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Variables Verdichtungsverhältnis (VCR)
Motor mit variablem Verdichtungsverhältnis (VCR)
Kraftstoffeinsparung gewinnt bei der Entwicklung von Verbrennungsmotoren immer mehr an Bedeutung. Weitere Optimierungen konventioneller Ansätze bringen nur geringfügige Verbesserungen; nur neue Technologien ermöglichen zukünftig signifikante Fortschritte. Das variable Verdichtungsverhältnis birgt das größte Potenzial aller einzelnen Technologieschritte und bietet ein hohes Synergiepotenzial mit anderen Technologien wie variablen Ventiltrieben und Kurbelwellenlagern mit Wälzlager.
ECC verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung von Motoren mit exzentrischen Kurbelwellenlagern für ein variables Verdichtungsverhältnis. Dieses System wurde kontinuierlich verbessert. Die neuesten Versionen bieten im Vergleich zu konventionellen Kurbelwellenantrieben eine neutrale Motorlänge und Reibung. Das volle thermodynamische Potenzial lässt sich nur mit einem breiten Verdichtungsverhältnis-Variationsbereich zwischen etwa 9 und 17 ausschöpfen. Dieser Bereich lässt sich mit dem ECC-System problemlos erreichen, mit wenigen anderen Systemen jedoch nur geringfügig. Das System wurde erfolgreich in Otto- und Dieselmotoren eingesetzt und getestet.
Neben thermodynamischen Verbesserungen können in Kombination mit einem Kurbelwellenlager mit Wälzlager auch mechanische Verluste reduziert werden. Das variable Verdichtungsverhältnis reduziert die Lagerbelastung und bietet optimale mechanische Voraussetzungen für den Einsatz von Wälzlagern. Die schwimmende Lagerung des Exzenters im Kurbelgehäuse dämpft Wälzlagergeräusche und verhindert Verformungen durch Wärmeausdehnung oder Schraubenkräfte. ECC hat eine einfache, aber stabile Kurbelwellentrennung entwickelt, die den Einsatz ungeteilter Wälzlager-Exzenter erleichtert.
Die Kombination aus variablem Verdichtungsverhältnis, variabler Einlasssteuerung, aufgeladenen Downsizing-Motoren und Wälzlagern ermöglicht Effizienzsteigerungen von rund 20 %, selbst bei modernen Downsizing-Motoren.
Vollvariabler Ventiltrieb (VVT)
Benzinmotoren:
Ein vollvariabler Ventiltrieb ermöglicht durch die freie Wahl der Einlassöffnungs- und -schließzeiten eine deutliche Reduzierung der Drosselverluste. Die Kombination mit einem Nockenwellenversteller steigert zudem Drehmoment und Leistung über den gesamten Drehzahlbereich. Bei aufgeladenen Motoren lässt sich die Luftmasse im Zylinder nicht über ein Wastegate, sondern durch Verkürzung der Ventilsteuerzeiten reduzieren. Dadurch sinken die Temperaturen im Zylinder, was die Klopfneigung verringert.
Dieselmotoren:
Auch für Dieselmotoren eröffnen vollvariable Ventiltriebe viele neue Möglichkeiten. Durch die Variation des Ventilhubes lässt sich eine variable Einlassverwirbelung realisieren und das effektive Verdichtungsverhältnis anpassen. Dies bietet große Vorteile für die Einführung neuer homogener Verbrennungsmodi, da die Temperatur am Ende des Verdichtungstakts gewählt werden kann. Der vollvariable Ventiltrieb von ECC eignet sich für alle thermodynamischen Anforderungen und ist sowohl für Benzin- als auch für Dieselmotoren geeignet.
Thermodynamik:
Die Reduzierung der Drosselverluste ist die Hauptaufgabe eines variablen Ventiltriebs. Um signifikante Vorteile zu erzielen, ist es unerlässlich, hohe Ventilhübe und Beschleunigungen bei kurzen Öffnungszeiten zu realisieren. Die Geometrie des ECC-Ventiltriebs erfüllt diese Anforderung besser als jedes andere rein mechanische System und ermöglicht so einen höheren Wirkungsgrad.
Der ECC-Ventiltrieb bietet eine weitere Option zur internen Phasenverstellung der Öffnungszeiten. Durch die Verkürzung der Öffnungslänge wird der maximale Ventilhub von Volllast bis Leerlauf um bis zu 35° d.c.a. vorverlegt. Dies reduziert die Anforderungen an den Nockenwellenversteller und ermöglicht schnelle Lastwechsel.
Aufbau:
Im Vergleich zu herkömmlichen Rollenschieber-Ventiltrieben wird die Nockenposition in vertikaler Richtung nicht verändert, und alle Komponenten können innerhalb der maximalen Höhe des Nockenantriebs angeordnet werden. Der ECC-Ventiltrieb verwendet eine konzentrische Torsionsfeder, die die Bauhöhe des Motors nicht erhöht. Dank des ECC-Ventiltriebs ist eine geringe Zylinderkopfhöhe in Kombination mit variablen Ventiltrieben möglich.
Montage:
Alle zusätzlichen Teile für den variablen Ventiltrieb werden auf der Betätigungswelle montiert. Dies reduziert die internen Toleranzen, und alle Teile können als ein Modul für die Endmontage im Zylinderkopf vormontiert werden. Der Ventiltrieb von ECC benötigt keine zusätzlichen Führungskurven für Schwenk- oder Linearbewegungen im Zylinderkopf. Dies verringert die Toleranzempfindlichkeit und vereinfacht die Zylinderkopfbearbeitung. Selbst die Torsionsfeder ist Teil des vormontierten Moduls und benötigt keine zusätzliche Befestigung im Zylinderkopf.
Haltbarkeit:
Trotz der hohen Ventilbeschleunigung bleibt der Anpressdruck an allen Flächen unter 1100 N/mm². Dies ist auf den großen Durchmesser der Schwenkrampe in Kombination mit einer optimalen Vorspannung der Torsionsfeder zurückzuführen. Die Befestigung dieser Feder auf der Betätigungswelle ist der Schlüssel zu hoher Haltbarkeit.
Downsizing
Früher wurde die Turboaufladung von Benzinmotoren nur für besonders leistungsstarke Varianten eingesetzt. Mit dem heutigen Downsizing-Ansatz dient die Turboaufladung dazu, die Leistung bei reduziertem Hubraum konstant zu halten. Dadurch lassen sich Reibung und Wärmeverluste deutlich verringern. Eine Herausforderung ist die Fahrbarkeit eines Downsizing-Motors, da nicht nur die Spitzenleistung mit größeren Saugmotoren vergleichbar sein muss, sondern auch das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich. Sehr gute Downsizing-Motoren bieten heute ihr volles Drehmoment zwischen etwa 1500 und 4500 U/min. Eine signifikante Erweiterung des gesamten Drehmomentbereichs ist bisher nur durch eine aufwendige Doppelaufladung möglich.
Der Ansatz von ECC beim Downsizing besteht darin, den Drehzahlbereich mit vollem Drehmoment zu erweitern, ohne ein aufwendiges und sperriges Doppelaufladungssystem zu verwenden. Daher arbeitet ein einfacher Turbolader bei niedrigen Drehzahlen mit Impulsaufladung, während bei hohen Drehzahlen ein Ausgleichsvolumen im Abgassystem für einen gleichmäßigen Abgasdruck sorgt. Um bei niedrigen Drehzahlen eine sehr hohe Abgasenthalpie zu erzielen, entwickelt ECC einen Zylinderkopf für Dreizylindermotoren mit extrem kleinem Abgasvolumen. Das Gesamtvolumen zwischen Ventilen und Turbine beträgt etwa die Hälfte des Volumens eines einzelnen Zylinders. Bei höheren Drehzahlen würde der Turbolader mit dieser Konfiguration zu hohen Ladedruck und Gegendruck erzeugen, sodass das Abgasvolumen vor der Turbine erhöht werden muss. Durch das größere Volumen werden die Druckwellen gleichmäßiger und die Absorptionsleistung der Turbine verbessert.
Wälzlagerung
Der Kurbeltrieb verursacht aufgrund von Lagerreibung und Ölverbrauch einen Großteil der gesamten Motorreibung. Sowohl Reibung als auch Ölverbrauch lassen sich durch den Einsatz von Wälzlagern anstelle von Gleitlagern deutlich reduzieren. Der durchschnittliche Kraftstoffverbrauch kann durch den Einsatz von Wälzlagern um mehr als 5 % gesenkt werden. Die Entwicklung eines zuverlässigen, kostengünstigen und geräuscharmen Wälzlager-Kurbeltriebs stellt nach wie vor eine anspruchsvolle Aufgabe dar.
In der Vergangenheit wurden viele Hochleistungsmotoren, wie beispielsweise Flugzeug- oder Rennmotoren, mit Wälzlager-Kurbelwellen ausgestattet. Die Verwendung einer axialen Verzahnung an den Trennseiten ermöglichte hohe Belastungen bei gleichzeitig kompakten Abmessungen. Die hohen Kosten dieser axialen Verzahnungsgeometrie, die in das gehärtete Material eingeschliffen werden musste, verhinderten jedoch deren weitere Verwendung. ECC griff diesen Ansatz auf und entwickelte eine vereinfachte, serientaugliche Variante. Die axiale Verzahnung wird durch eine deutlich einfachere Geometrie für die Fertigung ersetzt. Sowohl an den Lagerzapfen als auch an den Kurbelwangen werden sphärische Aussparungen gefräst und während der Montage mit Kugeln befüllt. Dadurch kann die Kurbelwelle aus sehr einfachen Elementen gefertigt und der Bearbeitungsprozess deutlich vereinfacht werden, selbst im Vergleich zu Kurbelwellen mit Gleitlagern. Alle Teile können vor der Montage bearbeitet werden, und das Einpressen von Verrundungen oder das Exzenterschleifen entfallen. Lediglich die Gleitlager müssen aus teurem Wälzlagerstahl gefertigt werden, der Rest der Kurbelwelle kann aus herkömmlichen Werkstoffen bestehen.
Da alle kritischen Bereiche herkömmlicher einteiliger Kurbelwellen entfallen, können die mechanischen Belastungen mindestens so hoch sein wie bei herkömmlichen Kurbelwellen.
Die geteilte Kurbelwelle ermöglicht den Einsatz ungeteilter Pleuelstangen und Exzenter (bei einem VCR-System), was Gewicht, Kosten und Reibung reduziert und die Zuverlässigkeit erhöht. Bei geteilten Lagerstrukturen ist es unmöglich, eine nahezu perfekte Rundform des Lagers zu gewährleisten, da die Schraubenkraft in der Serienfertigung nicht mit engen Toleranzen eingehalten werden kann. Ungeteilte Pleuelstangen haben einen kleineren Pleueldurchmesser, was kleinere und leichtere Kurbelgehäuse ermöglicht. Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung von Motorgröße und -gewicht besteht in der Verringerung des Ausgleichsradius und der Erhöhung der Ausgleichsgewichtslänge. Dies ist möglich, da nach der Montage keine Werkzeuge benötigt werden, sodass die Länge der Gegengewichte nur durch die Pleuelbreite begrenzt ist. Die Kurbelwellen-Eigenfrequenz ist aufgrund der Gewichtsreduzierung und der kleineren Gegengewichte mit konzentrierten Massen nahe der Rotationsachse höher als bei herkömmlichen Kurbeltrieben.
Luftfahrtantriebe
Die ECC entwickelt Flugantriebe mit dem Ziel einer optimalen Wirtschaftlichkeit und eines extrem niedrigen Leistungsgewichts. Hierbei werden zukunftssichere Lösungen angeboten indem die Motoren von vorne herein auf CO2 neutrale Kraftstoffe wie Ammoniak oder synthetisches LNG ausgelegt werden. Bei größeren Leistungen ist auch der Betrieb mit konventionellen Jet Kraftstoffen möglich, wobei hierbei auch längerfristig eine Kraftstoffversorgungssicherheit mit Kraftstoff auszugehen ist (mit zunehmender Zumischung von synthetischen Kraftstoffen oder Biokomponenten).
Flugdieselmotoren
Kommerziell verfügbare Jetkraftstoffe werden seit ca. 20 Jahren erfolgreich in Flugdieselmotoren eingesetzt. Die Markteinführung von neuen Flugdieselmotoren kurz nach der Jahrtausendwende verlief anfänglich schleppend, allerdings konnte die Marktakzeptanz zunehmend gesteigert werden. Einige Flugzeugtypen werden ausschließlich mit Dieselmotoren angeboten und konnten sehr erfolgreich Marktanteile gewinnen. Die unsichere Zukunft von AVGAS und die weltweit unproblematische Verfügbarkeit der preiswerteren Jetkraftstoffe lassen einen weiter steigenden Dieselanteil erwarten.
Nachteilig an Flugdieselmotoren ist bislang das schlechtere Leistungsgewicht (neben der niedrigen Lebensdauer) welches einen einfachen Austausch eines AVGAS Flugmotors durch einen Flugdieselmotor erschwert. Flugdieselmotoren werden daher bevorzugt in Flugzeugen eingesetzt, die von vorne herein auf das höhere Gewicht ausgelegt worden sind.
Die ECC hat als erste Version einer Motorenfamilie einen Sechszylinderflugdiesel entwickelt, welcher durch sein sehr niedriges Leistungsgewicht (ca. 0,85 kg/kW) und die Boxerbauweise mit Direktantrieb geeignet ist, vorhandene etablierte AVGAS-Flugmotoren zu ersetzen. Anders als mit den am Markt verfügbaren Flugdieselmotoren ist damit i.d.R. sogar eine spürbare Gewichtseinsparung verbunden. Der Motor kann alternativ auch im Zündstrahlbetrieb mit LNG als umweltfreundlichen Kraftstoff betrieben werden, ohne dass die Motorleistung reduziert werden muss.
Die niedrige Nenndrehzahl von 2400 U/min und die großvolumigen Zylinder des ECC Flugmotors bewirken einen sehr niedrigen Verbrauch (ca. 195 g/kWh Kerosin) und eine lange Lebensdauer (Ziel: TBO 4000 h). Die hohe Dauerleistung von 265 kW (360 PS) deckt nahezu den gesamten Leistungsbereich von Kolbenflugmotoren ab. Für Hubschrauberantriebe ist bei leicht reduziertem Gewicht (Entfall der Propellerverstellung) und erhöhter Drehzahl eine Leistung von 295 kW (400 PS) möglich.
Kleinflugmotor
Für den Einsatz in Kleinflugzeugen (leichte Luftsportgeräte) und Überwachungsdrohnen, hat die ECC einen besonders leichten Viertakt-Flugmotor entwickelt. Der Motor zeichnet sich als Inline-Boxermotor durch einen besonders ruhigen lauf (vollständiger Massenausgleich) und ein extrem niedriges Leistungsgewicht aus. Mit integriertem Propellergetriebe wiegt der Motor ledig 16 kg ohne 12,5 kg. Die Leistung ist abhängig vom eingesetzten Kraftstoff (Flüssiggas, Benzin, zukünftig auch Kerosin) und beträgt bis zu 22 KW. Das Leistungsgewicht de Motors macht ihn zu einer umweltfreundlichen Alternative zu Zweitaktmotoren in den Anwendungen bei denen Viertaktmotoren aufgrund des höheren Leistungsgewichts schwer vordringen konnten. Um niedrige Lärmemissionen und eine lange Lebensdauer zu erreichen arbeitet der Motor mit einer für Kleinmotoren sehr niedrigen Drehzahl von 4500 U/min. Die Kombination von niedriger Nenndrehzahl und Leistungsgewicht konnte durch eine Kurbelgehäuseaufladung realisiert werden.
Strahlantriebe
Basierend auf den langjährigen Erfahrungen in der Prüfstandentwicklung und Betrieb, bietet die ECC auch Brennkammerprüfstände für niedrige Leistungen an. Die ECC ist sehr gut vernetzt bezüglich Brennkammerauslegung und optischen Untersuchungen, so dass auch im Bereich der Brennkammerentwickelung Dienstleistungen angeboten werden können.
Technologien für Schiffsantriebe
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Elektromobilität
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Modularität E-Achse
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Range Extender Systeme -
"Mitgeführte Ladesäule"
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