Technologie-Demonstrator für innovatives Downsizing bei Ottomotoren

200 PS aus 1,2 Liter

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Die Reduktion von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission ist ein Hauptziel für die Entwicklung zukünftiger Motoren und Fahrzeuge. Downsizing, die Verbindung von Hubraumverkleinerung und Aufladung, ist vor allem für Ottomotoren eine vielversprechende Möglichkeit, dieses Ziel in Verbindung mit guten Fahrleistungen zu erreichen.

Gestützt auf solide Systemkompetenz sowie mehr als 80 Jahre erfolgreiche Entwicklung und Fertigung von Systemen und Bauteilen für Verbrennungsmotoren, hat Mahle mit der Expertise seiner Engineering-Tochter Mahle-Power-train nun einen Technologie-Demonstrator für innovatives Downsizing entwickelt und untermauert damit seine Kompetenz in der modernen Motorentechnik. Dieser Motor wurde erstmals auf der IAA 2007 in Frankfurt der Öffentlichkeit präsentiert.

Für Mittelklassefahrzeuge mit Saugmotoren und einem Hubraum von mehr als 1,4 l wird die Zielvorgabe von 130 g/km CO2-Emission nach dem Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) nur schwer zu erreichen sein. Bei Saugmotoren dieser Größe wären Drehmoment und Leistung für Fahrbetrieb auf zirka 150 Nm und 75 KW begrenzt, was die Fahrleistungen erheblich verschlechtern würde. Zur Lösung dieses Zielkonfliktes zwischen Verbrauch und Fahrdynamik ist Downsizing eine aussichtsreiche Option für Ottomotoren.
Der Downsizing-Lösungsansatz von Mahle
Im Zuge der Entwicklung eines zukunftsweisenden Downsizing-Konzeptes hat Mahle einen Motor realisiert, der als Technologie-Demonstrator dient. Das Ziel war dabei, Downsizing als eine der wichtigsten Möglichkeiten zur Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission darzustellen. Besonderer Fokus lag dabei auf Aufladung, Benzindirekteinspritzung und variabler Ventilsteuerung. Als Grundvoraussetzung für einen guten Wirkungsgrad wurde ein Hauptaugenmerk auf die thermodynamische und mechanische Optimierung des Motors gelegt.
Ein weiterer Schwerpunkt bei der Entwicklung war die Realisierung von Drehmoment, Leistung und Kraftstoffökonomie mit serientauglichen Lösungen. Das Aggregat wurde als Dreizylindermotor mit 1,2 l Hubraum mit sowohl ein- als auch zweistufiger (Stufenaufladung) Abgasturboaufladung konzipiert. Der kleinere Hochdrucklader wirkt bei niedrigen Drehzahlen und sorgt dort für gutes Ansprechverhalten und wird bei höheren Drehzahlen durch den größeren Niederdrucklader ergänzt. Mit seinen Leistungs- und Drehmomentwerten ist der Motor für einen Einsatz in Fahrzeugen mit einem Leergewicht von zirka 1 600 kg geeignet und in den Fahrleistungen mit einem 2,4-l-Saugmotor vergleichbar. Es wird damit ein Downsizing von 50 % dargestellt, das im NEFZ eine Reduktion von Kraftstoffverbrauch und CO2-Emission von bis zu 30 % ermöglicht.
Eingesetzte Bauteile und Systeme
Um die anspruchsvollen Entwicklungsziele umzusetzen, konstruierte Mahle einen Zylinderkopf mit einem sowohl in der Geometrie als auch in der Kühlung optimal gestalteten Brennraum. Der Zylinderkopf wird aus der Aluminiumlegierung A 356 im Mahle-Coscast-Verfahren gegossen. Das Verfahren ermöglicht wegen der Toleranzen im Gießprozess geringere Wandstärken auch bei komplexen Geometrien und bietet gute Voraussetzungen sowohl für effiziente Kühlung als auch geringes Gewicht.
Für die Benzindirekteinspritzung wurde ein strahlgeführtes System mit zentraler Lage des Injektors gewählt. Um die Temperaturbelastung für die Bauteile am und im Brennraum so gering wie möglich zu halten, verfügt er über eine Querstromkühlung in Verbindung mit einem optimierten Wassermantel in den kritischen Bereichen. Zielsetzung für die Konstruktion von Zylinderblock und Kurbelgehäuse war die Realisierung eines geringen Bauteilgewichtes bei hoher Steifigkeit und geringen Zylinderverzügen: Auch bei diesem Bauteil wird das Coscast-Verfahren eingesetzt, um Wärmehaushalt und Kühlung zu optimieren. Der Kurbeltrieb wurde ebenfalls auf niedrige Reibung und gleichzeitig auf die zu erwartenden Spitzendrücke von 140 bar ausgelegt. Er verfügt über geschmiedete Aluminiumkolben, ein Kolbenringpaket mit PVD-Beschichtung für minimale Reibung sowie DLC (Diamond Like Carbon)-beschichteten Kolbenbolzen. Außerdem kommen eine Stahl-Kurbelwelle und geschmiedete Stahl-Pleuel zum Einsatz.
Geringes Gewicht, kleine bewegte Massen, wenig Verschleiß und niedrige Reibung waren die Vorgaben beim DOHC-Ventiltrieb. Er verfügt über Rollenschlepphebel zur Betätigung der Leichtbau-Ventile (vier pro Zylinder) und eine 8 mm breite, geräuschreduzierte Kette zum Antrieb der gebauten Nockenwellen. Diese verfügen auf der Ein- und Auslassseite über eine Phasenverstellung. Zylinderkopf und Ventiltrieb bieten die Option, später ein System mit variablem Ventilhub zu integrieren.
Um geringes Gewicht, Kompaktheit, niedrige Strömungsverluste und gutes Ansprechverhalten des Einlasssystems zu erreichen, wurden Luftfiltration, Luftmengenmesser, Einzeldrosselklappen und Luftverteiler in ein System integriert. Dies schließt für beide Aufladungsvarianten außerdem den Ladeluftkühler mit ein.
Der Einsatz der Abgasrückführung (AGR) wurde nicht nur auf das Teillastgebiet beschränkt, sondern erfolgt auch bei hohen Lasten und Drehzahlen. Die innovative Auslegung des Systems ermöglicht AGR-Raten von bis zu 15 % im Bereich hoher Lasten und Drehzahlen. Damit können diese Kennfeldbereiche ohne die bislang bei aufgeladenen Motoren applizierte Anfettung zur Reduzierung der thermischen Belastung des Turboladers dargestellt werden. Dabei vergrößert ein neuartiges schnell schaltendes Lufttaktventil von Mahle bei der Variante mit nur einem Lader die erreichbare AGR-Rate im Vergleich zu konventionellen Ventilen signifikant.
Hilfs- und Nebenaggregate
Bei der Auswahl und Konstruktion der Hilfs- und Nebenaggregate für den Motor standen ebenfalls Überlegungen im Vordergrund, die Verluste zu reduzieren. Zusätzlich wurde ein elektrischer Antrieb für Wasser- und für eine spätere Fahrzeugapplikation der Lenkhilfepumpe vorgesehen.
Um darüber hinaus ein zusätzliches Potenzial zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs im Fahrbetrieb zu ermöglichen, wurde anstelle eines standardmäßigen Generators ein kombinierter Starter/Generator in den Antrieb integriert.
Der Technologie-Demonstrator wurde mit ersten Prüfstandsergebnissen auf der IAA 2007 in Frankfurt vorgestellt. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Randbedingungen der verschiedenen Märkte und Applikationen wird Mahle verschiedene Varianten entwickeln und somit seine spezifische Systemkompetenz weiter ausbauen. Die mit diesem Motor gewonnenen Erfahrungen bieten Mahle eine gute Basis, um das Produktportfolio für Hochleistungsbauteile und -systeme in modernen Verbrennungsmotoren zu erweitern.
Mahle;
Telefon: 0711/501-0;
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