FlexWork - ein neuer elektrohydraulischer Ventiltrieb / 30.08.2019

FlexWork – ein neuer elektrohydraulischer Ventiltrieb

 

Norbert Zsiga, Empa


Tags: vollvariabler elektrohydraulischer Ventiltrieb / Mechanik / Wirkungsgrad / Vorteile gegenüber
Nockenwellen


Die Flexibilität bezüglich Ventilöffnungszeiten beim Gaswechsel in Verbrennungsmotoren ist
zur Erhöhung der Effizienz oder des Drehmoments wichtig. Dazu wurden für Benzinmotoren
variable Nockenwellen entwickelt. Diese reduzieren die Drosselverluste und ermöglichen
Zylinderabschaltungen, was den Wirkungsgrad im Teillastbereich erhöht. Die Systeme basieren
in der Regel auf mechanischen Verstellmöglichkeiten, was die Masse des Motors wie
auch die Reibung des Ventiltriebs erhöht.


In Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Wolfgang Schneider in Thun wurde an der Empa
ein neuartiger, vollvariabler elektrohydraulischer Ventiltrieb entwickelt, der einen geringeren
Eigenenergiebedarf aufweist als ein Nockenwellenantrieb und sich mit Motorkühlmittel betreiben
lässt. Dieser Ventiltrieb mit dem Namen „FlexWork“ weist keine Nockenwelle und
auch keine Verbindung zur Kurbelwelle auf, sondern für die Einlass- und Auslassseite pro
Zylinder je ein elektrohydraulisches Modul, das von einem zentralen Hydrauliksystem versorgt
wird.


Pro Öffnungsvorgang wird jedes Ventil beschleunigt und abgebremst. Für die Beschleunigung
muss Energie eingesetzt werden. Bei mechanischen Ventiltrieben wird diese über die
Nockenwellen direkt eingebracht. Beim FlexWork-Ventiltrieb geschieht das via Hydraulikdruck,
der über eine elektrische Pumpe erzeugt wird; der Strom dazu wird indirekt über
das elektrische System von der Kurbelwelle abgezweigt.

 

a) Magnetspule
b) Hydraulikventil
c) Hochdruckniveau
d) Niederdruckniveau
e) Arbeitskolben betätigt über eine Ventilbrücke
f) zwei Gaswechselventile


FlexWork - Schematischer Aufbau


Die Ventile werden gegen Ventilfedern geöffnet, die die Ventile anschliessend wieder
schliessen. Kurz bevor die Ventile den vorgesehenen Hub erreicht haben, müssen sie abgebremst
werden. Bei Nockenwellen wird dies durch die Form der Nocken gemacht, beim
FlexWork-Ventiltrieb durch eine hydraulische Verschaltung, die die kinetische Energie des
Ventils in einen zweiten Drucktank ableitet und es so abbremst. Diese abgeleitete kinetische
Energie stellt eine Rekuperation dar, die dazu führt, dass der Eigenverbrauch des FlexWork-
Ventiltriebs geringer ist als derjenige konventioneller Systeme.


Der FlexWork-Ventiltrieb wurde aus gewöhnlichen, korrosionsbeständigen Werkstoffen mit
konventionellen Methoden gefertigt. Als Arbeitsmedium wird eine 1:1-Wasser-Ethylenglykol-
Mischung verwendet (Kühlflüssigkeit). Dies bringt die Vorteile einer gegenüber Ölen höheren
Steifigkeit und eines komplett ölfreien Zylinderkopfs. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit,
das Motorenöl weniger stark mit Additiven zu versetzen, da die grossen Flächenpressungen
an den Nocken ausbleiben. Somit gelangen weniger Katalysatorgifte oder filterblockierende
Asche über die Verbrennung in das Abgas, was die Lebensdauer der Abgasnachbehandlung
verlängert.


Der Ventiltrieb kommt mit einer sehr einfachen Sensorik und Aktuatorik aus, ist vergleichsweise
einfach in der Herstellung und ermöglicht dennoch eine enorm hohe Flexibilität zur
Optimierung des Motorbetriebs. Erste Versuche an einem 4-Zylinder-Gasmotor zeigen deutliche
Wirkungsgradsteigerungen. Im Betriebspunkt 2‘000 U/min und 2 bar Mitteldruck (typischer
Teillast-Betriebspunkt) wurde eine Wirkungsgradsteigerung von 13% erreicht. Mit Zylinderabschaltung
steigt der Wirkungsgrad in diesem Betriebspunkt sogar auf 26% an, was
einer Verbesserung um 21% entspricht.


Weitere Informationen:
Zsiga N., Omanovic A., Soltic P., Schneider W.; Funktionsweise und Potenziale eines neuartigen, elektrohydraulischen
Ventiltriebs; MTZ 09/2019


30.08.19; SSM-Information Nr. 18

 

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