Projekt 04406/01

Entwicklung und Demonstration eines Verfahrens zur Minderung des Verbrauchs und der Schadstoffemission von Ottomotoren

Projektdurchführung

Meta Motoren- und Energietechnik GmbH
Kaiserstr. 100
52134 Herzogenrath

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Gesamtvorhabens soll eine neuartige Technologie für den Pkw-Antriebsbereich konzipiert, konstruiert, gefertigt und erprobt werden, mit deren Hilfe durch eine Kombination von drosselfreier Laststeuerung und Zylinderabschaltung der Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen von Ottomotoren maßgebend reduziert werden.
Projektziel ist die Darstellung eines funktionsfähigen Versuchsträgers, an dem die Potentiale bzgl. Verbrauch, Abgasemissionen, Drehmoment und Leistung, die Erfüllung von Komfortanforderungen sowie die generelle Realisierbarkeit bei konkurrenzfähigen Entwicklungs- und Herstellungskosten und niedrigem energetischen Produtionsaufwand der oben genannten Technologie demonstriert werden kann.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAufbauend auf einem von der Antragstellerin entwickelten und erprobten mechanischen variablen Ventiltrieb, mit dessen Hilfe der Ventilhub und die Einlaßschließsteuerzeiten entsprechend der geforderten Ladungsmenge kontinuierlich variiert werden können, wurden in der ersten Hälfte des 24monatigen Projektes verschiedene Konzepte zur Ventil- und/oder Zylinderabschaltung erstellt und ausgeführt. Aus Untersuchungen auf dem Mechanik- und Strömungsprüfstand hat sich eine Variante zur selektiven Zylinderabschaltung als zielführend erwiesen, die nach dem Formschlußprinzip mittels einer Bolzen-Bohrung-Anordnung hydraulisch arbeitet. Sie wurde in der zweiten Projekthälfte konstruktiv modifiziert und optimiert. Nach erfolgreichen Test- und Versuchsreihen auf dem Mechanikprüfstand hinsichtlich Funktions- und Schaltsicherheit wurde ein Vollmotor ausgerüstet und auf dem Thermodynamikprüfstand in Betrieb genommen. Dort wurde die elektrische und hydraulische Steuerung zum Abschalten der einzelnen Zylinder weiter optimiert und die Zielvorgaben bezüglich Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen nachgewiesen.


Ergebnisse und Diskussion

Mit der Vorgabe, die zur Gemischaufbereitung notwendige Strömungsenergie durch Erhöhung von Drall oder Tumble speziell bei kleinen Ventilhüben zu steigern, sind Strömungsuntersuchungen mit den Parametern Ventilabschaltung und Brennraumgestaltung durchgeführt worden. Eine leichte Brennraummodifikation im ventilsitznahen Bereich der Einlaßventile zeigt die gewünschte Strömungsbeeinflussung; eine aufwendige Einzelventilabschaltung ist somit nicht erforderlich.
Auf dem Aggregateprüfstand wurde der Ventiltrieb hinsichtlich seiner mechanischen Funktion, Schaltsicherheit und -reproduzierbarkeit untersucht und optimiert. Dabei schaltet der von Meta einlaßseitig entwickelte Mechanismus zur Ventilabschaltung beim Zu- und Abschalten innerhalb eines Zyklus. Die auf der Auslaßseite eingesetzten hydraulisch schaltbaren Schaltstößel schalten zyklustreu zu, haben jedoch beim Abschalten je nach Drehzahl einen Schaltverzug von 3 (1000 min-1) bis 6 Zyklen (4000 min-1).
Nach Optimierung von Überschneidung und Saugrohrunterdruck zeigt sich der Meta VVH ZA Motor auf dem Thermodynamikprüfstand als gut abmagerungsfähig und restgasverträglich. Dabei ist ein stabiler Leerlauf bei niedrigen Drehzahlen von bis zu 600 min-1 einstellbar.
Das Vollastdrehmoment läßt sich über das gesamte Drehzahlband um 15-20% steigern. Selbst bei stöchiometrischem Betrieb liegt das Drehmoment um ca. 10-15% höher als beim Basismotor im fetten Betrieb; damit ist großes Potential für downsizing vorhanden.
Im Leerlauf liegen die Verbrauchseinsparungen bei ca. 33% im 4-Zylinderbetrieb und bei ca. 44% im 2-Zylinderbetrieb. Im Lastpunkt 2000 min-1, 2 bar liegt die Kraftstoffersparnis bei etwa 11% (4 Zyl.) und 16% (2 Zyl.). Die auf Basis stationär ermittelter Verbrauchswerte durchgeführten Testzyklusberechnungen ergeben folgende Verbrauchseinsparungen: MVEG Test ca. 9% (4 Zyl.) und 18% (2 Zyl.), ECE Test ca. 11% (4 Zyl.) und 25% (2 Zyl.) und FTP 75 Test ca. 8% (4 Zyl.) und 16% (2 Zyl.).
Die Abgaswerte liegen bei den NOx-Emissionen um bis zu 64% (4 Zyl.) bzw. um bis zu 50% (2 Zyl.) niedriger als beim Basismotor. Die HC-Emissionen liegen im 4-Zylinderbetrieb ungefähr auf Serienniveau und im 2-Zylinderbetrieb um ca. 20% niedriger.
Der Schaltvorgang ist auf den Prüfständen mit unterschiedlichen Strategien untersucht und optimiert worden. Die Komfortanforderungen an heutige Fahrzeugantriebe können als erfüllt betrachtet werden. Für das Zu- und Abschalten sind die Voraussetzungen für einen ruckfreien, komfortablen Fahrbetrieb dargestellt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

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Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse aus Prüfstandsuntersuchungen und Testzyklenberechnungen zeigen, daß die Kombination aus einer variablen Ventilsteuerung zur drosselfreien Laststeuerung und selektiver Zylinderabschaltung ein sehr hohes Potential an Kraftstoffeinsparung und Emissionssenkung aufweist. Dies ist ein wichtiger Beitrag zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit von Kraftfahrzeugen und Schonung der natürlichen Ressourcen.
Eine feinere Abstimmung bzw. Optimierung der motorischen Regelung bei Zylinderab- und zuschaltung in Hinblick auf Minimierung der Abgasemissionen sollte ein Schwerpunkt zukünftiger Entwicklungen sein. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen ist es nunmehr vorgesehen, den Versuchsmotor in ein Fahrzeug einzubauen, um in Straßen- und Rollentests die Prüfstandsergebnisse zu unterstreichen und die Machbarkeit dieses Vorhabens zu belegen. Dabei muß insbesondere die Umsetzung der Schaltstrategien im realen, instationären Fahrbetrieb anhand weiterer Untersuchungen im Rahmen einer Fahrzeugapplikation durch Straßen- und Rollentests erfolgen.