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Aug 27, 2023

Empa-Team entwickelt elektrohydraulisch betätigte Nocke

Forscher der Empa haben einen elektrohydraulisch betätigten nockenlosen Antrieb entwickelt

Forscher der Empa haben einen elektrohydraulisch betätigten nockenlosen Ventiltrieb entwickelt, der eine völlig freie Einstellung von Hub und Steuerzeiten ermöglicht und gleichzeitig robust und kostengünstig ist. Die neue Technologie spart bis zu 20 % Kraftstoff unter typischen Niedriglast-Betriebsbedingungen von Pkw.

Der FlexWork-Ventiltrieb wurde an einen Serienmotor montiert und läuft seit mehreren Monaten erfolgreich im Prüfstandsbetrieb.

Schnittzeichnung des FlexWork-Ventilantriebs. Bild: Empa.

Der Ventiltrieb ist das „Atmungsorgan“ von Verbrennungsmotoren: Er sorgt für das Ansaugen von Frischluft und das Abführen von Abgasen (Gasaustausch). Heutzutage werden für diesen Zweck nur noch mechanisch angetriebene Nockenwellen in Serie verwendet, oft ausgestattet mit einer zusätzlichen, teilweise recht aufwändigen Mechanik. Dies ermöglicht die Modifikation eines durch die Nockenwelle vorgegebenen Ventilbewegungsmusters, was ohne eine Erhöhung der Reibung nicht möglich ist. Gleichzeitig ist die Flexibilität etwas eingeschränkt. Gefragt sind – unter anderem zur Anpassung an sich ändernde Kraftstoffeigenschaften – schnelle Ventilbewegungen auch bei niedrigen Geschwindigkeiten, Hubanpassungen und zylinderselektive weit variable Ventilsteuerzeiten.

Patrik Soltic und sein Team im Labor Automotive Powertrain Technologies der Empa erfanden und entwickelten zusammen mit dem Hydraulikspezialisten Wolfgang Schneider einen elektrohydraulischen Ventiltrieb, der deutlich flexibler ist als die heutige Serientechnologie.

Die Ventile werden hydraulisch betätigt und über eine Magnetspule elektrisch angesteuert. Sobald ein Steuerstrom fließt, öffnet sich ein speziell entwickeltes Hydraulikventil, sodass die Hydraulikflüssigkeit gegen eine Feder in Millisekunden das Gaswechselventil im gewünschten Ausmaß öffnen kann. Beim Abschalten des Stroms wird das Gaswechselventil durch die Federkraft wieder geschlossen und speist einen Großteil der zum Öffnen erforderlichen hydraulischen Energie wieder in das Hydrauliksystem ein.

Das Grundprinzip des Ventiltriebs – sowohl für die Einlass- als auch für die Auslassseite – ist ein asymmetrisches hydraulisches Pendel, das als Masse-Feder-System beschrieben werden kann. Somit hängt die Dauer für das Öffnen der Gaswechselventile TOpen, also die Zeit vom Nullhub bis zum Endhub, von der Steifigkeit k der Gaswechselventilfedern und der Masse MSystem aller bewegten Komponenten ab.

… Die Besonderheit des FlexWork-Systems besteht darin, dass die Ventilhubprofile bei hohen Motordrehzahlen den nockengetriebenen Profilen ähneln; Bei niedrigen Motordrehzahlen ist der Öffnungs- und Schließgradient jedoch sehr steil.

Das System erreicht über einen weiten Betriebsbereich einen deutlich geringeren Energiebedarf im Vergleich zu nockenwellengetriebenen Systemen. Zusammen mit einem optimierten Ladungswechsel liegt der Kraftstoffverbrauch des Test-Ottomotors um etwa 20 % niedriger als bei einer konventionellen Ventilsteuerung mittels Drosselklappe in Kombination mit Nockenwellen im Pkw-typischen Niederlastbereich.

Durch die Wahl der Betriebsparameter können die Öffnungs- und Schließzeiten sowie der Ventilhub für jeden Zylinder völlig frei gewählt werden. Das bedeutet, dass jeder Betriebszustand des Motors von Zyklus zu Zyklus variiert werden kann, beispielsweise durch eine intelligente Laststeuerung, durch die Wahl der im Zylinder verbleibenden Restgasmenge (Abgasrückführung) oder durch die Abschaltung nicht benötigter Zylinder, ohne dass der Fahrer es merkt.

Dadurch ist der Motor sehr anpassungsfähig an neue erneuerbare Kraftstoffe: Sauerstoffhaltige Kraftstoffe wie Methanol oder Ethanol beispielsweise sorgen dafür, dass mehr Restgas im Zylinder verbleibt. Erdgas, Biogas und Synthesegas aus Wind- und Solarenergie bieten eine erhöhte Klopffestigkeit, auch der Ventiltrieb kann hierauf flexibel reagieren.

Darüber hinaus lassen sich auch alternative Verbrennungskonzepte vergleichsweise einfach umsetzen, beispielsweise die homogene Selbstzündung: Ein Kraftstoff-Luft-Gemisch wird im richtigen Moment ohne Zündfunken gezündet, indem gegen Ende der Verdichtung die richtigen Bedingungen eingestellt werden. Das Gemisch wird nahezu schadstofffrei verbrannt.

Eine weitere Besonderheit des an der Empa aufgebauten Systems ist die Wahl der Hydraulikflüssigkeit: Statt wie üblich Öl zu verwenden, kann ein Wasser-Glykol-Gemisch – also Motorkühlwasser – verwendet werden. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften eignet sich dieses Medium sehr gut für schnell schaltende hydraulische Systeme, da es sehr steif ist und daher weniger hydraulische Verluste verursacht. Dadurch ist der Zylinderkopf komplett ölfrei, wodurch für den Rest des Motors ein günstigeres Motoröl mit verlängerten Wechselintervallen verwendet werden kann.

Im Rahmen des vom BFE geförderten Projekts FlexWork wurde der neue Ventiltrieb in einem erdgasbetriebenen Pkw-Motor in Betrieb genommen, der von einem 1,4l-TSI-Motor von VW abgeleitet war. Die benötigten Komponenten wurden in der Empa-eigenen Werkstatt hergestellt. Die Steuerung des Testmotors wurde von den Empa-Forschern selbst entwickelt. Der Ventiltrieb läuft seit Oktober 2018 auf einem Motorenprüfstand der Empa und hat bereits viele Millionen Zyklen im befeuerten Motorbetrieb einwandfrei überstanden.

Die FlexWork-Ventilsteuerung benötigt nur kostengünstige Komponenten. Es sind keine teuren, sehr schnell schaltenden Ventile und keine komplexe Sensorik erforderlich. Die Empa ist mit Motorenherstellern im Gespräch über den Transfer dieser Technologie, die nicht nur für Verbrennungsmotoren, sondern auch für Kompressoren geeignet ist.

Ressourcen

Zsiga, N., Omanovic, A., Soltic, P. et al. (2019) „Funktionalität und Potenzial eines neuen elektrohydraulischen Ventiltriebs“ MTZ Worldwide 80:18 doi:10.1007/s38313-019-0086-0

Gepostet am 20. August 2019 in Motoren, Kraftstoffeffizienz, Fahrzeugsysteme | Permalink | Kommentare (20)