Diesel-Motoren Common-Rail-Motoren von Fiat

Die Common-Rail-Motoren von Fiat Von Giovanni Maiorana, Gianmaria Rossi Sebastiano und Carlo Ugaglia

1 1.1

Nachdem der Pionier der DI-Dieselmotoren für Personenkraftwagen, Fiat, die Entwicklung des Unijet-Einspritzsystems, die Bezeichnung von Fiat für Common Rail, erfolgreich abgeschlossen hat, wird es jetzt zum ersten Mal im Modell Alfa Romeo 156 eingesetzt. Der Motor ist als Vier- oder Fünfzylinder-Reihenmotor mit Hubräumen von 1,9 und 2,4 l erhältlich. Seine Laufruhe sowie seine Fahr- und Geräuscheigenschaften zeichnen ihn aus.

Einleitung Geschichte und Hintergrund

Schon in den 80er Jahren bot der geringe Kraftstoffverbrauch des DI-Dieselmotors großen Anreiz für eine Anwendung im Pkw. 1987 stellte Fiat den ersten mit dem DI-Dieselmotor angetriebenen Pkw vor: den Fiat Croma Tdi [1]. Obwohl die 1989 eingeführte zweite Generation dieser Motoren erheblich verbesserte Emissionswerte aufwies, kam diese Technik aufgrund des noch zu hohen Verbrennungsgeräusches nicht zu breiterem Einsatz, Bild 1. Da dieses Problem nur mit einem neuen Kraftstoffeinspritzsystem für DI-Dieselmotoren zu lösen war, beschloß die Fiat-Gruppe Mitte der 80er Jahre ein Projekt zur Entwicklung eines solch innovativen Kraftstoffeinspritzsystems. Nach zwei weiteren Entwicklungsgenerationen war das CommonRail-Kraftstoffeinspritzsystem, genannt Unijet, Ende 1993 bereit zur industriellen Fertigung [2]. Nach Abschluß eines Abkommens mit der Robert Bosch GmbH entwickelte diese das Unijet-System bis zum Produktionsbeginn 1997 zur Serienreife. Die Verfügbarkeit dieses Kraftstoffeinspritzsystems ermöglichte die Entwicklung einer neuen Generation von DI-Dieselmotoren, die die folgenden Kriterien erfüllen: – geringerer Kraftstoffverbrauch – verbesserte Fahrleistung durch hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen – reduziertes Verbrennungsgeräusch, dadurch ein insgesamt verbessertes Geräuschverhalten – verbesserte Kaltstarteigenschaften – Beibehaltung der Produktionsgrundlagen der existierenden B/C-Motorenfamilie – Erfüllung der derzeit in der EU gültigen Emissionswerte und Schaffung der Voraussetzungen, auch zukünftigen Vorschriften zu entsprechen.

Die neue Reihe von DI-Dieselmotoren mit der Typbezeichnung JTD ging Ende 1997 in die Serienproduktion und erfüllte alle diese Anforderungen.

1.2

Wahl der Motorenkonfiguration

Bevor die Motorenkonfiguration endgültig festgelegt wurde, wurden umfassende Studien durchgeführt. Aus ökonomischer Sichtweise sind natürlich möglichst wenige hochautomatisierte, flexible Fertigungsstraßen zu verwenden. Beim Versuch, den benötigten Leistungsbereich ausschließlich mit Vierzylindermotoren abdecken zu wollen, stößt man auf drei entscheidende Nachteile: – Vierzylindermotoren mit großem Hubraum bieten meist nur mittelmäßige Laufruhe

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– durch den erforderlichen Zylinderabstand werden kleine Motoren unnötig groß und dadurch auch schwer – bei Quereinbau wird die Länge des kompletten Aggregates Motor-Getriebe-Differentialgetriebe durch die Spurweite und den Wendekreis begrenzt. Der zusätzliche Nachteil eines zu großen Zylinderabstandes macht den Einbau von Motoren mit großem Hubraum in kleinere Fahrzeuge (zum Beispiel für Hochleistungsversionen) unmöglich. Es wurden deshalb die Laufeigenschaften verschiedener Motorkonfigurationen näher untersucht, zum Beispiel Vierzylinder-Reihenmotor (mit und ohne Massenausgleich), Fünf- und Sechszylinder-Reihenmotor sowie V6-Motoren mit einem Winkel von 60° beziehungsweise 90° zwischen den Zylinderreihen. MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 9

Diesel-Motoren Common-Rail-Motoren von Fiat Folgende Beurteilungskriterien waren Inhalt der Untersuchungen: – Massenbeschleunigung des Motors durch Massenkräfte erster und zweiter Ordnung des Kurbeltriebs – Ungleichförmigkeit des Drehmoments aufgrund von Gas- und Massenkraft des Kurbeltriebs – Schwingungen als Folge von Strukturund Kurbeltriebelastizität bei Gas- und Massenkraftanregung. Ausgehend von den in Bild 2 dargestellten Ergebnissen wurde für höchste Leistung, zusätzlich zum Reihenvierzylinder-Grundmotor, die Reihenfünfzylinder-Konfiguration gewählt. Damit konnte der beste Kompromiß zwischen Einbaubarkeit, Kosten und Laufruhe erreicht werden. Bezüglich Laufruhe brachte eine über die Ölpumpe angetriebene Ausgleichswelle eine weitere Verbesserung. Durch einen modularen Aufbau der Fertigungsstraße war es möglich, den fünften Zylinder als zusätzliches Teil in den Herstellungsprozeß einzufügen. Das heißt, die zur Herstellung des fünften Zylinders verwendeten Spindeln werden eingezogen oder bewegen sich in einen Leerraum, wenn das System den Durchgang eines Vierzylinderkopfes oder -blocks erkennt. So konnten die B/C-Motoren (Reihenvier- und -fünfzylindermotoren mit einem Hubraum von 1,37 l bis 2,446 l) unter Verwendung einer Kombination von nur zwei Bohrungsdurchmessern (82 mm und 83 mm) und fünf Hubabmessungen entstehen, Tabelle 1. Dieses System erlaubt nicht nur die Herstellung von bis zu 90 verschiedenen Versionen auf einer einzigen Fertigungsstraße bei sehr großem Fertigungsvolumen (3000 Motoren täglich bei voll ausgelasteter Produktion), sondern auch ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich der Produktvarianten. Aus Bild 3, in dem beide Zylinderkopfbauarten dargestellt sind, ist ersichtlich, daß außerdem für den Zylinderkopf des neuen DI-Motors die Hauptbearbeitungsachsen des bereits existierenden IDI-Motors beibehalten werden konnten.

1.3

Motorspezifikationen

Der 1,9 l-L4-TCI-Motor und der 2,4 l-L5-TCIMotor haben den gleichen Aufbau: – Unijet-Kraftstoffeinspritzsystem – eingezogener Brennraum im Kolben mit optimierter Position der Einspritzdüse und der Ventile – Turbolader mit Luft-Luft-Ladeluftkühler (VGT beim 2,4 JTD L5) – geschlossener Regelkreis für die Abgasrückführung – Oxidationskatalysator MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 9

Bild 1: Evolution der Dieselmotoren mit Direkteinsprizung für Personenkraftwagen Fig. 1: Evolution of direct-injection diesel engines for passenger cars

Bild 2: Vergleich des Motorschwingungsverhaltens Fig. 2: Comparison of engine vibration behaviour

– „Closed Deck“-Gußeisenblock für einen Verbrennungsspitzendruck von 152 bar, Zylinderabstand von 90 mm – Querstromzylinderkopf aus Aluminium. Die wichtigsten Motorspezifikationen und Abmessungen sind in Tabelle 2 aufgeführt.

2

Leistungsverhalten von Motoren und Fahrzeugen

Bild 4 zeigt die Vollastkurven des L4 und des L5. Diese machen das reichliche Potential der Auslegung ersichtlich, welches in weiten Betriebsbereichen durchaus jenem ähnlicher Motoren auf dem Markt ebenbürtig ist, die teurere Vierventiltechnik einsetzen.

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Tabelle 1: Bohrung/Hub-Konfigurationen der B/C-Motorenfamilie Table 1: Bore /stroke configurations of the B/C engine line 4-Zylinder-Motoren Bohrung Hub 82,00mm 64,87mm 1370ccm 75,65mm 1598ccm 82,80mm 1747ccm 90,40mm 1910ccm (Diesel) 91mm

1970ccm

5-Zylinder-Motoren Bohrung Hub 82,00mm 90,40mm 2387ccm (Diesel)

83,00mm 2446ccm

83,00mm

Diesel-Motoren Common-Rail-Motoren von Fiat In Bild 5 ist der spezifische Kraftstoffverbrauch des 1,9 l-JTD in einem Kennfeld dargestellt. Es wird deutlich, daß durch die Einführung des optimierten Verbrennungssystems nicht nur ein hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich, sondern auch ein günstiger Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen unter Teillast erreicht wird. Gerade dieser Betriebsbereich ist sowohl für das tägliche Fahren als auch für Zertifikationsprüfungen von Bedeutung. Die in Tabelle 3 aufgeführten Ergebnisse lassen erkennen, daß das Ziel, nämlich die Entwicklung einer Sportlimousine mit ausgezeichneten Fahreigenschaften, hoher Laufruhe und geringem Verbrauch an Dieselkraftstoff, erreicht worden ist. Entsprechend den technischen Vorgaben erfüllen die Motoren die Abgasnorm EURO 2 mit ausreichendem Abstand zu den Grenzwerten. Die mit dem 2,4 JTD im 156er Modell erreichbaren Fahrleistungen entsprechen nahezu jenen des 1,8 l-L4-Ottomotors, eines Twin-SparkMotors mit Vierventiltechnik und 106 kW Nennleistung, wobei jedoch der Dieselmotor um bis zu 20 % weniger Kraftstoff verbraucht.

Bild 3: Zylinderkopf beim DI und IDI Fig. 3: DI and IDI cylinder head configuration

Tabelle 2: Motorspezifikationen Table 2: Engine specifications / engine designation

Motorenbezeichnung

1,9 JTD

Motorentyp

Direkteinspritzung mit Turbolader inkl. Ladeluftkühler, 2 Ventile

Anzahl der Zylinder

2,4 JTD

–

4

5

Hubraum

ccm

1906,6

2387

Zylinderhub

ccm

Bohrungsdurchmesser

mm

82

Hublänge

mm

90,4

–

1,102

Hub-/Bohrungsverhältnis

mm

90

Pleuellänge

mm

145

Durchmesser des Hauptlagers

mm

60

Durchmesser des Pleuellagers

mm

Verdichtungsverhältnis

–

2.1

477,4

Zylinderabstand

50,8 18,45

Durchmesser des Einlaßventils

mm

Durchmesser des Auslaßventils

mm

Max. Leistung

kW

77

100

bei Drehzahl

1/min

4000

4200

Spezifische Leistung

kW/l

40,3

41,9

Nm

255

Max. Drehmoment

35 34

bei Drehzahl

1/min

Spezifisches Drehmoment

Nm/l

134

Max. mittlerer Wirkdruck

bar

16,8

Max. Verbrennungsdruck

bar

Vor der Produktionsfreigabe wurde ein umfangreiches Testprogramm am Motorprüfstand (etwa 30 000 Betriebsstunden) und in Fahrzeugen (über 6 Mio. km) durchgeführt, um sicherzustellen, daß auch die Dauerhaltbarkeit zu dem hohen Niveau der Leistungskennwerte paßt.

Verbrennungssystem und stationäre Motorkennwerte

Um über einen weiten Drehzahlbereich eine effektive Verbrennung zu gewährleisten, muß ein drallunterstütztes Verbrennungsverfahren angewandt werden. In Bild 6 ist das berechnete Strömungsfeld und die resultierende mittlere Muldendrallenergie über dem Kurbelwinkel vor und nach dem Verdichtungs-OT dargestellt. Daraus geht hervor, daß der eingezogene Ringkammerbrennraum im Vergleich zur offenen Mulde mehr Gemischbildungsenergie bei später – für niedrige Stickoxidemission typischer – Verbrennung aufweist. Die Festlegung des Verbrennungsystems und die diesbezüglichen Optimierungsarbeiten erfolgten unter Mithilfe der AVL List GmbH.

304 2000 127 16,0 140

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Verglichen mit nockengetriebenen Kraftstoffeinspritzsystemen trägt Unijet mit seinem optimalen Einspritzdruck-Anpassungsvermögen zu einem verringerten NOx/RußAusstoß bei [4] und ermöglicht ein höheres maximales Drehmoment, Bild 7. MTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 9

Diesel-Motoren Common-Rail-Motoren von Fiat Die Flexibilität des Unijet-Systems bezüglich Zeitpunkt und Menge der Voreinspritzung konnte vorteilhaft eingesetzt werden, um ein günstiges Verhältnis zwischen Verbrennungsgeräusch und Rauchkontrolle darzustellen. Das Potential zur Geräuschreduzierung ist aus Bild 8 ersichtlich. Darin werden die Heizgesetze und die Verbrennungsgeräuschniveaus mit und ohne Voreinspritzung verglichen. Obwohl der Zylinderdruck für die Version mit Voreinspritzung höher ist, führt die geringere Druckanstiegsrate zu einer Reduzierung der Verbrennungsgeräuschwerte von bis zu 8 dBA.

Bild 5: Spezifischer Kraftstoffverbrauch des 1,9 l-JTD-Motors Bild 4: Leistungsdaten der JTD-Dieselmotoren Fig. 4: Performance data of JTD diesel engines

Fig. 5: Brake specific fuel consumption map of 1.9 l JTD engine

Tabelle 3: Fahrzeugleistung Table 3: Vehicle performance data

Fahrzeugbezeichnung

156 1,9 JTD

156 2,4 JTD

Trägheitstestgewicht

kg

1360

1470

Geschwindigkeit des Fahrzeugs im 5. Gang bei 1000 1/min

km/h

45,2

47

Frontschnitt x Luftwiderstandsbeiwert

m2

Max. Geschwindigkeit

km/h

Beschleunigung ..100km/h

s

10,5

9,5

Beschleunigung ..1000m

s

32,8

30,7

Kraftstoffverbrauch ECE innerorts EUDC/kombiniert

l/100km

7,8/4,7/5,8

8,9/5,4/6,7

Wie aus früheren Untersuchungen bekannt ist, läßt sich eine Differenz dieser Größenordnung in eine Verringerung des Vorbeifahrtsgeräusches um 1,5 dBA umsetzen [5]. Die erhöhte Anzahl von Variationsparametern erschwert es, einen vernünftigen Kompromiß zwischen Vollast-und Teillast-Verhalten sowie zwischen Abgasemissionen und Verbrenungsgeräuschniveau unter Beibehaltung eines geringen Kraftstoffverbrauchs zu finden. Viele Optimierungsschritte waren notwendig, um die zahlreichen Motorkennfelder und die damit zusammenhängenden Steuerungsstrategien zu definieren. Einige davon sind im Bild 9 beispielhaft dargestellt.

0,639 188

203

2.2

Instationär- und Kaltstartverhalten

Für die Akzeptanz moderner Motoren ist die stationäre Abstimmung allein nicht mehr ausreichend, weil auch bei dynamischen Vorgängen ein hohes Maß an Laufruhe ge-

Bild 6: Berechnete Strömungsfelder in Brennraummulden

Bild 7: NOx/Ruß-Ausstoß des Unijet-Systems

Fig. 6: Calculated flow fields in combustion bowls

Fig. 7: Unijet system potential regarding NOx/soot trade-off

586

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Diesel-Motoren Common-Rail-Motoren von Fiat

Bild 10: Auswirkung einer dynamischen Steuerungsstrategie auf das Verbrennungsgeräusch Bild 8: Wirkung der Voreinsprizung auf Heizgesetz und Verbrennungsgeräusch Fig. 8: Effect of pilot injection on heat release and combustion noise

Fig. 10: Effect of transient control strategies on combustion noise

Wie aus Bild 11 hervorgeht, können durch Anwendung der Voreinspritzung die Startdauer verkürzt, die Leerlaufdrehzahlstabilität verbessert und die HC-Emissionen deutlich reduziert werden.

3

Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die gegenwärtige JTD-Motorenfamilie die anfangs umrissenen Auslegungskriterien voll erfüllt. Die geplante strenge EURO 3-Abgasnorm wird jedoch eine Weiterentwicklung der Motoren erforderlich machen.

Bild 9: Kennfelder des Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystems zur Steuerung des stationären Motorbetriebes Fig. 9: Common Rail fuel injection system steady-state control maps

fordert wird. Die zyklusaufgelöste Anpassungsmöglichkeit von kritischen Einstellgrößen, zum Beispiel Zeitpunkt und Menge der Voreinspritzung, eröffnet neue Möglichkeiten der Feinabstimmung. Die bei der Anwendung des Common-RailEinspritzsystems gewonnenen umfangreiMTZ Motortechnische Zeitschrift 59 (1998) 9

chen Erfahrungen flossen in die hochentwickelten Maßnahmen zur Beherrschung des instationären Motorverhaltens ein. Wie Bild 10 zeigt, kann durch solche Strategien eine erhebliche Verringerung des Beschleunigungsgeräusches erreicht werden [6].

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Untersuchungen an Prototypen haben ergeben, daß durch weitere Verbesserungen des Verbrennungsprozesses zusammen mit dem Einsatz eines überarbeiteten Abgasrückführsystems inklusive Kühler und eines effektiveren Oxidationskatalysators mit passiver DeNOx-Funktion die Anforderungen der EURO 3-Abgasnorm mit Zweiventiltechnik erfüllt werden können, und zwar ohne nennenswerte Verschlechterungen bezüglich Kraftstoffverbrauch und akustischer Kriterien. Durch die mit Hilfe der Vierventiltechnik erreichbare höhere Verbrennungsqualität kann außerdem der NOx-Partikel-Ausstoß weiter herabgesetzt werden. Mit der Einführung von EURO 4 werden jedoch erhebliche Weiterentwicklungen erforderlich sein, Bild 12. Durch eine neue Ge-

Diesel-Motoren Common-Rail-Motoren von Fiat Bild 11: Wirkung der Voreinspritzung auf die Kaltstarteigenschaften Fig. 11: Effect of pilot injection on cold startability

[3] Ceronetti, G.F.; Imarisio, R.; and Stroppiana, B.: Control Strategies and Design Modifications for Exhaust Emission Reduction in Direct Injection Diesel Engines. FISITA 905074 [4] Cichocki, R.; Ospelt, W.: Technologies for future HSDI passenger car diesel engines. International Symposium "Powertrain Technologies for a 3 liter car". In: Certosa di Pontignano (Siena), Nov. 45, 1996 [5] Rinolfi, R.; Imarisio, R.; and Buratti, R.: The Potentials of a New Common Rail Diesel Fuel Injection System for the next Generation of DI Diesel Engines. 16. Internationales Wiener Motorensymposium. VDI-Verlag Reihe 12, n. 239 [6] Rinolfi, R.; Imarisio, R.: The Potentials of Third Generation Direct Injection Diesel Engines for Passenger Cars. Engine and Environment - International Congress. Graz, Sep. 4 - 5, 1997 [7] Piccone, A.; Rinolfi, R.: Fiat Third Generation DI Diesel Engines. IMECHE - Ricardo Seminar "The Euro 4 Challenge - Future Technologies and Systems". London, Dec. 3 - 4, 1997 [8] Cichocki, R.; Herzog, P.L.: Will the HSDI Diesel Engine Meet the Legislative Challenges of EURO III/IV FISITA World Automotive Congress. Paris, Sep. 27 - Oct. 1, 1998 [9] Herzog, P.L.: Diesel Engine Development Routes Towards Very Low Emissions. Fourth International Congress on Catalysis and Automotive Pollution Control. Brussels, April 9 - 11, 1997

Die Verfasser Bild 12: Technologien für DI-Dieselmotoren der dritten Generation zur Erfüllung zukünftiger europäischer Emissionsnormen Fig. 12: Technologies to meet future European emission standards with third generation DI diesel engines

neration von Common-Rail-Systemen, mit denen höhere Drücke erreicht werden können, in Kombination mit einer Reduzierung des Düsenquerschnitts wird eine weitere Verringerung des NOx-Partikelausstoßes möglich sein. Eine weitere Absenkung der minimalen Voreinspritzmenge wird zu einer zusätzlichen Verringerung der Partikelemissionen führen. Ein DeNOx-Katalysator mit einem Wirkungsgrad von mehr als 40 % könnte erforderlich werden. Um dessen Lebensdauer zu erhöhen, muß die Kraftstoffqualität, vor allem im Hinblick auf den Schwefelgehalt, verbessert werden [7, 8, 9]. Eine weitere Herausforderung, die stark von der Einführung des Unijet-Systems profitieren wird, ist die Verbrauchsverringerung bis hin zu Fahrzeugverbräuchen von 3 l/100 km. Obwohl noch eine Reihe von Maßnahmen hinsichtlich Fahrzeug- und Reifendesign erforderlich sind, wird der Antriebsstrang

höchstwahrscheinlich auf einem DI-Dieselmotor mit kleinem Hubraum und hohem technischen Standard beruhen. Die nächste Erweiterung der JTD-Motorenfamilie wird deshalb voraussichtlich ein DI-Dieselmotor mit Turboaufladung, Ladeluftkühlung, Vierventiltechnik und geringem Hubraum sein, der ein ausgezeichnetes Verhalten bezüglich Leistung, Fahreigenschaften und Laufruhe zeigt. Ermöglicht wird die Umsetzung dieses Plans auch durch das Unijet-System mit seinem umfassenden Angebot an Optimierungsmöglichkeiten.

Dr.-Ing. Giovanni Maiorana verantwortet die Dieselmotoren-Konstruktion bei Fiat Auto – Direzione Tecnica.

Dr.-Ing. Gianmaria Rossi Sebastiano verantwortet die Entwicklung und die Applikation von Dieselmotoren im Centro Ricerche Fiat.

Dr.-Ing. Carlo Ugaglia verantwortet die Dieselmotoren-Plattformen bei Fiat Auto – Direzione Tecnica.

Literaturhinweise [1] Morello, L.; Martinez, P.: Fiat High Speed Direct Injection Diesel Engine for Passenger Cars. SAE 890460 [2] Stumpp, G.; Ricco, M.: Common Rail – An Attractive Fuel Injection System for Passenger Car DI Diesel Engines. SAE 960870

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