Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neuartiger Ventiltrieb spart 20% Treibstoff

19.08.2019

Bislang werden die Gaswechselventile von Viertaktmotoren über Nockenwellen angesteuert. Trotz teilweise aufwändiger Zusatzmechanik bleibt die Flexibilität solcher Motoren begrenzt. An der Empa wurde nun ein neuartiger, elektrohydraulisch betätigter Ventiltrieb entwickelt, der völlig freie Verstellbarkeit von Hub und Steuerzeiten ermöglicht, dabei gleichzeitig robust und preisgünstig zu realisieren ist. Dieser Ventiltrieb wurde auf einen Serienmotor aufgebaut und läuft seit mehreren Monaten erfolgreich im Prüfstandbetrieb. In für Personenwagen typischen Betriebszutänden spart die neue Technik bis zu 20 Prozent Treibstoff.

Der Ventiltrieb ist das „Atmungsorgan“ von Verbrennungsmotoren: Er steuert die Zufuhr von Frischluft und die Ableitung der Abgase, was als „Gaswechsel“ bezeichnet wird. Dazu werden heute in Serie ausschliesslich mechanisch angetriebene Nockenwellen eingesetzt, häufig ausgerüstet mit einer teilweise recht aufwändigen Zusatzmechanik.


Projektleiter Patrik Soltic (mitte) mit seinen Kollegen Andyn Omanovic und Norbert Zsiga vor einem Modell der Ventilsteuerung FlexWork.

Empa


Schnittzeichnung des FlexWork-Ventiltriebs.

Empa

Damit kann ein von der Nockenwelle vorgegebenes Ventilbewegungsmuster modifiziert werden, was nicht ohne erhöhte Reibung möglich ist. Ebenso ist die Flexibilität nicht im gewünschten Mass gegeben. Gesucht – unter anderem auch für die Anpassung an wechselnde Treibstoffeigenschaften – sind schnelle Ventilbewegungen auch bei niedrigen Drehzahlen, Hubanpassungen und zylinderselektive breit variable Ventilsteuerzeiten.

Optimierter Gaswechsel und weniger Reibung sparen Treibstoff

Patrik Soltic und sein Team an der Abteilung Fahrzeugsantriebssysteme der Empa erfanden und entwickelten, gemeinsam mit dem Hydraulikspezialisten Wolfgang Schneider, einen elektrohydraulischen Ventiltrieb, der gegenüber heutiger Serientechnik deutlich flexibler ist. Die Ventile werden hydraulisch betätigt und einzeln über eine Magnetspule elektrisch angesteuert.

Sobald ein Steuerstrom fliesst, öffnet sich ein speziell ausgelegtes Hydraulikventil, welches erlaubt, dass Hydraulikflüssigkeit das Gaswechselventil in Millisekunden gegen eine Feder auf den gewünschten Hub öffnet.

Wird der Strom abgeschaltet, schliesst sich das Gaswechselventil durch die Federkraft wieder und speist dabei den Grossteil der zum Öffnen benötigten hydraulischen Energie zurück in das Hydrauliksystem.

Das System erreicht über weite Betriebsbereiche einen deutlich geringeren Energiebedarf als nockenwellengetriebene Systeme. Zusammen mit einem optimierten Gaswechsel ist der Treibstoffverbrauch des Versuchs-Ottomotors in für Personenwagen typischen Tieflastastbereich rund 20 Prozent geringer als bei klassischer Laststeuerung mittels Drosselklappe in Kombination mit einer Ventilsteuerung über Nockenwellen.

Anpassungsfähig auf erneuerbare Treibstoffe

Durch die Wahl der Betriebsparameter können Öffnungs- und Schliesszeit sowie der Ventilhub für jeden Zylinder völlig frei eingestellt werden. Damit kann jeder Motorbetriebszustand von Arbeitszyklus zu Arbeitszyklus verändert werden, zum Beispiel durch eine intelligente Lastregelung, durch die Wahl der im Zylinder verbleibenden Restgasmenge (Abgasrückführung), oder durch eine für den Fahrer nicht bemerkbaren Deaktivierung nicht benötigter Zylinder.

Dies macht den Motor höchst anpassungsfähig für neue erneuerbare Treibstoffe: Sauerstoffhaltige Treibstoffe wie Methanol oder Ethanol erlauben zum Beispiel mehr Restgas im Zylinder zu belassen. Erdgas Biogas und aus Wind- und Solarstrom erzeugtes Syngas, besitzen erhöhte Klopffestigkeit: auch darauf kann der Ventiltrieb flexibel reagieren.

Zudem lassen sich auch alternative Verbrennungskonzepte vergleichsweise einfach realisieren, zum Beispiel eine homogene Selbstzündung: ein Treibstoff-Luft Gemisch wird durch die Einstellung der korrekten Bedingungen gegen Verdichtungsende im richtigen Moment ohne Zündfunken selbst entflammt und praktisch schadstofffrei verbrannt.

Zylinderkopf ohne Öl

Eine weitere Spezialität des an der Empa aufgebauten Systems ist die Wahl der Hydraulikflüssigkeit: Anstatt wie üblich ein Öl zu verwenden, wird ein Wasser-Glykolgemisch, also Motorkühlwasser, eingesetzt. Dieses Medium eignet sich aufgrund der physikalischen Eigenschaften sehr gut für schnell schaltende hydraulische Systeme, da es sehr steif ist und folglich weniger Verluste verursacht. Dadurch wird der Zylinderkopf komplett ölfrei, was dazu führen kann, dass für den restlichen Motor ein einfacheres Motorenöl mit längeren Wechselintervallen eingesetzt werden kann.


Mehrere Monate Versuchsbetrieb

Im Rahmen des vom BFE geförderten Projekts „FlexWork“ wurde der neue Ventiltrieb in einem mit Erdgas betriebenen – von einem VW-1.4l TSI-Motor abgeleiteten - Personenwagenmotor in Betrieb genommen. Die erforderlichen Bauteile fertigte die Versuchswerkstatt der Empa. Das Steuerungssystem für den Versuchsmotor entwickelten die Empa-Forscher selbst. Der Ventiltrieb läuft seit Oktober 2018 auf einem Motorprüfstand der Empa und hat bereits viele Millionen Betätigungen im befeuerten Motorbetrieb problemlos überstanden.

Die FlexWork-Ventilsteuerung kommt dabei mit preisgünstigen Komponenten aus. Es werden keine teuren, sehr schnell schaltenden Ventile und keine aufwändige Sensorik benötigt. Das Ventiltriebsystem wurde am 16. August der Fachwelt in der Motortechnischen Zeitschrift (MTZ) vorgestellt. Die Empa ist in Gesprächen mit Motorenherstellern für den Transfer dieser Technologie, die sich nicht nur für Verbrennungsmotoren, sondern auch für Kompressoren eignet.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Patrik Soltic
Empa, Fahrzeugantriebssysteme
Tel. +41 58 765 46 24
Patrik.Soltic@empa.ch

Wolfgang Schneider Ingenieurbüro
Tel. +41 79 392 59 71
wolfgang.schneider@bluewin.ch

Redaktion / Medienkontakt

Rainer Klose
Empa, Kommunikation
Tel. +41 58 765 47 33
redaktion@empa.ch

Originalpublikation:

Funktionsweise und Potenziale eines neuartigen elektrohydraulischen Ventiltriebs
Zsiga, N., Omanovic, A., Soltic, P. et al. MTZ Motortech Z (2019) 80: 18. https://doi.org/10.1007/s35146-019-0089-z

Weitere Informationen:

https://www.empa.ch/web/s604/flexwork

Rainer Klose | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Nature Communications berichtet über Forschung der TU Ilmenau zu Mikro-Superkondensatoren
23.01.2020 | Technische Universität Ilmenau

nachricht Neue Elektro-Impuls-Anlage der TU Freiberg ermöglicht energieeffiziente Aufbereitung von Hochtechnologiemetallen
23.01.2020 | Technische Universität Bergakademie Freiberg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Ein ultraschnelles Mikroskop für die Quantenwelt

Was in winzigen elektronischen Bauteilen oder in Molekülen geschieht, lässt sich nun auf einige 100 Attosekunden und ein Atom genau filmen

Wie Bauteile für künftige Computer arbeiten, lässt sich jetzt gewissermaßen in HD-Qualität filmen. Manish Garg und Klaus Kern, die am Max-Planck-Institut für...

Im Focus: Integrierte Mikrochips für elektronische Haut

Forscher aus Dresden und Osaka präsentieren das erste vollintegrierte Bauelement aus Magnetsensoren und organischer Elektronik und schaffen eine wichtige Voraussetzung für die Entwicklung von elektronischer Haut.

Die menschliche Haut ist faszinierend und hat viele Funktionen. Eine davon ist der Tastsinn, bei dem vielfältige Informationen aus der Umgebung verarbeitet...

Im Focus: Dresdner Forscher entdecken Mechanismus bei aggressivem Krebs

Enzym blockiert Wächterfunktion gegen unkontrollierte Zellteilung

Wissenschaftler des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus Dresden im Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen Dresden (NCT/UCC) haben gemeinsam mit einem...

Im Focus: Integrate Micro Chips for electronic Skin

Researchers from Dresden and Osaka present the first fully integrated flexible electronics made of magnetic sensors and organic circuits which opens the path towards the development of electronic skin.

Human skin is a fascinating and multifunctional organ with unique properties originating from its flexible and compliant nature. It allows for interfacing with...

Im Focus: Dresden researchers discover resistance mechanism in aggressive cancer

Protease blocks guardian function against uncontrolled cell division

Researchers of the Carl Gustav Carus University Hospital Dresden at the National Center for Tumor Diseases Dresden (NCT/UCC), together with an international...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

HDT-Tagung: Sensortechnologien im Automobil

24.01.2020 | Veranstaltungen

Tagung befasst sich mit der Zukunft der Mobilität

22.01.2020 | Veranstaltungen

ENERGIE – Wende. Wandel. Wissen.

22.01.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Minutiöse Einblicke in das zelluläre Geschehen

24.01.2020 | Biowissenschaften Chemie

HDT-Tagung: Sensortechnologien im Automobil

24.01.2020 | Veranstaltungsnachrichten

Ein ultraschnelles Mikroskop für die Quantenwelt

24.01.2020 | Physik Astronomie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics