DeR neUe 1,0-L-DReIZYLInDeR-OTTOMOTOR VOn HYUnDaI / kIa
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titelthema DREIZyLINDERMOTOREN
zentrale rolle in zukünftigen kleinwagen des konzerns
Gegenstand weltweit geführter Diskussi onen ist der Klimawandel und insbesondere der Einfluss menschlichen Handelns darauf. Der Transportsektor, einschließlich Auto, Zug, Flug und Schiffverkehr, re präsentiert mehr als ein Fünftel der gesamten globalen CO2Emission. Hyundai/Kia stellt sich den Herausforderungen zur Re duzierung der Treibhausgase sowie aller anderen Emissionen, wie es die Gesetzgebung in den relevanten Märkten fordert. Dies sowie steigende Energiepreise führen zu einem erhöhten Interesse an kompakten Fahrzeugen. Der neue 1,0lDreizylinder aus der κOttomotorenBaureihe ist Bestandteil der nachhaltigen Hyundai/KiaProduktstrategie und verbindet hohe Leistung mit Verbrauchseffizienz. Das gewählte Dreizylinderkonzept erfüllt aufgrund intensiver Detailoptimierung hohe akustische Ansprüche. Von Beginn der Entwicklung an finden länderspezifische Varianten Berücksichtigung. Die ebenso ökonomische wie ökologische κMotoren baureihe wird – unterstützt von weiteren Derivaten – eine zentrale Rolle in den zukünftigen Kleinwagen des Konzerns übernehmen.
konzeptentscheidung: zylinderzahl
Zu Beginn der Entwicklung des neuen 1,0lMotors war diese Hubraumklasse durch Vierzylinderaggregate geprägt. Daneben existierten auch Dreizylinder im Markt;
über die Entwicklung eines Zweizylinders wurde berichtet. Die wesent lichen Argumente für die verschiedenen Umsetzungen sind in dieser Hubraumklasse zum einen in den Kosten, zum anderen in ihrem Potenzial zur Verbesserung der Effizienz zu finden. Die grundsätzliche Frage nach der Zahl der Zylinder wurde in einer Konzeptstudie erörtert, ❶. Den Vorteilen in Verbrauch und Leistungsentfaltung des Dreizylinders stehen Herausforderungen auf Seiten der Akustik gegenüber. Mit einer gestalterischen Optimierung der Bauteile wie zum Beispiel Kurbelwelle oder Kurbelgehäuse kann diesem Sachverhalt Rechnung getragen werden.
Zweizylindermotoren, die gewöhnlich als Antrieb für Motorräder genutzt werden, hatten in früheren Jahrzehnten im Kleinstwagensegment eine nicht unwesentliche Bedeutung. Der gegenüber der dreizylindrigen Lösung nochmals gesteigerten He rausforderung bezüglich des NVH(Noise Vibration Harshness)Verhaltens bei Zweizylinderarchitekturen – unter anderem hervorgerufen durch die natürlichen, freien Massenkräfte erster Ordnung –, muss mit Zusatzmaßnahmen wie beispielsweise ei ner Ausgleichswelle begegnet werden. Dies bringt jedoch Nachteile in Hinblick auf Kosten, Gewicht und Verlustleistung mit sich und kompensiert damit teilweise das spezifische Potenzial des Grundkonzepts. Darüber hinaus erfordert die Akustikanforderung für das zu bedienende Fahrzeugsegment – zur Eliminierung niederfrequenter Verbrennungsgeräusche – deutlich größer und länger dimensionierte Ein und Auslasssysteme als sie von Motor
Bei dem neuen 1,0-l-Ottomotor namens Kappa (κ), der im modellgepflegten Hyundai i10 sowie im neuen
Kia Picanto zum Einsatz kommt, kombiniert Hyundai / Kia ein Dreizylinderkonzept mit modernen Technologien
wie der erstmalig in diesem Hubraumsegment eingesetzten variablen Ventilsteuerung. Unter Verwendung
eines Schalt saugrohrs leistet der neue Motor 60 kW / 82 PS und liefert ein maximales Drehmoment von 94 Nm.
Neben dem Ottomotor ist eine bivalente Version für die Verwendung von Benzin und Flüssiggas (Liquefied
Petroleum Gas – LPG) verfügbar; ein Ethanolmotor befindet sich derzeit in der Entwicklung.
sunghoon leeist Leiter der Konstruktion
Kappa-Baureihe bei Hyundai Motor Company (HMC) in Seoul (Korea).
youngsam guist Mitarbeiter in der Konstruktion
Kappa-Baureihe bei Hyundai Motor Company (HMC) in Seoul (Korea).
dr. taechung kimist Leiter der Berechnung Motoren
bei Hyundai Motor Company (HMC) in Seoul (Korea).
dr. Joachim hahnist Leiter der Konstruktion und
Motormechanik bei Hyundai Motor Europe (HMETC) in Rüsselsheim.
aUTOREN
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radanwendungen bekannt sind. Konstruktive Voruntersuchungen haben des Weiteren gezeigt, dass die Integration von Generator, Klimakompressor sowie Anlasser den vermeintlichen Packagevorteil eines Zweizylinders deutlich einschränkt.
Nach Bewertung aller Kriterien, insbesondere der akustischen Qualität, des Kraftstoffverbrauchs, der Herstellungskosten sowie des Motorgewichts, erweist sich daher der Dreizylinder als das favorisierte Konzept für den neuen κ1,0lMotor.
motorgrunddaten
Der neue κ1,0lDreizylindermotor mit zwei oben liegenden Nockenwellen und vier Ventilen pro Zylinder erreicht beste Werte für Leistung, Effizienz und Akustik. Die Grunddaten des Aggregats sind in ❷
zusammengefasst. Die konstruktive Gestaltung des Motors ist in den nächsten Absätzen dargestellt.
zylinderkurbelgehÄuse
Das als „open deck“ ausgeführte und im AluminiumDruckgussverfahren gefertigte Kurbelgehäuse reduziert gegenüber einer Umsetzung in Grauguss das Motorgewicht um 12 kg. Zur Optimierung von Baulänge und Gewicht verfügt der Motor über siamesische Zylinder mit einer Zwickelbreite von 7,5 mm. Eingegossene GraugussLaufbuchsen mit einer 0,7 mm starken Struktur auf der Außenseite zur Verbesserung des Gießverbunds bewirken eine hohe Verschleißfestigkeit in Kombination mit geringen Verzügen der Zylinderlaufbahn und den sich daraus ergebenden
Vorteilen für Ölverbrauch und Blowby. Als bestmöglicher Kompromiss zwischen
Motorgewicht und günstigem NVHVerhalten hat sich das sogenannte „semihalf skirt“ mit Leiterrahmen herauskristallisiert, welches hinsichtlich seiner Steifigkeit und akustischen Abstrahlung ebenso wie die Ölwanne bereits in einer frühen Phase der Entwicklung mittels der FiniteElementeMethode (FEM) optimiert worden ist.
kurbeltrieb und kolbengruppe
Im Hinblick auf die spezifischen akustischen Herausforderungen des Dreizylinderkonzepts gebührt dem Kurbeltrieb, der den mit Abstand größten Teil der Motorreibung stellt, besondere Aufmerksamkeit. Die Gewichtsreduzierung der SphärogussWelle sowie die Optimierung der Gestaltung ihrer Ausgleichsgewichte wurden mittels MehrkörperSimulationen erreicht. Es gilt hierbei vor allem einen bestmöglichen Kompromiss zwischen vertikalem Nicken und der ebenso resultierenden Gierbewegung der Welle zu er reichen. Die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle wurde mittels rechnerbasierten Analysen und experimentellen Dehnungs und Spannungsuntersuchungen sowie Dauerlauferprobungen verifiziert. Der bereits von den kompakten VierzylinderOttomotoren des Konzerns bekannte Kurbelwellenversatz zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs kommt auch am neuen Dreizylindermotor zum Einsatz, ❸ . Detail lierte Computersimulationen weisen für die gegebenen Randbedingungen eine Ex zentrizität e von 11 mm als Optimum aus. Befeuerte Motorenversuche bestätigen eine Verbrauchsreduzierung von 1 % im Bereich niedriger Motordrehzahlen. Durch Anwendung der DFSSMethode (Design for SixSigma) auf das FEMModell wurde das CrackPleuel als leichtestes seiner Hubraumklasse ohne Beeinträchtigung der Dauerfestigkeit konstruiert, ❹ . Auf Seiten des Kolbens führt eine Reduzierung der Kompressionshöhe auf nur mehr 24,7 mm sowie eine Verkleinerung des Kolbenaugenabstands und der Hemdlänge zu einer Kolbenmasse von 161 g. Kolben und Pleuelverbesserung schlagen sich in einer Verbrauchsreduzierung von etwa 0,5 % nieder. Durch die Oberflächenbeschichtung des Kolbens und des Ölabstreifrings sowie das Potenzial, die Ringvorspannung um über 30 % zu reduzieren, wird der Verbrauch um weitere
4-zylinder 3-zylinder 2-zylinder
Verbrauch
Referenz
+(~ 3 % … 5 %)
+
leistungsentfaltung + +
gewicht+
(~ -10 %)+
akustik - --
kosten+
(~ -9 %)+
synergieeffekte* + o
*mit κ-1,2-l-Vierzylinder
❶ Entscheidungsmatrix Zylinderzahl
❷ Technische Daten
Variante 51 kw / 69 ps 60 kw / 82 ps biValent
zylinderzahl [-] 3
zylinderanordnung [-] Reihe
hubraum [cm³] 998
bohrung X hub [mm x mm] 71 x 84
VerdichtungsVerhÄltnis 10,5
zylinderabstand [mm] 78,5
VentilbetÄtigung [-] 4V – DOHC, Dual CVVT
übertragungselement [-] Tassenstößel mit Spiel
steuertrieb [-] Rollenkette
einlasssystem [-] Fixe Länge Schaltsaugrohr
nennleistung [kw] 50,7 60,3
maX. drehmoment [nm] 95
kraftstoff [-] Benzin LPG / Benzin
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0,6 % verbessert. Infolge der geometrisch vielfach optimierten Lagerschalen – doublebit, crush relief sowie Mehrfachrillenstruk tur – konnte der Leckageöldurchsatz nennenswert reduziert werden. Als Konsequenz ist die Ölpumpenkapazität um 13 % re duziert, was den Kraftstoffverbrauch um 0,4 % senkt.
zylinderkopf
Zur Sicherstellung thermomechanischer Festigkeit wird der Zylinderkopf im Niederdruckgussverfahren aus Aluminium (AlSi6Cu4) hergestellt und einer anschließenden T7Wärmebehandlung unterzogen. Ein dachförmiger Brennraum in Verbindung mit einem auf hohe Ladungsbewegung (tumble) ausgelegten Einlasskanal
sorgt für eine stabile Verbrennung und infolgedessen für geringe HCRohemissionen, ❺. Brennraumseitig wird die hohe Verbrennungsgüte durch die mittige Zündkerzenlage mit der Folge kurzer Flammwege sowie einer optimierten Quetschhöhe von 10 % des Bohrungsdurchmessers erreicht. Einer hohen thermischen Effizienz mit geringen Wandwärmeverlusten durch minimierte Oberflächen trägt der kleine Summenventilwinkel von 33,2° Rechnung.
Ventil- und steuertrieb
Als weltweit erster Motor der Einliterklasse verfügt der neue κDreizylinder motor über eine kontinuierliche Verstellung der Ein und Auslassnockenwelle (Dual Continuously Variable Valve Timing – DualCVVT). Diese
❸ Einfluss der Kurbelwellenschränkung auf den Reibmitteldruck
200
300
400
500
600
700
800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Hubraum [cm3]
Mas
se [
g]
Andere Motoren κ-1,0-l-Motor
Optimierte Pleuelform❹ Optimiertes κ-1,0-l-Pleuel im Wettbewerbsumfeld
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mit nichtlinearer Steig-keit und sehr hoherDämpfung. Besondersvon Vorteil ist die einstell-bare Steigkeit.
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tDock 1500Ein automatisches Dock-system, entwickelt fürden Einsatz mit Paletten-systemen.
Die elastische Kupplung
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Technologie ermöglicht sowohl eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs um bis zu 3 % als auch die signifikante Verbesserung der Volllastkurve durch die betriebspunktoptimale Reduzierung der Pumpverluste. Darüber hinaus ist es gelungen, durch die gezielte Steuerung der Restgasmenge im Zylinderraum im Sinne einer internen Ab gasrückführung (AGR) die NOX und HCRohemission nennenswert zu verringern. Dies kommt unmittelbar dem Beschichtungsaufwand des Katalysators zugute. Im Gegensatz zu den Vierzylindern ist der neue Dreizylindermotor der κBaureihe zur Reduzierung der bewegten Massen, aber auch aus Wirtschaftlichkeitsgründen mit spielbehafteten Tassenstößeln zur Betätigung der Gaswechselventile ausgerüstet, ❻. Die wartungsfreien Tassen sind zur Verringerung der Gleitreibung DLC(DiamondLike
Carbon)beschichtet. Diese insbesondere bei niedrigen Drehzahlen wirkungsvolle Maßnahme führt zu einer Kraftstoffverbrauchsreduzierung von 0,3 %. Darüber hinaus gelang es, durch Optimierung der Wandstärke die Masse des Übertragungselements um 20 % zu reduzieren. In Kom bination mit dem Einsatz von Bienenkorbfedern mit abgesenkter Kraft und verkleinertem Federteller konnte die Ventiltriebs reibung um 10 % gesenkt werden. Gegenüber einem Zahnriementrieb bietet der wartungsfreie RollenkettenSteuertrieb des κ1,0lDreizylinders einen Vorteil von etwa 10 mm in der Baulänge.
saugrohr und auslasskrümmer
Um zwei Leistungsvarianten zu erhalten, wird der κDreizylinderOttomotor alter
nativ mit einem Saugrohr konstanter Länge und einem variablen Pendant ausgerüstet. Beide Bauteile sind aus Kunststoff gefertigt, um Gewicht und Kosten zu reduzieren. Zur Gewährleistung eines hohen Motormoments bei mittleren Drehzahlen entspricht das statische Saugrohr der langen Stellung des Schaltsaugrohrs. Die Saugrohrlänge wurde mittels simulativer und experimenteller Untersuchungen verifiziert und schließlich auf 451 mm festgelegt. Die Formoptimierung des Ansaugtrakts führte zu einer Steigerung der Nennleistung um 1,5 kW. Die Saugrohr variabilität schlägt sich in einem erhöhten Drehmoment bei niedrigsten Drehzahlen und einer Nennleistungssteigerung von etwa 10 kW nieder. Als Gussteil ausgeführt spart der Auslasskrümmer im Vergleich zu einer Edelstahlvariante 30 % Kosten ein. Ein erhöhter Siliziumanteil verhindert übermäßige Hochtem peratur oxidation. In weiten Kennfeldbereichen kann auf eine Anreicherung des Gemischs als Bauteilschutz verzichtet werden. An den Krümmer schließt sich – aus Gründen eines kurzen Konvertierungsverzugs nach Kaltstart (short lightoff) – unmittelbar der DreiWegeKatalysator an. Der neuartige PalladiumRhodiumKatalysator erlaubt eine nochmals effizientere RedOxReaktion von HC beziehungsweise NO
x. In seinen Zielfahrzeugen erfüllt der neue Motor die aktuelle Abgasnorm Euro 5.
betriebsstrategie
Alle Derivate des neuen Dreizylindermotors sind auch in Kombination mit einer StartStoppAutomatik verfügbar, die den Kraftstoffverbrauch um etwa 3 % senkt. Die Entscheidung zum Motorstopp beziehungsweise Wiederstart wird durch die Motorsteuerung nach Auswertung einer Vielzahl von Einzelparametern, wie zum Beispiel der Stellung des Kupplungspedals, des Schalthebels, der Raddrehzahl, dem Batterieladezustand, der Außentemperatur sowie eingeschalteter elektrischer Verbraucher gefällt. In den Algorithmus greifen sicherheitsrelevante Aspekte mit höchster Priorität ein. Fahrzeuge mit StartStoppAutomatik verfügen über einen leistungsfähigeren Anlasser sowie eine Batterie mit höherer Kapazität. Alle Fahrzeuge sind darüber hinaus mit einer aktiven Regelung für die Lichtmaschine ausgerüstet. Ein Alternator Management System (AMS) kontrol
❻ Reibungsoptimierter Ventiltrieb
❺ Brennraumgestaltung und Layout des Zylinderkopfs
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Kolbenschmidt Pierburg Group
KS Kolbenschmidt Pierburg Pierburg Pump Technology
KS Aluminium-Technologie KS Gleitlager Motor Service
An mehr als 30 Fertigungsstandorten in Europa, Nord- und Südamerika,China, Japan und Indien entwickelt und produziert die KolbenschmidtPierburg Gruppe Komponenten, Module und Systeme für die akutelle und zukünftige Motorentechnik. Innovationskraft mit 100-jähriger Erfahrung.
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liert den Generator basierend auf den Fahrzuständen und ermöglicht eine Verbrauchsreduzierung von etwa 1,5 %.
optimierung Von motor- und fahrzeugakustik
Den erhöhten akustischen Anforderungen des Dreizylinderkonzepts wurde durch umfangreiche Arbeiten Rechnung getragen, welche sich zum Teil in den bereits beschriebenen Ausgestaltungen des Grundmotors widerspiegeln. Die Gesamtheit der Änderungen umfasst dabei sowohl eine Minimierung der Schallentstehung, als auch die Optimierung der Übertragungspfade in Festkörper und Luft. Beispiel für eine Un terbindung von Schall und Vibrationsentstehung ist neben der Bauteilmassenreduzierung etwa die Detailoptimierung des Nockenprofils im Bereich der Rampen zur Eliminierung einer
besonders im Leerlauf spürbaren Anregung. Ebenso wurden Form und Volumen der KraftstoffVerteilerleitung verändert, um das Tickern der Injektoren stärker zu dämpfen. Die mittels Computersimulation unterstützte Optimierung des Kurbelgehäuses und Leiterrahmens sorgt in Zusammenhang mit der direkten An bindung der Nebenaggregate für eine hohe Gesamtsteifigkeit, ❼. Die gestalterische Optimierung aller Grund motor begren zungen wie Ventildeckel, Stirndeckel und Ein und Auslasssystem verbessert die Schallabstrahlung.
biValente Variante zum alternatiVen betrieb mit lpg und benzin
Zunehmende Anforderungen hinsichtlich der CO2Emission und schwankende Öl preise lassen den Bedarf nach einem
LPGMotor steigen. Aufgrund der heterogenen LPGInfrastruktur wächst dabei das Be dürfnis nach einem BiFuelMotor, der sowohl Benzin als auch LPG nutzt, um einen sicheren Betrieb unter allen Um ständen zu gewährleisten. Aus diesem Grund hat Hyundai/Kia eine voll integrierte LPGVariante des neuen 1,0lMotors entwickelt. Höchstmögliche volumetrische Effizienz wird beim κ1,0lBiFuelMotor durch die Verwendung einer Gaseinspritzung in der Flüssigphase (Liquid Petroleum Injection – LPI) erreicht. Das LPG wird zylinderindividuell in die Einlass kanäle eingespritzt.
Gegenüber Anlagen mit Verdampfern erreicht der Motor auch im Gasbetrieb die gleichen Leistungswerte während sich die CO
2Emissionen um mehr als 5 % verringern. Die Kraftstoffzuteilung im sogenannten „limp home“Betrieb (Notlauffunktion) übernehmen konventionelle BenzinEinspritzdüsen. Den besonderen Herausforderungen des LPGBetriebs an die Grundmotormechanik wird durch besondere Ventil und Ventilsitzmaterialien Rechnung getragen. Auch der oberste Kolbenring ist durch eine PVD(Physical Vapour Depo sition)Beschichtung gegen übermäßigen Verschleiß geschützt.
funktionsergebnisse
Mit der in dieser Hubraumklasse zum Teil erstmaligen Anwendung moderner Technologien, wie zum Beispiel DualCVVT oder dem Schaltsaugrohr VIS, erreicht der neue κ1,0lDreizylindermotor im gesamten Drehzahlband Volllastwerte, welche für freisaugende Aggregate bislang nur mittels eines größeren Hubraums darstellbar waren.
❼ Beispiele aus dem Entwicklungsprozess: akustische Optimierung
60
80
100
120
140
160
800 1000 1200 1400 1600
Trendlinie
1800 2000 2200 2400
Hubraum [cm3]
Troc
keng
ewic
ht [
kg]
Andere Motoren
κ-1,0-l-Dreizylinderκ-1,
❽ Trockengewicht des neuen κ-1,0-l-Dreizylinders im Wettbewerbsumfeld
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DO
I: 10
.136
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Die gleichen Technologien in Kombination mit einer akribischen Detailoptimierung insbesondere der Motormechanik ermöglichen Teillastverbräuche, die mit beispielsweise 375 g/kWh bei 2000/min und 2 bar effektivem Mitteldruck einen neuen Bestwert unter den Vergleichsmotoren (λ=1 und keine AGR) darstellen. Intensive Un tersuchungen und die aus ihnen abgeleiteten Maßnahmen zur Akustikoptimierung haben die Geräuschqualität im gesamten Drehzahlbereich um etwa 2 bis 3 dB verbessert. Einige dieser Maßnahmen, wie beispielsweise die Optimierung der Motor
verrippung gehen einher mit dem Anspruch an ein niedriges Motorgewicht. Zusammen mit den ebenso gewichtssensibel entwickelten Anbauteilen erzielt der neue 1,0lMotor mit seinem vollständig aus Aluminium gefertigten Grundmotor ein Trockengewicht von nur 71,4 kg und damit den Bestwert im Umfeld der Wettbewerber, ❽.
zusammenfassung und ausblick
Die interdisziplinären Anstrengungen im Zuge der Entwicklung des neuen κ1,0lDreizylindermotors haben zu einem Aggre
gat mit sehr guten Leistungs und Effizienzwerten geführt. Unter Verwendung des Schaltsaugrohrs leistet der neue Motor 60 kW/82 PS und liefert ein maximales Drehmoment von 94 Nm, ❾. Die spezifischen Vorteile des Dreizylinderkonzepts, der Einsatz ausgewählter Technologien – wie zum Beispiel StartStoppSystem, aber auch Detailoptimierungen aller Komponenten –, tragen zu einem effizienten Fahrzeugantrieb bei. Hohe Komfortansprüche wurden durch konsequente Bearbeitung der konzeptspezifischen Herausforderungen erfüllt. CO2Emissionen von 95 g/km im neuen Kia Picanto mit Benzinmotor beziehungsweise 90 g/km in der Variante als bivalentes Fahrzeug stellen neue Spitzenwerte für das Segment der 1,0lFahrzeugantriebe dar, ❿. Als weitere Variante wird noch 2011 die Produktion einer ethanolverträglichen Variante (FFV) gestartet; eine turbogeladene Version des 1,0lDreizylindermotors befindet sich in Entwicklung und wird zeitnah einen weiteren, konsequenten Schritt in Richtung nachhaltiger Mobilität markieren.
literaturhinweise[1] Sunghoon Lee, Bosung Shin: The Design and Development of New Hyundai Kappa 1.2 L Dual-CVVT Engine. SaE, 2011[2] Sunghoon Lee, Bosung Shin, Chunseok Jeon: The Design and Development of the New Hyundai Kappa Engine. aPaC, 2009[3] Joachim Hahn, Peter Birtel, Seung Beom yoo: Hyundai/Kia-Lösungen für den europäischen LPG Markt. IaV-Tagung Gasfahrzeuge, 2010
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[Nm
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Drehzahl [1/min]
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κ-1,0-l-Dreizylinder
ε-1,0-l-Vierzylinder(Vorgänger)
❾ Drehmoment- und Leistungskurve des neuen κ-1,0-l-Dreizylinders
80
100
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800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Hubraum [cm3]
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mis
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[g/
km]
Andere Fahrzeuge
Kia Picanto
Benzin (95 g/km)
Bivalent (90 g/km)
❿ CO2-Emission des neuen Kia Picanto im Wettbewerbsumfeld
download des beitrags www.MTZonline.de
read the english e-magazine order your test issue now: [email protected]
Diese Ergebnisse wären ohne die Mitwirkung
von Sungwon Shin und Dr. Myongho Kim von
der Hyundai Motor Company nicht möglich
gewesen, daher möchten die autoren ihren
Dank dafür aussprechen.
Danke
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