Energieeffiziente Antriebssysteme Vorstellung des neuen Toyota 1,2 Liter ESTEC D-4T Reihen-4-Zylinder-Motor Gliederung 1. Einführung 2. Verbrennungskonzept 3. Abgassystem und Turbolader 4. Volllast-Performance 5. Kraftstoffverbrauch 6. Fahrdynamik 7. Zusammenfassung 04.01.2016 Philip Tillmann 2 1. Einführung Toyota 1,2 Liter ESTEC D-4T Reihen-4-Zylinder-Motor Bezeichnung: 8NR-FTS (basiert auf 2,0 Liter 8AR-FTS) 1,2 Liter: Soll ab Mai 2015 bisherige 1,6 und 1,8 Liter Saugmotoren ersetzen Downsizing mit Turboaufladung ESTEC: Economy with Superior Thermal Efficient Combustion (ein Konzept) D-4T: reine Direkteinspritzung (ohne Saugrohreinspritzung) 04.01.2016 Philip Tillmann 3 2. Verbrennungskonzept Ziel: Schnelle und intensive Verbrennung durch hohe Einlassströmungsgeschwindigkeiten und große Zylinderturbulenz (Tumble) Umsetzung: 1. Verbesserte Direkteinspritzung 2. Optimierung des Kolbenbodens Außerdem: Optimierung des PCV-Ventils (Positiv Crankcase Ventilation) 04.01.2016 Philip Tillmann 4 2.1 Verbesserte Direkteinspritzung - Schmalerer Schlitz feinere Zerstäubung kürzerer Strahl (23%) & bessere Homogenität 04.01.2016 - Kleinerer Einspritzwinkel geringere Benetzung der Bohrungswände und der Einlassventile Ölverdünnung vorgebeugt Philip Tillmann 5 2.2 Optimierung des Kolbenbodens Ergebnisse: Tumble ratio und Strömungsgeschwindigkeiten steigen ( Turbulenz) 04.01.2016 Philip Tillmann 6 3. Abgassystem und Turbolader 1. Im Zylinderkopf integrierter Abgaskrümmer kleinerer Bauraum und reibungsloseres Abgasströmungsprofil 2. Katalysator direkt hinter dem Turbolader Bessere Kaltstarteigenschaften des Katalysators 04.01.2016 Philip Tillmann 7 3. Abgassystem und Turbolader 3. Single-scroll Turbolader Eigenschaften: - geringes Trägheitsmoment - Aktives Wastegateventil (vakuumbetrieben) hohe Flexibilität - hocheffizient über weite Drehzahlbereiche - wassergekühlt Schutz gegen Überhitzen - zahlreiche Verbesserungen (konstruktiv und materialtechnisch) in Richtung Gegendruckverringerung und Hitzeresistenz Drehmomenterhöhung bei niedrigen (und auch hohen) Drehzahlen 04.01.2016 Philip Tillmann 8 4. Volllast-Performance Schlüssel: Beladung optimieren mithilfe variabler Ventilsteuerzeiten. Dafür muss ESZeitpunkt möglichst nahe UT sein! Problem: Abgasrückströmung wegen Überschneidung der Ventilöffnungszeiten im OT (Residual gas rate steigt) 04.01.2016 Philip Tillmann 9 4. Volllast-Performance Lösung: Verkürzung der Auslassventilöffnungsdauer von 240 auf 210°KW. Ergebnis: Pulsieren des Auslassdrucks abgeschwächt und Abgasrückströmung verhindert 04.01.2016 Philip Tillmann 10 4. Volllast-Performance Die volumetrische Effizienz steigt durch den dargestellten Lösungsansatz wie berechnet im unteren Drehzahlbereich deutlich an 04.01.2016 Philip Tillmann 11 4. Volllast-Performance Die Neigung zur Vorentflammung bei geringen Drehzahlen (low-speed pre-ignition LSPI) wird durch gezielte Einspritzzeiten auf ein unschädliches Maß verringert: 04.01.2016 Philip Tillmann 12 4. Volllast-Performance - Verbesserung der Wasserkühlung des Zylinderkopfes und damit auch Kühlung des Abgaskrümmers verbessert = 1 Bereich vergrößert - Verringerung der Kühlleistung möglich Leistungssteigerung des Turboladers bei geringen Abgas-Temperaturen 04.01.2016 Philip Tillmann 13 4. Volllast-Performance Ergebnis: -Drehmoment von 185 Nm ab einer Drehzahl von 1500 rpm vorhanden -Maximale Leistung von 85 kW (bei = 0,89) 04.01.2016 Philip Tillmann 14 5. Kraftstoffverbrauch Einflussfaktor: Ladungswechselverluste bei geringer Teillast Lösung: Atkinson-Kreisprozess durch variable Ventilsteuerzeiten (variable valve timing intelligent wide = VVT-iW), bisher nur der Einlassventile! Problem: Negative Überschneidung der Öffnungszeiten beider Ventile im OT (beide Ventile geschlossen) Brennstoffverbrauch soll noch weiter verbessert werden! Lösung: Überschneidung vergrößern durch zusätzliche Verschiebung der Auslassventilöffnungszeiten Problem: Auslassventil öffnet teilweise erst nach dem UT 04.01.2016 Philip Tillmann Pumpverluste, Verbrauch steigt 15 5. Kraftstoffverbrauch Links: Ladungswechselschleife bleibt auch nach Veränderung der Ventilsteuerzeiten relativ groß… Rechts: Atkinson-Effekte sind bei verkürzter Auslassventilöffnungsdauer verringert. Die geringste Verschlechterung findet sich im dargestellten „Best Point 210°CA“. 04.01.2016 Philip Tillmann 16 5. Kraftstoffverbrauch Variation der Einspritzzeitpunkte: Geringe Last: Kraftstoffeinspritzung im Verdichtungstakt, um brennbares Gas um die Zündkerze zu erzeugen Mittlere Last: Einspritzung nahe UT, um Turbulenz wieder zu erhöhen schnellere Verbrennung Zeitpunkte sind abhängig von der Motortemperatur (siehe Folie 18) 04.01.2016 Philip Tillmann 17 5. Kraftstoffverbrauch Variation der Einspritzzeitpunkte: Bei kaltem Motor ist Gebiet von A vergrößert, um die Aufheizung zu beschleunigen. Vergrößerung in Richtung höherer Drehzahlen, nicht höherer Lasten. 04.01.2016 Philip Tillmann 18 5. Kraftstoffverbrauch Start-Stop-Strategie: - Kurz vor Stop: Drossel öffnet weit viel Luft - Halten eines Kolbens bei 90°KW vor OT - Bei Re-Start: Drehen der KW + Einspritzung + verzögerte Zündung - Ergebnis: - Re-Start-Zeit um 200ms verkürzt - ruckelfreieres Anfahren (Shock reduction) Verbessertes Wärmemanagement: - Wärmeaustausch vom Kühlmittel zum Öl jetzt möglich Ölkühler entfällt - Regelbarer Kühlmittelfluss + integrierter Abgaskrümmer Kaltstarteigenschaften verbessert und = 1Bereich vergrößert! 04.01.2016 Philip Tillmann 19 5. Kraftstoffverbrauch Weitere reibungsminimierende Maßnahmen: - Offset Kurbelwelle+ leichter - Bessere Materialien - Neue Steuerkette - Neue Ölpumpe - … Ergebnis siehe Fig. 22: Minimaler spez. Kraftstoffverbr.: 236 g/kWh Thermischer Wirkungsgrad = 36,2% Kraftstoffverbrauch um 25% reduziert gegenüber 1,8 Liter Saugmotor 04.01.2016 Philip Tillmann 20 6. Fahrdynamik Einsatz eines Scavenging controls zur bestmöglichen Beseitigung des sog. „Turbolochs“ Funktionsweise: Bewusste Vergrößerung der Überschneidungsdauer der Öffnungszeiten von Ein- und Auslassventil Temporär bessere Füllung des Turboladers (+Nachverbrennung möglich!) Erhöhung des Ladedrucks Bessere Füllung … Außerdem: Unabhängiger WasserLadeluftkühler bessere und flexiblere Kühlung der Ladeluft 04.01.2016 Philip Tillmann 21 6. Fahrdynamik Motor ist mit einem stufenlosen Getriebe (continuously variable transmission CVT) kombinierbar Verbrauchsreduktion (Betrieb des Motors im optimalen Drehzahlbereich) Nachteile: verzögerte Beschleunigung und ungewohntes „Aufheulen“ des Motors 04.01.2016 Philip Tillmann 22 6. Zusammenfassung 1. Highspeed-Verbrennung durch Erhöhung der Turbulenz mithilfe einer neuen Direkteinspritzung ohne Saugrohreinspritzung, Schichtladung und neuer Kolbenbodengeometrie 2. Maximales Drehmoment bereits ab 1500 rpm durch Single-scroll Turbolader, kurze Auslassventilöffnungsdauer und scavenging control 3. Vergrößerung des = Bereichs durch bessere Kühlung des Abgaskrümmers im Zylinderkopf 4. Einsatz einer Start-Stop-Strategie und verbessertes Wärmemanagement tragen zur Verbrauchsreduktion bei 5. Deutliche Verbesserung der thermischen Effizienz (36,2%) und damit des Kraftstoffverbrauchs (25% geringer) 04.01.2016 Philip Tillmann 23 6. Zusammenfassung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 04.01.2016 Philip Tillmann 24
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