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Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien

LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 1

Prof. Dr. Uwe D. Grebe

WEITERENTWICKLUNG DES

OTTOMOTORS



28pt fett

Weiterentwicklung des Ottomotors

1. Entwicklungsrandbedingungen1.1 Gesetzliche Vorschriften1.2 Anforderungen von der Kundenseite

2. Verbrauchsreduzierung2.1 Thermodynamik

(Benzindirekteinspritzung, variable Ventiltriebe, Ladungsverdünnung, ...)2.2 Reibungsreduzierung2.3 Downsizing, Lastpunktverschiebung

3. Alternative Kraftstoffe

4. Volllastverbesserung4.1 Luftaufwandsverbesserung bei freisaugenden Motoren4.2 Aufladung

5. Reduzierung der Abgasemissionen5.1 Motorinterne Maßnahmen5.2 Abgasnachbehandlung

6. Verbesserte Architektur6.1 Gewichtsreduzierung6.2 Kostenreduzierung6.3 Komfortverbesserung

7. Aktuelle Technologieeinführungen bei Ottomotoren

8. Entwicklungstendenzen für die Zukunft

Gliederung



28pt fett

Reduzierung der mechanischen Verluste hat einen direkten Einfluss auf den

Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs

Verluste im Antriebsstrang

Arbeit am Kolbenboden ~ 38% der Kraftstoffenergie

Luftwiderstand

17 %

Rollwiderstand der

Reifen

12 %

Beschleunigung der

Fahrzeugmasse

11 %

Elektrische

Verbraucher

3 %

Getriebe und

Achsantrieb

18 %

mechanische Verluste

im Motor

37%

Antriebsstrang

und Fahrwerk

2 %

100 %

Kraftstoff -

Energieinhalt

Wärmeverluste im Abgas und im Kühlmedium

~ 62% der Kraftstoffenergie



28pt fett

Reibungsreduzierung

Parasitäre Verluste des Motors:

• Reibung der gegeneinander bewegten Teile

• Ventilations- und Panschverluste im Motor

• Reibung der Nebenaggregate

• Verluste aller zum Betrieb des Motors benötigter

Komponenten (Öl-, Wasser-, Kraftstoffpumpe, ... )

Reduzierung der mechanischen Verluste („Reibung“) führt zu

einer generellen Verbrauchsreduzierung

Sinn und Notwendigkeit



28pt fett

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Drehzahl in 1/min

Ottomotoren

Diesel-Motoren

Motorreibung - Streuband

Gesamtmotor geschleppt - TÖl / TKühlmittel 90°C

Reib

mitte

ldru

ck in b

ar

Ottomotoren profitieren von dem niedrigeren Spitzendrücken (Architekturauslegung und

direkter Einfluß) und der niedrigeren Antriebsarbeit für das Einspritzsystem



28pt fett

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

Drehzahl [1/min]

1000 2000 3000 4000 5000 6000

6%

8%

10%

12%

15%

20%

30%

40%

Dre

hm

om

ent

[%]

Reibungsanteil an der inneren Arbeit

Reibungsverluste bezogen auf die freigesetzte Arbeit

Quelle: FEV

MVEG



28pt fett

Mechanischer Wirkungsgrad

Quelle: Manuskript - Verbrennungskraftmaschinen

Prof. Hohenberg, TU Darmstadt

MVEG-Test Zyklus relevanter Bereich

Durchschnittlicher mech.

Wirkungsgrad: 70 %

4-Takt Ottomotor



28pt fett

Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch

Reibungsreduktion im Motor10% Reduktion der

mechanischen Verluste

im Motor

Maßnahmen zur Minimierung der Reibung im Verbrennungsmotor

Oberflächenrauheit

Struktur/Texturierung

Beschichtungen

1% Kraftstoffersparnis

Alternative

Maschinenelemente

(Wälzlager)

Niedrigviskose Öle

Friction Modifier

Verschleißschutz-

Additive

Quelle: D.E. Sander, Virtual Vehicle Research Center



28pt fett

Reibmitteldruck

Quelle: Manuskript - Verbrennungskraftmaschinen

Prof. Hohenberg, TU Darmstadt



28pt fett

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1000 2000 3000 4000 5000 6000

Ante

il in

%

Motordrehzahl in 1/min

Kurbelwelle

Kolbengruppe

Nebenaggregate

Ventiltrieb

Motorreibung Anteil der Baugruppen



28pt fett

0

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Reib

mitte

ldru

ck [bar]

bei 2000 m

in -

1

Jahr

1990 1995 2000 2005 2010 2015

aufgeladene Motoren

Saugmotoren ?

Entwicklung der Reibung – Ottomotor

Reduzierung der Reibung um 40% in 25 Jahren !

Beispiel: Ottomotor



28pt fett

Reibungsminderung im Ventiltrieb

Verbesserung der Reibungsbedingung

• Vermeidung von Grundkreisreibung

• Übergang auf Rollreibung

• Verbesserung der hydrodynamischen Schmierung

Massenreduzierung

• Erlaubt bei gleicher dynamischer Auslegung eine Reduzierung der

Federkraft und damit der Normalkraft in der Reibfläche



28pt fett

Nockenwellenantriebsmoment

-15

-12,5

-10

-7,5

-5

-2,5

0

2,5

5

7,5

10

12,5

15

-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70

Dre

hm

om

en

t in

Nm

Nockenwellenwinkel in °NW

Gesamt-Nockenwellenmoment

Reibungsmoment

+

-

antreibend

MAntrieb

0°NW

Beim Schließen des Ventils wird Arbeit geleistet !

Nur die Reibungsverluste sind aufzuwenden

Gesamtantriebsmoment bestimmt sich aus den Öffnungskräften der Ventile

(Federkraft und Massenkraft) und der Reibung



28pt fett

Reibkontakt

Rauheit

Hertz Kontakt

Reibung

Abrasiver Verschleiß

Abrasiver Verschleißzunehmende Bedeutung der Oberfläche

Schmierstoff

Stribeck - Kurve

Relativgeschwindigkeit v

Gegenkörper

Reib

mom

ent

MR

Grundkörper

Fe

stk

örp

err

eib

un

g

Mis

ch

reib

un

g

Flüssigkeitsreibung

EHD-Schmierung

Kein Materialkontakt

Partikel

Quelle: Dr. Yashar Musayev, Edgar Schulz, Dr.- Ing. Tim Hosenfeldt; Schaeffler

Vergleichsspannung und Reibung



28pt fett

Mechanische Ventilspieleinstellung

Tassenstößel mit

mechanischem

Spielausgleich

Konische Ventil-

feder zur Massen-

reduzierung

Tassenstößel - Ventiltrieb

Beispiel: GM Powertrain 1,6l – 4V Twinport



28pt fett

Führende Ventiltrieb Technologie

012345

Rollenschlepphebel

012345

Kosten

Montage

WartungDynamik

Reibung

Mech. Tassenstößel

Kosten

Montage

WartungDynamik

Reibung

Quelle: Dr. Yashar Musayev, Edgar Schulz, Dr.- Ing. Tim Hosenfeldt; Schaeffler

Bewertung von Ventilbetätigungssystemen



28pt fett

7000

Rollender Abgriff im Ventiltrieb

Rollreibung zwischen Nocke

und Schlepphebel

Schlepphebel

Kipphebel



28pt fett

Reibung im Ventiltrieb

Mechanischer Spielausgleich im Vergleich zum

Rollenschlepphebel

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

Drehzahl in 1/min

Reib

mitte

ldru

ck in b

ar

Streuband Hydr. Tassen

Streuband Rollenschlepphebel

Tassenstößel mit hydraulischem Spielausgleich GM 1,6 l – 4V (Gen. 2)

Bsp eines Tassen-

stößels mit mech.

Spielausgleich

Streubänder der Reibung



28pt fett

Motordrehzahl in 1/min

20001000 3000 4000 5000 6000

Reib

mom

ent

der

Nockenw

elle

[N

m]

0.2

1.0

2.0

3.0 6 Nockenwellenlager

4 Nockenwellenlager

Zahnkette

(Ramsey)

Rollenkette

40-45%15-20%

Anzahl der Nockenwellenlager

Ventiltriebsreibung



28pt fett

Beschichtete Reibflächen

Quelle: Mahle

• Harte, diamantähnliche

Oberflächenbeschichtung.

Meist in PVD (physical

vapor deposition)

aufgebracht

• Direkte Beeinflussung der

Reibfläche

• DLC Schichtdicke 5µm

• Etwa 5% Reibungs-

reduzierungspotentzial

DLC – Diamant Like Coating



28pt fett

Nadellagerung der Nockenwelle

• Gebaute Nockenwelle

mit Nadellagern

• Nadeln laufen direkt

auf der gehärteten

Nockenwelle

• Ventile und

Ventilfedern für die

Messung unverändert

-44%

-

20%

Quelle: Mahle



28pt fett

Ventilmassenreduzierung

Möglichkeiten

• Verringerung des Schaftdurchmesser

• Hohlventile

• Kalotten in den Ventilköpfen

Materialwahl:

• AlTi (Titanaluminid)

• Keramik



28pt fett

Hohlventile



28pt fett

Quelle: MTZ 9-99, BMW

Keramikventile

Materialwahl für Ventile

Keramikventile

• Gewichtsreduzierung bis 50%

• Sehr günstiges

Verschleißverhalten

• Bauteilprüfung in der

Fertigung nicht

zerstörungsfrei möglich

• Bei Ventilschaden dringen die

Bruchstücke durch die

Gaspulsationen in alle

Zylinder Motortotalschaden



28pt fett

Massenreduzierung im Ventiltrieb

Möglichkeiten und GrenzenBauteile für Massenreduzierung

• Ventil (mit Ventilkeilstücken und Federteller)

• Ventilfeder (bewegte Windungen !)

• Übertragungselemente (auf das Ventil reduzierte Masse ist relevant)

Wirkung

• Reduzierung der Federkraft bei gleicher dynamischer Auslegung

(Grenzdrehzahl)

• Reduzierung der Massenkraft infolge der Beschleunigungen

Grenzen für die Reibungsreduzierung

• Bei der Feder ist die Zuhaltekraft bei geschlossenem Ventil und die

Federrate ebenfalls relevant.

die Reibungsreduzierung flacht mit der Gewichtsreduzierung ab



28pt fett

Reibungsreduzierung durch VVT

Beispiel:

Ventildeaktivierung

• Stilllegen von Ventilen in Teilbereichen des

Motorkennfelds

(bei Mehrventilmotoren: nur minimal notwendige Anzahl

der Ein- und Auslassventile betreiben; bei

Mehrzylindermotoren: Abschalten von Zylindern)

• Reduzieren des Ventilhubs



28pt fett

Reibungsminderung im Kurbeltrieb

Verbesserung der Reibungsbedingung

• Optimierung der Kolbenringspannung

• Reibung am Kolbenhemd: Optimierung der

hydrodynamischen Reibung

• Lagerdurchmesser

• Wälzlagerung im Kurbeltrieb

Massenreduzierung

• Vermindert die Massenkräfte und damit der Normalkräfte an den

Reibflächen

Thermomanagement

• Steuerung der Motortemperatur (Motoröltemperatur) in Abhängigkeit

der Motorlast



28pt fett

Reibung im Kurbeltrieb

Lagerdurchmesser

Gleitfläche am

Schaft

Ringanzahl und

Tangentialspannung

HaupteinflußparameterMasse von

Kolben und

Pleuel



28pt fett

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

Reib

mitte

ldru

ck

[bar]

Motordrehzahl [1/min]

5255D 47

5050A

kpi

HublagerHauptlagerVariante

Lagerdurchmesser

15% Reduzierung

der Kurbelwellen-

Reibung

Kurbelwellenreibung hängt stark vom Hauptlager-Durchmesser ab

Balance mit Dauerhaltbarkeit und Geräuschverhalten (NVH)

Reibungsvorteil: 2 – 3 % CO2 Vorteil: 0,4 – 0,6%

Einfluss des Lagerdurchmessers



28pt fett

85%

90%

95%

100%

105%

0 2 4 6 8 10 12 14

Ko

lben

reib

un

gF

ME

P [

%]

Kurbelwellenversatz [mm]

r/l = 0,31 , 1700 1/min @ Teillast

Beste

Kombination

Pin Offset -0.3 mm

Pin Offset -0.5 mm

-10% Kolbenreibung

Reibungsvorteil: 1 – 2 % CO2 Vorteil : 0.2 – 0.5 %

Geschränkter Kurbeltrieb



28pt fettDie Kolbenringe müssen durch die Tangentialspannung der

Zylinderrohrform folgen, um

• Blow-by von Arbeitsgas in das Kurbelgehäuse zu minimieren

• Öl zu dosieren (minimale Schmierfilmdicke zur Funktion der

Kolbengruppe

Minimierte Laufbuchsenverformung erlaubt

Reduzierte Ringspannung

Reduzierte Reibungskräfte

Kolbenring-Tangentialspannung



28pt fett

Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierung

von Verbrennungsmotoren

Zylinderrohrverformung



28pt fettR

eib

ung, V

ers

chle

iß-

un

d F

reß

neig

ung

Ölverbrauch

• Reduzierte Laufflächen-Rauigkeit

• Verbesserte Ölabstreifung

Reduzierter Laufbuchsenverzug

• Verbesserte Honung

• Materialverbesserung bei Ringen und Buchse

• Verringerte Temperaturen

Ölverbrauch und Reibung



28pt fett

Versatz zwischen

Wassermantel

und GewindeVertikale

Rippe

Tragholm-

konstruktion

Angepasste

Wassermantelkontur zur

Steifigkeitsoptimierung

Angepasste Dicke

der

eingegossenen

Laufbuche

Reduzierter Bohrungsverzug ist die Voraussetzung für eine Kolbenringoptimierung

5 – 8 µm reduzierter Verzug ist durch CAE-Einsatz möglich

Reibungsvorteil: 2 - 7% CO2 Vorteil: 0,4 – 1,4%

Minimaler Bohrungverzug



28pt fett

Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierung

von Verbrennungsmotoren

Profil des Kolbenhemdes

Optimierte Form

verbessert die

Reibungsverhältnisse



28pt fett

Quelle: MTZ 9/97, Klink

Laserstrukturierte Lauffläche

Laserstrukturierung erlaubt glatte Laufbuchsen. Die Ölmenge zur

Schmierung wird durch die laserstrukturierten Vertiefungen bereitgestellt.



28pt fett

Laserstrukturierung der Laufbuchse

Bildmaterial Fa. GEHRING



28pt fett

• Lasered Pocket:

Grat nach

Laserbehandlung

Oberflächse nach

Entgraten und Finish-

Honen

Struktur nach Laserbehandlung



28pt fett

•Laser Pocket Specifications Fam. II DI-Diesel (Production)

9.3

-0.5

27.5

-0.5

2.0 +/- 0.35

3.0 +/- 0.35

Rmax in the pocket area > 20 µm,

for 80% min. of 10 measurements

per cylinder block controlled.

35 µm to 80 µm

referred to the

distance between

the center lines of

the surface profiles

of both lateral

surfaces.

In this area laser pockets on RHS

helix pitch 2 +/- 0.2 mm

consecutively positioned.

Laserstrukturierte Laufbuchse



28pt fett

Ölpumpensysteme

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

FMEP [bar]

Engine Speed [rpm]

Toil = Tcoolant = 90°C

Reibungsvorteil: 2 – 4 % CO2 Vorteil: 0,4 – 1,0 %

Fixed Capacity

Fixed Capacity, Crank driven

Flow Controlled

Reibungsvorteil: 5 – 7 % CO2 Vorteil: 1,4 – 2,3 %

Kurbelwellen- und Kettenantrieb



28pt fett

Wälzlagerung der Kurbelwelle

Quelle: FEV

Reibmoment der Hauptlager



28pt fett

Thermomanagement im Kühlsystem

Warmlauf(kaltgestarter

NEDC)

„Alltag“(warmgestarter

NEDC)

Max. Leistung(spez. Verbrauch)

Elektr. Wasserpumpe -2% -1.5% -0% (assumed) (simulation, test back-up)

Mech. Wasserpumpe On/Off-1.5% <-0.5% ----(assumed) (no effect)

Split cooling (add on) -1-2% -0.5…1% -0….5%(assumed) (dependent on enrichment)

Einfluss auf den Verbrauch (Zyklus od. stationär)



28pt fett

Thermomanagement

Quelle: FEV



28pt fett

Übertritte in der

Kopfdichtung

Wassermantel

im Zylinderkopf

Wasser-

pumpe

Wassermantel im

Zylinderblock

Wassersammelrohr

Thermomanagement

Thermostat

elektr.

beheizt

Quelle: FIAT-GM Powertrain



28pt fett

Thermo management – Coolant Engine In Temperatures

Beispiel: Audi EA888 Gen. 3 – 1,8 l T-GDI

Kontinuierliche Strömungsaufteilung



28pt fettElektrisch beheiztes Thermostat erlaubt kennfeldgesteuerte Öffnung

des Thermostats und damit bedarfsgerechte Kühlung

Teillast

• Hohe Kühlmitteltemperatur (ca. 105 – 110 °C)

• Höhere Öltemperatur, weil die Wärmeübertragung an das

Kühlwasser vermindert ist

• Viskosität des Öls sinkt Reduzierte Reibung

Volllast

• Maximale Kühlung für kühlen Zylinderkopf

Optimierte Randbedingung für das Klopfverhalten

Maximierte Zylinderfüllung

Thermomanagement

Wirkungsweise



28pt fett

Leerlaufdrehzahlreduzierung

Reduzierung der Leerlaufdrehzahl verringert den Verbrauch

Daumenregel:

Reduzierung um 100 1/min ergibt

• Ottomotor

0,04 l/h pro 1000 cm3 Motorhubraum

• Dieselmotor

0,022 l/h pro 1000 cm3 Motorhubraum



28pt fett

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

600 650 700 750 800 850 900 950

Lee

rla

ufv

erb

rauch

in

l/h

/ 1

00

0 c

m³

.

Leerlaufdrehzahl in 1/min

Dieselmotoren

0,040 / 100 1/min

0,022 /100 1/min

Ottomotoren

Leerlaufverbrauch

Abhängigkeit von der Leerlaufdrehzahl



28pt fett

Leerlaufdrehzahlreduzierung

• Verbrennungssystem

- Ottomotor mit äußerer Gemischbildung erlaubt ca. 500 – 600 1/min

- Benzindirekteinspritzung erlaubt niedrigere Drehzahlen wegen stabiler

Gemischbildung und exakterer Zumessung

• Pumpenauslegung

• Öldruck muß sicher gestellt sein (eventuell größere Ölpumpe mit

höherer Antriebsleistung !)

• Nebenaggregatetrieb

• Generator begrenzt die Drehzahlabsenkung

(weitere Verbesserungen durch niedrige Massenträgheit,

Entkoppflungselement – Freilauf, … )

• Steuertrieb - Dynamik

• Anfahrbarkeit des Fahrzeugs

- Motordrehzahl ist für den Einkuppelvorgang (Kupplungsmodulation

notwendig)

Grenzen



28pt fett

Zusammenfassung - Reibung

► Ausgehend vom heutigen Stand, besteht nach wie vor Potential

den mechanischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu

verbessern

► CO2 Reduktionen im Bereich bis zu 5% erscheinen möglich

durch die richtige Kombination kleiner mechanischer

Verbesserungen

► Reibungsreduktion erfordert einen systematischen Ansatz sowie

geeignete Methoden in Simulation und Versuch

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