2,0-L-VIERZYLINDER-OTTOMOTOR VON BMW MIT TURBOAUFLADUNG FÜR SULEVIn diesem Jahr erlebt der erste BMW-Ottomotor mit Turboaufladung für SULEV-Anwendungen sein Debüt im

neuen BMW 328i PZEV. Damit kommt die BMW Group einerseits den Anforderungen der weltweit schärfsten

Abgasgesetzgebung nach und unterstreicht andererseits, dass Premium auch immer stärker über Nachhaltigkeit

definiert wird. Die Twin-Power-Turbo-Technik ist dabei Wegbereiter für Dynamik und günstige Kraftstoffverbräuche

bei sicherer Erfüllung strengster Abgasgrenzwerte.

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HERAUSFORDERUNGEN BEI TURBO-OTTOMOTOREN FÜR SULEV

Mit der Abgasgesetzgebung LEV II hat das die kalifornische Umweltbehörde CARB (California Air Resources Board) die welt-weit schärfste Abgasnorm SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) definiert, 1, wobei die CARB-Abgasvorschriften nicht nur für Kalifornien, sondern auch für weitere US-Bundesstaaten gelten. Für die Zulassung als PZEV (Partial Zero Emission Vehicle) muss die Einhaltung der SULEV-Grenzwerte über 15 Jahre und 150.000 Meilen gewährleistet sein. Darüber hinaus darf das Fahrzeug keinerlei Kraftstoffverdunstungsemissionen aufweisen und muss die On-Board-Diagnosevorschriften der Stufe 2 einhalten. Mit der geplanten Einführung von LEV III ab dem Modelljahr 2015 werden die Abgasgrenzwerte weiter ver-schärft. Die geltenden und geplanten gesetzlichen Vorgaben hin-sichtlich des Flottengrenzwerts der Schadstoffemissionen machen einen immer größeren Anteil von Fahrzeugen erforder-lich, welche die SULEV-Grenzwerte erfüllen. In Zukunft werden daher SULEV-Fahrzeuge nicht mehr Nischenmodelle sein, son-dern in den USA zum Standard werden.

Der Schlüssel für die Einhaltung der SULEV-Grenzwerte sind der Kaltstart und die darauf folgende Phase des Katalysator-heizbetriebs: Während dieser ersten circa 30 s des Abgastests wird ein Großteil der gesamten Schadstoffe emittiert. Ursäch-lich hierfür sind das bei kaltem Motor erhöhte Roh emissions-niveau und die fehlende beziehungsweise geringe Konvertie-rung des Katalysators bis zum Erreichen der Anspringtempera-tur (Light-off-Temperatur). Das Ziel des Katalysatorheizbetriebs zu Beginn des Abgastests ist, den Katalysator mithilfe des Abgases bei möglichst geringen Rohemissionen und guter Laufruhe schnellstmöglich auf seine Light- off-Temperatur zu erwärmen. Vor diesem Hintergrund stellen Turbomotoren eine besondere Herausforderung dar, da der Abgasturbolader als zusätzliche Wärmesenke für das Ab gas auf dem Weg zum Katalysator wirkt und der Light-off-Punkt entsprechend verzö-gert wird. Im Folgenden wird dargestellt, wie BMW mit innova-tiven Lösungen den Zielkonflikt zwischen minimalen Abgas-emissionen und weiteren Kundenanforderungen – wie Fahr-spaß und Kraftstoffverbrauch – gelöst hat.

BRENNVERFAHREN FÜR NIEDRIGSTEMISSIONSKONZEPTE

Zur Erreichung der EfficientDynamics-Ziele – weniger Ver-brauch und mehr Fahrfreude – kommt bei aktuellen und zukünftigen BMW-Otto- und Dieselmotoren die Twin-Power-Turbo-Technik zum Einsatz [1]. Bei Ottomotoren wird sie

AUTOREN

NORBERT KLAUERist Abteilungsleiter Antriebsfunktionen

große Reihenmotoren bei der BMW AG in München.

DR. CHRISTOPH ZÜLCHist Teamleiter Funktion Motor- Start-Stopp-Automatik bei der

BMW AG in München.

DR. CHRISTIAN SCHWARZist Abteilungsleiter Thermodynamik, Aufladung und Abgassystem bei der

BMW AG in München.

DR. ERIK SCHÜNEMANNist Teamleiter Versuch Verbrennung

bei der BMW AG in München.

1 Abgasgrenzwerte LEV II

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durch das sogenannte TVDI-Brennver-fahren mit einer Kombination von Turboaufladung, Valvetronic und Direkteinspritzung dargestellt, 2. Die-ses Brennverfahren wird seit 2009 im aktuellen BMW-TVDI-Sechszylinder-Ottomotor eingesetzt [2] und konse-quent über die gesamte Motorenpalette der BMW Group ausgerollt. Als Basis für den neuen SULEV-Turbomotor dient der im Jahr 2011 vorgestellte BMW- 2,0-l-Vier zylinder-Ottomotor [3]. Mit dem TVDI-Brennverfahren werden geringe Kraftstoffverbräuche bei BMW-typischer Fahrdynamik im welt-weiten Einsatz unabhängig von der lokal verfügbaren Kraftstoffqualität dargestellt [4]. Die mit TVDI verfüg-baren Freiheitsgrade bieten darüber hinaus günstige Voraussetzungen für Niedrigstemissionskonzepte.

Die Direkteinspritzung mit zentraler Einbaulage des Injektors ermöglicht aufgrund ihrer Flexibilität bei Anzahl und Dauer der Einspritzpulse pro Arbeitsspiel im Vergleich zu Motoren mit Saugrohreinspritzung deutlich spä-tere Zündzeitpunkte und damit ein wesentlich schnelleres Aufheizen des Katalysators. Dabei kommt ein magerer Katalysatorheizbetrieb mit Zweifachein-spritzung zum Einsatz. Die erste Ein-spritzung erfolgt in der Ansaugphase und enthält die Haupteinspritzmenge. Sie dient der Erzeugung eines homoge-nen mageren Grundgemischs. Die zweite, kleinere Einspritzung wird als Zündeinspritzung kurz nach dem Zünd-

zeitpunkt abgesetzt und beschleunigt beziehungsweise stabilisiert durch Tur-bulenzerhöhung im bereits entflammten mageren Grundgemisch die Verbren-nung, wodurch sehr späte Zündzeit-punkte appliziert werden können. Der magere Motorbetrieb ermöglicht Nach-reaktionen mit dem überschüssigen Sauerstoff im Abgas, wodurch die Abgastemperatur angehoben und die CO- sowie die HC-Rohemissionen redu-ziert werden.

Ausgehend von der aktuellen Appli-kation zum Katalysatorheizen für die ULEV-Norm werden durch die Kombina-tion aus Einspritzdruckerhöhung von

120 auf 200 bar und Optimierung des Ladungswechsels weitere funktionale Verbesserungen erzielt. In 3 sind die bei stationär gekühltem Katalysator-heizbetrieb gemessenen Rohemissionen sowie die Abgastemperatur vor dem Katalysator dargestellt. Die Anhebung des Einspritzdrucks führt zu einer bes-seren Zerstäubung des Kraftstoffs und damit zu einer deutlichen Reduzierung der Partikelemissionen. Der mit höhe-rem Einspritzdruck zunehmende Strahl-impuls hat allerdings größere Strahl-eindringtiefen und damit erhöhte Wandbenetzung sowie steigende HC-Emissionen zur Folge. Durch die Nut-

2 TVDI-Brennverfahren

3 Optimierung der Applikation im Katalysatorheizbetrieb

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zung der Ventiltriebsvariabilitäten des TVDI-Brennverfahrens kann die aus der Einspritzdruckerhöhung resultierende HC-Zunahme über eine Erhöhung des Restgasgehalts im Brennraum kompen-siert werden. Der hohe Restgasgehalt im Brennraum führt zu einer Zunahme der Ladungstemperatur, was sich positiv auf die Kraftstoffverdampfung sowie die Gemischaufbereitung auswirkt, woraus wiederum niedrigere HC- und Partikel-emissionen resultieren. Der NOx-Vorteil ist eine Folge der langsameren Verbren-nung mit reduzierter Spitzentemperatur. Die spätere Schwerpunktlage der Ver-brennung führt zu einer erwünschten Erhöhung der Abgastemperatur. Damit verbessern sich bei neutraler Laufruhe alle relevanten Rohemissionen bei gleichzeitig beschleunigtem Anspringen des Katalysators.

4 zeigt den Katalysatorheizbetrieb des TVDI-Brennverfahrens im Wettbewerbs-vergleich. Aufgetragen ist – jeweils normiert über das Hubvolumen – der HC-Massenstrom über dem Abgasent-halpiestrom. Optimierungsziel im Katalysator heiz betrieb ist die Realisie-rung höchster Abgasenthalpieströme bei gleichzeitig geringsten HC-Rohemis-sionen. Es wird deutlich, dass das TVDI-Brennverfahren mit Mehrlochinjektor in zentraler Einbaulage Ergebnisse im Bereich der besten Piezo-DI-Brennver-fahren erreicht. Mit dem neuen 2,0-l-TVDI- Vierzylinder-Ottomotor kann der Kata-lysator über das Abgas mit bis zu 22 kW aufgeheizt werden.

KLEINSTMENGENFUNKTIONALITÄT UND OPTIMIERUNGSPOTENZIALE DER ZÜNDEINSPRITZUNG

Um die für die Zündeinspritzung erfor-derliche Kleinmenge über die gesamte Fahrzeuglebensdauer stabil darstellen zu können, wird eine Funktion einge-setzt, die durch Regel- und Adaptionsal-gorithmen die Nadelöffnungsdauer und damit den dominanten Parameter für die Einspritzmenge im ballistischen Bereich

der Kennlinie des Mehrlochinjektors kontrolliert, 5 (schematische Darstel-lung). Aus den Verläufen der elektri-schen Ansteuerung des Injektors wird der Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Nadel bestimmt und daraus die Öff-nungsdauer ermittelt. Falls diese von einem vorgegebenen Sollwert abweicht, erfolgt eine Korrektur der elektrischen Ansteuerung. Damit kann die für den TVDI-Katalysatorheizbetrieb benötigte Kleinstmenge mit sehr hoher Präzision

4 Bewertung des Katalysatorheizbetriebs

5 Kleinstmengenfunktionalität der Zündeinspritzung (schematische Darstellung)

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über die gesamte Fahrzeuglebensdauer gewährleistet werden.

Entscheidend für niedrige Partikel-emissionen im Katalysatorheizbetrieb – auch vor dem Hintergrund der Euro-6-Ge-setzgebung – ist die Optimierung der in der Zündeinspritzung abgesetzten Ein-spritzmenge. Auch hier ist die beschrie-bene Kleinstmengenfunktionalität vorteil-haft, da die Zündeinspritzung von extrem kleinen Einspritzmengen sehr reprodu-zierbar dargestellt werden kann. Die obere Sequenz in 6 zeigt eine bezüglich der Einspritzmenge nicht optimierte Zündeinspritzung sowie die darauf fol-gende Verbrennung mit hohen diffusiven Anteilen. Zu erkennen ist die relativ große Eindringtiefe der Einspritzstrahlen, wel-che zu einer Benetzung des Kolbens und zu stark rußender Verbrennung führt. Die optimierte, signifikant verkürzte Zünd-einspritzung vermeidet die Kolbenbenet-zung. Die aus den fetten Zonen in der Brennraummitte entstehende Diffusions-flamme ist deutlich schwächer ausge-prägt. Der dargestellte Vergleich zeigt eine massive Absenkung der Partikelemissio-nen bei optimierter Zündeinspritzmenge. Weitere Verbesserungen der Gemisch-homogenisierung, die zu einer wirksa-men Rohemissions absenkung beitragen, werden durch gezielte Optimierung der Spray auslegung des Injektors erreicht.

MINIMIERUNG DER ABGAS-WÄRMEVERLUSTE IM KATALYSATORHEIZBETRIEB

Neben der Optimierung des Brennverfah-rens ist die Minimierung der Wärmever-luste des Abgases bis zum Katalysator eine wesentliche Voraussetzung für die Erfüllung der SULEV-Grenzwerte. Wie beschrieben stellt der Turbolader als zusätzliche Wärmesenke vor dem Kataly-sator eine besondere Herausforderung dar, weil sich hierdurch das Anspringen des Katalysators erheblich verzögert. In 7 wird deutlich, dass das Abgas über den Turbolader 300 K an Temperatur ver-liert. Die massiven Wärmeverluste resul-tieren überwiegend aus dem Wärmeüber-gang vom Abgas an die großen Oberflä-chen von Turbinenschnecke und -rad.

Diese Wärmeverluste lassen sich redu-zieren, wenn im Katalysatorheizbetrieb möglichst viel Abgas direkt über das Wastegate – und damit an der Turbine vorbei – geleitet wird. Weiterhin sollte der Abgasstrom vom Ausgang der

6 Einfluss der Zündeinspritzmenge auf Partikelemissionen im Katalysatorheizbetrieb

7 Optimierte Anströmung des Katalysators und Vergleich der Abgastemperatur

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Waste gatekanäle den Katalysator mög-lichst ohne direkten Wandkontakt errei-chen. Durch konsequente Optimierung mittels CFD wurde zunächst die An- und Durchströmung der Wastegatekanäle maximiert. Der maximale Wastegateöff-nungswinkel wurde von 25° auf 45° erhöht. Dazu kommt ein elektrischer Wastegatesteller zum Einsatz, der wei-tere Funktionsvorteile bietet. Durch die genannten Maßnahmen konnte der über das Wastegate geleitete Anteil des Abgas-massenstroms von 40 auf 70 % deutlich gesteigert werden. Eine entsprechende Orientierung des Wastegates im Turbi-nengehäuse und die turbinennahe Positi-onierung des Katalysators ermöglichen eine wärmeverlustarme, mittige Strö-mungsführung von den Wastegatekanä-len auf die Katalysatorfrontfläche.

Mit dem Maßnahmenpaket wird die Abgastemperatur vor Katalysator gemäß CFD-Simulation um mehr als 200 K erhöht. Die durchgeführte Optimierung bestätigt sich bei Versuchen im Fahr-zeug. Nach dem Kaltstart zeigt die opti-mierte Variante eine bis zu 220 K höhere Abgastemperatur im Vergleich zur Basis.

KONSTRUKTIVE GESTALTUNG DES ABGASTURBOLADERMODULS

Das in Integralbauweise ausgeführte Abgasturboladermodul des neuen SULEV-Motors ist in 8 dargestellt und – bis auf den bereits erwähnten elektri-schen Wastegatesteller – baugleich mit dem Modul für ECE- und ULEV-Varian-ten. Der Vier-in-Zwei-Abgaskrümmer ist aus Blechschalen aufgebaut, wobei die innenhochdruckumgeformten (IHU) Innenrohre aus austenitischem Edel-stahl gefertigt sind. Für eine ladungs-

wechseloptimale Flutentrennung sind jeweils die Abgasmassenströme von Zylinder 1 und 4 beziehungsweise Zylinder 2 und 3 zusammengeführt. Der Gaseintritt in die Twinscroll-Turbine erfolgt strömungsoptimal über zwei kreisrunde Querschnitte. Das kompakt ausgeführte Turbinengehäuse besteht aus austenitischem Stahlguss, die Scrolls sind über dem Umfang um 30° zueinander verdreht angeordnet. Der motornahe Katalysator ist gestuft ausge-führt (erster Monolith: 900 cpsi, zweiter Monolith: 600 cpsi). Die Position der Regelsonde ist so gewählt, dass der Motor bereits nach wenigen Sekunden mit Lambdaregelung betrieben werden kann. Die Monitorsonde ist zwischen den Monolithen angeordnet. Das elekt-rische Schubumluftventil ist in den Verdichter integriert. Die Montage des

Abgasturboladermoduls erfolgt mit dem höchsten derzeit in Großserie dar-gestellten Automatisierungsgrad. Das beschriebene Abgasturboladermodul kommt in allen Fahrzeugbaureihen der BMW Group zum Einsatz, die den neuen Motor erhalten.

SULEV-ZIELERREICHUNG IM FAHRZEUG

Die Wirksamkeit der Einzelmaßnahmen und ihr Beitrag zur Zielerreichung sind am Beispiel der Kohlenwasserstoffemis-sionen in 9 dargestellt. Ausgangspunkt bei dieser Betrachtung ist die bereits heute im Markt befindliche ULEV-Vari-ante des Motors [3]. Ziel ist es, den SULEV-Grenzwert mit ausreichendem Sicherheitsabstand zur Gewähr leistung der Dauerhaltbarkeitsanfor derungen zu

8 Abgasturboladermodul

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unterschreiten. Die Werte basieren auf Messungen mit einem neuwertigen Katalysator.

Durch die Optimierung des Abgastur-boladers und der entsprechend verkürz-ten Anspringzeit des Katalysators ergibt sich eine Reduzierung der Emissionen um 40 %. Am motornahen Katalysator wurden Zelldichte und Edelmetallbe-ladung erhöht. Zusätzlich wird ein Unterbodenkatalysator verbaut. Hier-durch ergibt sich eine Verringerung der Emissionen um 60 %. Weitere 50 % Minderung der Emissionen werden durch die Kleinstmengenfunktionalität

und eine Anpassung der Applikation – beispielsweise beim Start und im Kataly-satorheizbetrieb – erreicht. Durch die Kombination der aufgeführten Maßnah-men konnte das Entwicklungsziel von 50 % SULEV-Grenzwert im Neuzustand des Katalysators ohne Einsatz eines Sekundärluftsystems erreicht werden.

Weiterhin wird ein sogenannter Prem-Air-Kühlmittelkühler mit einer speziel-len Beschichtung der kühlluftseitigen Oberflächen eingesetzt. An diesen Ober-flächen reagiert das in der Umgebungs-luft enthaltene, gesundheitsgefährdende Ozon zu molekularem Sauerstoff. Der

Gesetzgeber honoriert den Einsatz des ozonreduzierenden Prem-Air-Kühlers mit einer Anhebung des Grenzwerts für die ozonbildenden Abgasbestandteile.

FAHRLEISTUNGEN UND KRAFTSTOFFVERBRAUCH

Der neue BMW 2,0-l-Vierzylinder-Otto-motor bietet auch in seiner SULEV-Vari-ante BMW-typische Fahrdynamik kom-biniert mit einem geringen Kraftstoffver-brauch. Das maximale Drehmoment beträgt 350 Nm, die Nennleistung liegt bei 180 kW. Dies bedeutet gegenüber

❿ Fahrleistungen und Kraftstoffverbrauch

9 Wirksamkeit der Maßnahmen zur Erreichung des SULEV-Grenzwerts

ENTWICKLUNG EMISSIONEN

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dem Vorgängermotor eine Steigerung um 30 % beziehungsweise 4 % bei gleich-zeitig deutlich erweitertem nutzbaren Drehmomentband. So erreicht der neue 328i PZEV im Vergleich zu seinem Vor-gänger signifikant bessere Fahrleistun-gen bei deutlich reduziertem Kraftstoff-verbrauch, ❿, und zeigt damit, dass die Erfüllung der weltweit schärfsten Abgasgesetzgebung ohne Kompromisse bei Dynamik und Effizienz möglich ist.

ZUSAMMENFASSUNG

Der neue 2,0-l-Vierzylinder-Ottomotor von BMW für SULEV-Anwendungen demonstriert das Potenzial der Twin-Power-Turbo-Technik zur Erfüllung der weltweit schärfsten Abgasgesetzgebung bei gleichzeitiger Erreichung der Efficient-Dynamics-Ziele – weniger Verbrauch und mehr Fahrfreude. Die Ausnutzung der Freiheitsgrade des TVDI-Brennverfah-rens ermöglicht einen Katalysatorheizbe-trieb mit sehr hohem Abgasenthalpie-strom bei niedrigsten Rohemissionen und guter Laufruhe über die gesamte Fahr-zeuglebensdauer. Über die konsequente Reduzierung der Abgaswärmeverluste wird ein schnellstmögliches Anspringen des Katalysators sichergestellt und die Wirkung des Abgasturboladers als Wär-mesenke minimiert. Der neue BMW-2,0-l-Vierzylinder-Ottomotor ist der weltweit erste SULEV-Turbomotor ohne Sekundär-luftsystem und wird derzeit im neuen BMW 328i PZEV in den US-amerikani-schen Markt eingeführt.

LITERATURHINWEISE[1] Langen, P.; Reissing, J.; Alvaredo, B.: Die neue BMW Motorenpalette – Basis für nach-haltige Antriebslösungen. 32. Internationales Wiener Motorensymposium, 2011[2] Klauer, N.; Kretschmer, J.; Unger, H.: Der Antrieb des 535i Gran Tourismo. In: ATZ 111 (2009), Nr. 9[3] Steinparzer, F.; Klauer, N.; Kannenberg, D.; Unger, H.: Der neue aufgeladene 2,0-l-Vierzylinder-Ottomotor von BMW. In: MTZ 72 (2011), Nr. 12[4] Steinparzer, F.; Schwarz, C.; Miklautschitsch, M.: Das BMW TVDI Brennverfahren – Basis für Nied-rigstemissionskonzepte und geringen Kraftstoffver-brauch. 13. Tagung Der Arbeitsprozess des Verbrennungsmotors, Graz, 2011

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