Neue Ventilsteuerung könnte rund 20 % an Kraftstoff sparen
Schweizer Ingenieure kombinieren magnetische und hydraulische Mechanismen, um Ventile anzusteuern. Ihr System spart nicht nur Energie. Es macht Motoren auch flexibler, wenn es um den Einsatz erneuerbarer Kraftstoffe geht.
Modell des neuen Ventilantriebs auf einem Serienmotor.
Foto: Empa
Der Ventiltrieb ist sinnbildlich das „Atmungsorgan“ von Verbrennungsmotoren. Er regelt das Ansaugen von Frischluft und den Ausstoß von Abgasen als Gasaustausch im technischen System. Um diese Funktionen zu gewährleisten, werden in der Serienfertigung ausschließlich mechanisch angetriebene Nockenwellen eingesetzt. Aufwändige Zusatzmechanismen sind erforderlich, um Bewegungsmuster der Ventile zu ändern. Die Technik hat jedoch entscheidende Nachteile. Sie erhöht einerseits die Reibung, was zu Energieverlusten führt, andererseits lassen sich Motoren nur in engen Grenzen modifizieren.
Heute sind schnelle Ventilbewegungen auch bei niedrigen Drehzahlen, Hubanpassungen und variable Ventilsteuerzeiten gefragt. Damit wollen Ingenieure flexibel auf sich ändernde Kraftstoffeigenschaften reagieren. Deshalb wurde an der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in der Schweiz ein neuartiger Ventiltrieb entwickelt, der es Anwendern ermöglichen soll, Hub und Steuerzeiten nach ihren Anforderungen einzustellen: eine Verbesserung gegenüber der aktuellen Serienproduktion.
Elektrohydraulische Steuerung spart Energie
Die Ingenieure arbeiteten dabei mit einem elektrohydraulischen Prinzip. Im Labor wurden alle Ventile hydraulisch betätigt und über eine Magnetspule einzeln angesteuert. Ihre Idee: Sobald der Strom zur Steuerung floss, öffnete sich im ersten Schritt ein Hydraulikventil. Anschließend sorgte Hydraulikflüssigkeit dafür, dass sich ein Gaswechselventil in Millisekunden öffnet. Schaltete man den Strom ab, schloss sich dieses Ventil mechanisch aufgrund einer Feder von selbst. Dabei gelangte ein Großteil der hydraulischen Energie wieder zurück in das System. Weniger Reibung und ein besserer Gaswechsel werden als weitere Pluspunkte genannt.
Nach der konzeptionellen Phase testeten Empa-Ingenieure ihre Ventilsteuerung mit einem Ottomotor. Über weite Bereiche hinweg erzielten sie einen deutlich geringeren Energiebedarf als bei Systemen mit Nockenwelle. Simulierten sie das typische Fahrverhalten eines Personenkraftwagens, kamen sie auf Einsparungen von rund 20 %.
Umweltfreundliche Lösungen für den Motor der Zukunft
Den Empa-Experten ging es aber nicht nur um mehr Energieeffizienz. Ihr Ziel war es, Verbrennungsmotoren zu entwickeln, die sich auch für erneuerbare Treibstoffe eignen. Tanken Fahrer beispielsweise Methanol oder Ethanol, kann etwas Restgas im Zylinder verbleiben. Synthesegas aus Solar- oder Windenergie, aber auch Biogas oder Erdgas haben eine erhöhte Klopffestigkeit. Auf diese Unterschiede muss ein flexibler Ventiltrieb reagieren. Mit der neuen Ventilsteuerung war das kein Problem. Betriebsparameter wie Öffnungs- und Schließzeit sowie der Hub ließen sich im Experiment für jeden Zylinder gezielt verändern. Auch die Restgasmenge konnte je nach Treibstoff reguliert werden.
Als weitere Komponente kam eine intelligente Lastregelung hinzu. Falls nicht erforderlich, wurden einzelne Zylinder kurzzeitig inaktiviert: ein ökonomischer und ökologischer Pluspunkt. Alternative Verbrennungskonzepte schonen die Umwelt ebenfalls, Stichwort homogene Selbstzündung. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet sich und entflammt im richtigen Moment von selbst. Das führt zur quasi schadstofffreien Verbrennung – nur Kohlendioxid und Wasser entstehen. Ruß oder Stickoxide werden nicht gebildet.
Hydrauliköl auf Glykolbasis
Damit nicht genug: Die Empa-Forscher zeigen, dass auch Optimierungen bei der Hydraulikflüssigkeit möglich sind. Kommerziell erhältliche Lösungen basieren meist auf Kohlenwasserstoffen. Sie müssen gute Schmiereigenschaften, eine hohe Alterungsbeständigkeit und ein hohes Benetzungs- und Haftvermögen aufweisen.
Im Versuch kam ein Wasser-Glykol-Gemisch zum Einsatz. Es zeichnete sich durch gute chemische und physikalische Eigenschaften aus. Dadurch wurde der Zylinderkopf komplett ölfrei – und die Entwickler hoffen auf längere Wechselintervalle beim Motorenöl.
Aus dem Labor auf den Prüfstand
Nach erfolgreichem Abschluss der konzeptionellen Phase unterzogen die Entwickler ihr Ventil einem Belastungstest. Basis war ein 1,4-Liter-TSI-Motor von VW, der in etlichen Serienfahrzeugen zum Einsatz kommt. Ein direkteinspritzender Ottomotor wird dabei mit einem Abgasturbolader kombiniert. Der Motor wurde umgebaut und für den Erdgasbetrieb optimiert. Alle Ventile und Geräte zur Steuerung kamen aus der Empa-Werkstatt.
Seit Oktober 2018 läuft der Motor mittlerweile auf einem Prüfstand. Die Ventile wurden bereits etliche Millionen Mal ausgelöst, ohne dass es zu Betriebsstörungen gekommen wäre. Derzeit laufen Gespräche mit Motorenherstellern, um die Technologie auch kommerziell einzusetzen. Als Vorteil könnte sich dabei erweisen, dass sich neue Ventile mit preisgünstige Komponenten umsetzen lassen.
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