Projekt 04406/02

Fahrzeugerprobung eines umweltfreundlichen Antriebes

Projektdurchführung

Meta Motoren- und Energietechnik GmbH
Kaiserstr. 100
52134 Herzogenrath

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Im Rahmen des Gesamtvorhabens soll ein neues System für den Pkw-Antrieb 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. Die Potenziale sollen in einem serienmäßigen Fahrzeug dargestellt werden.
Projektziel ist die Darstellung eines voll funktionsfähigen Fahrzeugs, an dem die Potenziale bzgl. Verbrauch, Abgasemissionen, Drehmoment und Leistung, die Erfüllung von Komfortanforderungen sowie die generelle Realisierbarkeit bei konkurrenzfähigen Entwicklungs- und Herstellungskosten und niedri-gem energetischem Produktionsaufwand des oben genannten Systems demonstriert wird.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAufbauend auf einen 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 im ersten Teil des 5-jährigen 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-Bohrungs-Anordnung hydraulisch arbeitet. Sie wurde im zweiten Projektteil konstruktiv modifiziert und optimiert.

Nach umfangreichen Voruntersuchungen auf Aggregatprüfständen, bei denen die Funktion und insbesondere der Schaltvorgang optimiert wurden, ist das System an den Zielmotor adaptiert und auf einem Motorenprüfstand in Betrieb genommen worden. Dort wurde zunächst die elektrische und hydraulische Steuerung zum Abschalten der einzelnen Zylinder und die Ansteuerung des variablen Ventiltriebs im stationären Motorbetrieb und im Zusammenwirken mit der serienmäßigen Motorsteuerung entwickelt. Gleichzeitig wurden die relevanten Konstruktions- und Betriebsparameter zur Darstellung der Zielgrößen Verbrauch, Abgasemissionen, Drehmoment und Leistung optimiert.

In der letzten Projektphase wurde ein zweiter Motor unter fahrzeugspezifischen Randbedingungen und weiteren Optimierungen aufgebaut und in ein handelsübliches Fahrzeug implementiert. Nach Basisbedatung, Fahrzeugkalibrierung und Optimierung der Abstimmungen konnten die Zielvorgaben bezüglich Fahrbarkeit, Komfort und Kraftstoffverbrauch auf dem Rollenprüfstand dargestellt werden.


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 gezielte Brennraummodifikation im ventilsitznahen Bereich der Einlassventile zeigt die gewünschte Strömungsbeeinflussung.
Der Ventiltrieb wurde hinsichtlich seiner mechanischen Funktion, Schaltsicherheit und -reproduzierbarkeit untersucht und optimiert. Dabei schaltet der von Meta entwickelte Mechanismus zur Ventilabschaltung der Einlassventile beim Zu- und Abschalten bei Drehzahlen von bis zu 4500 min-1 innerhalb eines Zyklus. Die auf der Auslassseite eingesetzten hydraulisch schaltbaren Schaltstößel schalten zyklustreu zu, haben jedoch je nach Drehzahl einen Schaltverzug von 3 (1.000 min-1) bis 6 Zyklen (4.000 min-1).
Der Schaltvorgang ist auf den Prüfständen im Hinblick auf Optimierung der Zielgrößen Lastanpassung, Schaltsicherheit, Zeitverhalten und Abgasemissionen mit unterschiedlichen Strategien untersucht und abgestimmt worden.
Nach Optimierung von Ventilerhebungskurven, Ventilüberschneidung (Steuerzeiten) und Saugrohrunterdruck zeigt sich der Meta VVH ZA Motor 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, im stöchiometrischen Betrieb liegt das Drehmoment um 10-15% höher als beim Basismotor mit l=0,9. Neben downsizing bietet das Triebwerkskonzept deutliche Abgasvorteile im Vollastbereich (stöchiometrischer Betrieb).
Im Leerlauf liegen die Verbrauchseinsparungen bei 33% (4-Zyl.) bzw. 44% (2-Zyl.). Im Lastpunkt 2.000min-1/2 bar liegt die Kraftstoffersparnis bei etwa 11% (4 Zyl.) und 21% (2 Zyl.). Die auf Basis stationär ermittelter Verbrauchswerte durchgeführten Testzyklusberechnungen ergeben folgende Einsparun-gen: MVEG ca. 8% (ohne ZA) bzw. 16% (ZA), ECE ca. 11% bzw. 23% und EUDC ca. 5% bzw. 9%.
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 Serienni-veau und im 2-Zylinderbetrieb um ca. 20% niedriger.
Der Aufbau eines Fahrzeugs mit einsatzspezifisch optimiertem VVH ZA Triebwerk belegte nach umfangreicher Applikationsarbeit und Detailoptimierung in der Kalibration sämtlicher Motorsteuerungskennfelder die von Meta definierten Zielgrößen bezüglich Haltbarkeit, Funktionalität, Fahrbarkeit, Komfort und Kraft-stoffverbrauch. Nach ca. 150 h Prüfstand und über 5.000 km im Fahrzeug zeigt sich das VVH ZA Trieb-werk ohne nennenswerten Verschleiß. Fahrbarkeit und Komfort bewegen sich im Klassenniveau. Die ZA-Schaltvorgänge sind selbst ohne zeitlich vorlaufende Eingriffe harmonisch. Akustische Auffälligkeiten im 2-Zylinder Betrieb finden sich ausschließlich bei kleinen Drehzahlen und hohen Lasten (ca. 1.100 - 1.300 min-1/3 - 4 bar); dieser Bereich kann im realen Fahrbetrieb jedoch ohne große Einbußen im Verbrauchsvorteil ausgeblendet werden. Die Verbrauchseinsparungen, gemessen auf dem Rollenprüf-stand, ergeben sich wie folgt: MVEG 12,9%, ECE 19,2% und EUDC 6,7%, sie belegen damit in vollster Übereinstimmung mit den Zielwerten die Potenziale des Meta VVH ZA Systems.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die entwickelte Technologie wurde in einem Versuchsträger (Mittelklassefahrzeug) erfolgreich umge-setzt. Die Technologie wird potentiellen Kunden (Fahrzeugherstellern) u. a. an Hand des Versuchsträgers präsentiert. Nach jüngster Auskunft der Firma Meta haben sich diesbezüglich zwischenzeitlich erste Projekte mit Fahrzeugherstellern entwickelt.


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse aus Prüfstandsuntersuchungen und Fahrzeugtests zeigen, dass die Kombination aus variabler Ventilsteuerung zur drosselfreien Laststeuerung und selektiver Zylinderabschaltung neben sehr hohem Potenzial an Kraftstoffeinsparung und Emissionssenkung eine überzeugende Fahrbarkeit bei zufriedenstellendem Komfort aufweist. Funktionalität und Haltbarkeit der neuen, innovativen Technologie bewiesen sich in mehr als 400 Betriebsstunden. Unabhängig von Fahrzeuggröße und Motorisierung kann das Meta VVH ZA System einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit von Kraftfahrzeugen und Schonung der natürlichen Ressourcen leisten. Bei ungefähr gleichem CO2-Ausstoß entstehen im Gegensatz zum direkteinspritzenden Dieselmotor keine Partikelemissionen. Gegenüber dem direkteinspritzenden Ottomotor hat das Meta VVH ZA System neben deutlichen Verbrauchsvorteilen von ca. 6% - mit weiteren Einsparpotentialen im Magerbetrieb von ca. 4 - 5% - die Vorteile der sofort einsetzbaren Technologie, der problemlosen Abgasnachbehandlung und der Unabhängigkeit von Kraftstoffqualitäten.