Aufladung von Verbrennungsmotoren: Entwicklung, Regelung und Stand der Technik [1 ed.] 978-3-528-06404-4, 978-3-663-16227-8

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Manfred Rautenberg (Hrsg.)

AUFLADUNG VON VERBRENNUNGSMOTOREN

Fortschritte der Fahrzeugtechnik

Band 1 Waldemar Stühler (Hrsg.)

Fahrzeugdynamik Reifenmodelle, Antriebsstrang, Gesamtfahrzeug, Schwingungseinwirkung Band 2 Willi Geib (Hrsg.)

Geräuschminderung bei Kraftfahrzeugen Band 3 Fritz Eisfeld (Hrsg.)

Keramikbauteile in Verbrennungsmotoren Band 4 Karl-Heinz Brück (Hrsg.)

Fahrzeugverglasung Entwicklung· Techniken· Tendenzen Band 5 Carlos de Molina

Fahrverhalten von Krafträdern Rechnerische Simulation Band 6 Manfred Rautenberg (Hrsg.)

Aufladung von Verbrennungsmotoren Entwicklung, Regelung und Stand der Technik

Vieweg

Fortschritte der Fahrzeugtechnik 6

Manfred Rautenberg (Hrsg.)

AUFLADUNG VON VERBRENNUNGSMOTOREN Entwicklung, Regelung und Stand der Technik

IJ

vleweg

CIP-Titelaufnahme der Deutschen Bibliothek

Aufladung von Verbrennungsmotoren: Entwicklung, Regelung und Stand der Technik; [Referate der Fachtagung "Aufladung von Verbrennungsmotoren" vom 12./13. November 1990 im Haus der Technik, Essen) / Manfred Rautenberg (Hrsg.). (Fortschritte der Fahrzeugtechnik; Bel. 6) ISBN 978-3-528-06404-4

ISBN 978-3-663-16227-8 (eBook)

DOI 10.1007/978-3-663-16227-8 NE: Rautenberg, Manfred [Hrsg.]; Fachtagung Aufladung von Verbrennungsmotoren (1990, Essen); Haus der Technik (Essen); GT

Fortschritte der Fahrzeugtechnik Exposes oder Manuskripte zu dieser Reihe werden zur Beratung erbeten unter der Adresse: Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Dieser Band ･ｮｴｨ￤ｾ＠ die Referate der Fachtagung ,Auffadung von Verbrennungsmotoren" vom 12./13. November 1990 im Haus der Technik, Essen

Alle Rechte vorbehalten © Springer Fachmedien Wiesbaden 1990 Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1990

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes Ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt Insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die EInspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

Umschlaggestaltung: Wollgang NIeger, Wiesbaden

ISBN 978-3-528-06404-4

v Vorwort

Die Aufladung von Verbrennungsmotoren findet ihren Ursprung bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts durch die Entwicklung eines Abgasturboladers durch den Schweizer Ingenieur Büchi. Ausgehend von einer Anwendung dieses Aufladesystems bei großvolumigen Schiffsdieselmotoren hat sich bis heute der Anwendungsbereich über den Einsatz im Nutzfahrzeugbau bis hin zu kleinvolumigen schnellaufenden Motoren bei Personenwagen ausgedehnt. Die Entwicklung der Auftadetechnik beschritt dabei unterschiedliche Wege und umfaßt heute verschiedene gasdynamisch und mechanisch betriebene Systeme. Eine ständige Verbesserung der einzelnen Systeme und ihrer Regelmöglichkeiten (z. B. Bypassregelung, variable Geometrie, Registeraufladung) und ein dadurch breiteres Anwendungsgebiet (Otto-, Dieselmotor, Zweitakt-, Viertakt-Prinzip) konnten realisiert werden, wodurch ebenfalls ein positiver Einfluß auf das ａｮｳｰｲ･｣ｨｶ｡ｾ＠ des Systems, auf den Verbrennungsprozeß des Motors und die Schadstoffemission (Kraftstoffverbrauch, Katalysatortechnik) ausgeübt wird. Innerhalb dieser Tagung werden aus der Sicht der Hersteller und der Anwendervon Aufladeaggregaten die Vor- und Nachteile sowie neueste Entwicklungen und Tendenzen vorgestellt und können darüber hinaus ausführlich diskutiert werden.

Hannover, November 1990

Manfred Rautenberg

VI

Referentenverzeichnis

Dipl.-Ing. M. Appe/, MAN B &W Diesel AG, Augsburg Dipl.-Ing. L. Barnardini, Garrett Turboladersysteme, Raunheim Dipl.-Ing. C. Brüstle, Porsche AG, Weissach Dr.-Ing. K.-D. Emmentha/, Volkswagen AG, Wolfsburg Dr. H. DemeI, Audi AG, Neckarsulm Dr.-Ing. F. Indra, Adam Opel AG, Rüsselsheim I. Janthur, Adam Opel AG, Rüsselsheim Dipl.-Ing. D. JeckeI, Garrett Turboladersysteme, Raunheim Dipl.-Ing. H. Klotz, MTU Motoren- und Turbinen-Union AG, Friedrichshafen Dipl.-Ing. E Korostenski, Audi AG, Neckarsulm Dr.-Ing. M. Malobabic, Universität Hannover, Hannover Dipl.-Ing. A. Mayer, ABB Turbo-Systems AG, CH-Baden Dipl.-Ing. E Meier, ABB Turbo-Systems AG, CH-Baden Prof. Dr.-Ing. G. P. Merker, MTU, Friedrichshafen Prof. Dr.-Ing. M. Rautenberg, Universität Hannover, Hannover Dr. W. -A. Sprogis, MWM Motorenwerke Mannheim, Mannheim R.-H. Strozyk, Volkswagen AG, Wolfsburg

VII

Inhaltsverzeichnis

Der 1,8 I 16 V G 60-Motor für den VVV Golf Limited ................................... K.-D. Emmenthal, R.-H. Strozyk

1

Comprex zur Aufladung und Emissionsminderung von PKW- und Nutzfahrzeug-Dieselmotoren.................................................................... 17 A. Mayer Entwicklungsarbeiten mit der kombinierten Aufladung ................................ 38 F. Indra, I. Janthur Neue Möglichkeiten zur abgasseitigen Ladedruckregelung von Mehrventil-Turbomotoren ........................................................................ 54 E. Korostenski, H. Dem el Aufladung von groBen Dieselmotoren heute und morgen........................... 68 E. Meier Entwicklungsstand und Entwicklungstendenzen bei Abgasturboladem für mittelschnellaufende Viertakt - und langsamlaufende Zweitakt Dieselmotoren. .. ..... ... .......... ......................... ........ ......... .. ........ ..... ..... .. .... 70 M. Appel Entwicklungsstand hochaufgeladener schnellaufender 4-TaktDieselmotoren ......................................................................................... 104 G. P. Merker, K. Klotz Aufladevertahren der DELJTZ MWM Hochleistungsdiesel- und Gasmotoren ........................................................................................... 135 W. A. Sprogis Aufladetechnik für Höchstleistungsmotoren .............................................. 155 C. Brüstle

VIII

Entwicklung eines Abgasturboladers mit variabler Turbinengeometrie ............................................................................................... 189 L. Bamadini, O. Jeckel Betriebs- und ｒ･ｧｬｶｲｨ｡ｾｮ＠ von PKW-Turboladem mit "Variabler Geometrie" .............................................................................. 207 M. Ma/obabic, M. Rautenberg

Der 1,8 I 16 V G 60-Motor für den VW Golf Limited K.-D. EmmenthaI und R.-H. Strozyk

Zusammenfassung Für eine limitierte Auflage von

70 Stck.

Golf

syncro Fahr-

zeugen hat die VW-Forschung einen mechanisch aufgeladenen, ladeluftgekühlten 1,8 1 16 V G 60-Motor (Bild 1) entwickelt. Die Aufladung übernimmt der von Volkswagen entwickelte G 60 Spirallader. /1/ Der Motor hat eine Leistung von 155 kW/6500 l/min, was einer Literleistung von 87 kW/Ltr. entspricht. Mit dieser Motorisierung erreicht der unter dem Namen

"Golf

Limi ted" über VW-Motorsport Hannover vertriebene Golf syncro eine Spitzengeschwindigkeit von 230 km/h und eine Beschleunigung von 0 auf 100 km/h in 6,7 Sekunden.

Bild 1: Draufsicht des 1,8 Ltr. 16 V G 60-Motors

2

Merkmale des Motorkonzeptes - weitgehend unveränderter 1,8 1 16 V 102 kW-Basismotor - Mechanische Aufladung mit G 60 Lader,permanent angetrieben - Keilrippenriementrieb - Lenkhilfepumpe - Digifant I-System mit Saugrohrdrucksensor für Zündung und Einspritzung - Ladeluftkühlung - Leerlauffüllungsregelung - Ladedruckeingriff - Abgasreinigung mit Dreiwegekatalysator u. Lambda-Sonde Abgasgrenzwerte nach Anlage 23 - Kraftstoff Super bleifrei (ROZ 95)

1. Einleitung Die Volkswagen-Forschung hat für eine limitierte Auflage von 70 Fahrzeugen einen mechanisch aufgeladenen, ladeluftgekühlten 1,8 1 16 V G 60-Motor entwickelt. Ungeachtet der geringen Stückzahlen mußte dieser Motor alle Anforderungen an Zuverlässigkeit und Alltagstauglichkeit, die an die Produkte des Hauses vw gestellt werden, erfüllen. Das Fahrzeug sollte sein,

von von

genügen. haben, eine

der der Die

aufgebaut auf der Basis eines Golf syncro Erscheinung Technik

her

jedoch

Fahrleistungen

ein

den

Understatement-Fahrzeug allerhöchsten

soll ten

Höchstgeschwindigkeit

von

Sportwagen-Charakter über

225

km/h

genauso möglich sein wie eine Beschleunigung von km/h unter 7 sec.

Ziel war es,

Ansprüchen sollte

0 auf

die Kundenakzeptanz

für ein

derartiges, auch in der zu erwartenden Preisklasse 70.000,- DM angesiedeltes, Fahrzeug zu ergründen. Ausgehend

von

den

zu

erwartenden

Fahrzeugdaten

100 von

(ähnlich

Rallye-Golf) mußte für die geforderte Höchstgeschwindigkeit eine Motorleistung von 155 kW realisiert werden (Bild 2).

3

Höchstgeschwindigkeit 250

A Front = 1,94 m2 = 1300 kg 'Y')Getr = 0,87 f Roll = 0,0216

k/mh

mFzg

240

230

220 0,35

0,36

0,37

0,38

0,39

cw

0,40

Luftwiderstand Bild 2: Max. Fahrgeschwindigkeit als Funktion des Luftwiderstandsbeiwertes CWi Parameter: Motorleistung

Als Basismotor wurde der 1,8 1 16 V Golf-GTI-Motor mit 102 kW verwendet.Die Motorperipherie ( Ladeluftkühlung, Abgasanlage, Nebenaggregate ) wurde soweit wie möglich vom im Rallye-Golf verbauten 1,8 1 G 60-Motor in

2 Ventilversion,

im weiteren

Text mit 8 V G 60-Motor bezeichnet, verwendet. Zur

Abgasentgiftung

wird

ein

Lambdageregelter

Dreiwege-

katalysator eingesetzt. Damit werden die Abgasgrenzwerte nach Anlage 23 erfüllt. Die Aufladung übernimmt der von Volkswagen entwickelte G 60Spirallader (Bild 3).

4

Bild 3: G 60-Spirallader

2. Triebwerk / Auslegung

Die Auslegung des Motors hinsichtlich Verdichtungsverhältnis, Aufladung, Ladeluftkühlung war so zu wählen, daß sich bei dem Betrieb des Motors mit Super-bleifrei-Kraftstoff

(ROZ 95)

im

gesamten Drehzahlbereich ein hoher Mitteldruck bei günstigem spezifischen Verbrauch einstellt.

Als

guter Kompromiß

sich

von

8,8

ein

Verdichtungsverhältnis

übersetzung i

=

und

eine

ergab Lader-

1,7. Die Steuerzeiten wurden vom 1,8 1 16V 102

kW-Motor übernommen./2/

2.1 Kurbeltrieb Der serienmäßig nicht "syncro-taugliche" Motorblock wurde mit zusätzlichen

Butzen versehen,

um den

syncro-Winkeltrieb be-

5

festigen zu können. Darüber hinaus wurde das Kurbelgehäuse mit "Innereien" nahezu komplett vom 1,8 1 16 V - 102 kW-Motor übernommen. Lediglich der Kolben, der Kolbenbolzen und die Ringbestückung weichen vom Basis-Motor ab. Bei dem Kolben handelt es sich um einen von der Firma Mahle hergestellten, gepreßten und mit vernickeltem Boden versehenen Spezialkolben. Eine Desachsierung der Kolbenbolzenmitte um 0,01 mm (gegenüber der Serie) zur Druckseite hin, trug wesentlich zu einem geräuscharmen Lauf des Kolbens bei kaltem sowie warmem Motor bei. Der neue Kolbenbolzen hat die Abmessungen 0 20 x 62 mm.Die Kolbenringbestückung wurde vom 8 V G 60 übernommen. D.h. bei dem ersten Ring handelt es sich um einen 1,5 mm hohen, gekammerten, plasmagespritzten Rechteckring, dem zweiten ebenfalls 1,5 mm stark - um einen Nasenminutenring , der Ölabstreifring ist ein 3 mm hoher, verchromter Dachphasenschlauchfederring. Für eine gezielte Wärmeabfuhr aus dem Kolbenboden sorgen die aus dem Serien-Motor übernommenen Ölspritzdüsen mit einem Austrittsdurchmesser von 1,6 mm, die den Kolben kontinuierlich von unten mit Öl kühlen. Die Zahnbreite von 36 mm und die Übersetzung von 2,2 der Ölpumpe garantieren bei der Verwendung des Mehrbereichsöls 15 W 40 auch bei Vollast und einer Öltemperatur von 130 Grad Celsius einen Öldruck von 5 bar. Da sich der Versuch einer Kurbelgehäuseentlüftung über die beim 16 V-Motor unbesetzte Kurbelgehäuse-Zündverteilerbohrung als sehr problematisch bei Drehzahlen über 6000 U/min erwies, wurde die serienmäßige Kurbelgehäuseentlüftung des 16 V-Motors übernommen und aufgrund dessen auf die beim 8 V G 60-Motor verbaute, hintere G-Laderstütze verzichtet.

2.2 Zylinderkopf

Der Tassenstößel-Zylinderkopf mit hydraulischem Ventilspiel ausgleich wurde komplett und unverändert vom 1,8 1 16 VSaugmotor mit 102 kW übernommen.

6

Das thermisch hochfeste Zweistoffauslaßventil ist natriumgefüll t. Bei der Zylinderkopfdichtung handelt es sich um eine neu

entwickelte,

astbestfreie

Ausführung

mit

optimiertem

Wasserlochbild und Edelstahlbrennraumeinfassung. Wie auch beim 8 V G 60-Motor wird das zur Schmierung des G-Laders benötigte Öl

dem Hauptölkanal

des

Zylinderkopfes

entnommen.

Auf

eine

Optimierung der Ventilsitzgeometrie wurde verzichtet.

2.3 Nebenaggregate

Vom 8 V G 60-Motor wurde die sehr steife und verwindungsarme Nebenaggregatlagerung, deren Hauptbauteil der Generatorhalter aus GGG 60 ist, weitgehend übernommen./3/ Aufgrund des Verzichtes auf die hintere G-Laderstütze

(siehe

2.1), um die Belastungen für die G-Laderkonsole so gering wie möglich

zu

halten"

des

halten

und

Motors

zu

um ein

zufriedenstelIendes

bekommen,

wurde der

90

"Nickver-

A Generator,

anders als beim 8 V G 60- Motor, in Fahrtrichtung hinter den Motor verlegt. Beim Aufbau des 16 V G 60-Motors für den Golf Limited wurde auf eine Ausführung mit Klimakompressor verzichtet . Sie ist allerdings möglich, wenn die Ladeluftkühlung ähnlich der des Corrado übernommen wird, und wurde in einigen Forschungsfahrzeugen auch dargestellt. Der G 60-Lader (i 1,12)

werden

dämpferelement

=

1,7), der Generator und die Wasserpumpe (i

über

einen,

gespannten,

durch

ein

hydraulisches

6-rilligen

Feder-

Keilrippenriemen

permanent durch die auf der Kurbelwellenprimärseite befestigte Riemenscheibe angetrieben. verbrauchsoptimalen

(Bild 4) Für die Darstellung eines

Konzeptes

ist

in ･ｾｮｧ＠

Forschungs-

Fahrzeugen der Antrieb des G-Laders über eine Magnetkupplung in Erprobung. Das wasserpumpenrad ist in axialer Richtung justierbar. Die Lenkhilfepumpe wird über einen Keilriemen angetrieben.

7

Bild 4: Riementrieb des 16 V G 60-Motors

2.4 Verbrennungs luft führung

Die verbrennungs luft wird wie auch im Corrado, Rallye-Golf und Passat Syncro im hinteren Bereich des rechten Scheinwerfers angesaugt und gelangt über den Luftfilter zur Saugseite des GLaders. Das Luftfilter wurde komplett vom Rallye-Golf übernommen. Auf eine

Vergrößerung

des

Durchmessers

des

Luftfiltereintritt-

stutzens, die sich auf Leistung und Drehmoment positiv auswirkte, wurde aus Ansauggeräuschgründen verzichtet. Die Ladeluft wird in einem vor dem Wasserkühler angeordneten Ladeluftkühler (550 mm x 330 mm) abgekühlt. Durch diesen Ladeluftkühler wird die Ladeluft um bis zu BO°C abgekühlt. Vom

Ladeluftkühler

klappenteil angebrachte,

ein.

tritt Das

die

Luft

in

ein

Drosselklappenteil

mechanisch

mit

der

ersten

Registerdrossel-

hat

eine

Stufe

seitlich gekoppelte

8

Bypassklappe und wird im Teillastbetrieb zur Verringerung der Ladeantriebsleistung geöffnet. Die Kinematik der Bypassklappe ist von entscheidender Bedeutung hinsichtlich der Drehmomentcharakteristik des Motors. Ein frühes Schließen der Bypassklappe sorgt für einen noch früher anstehenden maximalen Ladedruck. Leider führt dies auch zu einem etwas höheren Kraftstoffverbrauch. Ein um 20° früheres Schließen der Bypassklappe führt zu einem Kraftstoffmehrverbrauch von ca. 4 %, gemessen nach US Stadtzyklus . Zu Gunsten einer Kraftstoffverbrauchsoptimierung wurde die Bypassklappenkinematik vom 8 V G 60Motor übernommen. Durch die neuartige Generatoranordnung (s. 2.3) konnte Saugrohr vom 16 V Scirocco-Motor übernommen werden. zwischen Drosselklappenteil und Saugrohreintrittsflansch findliches und neu entwickeltes Zwischenstück ermöglicht daß der 16 V G 60-Motor auch problemlos in den Corrado Passat Syncro installiert werden kann.

das Ein bees, und

2.5 Abgasführung Um die serienmäßige Abgasanlage vom Rallye-Golf verwenden zu können, wurde ein neuer, zweiflutiger " 4 in 2 "-Abgassammler entwickelt. Als Krümmermaterial wurde GGV Si Mo. gewählt. Die Abgasanlage , bestehend aus 2 Stck. 3,66" Keramik-Kats, einem Mittel- und einem Endschalldämpfer, ist vom Abgaskrümmer über ein flexibeles Gelenk entkoppelt. Mi t dieser Anlage, die bis hinter die Katalysatoren "zweiflutig" ist und danach in ein Rohr übergeht, stellt sich bei Vollast und maximaler mbar ein.

Drehzahl

ein Abgasgegendruck

von

520

Der mit dieser Anlage gemessene Geräuschpegel von 74,5 dB, gemessen im 3. Gang, reichte für die Erfüllung der geltenden Geräuschbestimmungen.

9

3.

Motorsteuerungssystem

3.1 Gemischbildung und Abgasreinigung Für die Gemischbildung wurde das von VW entwickelte DigifantEinspritzsystem verwendet. Die Schematik dieses Bild 5. /4/

Systems

zeigt

tiUII" ••'AI

Bild 5: Schematische Darstellung des Digifant-System

Zur Erfassung des Luftaufwandes des Motors kommt ein Sensor zur Messung des Saugrohrdrucks zum Einsatz. Für das Digifant-Steuergerät wurde der Mikrocontroller von Motorola,

der

auch

im

Rallye-Golf

und

Corrado

verbaut

wird,

übernommen. Der Drucksensor ist in das Steuergerät integriert. Durch den Einsatz eines neuen Kraftstoffeinspritzventils mit gleichem Loslaufpunkt und höherem max. Durchsatz gegenüber dem Ventil des 8 V G 60, wurde mit dem Systemdruck von 3 bar bei maximaler Leistung und max. Drehzahl problemlos eine CO - Konzentration im Abgas von 6,5 % erzielt. Durch die Übernahme des Scirocco-Saugrohres konnten die Einspri tzventile auf der werden.

Diese

positiv

aus,

"kalten"

Maßnahme daß

wirkte

auf

den

Seite des Motors sich

auf

den

serienmäßigen

installiert

Heißstart

so

Kraftstoff-

10

pumpennachlauf des 8 V G 60-Motors verzichtet werden konnte. Bei den VW-üblichen Heiß start untersuchungen sprang der Motor ohne Gasunterstützung, bei einer Einspritzventiltemperatur von 105 Grad C, sofort an. Die Abgasreinigung des Motors erfolgt durch eine Lambda = 1Regelung in Verbindung mit einer vor den Katalysatoren angeordneten beheizten Lambda-Sonde.

3.2 Zündung

Wie beim 8 V G 60 wird auch bei diesem Konzept die DigifantKennfeldzündung verwendet. Hierbei werden die Informationen Drehzahl, Saugrohrdruck sowie Kühlmitteltemperatur abgefragt und im Microprozessor zur Ermittlung des günstigsten Zündzeitpunktes verarbeitet. Im Zündkennfeld sind 256 Stützstellen abgelegt. Die zylinderselektive Klopfregelung des 8 V G 60 wurde nicht verwendet. lüftung

Aufgrund

gegenüber

der

der

anderen

des

Art

der

Kurbelgehäuse-Ent-

8 V G 60-Motors

konnte

der

An-

bringungsort (Motorblock) der zur Erfassung des Verbrennungsgeräusches notwendigen Körperschall-Sensoren vom 8 V G 60 nicht übernommen werden. Statt einer Klopfregelung wird der 16 V G 60-Motor mit einem festen Zündwinkelabstand von 4° zur Klopfgrenze betrieben.Die gewählte Kombination Zündkerze (WW 250) und Zündspule (25 kV) ermöglicht auch bei extremen Betriebsbedingungen einen Kerzenwechselintervall von 30.000 km.

3.3 Ladedruckbegrenzung

Da es bei den G-Lader-Konzepten für einen einigermaßen geübten "Tuner" sehr einfach wäre, ohne in die Elektronik eingreifen zu müssen, nur durch Ändern der Laderübersetzung deutlich mehr Ladedruck und damit mehr Leistung darzustellen ( die Haltbarkei t

des Motors betreffend allerdings nur für kurze

Zeit),

11

wurde

als

Vorsichtsmaßnahme

für

eine

Überladung

des

Motors

eine Ladedruckbegrenzung installiert. Bei einem Ladedruck größer als 1,7 bar wird über das aus dem Digifant

angesteuerte

Leerlauffüllungsregelventil

"abgebla-

sen" .

Das Ventil umgeht die bei Vollast geschlossene Bypaßklappe. (Bild 6)

Bild 6: Verbrennungsluftführung

4. Vergleiche zum 8 V G 60-Motor

Eine Gegenüberstellung der Motordaten zeigt die Tabelle 1.

12

Tabelle 1 Vergleich von Motordaten

8 V G 60

16 V G 60

Hubraum

( ccm )

1781 86,4/81

( mm/mm

Hub/BOhrung

1,07

Hub-Bohrungsverhältnis Zylinderabstand

mm

Pleuellänge

mm

88 144

136

Schubstangenverhältnis

0,3

0,32

Verdichtungsverhältnis

8,8 : 1

8,0 : 1

max. Leistung b. Drehzahl

155 kW (211 PS) 6500 l/min

118 kW (161 PS) 5600 l/min

Literleistung

87 kW/Ltr.

66 kW/Ltr.

max. Drehmoment b. Drehzahl

251,5 Nm 5000 l/min

212 Nm 4600 l/min

mittlere Kolbengeschw. b. Drehzahl

18,7 m/s 6500 l/min

16,1 m/s 5600 l/min

Abregeldrehzahl

7000 l/min 1,7

Laderübersetzung

1,66

11 900 l/min

max. Laderdrehzahl

6100 l/min

10 126 l/min

Einlaßventil - 0

mm

32

40

Auslaßventil - 0

mm

28

33

mm

9,6/10,2

10,2/10,2

Ventilhub

E / A

Einlaß

ö.n.OT

°KW

3

OT

Einlaß

s.n.UT

°KW

35

40

Auslaß

ö.v.UT

°KW

43

40

Auslaß

s.n.OT

°KW

3

OT

13

Aus den Bildern 7 - 9 gehen deutlich die Vorteile des 16 V G 60 gegenüber dem 8 V G 60-Motor hervor. Bild 7 zeigt,daß bei nahezu gleichen Motorgrößen ( Tabelle 1 ) und gleichen Betriebsbedingungen der 16 V G 60 im gesamten Drehzahlbereich Vorteile in Leistung und Drehmoment hat.

-

Leistung

Drehmoment

160 kW

....--

120

---

100 ｾ＠

80

60

.-

40

ｾ＠

/ /

./

./ ./ / '

;«>.;«"-'

ｾ＠

....... ..

-.... .........

'"' -ｾＧＭＢ＠

,/t'

.V

Nm

-

240 200 160

=

- 1 , 8 1 16V G60 ｾ ＱＬＸ＠ 8V G60

"p-

2000

ｾ＠

V # V"

/

ｾ＠

V

320

I

3000

5000

4000

I

I

I

l/min

7000

Drehzahl Bild 7: Leistung- und Drehmomentvergleich

Aus Bild 8 läßt sich ersehen, daß der 16 V G 60-Motor selbst mit einer deutlich kleineren Laderübersetzung von i=1,4 dem 8 V G 60 mit i=1,66 überlegen ist. Das heißt, um mit dem 16 V Leistung und Drehmoment des 8 V darzustellen genügt eine Laderdrehzahl von 8540 l/min gegenüber

10

126

l/min.

Das

antriebsleistung, einem

führt

zu

einer

niedrigeren

Lader-

deutlich niedrigeren Ladedruckverlauf

im Nennleistungsbereich (Bild 9) und damit verbunden zu einer erheblichen Verbrauchseinsparung. der

16 V G 60 mit

G/KWH einen um ca.

einem spez.

Im Nennleistungsbereich hat Kraftstoffverbrauch von

334

10 % niedriegeren spez. Verbrauch als der

8 V G 60. Ursache für den besseren Wirkungsgrad sind die geringeren Gas-

wechselwechselverluste des 16 V-Motors.

14

Leistung

Drehmoment

--...

160 kW

-.-

120 100

ｩｏｯＧ Ｎｾ＠

80

60 40

-+-

ｾ

ｾ＠

ｾ

ｾ＠ Ｎ＠

V

,

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100':7

ｾ＠

-ｾＭＮ＠

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.. --

200 - 160

........ .......... .

,-

i= 1,4 i= 1,6 i= 1,5 -

I

3000

240

r- ......

.L ｾ ＮＣＢ＠

1..ttI"/

2000

Nm

-

V

ｾ＠

ｾ＠

,."

ｾ＠

320

4000

5000

I

7000

1/min

Drehzahl

Bild 8: Leistung- und Drehmoment in Abhängigkeit der Laderübersetzung ( 16 V G 60

Ein weiterer Grund für den besseren Wirkungsgrad ist die zentrale Zündkerzenlage und dem dadurch deutlich schnelleren Verbrennungsablauf. Die Folge

ist eine niedrigere Abgastemperatur

gleichem CO. zur

(Bild

9)

bei

Eine geringere Abgastemperatur trägt wesentlich

besseren

Funktion

und

längeren

Lebensdauer

der

Katalysatoren bei. Der

oder

die

Katalysatoren

könnten

dichter

an

den

Motor

herangerückt werden, wodurch die Anspringtemperatur schneller erreicht wird ohne Gefahr zu laufen, daß der Katalysator in der Vollast durch zu hohe Abgastemperaturen zerstört wird. Bei der Darstellung von kleinen (kurzen) Fahrzeugen kann diese Maßnahme von großer Bedeutung sein.

15

Abgastemperatur

Saugrohrdruck

0,7 bar

0,5 0,4 0,3

-

0,2 0,1

o

ｾ＠

/ ./ V// ［＿Ｂｾ＠

ｾ＠

Ｎ Ｌ ｾ＠

ｾ＠

/ ｾ＠

_

ｾ＠

2000

1000

oe

BOO 700

ｾ＠

1000

" ' - .-w'"

""""-

V o

ＬＮ ｾ＠

V

3000

I

5000

4000

600

BVG60 16VG60 I 1/min

500 7000

Drehzahl Bild 9: Vergleich des Ladedrucks und der Abgastemperatur

5. Fahrleistungen u. Emissionen Mit

dem

15

V

G

50-Motorkonzept

konnten

die

in

der

Auf-

gabensteilung geforderten Fahrleistungen mit dem Golf Limited realisiert werden. Die Tabelle 2 zeigt den Vergleich der Fahrleistungen zwischem dem Golf Limited und dem Rallye Golf mit dem 1,8 Ltr. 50-Motor.

8 V G

Tabelle 2 Fahrleistungsvergleich /5/ Rallye Golf

Golf Limi ted

Beschleunigung

o-

o -

o-

40 km/h 80 km/h 100 km/h

2,0 s 5,8 s 9,0 s

1,6 s 3,8 s 6,7 s

16

Elastizität im 4./5. Gang 60 - 120 km/h

14,0/20,6 s

9,9/13,7 s

Höchstgeschwindigkeit

V max.

208 km/h

229 km/h

Emissionen

Die in Anlage 23 vorgeschriebenen Grenzwerte wurden mit dem 16 V G 60 deutlich unterschritten.

Grenzwerte Anlage 23 Soll

Ist

0,41

0,28

He

gr/Mi

co

gr/Mi

3,40

2,21

NOx

gr/Mi

1. 00

0,418

6.

Literaturverzeichnis

/1/ Wiedemann,B.; Volkswagen AG G 60 Lader /2/ Dommes,W.;Gerwig,W.;Dall,B.; Audi AG Die neuen 16-Ventil-Motoren von VW für Scirocco und Golf /3/ Koch,H.;Meyerdierks,D.;Schüler,R.;Thoms,U.; Volkswagen AG Der neue 1,8-Liter-G 60 Motor im VW Corrado /4/ Spies,H.;Knoke,M.; Volkswagen AG DIGIFANT

Ein zukunftsweisendes Konzept zur

Steuerung und Regelung eines Ottomotors /5/ AUTO Zeitung Nr.9 v. 12.04.90

Comprex zur Aufladung und Emissionsminderung von PKW- und Nutzfahrzeug-Dieselmotoren von A. Mayer

Zusammenfassung Der Druckwellenlader Comprex hat bei PKW-Dieselmotoren seine erste breite Anwendung gefunden. Ideale Schluck-Charakteristik und die Eigenschaft des unverzögerten Druckaufbaus machen ihn jedoch zu einer interessanten LaderAIternative für alle Fahrzeugmotoren, insbesondere unter verschärften Emissionsbedingungen. Einem neuen Regeleingriff, wodurch Druck und Wirkungsgrad bei Teillast erheblich gesteigert werden können und der Möglichkeit der katalytischen Nachoxidation im Zellenrad kommen dabei erhöhte Bedeutung zu. Laufleistungen über 1 Million Kilometer (LKW) und über 10'000 Stunden (Traktor) in Pilotflotten zeigen, dass auch bezüglich der technischen Reife die Voraussetzungen für Nutzfahrzeuganwendungen geschaffen sind.

1. Einleitung Die Aufladung ist bei Dieselmotoren inzwischen fest verankert. Während Grossmotoren nach Bild 1 generell aufgeladen werden, nähern sich die Motoren im LKW-Bereich, die diesem Vorbild spät gefolgt sind, auch der Sättigung, wogegen bei den PKW-Motoren der Trend noch immer ein starkes Wachstum zeigt. Dabei waren es bisher die traditionellen Motive zur Steigerung der spezifischen Leistung, die diese Tendenz gestützt haben, wozu sich mit steigendem Aufladegrad der Vorteil im Brennstoffverbrauch gesellte. Der bescheidene Aufladegrad bei PKW-Motor, gebunden an konstruktiv vorgegebenen Grenzen, nutzt die Möglichkeiten noch unzulänglich.

Bild 1

Marktdurchdringung der Aufladung bei Grossmotoren, LKW-Motoren und PKW-DieselMotoren. Energiekrise

18

Inzwischen aber ist die Motorenentwicklung neu in Bewegung geraten, da es sich gezeigt hat, dass zur Lösung der Emissionsziele eine umfassende Optimierung und die Nutzung innovativer Elemente erforderlich ist. Verbesserungen der Konstruktion, Verwendung neuer Materialien und Weiterentwicklung der Verbrennung werden auch dann in Betracht gezogen, wenn sie mit erhöhten Kosten verbunden sind. Als Schlüsselelement muss dabei das sogenannte "air/fuel-management" betrachtet werden, womit der Aufladung eine neue Aufgabenstellung unter erweiterten Gesichtspunkten zuwächst. Die Lösungen werden je nach Motortyp, Fahrzeugcharakter, EmissionszyklusAnforderungen und gesetzlichen Limiten verschieden sein und die Möglichkeiten der Aufladung in unterschiedlicher Weise nutzen. Neben weiterer Steigerung des Aufladegrades und der Wirkungsgrade wird die Forderung nach synchroner Regelbarkeit immer mehr in den Vordergrund treten.

2. Comprex als Alternative zu konventionellen Verfahren Der Druckwellenlader ist ein Energietauscher Abgas ｾ＠ Ladeluft wie der Abgasturbolader, der die vom Verbrennungsmotor ungenutzte Rest-Expansionsenergie in einem thermodynamischen Prozess dazu verwendet, Ladeluft zu verdichten und zum Motor zu fördern. Für beide Ladertypen gilt, dass dank hohem Gesamtwirkungsgrad ein energetischer Beitrag zum Gesamtprozess geleistet werden kann. Der Comprex zeichnet sich vor allem durch die folgenden Eigenschaften aus: - Der Energietausch erfolgt durch Druckwellen, daher verzögerungsfrei und mit der Option der Mischung von Gas und Luft. - Die Schluckcharakteristik des Gerätes ist der des Kolbenmotors wesentlich besser angepasst als die Charakteristik einer Turbomaschine, wie Bild 2 zeigt U]. Die natürliche Charakteristik der Druckwellenmaschine entspricht somit weitgehend der eines geregelten Turboladers. - Der Comprex kennt keine Pumpgrenze, sein Kennfeld bleibt entsprechend weit. - Ein einfacher Regeleingriff (VGTZ) gestattet es, diese Eigenschaften weiter zu verbessern und den Anforderungen des Motors anzupassen. Das Zellenrad selbst kann benutzt werden, um eine katalytische Nachoxydatiori des Abgases durchzuführen.

2.0 , - -- -- - , - -- -- .----:7-

--,

cx

5/5 0

GTZoffen

1.51------t--::>"""-- - - +- ---:7""4 CX GTZzu

1.0 ATL

25

50

75 Motordrehzah l

100 %

Bild 2 Die Darstellung der relativen Düsenfläche S : So in Funktion der Motordrehzahl auf der Vollastlinie zeigt die Charakteristik des Comprex in Serieausführung, die gegenüber des dem Standard-ATL dem Bedürfnis Verbrennungsmotors wesentlich näher kommt, etwa dem Verhalten eines geregelten ATL entsprechend. Durch den Regeleingriff VGTZ wird der Arbeitsbereich noch einmal erheblich verbreitet, eine Diagonale im gegebenen Feld ist darstellbar.

19

Die Konstruktion ist im Zuge der Entwicklung sehr einfach geworden (siehe Photo Bild 3). Der Zellenrotor - ein Präzisionsgussteil - ist im Luftgehäuse in fettgeschmierten Wälzlagern gelagert. Das Gasgehäuse beinhaltet bei der hier dargestellten PKW-Maschine den Regeleingriff mitttels Waste-Gate, die Abblasemenge mündet in einen integrierten Ejektor. Druckwellenlader wurden bisher in einem Leistungsbereich von 25 bis 400 kW eingesetzt, sie sind seriemässig für PKW-Anwendungen zwischen 40 und 100 kW verfügbar. Systembedingt ist das Bauvolumen des Comprex etwas grösser als das des Turboladers und er ist, vor allem bei grossen Typen, etwas schwerer. Der heute seriell verfügbare Lader wird durch einen Riemen vom Motor drehzahlproportional angetrieben und ist damit in der Wahl der Anbauposition eingeengt. Versuchsweise werden jedoch bereits freilaufende, durch den Gasdrall angetriebene Lader eingesetzt [2].

Bild 3

Comprex CX 102 in SerieAusführung mit Wastegate. Im geschnittenen Bereich des Gasgehäuses (rechts oben) erkennt man den Eintritt des Hochdruckgases, die Gastasche und deren Anspeieherquerschnitt.

Das Zellenrad des Laders erzeugt ein Eigengeräusch, das durch Interferenzanordnung der Zellen in radial benachbarten Fluten und durch die ungleichmässige Teilung an der Quelle abgebaut wird. Andererseits verhindert das Zellenrad den direkten Durchtritt des langweiligen zündfrequenten Motorgeräusches in die Auspuff- und die Ansaugleitung, wodurch der Geräuschpegel abgesenkt wird, verbunden mit einer relativen Klangverschiebung zu höheren Frequenzen. Die für das Fahrverhalten wichtigen Grundeigenschaften des Druckwellenladers haben 1987 die Firma Mazda, Japan, zum Einstieg in die PKW-Serieanwendung mit dem Fahrzeug Capella veranlasst [3], während Anwendungen bei Nutzfahrzeugen bisher auf Pilot-Projekte - Landwirtschaftstraktoren [4] - beschränkt blieben. Die Verschärfung der Emissionsgesetzte rückt nun weitere Eigenschaften dieser Aufladetechnik in den Vordergrund, die im Bereich aller Nutzfahrzeuge wesentliche Beiträge zur Lösung der kombinierten Aufgabe liefern, nämlich ein Maximum an Fahrleistung mit einem Minimum an Brennstoffverbrauch und Abgasemission zu verbinden.

20

3. Das Emissionsinstrumentarium der Comprex-Aufladung Im konventionellen Sinn meint Aufladung zunächst die Erhöhung der Dichte, vor allem des Druckes der im Zylinder eingeschlossenen Verbrennungsluft zur Steigerung der Nennleistung. Für Fahrzeugmotoren ist darüber hinaus von grösster Bedeutung:

-

-

Die Druckcharakteristik in Funktion der Motordrehzahl zur Gestaltung der Drehmomentkurve, damit die Schluckcharakteristik des Laders. Die Druckcharakteristik in Funktion der Temperatur zur Beeinflussung des Teillastverhaltens. Das Transientverhalten des aufgeladenen Motors für die Vielfalt der raschen Zustandswechsel im gesamten Kennfeldbereich. Die Temperatur der Ladeluft, dabei die unabhängige Möglichkeit, sie zu kühlen oder auch vorzuwärmen. Die Möglichkeit der Mischung der Ladeluft mit Abgas Die Verringerung der Ladungswechselarbeit mit ihrer Auswirkung auf Brennstoffverbrauch, Motorspülung und Abgasrückhaltung.

Die Beherrschung und gezielte Benutzung instationärer Effekte im Abgas- und Ladeluftsystem (Stossaufladung, Resonanzwirkungen nach Cser, Koppelung von Resonanzeffekten beim Druckwellenlader) ist dabei nicht zu unterschätzen. Mit dem Eindringen der Elektronik im Fahrzeugbereich wird die Möglichkeit der stetigen Zustandsüberwachung und der Systemverknüpfung zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die Zugänglichkeit des Aufladesystems für solche Eingriffe wird damit wichtig. Der Auslegung des Laders muss eine Optimierung des Gesamtsystems unter Berücksichtigung der Eigenschaften des jeweiligen Motorkonzeptes, der Motorsteuerung, der Anpassung der Einspritzung, bis hin zur gezielten Auslegung des Getriebes folgen, um ein Gesamtoptimum zu erzielen. Im Hinblick auf die Minimierung der Schadstoff-Emission, vor allem der Komponenten NOx, HC und Partikel gelten dabei die folgenden Zielsetzungen: - Hoher Luftüberschuss auf der Vollastlinie, um durch tiefe Gemischtemperaturen die NOx-Produktionsrate gering zu halten. - Bei hohem Luftüberschuss Steigerung der Ladelufttemperatur im Teillastbereich zur Verminderung der HC und Partikel. - Benutzung der AGR-Möglichkeit mit geringer Querwirkung auf die Partikel durch hohen Luftüberschuss bei Teillast. - Synchrone Anpassung des Gemisches bei Last- und und Drehzahländerungen mit Auswirkung auf alle Emissionskomponenten. - Optimierung der Prozessbedingungen für die Abgasnachbehandlung.

3.1 Ladedruckpotential und Ladedruckcharakteristik Die Steigerung des Ladedruckes ist bei Druckwellenmaschinen theoretisch nicht begrenzt, experimentell wurden Werte um 1['= 3,5 nachgewiesen. Dies ist im Gegensatz zu Turbomaschinen nicht mit einer Steigerung der Drehzahl verbunden, wird vielmehr durch eine Erhöhung der Zuströmmachzahl über die Anpassung der Steuergeometrie erreicht.

21

Die Anforderungen im Bereich der Aufladung von Fahrzeugmotoren liegen heute jedoch noch deutlich tiefer. Insbesondere werden beim PKW kaum Druckverhältnisse über 2 toleriert. Die Grenze ist durch den maximal zulässigen Spitzendruck konstruktionsbedingt, wird aber sicher graduell steigen. Dabei ist wegen des breiten Drehzahlbereiches die Ladedruckcharakteristik von grosser Bedeutung, hohe Drücke werden bereits bei sehr tiefen Drehzahlen gefordert.

3

Ladedruck-Verhältnis 1t GTZzu

2.8 2.6

/ 1/

2.4

2.2

/

2

/ V

-/

1.8 1.6

L/

1.4

/' ""

/

--Ｍｇｔｚｯｦ･ｾ＠

•

" .........

ｾｚｦｩｸ･ｲｴ＠ -L

Bild 4

11'

1.2 1

o

20

40

60

80

100%

Regelbereich variablen Gastaschendes zuflusses bei Vollast (T3 = 650 0 C) im Vergleich zur festen Geometrie der SerieMaschine.

Motordrehzahl

Bild 4 zeigt die für den PKW gewählte Standard-Auslegung für Abgastemperatur T3= 650°C, die durch einen Wastegate-Eingriff im allgemeinen auf ein Druckniveau um 2 bar ab geregelt wird. Der neue Regeleingriff VGTZ (= variabler Gastaschenzufluss), der das Wastegate ersetzt, führt zu einer erheblichen Steigerung des Druckverhältnisses im gesamten Drehzahlbereich. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Steigerung des Aufladegrades um etwa 20% bei Drehzahlen unter 50% der Nenndrehzahl.

Bild 5 zeigt die Situation der Gastaschenanspeisung der heutigen Seriemaschine: zwischen Hochdruck-Gaskanal (3) und Gastasche (GT) ist eine bearbeitete Schwelle vorgesehen, der Gastaschenzufluss (= GTZ) , der so ausgelegt sein muss, dass die Gastasche zur Beherrschung des Leerlaufverhaltens auf ein ausreichendes Druckniveau gebracht wird. Für Vollast und einen grossen Teil des Teillastbereiches stellt dieser Querschnitt eine empfindliche Leckage dar, es gehen bis zu 15 % der Abgasmenge verloren. Eine Regelung dieses Zuflusses ,wie sie Bild 6 als Beispiel einer konstruktiven Lösung zeigt, erlaubt nun, kennfeldangepasst den Zufluss zur Gastasche zu verändern, ihn also für Teillast noch weiter als es der bisherige Kompromiss erlaubt hat zu öffnen und bei Voll ast ganz zu schliessen.

22

-8-

Bild 6

Bild 5 Steuergeometrie von Hochdruckkanal, tasche und Gastaschenzufluss.

Gas-

Ausführungsmöglichkeit für die Anspeisung der Gastaschen aus dem Zentrum des Gasgehäuses. Die Betätigung des Ventils kann Wastegate ähnlich wie beim heutigen erfolgen.

des Diese Massnahme ermöglicht damit eine weitere Verlagerung Arbeitsbereiches zu tieferen Drehzahlen, womit wesentliche Vorteile erzielbar sind: - bessere Anfahrbedinungen, erhöhte Elastizität - Verbesserung des Brennstoffverbrauches durch Verlagerung ins KennfeldOptimum - damit verminderter CO2-Ausstoss, Reduktion der Gesamtemission durch geringeren Massendurchsatz und Verminderung der HC und Partikel durch verlängerte Prozesszeit - Absenkung der spezifischen NOx-Emission durch reduzierte Spitzentemperatur - Geräuschabsenkung Der Gestaltung des Ladedruckverlaufes in Funktion der Last, resp. der Abgastemperatur kommt ebenfalls eine vermehrte Bedeutung zu. Bild 7 zeigt die Charakteristik der Standard-Maschine, sowie der Weiterentwicklung mit Regeleingriff VGTZ (Vergleich zu Standard-ATL und einer Vario-ATL-Schaltung, [6].

23 11:

2.4 2.2 2.0

1.8

1.6 1.4

1/

1.2

/

..V

1.0

o -0.1 -0.2 ｾ＠

P

1/

ｇｔｚｾｖ＠

/ ./

V

/ /

V

/V

VeHZ fixiert (Serie)

V /'

Bild 7

:VVｾ･ｲｩ＠ ----i-'"'"

-

250

ｾ＠

V

............

...........

V

350

450

550

650

Einfluss der Gastaschen-Regelung in einem Lastschnitt bei 40 % der Motor-Nenndrehzahl. Dem Ladedruckverhältnis im oberen Bildteil ist die Verbesserung der Hochdruckdifferenz (-Gesamtwirkungsgrad) im unteren Bildteil gegenübergestellt). Bei noch tieferen Abgastemperaturen nähern sich die Kurven dann rasch.

750°C

Abgastemperatur T3 (- Last)

Ein derart. hohes Luftangebot in Kennfeldbereichen, die ohnehin durch hohe Luftüberschusswerte charakterisiert sind, scheint zunächst übertrieben. Stationär sind jedoch Vorteile dadurch gegeben, dass der erhöhte Ladedruck durch eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades und damit eine Absenkung der Ladungswechselarbeit erzielt wurde, und dass eine grössere Reserve für die Abgasrückführung geschaffen wird. Erhöhte Bedeutung erlangt dieses Teillastangebot aber erst im transienten Fall, wo im allgemeinen der zunächst hohe Luftüberschuss durch Steigerung der Einspritzmenge schlagartig abgebaut wird, bevor nach Ablauf der SystemTotzeit eine Reaktion des Aufladegerätes erfolgen kann. Für diese, später diskutierten Fälle, darf mit einer erheblichen Verminderung der Partikel und He gerechnet werden. 3.2 Verdichtungswirkungsgrad Diese wichtige Kennziffer zur Beurteilung der Laderqualität, sowie des Aufladepotentials ist an den Systemgrenzen gleich definiert wie bei der Turboaufladung.

k- 1

rr-'--1 Tz/T, -1 Sie drückt im wesentlichen Temperatursteigerung aus.

T1 = Ansaugtemperatur T2 = Ladelufttemperatur 1C = Ladedruckverhältnis s = isentrop k = Verhältnis der spezifischen Wärmen

die

Verminderung

des

Aufladegrades

durch

24

Während der adiabate Kompressionsprozess durch Druckwellen bei den hier diskutierten Druckverhältnissen energetisch hochwertig verläuft - Wirkungsgrade um 95% -, treten im Zellenrad Wärmeaustausch-Vorgänge auf, die zusätzlich paudie Ladelufttemperatur steigern. Diese Effekte sind in der Definition schal enthalten. Der Wärmeaustausch (regenerativ über die Zellwände) entsteht dadurch, dass diese Wände im zyklischen Prozessablauf abwechselnd mit Gas und Luft in Berührung kommen. Die Wandtemperatur bleibt dabei auf einem mittleren Wert, die Luft nimmt Wärme auf. Der Grad der Aufwärmung hängt in hohem Mass von der Wirksamkeit der Comprex-Spülung und damit von den Niederdruckwiderständen ab. Bild 8 zeigt diesen Einfluss für Vollastbedingungen in Abhängigkeit der Rotorfüllung und der Lader-Drehzahl. Es wird dabei in allen Kennfeldbereichen bei Absenkung der offenkundig, dass Niederdruckwiderständ Wirkungsgradgewinne erzielt werden können. spez. Durchsatz (= Füllung) des Comprex (%)

20 (%) ljJ

70 60

40

60 80 Motordrehzahl

Bild 8

r-------------

50

t-----..

40 5

10

15

r---

20 Zeta

25

Verdichtungswirkungsgrad in Abhängigkeit von Durchsatz, Drehzahl und Niederdruckwiderstand. Zeta ist die dimensionslose Grösse für den gesamten Strömungswiderstand in der Ansaugund Auspuffleitung. Uebliche Werte liegen für den PKW bei 14 - 18, LKW 8 - 12.

In der Applikation liegt hier somit ein grosses Potential. Bei extrem niedrigen Widerständen in Ansaug- und Auspuffleitung, wie sie beispielsweise in der Ackerschlepper-Anwendung möglich sind, steigt die Spülung im Comprex derart an, dass im mittleren Drehzahlbereich sogar eine interne regenerative Ladeluftkühlung möglich wird, solange die Füllung des Rotors bescheiden bleibt. Die Verteilung des Verdichtungswirkungsgrades im gesamten Kennfeld des Auflademotors ist am Beispiel eines LKW-Motors in Bild 9 angezeigt. Typisch ist dabei die ausgeprägte Insellage des Optimums, dessen Werte durch unterschiedliche Effekte zu den Rändern hin abnehmen: Zur Nennlast hin durch die Zunahme von Verlusten im Lader und ein starkes Absinken der Spülung - Zur Null ast durch das Absinken der Spülung und schliesslich sogar das Einsetzen von Abgasrückführung - Zur Vollast bei tiefen Drehzahlen durch die Auswirkung dynamischer Effekte im Auspuffkrümmer.

25

Bild 9

800

1000

1200 1400 1600 1800 Motordrehzahl (1/min)

Verdichtungswirkungsgrad im Kennfeld eines hochaufgeladenen LKW-Motors.

Der Verdichtungswirkungsgrad kann, wie die Kennfelder zeigen, durch Verlagerung der Drehzahlrelation verbessert werden. Ein besonders grosser Fortschritt ist möglich bei Einsatz einer freilaufenden Maschine, deren Drehzahlspanne durch entsprechende Drall-Charakteristika gegenüber dem Proportionalantrieb halbiert ist. Die Wirkungsgrade steigen dabei erheblich im unteren und mittleren Bereich, nicht bei Nenndrehzahl. Die Emissionsrelevanz des Verdichtungswirkungsgrades ist vor allem darin zu sehen, dass durch Verminderung der Prozessanfangstemperatur und Steigerung Luftmasse im Zylinder)die maximale des Luftüberschusses (erhöhte Gemischtemperatur reduziert und damit die Stickoxyd-Produktionsrate, die sehr stark von dieser Temperatur abhängt, vermindert werden kann.

3.3 Gesamtwirkungsgrad Auch diese Kenngrösse ist analog zum ATL definiert m2 m3

= Ladeluftmenge = Abgasmenge

= Enthalpie s = isentrop 1/2 = Zustände Ladeluft vor/nach Kompression 3/4 = Zustände Abgas vor/nach Expansion

26 Sie macht einerseits eine Aussage über die Summe der energetischen Verluste im Lader, andererseits über die Hochdruckdifferenz L>.P2 = P2-P3, die für die einfache Zuordnung übe be

ÜP2 Pe+Pr

be = spezifischer Brennstoffverbrauch pe= Mitteldruck pr= Reibdruck

den Brennstoffverbrauch via Ladungswechselarbeit direkt beeinflusst, was sich vor allem im Teillastbereich sehr stark auswirken kann. Der Gesamtwirkungsgrad guter Lader liegt im Bereich der PKW-Motoren um 45%, mit der Motorgrösse steigend. Durch Einsatz des Wastegate tritt ein energetischer Verlust auf, der sich in einer Absenkung auf Werte unter 30% bemerkbar macht, wobei dieser Einfluss beim Comprex bescheidener ausfällt als beim ATL [7]. Einsatz der variablen Geometrie beim ATL beeinflusst den Gesamtwirkungsgrad im negativen Sinn. Bei der Druckwellenmaschine sind die energetischen Verluste durch Reibung wegen des instationären Charakters der Grenzschichten gering. Mit über 20% ist als Hauptverlust die Leckage zu betrachten, gefolgt von Verlusten in den Gehäusen. Neben der aerodynamischen Qualität der Kanäle kommt damit dem Axialspiel Rotor/Stator, sowie dem Verlust durch Taschenanspeisung eine grosse Bedeutung zu.

60

. - Ｌｾｔｚ＠ - -.....r-......_

11Tol

50

......GTZoffen - -- -...

-

Ｍｾ＠

40

V

30

.... '

GTftixiert (Serie)

Gesamtwirkungsgrad in einem Lastschnitt bei 40 % der Motornenndrehzahl einer PKWAuslegung. Deutlich ist der Wirkungsgradbei Gastaschen-Regelung durch zuwachs Wegfall der Leckage.

20 10

o

200

300

400

Bild 10

500

600

700

800 oe

Abgastemperatur T3

Der Einfluss des Verlustes durch Taschenanspeisung ist in Bild 7 demonstriert. Der genannte Regeleingriff macht davon sehr wirksamen Gebrauch. Die Verteilung im Motorkennfeld ist in Bild 11, wiederum am Beispiel LKW-Motors, ohne Einsatz eines Wastegate, gezeigt. Auch hier ist deutliches Insel-Verhalten typisch, wobei die Lage des Optimums durch Abstimmungsdrehzahl des Druckwellenprozesses gegeben ist und sich steigender Abgastemperatur leicht zu höheren Drehzahlen verschiebt.

des ein die mit

27

Pe (bar)

Bild 11

OL-__J -_ _

L-__

- L_ _ _ _

800

1000

1200 1400

ｾ＠

__

1600

ｾ＠

1800

Gesamtwirkungsgrad im Kennfeld hochaufgeladenen LKW-Motors.

eines

Motordrehzahl (1/min)

Die Emissionsrelevanz des Gesamtwirkungsgrades ist vergleichsweise gering. Wegen seiner Bedeutung für den Brennstoffverbrauch (und damit CO2) sollten laderseitige Modifikationen zugunsten der Emissionen jedoch nicht mit einer Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrades erkauft werden.

3.4 Ladelufttemperatur Zunächst gegeben durch Druckverhältnis und Verdichtungswirkungsgrad kann die Ladelufttemperatur zusätzlich durch inneren und äusseren Wärmeaustausch beeinflusst werden und ist damit unabhängigen Regeleingriffen zugänglich. Während bei Vollast mit Rücksicht auf Luftüberschuss und Prozesstemperatur möglichst tiefe Temperaturen gewünscht sind, sollten im Teillastbereich die gegebenen Freiheitsgrade benutzt werden, um dem Verbrennungsprozess eine optimale Anfangstemperatur anzubieten. Dazu sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden wie: -

Kühler-Bypass Mehrkreis-Systeme Levelling-Systeme [7] Heiss-Kühlung unter Verwendung des Schmieröls als Kühlmedium

Diese interessanten Methoden können in geregelte Systeme einbezogen werden stellen ein wichtiges Zusatz-Instrumentarium gegenüber dem unaufgeladenen Motor dar. und

28 Bild 12 zeigt am Beispiel des Vergleichs Wasser/Luft-Kühler zum üblichen Luft/Luft-Kühler für einen PKW-Dieselmotor, dass im US-City-Emissionszyklus ein bedeutendes Potential zur Verringerung der Partikel und der HC vorliegt, was durch Einsatz von Kühlerreglungen weiter ausgebaut und auch zur Optimierung der Stickoxyd-Emission benutzt werden kann. Solche Massnahmen werden vor allem dann interessant, wenn der Lader bereits im Teillast-Bereich viel Ladedruck, damit auch viel Wärme des Ladeluftstromes anzubieten vermag.

(gpm )

/ /

HC

0.20

0.15

•

AlA

0.25

/

/

Bild 12

LA 0.2

0.25

(gpm)

0.3

Der Einsatz eines Wasser/Luft-Ladeluftkühlers verbessert He und Partikel-Emission im Zyklus gegenüber dem üblichen Luft/LuftKühler erheblich. Geregelte Varianten können weitere Verbesserungen bringen.

PM AlA = Luft/Luft W/A

=Luft/Wasser

Neben der Situation im betriebswarmen Zustand sollte auch die für die Emisssionszyklen wichtige Aufwärmphase nicht unterschätzt werden, die bei heute üblichen Konstruktionen mit konventioneller Wasserkühlung des Motors mehrere Minuten in Anspruch nimmt. Gegenüber dieser grossen Trägheit des Systems ist das Wärmepotential der Aufladung rascher verfügbar und sollte genutzt werden (ev. für die Innenraum-Heizung). Häufig wird die Wirkung des Druckverlustes in solchen Kühlern unterschätzt, die rasch den Dichtegewinn durch Temperaturverminderung aufwiegt. Bei der Auslegung ist' ein Druckverlust für Nenndurchsatz von max. 50 mbar anzustreben. Die Erfahrungen bezüglich Verschmutzung solcher Kühler sind auch bei Einsatz von AGR durch Mischung im Zellenrad gut. Der erhöhten Korrisionsneigung bei Abgasrückführung, vor allem bei intensiven Ladeluftkühlung und ausgeprägten Kaltzyklen, muss durch die Materialwahl Rechnung getragen werden. Der Anstieg des Druckverlustes kann bei entsprechender Auslegung über 100'000 km unter 0,05 bar bleiben, während sich der Wärmeübergang durch feine Belegung der Oberfläche um etwa 10% verschlechtert. Wasser/Luft-Ladeluftkühler scheinen dies-bezüglich unempfindlicher, da sie weniger zu Kondensation bei hohen AGR-Raten und intensiver Kühlung neigen.

29 3.5 Das Transientverhalten Die Praxis des Fahrzeugmotor-Betriebes ist durch einen überwiegenden Anteil nicht-stationärer Betriebszustände gekennzeichnet. Wie Bild 13 illustriert, tragen die Testzyklen sowohl für die Beurteilung des PKW im US-City-Zyklus, als auch für Nutzfahrzeuge im US-Transient-Zyklus dieser Tatsache Rechnung.

Ｈｾｲ＠ Pe (bar) Motorlast

ｾｉ＠

o

200

400

600

800

1000

1200

Zeit (5)

Bild 13 (Nm)

ｾｦ＠

o

Motorlast

200

400

600

800

1000

1200

Schnelle Aenderungen der Motordrehzahl und der Motorlast sind typisch für den Einsatz von Fahrzeugmotoren. Die US-Emissionszyklen für den PKW und den LKW setzen sich daher weltweit immer stärker durch.

Zeit (5)

Die Problematik hochaufgeladener DI-Nutzfahrzeugmotoren, die mit den stark verschärften US-Limiten 1991 und 1994 konfrontiert sind, wurde in [81 ausführlich analysiert mit dem Ergebnis, dass bis zu 35% der Partikel aus transienten Phasen stammen. Gleichzeitig wurde der Nachweis geführt, dass dieser Anteil mit schneller ansprechenden Ladern deutlich reduziert werden kann.

Da zur Erfüllung dieser verschärften Kriterien die Verminderung jedes Einzelbeitrages zwingend ist, entsteht somit neuerdings auch beim Nutzfahrzeugmotor die Forderung, das Ansprechverhalten des Laders zu verbessern. Die Druckwellenmaschine, die im Laderprozess selbst trägheitsfrei arbeitet, während der ATL durch die mechanische Trägheit seines Laufzeugs handicapiert ist, bietet dafür gemäss Bild 14 einen erheblichen Systemvorteil, der im übrigen unabhängig ist vom gewählten Aufladedruckverhältnis und von Veränderungen der Umgebungsbedingungen [9].

30

2

Bild 14 Abgastemp. T 3

Abgastemp. T 3

Zeit

T3

Wegen seiner mechanischen Trägheit, hoher Lagerverluste und niedriger Wirkungsgrade im Anfahrbereich zeigt der Turbolader ein Ansprechverhalten zweiter Ordnung mit ausgeprägtem Totzeitanteil (Tl). Das Verhalten der Druckwellenmaschine ist demgegenüber sogar durch ein Ueberschiessen des Ladedruckes vor Erreichen des thermischen Gleichgewichtes im Zellenrad gekennzeichnet.

Das Zeitverhalten des aufgeladenen Motors als Gesamtsystem wird darüber hinaus aber wesentlich mibestimmt durch die Zeitkonstanten der beteiligten Volumina (Füll- und Entleer-Vorgänge) und Oberflächen (Wärmeaustausch), sowie durch die gegebene System-Totzeit, nach deren Ablauf einer Erhöhung der Einspritzrate der Anstieg der Abgastemperatur folgt und somit die Reaktion des Laders ausgelöst wird. Bei Transientvorgängen, die bei hohem Massendurchsatz ablaufen resp. bei raschen Drehzahländerungen des Motors, liegt diese Zeit beim Comprex typischerweise im Bereich von 0,5 - 1 Sekunde (Bild 15) und bestimmt damit die Dauer des Rauchstosses.

P2 (bar )

0.8 0.6

0.4

I

(

ATL

I

1

L -;-

Bild 15

I

/

0.2

--- -

;: Comprex

,

I

.... ' " 2

3

4

5

6

Sprungantwort auf schlagartiges Erhöhen der Einspritzmenge, ausgehend von LeerlaufBedingungen gegen die Vollasteinstellung der Bremse auf dem Motorprüfstand (Motor: Daimler Benz OM 617). Gefordert wird: 0,5 bar nach 0,5 Sekunden.

Zeit (s)

Wesentlich ungünstiger ist die Situation der Lastaufnahme bei tiefen Drehzahlen und langsamem Motorhochlauf , wie es Bild 16 demonstriert (geringer Energieumsatz über eine lange Periode). Auch der Druckanstieg des begleitet von einem Standard-Comprex-Systems ist dort ungenügend,

31

Rauchstoss, der durch die Begrenzung der Einspritzmenge limitiert werden muss, die ihrerseits den Hochlauf verzögert. Das Zeitverhalten des Systems kann nicht wesentlich verbessert werden, auch wenn der Empfehlung Rechnung getragen wird, dass die Volumina klein und der Wärmeübergang im Abgassystem möglichst gering gehalten werden soll. Eine deutliche Verbesserung der Situation gelingt daher nur, wenn der Luftüberschuss in der Ausgangssituation der Beschleunigung bereits so gross ist, dass transient keine kritischen Werte unterschritten werden oder, wenn während dieser Beschleunigung entsprechende Reserven zuschaltbar sind. Vorgeschlagene Methoden sind beispielsweise Luftspeicher-Volumina (schwer praktizierbar), Laderhilfsantriebe (sehr aufwendig) oder variable Geometrie des Turboladers (Einbussen im Gesamtwirkungsgrad, nicht-triviales Regelproblem). Bei der Druckwellenmaschine bietet die VGTZ-Regelung ein grosses Potential zur Lösung dieses Problems. Während dieser Zufluss auf der Leerlauflinie ganz geöffnet ist, kann er bei Erreichen einer Abgastemperatur von etwa 200°C bereits geschlossen werden. Die dann wegfallende Leckage führt, wie Bild 16 im Vergleich zur Standardmaschine zeigt, zu einer raschen Freisetzung erhöhter Ladeluftdichte und damit einer wirksamen Verminderung der Russemission bei gleichzeitiger Verbesserung des Fahrverhaltens.

P2 Ladedruck

(barI

1.0

0.8

-

j

0.6

V/.,

0.2

o

I

I

-

=

P2Serie

....

IJI-

o

70%

I

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I

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-

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0.4

Rauch HSU

I I ｶｾｔｚＭ｢･ｴ￤ｩＹｵ＠

_

1.2 -

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3

I

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HSU VGTZ 4

I 6I

5

7

50 40

--

-8

30

20 10

9

Bild 16 Vollastbeschleunigung im Fahrzeug aus Motordrehzahl 1'250 l/min. im 4. Gang (Opel Senator). Verglichen wird der Serie-Comprex mit der Variante Gastaschenregelung. Die Betätigung des RegelventiJs wird nach 0,3 Sekunden gestartet und leicht verzögert.

Zeit (5)

Diese schwer zu beherrschende, für die Praxis aber sehr wichtige Situation ist in Bild 17 dem Verhalten eines turbo aufgeladenen Motors gegenübergestellt, wobei dort gemäss [5] der Standard-Turbolader, ein elektronisch geregelter Vario-Turbolader und· ein Serie-Comprex untersucht worden sind. Der Vergleich zeigt, dass der Turbolader mit variabler Geometrie das Ansprechverhalten des Serie-Comprex weitgehend erreicht. Führt man nun aber beim Comprex ebenfalls einen Regeleingriff ein, der im Gegensatz zum Vario-Turbo nicht mit einer Wirkungsgradeinbusse, sondern mit einem erheblichen Gesamtwirkungsgrad-Gewinn verbunden ist, so wird der Effekt besonders deutlich. Aus diesem Diagramm wird auch der gestufte Aufbau des Ladedrucks klar, der in seiner ersten Phase durch den Regeleingriff selbst und Volumeneffekte geprägt ist, in seiner zweiten Phase durch die thermischen Vorgänge im System.

32 Ladedruck (bar) 1.2,------,-----,-------,-----,-------,-------, ＱＮｯｬＭｉＫｾｨＺ｟ｪ＠

Bild 17

15

25 20 Zeit (5)

30

Beschleunigungsvorgang entsprechend Bild 16 in der Gegenüberstellung zu Standard ATL und geregeltem ATL gemäss [5). Das dabei verwendete Fahrzeug: Fiat Argenta .(*)

Die Anwendung dieser Technik dürfte für alle "Fahrzeugmotoren wirksamen Beitrag zur Emissionsverminderung leisten.

einen

3.6 Abgasruckführung Abgasrückführung, gekühlt oder ungekühlt, ist allgemein bekannt als ein sehr wirksames Mittel, um die Stickoxyd-Emission zu vermindern. Die Anwendung ist allerdings nur dort möglich, wo der Luftüberschuss hoch genug ist, d.h. vor allem im Teillastbereich. Die Massnahme hat sich daher in der PKWAnwendung durchgesetzt und wird bei Nutzfahrzeugen nicht angewendet, weil die Stickoxyd-Emission in den relevanten Zyklen vor allem im Vollastbereich anfällt. Die direkte Verbindung der Abgasleitung zur Ladeluftleitung auf der Hochdruckseite ist analog zum Turbolader auch beim Comprex möglich. Probleme werden neben dem Regeleingriff an der heissesten Stelle in der ungleichmässigen Zumischung zur Ladeluft gesehen, dem verschlechterten Transientverhalten des Turboladers und der negativen Beeinflussung des Brennstoffverbrauches. Beim Comprex besteht dagegen die Möglichkeit der Vermischung von Abgas und Luft im Zellenrotor selbst. Sie kann durch einen einfachen Drosseleingriff in der Ansaugleitung beliebig gesteuert werden, so dass es sich auch bei Transientvorgängen verzögerungs frei anpasst. Die Schaltung nach Bild 18 ist in [10] ausführlich beschrieben. Bei Verwendung eines Lambda-Sensors wird ein geschlossener Regelkreis möglich, der nun im gesamten Motorkennfeld eine dem Luftüberschuss zugeordnete und daher leicht auf unterschiedliche Motoren übertragbare Regelung ermöglicht. Auch hier muss die Systemträgheit, vor allem die unvermeidliche Totzeit durch geeignete Regelalgorythmen "überlistet" werden. Die Weiterentwicklung hat zu dem in Bild 19 dargestellten Resultat geführt, das das Verhalten eines IDI-PKW-Motors (Daimler Benz OM 602) ohne Ladeluftkühlung im US-City-Zyklus widerspiegelt. Es zeigt sich, dass durch entsprechende Vorgabe des Sollwertes "Lambda" eine sehr wirksame Absenkung der NOx-Emission möglich ist, ohne dass der Brennstoffverbrauch leidet. Der Fortschritt gegenüber früheren Berichten zu dieser Technik besteht vor allem darin, dass durch regeltechnisch (Software) bessere Beherrschung der Transientsituation die Emissionskomponenten HC und CO nur schwach ansteigen und die Partikelemission sogar abgesenkt wird.

33 Einspritzpumpe Regelweg-,

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Bild 18

Bild 19

Geschlossener Regelkreis zur AGR-Regelung unter Verwendung einer Lambdasonde (Bosch LMS 11).

Gesamtoptimierung der Emissionen durch Einsatz des geschlossenen Regelkreises. FTP 75-Heisszyklen von einem Daimler Benz 2,5-Liter IDI-Motor ohne Ladeluftkühlung, Fahrzeugmasse 1'410 kg, nach (11).

Das vorgeschlagene Verfahren ist begleitet von einer deutlichen Erhöhung der Abgastemperatur um ca. 100 K, die sich in einer Verbesserung des für Abgasnachbehandlungsmassnahmen Ansprechverhaltens auswirkt und (Russfilter, Katalysator) wirksam genutzt werden kann.

3.7 Abgasnachbehandlung durch Russfilter

Der Entwicklungsstand unter Verwendung von keramischen Zellenfiltern ist in [1] dargestellt. Fortschritte in der Filtertechnik deuten sich an durch Verwendung von monolithischen Schaumkeramik-Materialien, Gestricken oder Geflechten aus keramischen Fasern. Ausreichende Abscheidegrade sind nachgewiesen, das Hauptproblem besteht in der Regeneration des Filters. Die Position des Filters ist dabei von grosser Bedeutung; nach dem Lader erhöht er bei allen Systemen den Gegendruck für den Motor um das Ladedruckverhältnis und verschlechtert dadurch den Brennstoffverbrauch weiter. Beim Comprex ist diese Position wegen des erhöhten Widerstandes im Niederdrucksystem unzulässig. Zudem erschwert die Position nach der Entspannung und damit Abkühlung des Gases das Regenerationsproblem erheblich, was zu entsprechend aufwendigen Systemen führt. Die grundsätzlich vorzuziehende Position vor dem Lader ist beim ATL, wie die Erfahrung gelehrt hat, kritisch wegen der grossen mechanischen Empfindlichkeit der Radialturbine gegenüber Keramikpartikeln. Der Comprex ist wegen des

34 axialen Gaseintrittes und geringerer Umfangsgeschwindigkeit gegenüber solchen Partikeln unempfindlich, wie Versuche gezeigt haben. Die Position zwischen Motor und Comprex in einem thermisch kompakten System wurde daher weiterentwickelt. Dem Problem der thermischen Trägheit des Filters und damit verbunden verschlechtertem Ansprechverhalten, kann durch verschiedene Massnahmen begegnet werden: - Verringerung der Filtermasse bei unveränderter Filterfläche UI - Anheben der Abgastemperatur durch die im vorhergehenden geschilderten Massnahmen - Erhöhung des Ladedruckes bei Teillast In der Summe führen Ansprechverhalten.

Kapitel

diese Massnahmen zu akzeptablen Ergebnissen im

3.8 Abgasnachbehandlung durch Katalysator

Der Einsatz von Oxidationskatalysatoren am Dieselmotor ist nicht neu. Bisherige Anwendungen, vor allem im Untertage-Einsatz, haben jedoch auf ein der Anwendung in Problem aufmerksam gemacht, das auch bei Fahrzeugmotoren nicht unterschätzt werden sollte: die aktive Schicht ist nur so lange wirkSam, wie sie nicht durch Ablagerungen verdeckt wird. Russ ist dabei besonders unangenehm, weil er erst bei sehr hohen Temperaturen wieder verbrennt. Versuche haben eine kontinuierliche Verschlechterung des Konversionsverhaltens gezeigt [111, was zu dem Vorschlag führte, dem Katalysator einen Russfilter vorzuschalten. Mit Sicherheit Abgastemperatur Katalysators vor Beschädigung wie

ist die Position nach dem Lader wegen der tiefen besonders ungünstig; andererseits führt die Position des dem Turbolader zu einem ähnlichen Risiko mechanischer beim Russfilter.

Beim Comprex besteht eine interessante Sonderlösung Beschichtung der Rotorzellwände selbst:

durch

katalytische

- Die geringere Oberfläche wird durch hohen Stoffaustausch innerhalb der Zelle infolge intensiver Strömungswirbel kompensiert. - Die Position der höchsten Gastemperatur wird genutzt. - Die poröse Oberfläche einer Wash-caot-Zwischenschicht kann in der Spülphase Sauerstoff speichern. - Die Alterungsgefahr ist wegen der niedrigen Wand-Mitteltemperatur gering. Erste Versuche an einem 2,4 Liter IDI-Dieselmotor (Volvo D24) haben gemäss Bild 20 zu interessanten Resultaten geführt, die sich wie folgt interpretieren lassen: - Bei tiefen Drehzahlen, d.h. hohen Verweilzeiten, werden hohe Konversionsraten erzielt. Da Druckwellenmaschinen unterschiedlicher Baugrösse bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit laufen, sind grössere Einheiten (LKW) somit im Vorteil. - Bei Verminderung der Spülung (Drehzahl 2'500 mit hoher AGR-Rate) steigt die Konversion ebenfalls an, was auf erhöhte Temperaturen in der Oberfläche wäre im gesamten zurückgeführt werden kann. Diese Situation Teillastkennfeld unter Anwendung der unter 3.6 geschilderten LambdaRegelung erzielbar.

35 - Der Anstieg mit der Abgastemperatur entspricht der Erwartung für die gewählte Edelmetall-Beschichtung. - Der Konversionsabbau bei höheren Temperaturen lässt sich wahrscheinlich durch die starke Abnahme der absoluten HC-Emission zu höheren Lasten erklären - die Wirksamkeit des katalytischen Prozesses muss ja nach dem Massenwirkungsgesetz abnehmen. - Die Untersuchungen der Emissionen im Vollastbereich zeigte erwartungsgernäss einen verstärkten Sulfatanfall, ein weiterer Beweis für die Wirksamkeit der katalytischen Reaktion (Treibstoffanteil ca. 0,3 % Schwefel). Bei der Verminderung des Schwefelanteils im Treibstoff, die für die Zukunft mit Sicherheit erwartet werden darf, werden diese Wirkungen reduziert, die Anwendung des Katalysators entsprechend einfacher.

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Erste Ergebnisse der Abgasnachbehandlung durch Beschichtungen des ComprexZellenrades. Kennfeldmessung an einem Volvo 2,4-Liter lDI-Dieselmotor ohne Ladeluftkühlung.

Abgastemperatur T3 (%)

3.9 Direkte Beiträge via Sdunieröl Turbolader sind in der Regel ölgeschmiert. Die Abdichtung zum Verdichter über einen Kolbenring erhöht die Gefahr der Leckage dann, wenn der örtliche Druck auf der Luftseite geringer ist als der Druck im Ölraum, was ausgeprägt in Schub-Phasen auftritt. Es hat sich daher gezeigt, dass vom Lader nicht vernachlässigbare Anteile von Schmieröl in die Ladeluft geliefert werden, die zur Erhöhung der Partikelemission beitragen. Die Situation ist ähnlich bei mechanischen Ladern. hat zu fettgeschmierten Die Comprex-Entwicklung (Lebensdauerschmierung, keine Wartung) geführt, ein direkter Partikelproduktion ist somit nicht gegeben.

Wälzlagern Beitrag zur

36

4. Bewährung im Grosserie-Einsatz Als eine erste Pilotserie kamen 1985 750 Opel Senatoren auf den deutschen Markt, der wegen des unbegrenzten Autobahneinsatzes als besonders hart gilt. Viele dieser Fahrzeuge haben inzwischen 150'000 km klaglos erreicht. Der Comprex-Feldrücklauf aus dieser Serie ist kleiner als 0,6% und hat sich auf die ersten zwei Jahre konzentriert. Die Erfahrungen gaben Gelegenheit zur technischen Verbesserung für den Grosseinsatz mit Mazda Capella seit Mitte 1987, der heute mit über 40'000 Fahrzeugen im Feld einen Rücklauf von weniger als 0,3% aufweist. Im Vergleich zu branchenüblichen Werten dürfen diese Ausfallraten als besonders gut gelten. Der serielle Einsatz in Ackerschleppern der Firma Valmet seit 1980 hat inzwischen zu Laufzeiten von über 13'000 Stunden geführt. Piloteinsätze mit LKW's zeigen Laufzeiten von über 1 Million Kilometer mit gleichem Motor und Comprex. Man darf daraus schliessen, dass der Druckwellenlader in der heutigen Konstruktion eine Reife erreicht hat, die neben hoher Betriebssicherheit beim PKW-Einsatz nun auch den Einstieg in Nutzfahrzeuganwendungen attraktiv macht, ohne dass technische Rückschläge befürchtet werden müssen.

Abschliessende Bemerkungen Die Aufladung von Fahrzeug-Dieselmotoren mit der Druckwellenmaschine Comprex zeigt in PKW-Anwendungen neben vorzüglichen Fahrleistungen und geringem Brennstoffverbrauch auch ein niedriges Emissionsniveau. Die Diskussion der Eigenschaften des Gerätes und des damit konzipierbaren Systems führt zu der Erwartung, dass auch für die hochgesteckten Zielsetzungen des NFZ-Motors durch Comprex-Aufladung wesentliche Beiträge zur Verminderung der Emissionskomponenten, vor allem auch der Partikel unter Transientbedingungen erzielt werden können. Den noch wenig ausgeloteten Eigenschaften dieses Aufladegerätes zur katalytischen Nachbehandlung im Zellenrad , sowie der Einbindung ins Motormanagement über Regeleingriffe zur Steuerung der Taschenzuflüsse kommt dabei besondere Bedeutung zu.

37

Literatur [1]

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[9]

G. Zehnder, A. Mayer Supercharging with Comprex to Improve the Transient Behaviour Passenger Car Diesel Engines SAE Paper 860450

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A. Amstutz, E. Pauli, A. Mayer System optimization with Comprex supercharging and EGR control of diesel engines XXIII FISITA-Congress, Turin, Mai 1990, Paper Nr. 905097

[11]

J. Widdershoven et al. Possibilities of Particle Reduction for Diesel Engines SAE Paper 860013

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von

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Entwicklungsarbeiten mit der kombinierten Aufladung von Dr. F. Indra, I. Janthur

INHALT: Ein 2.3 Itr.

Reihen-Vier-Zylinder Viertakt Turbo-Dieselmotor ist mit einer

kombinierten Aufladung, nämlich der Kombination von Abgasturboaufladung und Schwingrohraufladung nach Dr. Cser, versehen worden [1]. Es ergibt sich vor allem im unteren Drehzahlbereich eine deutliche Erhöhung des Liefergrades. Dadurch wird das Ansprechverhalten und die Elastizität des Motors verbessert.

EINLEITUNG: Zur Leistungssteigerung von Motoren ist die Aufladung ein beliebtes und mittlerweile sehr weitverbreitetes Mittel. Sie hat sich insbesondere bei Dieselmotoren im Nutzfahrzeugsektor schon sehr weit durchgesetzt. Dabei ist der Einsatz eines Turboladers mit Ladeluftkühler vorherrschend. In Personenkraftwagen haben turboaufgeladene Motoren erst in jüngerer Vergangenheit an Bedeutung gewonnen und gehören heute zum Repertoire fast jedes Fahrzeugherstellers. Die Turbomotoren haben im Laufe der Zeit eine sehr gute Zuverlässigkeit erreicht und sind auch von den Gesamtkosten her den Saugmotoren ebenbürtig geworden, wenn man die Leistungssteigerung mitberücksichtigt. Dennoch haben gerade die Anwendungen in Pkw's gezeigt, daß eine Hauptbeanstandung des Turboladers nicht ganz befriedigend bereinigt werden konnte, nämlich das verzögerte Ansprechverhalten. Dies ist bei Nutzfahrzeugen mit einer sehr großen Gangzahl und engen Betriebsbereichen nicht so gravierend. Im Pkw jedoch erwartet der Kunde spontane Reaktionen, und so gelten viele Entwicklungsaktivitäten der Verbesserung des Instationärverhaltens von aufgeladenen Motoren.

39

Das verzögerte Ansprechverhalten ist zum Teil eine Folge der Trägheit des Turboladerrotors und der anfangs geringen Abgasenergie, die im Zusammenspiel Zeit erfordern. Schon geringe Verbesserungen des einen oder anderen Partners machen sich überproportional bemerkbar, weil ein etwas schnelleres Hochdrehen des Rotors eine sofortige Erhöhung des Durchsatzes ergibt, damit mehr Abgas und wieder mehr Energie für die weitere Drehzahlerhöhung. Verschiedene Versuche der Verbesserung des Ansprechverhaltens wurden unternommen: - Zum einen geht der Trend zu immer kleineren Ladern. Dies verbessert zwar das Ansprechverhalten, führt aber zu schlechteren Verbräuchen bei Volllast, besonders im oberen Drehzahlbereich. - Die Fa. ABB, vormals BBC, hat den Comprexlader entwickelt, der Druckwellen für die Erzeugung von Ladedruck nutzt. Dieser Lader wurde auch von Opel in einer kleinen Serie Senator Diesel Fahrzeuge eingesetzt. Obwohl die Serie gut verkauft wurde und Feldprobleme nicht größer sind als üblich, hat Opel die Weiterentwicklung eingestellt. Dazu führten mehrere Gründe, u. a. die schwierige Beherrschung der Geräusche, aber auch die Unhandlichkeit des Systems, das Abgas- und Frischluftanschlüsse sowie einen Riemenantrieb zur Syncronisation benötigt. Außerdem war die Maximalleistung der Motoren system bedingt etwas geringer als die der Turbomotoren [2]. - Auch mechanische Lader sollen ohne das sogenannte Turboloch laden können. Bisher hat sich diese Behauptung jedoch noch nicht hinreichend sicher belegen lassen [3]. Vom Prinzip her ist dies anzunehmen. In der Praxis sieht es jedoch häufig so aus, daß die Motoren wesentlich erhöhte Kraftstoffverbräuche haben, weil der Lader ein festes Übersetzungsverhältnis zum Motor hat und nicht abgeschaltet wird. Oder der Lader wird durch eine Kupplung abgeschaltet, dann ist beim plötzlichen Beschleunigen das schnelle Wiedereinkuppeln des Laders nötig. Dies benötigt Zeit und bedingt einen hohen Kupplungsverschleiß. Variable Antriebe haben sich bisher noch gar nicht bewährt.

40

- Abgestimmte Ansauganlagen sind eine weitere Methode der Verbesserung des Ansprechverhaltens von Motoren mit Abgasturboladern. Diese Form der Aufladung läßt sich sowohl bei Dieseln [4] als auch bei Ottomotoren [5] anwenden. Dabei lassen sich durch Abstimmung der Saugrohrlängen sehr genau bestimmte Resonanzbereiche festlegen, in denen eine Erhöhung des Ansaugluftdurchsatzes stattfindet. Wir möchten hier über den Einsatz eines solchen Systems berichten, wie es von Dr. Cser,

Budapest,

als

Doppel-Resonanz-System

(abgekürzt

DRS)

vorgeschlagen worden ist [6]. Es weist nicht wie üblich eine Resonanzstelle auf, sondern zwei, die relativ eng beieinander im unteren Drehzahlbereich liegen. AUFBAU DES DOPPEL-RESONANZ-SYSTEMS: Hauptteile des DRS (Bild 1) sind die in der Größe auf die gewünschten Resonanzstellen

abgestimmten

drei

Behälter:

Speise-,

Haupt-

und

Nebenresonanzbehälter. Diese sind mit ebenfalls abgestimmten Rohren miteinander verbunden. Dabei ist besonders auf glatte Übergänge und richtige Anbindung der Rohre zu achten.

Durch die Ansaugschwingungen des Motors, die vom Öffnungs- bzw. Schließvorgang der Ventile ausgelöst werden, wird die Luft auch in diesem System angeregt und kann dabei folgende zwei Resonanzformen annehmen: - Bei der unteren Resonanzstelle (Bild 2) bewegen sich die beiden Massen des Schwingungssystems gleichphasig, das als Feder wirkende Volumen im mittleren Resonanzbehälter erfährt keine Druckschwankung.

- Bei der oberen Resonanzstelle (Bild 3) wirkt in erster Linie das Volumen des mittleren Resonanzbehälters als Feder, die Luftmassen in den Rohren schwingen in entgegengesetzter Phase. Die Druckschwankung tritt im mittleren Behälter auf. Durch Wahl der Größe der Behälter kann die Lage der Resonanzstellen bestimmt werden.

41

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SCHEMATISCHER AUFBAU

1. MOTORZYLINDER

5. BLINDES RESONANZROHR

2. SPEISERESONANZBEHÄLTER

6. BLINDER RESONANZBEHÄLTER

3. SPEISERESONANZROHR.

7. TURBOLADER

4. MITILERER RESONANZBEHÄLTER

Bild 1:

Schematischer Aufbau

UNTERE RESONANZSTELLE

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Bild 2:

Untere Resonanzstelle

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42

VERSUCHSAUFBAU: Versuchsträger war der schon für den Turbo-Comprex-Vergleich benutzte 2.3Itr.-Diesel-Motor mit Turbolader K14 von KKK und Ladeluftkühler, so wie er von Opel derzeit im Omega in Produktion ist. Dieser Motor leistet 74 kW/100 PS bei 4200 upm. Sein maximales Drehmoment von 215 Nm liegt bei 2200 upm an. Der Motor erhielt das von Dr. Cser vorgeschlagene System in folgender Form (Bild 4): 1/2 Zylinderinhalt Saugrohr

0,2951 0,7651

Speiseresonanzbehälter (Summe)

1,060 I

wirksames Ladeluftkühlervolumen Zusatzbehälter

2,79 I 4,66 I

mittlerer Resonanzbehälter (Summe)

7,45 I

Nebenresonanzbehälter (blind)

1,7351

Untere Resonanzstelle:

1350 upm

Obere Resonanzstelle:

1600 upm

ERGEBNISSE: Stationäre Voll last Bei gleichem Kraftstoffmassenstrom ergeben sich im wesentlichen gleiche Drehmomente. Jedoch ist im Bereich der Resonanzstellen ein wesentlicher Unterschied im volumetrischen

Wirkungsgrad

zu

erkennen

(Bild

5).

Oberhalb

dieser

Resonanzdrehzahlen sinkt der volumetrische Wirkungsgrad ab, und wird dann sogar niedriger als beim normalen Turbomotor. Dieses Absinken ist aber deswegen nicht nachteilig, weil im oberen Lastbereich die Turbolader sowieso meist zuviel Luft liefern würden und daher abgeregelt werden. Die maximale

43

OBERE RESONANZSTELLE

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Obere Resonanzstel l e

RESONANZVOLUMEN 1/2 lYLlNDERINHALT:

0,295 L

SAUGROHR:

0,765 L

SPEISERESONANZBEHÄLTER (SUMME):

1,060 L

WIRKSAMES LADELUFTKÜHLERVOLUMEN:

2,79 L

ZUSATZBEHÄLTER:

4,66 L

MITTLERER RESONANZBEHÄLTER (SUMME):

7,45 L

NEBENRESONANZBEHÄLTER (BLIND):

1,735 L

UNTERE RESONANZSTELLE:

1350 UPM

OBERE RESONANZSTELLE:

1600 UPM 1Lr. ,..,ps • • "lJ 1.-.0

Bild 4:

Resonanzvolumen

44

VOLLAST LUFTAUFWAND - .x o ;,

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EinfLuß der MachzahL auf den Laufradwirkungsgrad

78

Die Folge davon ist z.B., daß mit steigenden Druckverhältnissen die Verdichterlaufräder innerhalb eines bestimmten Anwendungsbereiches immer feiner abgestuft werden müssen. Eines der Ziele bei der Weiterentwicklung von Verdichterrädern ist auch die Steigerung des Volumendurchsatzes bei gegebenen AUßenabmessungen,um aus Kosten- und anbautechnischen Gründen einen möglichst kleinen Turbolader einsetzen zu können. Dies bedeutet zunehmenden Strömungswinkel und Durchmesser Dla am Laufradeintritt. Entsprechend nimmt dort die Machzahl zu. Steigendes Druckverhältnis und steigender Durchsatz führen also zu einer Erhöhung der Machzahl und damit zu einer immer stärkeren Einschränkung des Bereichs guten Rad- und damit Verdichterwirkungsgrades. Die Anforderungen an die Auslegung und die Abstimmung des Verdichters werden immer größer. In Bild 7 ist ein Verdichterkennfeld für Ladedruckverhältnisse größer 4 dargestellt. Um auch bei den hohen Druckverhältnissen noch gute Wirkungsgrade auf der Betriebslinie zu erreichen, muß der Verdichter so ausgelegt werden, daß die Betriebslinie bei Teillast nahe der Pumpgrenze verläuft. Eine Möglichkeit die Pumpsicherheit bei Teillast zu erhöhen und gleichzeitig den Ladedruck anzuheben bietet das Umblasen. Hierbei wird Luft vom Verdichteraustritt in die Abgasleitung vor Turbine eingeblasen. Dieser Luftanteil erhöht den Massendurchsatz durch die Turbine und der Ladedruck steigt. Gleichzeitig verschiebt sich der Betriebspunkt im Verdichterkennfeld zu höheren Ansaugvolumina. Die Wirkung dieser Maßnahme kann aus dem Vergleich der beiden Betriebslinien mit und ohne Umblasen aus dem Kennfeld ersehen werden. Durch umblasen, das nur bei Stauaufladung und ähnlichen Verfahren möglich ist, können also der Abstand des Betriebspunktes zur Pumpgrenze vergrößert, der Ladedruck ･ｲｨ￶ｾ＠ und damit die Motorbetriebswerte bei Teillast verbessert werden.

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Wird zur weiteren Erhöhung des Ladedruckes bei Teillast der Düsenringquerschnitt verkleinert, so kann bei Vollbzw. Überlast Abblasen erforderlich werden, um die Grenzdrehzahl des Turboladers nicht zu überschreiten. Ein Vergleich über den Einfluß von Abblasen von Ladeluft bzw. von Abgas geht aus Bild 8 hervor. Bei Abblasen von Abgas nimmt der spezifische Luftdurchsatz ab und die Laderdrehzahl fällt stärker. Damit verschiebt sich der Betriebspunkt gegenüber dem Luftabblasen weniger in den Bereich schlechten Wirkungsgrades im Verdichterkennfeld und die Abgastemperatur steigt nicht so stark an. Abblasen auf der Abgasseite ist also günstiger. Wie bereits dargelegt, nimmt die Problematik der optimalen Anpassung des Verdichters mit zunehmendem Druckverhältnis und Durchsatz zu, d. h. mit wachsenden IT wird für guten Wirkungsgrad bei Vollast das Teillastverhalten und die Pumpsicherheit verschlechtert. Ein Kennfeld für Ladedruck größer 4 und einen gegenüber Kennfeld Bild 7 wesentlich größeren Luftdurchsatz ist in Bild 9 dargestellt. Die Verdichterkennlinien verlaufen hier im Bereich hoher Druckverhältnisse bereits sehr steil, so daß gute Wirkungsgrade nur mehr in einem schmalen Bereich erreichbar sind. Wie aus dem Bild ersichtlich, ist in diesem Fall Umblasen allein für einen pumpsicheren Betrieb bei Teillast bei genügend hohem Wirkungsgrad bei Vollast nicht mehr ausreichend. Hier kann ein regelbarer Vordrall eine Lösung sein. Der Drall muß regelbar sein, damit die Kennfeldeigenschaften bei Vollast unverändert bleiben können. Bei Verdichtern mit hohen spezifischen Durchsätzen, die für hohe Druckverhältnisse ausgelegt sind, kann also durch Anwendung von Umblasen und regelbarem Vordrall im Teillastbereich der Ladedruck bei ausreichender Pumpsicherheit erhöht werden, ohne daß im Vollastbereich der Ladedruck bzw. die Drehzahl ansteigt.

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