Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 1
Prof. Dr. Uwe D. Grebe
WEITERENTWICKLUNG DES
OTTOMOTORS
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
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Weiterentwicklung des Ottomotors
1. Entwicklungsrandbedingungen1.1 Gesetzliche Vorschriften1.2 Anforderungen von der Kundenseite
2. Verbrauchsreduzierung2.1 Thermodynamik
(Benzindirekteinspritzung, variable Ventiltriebe, Ladungsverdünnung, ...)2.2 Reibungsreduzierung2.3 Downsizing, Lastpunktverschiebung
3. Alternative Kraftstoffe
4. Volllastverbesserung4.1 Luftaufwandsverbesserung bei freisaugenden Motoren4.2 Aufladung
5. Reduzierung der Abgasemissionen5.1 Motorinterne Maßnahmen5.2 Abgasnachbehandlung
6. Verbesserte Architektur6.1 Gewichtsreduzierung6.2 Kostenreduzierung6.3 Komfortverbesserung
7. Aktuelle Technologieeinführungen bei Ottomotoren
8. Entwicklungstendenzen für die Zukunft
Gliederung
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Reduzierung der mechanischen Verluste hat einen direkten Einfluss auf den
Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs
Verluste im Antriebsstrang
Arbeit am Kolbenboden ~ 38% der Kraftstoffenergie
Luftwiderstand
17 %
Rollwiderstand der
Reifen
12 %
Beschleunigung der
Fahrzeugmasse
11 %
Elektrische
Verbraucher
3 %
Getriebe und
Achsantrieb
18 %
mechanische Verluste
im Motor
37%
Antriebsstrang
und Fahrwerk
2 %
100 %
Kraftstoff -
Energieinhalt
Wärmeverluste im Abgas und im Kühlmedium
~ 62% der Kraftstoffenergie
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Reibungsreduzierung
Parasitäre Verluste des Motors:
• Reibung der gegeneinander bewegten Teile
• Ventilations- und Panschverluste im Motor
• Reibung der Nebenaggregate
• Verluste aller zum Betrieb des Motors benötigter
Komponenten (Öl-, Wasser-, Kraftstoffpumpe, ... )
Reduzierung der mechanischen Verluste („Reibung“) führt zu
einer generellen Verbrauchsreduzierung
Sinn und Notwendigkeit
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0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Drehzahl in 1/min
Ottomotoren
Diesel-Motoren
Motorreibung - Streuband
Gesamtmotor geschleppt - TÖl / TKühlmittel 90°C
Reib
mitte
ldru
ck in b
ar
Ottomotoren profitieren von dem niedrigeren Spitzendrücken (Architekturauslegung und
direkter Einfluß) und der niedrigeren Antriebsarbeit für das Einspritzsystem
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
Drehzahl [1/min]
1000 2000 3000 4000 5000 6000
6%
8%
10%
12%
15%
20%
30%
40%
Dre
hm
om
ent
[%]
Reibungsanteil an der inneren Arbeit
Reibungsverluste bezogen auf die freigesetzte Arbeit
Quelle: FEV
MVEG
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Mechanischer Wirkungsgrad
Quelle: Manuskript - Verbrennungskraftmaschinen
Prof. Hohenberg, TU Darmstadt
MVEG-Test Zyklus relevanter Bereich
Durchschnittlicher mech.
Wirkungsgrad: 70 %
4-Takt Ottomotor
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Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch
Reibungsreduktion im Motor10% Reduktion der
mechanischen Verluste
im Motor
Maßnahmen zur Minimierung der Reibung im Verbrennungsmotor
Oberflächenrauheit
Struktur/Texturierung
Beschichtungen
1% Kraftstoffersparnis
Alternative
Maschinenelemente
(Wälzlager)
Niedrigviskose Öle
Friction Modifier
Verschleißschutz-
Additive
Quelle: D.E. Sander, Virtual Vehicle Research Center
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Reibmitteldruck
Quelle: Manuskript - Verbrennungskraftmaschinen
Prof. Hohenberg, TU Darmstadt
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1000 2000 3000 4000 5000 6000
Ante
il in
%
Motordrehzahl in 1/min
Kurbelwelle
Kolbengruppe
Nebenaggregate
Ventiltrieb
Motorreibung Anteil der Baugruppen
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0
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Reib
mitte
ldru
ck [bar]
bei 2000 m
in -
1
Jahr
1990 1995 2000 2005 2010 2015
aufgeladene Motoren
Saugmotoren ?
Entwicklung der Reibung – Ottomotor
Reduzierung der Reibung um 40% in 25 Jahren !
Beispiel: Ottomotor
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Reibungsminderung im Ventiltrieb
Verbesserung der Reibungsbedingung
• Vermeidung von Grundkreisreibung
• Übergang auf Rollreibung
• Verbesserung der hydrodynamischen Schmierung
Massenreduzierung
• Erlaubt bei gleicher dynamischer Auslegung eine Reduzierung der
Federkraft und damit der Normalkraft in der Reibfläche
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Nockenwellenantriebsmoment
-15
-12,5
-10
-7,5
-5
-2,5
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70
Dre
hm
om
en
t in
Nm
Nockenwellenwinkel in °NW
Gesamt-Nockenwellenmoment
Reibungsmoment
+
-
antreibend
MAntrieb
0°NW
Beim Schließen des Ventils wird Arbeit geleistet !
Nur die Reibungsverluste sind aufzuwenden
Gesamtantriebsmoment bestimmt sich aus den Öffnungskräften der Ventile
(Federkraft und Massenkraft) und der Reibung
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Reibkontakt
Rauheit
Hertz Kontakt
Reibung
Abrasiver Verschleiß
Abrasiver Verschleißzunehmende Bedeutung der Oberfläche
Schmierstoff
Stribeck - Kurve
Relativgeschwindigkeit v
Gegenkörper
Reib
mom
ent
MR
Grundkörper
Fe
stk
örp
err
eib
un
g
Mis
ch
reib
un
g
Flüssigkeitsreibung
EHD-Schmierung
Kein Materialkontakt
Partikel
Quelle: Dr. Yashar Musayev, Edgar Schulz, Dr.- Ing. Tim Hosenfeldt; Schaeffler
Vergleichsspannung und Reibung
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Mechanische Ventilspieleinstellung
Tassenstößel mit
mechanischem
Spielausgleich
Konische Ventil-
feder zur Massen-
reduzierung
Tassenstößel - Ventiltrieb
Beispiel: GM Powertrain 1,6l – 4V Twinport
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28pt fett
Führende Ventiltrieb Technologie
012345
Rollenschlepphebel
012345
Kosten
Montage
WartungDynamik
Reibung
Mech. Tassenstößel
Kosten
Montage
WartungDynamik
Reibung
Quelle: Dr. Yashar Musayev, Edgar Schulz, Dr.- Ing. Tim Hosenfeldt; Schaeffler
Bewertung von Ventilbetätigungssystemen
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7000
Rollender Abgriff im Ventiltrieb
Rollreibung zwischen Nocke
und Schlepphebel
Schlepphebel
Kipphebel
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Reibung im Ventiltrieb
Mechanischer Spielausgleich im Vergleich zum
Rollenschlepphebel
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Drehzahl in 1/min
Reib
mitte
ldru
ck in b
ar
Streuband Hydr. Tassen
Streuband Rollenschlepphebel
Tassenstößel mit hydraulischem Spielausgleich GM 1,6 l – 4V (Gen. 2)
Bsp eines Tassen-
stößels mit mech.
Spielausgleich
Streubänder der Reibung
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Motordrehzahl in 1/min
20001000 3000 4000 5000 6000
Reib
mom
ent
der
Nockenw
elle
[N
m]
0.2
1.0
2.0
3.0 6 Nockenwellenlager
4 Nockenwellenlager
Zahnkette
(Ramsey)
Rollenkette
40-45%15-20%
Anzahl der Nockenwellenlager
Ventiltriebsreibung
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Beschichtete Reibflächen
Quelle: Mahle
• Harte, diamantähnliche
Oberflächenbeschichtung.
Meist in PVD (physical
vapor deposition)
aufgebracht
• Direkte Beeinflussung der
Reibfläche
• DLC Schichtdicke 5µm
• Etwa 5% Reibungs-
reduzierungspotentzial
DLC – Diamant Like Coating
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28pt fett
Nadellagerung der Nockenwelle
• Gebaute Nockenwelle
mit Nadellagern
• Nadeln laufen direkt
auf der gehärteten
Nockenwelle
• Ventile und
Ventilfedern für die
Messung unverändert
-44%
-
20%
Quelle: Mahle
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28pt fett
Ventilmassenreduzierung
Möglichkeiten
• Verringerung des Schaftdurchmesser
• Hohlventile
• Kalotten in den Ventilköpfen
Materialwahl:
• AlTi (Titanaluminid)
• Keramik
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28pt fett
Hohlventile
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28pt fett
Quelle: MTZ 9-99, BMW
Keramikventile
Materialwahl für Ventile
Keramikventile
• Gewichtsreduzierung bis 50%
• Sehr günstiges
Verschleißverhalten
• Bauteilprüfung in der
Fertigung nicht
zerstörungsfrei möglich
• Bei Ventilschaden dringen die
Bruchstücke durch die
Gaspulsationen in alle
Zylinder Motortotalschaden
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28pt fett
Massenreduzierung im Ventiltrieb
Möglichkeiten und GrenzenBauteile für Massenreduzierung
• Ventil (mit Ventilkeilstücken und Federteller)
• Ventilfeder (bewegte Windungen !)
• Übertragungselemente (auf das Ventil reduzierte Masse ist relevant)
Wirkung
• Reduzierung der Federkraft bei gleicher dynamischer Auslegung
(Grenzdrehzahl)
• Reduzierung der Massenkraft infolge der Beschleunigungen
Grenzen für die Reibungsreduzierung
• Bei der Feder ist die Zuhaltekraft bei geschlossenem Ventil und die
Federrate ebenfalls relevant.
die Reibungsreduzierung flacht mit der Gewichtsreduzierung ab
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28pt fett
Reibungsreduzierung durch VVT
Beispiel:
Ventildeaktivierung
• Stilllegen von Ventilen in Teilbereichen des
Motorkennfelds
(bei Mehrventilmotoren: nur minimal notwendige Anzahl
der Ein- und Auslassventile betreiben; bei
Mehrzylindermotoren: Abschalten von Zylindern)
• Reduzieren des Ventilhubs
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LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 28
28pt fett
Reibungsminderung im Kurbeltrieb
Verbesserung der Reibungsbedingung
• Optimierung der Kolbenringspannung
• Reibung am Kolbenhemd: Optimierung der
hydrodynamischen Reibung
• Lagerdurchmesser
• Wälzlagerung im Kurbeltrieb
Massenreduzierung
• Vermindert die Massenkräfte und damit der Normalkräfte an den
Reibflächen
Thermomanagement
• Steuerung der Motortemperatur (Motoröltemperatur) in Abhängigkeit
der Motorlast
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28pt fett
Reibung im Kurbeltrieb
Lagerdurchmesser
Gleitfläche am
Schaft
Ringanzahl und
Tangentialspannung
HaupteinflußparameterMasse von
Kolben und
Pleuel
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LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 30
28pt fett
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Reib
mitte
ldru
ck
[bar]
Motordrehzahl [1/min]
5255D 47
5050A
kpi
HublagerHauptlagerVariante
Lagerdurchmesser
15% Reduzierung
der Kurbelwellen-
Reibung
Kurbelwellenreibung hängt stark vom Hauptlager-Durchmesser ab
Balance mit Dauerhaltbarkeit und Geräuschverhalten (NVH)
Reibungsvorteil: 2 – 3 % CO2 Vorteil: 0,4 – 0,6%
Einfluss des Lagerdurchmessers
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28pt fett
85%
90%
95%
100%
105%
0 2 4 6 8 10 12 14
Ko
lben
reib
un
gF
ME
P [
%]
Kurbelwellenversatz [mm]
r/l = 0,31 , 1700 1/min @ Teillast
Beste
Kombination
Pin Offset -0.3 mm
Pin Offset -0.5 mm
-10% Kolbenreibung
Reibungsvorteil: 1 – 2 % CO2 Vorteil : 0.2 – 0.5 %
Geschränkter Kurbeltrieb
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LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 32
28pt fettDie Kolbenringe müssen durch die Tangentialspannung der
Zylinderrohrform folgen, um
• Blow-by von Arbeitsgas in das Kurbelgehäuse zu minimieren
• Öl zu dosieren (minimale Schmierfilmdicke zur Funktion der
Kolbengruppe
Minimierte Laufbuchsenverformung erlaubt
Reduzierte Ringspannung
Reduzierte Reibungskräfte
Kolbenring-Tangentialspannung
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LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 33
28pt fett
Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierung
von Verbrennungsmotoren
Zylinderrohrverformung
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 34
28pt fettR
eib
ung, V
ers
chle
iß-
un
d F
reß
neig
ung
Ölverbrauch
• Reduzierte Laufflächen-Rauigkeit
• Verbesserte Ölabstreifung
Reduzierter Laufbuchsenverzug
• Verbesserte Honung
• Materialverbesserung bei Ringen und Buchse
• Verringerte Temperaturen
Ölverbrauch und Reibung
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LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 35
28pt fett
Versatz zwischen
Wassermantel
und GewindeVertikale
Rippe
Tragholm-
konstruktion
Angepasste
Wassermantelkontur zur
Steifigkeitsoptimierung
Angepasste Dicke
der
eingegossenen
Laufbuche
Reduzierter Bohrungsverzug ist die Voraussetzung für eine Kolbenringoptimierung
5 – 8 µm reduzierter Verzug ist durch CAE-Einsatz möglich
Reibungsvorteil: 2 - 7% CO2 Vorteil: 0,4 – 1,4%
Minimaler Bohrungverzug
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 36
28pt fett
Quelle: Affenzeller, Gläser: Lagerung und Schnmierung
von Verbrennungsmotoren
Profil des Kolbenhemdes
Optimierte Form
verbessert die
Reibungsverhältnisse
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 37
28pt fett
Quelle: MTZ 9/97, Klink
Laserstrukturierte Lauffläche
Laserstrukturierung erlaubt glatte Laufbuchsen. Die Ölmenge zur
Schmierung wird durch die laserstrukturierten Vertiefungen bereitgestellt.
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 38
28pt fett
Laserstrukturierung der Laufbuchse
Bildmaterial Fa. GEHRING
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 39
28pt fett
• Lasered Pocket:
Grat nach
Laserbehandlung
Oberflächse nach
Entgraten und Finish-
Honen
Struktur nach Laserbehandlung
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 40
28pt fett
•Laser Pocket Specifications Fam. II DI-Diesel (Production)
9.3
-0.5
27.5
-0.5
2.0 +/- 0.35
3.0 +/- 0.35
Rmax in the pocket area > 20 µm,
for 80% min. of 10 measurements
per cylinder block controlled.
35 µm to 80 µm
referred to the
distance between
the center lines of
the surface profiles
of both lateral
surfaces.
In this area laser pockets on RHS
helix pitch 2 +/- 0.2 mm
consecutively positioned.
Laserstrukturierte Laufbuchse
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 41
28pt fett
Ölpumpensysteme
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
FMEP [bar]
Engine Speed [rpm]
Toil = Tcoolant = 90°C
Reibungsvorteil: 2 – 4 % CO2 Vorteil: 0,4 – 1,0 %
Fixed Capacity
Fixed Capacity, Crank driven
Flow Controlled
Reibungsvorteil: 5 – 7 % CO2 Vorteil: 1,4 – 2,3 %
Kurbelwellen- und Kettenantrieb
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 42
28pt fett
Wälzlagerung der Kurbelwelle
Quelle: FEV
Reibmoment der Hauptlager
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 43
28pt fett
Thermomanagement im Kühlsystem
Warmlauf(kaltgestarter
NEDC)
„Alltag“(warmgestarter
NEDC)
Max. Leistung(spez. Verbrauch)
Elektr. Wasserpumpe -2% -1.5% -0% (assumed) (simulation, test back-up)
Mech. Wasserpumpe On/Off-1.5% <-0.5% ----(assumed) (no effect)
Split cooling (add on) -1-2% -0.5…1% -0….5%(assumed) (dependent on enrichment)
Einfluss auf den Verbrauch (Zyklus od. stationär)
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 44
28pt fett
Thermomanagement
Quelle: FEV
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 45
28pt fett
Übertritte in der
Kopfdichtung
Wassermantel
im Zylinderkopf
Wasser-
pumpe
Wassermantel im
Zylinderblock
Wassersammelrohr
Thermomanagement
Thermostat
elektr.
beheizt
Quelle: FIAT-GM Powertrain
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 46
28pt fett
Thermo management – Coolant Engine In Temperatures
Beispiel: Audi EA888 Gen. 3 – 1,8 l T-GDI
Kontinuierliche Strömungsaufteilung
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 47
28pt fettElektrisch beheiztes Thermostat erlaubt kennfeldgesteuerte Öffnung
des Thermostats und damit bedarfsgerechte Kühlung
Teillast
• Hohe Kühlmitteltemperatur (ca. 105 – 110 °C)
• Höhere Öltemperatur, weil die Wärmeübertragung an das
Kühlwasser vermindert ist
• Viskosität des Öls sinkt Reduzierte Reibung
Volllast
• Maximale Kühlung für kühlen Zylinderkopf
Optimierte Randbedingung für das Klopfverhalten
Maximierte Zylinderfüllung
Thermomanagement
Wirkungsweise
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 48
28pt fett
Leerlaufdrehzahlreduzierung
Reduzierung der Leerlaufdrehzahl verringert den Verbrauch
Daumenregel:
Reduzierung um 100 1/min ergibt
• Ottomotor
0,04 l/h pro 1000 cm3 Motorhubraum
• Dieselmotor
0,022 l/h pro 1000 cm3 Motorhubraum
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 49
28pt fett
0,15
0,2
0,25
0,3
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
600 650 700 750 800 850 900 950
Lee
rla
ufv
erb
rauch
in
l/h
/ 1
00
0 c
m³
.
Leerlaufdrehzahl in 1/min
Dieselmotoren
0,040 / 100 1/min
0,022 /100 1/min
Ottomotoren
Leerlaufverbrauch
Abhängigkeit von der Leerlaufdrehzahl
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 50
28pt fett
Leerlaufdrehzahlreduzierung
• Verbrennungssystem
- Ottomotor mit äußerer Gemischbildung erlaubt ca. 500 – 600 1/min
- Benzindirekteinspritzung erlaubt niedrigere Drehzahlen wegen stabiler
Gemischbildung und exakterer Zumessung
• Pumpenauslegung
• Öldruck muß sicher gestellt sein (eventuell größere Ölpumpe mit
höherer Antriebsleistung !)
• Nebenaggregatetrieb
• Generator begrenzt die Drehzahlabsenkung
(weitere Verbesserungen durch niedrige Massenträgheit,
Entkoppflungselement – Freilauf, … )
• Steuertrieb - Dynamik
• Anfahrbarkeit des Fahrzeugs
- Motordrehzahl ist für den Einkuppelvorgang (Kupplungsmodulation
notwendig)
Grenzen
Weiterentwicklung des Ottomotors, TU Wien
LVA 315.032, Sommersemester 2015, Kapitel 2c, Folie 51
28pt fett
Zusammenfassung - Reibung
► Ausgehend vom heutigen Stand, besteht nach wie vor Potential
den mechanischen Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors zu
verbessern
► CO2 Reduktionen im Bereich bis zu 5% erscheinen möglich
durch die richtige Kombination kleiner mechanischer
Verbesserungen
► Reibungsreduktion erfordert einen systematischen Ansatz sowie
geeignete Methoden in Simulation und Versuch