Internationaler Motorenkongress 2016
Johannes LieblChristian Beidl Hrsg.
Mit Konferenz Nfz-Motorentechnologie
Proceedings
Proceedings
Ein stetig steigender Fundus an Informationen ist heute notwendig, um die immerkomplexer werdende Technik heutiger Kraftfahrzeuge zu verstehen. Funktionen,Arbeitsweise, Komponenten und Systeme entwickeln sich rasant. In immer schnel-leren Zyklen verbreitet sich aktuelles Wissen gerade in Konferenzen, Tagungenund Symposien in die Fachwelt. Den raschen Zugriff auf diese Informationen bie-tet diese Reihe Proceedings, die sich zur Aufgabe gestellt hat, das zum Verständnistopaktueller Technik rund um das Automobil erforderliche spezielle Wissen in derSystematik aus Konferenzen und Tagungen zusammen zu stellen und als Buch inSpringer.com wie auch elektronisch in SpringerLink und Springer für Professio-nals bereit zu stellen.Die Reihe wendet sich an Fahrzeug- und Motoreningenieure sowie Studieren-de, die aktuelles Fachwissen im Zusammenhang mit Fragestellungen ihres Ar-beitsfeldes suchen. Professoren und Dozenten an Universitäten und Hochschulenmit Schwerpunkt Kraftfahrzeug- und Motorentechnik finden hier die Zusammen-stellung von Veranstaltungen, die sie selber nicht besuchen konnten. Gutachtern,Forschern und Entwicklungsingenieuren in der Automobil- und Zulieferindustriesowie Dienstleistern können die Proceedings wertvolle Antworten auf topaktuelleFragen geben.
Johannes Liebl � Christian BeidlHerausgeber
InternationalerMotorenkongress 2016
Mit KonferenzNfz-Motorentechnologie
Moosburg, Deutschland
ISSN 2198-7432 ISSN 2198-7440 (electronic)ProceedingsISBN 978-3-658-12917-0 ISBN 978-3-658-12918-7 (eBook)DOI 10.1007/978-3-658-12918-7
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Natio-nalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.deabrufbar.
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Dr. Johannes Liebl
Darmstadt, Deutschland
Prof. Dr. Christian BeidlInstitut für VerbrennungskraftmaschinenTechnische Universität Darmstadt
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V
HERZLICH WILLKOMMEN
Wer die gesamte „Well-to-Wheel“-Kette betrachtet, stellt schnell fest: Der Verbren-nungsmotor und seine Kraftstoffe sind auch heute nicht wegzudenken, wenn es gilt, Pkw und Nutzfahrzeuge anzutreiben. Die Erkenntnis, dass die Elektrifizierung der Fahrzeugantriebe sich nur evolutionär entwickeln kann, sichert dem Verbrennungs-motor weiterhin die Pole-Position als Schrittmacher in eine Mobilität mit geringen Schadstoffemissionen.
So gilt es, vom Dreizylinder-Pkw- bis zum Achtzylinder-Nfz-Motor, neben verschie-denen technologischen Optimierungsmöglichkeiten, weitere verborgene Potenziale in den Bereichen Mechanik, Ladungswechsel, Verbrennung, Abgasnachbehandlung und Wärmemanagement zu heben. Vor dem Hintergrund dieser Entwicklungsaufgaben veranstalten ATZlive und das VDI Wissensforum zum dritten Mal gemeinsam den Internationalen Motorenkongress.
Die Vorträge der zweitägigen Veranstaltung bieten Ihnen wieder die gewohnte techni-sche Tiefe. Die enge Verzahnung der Pkw- und Nfz-Motorentechnologie – letztere als Konferenz im Kongress zur passgenauen Ansprache der Teilnehmer konzipiert – för-dert den Erfahrungsaustausch zwischen Pkw- und Nfz-Entwicklern. Am Ende des ers-ten Tages möchten wir in einer Podiumsdiskussion mit Vertretern aller Verbren-nungsmotorsparten die Chancen einer gemeinsamen Entwicklung bewerten.
In einem speziell ausgerichteten Vortragsstrang steht das Gesamtsystem „Verbren-nungsmotor und Kraftstoffe“ im Mittelpunkt. Hier können Sie sich einerseits über den aktuellen Stand der Entwicklung von Kraftstoffen für eine nachhaltige Mobilität informieren sowie andererseits die systemische Abhängigkeit der Verbrennungs-motoren- und Kraftstoffentwicklung beurteilen.
Mit diesem technisch in die Tiefe gehenden Programm komplettiert der 3. Internatio-nale Motorenkongress 2016 wieder die etablierten Tagungen der Automobilbranche. Wir freuen uns, Sie in Baden-Baden begrüßen zu dürfen und wünschen Ihnen interes-sante und anregende Tage.
Im Namen der beiden Programmbeiräte Pkw- und Nfz-Motorentechnologie
Dr. Johannes Liebl Wissenschaftlicher Leiter des Kongresses, Herausgeber ATZ | MTZ | ATZelektronik
Prof. Dr. Christian Beidl Konferenzleiter Nfz-Motoren-Programm, TU Darmstadt
VII
INHALT
PLENUM
Keynote Lecture: Matter of character or pabulum? The role of IC engines in shaping next-generation powertrains
3
Keynote Lecture: The challenge for fuels for the future
5
Keynote Lecture: Sustainable and increasingly efficient road transport for the next generations – continuous improvement through an integrated approach
7
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
9
TEIL I: PKW-MOTORENTECHNOLOGIE
INNOVATIVE KONZEPTE
3-motor HEV powertrain for super sport 23
Vehicle integration of a new engine concept for 48 Volts – opportunities for efficiency improvement and optimization of the overall system complexity
31
AUFLADUNG
Heavily downsized gasoline demonstrator 73
Extreme downsizing for gasoline engines – fun to drive with extremely low emissions
91
Potential of air gap motors to realize electrically assisted turbocharging, Cross-Charger® – turbo by wire
109
Inhalt
VIII
ABGASNACHBEHANDLUNG
Influencing factors on particle formation under real driving conditions
129
System influence and requirements for monitoring diesel particulate filters without particulate matter sensors
143
THERMODYNAMIK DIESELMOTOR
Technologies for (pilot) injection quantity control in modern common rail diesel engines
163
Effect of diesel injector tip deposits on transient spray behavior 185
Concept for lower raw engine emission covering full engine map operation
195
REIBUNG I
Simulation-based RNT measurements for oil supply optimization at the connecting rod bearing
219
Dynamics and friction of a rolling bearing crankshaft – method and calculation
235
Wear behavior of engine components affected by soot 237
LADUNGSWECHSEL UND VERBRENNUNG
Passenger car diesel engine for 2020 / 25 – synthesis of classical attributes and novel high-tech innovations
241
Thermodynamic consideration of the Miller cycle on the basis of simulation and measurements
259
Inhalt
IX
THERMOMANAGEMENT
Assessment of efficient powertrain concepts in real driving conditions
283
Thermal management in vehicle integration 307
THERMODYNAMIK OTTOMOTOR
Experimental studies on spark stability in an optical combustion vessel under flowing conditions
327
3D CFD simulation of the spark ignition process under the consideration of spark channel deflection, diffusion effects, curvature and detailed chemical kinetics
349
Investigation of flame development applying optical metrology in a highly boosted SIDI performance engine for the sports car market
373
REIBUNG II
Optimization of the piston assembly friction 391
A novel approach for valve train reduction 409
MODELLBASIERTE STEUERUNG
Advanced model-based diagnosis of internal combustion engines 413
Control of predefined diesel combustion processes by a burn-rate model
433
KEYNOTE-VORTRÄGE PKW
The future of RDE 453
Current and future challenges in the field of powertrains 455
Inhalt
X
TEIL II: KRAFTSTOFFE
QUO VADIS KRAFTSTOFFE?
Energy supply for vehicles – can it be regenerative? 461
Review of combustion engine efficiency improvements and the role of e-fuels
463
HERSTELLUNG VON KRAFTSTOFFEN I
Alternative fuels in the well-to-wheel debate 487
Synthetic fuels from biomass: Potentials and viability 489
The sun in the tank? Possibilities and limitations of MtG technology from the chemical perspective
505
HERSTELLUNG VON KRAFTSTOFFEN II
Electric mobility with hydrogen – quiet, efficient and with zero emissions
509
Production of methanol and oxymethylene on an industrial scale 511
Novel methods of synthesis for diesel fuel OME 513
ERFAHRUNGEN MIT ALTERNATIVEN KRAFTSTOFFEN
Contribution of fuels towards reducing CO2 emissions in traffic 517
The new Mercedes-Benz EU VI medium-duty CNG engine in bus operation
519
FORSCHUNG UND MARKTEINSCHÄTZUNG
Oxymethylene ether (OME1) as a synthetic low-emission fuel for DI diesel engines
537
Powertrain mixture 2030 – influencing factors and outlook 555
Inhalt
XI
TEIL III: NFZ-MOTORENTECHNOLOGIE
RAHMENBEDINGUNGEN UND GRUNDLAGEN
Future HD vehicle requirements due to legislation and effects on CO2 and air quality
561
Experimental studies of dual-fuel combustion modes for heavy-duty application
577
GASMOTOREN
Progress in the development of natural gas high pressure direct injection for Euro VI heavy-duty trucks
591
Reduction of in-cylinder emissions on a dual-fuel engine 609
Safeguarding the reliability of natural gas engines for commercial vehicles
627
MOTORSUBSYSTEME
Controllable cooling system for heavy-duty commercial vehicles 645
Safety concept for a HD on-road waste heat recovery 663
Electrically assisted turbocharging in long-haul truck application 679
EMISSIONIERUNG
Potential of the SCRF® concept for future legislation 709
New combustion system meeting Tier 3 emission standards for emerging markets
725
Inhalt
XII
MOTORKONZEPTE
Validation of a 4-cylinder engine concept for heavy-duty vehicles with a parameterized model
741
Challenges in the development of high performance engines for the off-highway sector
761
KEYNOTE-VORTRÄGE NFZ
Robustness-related development of MAN’s D38 heavy-duty engine
781
Powertrain technology for commercial vehicles – a look beyond 2020
783
XIII
REFERENTEN
Dr. Nikolai Ardey BMW AG
Klaus Dieter Barnstedt Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics, Graz University of Technology, Austria
Prof. Dr. Martin Bertau Institute of Technical Chemistry, TU Bergakademie Freiberg
Ron Borsboom DAF Trucks NV, Netherlands
Torsten Buddenberg Mitsubishi Hitachi Power Systems Europe GmbH
Dr. Heiner Bülte DEUTZ AG
Fabio Cococcetta FPT Motorenforschung AG, Switzerland
Prof. Ph.D. Roger Cracknell Shell Global Solutions (UK)
Prof. Dr. Peter Eilts Institute of Internal Combustion Engines, TU Braunschweig
Dr. Norman Fuhrmann GM Powertrain Engineering – Europe
Dr. Thomas Garbe Volkswagen AG
Dr. Christof Gietzelt TÜV SÜD AG / TÜV Hessen GmbH
Dr. Holger Gödeke G+L innotec GmbH
Stefan Graf Institute of Internal Combustion Engines, TU Munich
Prof. Dr. Jens Hadler APL Group
Martin Härtl Institute of Internal Combustion Engines, TU Munich
Prof. Dr. Stefan Hausberger Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics, Graz University of Technology, Austria
Benjamin Hibberd MAHLE Powertrain Limited, UK
Prof. Dr. Dr. Rolf Isermann Institute of Automatic Control and Mechatronics, TU Darmstadt
Dr. Eberhard Jacob Continental Emitec GmbH
Referenten
XIV
Jens Jörns IAVF Antriebstechnik GmbH
Prof. Dr. Kurt Kirsten APL Group
Andreas Kleber MAHLE Behr GmbH & Co. KG
Mike Lau Eaton Germany GmbH
Thomas Leitel MAN Truck & Bus AG
Dr. Thomas Lengenfelder Robert Bosch GmbH
Christian Lensch-Franzen APL Automobil-Prüftechnik Landau GmbH
Bernd Lindemann FEV GmbH
Heiko Maas Ford Forschungszentrum Aachen GmbH
Ian May Brunel University London, UK
Peter Methfessel Institute for Combustion Engines, RWTH Aachen University
Lars Mönch German Federal Environment Agency
Torsten Müller Adam Opel AG
Markus Münz Institute for Internal Combustion Engines and Powertrain Systems, TU Darmstadt
Ph.D. Patric Ouellette Westport Innovations, Canada
Dr. Heinz Petutschnig AVL List GmbH, Austria
Dr. Holger Pieta FEV GmbH
Dr. Reza Rezaei IAV GmbH
Thomas Rinkens FEV GmbH
Duraiarasan Saravanan Mahindra 2 Wheelers, India
Prof. Dr. Jörg Sauer Institute of Catalysis Research and Technology, Karlsruhe Institute of Technology
Lukas Schäfer BMW AG
Prof. Dr. Birgit Scheppat Wasserstoff- und Brennstoffzellen- Initiative Hessen e. V.
Dr. Frank Schlerege Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Referenten
XV
Dr. Thomas Schlick Roland Berger GmbH
Patrick R. Schmidt Ludwig-Bölkow- Systemtechnik GmbH
Andreas Schneider Robert Bosch GmbH
Dr. Eberhard Schutting Institute of Internal Combustion Engines and Thermodynamics, Graz University of Technology, Austria
Dr. Markus Schwaderlapp, DEUTZ AG
Hans Felix Seitz AVL List GmbH, Austria
Dr. Gudmund Smedler Johnson Matthey Plc, UK
Dr. Helfried Sorger AVL List GmbH, Austria
Fabian Titus MOT GmbH
Hirokazu Toyoshima Honda R&D Co., Ltd., Japan
Dr. Tolga Uhlmann FEV GmbH
Johannes Ullrich Hyundai Motor Europe Technical Center GmbH
Gerhard Urmann Daimler Buses – EvoBus GmbH
Dr. Wolfgang Warnecke Shell Global Solutions (Deutschland) GmbH
PLENUM
3
Keynote Lecture: Matter of character or pabulum? The role of IC engines in shaping next-generation powertrains
Dr. Nikolai Ardey, Co-Author: Geert Schmitz, both BMW AG
Zum Zeitpunkt der Drucklegung lagen diese Unterlagen noch nicht vor. Wir bitten um Verständnis.
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 J. Liebl, C. Beidl (Hrsg.), Internationaler Motorenkongress 2016, Proceedings, DOI 10.1007/978-3-658-12918-7_1
5
Keynote Lecture: The challenge for fuels for the future
Dr. Wolfgang Warnecke, Shell Global Solutions (Deutschland) GmbH
Zum Zeitpunkt der Drucklegung lagen diese Unterlagen noch nicht vor. Wir bitten um Verständnis.
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 J. Liebl, C. Beidl (Hrsg.), Internationaler Motorenkongress 2016, Proceedings, DOI 10.1007/978-3-658-12918-7_2
7
Keynote Lecture: Sustainable and increasingly efficient road transport for the next generations – continuous improvement through an integrated approach
Ron Borsboom, DAF Trucks NV, Netherlands
Zum Zeitpunkt der Drucklegung lagen diese Unterlagen noch nicht vor. Wir bitten um Verständnis.
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 J. Liebl, C. Beidl (Hrsg.), Internationaler Motorenkongress 2016, Proceedings, DOI 10.1007/978-3-658-12918-7_3
9
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
Peter Eilts, TU Braunschweig, Institut für Verbrennungskraftmaschinen
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2016 J. Liebl, C. Beidl (Hrsg.), Internationaler Motorenkongress 2016, Proceedings, DOI 10.1007/978-3-658-12918-7_4
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
10
Introduction Large bore engines generally have lower specific fuel consumptions than automotive engines. Within the latter truck engines show lower figures than passenger car en-gines. In a project funded by the FVV a comparison of different Diesel engines was carried out. In the following the focus is on the passenger car and the truck engine. A complete discussion can be found in [1] and [2]. Similar investigations have also been carried out by [3]
Performance Data Besides a passenger car (PCE) and a commercial vehicle engine (CVE) three large bore engines (LBE) were investigated. The data of the engines are presented in the ta-ble below.
Engine type PCE CVE LBE Number of Cylinders [-] 4 6 7 18 9 Displacement [L / Cylinder] 0.5 2.0 32.2 32.2 88.6 Bore [mm] 81 135 320 320 430 Stroke [mm] 95.5 150 400 400 610 Stroke / Bore- Ratio [-] 1.18 1.11 1.25 1.25 1.42 Compression ratio [-] 16.5 16.8 14.5 14.5 15.5 Mean Piston Speed [m/s] 12.7 9.5 10.0 10.0 10.2 Rated Mean Effective Pressure [bar]
15.5 21.2 23.8 24.9 27.1
Injection System Common-Rail Pump-Line-Nozzle The following figures show the main operating data. For the automotive engines they were taken at the engine speed of best specific fuel consumption, for the large bore engines they were taken at rated speed.
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
11
Figure 1: Specific fuel consumption
Figure 1 shows the specific fuel consumption. The truck engine has lower figures than the passenger car engine. At part load it is even better than the best large bore engine.
Figure 2: Boost pressure
BSFC
[g/kW
h]18
020
022
024
026
028
0
MEP [bar]0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Boos
t pre
ssur
e [mb
ar]
1000
2000
3000
4000
5000
MEP [bar]0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
12
Figure 2 shows the boost pressure. It is higher for the truck engine.
Figure 3: Scavenge pressure difference
Figure 3 shows the scavenge pressure difference, which is lower for the truck engine, due to its lower turbocharger efficiency, Figure 4.
Figure 4: Turbocharger efficiency
Scav
enge
pres
sure
diffe
renc
e [mb
ar]
-400
-200
020
040
060
080
010
00
MEP [bar]0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Turb
ocha
rger
effic
iency
[%]
2535
4555
6575
MEP [bar]0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
13
Figure 5: Air ratio
Figure 5 shows the total air ratio and the one for combustion. For the automotive en-gines they are the same, for the large bore engines they are different due to scaveng-ing. The truck engine has a higher air ratio than the passenger car engine due to its higher charge air pressure.
Figure 6: Maximum Cylinder pressure
Figure 6 shows the maximum cylinder pressure. It is lower for the truck engine.
Air R
ratio
[-]
1.02.0
3.04.0
5.0
0 5 10 15 20 25 30MEP [bar]
0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Total Combustion
Max.
pres
sure
in cy
linde
r [ba
r]25
7512
517
522
5
MEP [bar]0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
14
Separation of Losses As a next step a separation of losses was carried out. The method of Weberbauer [4] was used, but the individual efficiency losses were represented as quality grades ac-cording to the scheme shown in Figure 7. The most important effects are shown in the following.
Figure 7: Separation of losses: scheme
Figure 8: Separation of losses: real gas properties
Quali
ty gr
ade b
y rea
l gas
prop
ertie
s [-]
0.81
0.84
0.87
0.90
0.93
MEP [bar]0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
15
Figure 8 shows the quality grade by real gas properties. It is higher for the truck en-gine due to its higher air ratio.
Figure 9: Separation of losses: real ROHR
Figure 9 shows the quality grade by real ROHR. Here the passenger car engine has an advantage.
Figure 10: Separation of losses: wall heat losses
Quali
ty gr
ade b
y ROH
R [-]
0.88
0.90
0.92
0.94
0.96
0.98
MEP [bar]0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Quali
ty gr
ade b
y wall
heat
losse
s [-]
0.80
0.83
0.86
0.89
0.92
0.95
MEP [bar]0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
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Figure 10 shows the quality grade by wall heat losses. It is lower for the truck engine, which is mainly due to the higher air ratio and the resulting lower gas temperature. The dependence on the cylinder bore ( ~ B-0.2) also plays a role. The lower surface- volume-ratio of large engines, which is often said to be the main reason for their low-er wall heat losses, is compensated by their lower speed and therefore longer time for one working cycles.
Figure 11: Separation of losses: wall heat losses: mechanical efficiency, indicated efficiency
Figure 11 finally shows the mechanical and the indicated efficiency. Both are better for the truck engine which explains its lower bsfc. The higher indicated efficiency re-sults from the higher quality grades shown above. The better mechanical efficiency can be attributed to the lower mean piston speed of the truck engine and its size.
Summary Within an FVV project a comparison of the working cycles of Diesel engines of dif-ferent size was carried out. Besides a passenger car and a truck engine three large bore engines were investigated. In this paper the focus was laid on the automotive engines.
The truck engine has a lower specific fuel consumption which is on the one hand due to its higher air ratio, which results in more favourable gas properties and lower wall heat losses. On the other hand the mechanical efficiency of the truck engine is better. This can be attributed to the lower mean piston speed of the truck engine and its size.
Mech
anica
l effic
iency
[-]
0.70
0.75
0.80
0.85
0.90
0.95
0 5 10 15 20 25 30
Indica
ted ef
ficien
cy [-
]0.4
10.4
30.4
50.4
70.4
90.5
1
MEP [bar]0 5 10 15 20 25 30
B = 430 mm B = 320 mm, 18V B = 320 mm, 7L B = 135 mm B = 81 mm
Passenger car and truck engines – a comparison from a thermodynamics point of view
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References 1. Wolf, R..: „Technologietransfer zur Übertragung von CO2- und Schadstoffemis-
sionspotentialen zwischen verschiedenen Motorarten“, final report to the corre-spondent research project, Forschungsvereinigung Verbrennungskraftmaschinen e.V. (FVV), Frankfurt am Main, Germany, 2013.
2. Wolf, R. and Eilts, P.: „Comparison of Fuel Consumption and Emissions of Auto-motive and Large-Bore Diesel Engines”, SAE Int. J. Engines 7(1):2014, doi:10.4271/2014-01-1100.
3. Lecompte, M., Malbec, L., Font, G., and Walter, B., "How to Improve Light Duty Diesel Based on Heavy Duty Diesel Thermodynamic Analysis?", SAE Technical Paper 2013-01-1623, 2013, doi:10.4271/2013-01-1623.
4. Weberbauer, F.; Rauscher, M., Kulzer, A., Knopf, M. and Bargende, M., “Allge-mein gültige Verlustteilung für neue Brennverfahren”, MTZ 66: 120-124, 2005.
TEIL I PKW-MOTORENTECHNOLOGIE
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