Pleuel mit Innenleben

Seit Jahren arbeiten Ingenieure an Lösungen für variable Verdichtungsverhältnisse im Verbrennungsmotor. In Wien wurde nun ein System präsentiert, das den Durchbruch zur Serienreife schaffen könnte.

VOR DEM DURCHBRUCH? Seit Jahren arbeiten Ingenieure an Lösungen für variable Verdichtungsverhältnisse im Verbrennungsmotor. In Wien wurde nun ein System präsentiert, das eventuell den Durchbruch zur Serienreife schaffen könnte.

Die Verdichtung in einem Verbrennungsmotor variabel zu gestalten, ist eine durchaus interessante Idee. Eine Idee auch, die fast so alt ist wie der Verbrennungsmotor selbst. Schliesslich lässt sich damit die Effizienz des Motors – egal ob Benziner oder Diesel – deutlich verbessern, was entweder höhere spezifische Leistungen oder niedrigere Verbrauchswerte möglich macht. Selbstverständlich geht es heute vor dem Hintergrund extrem rigoroser Abgasgrenzwerte in erster Linie um den Treibstoffverbrauch, also den CO2-Ausstoss. So signifikant die Vorteile einer kontinuierlichen oder zweistufigen Anpassung des Verdichtungsverhältnisses an den jeweiligen Betriebszustand des Motors ist, so diffizil ist die technische Umsetzung. Und weil aufwändige technische Lö-sungen in der Regel mit Wirkungsgradeinbussen und übermässig hohen Kosten verbunden sind, erreichten die in den vergangenen Jahrzehnten entwickelten VCR-Konzepte (Variable Compression Ratio) mit Ausnahme eines einzigen Systems nie die Serienreife.

Von Saab bis Infiniti
Nur gerade die Nissan-Tochter Infiniti schaffte den Durchbruch. Ihr Zweiliter-Vierzylinder-Turbobenziner VC-T verändert das Verdichtungsverhältnis-se von 8:1 für hohe Leistung bis 14:1 für hohen thermischen Wirkungsgrad. Mit 200 kW (272 PS) Spitzenleistung und 380 Nm Maximaldrehmoment ist der effiziente Motor auch sehr leistungsstark. Da sich Infiniti aber aus Europa zurückzieht, wird uns der Motor den Effizienzbeweis schuldig bleiben. Doch schon vor fast zwei Jahrzehnten gab es verschiedene mehr oder weniger erfolgreiche Annäherungen. Unter ihnen etwa im Jahr 2000 der mit Kompressor aufgeladene 1.6-Liter-Fünfzylinder-Benzinmotor von Saab, dessen Verdichtung sich ebenfalls zwischen 8:1 und 14:1 variieren liess. 2002 zeigte das deutsche Engineering-Unternehmen FEV einen hochaufgeladenen Benzinmotor mit variablem Verdichtungsverhältnis, mit dem sich im Vergleich zu einem leistungsgleichen, grossvolumigen Saugmotor im NEFZ-Test eine 30-prozentige Verbrauchsreduktion erzielen liess. 20 bis 25 Prozent geringere Verbrauchswerte als mit herkömmlichen Motoren versprach das französische Unternehmen MCE-5 mit seinem VCR-Motor. Installiert in einem Peugeot 407, kam der MCE-5-Motor mit 1.5 Litern Hubraum auf eine Höchstleistung von 162 kW (220 PS). Serienpremiere soll das Aggregat im kommenden Jahr in einem Mo-dell des chinesischen Herstellers Dongfeng feiern.

Von den Entwicklungspartnern
Um die nächsten Stufen der Abgasgesetzgebung zu schaffen, müssen verschiedene Antriebskonzepte parallel weiterentwickelt werden. Zwar kommt der Elektrifizierung eine zunehmende Bedeutung zu, doch bleibt der Verbrennungsmotor eine wichtige Komponente in Antriebssystemen mit unter-schiedlichem Elektrifizierungsgrad. Zur Ausschöpfung des Potenzials des Verbrennungsmotors gehören neben Downsizing, Downspeeding, Hoch-aufladung und Direkteinspritzung auch die Weiterentwicklung der Verbrennungsprozesse und die Minimierung der Reibungsverluste. Vermehrt dürften auch Miller- oder Atkinson-Konzepte zur Anwendung kommen, und sobald konstruktiv vergleichsweise einfache Konzepte zur Verfügung stehen, wird auch die variable Verdichtung zum interessanten Thema. Wie so viele Innovationen stammt auch das VCR-System Dual Mode VCS von externen Entwicklungspartnern der Autohersteller. Die von AVL List schon vor drei Jahren beim Wiener Motorensymposium präsentierte und nun zusammen mit Iwis Motorsysteme weiterentwickelte Lösung hat mittlerweile praktisch Serienreife erreicht. Bei der 40. Auflage der Wiener Techniktagung Mitte Mai stellte Kai Arens, Bereichsleiter VCR-Systeme bei Iwis Motorsysteme, die neue Lösung detailliert vor. Das Dual Mode VCS ist ein Konzept, bei dem der Mechanismus zur Anpassung des Verdichtungsverhältnisses in die Pleuelstange integriert ist. Dabei kann die Länge der Pleuelstange in zwei Stu-fen angepasst und damit das Kompressionsvolumen verändert werden. Diese Lösung ist besonders attraktiv, weil sie sich mit nur geringfügigen Anpassungsmassnahmen in bestehende Motorenfamilien integrieren lässt. So können bestehende Produktionslinien ohne grosse Investitionen weiterhin verwendet werden. Da die Systementwicklung bisher sehr positiv verlaufen sei, erläuterte Arens in Wien, befinde sich «das Dual Mode VCS bereits in einer produktionsnahen Entwicklungsphase, die den Fokus auf Dauerhaltbarkeit und Optimierung der Funktion richtet». Allerdings hänge der Erfolg auch davon ab, «wie gut sich die Konzepte aus der Entwicklung in eine Industrialisierung überführen lassen».


Dual Mode VCS

Nach der Entwicklungsstufe des Benzinmotors zu Turboaufladung und Direkteinspritzung stellt die variable Verdichtung (VCR) einen nächsten Schritt der Effizienzsteigerung dar. Mit VCR und variabler Ventilsteuerung werden hohe Verdichtung und erweiterte Expansion kombiniert, entweder mit Miller- oder Atkinson-Konzept.

Zwei Stellungen
Das Dual Mode VCS ist ein Konzept, bei dem der Mechanismus zur Anpassung des Verdichtungsverhältnisses in die Pleuelstange integriert ist. Ein Steuerventil kontrolliert die Drücke in den Hydraulikkammern und variiert damit die Länge des Pleuels. Zum Ansteuern der beiden Längenpositionen werden mit dem Motoröl über den Kurbelzapfen zwei unterschiedliche Druckniveaus verfügbar gemacht. Bei niedrigem Steuerdruck verbleibt das Steuerventil in der auf der Grafik ersichtlich mittigen Stellung, bei hohem Steueröl-druck wird es gegen die Federkraft in die rechte Stellung gebracht.


Einfach integrierbares Konzept
Das neue VCS ist eine zweistufige VCR-Konstruktion, die den Abstand zwischen Kurbelzapfen und Kolben-bolzen in zwei Schritten verändert und so mit der Teleskop-Pleuel-Lösung einen breiten Bereich von Verdichtungsverhältnissen abdecken kann. Die variable Verdichtung ermöglicht extreme Miller-Konzepte mit sehr hohen Teillast-Verdichtungsverhältnissen. Mit Verdichtungen von 12:1 bis 14:1 sind niedrige Verbrauchswerte von weniger als 200 Gramm CO2/kWh und spezifische Leistungen von 65 bis 80 kW/Liter erzielbar. Limitierender Faktor für die Steigerung des Verdichtungsverhältnisses ist im Otto-motor die Klopffestigkeit des Treibstoffs, im Diesel die mechanische Belastbarkeit der Motorkonstruktion. Liegt das Verdichtungsverhältnis dagegen zwischen 8:1 und 9:1, lassen sich Literleistungen von 110 bis 180 kW erreichen.
Im Schaft des Pleuels ist ein kontaktlos aktivierbarer Hydrauliksteller integriert. Der Kolben dieses Aktors ist mit dem kleinen Pleuelauge, der Zylinder mit dem grossen verbunden. Über Zu- und Rückflussleitungen werden die obere respektive untere Druckkammer befüllt oder entleert. Zum Ansteuern der beiden Längenpositionen werden mit dem Motoröl über den Kurbelzapfen zwei unterschiedliche Druckniveaus verfügbar gemacht. Bei niedrigem Steuerdruck verbleibt das Steuerventil in der linken Stellung, bei hohem Steueröldruck wird es gegen die Federkraft in die rechte Stellung gebracht.

Kai Arens von Iwis Motorsysteme in München (D).

Viel CO2-Einsparpotenzial
Als wesentliche Eigenschaften hob Kai Arens hervor, dass das VCR-System beträchtliches CO2-Einsparpotenzial biete und mit allen Motortechnologien kombinierbar sei, zu-dem auch hohe Potenziale bei der Erfüllung der zukünftigen RDE-Anforderungen aufweise und zusätzliche Verbrauchspotenziale durch Segelbetrieb beim Teillastbetrieb und beim Kaltstart sowie beim Aufheizen des Katalysators habe. Er berichtete, dass derzeit verschiedene Kundenprojekte laufen und dass erste Erprobungsergebnisse im Dauerlauftest «eine ausreichend hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer» zeigten. Bei Annahme einer hohen jährlichen Produktionsmenge und bei voller Auslastung der Produktionskapazitäten sei davon auszugehen, «dass mit dem Dual Mode VCS ein VCR-System mit einem positiven Kosten-Nutzen-Verhältnis von 30 bis 40 Euro pro Gramm CO2 zur Verfügung stehen kann». Bei welchem Autohersteller das System zuerst eingebaut wird, ist von den Zulieferern natürlich nicht zu erfahren. Zum Zeitpunkt der Lancierung äussert sich Wolfgang Schöffmann, Leiter Antriebstechnik von AVL List, noch zurückhaltend: «Das System kann ab 2023 in Serie sein, abhängig ist dies aber von den OEM-Entscheidungen.»

Verbrauchsreduktion im WLTP bei unterschiedlichen Literleistungen.

Aufwändige Alternativen

Zwei VCR-Konzepte mit guten Aussichten: Das erste serienmässig verbaute System ist das VC-T von Infiniti/Nissan mit raffiniertem Umlenkmechanismus (Bilder o.). Das Verdichtungsverhältnis variiert zwischen 8:1 und 14:1, um Leistung oder Effizienz zu optimieren. Ebenfalls sehr komplex ist das System, das die Verdichtung mithilfe eines Regelkolbens und einer Zahnstange verändert (l.). Es wurde vom Unternehmen MCE-5 und Partnern sowie mit der PSA-Gruppe zur Serienreife gebracht. Nach gut 18-jähriger Entwicklungszeit soll es demnächst in einem Modell der chinesischen Marke Dongfeng auf die Strasse kommen.