Der Kraftstoffverbrauch eines PKW im ECE-Zyklus bei
"downsizing" des Antriebmotors

von: Petra Locskai

Inhaltsverzeichnis

VORWORT

ZUSAMMENFASSUNG

1. EINLEITUNG  1

1.1. GESCHICHTLICHER RÜCKBLICK 1
1.2. ZIEL DER STUDIENARBEIT 3

2. HUBKOLBENMOTOREN 5

2.1. KURBELTRIEB 6
2.2. KENNGRÖßEN  7
2.3. ARBEITSVERFAHREN EINES VIERTAKTMOTORS  14
2.4. VERBRAUCHSKENNFELD 16

3. AUFLADUNG  19

3.1. GRUNDLAGEN UND ZIEL DER AUFLADUNG 19
3.2. DOWNSIZING: NEUE PERSPEKTIVEN  21
3.3. AUFLADEVERFAHREN 24

3.3.1. Mechanische Aufladung 27

3.3.1.1. Der Rootslader  28
3.3.1.2. Der Schraubenverdichter 29
3.3.1.3. Der Spirallader  31

3.3.2. Abgasturboaufladung 32

3.3.2.1. Stau-Aufladung  36
3.3.2.2. Stoß-Aufladung  37
3.3.2.3. Variable Abgasturboaufladung  39
3.3.2.4. Elektrisch unterstützte Turbolader  40
3.3.2.5. Abgasturbolader mit Schieberturbine  41

3.3.3. Druckwellenaufladung 42

3.4. LADELUFTKÜHLUNG 44
3.5. PROBLEME BEIM AUFGELADENEN OTTOMOTOR 45

3.5.1. Klopfende Verbrennung  45
3.5.2. Die Quantitätsregelung von Ottomotoren  47

4. GRUNDLAGEN DER ANTRIEBSDYNAMIK 48

4.1. FAHRWIDERSTÄNDE 49

4.1.1. Rollwiderstand R W  50
4.1.2. Steigungswiderstand St W  51
4.1.3. Luftwiderstand L W  52
4.1.4. Beschleunigungswiderstand B W  53

4.2. ZUSAMMENFASSUNG  55

5. BESTIMMUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS 57

5.1. DER NEUE EUROPÄISCHE FAHRZYKLUS  58
5.2. DAS FAHRZEUG  62

5.2.1. Die Grundmaße des Pkw  62
5.2.2. Der Motor  63

5.3. GRUNDLAGEN DER BERECHNUNGEN  68

5.3.1. Berechnung der Leistungshyperbeln und Widerstandslinien  69
5.3.2. Berechnung des Kraftstoffmassenstroms 73
5.3.3. Berechnung des Kraftstoffverbrauchs in l/100km  76

5.4. ERGEBNISSE FÜR DEN 2,8L MOTOR 77

5.4.1. Ergebnisse der Leistungshyperbeln und Widerstandslinien für den 2,8l Motor 80
5.4.2. Die Kraftstoffmassenströme des 2,8l Motors 85
5.4.3. Ergebnis der Berechnung des Kraftstoffverbrauchs in l/100km  93

5.5. DOWNSIZING: ERGEBNISSE FÜR DEN 2,0L MOTOR 93

5.5.1. Ergebnisse der Leistungshyperbeln und Widerstandslinien für den 2,0l Motor 96
5.5.2. Die Kraftstoffmassenströme des 2,0l Motors 99
5.5.3. Ergebnis der Berechnung des Kraftstoffverbrauchs in l/100km  107

6. ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE  109

7. AUSBLICK 111

8. ANHANG  113

8.1. DIN 6262: ARTEN DER AUFLADUNG 113
8.2. PRÜFANLAGE FÜR DEN NEUEN EUROPÄISCHEN FAHRZYKLUS  119
8.3. ABGASGRENZWERTE FÜR EUROPA, USA UND JAPAN  120
8.4. MOTORPROZESSPROGRAMM: INPUT-DATEI DAT_01  123
8.5. MOTORPROZESSPROGRAMM: OUTPUT-DATEI ERG_01  127
8.6. PKW IN VERSCHIEDENEN VERKEHRSSITUATIONEN 133
8.7. AUSZÜGE AUS DEM AMTSBLATT DER EUROPÄISCHEN GEMEINSCHAFT 135

FUßNOTENVERZEICHNIS 174

ZUSÄTZLICHE LITERATUR 176

 

Vorwort

Die vorliegende Studienarbeit entstand während meines Studiums an der Universität Siegen, am Institut für Energietechnik Kolbenmaschinen. Mein besonderer Dank gilt meinem Profeesor Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Walter Kleinschmidt für die Betreuung der Studienarbeit vor allem für die hilfreichen Tipps, Anregungen und Fachgespräche. Er stand mir stets mit seinem Fachwissen und wertvollen Anregungen zur Seite. Herrn Dipl.-Ing. Heiko Pohl von der Audi AG möchte ich für den Erfahrungsaustausch und die Bereitstellung von wichtigen Daten danken. Herrn Gerhard Bär vom Autohaus Schneider in Siegen, möchte ich meinen Dank dafür aussprechen, dass er mir bei der Informationsbeschaffung sehr hilfreich zur Seite stand. Diese Studienarbeit wurde von mir selbständig und ausschließlich mit der Unterstützung der genannten Personen und angegebenen Quellen erstellt.

Zusammenfassung

Die Studienarbeit beschäftigt sich mit dem Kraftstoffverbrauch eines PKW im ECE-Zyklus bei „downsizing“ des Antriebsmotors. Für einen VW Passat, mit Antrieb durch einen Ottomotor, wird der Kraftstoffverbrauch im ECE-Zyklus ermittelt. Die dazugehörigen Werte des spezifischen Kraftstoffverbrauchs werden mit Hilfe eines Motorprozessprogramms berechnet. Die Berechnungen erfolgen auf Grundlage des Neuen Europäischen Fahrzyklus. Als Erstes werden die Werte für den VW, ausgestattet mit einem 2,8l V6 Benzinmotor errechnet. Anschließend werden durch downsizing des Motors, auf ein Motorhubvolumen von 2,0l, die gleichen Berechnungen wiederholt. Zur Vereinfachung der Betrachtung wird der tatsächlich aufgeladene, kleine Motor wie ein kleiner Saugmotor, mit verringertem Verdichtungsverhältnis behandelt. Da die ECE-Betriebspunkte alle im unteren Teillastbereich liegen, kann die Aufladewirkung des Laders vernachlässigt werden. Die Ergebnisse werden im Anschluss miteinander verglichen. Dabei kann man feststellen, dass durch das Downsizing des Antriebmotors der Kraftstoffverbauch in l/100km geringer ist, als für den großen Motor.

1. Einleitung

1.1. Geschichtlicher Rückblick

Die Entwicklungen im Bereich von Kraftfahrzeugen und Verbrennungsmotoren blicken auf eine mehr als 120-jährige Geschichte zurück. Schon auf den ersten Blick lassen sich am Aussehen der heutigen Fahrzeuge erkennen, welche Fortschritte in diesem Zeitraum gemacht worden sind. Bei den Motoren ist es anders, denn der Grundaufbau des Triebwerks ist noch bis heute beibehalten worden. Allein an den Dimensionen, Ausführungsarten und an vielen Details lässt sich erkennen, dass auch in der Motorenentwicklung viele Neuerungen durchgeführt worden sind. Die Grundbausteine hierfür legten zwei bedeutsame Männer: Nicolaus August Otto (1832 -1891) und Rudolf Diesel (1858 – 1913) [1].

Die Geschichte der Aufladung reicht ebenfalls weit in die Vergangenheit zurück. Die ersten Untersuchungen und Versuche zur Aufladung von Verbrennungsmotoren liegen fast soweit zurück, wie die Entwicklung des schnelllaufenden Benzinmotors selbst. Bereits 1885 [4] hat der bekannte Gottlieb Daimler (1834-1900) [1] seine ersten Motoren aufgeladen und als Patent, unter der Nummer DRP34926 [4], angemeldet. Er wollte damals eine Drehzahl- und Füllungssteigerung erreichen. Während der Umsetzung seiner Idee sind allerdings Probleme aufgetaucht, die ihn schließlich zwangen, diese wieder zu verwerfen. Somit sind einige Jahre vergangen, bis die ersten aufgeladenen Motoren in Serie gebaut wurden. Diese waren allerdings keine Fahrzeugmotoren, sondern Flugmotoren, die zur Steigerung der Höhenleistungen dienten. In den Jahren von 1920-1940 wurden die Strömungslader immer wieder kontinuierlich weiterentwickelt [4].

In der Automobilindustrie wurden erst knapp 40 Jahre nach dem ersten Versuch Daimlers, also im Jahre 1920, die ersten Motoren mit mechanischer Aufladung für Motorsportrennen, Sport- und Luxusfahrzeuge zur kurzzeitigen Leistungssteigerung eingesetzt [4]. Dabei wurden meist ein- oder zweistufige Rootsgebläse zur Aufladung verwendet. Die Entwicklung der Abgasturboaufladung hatte mit dem Patent des Schweizer Ingenieurs Alfred Büchi (DRP204630), für die Aufladung eines Viertakt- Dieselmotors, im Jahre 1905 seinen Anfang [4]. Allerdings wurden erst 1925 die ersten Motoren mit Abgasturboaufladung nach Büchi gefertigt und an Kunden verkauft [4]. Zu ihnen gehörten zum einen zwei Zehnzylinder-Viertaktmotoren mit Abgasturboaufladung für Passagierschiffe und zum anderen ein Stationärdieselmotor mit Abgasturboaufladung [4]. Die Lader waren noch in beiden Fällen neben dem Motor angeordnet. Der Mitteldruck konnte bei den Schiffsmotoren um 40% auf insgesamt 11bar gesteigert werden und man erkannte, dass diese Motoren sehr überlastfähig sind und sich im Betrieb selbst regeln [4]. In diesen Jahren meldete Büchi ein weiteres Patent für eine Druckwellenaufladung an. 1960 wurden die ersten Ottomotoren mit Abgasturboaufladung auf den Markt gebracht, wie beispielsweise der des Chevrolet-Corvair [5]. Ihren Durchbruch hatten die aufgeladenen Ottomotoren hingegen erst in den vergangenen Jahren. Dazu gehören der 2,3l Kompressormotor von Daimler Chrysler im SLK und in der C-Klasse und die Motoren mit Abgasturboaufladung von den Automobilherstellern Audi, Opel und Saab [4].

1.2. Ziel der Studienarbeit

Das Ziel der Studienarbeit ist es, den Kraftstoffverbrauch eines Mittelklasse- Pkw, mit Antrieb durch einen Ottomotor, im ECE-Zyklus zu bestimmen. Des Weiteren ist festzustellen, inwieweit der ECE-Verbrauch durch Verkleinerung des Antriebsmotors, auch downsizing genannt, verringert werden kann. Dabei soll die Motornennleistung durch Aufladung des Motors konstant gehalten werden. Zur Vereinfachung der Betrachtung wird der tatsächlich aufgeladene, kleine Motor wie ein kleiner Saugmotor, mit verringertem Verdichtungsverhältnis behandelt. Da die ECE-Betriebspunkte alle im unteren Teillastbereich liegen, kann die Aufladewirkung des Laders vernachlässigt werden. Als erstes wird in Kapitel 2 auf die Hubkolbenmotoren im Allgemeinen eingegangen. Dabei wird erklärt, wie sie definiert sind, wie sie funktionieren und durch welche Kenngrößen sie beschrieben werden können. In 3. Kapitel erkläre ich das Thema Aufladung. Im Rahmen meiner Ausführungen werden die Ziele der Aufladung angesprochen und erläutert, sowie die einzelnen Wege dorthin. Ein aktuelles Thema bezüglich der Aufladung ist das Downsizing von Motoren, das neue Perspektiven in der Motorenentwicklung aufzeigt. Im Weiteren werden die bekannten Aufladeverfahren vorgestellt und die drei wichtigsten werden näher erörtert. Diese sind die mechanische Aufladung, die Abgasturboaufladung und die Druckwellenaufladung. Ich gehe dabei auf ihre Funktionsweise, Vorteile und auch Nachteile ein. Im Anschluss wird die Ladeluftkühlung vorgestellt und die Probleme, die bei aufgeladenen Ottomotoren auftauchen können. Im 4. Kapitel werden die Grundlagen der Antriebsdynamik behandelt wobei auch auf die einzelnen Fahrwiderstände näher eingegangen wird. Das 5. Kapitel befasst sich mit den Berechnungen des Kraftstoffverbrauchs für den Mittelklasse-Pkw im ECE-Zyklus. Dabei gliedert sich das Kapitel in die Ergebnisse für den 2,8l Motor und den aufgeladenen hubraumverkleinerten 2,0l Motor. Als erstes wird der Neue Europäische Fahrzyklus, sowie das Mittelklasse-Fahrzeug und der Motor, die den Berechnungen zugrunde liegen vorgestellt. Im Anschluss folgen die Definitionen, Berechnungen und Ergebnisse des ursprünglichen Motors und des verkleinerten, aufgeladenen Motors. Die Betrachtungen werden mit Hilfe eines Motorprozessprogramms durchgeführt. Im siebten Kapitel werden die Ergebnisse miteinander verglichen und interpretiert. Die Arbeit wird mit einem kurzen Ausblick abgerundet und beendet

2. Hubkolbenmotoren

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