Seit einigen Jahren zählt das Verfahren des Downsizing zu den Hauptzielen bei der Konstruktion von neuen aufgeladenen Motoren. Mit Downsizing kann der Kraftstoffverbrauch und somit die Abgasemissionen eines Fahrzeugs reduziert werden. In der heutigen Zeit werden diese Ziele immer wichtiger, da der hohe Energieverbrauch durch fossile Brennstoffe stark zur Luftverschmutzung beiträgt und immer härtere Gesetzgebungsmaßnahmen die Automobilhersteller zum handeln zwingen.
Unter Downsizing versteht man zum einen die Substitution eines Motors durch einen hubraumverkleinerten, aufgeladenen Motor und zum anderen eine Steigerung der effektiven Leistung des Motors, wenn bei gleichem Hubraum der Mitteldruck erhöht wird. Das Ziel ist es, mit den kleinvolumigen Motoren die gleichen Leistungswerte zu erreichen, wie mit leistungsgleichen Saugmotoren. Infolgedessen müssen downgesizte Motoren über weitere Bereiche mit höherer Last betrieben werden, als die Saugmotoren. Daraus folgt eine Verschiebung der am meisten durchfahrenen Betriebspunkte in Bereiche höherer Motorwirkungsgrade, was sich positiv auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch auswirkt.
Im Laufe dieser Arbeit, wird der Kraftstoffverbrauch eines Mittelklasse-Pkw, mit Antrieb durch einen Ottomotor, im ECE-Zyklus bestimmt. Der Hubraum des Motors wird von 2,8l auf 2,0l verkleinert, wobei die Motornennleistung durch Aufladung konstant gehalten wird. Nach Bestimmung des ECE-Verbrauchs des kleinen Motors, werden die Verbrauchwerte und weitere Kennzahlen der beiden Aggregate miteinander verglichen. Hierbei ist eindeutig eine Verringerung des ECE-Verbrauchs durch Downsizing zu erkennen.
Inhaltsverzeichnis
1. EINLEITUNG
1.1. GESCHICHTLICHER RÜCKBLICK
1.2. ZIEL DER STUDIENARBEIT
2. HUBKOLBENMOTOREN
2.1. KURBELTRIEB
2.2. KENNGRÖßEN
2.3. ARBEITSVERFAHREN EINES VIERTAKTMOTORS
2.4. VERBRAUCHSKENNFELD
3. AUFLADUNG
3.1. GRUNDLAGEN UND ZIEL DER AUFLADUNG
3.2. DOWNSIZING: NEUE PERSPEKTIVEN
3.3. AUFLADEVERFAHREN
3.3.1. Mechanische Aufladung
3.3.1.1. Der Rootslader
3.3.1.2. Der Schraubenverdichter
3.3.1.3. Der Spirallader
3.3.2. Abgasturboaufladung
3.3.2.1. Stau-Aufladung
3.3.2.2. Stoß-Aufladung
3.3.2.3. Variable Abgasturboaufladung
3.3.2.4. Elektrisch unterstützte Turbolader
3.3.2.5. Abgasturbolader mit Schieberturbine
3.3.3. Druckwellenaufladung
3.4. LADELUFTKÜHLUNG
3.5. PROBLEME BEIM AUFGELADENEN OTTOMOTOR
3.5.1. Klopfende Verbrennung
3.5.2. Die Quantitätsregelung von Ottomotoren
4. GRUNDLAGEN DER ANTRIEBSDYNAMIK
4.1. FAHRWIDERSTÄNDE
4.1.1. Rollwiderstand WR
4.1.2. Steigungswiderstand WSt
4.1.3. Luftwiderstand WL
4.1.4. Beschleunigungswiderstand WB
4.2. ZUSAMMENFASSUNG
5. BESTIMMUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS
5.1. DER NEUE EUROPÄISCHE FAHRZYKLUS
5.2. DAS FAHRZEUG
5.2.1. Die Grundmaße des Pkw
5.2.2. Der Motor
5.3. GRUNDLAGEN DER BERECHNUNGEN
5.3.1. Berechnung der Leistungshyperbeln und Widerstandslinien
5.3.2. Berechnung des Kraftstoffmassenstroms
5.3.3. Berechnung des Kraftstoffverbrauchs in l/100km
5.4. ERGEBNISSE FÜR DEN 2,8L MOTOR
5.4.1. Ergebnisse der Leistungshyperbeln und Widerstandslinien für den 2,8l Motor
5.4.2. Die Kraftstoffmassenströme des 2,8l Motors
5.4.3. Ergebnis der Berechnung des Kraftstoffverbrauchs in l/100km
5.5. DOWNSIZING: ERGEBNISSE FÜR DEN 2,0L MOTOR
5.5.1. Ergebnisse der Leistungshyperbeln und Widerstandslinien für den 2,0l Motor
5.5.2. Die Kraftstoffmassenströme des 2,0l Motors
5.5.3. Ergebnis der Berechnung des Kraftstoffverbrauchs in l/100km
6. ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE
7. AUSBLICK
8. ANHANG
8.1. DIN 6262: ARTEN DER AUFLADUNG
8.2. PRÜFANLAGE FÜR DEN NEUEN EUROPÄISCHEN FAHRZYKLUS
8.3. ABGASGRENZWERTE FÜR EUROPA, USA UND JAPAN
8.4. MOTORPROZESSPROGRAMM: INPUT-DATEI DAT_01
8.5. MOTORPROZESSPROGRAMM: OUTPUT-DATEI ERG_01
8.6. PKW IN VERSCHIEDENEN VERKEHRSSITUATIONEN
8.7. AUSZÜGE AUS DEM AMTSBLATT DER EUROPÄISCHEN GEMEINSCHAFT
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Studienarbeit ist es, den Kraftstoffverbrauch eines Mittelklasse-PKW mit Ottomotor im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) zu bestimmen und die Auswirkungen des sogenannten "Downsizings" – die Substitution des Motors durch ein hubraumverkleinertes, aufgeladenes Aggregat – auf diesen Verbrauch zu analysieren.
- Grundlagen von Verbrennungsmotoren und deren Kenngrößen
- Theoretische Grundlagen und Verfahren der Aufladung
- Antriebsdynamik und Fahrwiderstände von Kraftfahrzeugen
- Berechnungsmethodik für Kraftstoffverbrauch und Motorbetriebspunkte
- Vergleichende Analyse zwischen dem ursprünglichen 2,8l-Motor und dem downgesizten 2,0l-Motor
Auszug aus dem Buch
3.2. Downsizing: Neue Perspektiven
Seit einigen Jahren zählt das Verfahren des Downsizings zu den Zielen bei der Konstruktion von neuen aufgeladenen Motoren. Unter Downsizing versteht man zum einen die Substitution eines Motors durch einen hubraumverkleinerten, aufgeladenen Motor und zum anderen eine Steigerung der effektiven Leistung des Motors, wenn bei gleichem Hubraum der Mitteldruck erhöht wird.
Das Ziel ist es mit den kleinvolumigen Motoren die gleiche Leistungswerte zu erreichen, wie mit leistungsgleichen Saugmotoren. Infolgedessen müssen downgesizte Motoren über weitere Bereiche mit höherer Last betrieben werden, als die Saugmotoren. Daraus folgt eine Verschiebung der am meisten durchfahrenen Betriebspunkte in Bereiche höherer Motorwirkungsgrade, was sich positiv auf den spezifischen Kraftstoffverbrauch auswirkt.
Laut dem Herausgeber der Zeitschriften MTZ und ATZ, Richard van Basshuysen, kann in den nächsten Jahren eine erhebliche Verbrauchseinsparung beim Ottomotor erreicht werden. Er spricht dabei von Verbrauchseinsparungen von 15 bis 22 Prozent beim Downsizing [19]. Eine effektivere Lösung ergibt sich, wenn Downsizing-Maßnahmen mit einer Verringerung der Zylinderzahl kombiniert werden. Beim Downsizing durch Hochaufladung, über einen Mitteldruck von 25bar, und Verringerung des Hubvolumens, durch eine Reduzierung der Zylinderzahl, kann eine sogar eine Verbrauchseinsparung von 20 bis 25% erreicht werden [19].
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINLEITUNG: Diese Einleitung bietet einen geschichtlichen Rückblick auf die Entwicklung von Motoren und Aufladungssystemen und definiert das Ziel der Studienarbeit, den Verbrauch durch Downsizing zu senken.
2. HUBKOLBENMOTOREN: In diesem Kapitel werden die Definitionen, Bauarten, der Kurbeltrieb und die thermodynamischen Arbeitsverfahren von Hubkolbenmotoren erläutert.
3. AUFLADUNG: Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen der Aufladung, verschiedene Aufladeverfahren und die Herausforderungen sowie Potenziale beim sogenannten Downsizing.
4. GRUNDLAGEN DER ANTRIEBSDYNAMIK: Hier werden die wesentlichen Fahrwiderstände wie Roll-, Steigungs-, Luft- und Beschleunigungswiderstand theoretisch hergeleitet und definiert.
5. BESTIMMUNG DES KRAFTSTOFFVERBRAUCHS: Dieses Kapitel stellt die Methodik zur Berechnung des Kraftstoffverbrauchs im NEFZ dar und führt die Vergleichsrechnungen für den 2,8l- und den 2,0l-Motor durch.
6. ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE: Hier werden die Resultate der Berechnungen interpretiert und der verringerte Kraftstoffverbrauch des downgesizten Motors gegenüber dem Ausgangsmotor quantifiziert.
7. AUSBLICK: Das Kapitel reflektiert zukünftige Entwicklungen im Motorenbau und weitere Ansätze zur Verbrauchs- und Schadstoffreduktion.
8. ANHANG: Der Anhang enthält vertiefende Dokumente, wie DIN-Normen zu Aufladeverfahren, Grenzwerte und die detaillierten Daten des verwendeten Motorprozessprogramms.
Schlüsselwörter
Verbrennungsmotor, Downsizing, Kraftstoffverbrauch, Aufladung, Abgasturboaufladung, mechanische Aufladung, NEFZ, Fahrwiderstände, Motorprozessprogramm, Wirkungsgrad, Hubraumverkleinerung, Teillastbereich, Ottomotor, Emissionsreduktion, Antriebsdynamik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit analysiert, wie durch die technische Maßnahme des Downsizings – also die Verwendung eines hubraumkleineren, aufgeladenen Motors – der Kraftstoffverbrauch eines PKW im standardisierten ECE-Fahrzyklus gesenkt werden kann.
Welches Fahrzeugmodell dient als Basis für die Untersuchung?
Als Beispielfahrzeug wird eine VW Passat Limousine aus dem Jahr 2003 herangezogen, die zunächst mit einem 2,8l V6-Motor und anschließend mit einem downgesizten 2,0l-Motor simuliert wird.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist der rechnerische Nachweis, dass durch Downsizing bei gleichbleibender Nennleistung eine deutliche Reduktion des spezifischen Kraftstoffverbrauchs erzielt werden kann.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Analyse verwendet?
Es wird eine theoretische Analyse basierend auf den Grundlagen der Antriebsdynamik sowie eine Simulation des Verbrennungsprozesses mit einem speziellen Motorprozessprogramm (OTTO 8.4.0) durchgeführt.
Welche zentralen Themen werden im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen der Hubkolbenmotoren, die verschiedenen Aufladeverfahren, die physikalischen Fahrwiderstände sowie die detaillierte Berechnung des Verbrauchs für zwei verschiedene Motorkonzepte.
Welche zentralen Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Downsizing, Wirkungsgrad, Kraftstoffverbrauch, Abgasturboaufladung, NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus) und Fahrwiderstände.
Warum spielt das "Verbrauchskennfeld" eine so wichtige Rolle in der Arbeit?
Das Verbrauchskennfeld erlaubt es, in Abhängigkeit von Last und Drehzahl den spezifischen Kraftstoffverbrauch zu bestimmen, was für die Berechnung des Verbrauchs über einen gesamten Fahrzyklus hinweg essenziell ist.
Welches Ergebnis erzielt der 2,0l-Motor im Vergleich zum 2,8l-Motor?
Die Berechnungen zeigen eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs von 9,7 l/100km beim 2,8l-Motor auf 8,3 l/100km beim 2,0l-Motor, was einer Ersparnis von etwa 14,4 % entspricht.
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- Petra Locskai (Author), 2005, Der Kraftstoffverbrauch eines PKW im ECE-Zyklus bei "downsizing" des Antriebmotors, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/44656
