek, G.; Snitil, B.: Die neu-en Vierventilmotoren mit 1,8 l und 2,0 l Hub-raum für den neuen Opel Vectra. In: MTZ 56(1995) 9

Bild 17:Ölfiltergehäuse

Figure 17: Oil filterhousing

Bild 18: Fertigungs-module des 2,2-l-ECOTEC-Motors

Figure 18: Productionmodules for the 2.2 lECOTEC engine

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