Empa: Elektrohydraulik statt Nockenwelle spart 20% Sprit

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. Bild: Empa

Für die Steuerung des Gaswechsels in Verbrennungsmotoren werden heute in Serie ausschließlich mechanisch angetriebene Nockenwellen eingesetzt - häufig ausgerüstet mit einer teilweise recht aufwändigen Zusatzmechanik. 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.

Patrik Soltic und sein Team von der Abteilung Fahrzeugantriebssysteme der Empa erfanden und entwickelten, gemeinsam mit dem Hydraulikspezialisten Wolfgang Schneider, einen elektrohydraulischen Ventiltrieb, der nach bisherigen Erkenntnissen 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 hat 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 Tieflastbereich rund 20 Prozent geringer als bei klassischer Laststeuerung mittels Drosselklappe in Kombination mit einer Ventilsteuerung über Nockenwellen.

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.

Eine weitere Spezialität des an der Empa aufgebauten Systems ist die Verwendung eines Wasser-Glykolgemisches (Motorkühlwasser) als Hydraulikfluid. 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.

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.