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MTZ - Motortechnische Zeitschrift

, Volume 73, Issue 10, pp 744–750 | Cite as

Techniktrends In Der Nfz- Grundmotorentwicklung

  • Michael Neitz
  • Andreas Wiartalla
  • Sven Lauer
  • Franz Maassen
Titelthema Nutzfahrzeugantriebe
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Die Anforderungen an Nutzfahrzeuge bezüglich weiterer Kraftstoffverbrauchsreduzierungen bei strikten Emissionsnormen werden auch künftig steigen. Die FEV zeigt im Folgenden anhand von Beispielen auf, welche Potenziale bei der Weiterentwicklung des Grundmotors von Nutzfahrzeugen künftig noch erschlossen werden können.

Gesamtheitliche Betrachtung Notwendig

Die Grenzwerte für Schadstoffemissionen von Nutzfahrzeug-Dieselmotoren wurden im Verlauf der vergangenen zwei Jahrzehnte dramatisch gesenkt. Dies stellt bis heute eine wesentliche Triebkraft für die Motorenentwicklung dar. Zukünftige CO2-Grenzwerte erhalten den Entwicklungsdruck aufrecht. Die zur Erreichung der vorgegebenen Ziele zunehmend erforderliche Abgasnachbehandlung zwingt zu einer gesamtheitlichen Betrachtung der Bereiche Thermodynamik/Abgasnachbehandlung und Grundmotorkonstruktion/-mechanik, um zu einem Optimum hinsichtlich Produkt- und Betriebskosten zu kommen. So geht es beispielsweise darum, beim Zielkonflikt zwischen Aufwand im Grundmotor — hervorgerufen unter anderem durch hohe Spitzendruckfähigkeit, hohe Einspritzdrücke sowie aufwendige AGR- beziehungsweise Ladeluftkühlung — und Aufwand für die Abgasnachbehandlung den in Summe günstigsten Punkt zu treffen. Die heute und in Zukunft erforderlichen Systeme zur Abgasnachbehandlung können Kosten in der Größenordnung des Grundmotors verursachen und erhöhen damit den auf dem Motor lastenden Kostendruck.

vermittelt einen Eindruck der Bandbreite an Maßnahmen und Techniken, die — mit einem jeweils unterschiedlichen Reifegrad — für die Bewältigung zukünftiger Anforderungen zur Verfügung stehen. Im Folgenden werden beispielhaft Themen beleuchtet und mögliche Trends für die zukünftige Grundmotorenentwicklung diskutiert, die zur oben beschriebenen Optimierung beitragen können.

Potenzielle Techniken zur Emissions- und CO2-Reduzierung

Hubvolumen, Downsizing Und Zylinderzahl

Zur Verminderung der NOx-Rohemissionen werden heute, vielfach bis an die Volllast, hohe AGR-Raten eingestellt. Dadurch sinkt der Sauerstoffanteil in der Ladeluft, was durch einen höheren Aufladegrad kompensiert werden kann. Zur Aufrechterhaltung bisher üblicher Spitzenwerte der spezifischen Leistung von deutlich über 30 kW/l bedarf es unter diesen Umständen einer zweistufige Aufladung mit gesteigerten Ladedrücken, die zu höheren Spitzendruckanforderungen an den Motor führen. Dieser Weg mag für einen bestehenden Motor der günstigste sein. Bei einer kompletten Neuentwicklung stellt sich aber die Frage, ob der Kostensteigerung durch teure Aufladetechnik und hohe Spitzendruckanforderungen nicht mit einer Beschränkung der Leistungsdichte, das heißt einem entsprechend groß gewählten Hubvolumen, begegnet werden sollte. Zudem verspricht Downsizing in Verbindung mit gesteigertem Spitzendruck nicht notwendigerweise eine signifikante Reibungsreduktion.

zeigt den Vergleich zweier Auslegungsvarianten für einen Medium-Duty-Nfz-Motor (MD). Die Verkleinerung des Hubvolumens wird in diesem Beispiel durch eine proportionale Reduzierung von Hub und Bohrung unter Beibehaltung des Hub-Bohrungs-Verhältnisses dargestellt. Das Downsizing erfordert eine zweistufige Aufladung und damit eine Spitzendrucksteigerung um circa 30 bar. Trotz kleinerem Bohrungsdurchmesser bleibt daher die Gaskraft in etwa konstant. Eine Reduzierung der Lagerdurchmesser und damit der Lagerreibung und des Öldurchsatzes durch die Lager ist nicht möglich. Lediglich die durch den etwas kleineren Hub bei gleicher Motordrehzahl niedrigere Kolbengeschwindigkeit wirkt sich reibungsmindernd aus. Dieser positive Effekt wird durch den zusatzlichen Ölbedarf des zweiten Turboladers und die dadurch höhere Ölpumpenantriebsleistung zum Teil kompensiert. Die Reibungsanteile von Kurbelwelle, Ventiltrieb, Wasserpumpe und Generator bleiben gleich. Die Reibungsabschätzung zeigt daher einen nur geringen Unterschied beim Reibmoment, lediglich die thermodynamischen Verbrauchsvorteile uber eine Betriebspunktverlagerung können umgesetzt werden. Erst eine Reduzierung der Zylinderzahl würde ein signifikantes Potenzial zur Senkung der Motorreibung bieten. Die Motorkosten werden aufgrund der zweistufigen Aufladung und der erforderlichen Maßnahmen zur Beherrschung des höheren Spitzendrucks und der gesteigerten thermischen Belastung signifikant steigen. Der Kostenvergleich in macht deutlich, dass Downsizing nur bei gleichzeitiger Reduzierung der Zylinderzahl finanziell attraktiv ist. Auch die Verwendung von Ausgleichswellen zur Eliminierung der freien Massenkräfte zweiter Ordnung, um das NVH-Verhalten des Vierzylindermotors zu optimieren, wird durch den Kostenvorteil gegenüber einem Sechszylindermotor mehr als gedeckt.

Auswirkung von Downsizing auf die Motorreibung

Auswirkung von Downsizing und Reduzierung der Zylinderzahl auf die Motorkosten

Unter den obigen Gesichtspunkten wäre die Einführung großvolumiger Vierzylindermotoren anstelle der üblichen Sechszylindermotoren vorteilhaft. Ein Vierzylinder mit einem bei Heavy-Duty-Motoren (HD) üblichen Zylinderhubvolumen von circa 2 l könnte in die Leistungsklasse von 300 kW vorstoßen. Diese macht die Hauptstückzahl bei Antrieben von Fernverkehrs-Lkw mit 40 t zulässigem Gesamtgewicht aus, sodass sich ein erhebliches Einsparpotenzial erschließt. Die deutlich geringere Länge des Vierzylinders würde Freiräume im Motorraum eröffnen, die für den gesteigerten Platzbedarf von Abgasnachbehandlung und Kühlung genutzt werden könnten. Zudem ist selbst unter Berücksichtigung von Massenausgleichswellen mit einem Gewichtsvorteil von circa 150 kg zu rechnen, der uneingeschränkt der Nutzlast des Fahrzeugs zugutekommt. Die aufgrund der kleineren Zylinderzahl höhere Drehungleichförmigkeit stünde wahrscheinlich im Fokus der Entwicklung, um den Komfortansprüchen der Kunden gerecht zu werden. Grundsätzlich stellt sich die Frage nach der Kundenakzeptanz solcher Motoren in einem eher konservativ geprägten Markt. Im Pkw-Bereich ist der Trend zu kleineren Zylinderzahlen in vollem Gange. Hier wurden bereits in großem Umfang Sechs- durch Vierzylindermotoren mit hoher Leistungsdichte ersetzt. Die Substitution von Vier- durch Dreizylindermotoren in der Mittelklasse steht kurz bevor.

Thermische Spritzschichten Bei Laufbuchsen

Die mittlerweile für den Serieneinsatz zur Verfügung stehenden Verfahren zur Aufbringung thermischer Spritzschichten auf der Zylinderlauffläche [1] bieten Potenzial zur Reibungsreduzierung, wie zeigt. Diese Technik wird — von Pkw-Motoren kommend — bereits bei Nutzfahrzeugmotoren eingesetzt. Sie erlaubt außerdem die freie Wahl des Laufflächenmaterials unabhängig vom Grundwerkstoff der Laufbuchse. Damit entfällt ein Argument für die Verwendung separater Laufbuchsen. Würden — wie heute schon bei MD-Motoren üblich — auch bei HD-Motoren anstelle nasser Zylinderlaufbuchsen Kurbelgehäuse mit integrierten Laufbuchsen (Parent Bore) verwendet, könnten signifikante Potenziale hinsichtlich der Produktionskosten des Kurbelgehäuses und des Zylinderabstands erschlossen werden, wie in dargestellt [2]. Im Fall einer Motoruberholung mussten anstelle des Austauschs der separaten Laufbuchsen die verschlissenen Zylinder aufgebohrt und eine neue Spritzschicht aufgetragen werden. Übermaßkolben wären hierfür nicht erforderlich. Allerdings sind entsprechende Fertigungseinrichtungen für eine solche Überholung vonnöten. Doch zumindest in technisch hochentwickelten Märkten mit guter Infrastruktur sollte diese Technik umsetzbar sein.

Potenzial zur Reibungsreduzierung von Laufbuchsenbeschichtungen

Vorteile integrierter Laufbuchsen (Parent Bore) gegenüber nassen Laufbuchsen

Hochdruckeinspritzung

Über die Jahre ist der Einspritzdruck bei Nutzfahrzeugmotoren kontinuierlich gestiegen [4]. Ein erhöhter Einspritzdruck führt zu einer kürzeren Einspritzdauer beziehungsweise bietet das Potenzial, die Spritzlöcher an der Düse zu verkleinern. Hierdurch wird eine bessere Zerstäubung des Einspritzstrahls mit einer daraus resultierenden schnelleren Verbrennung erreicht. Dies führt im Allgemeinen zu verminderten Verbrauchs- und Partikelwerten, allerdings bei erhöhten NOx-Emissionen. Das macht somit eine Spätverstellung des Einspritzbeginns erforderlich, was den Verbrauchs- und Partikelvorteil teilweise kompensieren kann. Gleichzeitig muss berücksichtigt werden, dass sich die Erhöhung des Einspritzdrucks über eine gesteigerte Antriebsleistung der Hochdruckpumpe sowie etwaige erhöhte Leckagen im Injektor nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch auswirken kann.

Trotz dieser zuvor aufgezeigten gegenläufigen Wechselwirkungen kann mit erhöhten Einspritzdrücken bis 3000 bar neben den Emissionen auch der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Die Basis hierfür bilden moderne Einspritzsysteme [4, 5], die statisch weitgehend leckagefrei sind und auch dynamisch deutlich reduzierte Leckagen aufweisen. So kann schon beim Übergang von einem konventionellen auf ein weitgehend leckagefreies Einspritzsystem der Kraftstoffverbrauch emissionsneutral in der Größenordnung von 1 % sowohl in der Teillast als auch bei Nennleistung reduziert werden. Eine zusätzliche Anhebung des Einspritzdrucks auf 3000 bar bietet dann weiteres Potenzial zur Verbesserung des NOx-Partikel-Trade-offs sowie eines reduzierten Kraftstoffverbrauchs in weiten Kennfeldbereichen und insbesondere auch an der Volllast, . Sofern hinsichtlich der Motorauslegung die Möglichkeit zu einer Anhebung des Zylinderspitzendrucks besteht, kann der Emissionsvorteil mit einer Anpassung der Einspritzstrategie in eine weitere signifikante Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs umgesetzt werden.

Dieses Beispiel zeigt exemplarisch, dass zum einen hinsichtlich Brennverfahren und Motorkalibrierung auch zukünftig noch erhebliche Potenziale zur Verbesserung sowohl der Emissionen als auch des Kraftstoffverbrauchs bestehen und sich zum anderen aus der Thermodynamik auch Anforderungen an die Motorauslegung (beispielsweise hinsichtlich Spitzendruckfestigkeit) ergeben.

Potenzial hocheffizienter Einspritzsysteme (AGR-Variation bei Nenndrehzahl und 100 % Last; Basiseinspritzdruck: 1800 bar)

Zylinderkopfauslegung

Stetig steigende Zylinderspitzendrücke, gepaart mit einer hohen Leistungsdichte, stellen vor allem die Zylinderkopfentwicklung vor neue Herausforderungen. Dabei sind Materialauswahl und Konstruktionsprinzip beziehungsweise Bauteilgeometrie die Stellschrauben bei der Auslegung.

Die Steigerung der Materialfestigkeit ist ein naheliegendes Mittel zur Verbesserung der Langzeitlebensdauer (High-Cycle Fatigue, HCF). So haben einige Hersteller den Schritt vom normalen Grauguss (GJL) zum Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV) vollzogen. Beispielsweise steht mit GJV450 ein Material zur Verfügung, welches die hochfrequente Belastung aus dem Verbrennungsdruck im Zylinder sehr gut verträgt und ohne die für normalen Grauguss (GJL250) erforderliche Detailoptimierung der Geometrie in den hochbelasteten Bereichen Spitzendrücke weit jenseits von 200 bar ermöglicht. Die gegenüber GJL deutlich reduzierte Wärmeleitfähigkeit bringt eine wesentliche Verschlechterung hinsichtlich der thermomechanischen Ermüdung (Low-Cycle Fatigue, LCF) in den thermisch hochbelasteten Bereichen mit sich, insbesondere in den Ventilstegen im Flammdeck. Einzig mit einer intensiven Kühlung und einer drastischen Reduzierung der Wandstärken in diesen Bereichen kann Ventilstegrissen erfolgreich begegnet werden. Schon ganz am Anfang einer Zylinderkopfauslegung muss daher bei der Festlegung der Ventilpositionen und -größen sehr viel Wert auf ausreichende Ventilstegbreiten gelegt werden, um den Anforderungen bezüglich der Kühlung gerecht zu werden. Dies kann durchaus bedeuten, dass Kompromisse hinsichtlich der Ventildurchmesser und damit der für den Ladungswechsel zur Verfügung stehenden Querschnitte eingegangen werden müssen, um eine für die Motorlebensdauer ausreichende ertragbare Lastwechselzahl bei thermischer Ermüdung zu erzielen.

Die Zylinderkopfhöhe ist eine wesentliche Randbedingung für die darstellbare globale Steifigkeit des Zylinderkopfs und damit ein Indikator für den erreichbaren Spitzendruck. In ist ein Vergleich der relativen Höhe für Zylinderköpfe von Motoren mit einem Bohrungsdurchmesser zwischen 90 und 140 mm dargestellt. Der Kennwert der relativen Höhe ist definiert als das Verhältnis der Höhe der Ventilfederauflage zum Zylinderbohrungsdurchmesser. Der Zusammenhang zwischen dauerfest ertragbarem Spitzendruck und relativer Zylinderkopfhöhe ist auf der rechten Diagrammseite dargestellt. Unter günstigen Voraussetzungen ist zylinderkopfseitig auch mit GJL ein Spitzendruck von weit über 200 bar darstellbar. Die eingezeichneten Beispiele für GJV belegen jedoch, dass dies mit dem höherfesten Material wesentlich einfacher ist.

Zusammenhang zwischen Zylinderkopfhöhe und Spitzendruckpotenzial

Ein weiteres Konstruktionsmerkmal, welches die Steifigkeit des Zylinderkopfs positiv beeinflusst, ist ein gegossener Injektordom. Demgegenüber bietet eine eingesetzte Hülse zur Aufnahme des Injektors günstigere Verhältnisse für die Kühlung im thermisch hochbelasteten Bereich um den Injektor und zwischen den Ventilen. Sie ist zudem vorteilhaft für das Gießen des Zylinderkopfs, da der Wassermantelkern über den zentralen Düsenbereich nach außen Verbindung hat.

Die Integration eines für die Kühlmittelführung vorteilhaft zu nutzenden Zwischendecks wird damit gusstechnisch deutlich erleichtert. Eine Injektorhülse kann jedoch keine stützende Funktion in der Zylinderkopfstruktur übernehmen. Dies lässt sich jedoch kompensieren, beispielsweise durch einen höherfesten Werkstoff.

Die oben beschriebenen Einflüsse legen den Schluss nahe, dass für Motoren mit eher moderater Leistungsdichte und damit auch relativ niedrigem Zylinderspitzendruck, aber hohen Lebensdaueranforderungen, der Werkstoff GJL — unter Umständen in einer gegenüber dem Standardwerkstoff GJL250 festigkeitsgesteigerten Variante — in Verbindung mit gegossenem Injektordom die günstigste Alternative ist, nicht zuletzt auch unter Kostengesichtspunkten.

Für Motoren mit höherer Leistungsdichte und demzufolge höherem Wärmeeintrag in den Zylinderkopf gewinnt die Anforderung, optimale Randbedingungen für die Kühlung zu schaffen, an Bedeutung. Dies spricht für die Verwendung einer Injektorhülse. Extreme Spitzendruckanforderungen können die Verwendung von GJV notwendig machen, um die HCF-Dauerfestigkeit zu erreichen. Dabei nimmt mit steigender Leistungsdichte die LCF-Problematik zu. veranschaulicht diese Zusammenhänge.

Zusammenhang zwischen Zylinderkopfwerkstoff und Anforderungen hinsichtlich Spitzendruck und Leistungsdichte

Ausblick

Neben den vielen neuen Technikfeldern, wie der Abgasnachbehandlung und hybriden Antrieben, bietet auch der Grundmotor noch vielfältiges Entwicklungspotenzial für die Zukunft. Einspritz- und Aufladetechnik stellen Schlüsselbereiche dar. Es bleibt spannend zu beobachten, welche Ansätze sich durchsetzen werden. Neue Techniken müssen hierfür — wenn nicht zwingend aufgrund der Emissions- beziehungsweise Verbrauchsgesetzgebung erforderlich — einen Kostenvorteil für den Endkunden bieten, und zwar in der Summe der Anschaffungs- und der Betriebskosten.

Detailoptimierungen werden noch in vielen Bereichen erfolgen. Ein grundsätzlicheres Thema sind mögliche Anpassungen des Grundmotorenkonzepts an veränderte Randbedingungen, die durch die Verfügbarkeit neuer Techniken unterstützt werden. Zugespitzt könnte man hier die Frage stellen: Werden in der Zukunft 40-t-Fernverkehrs-Lkw von Vierzylindermotoren mit einem Hubvolumen von circa 8 bis 9 l, zweistufiger Aufladung, einem Common-Rail-System mit 3000 bar Einspritzdruck und einem Kurbelgehäuse mit Parent Bore angetrieben?

Literaturhinweise

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Copyright information

© Springer Fachmedien Wiesbaden 2012

Authors and Affiliations

  • Michael Neitz
    • 1
  • Andreas Wiartalla
    • 1
  • Sven Lauer
    • 1
  • Franz Maassen
    • 1
  1. 1.FEV GmbHAachenDeutschland

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