Innovative Ventilhubverstellung optimiert Hybridantriebe

7 Januar. 2021 l Carola Borovnik

Die innovative Ventilhubverstellung - oder wie wir es nennen: das Presta-Sequential-SlideCam-System - macht den Verbrennungsmotor sparsamer und zukunftssicher.

In Verbindung mit einer konsequenten Hybridisierung und Elektrifizierung ist die Karriere des mehr als 150-jährigen Antriebs noch lange nicht zu Ende. Namhafte Automobilhersteller entwickeln gerade neue Generationen von Triebwerken, die weltweit zum Einsatz kommen werden. Neue Aggregate werden gezielt für die Kombination mit Elektromotoren in Plug-in-Hybridfahrzeugen optimiert und können daher in effizienteren Lastbereichen laufen. Gute Aussichten also für eine Weiterentwicklung von thyssenkrupp Automotive für den Ventiltrieb: Das Presta-Sequential-SlideCam-System macht den Verbrennungsmotor sparsamer und zukunftssicher – und ist darüber hinaus auch noch kompakt und kostengünstig.

Serienmäßig umweltfreundlich

Die innovative Ventilhubumschaltung verbindet die robuste Schiebenockentechnologie mit einer einfachen Ansteuerung. Das System ist nach umfangreichen Erprobungen und Absicherungen serienreif und kann ohne großen Aufwand appliziert werden. Es eignet sich auch ideal, um den Verbrennungsmotor bei Hybridantrieben noch effizienter und damit umweltfreundlicher zu betreiben.

Zu den zahlreichen Stellschrauben, mit denen sich ein Verbrennungsmotor optimieren lässt, gehört auch der Ventiltrieb. Eine variable Ventilhubverstellung erzielt gleich mehrere Vorteile: Im Alltageinsatz bereits vielfach erprobt ist die Zylinderabschaltung. Im Teillastbereich werden je nach angeforderter Leistung die Ein- und Auslassventile über eine Ventilhubverstellung geschlossen. Die verbleibenden Zylinder laufen so unter höherer Last und damit effizienter.

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Ebenfalls serienmäßig an Bord ist in einigen Triebwerken eine variable Ventilsteuerung, die eine zweistufige Verstellung des Ventilhubs auf der Einlassseite des Ventiltriebs ermöglicht. Mit einem kürzeren Ventilhub lässt sich im Teillastbereich bedarfsgerecht und effizient Frischluft zuführen, so dass Drosselverluste vermieden werden. In höheren Lastbereichen wird auf den großen Ventilhub umgeschaltet, um die volle Leistungsentfaltung des Aggregats zu ermöglichen.

Alternative zu konventionellen Schiebenocken

Grundlage aller Systeme ist die am Markt etablierte Schiebenockentechnologie. Sie zeichnet sich durch ihre mechanische Robustheit und zyklustreue Funktionsweise aus.

Eine Integration der konventionellen Schiebenockentechnologie ist jedoch nicht für alle Motorarchitekturen möglich. Es werden ein oder zwei Aktuatoren je Schiebeelement benötigt, welche direkt an der Nockenwelle montiert sein müssen. Das bedeutet: Im Motorraum muss ausreichend Platz zur Verfügung stehen, um die Technologie im Zylinderkopf unterbringen zu können. Moderne Motoren haben in direkter Nähe zur Nockenwelle bereits zahlreiche Komponenten, wie die Kurbelgehäuseentlüftung oder die angrenzende Frischluftführung, die Bauraum in Anspruch nehmen. Außerdem sind die Kosten für die Aktuatoren und ihre Ansteuerung in preissensiblen Fahrzeugklassen ein weiterer, entscheidender Faktor, ob sich der Mehraufwand lohnt, oder die Effizienzsteigerung nicht mit einer anderen Technologie günstiger erreicht werden kann.

Die zündende Idee

„Wir haben uns überlegt, was man alles weglassen kann, um die Ventilhubumschaltung gleichermaßen funktionell wie einfach zu gestalten“, erklärt Dr.-Ing. Heiko Neukirchner, Bereichsleiter Forschung und Entwicklung bei thyssenkrupp in Chemnitz. „Die Grundüberlegung war, mit nur einem Aktuator pro Nockenwelle auszukommen. Doch wie könnten dann die übrigen Schiebelemente angesteuert werden?“

Die zündende Idee hatten Marcel Weidauer und Jens Schirmer. Der Schaltvorgang der einzelnen Schiebeelemente wird über eine Schaltstange mechanisch gekoppelt. Größter Vorteil: Für den Schaltvorgang ist tatsächlich nur ein Aktuator erforderlich. Alle Komponenten können in den Zylinderkopf integriert werden und benötigen keinen zusätzlichen Bauraum außerhalb der Zylinderkopfhaube.

Das System ist prinzipiell für alle Verbrennungsmotoren mit mindestens zwei Zylindern in Reihe geeignet. Der Name: Presta Sequential SlideCam (PSSC) System. Besonders für Dreizylindermotoren sowie R6­, V6­ und V12­Motoren ergibt sich ein hoher Mehrwert aufgrund des Zündversatzes. Für die Integration des Systems werden nur wenige Komponenten für jeweils eine Nockenwelle benötigt: ein Aktuator, ein Primärnocken, zwei Sekundärnocken, eine Schaltstange mit Kopplungspins und eine Sperrscheibe. Aber auch für Vierzylindermotoren ist das System bereits simuliert und wird aktuell erprobt.

Und so funktioniert‘s:

Zum definierten Zeitpunkt wird während der Drehung der Nockenwelle der Aktuatorpin aktiviert. Er erhält Kontakt mit der Führungsnut und verschiebt dann den Primärnocken, der von der Zahnwelle geführt wird, in axialer Richtung. Die Betätigung des Pins erfolgt üblicherweise elektromagnetisch.

Die aus dem Pin­Nut­Kontakt resultierende Axialbewegung des Primärnockens wird mithilfe einer zusätzlichen umlaufenden Nut und einem Kopplungspin auf die Schaltstange übertragen. In Verbindung mit der im Zylinderkopf axial gelagerten Sperrscheibe ist die Schaltstange das Schlüsselbauteil im System, weil sie weitere Aktuatoren überflüssig macht. Die Schaltstange ist in einer Führung im Zylinderkopf gelagert. Um in unbelasteten Zuständen in Position zu bleiben, ist diese, wie die Schiebenocken, durch eine Arretierung fixiert.

Die sequentielle Schaltung der Sekundärnocken erfolgt entsprechend der Zündfolge phasenversetzt zum Primärnocken, indem es zum Kontakt zwischen den Kopplungspins der Schaltstange und den Steuernuten der Sekundärnocken kommt. Die Kopplungspins werden nur in Richtung der Nockenwellenachse verschoben und ändern ihre radiale Position nicht. Die Nutkonturen der Sekundärnocken sind so ausgeführt, dass während der Schaltung des Primärnockens und der Schaltstange keine Kraftübertragung zwischen Schaltstange und Sekundärnocken erfolgt. Damit umgekehrt die Schaltkräfte der Sekundärnocken nicht auf den Primärnocken übertragen werden, ist auf der Nockenwelle eine Sperrscheibe montiert. Diese nimmt die Schaltkräfte der Sekundärnocken auf, die von der Schaltstange übertragen werden. Die Sperrscheibe ist axial im Zylinderkopf gelagert, sodass die Kräfte direkt abgeleitet werden. Um die Verschiebung der Schubstage während der Bewegung des Primärnockens zu gewährleisten, ist eine entsprechende Aussparung an der Sperrscheibe vorgesehen.

Die Schaltung aller Schiebenocken erfolgt innerhalb einer Umdrehung der Nockenwelle. Da der konventionelle elektrische Aktuator des Primärnockens, beispielsweise über den Rückwurf des Schaltpins, ein Signal an das Steuergerät senden kann und das gesamte Umschaltsystem mechanisch zwangsgesteuert ist, kann der Schaltvorgang aller Ventile elektronisch erfasst und verarbeitet werden.

Die Bewegung der Schaltstange ist freigegeben, solange der Primärnocken und die Schaltstange selbst verschoben werden. Sobald diese Bewegung abgeschlossen ist, erfolgt die Sperrung der Schaltstange in axialer Richtung durch die Sperrscheibe, und die Schaltvorgänge der Sekundärnocken können ablaufen. Dabei stehen für den Schaltvorgang eines Schiebeelementes etwa 120° Nockenwinkel zur Verfügung. Je nach Länge der Nockenprofile und gezielter Überlappung der Schaltbereiche der beiden Sekundärnocken ist es möglich, den verfügbaren Schaltwinkel je Nockenelement auf bis zu 160° Nockenwinkel zu vergrößern. Damit werden die Schaltkräfte reduziert und die maximale Schaltdrehzahl des Systems erhöht.

Fazit: Sparsame und zukunftssichere Verbrennungsmotoren durch PSSC

Mit dem von thyssenkrupp entwickelten PSSC-System ist es gelungen, die robuste Schiebenockentechnologie mit einer sehr einfachen Ansteuerung zu kombinieren, die sich leicht in bestehende Zylinderkopfarchitekturen integrieren lässt. Verglichen mit einer konventionellen Schiebenockenanwendung spart das System Bauraum, Gewicht, Kabel und Dichtungen. Zusätzlich werden die Anforderungen an das Motorsteuergerät gesenkt.

Weiterer Vorteil, der das System noch zukunftssicherer macht: Es lassen sich bei Bedarf auch alle Ventile deaktivieren und damit der Verbrennungsmotor ganz abschalten. Dies ist besonders für P0- oder P1-Hybridantriebe bedeutsam, um den uneffektiven Ladungswechsel in Rollphasen zu stoppen. Dadurch wird das Bremsmoment des Verbrennungsmotors reduziert und eine erhöhte Rekuperationsleistung des Elektromotors ermöglicht. Eine weitere positive Folge ist, dass das Abgasnachbehandlungssystem in Schubphasen nicht mit Frischluft beaufschlagt wird, da diese empfindlichen Systeme stets ein stöchiometrisches Abgas benötigen, um effektiv zu arbeiten. Andere Konfigurationen, wie die Hubumschaltung an nur einer Nockenwelle oder ein dreistufiges System sind ebenfalls umsetzbar.

Hier noch einmal die Vorteile auf einen Blick:

  • Geringeres Systemgewicht

  • Nur ein Aktuator je Nockenwelle notwendig

  • Einsparung von Kabel und Dichtungen

  • Geringe Bauraumanforderung

  • System kann unter einer bestehenden Kurbelgehäuseentlüftung installiert werden

  • Umsetzung in diversen Zylinderkopfarchitekturen möglich

  • System steht für die Applikation in einem künftigen Serienmotor bereit