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Statt Nockenwellensteuerung: Neuer Ventiltrieb spart 20 Prozent Treibstoff

Der an der schweizerischen Empa erfundene elektro-hydraulische Ventiltrieb »FlexWork« erlaubt die freie Verstellbarkeit von Hub und Steuerzeiten und spart in typischen PKW-Betriebszuständen gegenüber Nockenwellen-gesteuerten Motoren bis zu 20 % Treibstoff.

FlexWork Bildquelle: © Empa

Schnittzeichnung des FlexWork-Ventiltriebs.

Per Ventriltreb wird in Verbrennungsmotoren die Zufuhr von Frischluft und die Abgasableitung gesteuert, wobei heutige Serienmotoren für diesen Antrieb Nockenwellen sowie aufwändige Zusatzmechaniken einsetzen. Patrik Soltic und sein Team von der Abteilung Fahrzeugantriebssysteme der Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa)  und der Hydraulikspezialist Wolfgang Schneider fragten sich, ob das nicht robuster, einfacher, preiswerter und flexibler ginge. Um Flexibilität auch hinsichtlich der eingesetzten Treibstoffe zu gewinnen, sind schnelle Ventilbewegungen auch bei niedrigen Drehzahlen, Hubanpassungen sowie zylinderselektive variable Ventilsteuerzeiten gefragt.

Elektro-Hydraulische Ventilansteuerung

Die Gaswechselventile werden im neuen Konzept hydraulisch betätigt und einzeln über eine Magnetspule elektrisch angesteuert. Sobald ein Steuerstrom fließt, öffnet sich ein speziell ausgelegtes Hydraulikventil, durch das 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 erreicht über weite Betriebsbereiche dabei einen deutlich geringeren Energiebedarf als nockenwellengetriebene Systeme.

Zusammen mit einem optimierten Gaswechsel ist der Treibstoffverbrauch des Versuchs-Ottomotors im für Personenwagen typischen Tieflastbereich rund 20 Prozent geringer als bei klassischer Laststeuerung mittels Drosselklappe in Kombination mit einer Ventilsteuerung über Nockenwellen.

Öffnungs- und Schließziet sowie der Ventilhub für jeden Zylinder können 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.

Geeignet für vielerlei Kraftstoffe

Dies macht den Motor geeignet für erneuerbare Treibstoffe wie Methanol oder Ethanol, die es erlauben, mehr Restgas im Zylinder zu belassen. Erdgas, Biogas und das aus Wind- und Solarstrom erzeugte Synthesegas, besitzen erhöhte Klopffestigkeit, auf die der Ventiltrieb flexibel reagieren kann. Zudem lassen sich auch alternative Verbrennungskonzepte einfach realisieren, zum Beispiel eine homogene Selbstzündung, bei der ein Treibstoff-Luft Gemisch durch die Einstellung der korrekten Bedingungen gegen Verdichtungsende im richtigen Moment ohne Zündfunken selbst entflammt und praktisch schadstofffrei verbrannt.