Von geometrischen Zwängen befreit

SCHWEIZER ENTWICKLUNG Parallel zur Elektrifizierung des Antriebsstrangs wird der Verbrennungsmotor kontinuierlich weiterentwickelt. Von der Schweizer Forschungsanstalt Empa stammt ein neuer, elektrohydraulischer Ventiltrieb.

Noch immer sind viele moderne Verbrennungsmotoren mit zwei obenliegenden Nockenwellen ausgestattet, die Öffnungs- und Schliesszeiten sowie den Hub der Ventile steuern. Verschiedene Verstelleinrichtungen ermöglichen dabei Anpassungen an unterschiedliche Motorbetriebszustände. So lassen sich das Laufverhalten des Motors, die Drehmo-ment- und Leistungscharakteristik sowie der Treibstoffverbrauch und die Abgasqualität verbessern. Egal ob Camtronic, Valvetronic, Variocam, V-Tec oder VVTi – die Verstellsysteme arbeiten zu-verlässig und effizient. Noch deutlich schneller und damit noch exakter regulierbar funktionieren aber Systeme mit direkter elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Ventilbetätigung. Und eben solche Systeme könnten den Verbrenner auch in Zeiten strengster Emissionsvorschriften attraktiv bleiben lassen – zumindest dann, wenn sie kostenseitig verkraftbar sind. Der Verbrennungsmotor ist weniger klimaschädlich, wenn die Treibstoffe mög-lichst wenig fossilen Kohlenstoff enthalten. Einen Schritt weg vom konventionellen No-ckenwellen-Ventiltrieb machte im Grossserienbau der Fiat-Konzern schon 2009 mit dem Multi-Air-Motor, der erstmals im Alfa Romeo Mito zum Ein-satz kam. Für die Einlassventile des kleinen Vierzylinder-Vierventil-Benziners entwickelte Fiat zusammen mit Zulieferer Schaeffler ein elektrohydraulisches Steuersystem, das allerdings nach wie vor auf der Nockenwelle aufsetzt. Dieses System ist als Valve Control Management (VCM) übrigens auch für Grossmotoren im Einsatz. Da wird es von ABB Turbocharging in Baden AG an die Motorhersteller geliefert.


Lange Entwicklungs-Tradition

Die Freevalve-Technologie von Koenigsegg arbeitet mit elektropneumatisch betätigten Ventilen.
Konstruktive Lösungen für die Befreiung der Ventile von der starren Nockenwelle wurden seit Jahren immer wieder entwickelt, fanden aber den Weg ins Serienfahrzeug aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht. Als Wegbereiterin sind die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule in Aachen (D) mit einem rein elektromagnetischen System ab 1980 sowie Ford ab 1995 mit einem elektrohydraulischen System zu nennen. Auch Bosch, Siemens und andere Zulieferer haben ausgiebig an nockenwellenlosen Systemen gearbeitet. Die Zeit schien aber so weitgreifende Schritte bislang nicht energisch genug zu fordern. Das Entwicklungsunternehmen Camcon Automotive aus Foxton (GB) beispielsweise steuert in seinem IVA-System (Intelligent Valve Actuation) jedes einzelne Motorventil unabhängig von der Kurbelwelle. Motorlast- und drehzahlabhängig werden präzise und schnelle Ventilbewegungen durch einen schnell ansprechenden Elektromotor sowie einen Betätigungsmechanismus mit desmodromischen Nockenpaaren und Kipphebeln realisiert. Dabei ist jederzeit jeder Ventilhub möglich. Da der IVA-gesteuerte Motor zur Leistungsregelung keine Drosselklappe benötigt, entfallen auch die im Ottomotor nicht unwesentlichen Wirkungsgradverluste. Beim derzeitigen Entwicklungsstand nennt Camcon einen Treibstoffverbrauchsvorteil von bis zu 20 Prozent. Ähnliche Vorteile wie das IVA-System ermöglicht das Freevalve-System von Koenigs-egg. Es eignet sich je nach Optimierungsrichtung sowohl für Ultra-High-Performance-Motoren wie den Fünfliter-V8-Biturbo-Benziner von Koenigsegg, aber auch für Brot-und-Butter-Trieb-werke wie den Qamfree-Motor des chinesischen Herstellers Qoros. Die 16 Ventile des Vierzy-linders werden elektropneumatisch betätigt. Sowohl Öffnungszeiten als auch Hub sind für jedes Ventil einzeln frei steuerbar.


Flexwork aus der Schweiz
Nun bringt sich auch die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) mit ei-ner neuartigen vollvariablen Ventilsteuerung – vollständig ohne Nockenwellen – ins Gespräch. Das System nennt sich Flexwork und ermöglicht einlass- und auslassseitig frei wählbare Ventilsteuerzeiten und Ventilhübe. Dank seines robusten Aufbaus und offenbar gut beherrschbarer Baukosten könnte das System als Basis für die Weiterentwicklung zu einem Serienprodukt dienen. Der neue Ventiltrieb läuft seit Oktober 2018 auf dem Prüf-stand in der Empa Dübendorf ZH. In einem Ottomotor für Personenwagen implementiert, könnte der Flexwork-Zylinderkopf eine Verbrauchsreduktion von bis zu 20 Prozent ermöglichen, die grösstenteils durch die weitgehende Entdrosselung – die Zylinderfüllung wird überhaupt nicht mehr mit der Drosselklappe gesteuert – und die Zylinderabschaltung oder die Erweiterung auf Acht- oder Zwölftaktbetriebzustandekommt.
Der elektrohydraulische Ventiltrieb, den Patrik Soltic und sein Team an der Abteilung Fahrzeugantriebssysteme der Empa gemeinsam mit dem ex-ternen Hydraulikspezialisten Wolfgang Schneider vollständig in Eigenregie entwickelt haben, besteht grundsätzlich aus den in der Grafik rechts gezeigten Komponenten. Die Ventile werden hydraulisch betätigt und einzeln über eine Magnetspule elektrisch angesteuert. Vorteile des Systems sind, dass keine extrem schnell schaltenden Fluidventile notwendig sind und dass der Ventiltrieb netto weniger Antriebsenergie als eine Nockenwelle benötigt.

Entwicklerteam der Empa: Andyn Omanovic, Projektleiter Patrik Soltic und Norbert Zsinga.

Äusserst flexibel
Jeder Motorbetriebszustand kann von Zyklus zu Zyklus angepasst werden. So lassen sich beispielsweise eine verlustarme Lastregelung, eine perfekte Dosierung der Restgasmenge für die Abgasrückführung oder auch eine zwischenzeitliche Zylinderabschaltung realisieren. In einem Dieselmotor lies-se sich beispielsweise eine kostengünstige Motor-bremse integrieren und die Abgastemperatur hoch-halten, um die Abgasbehandlungseinrichtung auf Betriebstemperatur zu halten. Auch an den Betrieb mit Erdgas oder synthetischen Treibstoffen mit besonders hoher Klopffestigkeit kann die Ventilsteuerung angepasst werden. Selbstverständlich sind alternative Verbrennungskonzepte wie Miller- und Atkinson-Zyklus oder auch die Kompressionszündung für Ottomotoren ebenfalls integrierbar. Speziell an der Empa-Ventilsteuerung ist auch die Hydraulikflüssigkeit. Anstelle von Öl kommt eine Wasser-Ethylenglykol-Mischung von BASF zum Einsatz. Dieses Medium – Motorkühlwasser – eignet sich bestens für schnell schaltende hydraulische Systeme, da es sehr steif ist und daher weniger Verluste verursacht. Da das Druckniveau 200 bar nicht überschreitet, erklärt Patrik Soltic, wäre die Konstruktion der Komponenten aluminiumtauglich, sodass auf schwere Gusseisen- oder Stahllösungen verzichtet werden kann.

Im Versuchsmotor der Empa wurden die Flexworks-Module auf einen modifizierten Zylinderkopf des 1.4-TSI-Motors von Volkswagen montiert. Gut sichtbar ist der elektromagentische Aktuator, der die Hydraulikventile steuert.

In zwei bis drei Jahren serienreif
Bei der Empa wurde der neue Ventiltrieb im Rahmen des vom Bundesamt für Energie unterstützten Projekts Flexwork in einem mit Erdgas betriebenen, vom 1.4-Liter-TSI-Motor von VW abgeleiteten Aggregat in Betrieb genommen. Alle neuen Bauteile wurden von der Versuchswerkstatt der Empa hergestellt, die Systemsteuerung von Empa-Technikern selbst entwickelt. Elektromagnete und einzelne Hydraulikteile stammen aus dem Baukasten von Hydraulikherstellern wie Hydac und Bieri. Nach Angaben von Projektleiter Patrik Soltic kommt die Flexwork-Ventilsteuerung mit preis-günstigen Komponenten aus, da weder teure Schnellschaltventile noch eine aufwendige Sensorik notwendig sind. «Hinsichtlich Werkstoffwahl und Dimensionierung sind die Systemkomponenten jedoch noch nicht optimiert», erklärt Soltic. Da wäre also vom Zulieferer, der das System dann für den Autohersteller zur Serienreife bringt, noch weitere Entwicklungsarbeit zu erledigen. «Vorausgesetzt, dass die derzeit laufenden Gespräche mit Autoherstellern und Zulieferern schon bald zu konkreten Ergebnissen führen, wäre die Serieneinführung des Systems in zwei bis drei Jahren möglich», rechnet der Empa-Techniker.

Die Ventile werden hydraulisch betätigt und einzeln über eine Magnetspule elektrisch angesteuert. Die Steuerung der Ventilöffnung erfolgt durch die Bestromung einer Magnet spule (a). Dabei wird ein hydraulisches Schaltventil (b) betätigt, was bewirkt, dass das Hydraulikmedium aus dem Hochdruckspeicher (c) in den Arbeitsraum strömt. Der dort ansteigende Druck wirkt dann auf den Arbeitskolben (e), der so in Bewegung versetzt wird und über eine Ventilbrücke (f) zwei Gaswechselventile (h) öffnet.