selektive umschaltung des ventilhubs beim ottomotor

TITELTHEMA L adungswechsel
SELEKTIVE UMSCHALTUNG DES
VENTILHUBS BEIM OTTOMOTOR
Beim Ottomotor verspricht die Kombination aus flexibler Ventilhubgestaltung und Downsizing erhebliche
Verbrauchseinsparungen. In einem Gemeinschaftsprojekt haben Schaeffler und IAV die Potenziale der
zylinderselektiven Mehrfach-Ventilhubumschaltung für einen typischen Vierzylinder-Ottomotor mit Turbo­
aufladung anhand von Motorsimulationsmodellen untersucht.
834
A U T O R EN
PROF. DR.-ING. KURT KIRSTEN
ist Entwicklungsleiter im
­Unternehmensbereich Motorsysteme
bei der Schaeffler Technologies
AG & Co. KG in Herzogenaurach.
DR.-ING. CHRISTOPH BRANDS
ist Leiter Technische Berechnung im
Unternehmensbereich Motorsysteme
bei der Schaeffler Technologies
AG & Co. KG in Herzogenaurach.
MATTHIAS KRATZSCH
ist Fachbereichsleiter
­O tto­m otorenentwicklung bei der
IAV GmbH Ingenieurgesellschaft
Auto und Verkehr in Berlin.
MOTIVATION
Vor dem Hintergrund der Klimaveränderung und der daraus abgeleiteten Forderung nach deutlich vermindertem CO2Ausstoß nimmt die Optimierung der ottomotorischen Prozessführung weiterhin
einen großen Stellenwert ein. Mit der
Umsetzung weiterer Konzepte zur signifikanten CO2- beziehungsweise Verbrauchsreduktion steigen die Anforderungen an
die Ladungswechselkomponenten deutlich. Eine Mehrfach-Ventilhubumschaltung ermöglicht dabei die stufenweise
und zylinderselektive Nutzung unterschiedlicher Potenziale. Durch die Kombination von bis zu drei diskreten Ventilerhebungen können im Teillastbereich
erhebliche Verbrauchseinsparungen er­­
schlossen werden.
Die Möglichkeiten der flexiblen Ventilhubgestaltung kombiniert mit Down­
sizing lassen am Ottomotor Verbrauchsreduktionen bis zu 20 % im Kennfeld und
bis zu 10 % im NEFZ er­­warten. In einem
Gemeinschaftsprojekt von Schaeffler und
IAV wurden die Po­­ten­ziale der zylinderselektiven Mehrfach-Ventilhub­umschal­
tung für einen typischen Vier­zylinderOttomotor mit Turboaufladung anhand
von prüfstandskalibrierten Motorsimu­
lationsmodellen erarbeitet.
VARIABLE VENTILSTEUERUNG –
AUSGEFÜHRTE SYSTEME
MICHAEL GÜNTHER
ist Abteilungsleiter Verbrennung/
Thermodynamik Ottomotoren bei der
IAV GmbH Ingenieurgesellschaft
Auto und Verkehr in Chemnitz.
11I2012 73. Jahrgang
Derzeit in Serie befindliche Beispiele
für eine variable Steuerung der Ventil­
erhebung bei Ottomotoren können in
voll- sowie teilvariable beziehungsweise
in stufenweise schaltbare Systeme ein­
geteilt werden. Auf der Einlassseite reduzieren vollvariable Systeme (Valvetronic
[1], Multi-Air [2]) die Ladungswechsel­­
verluste durch Einstellung einer be­­triebs­
punkt­opti­malen Ventilbetätigung. Demgegenüber stellen teilvariable Systeme,
zum Beispiel eine Zweipunkt-­Umschal­
tung (Vario-Cam Plus [3] oder Audi
­Valvelift System [4]), eine Kompromiss­
auslegung bezüglich der Ventilerhebung
und damit Senkung der Drossel­ver­luste
dar. Schaeffler bietet für die meisten
­Ventiltriebsausführungen eine passende
System­lösung mit den we­­sent­li­chen
K­omponenten und Aktuatoren an, ❶.
Beispiele hierfür sind:
:: Schalttasse (koaxiale Anordnung
zweier Tassen mit einem
Verriegelungsmechanismus)
8 35
TITELTHEMA L adungswechsel
Kennfeldbereich wurden ersatzmodellgestützte, stochastische Optimierungsverfahren eingesetzt. Die finale Bewertung
der unterschiedlichen Ladungswechselstrategien im Motor-Fahrzeug-Verbund
erfolgte in verschiedenen Fahrzyklen
mithilfe der Gesamtfahrzeugsimulation.
VARIANTEN DER
VENTILHUBUMSCHALTUNG
Folgende Kombinationsmöglichkeiten
wurden untersucht:
:: Zweipunkt-Ventilhubumschaltung
aller Zylinder
:: Dreipunkt-Ventilhubumschaltung aller
Zylinder
:: Zylinderabschaltung in Kombination
mit Zweipunkt-Ventilhubumschaltung
:: Zylinderabschaltung in Kombination
mit Dreipunkt-Ventilhubumschaltung.
❶Realisierungsmöglichkeiten mit INA-Schaltelementen
:: schaltbares Abstützelement (konven­
tionelles Element mit der Möglichkeit
einer Leerhubbewegung im Abstützelement)
:: schaltbarer Schlepphebel (elektrohydraulisch betätigte Schlepphebel zur
Realisierung von Hubumschaltung,
Ventil- und Zylinderabschaltung)
:: Schaeffler-Schiebenockensystem (flexib­­
­le und zukunftssichere Systemlösung
zur Realisierung verschiedener thermo­
dynamischer Konzepte im Ventiltrieb).
SIMULATION UND OPTIMIERUNG
DER MEHRFACH-VENTILHUB-­
UMSCHALTUNG
Die Bewertung von Potenzialen komplexer Ventiltriebsstrategien erfordert erweiterte Modellansätze in der Simulation, ❷.
Zur Motorprozesssimulation sind neben
der Entdrosselung insbesondere die Auswirkungen auf die Verbrennung im Mo­­
dell realitätsnah abzubilden. Aufgrund
der Vielzahl an Kombinationen kommt
zur Vorausberechnung der Wärmefrei­
setzung ein quasidimensio­nales Verbrennungsmodell zur Anwendung. Damit
können geänderte Betriebsbedingungen
wie Drehzahl, Last, ­Restgasanteil, Luftverhältnis und Veränderungen der La­­
dungsbewegung effizient bewertet werden. Zur Analyse von Änderungen der
Klopfneigung und der resultierenden
Schwerpunktlage wurde ein ArrheniusAnsatz genutzt. Zur Berücksichtigung
836
der me­­chanischen Verluste kam ein physikalisch basierter Ansatz nach Fischer
zur Anwendung. Damit konnten die geometrischen Einfluss­größen auf die Reibung (Einfluss des Nockentriebs) der zu
untersuchenden Ventiltriebsstrategien
einbezogen werden.
Die Ermittlung der Parameter für den
jeweils besten Kraftstoffverbrauch erfolgte
an stationären Kennfeldpunkten, die sich
aus der Häufigkeitsverteilung für die un­­
tersuchte Motor-Fahrzeug-Kombination
im jeweiligen Fahrzyklus ergaben. Zur
optimalen Auslegung der Ventilerhebungen und der Steuerzeiten bei einer Vielzahl
an möglichen Varianten im relevanten
ZWEIPUNKT-/DREIPUNKTVENTILHUBUMSCHALTUNG ALLER
ZYLINDER
Die am häufigsten genutzten Kennfeldpunkte des Motors sind abhängig vom
Fahrzeugtyp und der zugehörigen Getriebeabstufung. Wie ❸ zeigt, ergibt sich im
NEFZ ein hoher Anteil an niedrigen Lastpunkten. Zur Auslegung eines bestmög­
lichen Teilhubs wurde nach der Optimierung der stationären Kennfeldpunkte über
die Häufigkeitsverteilung im Fahrzyklus
ein Kompromissnocken er­­mittelt. Die
Steuerzeiten wurden so ge­­wählt, dass sich
bei allen Varianten ein maximal möglicher Restgasanteil einstellt. Dem Verlust
an Ladungsbewegung beziehungsweise
❷Modelle zur Vorausberechnung und Werkzeug zur Optimierung
100
❸Betriebspunkthäufigkeiten und Verbrauchs­
potenziale im NEFZ (ZAS: Zylinderabschaltung)
90
Umschaltung ZAS auf Vollmotor
Beginn Klopfneigung ZAS
80
60
50
t [%]
40
10
Kraftstoffverbrauch [l/100 km]
Effektiver Mitteldruck [%]
70
8
6
30
4
2
20
0,8
0,4
10
0
500
0
1000
1500
2000
2500
3000
-5,7 %
-6 %
Basis
Zweipunkt
Dreipunkt
3500
4000
4500
-11,4 % -10,2 % -9,5 %
Zwei- Vollmotor ZAS
punkt
im
n>
(ZAS) Leerlauf 1500/min
5000
5500
6000
Drehzahl [1/min]
Turbulenz infolge der Reduktion des Ventilhubs und des frühen Einlassschlusses
wurde durch geeignete Maßnahmen so
entgegengewirkt, dass ein Restgasanteil
von 25 % unter Einhaltung der geforderten Laufruhe möglich war. Damit konnten
die ausgewiesenen Potenziale, zusätzlich
zu den bereits bekannten Einsparungen
durch Ventilüberschnitt, nachgewiesen
werden. Mit optimalem Ventilhub ergab
sich ein Verbrauchspotenzial von 5,7 %
im Streckenprofil des NEFZ, ③.
Zur Bewertung der Dreipunkt-Ventil­
hubumschaltung aller Zylinder sind zwei
Kompromissnocken für den NEFZ-relevanten Kennfeldbereich notwendig. Die
damit erreichbare weitere Reduzierung
des Kraftstoffverbrauchs von 0,3 % fiel
vergleichsweise gering aus. Einerseits
begrenzen bei sehr geringen Lasten die
Kompressionsverluste die weitere Verringerung des Ventilhubs, andererseits sind
die Potenziale zur weiteren Entdrosselung
eines bereits downgesizten Motors im
mittleren Lastbereich naturgemäß gering.
ZYLINDERABSCHALTUNG
Der gleichzeitige Einsatz der ZweipunktVentilhubumschaltung auf der Ein- und
Auslassseite ermöglicht eine Zylinder­
abschaltung (ZAS). Die maximal mög­
liche Last, bei der im ZAS-Betrieb die
befeuerten Zylinder wirkungsgradoptimal
(αQ50= 8 °KW n. OT) betrieben werden
können, ist in ③ dargestellt. Bei weiterer
Laststeigerung muss die Verbrennungsschwerpunktlage infolge Klopfen nach
spät verstellt werden. Es stellt sich genau
dann der korrekte Umschaltpunkt zum
Vollmotor ein, wenn im Zweizylinder­
betrieb der Nachteil durch späte Verbrennungslagen den Wirkungsgradvorteil
durch Entdrosselung kompensiert.
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11I2012 73. Jahrgang
Mit einer Zylinderabschaltung ergeben
sich bei Anwendung auf alle Betriebspunkte im NEFZ Vorteile im StreckenKraftstoffverbrauch bis zu 11,4 %. Am
Vierzylinder­­motor zeigen sich bei ZASBetrieb jedoch Komfortnachteile im Leerlauf (LL) und leer­laufnahen Bereich.
Konzeptabhängig ist deshalb in diesem
Bereich ein Vollmotorbetrieb erforderlich, der das nutzbare ZAS-Potenzial
wieder reduziert. Darüber hinaus kann
der verbleibende Verbrauchsvorteil durch
die Applikationsgüte der Umschaltvorgänge weiter sinken, ③.
ZYLINDERSELEKTIVE MEHR­­FACHVENTILHUBUMSCHALTUNG
Eine zylinderselektive Mehrfach-Ventilhubumschaltung erfordert die zylinderindividuelle Auslegung der Nocken für je
zwei Zylinderpaare in unterschiedlichen
T L Engineering GmbH, Schönaustr. 11, 65201 Wiesbaden
[email protected] - www.tlengineering.de
Tel.: 0611-4060616 - Fax: 0611-4060617
8 37
TITELTHEMA L adungswechsel
100
90
80
Umschaltung von Vollmotor-Teilhub auf Vollmotor-Vollhub
Umschaltung von ZAS-Vollhub auf Vollmotor-Teilhub
Umschaltung von ZAS-Teilhub auf ZAS-Vollhub
60
50
IV
t [%]
10
8
40
Kraftstoffverbrauch [l/100 km]
Effektiver Mitteldruck [%]
70
III
6
4
30
2
20
II
0,8
0,4
10
-10,2 %
Basis
0
I
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
-10,5 %
-11,2 %
Zweipunkt- Dreipunkt- Dreipunkt-ZAS
ZAS
ZAS
(Bereich I - III)
ohne LL
(Bereich I)
4000
4500
5000
5500
6000
Drehzahl [1/min]
❹Ventilhubvarianten und Verbrauchspotenzial der zylinderselektiven Mehrfach-Ventilhubumschaltung im NEFZ
100
90
80
Umschaltung von Vollmotor-Teilhub auf Vollmotor-Vollhub
Umschaltung von ZAS-Vollhub auf Vollmotor-Teilhub
Umschaltung von ZAS-Teilhub auf ZAS-Vollhub
60
50
t [%]
140
8
40
2
0,8
0,4
10
KUNDENNAHER
VERBRAUCHSZYKLUS
3
80
60
40
20
0
0
0
0
500
2
100
4
20
1
120
6
30
Hyzem-Fahrzyklus
160
10
Geschwindigkeit [km/h]
Effektiver Mitteldruck [%]
70
1000
1500
2000
2500
3000
3500
500 1000 1500 2000 2500 3000
Zeit [s]
4000
4500
5000
5500
6000
Drehzahl [1/min]
❺Hyzem-Fahrprofil und Häufigkeitsverteilung
Kennfeldbereichen. Die ständig befeuerten Zylinder benötigen eine optimale
Zweipunkt-Umschaltung (Teilhub/Vollhub) und die abschaltbaren Zylinder
eine Dreipunkt-Umschaltung (Nullhub/
Teilhub/Vollhub), ❹. Zunächst war
der Teilhub­nocken für den ZAS-Fall
(Bereich I in ④) zu optimieren. Aufgrund
des bereits hohen Entdrosselungsgrads
838
­notwendig. Am Lastpunkt, der zum
­Um­­schalten in den Vierzylinder­betrieb
zwingt, muss wieder angedrosselt werden. In Abhängigkeit vom Brennver­
fahren ergibt sich der Kennfeldbereich,
in dem der Motor im Vierzylinderbetrieb
zur Vermeidung der Drosselverluste mit
einem weiteren Teilhubnocken betrieben
werden sollte (Bereich III in ④). In diesem Kennfeldsegment stellen sich mit der
gewählten Motor-Fahrzeug-Kombination
Ge­­schwindigkeiten von 80 bis 120 km/h
ein. Trotz der geringen Häufigkeit der
Betriebspunkte im NEFZ ergibt sich
­aufgrund der größeren Kraftstoffdurchsätze mit einem speziell dafür optimierten Teilhub ein zu­­sätzliches Verbrauchs­
potenzial von 0,7 %, was ein Gesamt­
verbrauchspotenzial im NEFZ von
11,2 % ergibt, ④.
Zur Vereinfachung des Systems sollten
aber beide Teilhubnocken gleich ausgeführt sein. Bei Beschränkung auf einen
gemeinsamen Teilhub für den Zwei- und
Vierzylinderbetrieb reduziert sich das
­Po­­tenzial gegenüber der Verwendung eines für jede Betriebsart o
­ ptimalen Ventilhubs geringfügig. Das Gesamt­ver­brauchs­­
potenzial der zylinderselektiven Mehrfach-Ventilhubumschaltung im NEFZ
­beträgt somit 11 %, wobei sich ein zusätzliches Potenzial gegenüber dem reinen
ZAS-Betrieb von lediglich 0,8 % ergibt.
in diesem Bereich stellten sich Ventilhübe zwischen 5,1 und 9 mm ein.
④ stellt den zusätzlichen Verbrauchs­
vorteil bei Verwendung ei­nes Teilhub­
nockens bei Anwendung der ZAS dar.
Um alle Potenziale zu erschließen,
waren weitere Optimierungen für den
mittleren beziehungsweise höheren
­Ge­­schwindigkeits­bereich des NEFZ
Zur Bewertung der Strategien unter kundentypischen Bedingungen wurde als
­al­­ternatives Fahrprofil der sogenannte
Hy­­zem-Zyklus, bestehend aus einem
Stadt-, Überland- sowie Autobahnabschnitt, ge­­wählt, ❺. Die häufigen und
dynamischen Lastwechsel bilden ein
typisches Pendlerverhalten im realen
Straßenverkehr ab. Die resultierenden
Häufigkeitsanteile der betrachteten
Motor-Fahrzeug-Kombination verlagern
sich im Hyzem-Zyklus hin zu größeren
Lasten. Die ermittelte Verbrauchsreduzierung bei Anwendung einer ZAS ist in
❻ dem NEFZ-Potenzial gegenübergestellt. Es wird ersichtlich, dass sich das
Verbrauchspotenzial der Zweipunkt-Ventilhubumschaltung mit ZAS im HyzemZyklus deutlich verringert. Mit einem
speziell dafür optimierten Teilhub kann
jedoch im kundennahen Fahrprofil eine
signifikant höhere Verbrauchsreduzierung von 4,1 % gegenüber dem reinen
NEFZ
-10,2 %
-11 %
-3,3 %
-7,4 %
Kraftstoffverbrauch [l/100 km]
100 %
Hyzem
❻Einfluss des
Basis
Zweipunkt
(ZAS ohne LL)
Dreipunkt
(zylinderselektiv)
ZAS-Betrieb erzielt w
­ erden, ⑥. Die
zylinderselektive Mehrfach-Ventilhub­
umschaltung bietet damit die Möglichkeit, Wirkungsgradpotenziale auch
außerhalb des aktuell gültigen NEFZ
zu realisieren.
ZUSAMMENFASSUNG
UND AUSBLICK
Mithilfe der Zwei- beziehungsweise Dreipunkt-Ventilhubumschaltung aller Zylinder sind im NEFZ Verbrauchspotenziale
von 5,7 beziehungsweise 6 % erschließbar. Deutlich größere Vorteile ergeben
sich mit zylinderselektiver MehrfachVentilhubumschaltung. Mit der Kombination aus Zweistufigkeit auf einer Zylindergruppe und Dreistufigkeit auf der
zweiten Zylindergruppe lässt sich der
Kraftstoffverbrauch im NEFZ um 11 %
reduzieren. Allerdings ist das zusätz­
liche Potenzial von 0,8 % gegenüber der
reinen ZAS relativ gering. Bei der An­­
wendung eines kundentypischen Fahrprofils vergrößert sich dieser Vorteil auf
Zweipunkt
(ZAS ohne LL)
Dreipunkt
(zylinderselektiv)
Testzyklus auf das
Verbrauchspotenzial bei Zylinderabschaltung sowie
zylinderselektiver
Mehrfach-Ventilhubumschaltung
4,1 %, wodurch im realen Fahrbetrieb ein
signifikanter Minderverbrauch für den
Kunden spürbar wird. Bei darüber hinausgehender Nutzung der zylinder­selek­
tiven Mehrfach-Ventilhubumschaltung
bis in den Volllastbereich hinein entsteht
ein für einen modernen Verbrennungsmotor mit Turboaufladung her­­vorra­
gendes Ventiltriebskonzept, welches
auch für kleine Vierzylindermotoren im
Volumensegment sehr gut geeignet ist.
LITERATURHINWEISE
[1] Liebl, J.; Klüting, M.; Poggel, J.; Missy, S:
Der neue BMW Vierzylinder-Ottomotor mit Valve­
tronic, Teil 2: Thermodynamik und funktionale
Eigen­s chaften. In: MTZ 62 (2001), Nr. 7/8
[2] Bernard, L.; Ferrari, A.; Micelli, D.; Perotto, A.;
Rinolfi, R.; Vattaneo, F.: Elektrohydraulische Ventilsteuerung mit dem „MultiAir“-Verfahren. In: MTZ 70
(2009), Nr. 12
[3] Beer, M.; Held, W.; Kerkau, M; Rehr, A.: Der
neue Motor des Porsche 911 Turbo. In: MTZ 61
(2000), Nr. 11
[4] Wurms, R.; Dengler, S.; Budack, R.; Mendl, G.;
Dicke, T.; Eiser, A.: Audi valvelift system – ein neues
innovatives Ventiltriebssystem von Audi. 15. Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik,
2006
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Bei der Erstellung des Beitrags haben zudem
die Herren Eggerath und Nitz von INA Schaeffler
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sowie die Herren Elsner und Spannaus von der
IAV in Chemnitz mitgewirkt.
11I2012 73. Jahrgang
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