P R E S S E M I T T E I L U N G

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1 P R E S S E M I T T E I L U N G Technik-Information Optimierungsfeld Thermodynamik Effizientere Motoren durch Variabilität im Ventiltrieb Lösungen für einen optimierten Ladungswechsel Stuttgart, September 2009 Künftige Verbrennungsmotoren müssen noch kompakter, leichter, sparsamer und sauberer sein. Die Beatmung der Zylinder der Ladungswechsel nimmt dabei eine Schlüsselrolle ein. MAHLE hat eine Reihe von Lösungen für den Ventiltrieb entwickelt, die den Ladungswechsel optimieren. Gemeinsame Merkmale dieser Lösungen sind eine höhere Variabilität im Ventiltrieb und eine bessere Anpassung der Beatmung an den aktuellen Betriebszustand des Motors. Neben verringertem Verbrauch, reduziertem CO 2 -Ausstoß sowie niedrigeren NO x -Emissionen lässt sich das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich verbessern, so dass auch kompakte, hoch effiziente Motoren gut fahrbar sind. Ottomotoren sind heute sparsamer und leistungsstärker als je zuvor. Und dennoch ist der Ottomotor noch längst nicht ausgereizt. Durch eine immer bessere und vor allem variablere Steuerung der Abläufe vor, während und nach der Verbrennung ist es möglich, Ottomotoren weiter zu optimieren. Gleichzeitig können diese Motoren im Verhältnis zu ihrem Gewicht und ihrer Größe mehr leisten, oder bei gleicher Leistung leichter und kompakter bauen. Besonders wichtig ist dabei ein minimaler Kraftstoffverbrauch bei sauberer Verbrennung. Damit solche Motoren in großen Stückzahlen Akzeptanz finden, müssen sie bei aller Effizienz gut fahrbar und kostengünstig bleiben: Dazu gehört, dass sie auch bei niedrigen Drehzahlen genügend Drehmoment liefern, um ein Fahrzeug wunschgemäß zu beschleunigen. Fortschritte lassen sich hier durch eine präzisere Steuerung der Abläufe im Ventiltrieb erreichen. Dabei werden der Zufluss von Frischluft in die Zylinder wichtige Voraussetzungen für die Verbrennung sowie für den anschließenden Ausstoß von Verbren- 1/6

2 nungsgasen einschließlich deren Nutzung für die Abgasrückführung (AGR) und die Abgasturboaufladung zu jedem Zeitpunkt an die Fahrsituation angepasst. Ein weiteres Merkmal der MAHLE Lösungen in diesem Bereich der Thermodynamik ist es, dass sie sich mit nur geringen Änderungen in bisherige Motorenkonzepte integrieren lassen. Mit anderen Worten: Diese Lösungen sind schnell verfügbar, bieten dank geringer Anpassungskosten ein günstiges Verhältnis von Aufwand zu Ergebnis und reduzieren deutlich den Verbrauch des Motors: In intelligenter Kombination an den jeweils unterschiedlichen Motorenkonzepten lassen sich mit den hier vorgestellten MAHLE Technologien Verbrauchseinsparungen von bis zu 17 Prozent realisieren. Sowohl für konventionelle Fahrzeugkonzepte als auch für neuartige Antriebskonzepte wie Hybridfahrzeuge werden hoch effiziente Ottomotoren und auch weiter optimierte Dieselmotoren als Antriebstechnologie für die individuelle Mobilität gebraucht. Optimale Ventiltriebstechnologie ist dafür eine fundamentale Voraussetzung. CamInCam -Technologie: zwei Nockenwellen in einer Für relativ einfach konstruierte Ottomotoren mit oben liegendem Ventiltrieb und einer zentralen Nockenwelle im Motorblock (overhead valve train, OHV), oder einer oben liegenden Nockenwelle im Zylinderkopf (single overhead camshaft, SOHC) gab es früher keine Möglichkeit, die Öffnungszeiten für die Einlass- und Auslassventile unabhängig anzupassen. Die Steuerzeiten sind starr und damit immer ein Kompromiss hinsichtlich hoher Nennleistung oder niedrigem Verbrauch. Da es solche Motoren in großer Zahl und vielfach auch mit großem Hubraum gibt, würde sich eine zusätzliche Freiheit der Steuerzeiteneinstellung schnell und merklich auf den CO 2 -Ausstoß ganzer Fahrzeugflotten auswirken. MAHLE hat mit der CamInCam -Technologie (CIC) erstmals eine variable Ventilsteuerung auch für solche Motoren ermöglicht und bei Chrysler im Sportwagen Dodge Viper in die Serie gebracht. 2/6

3 Zudem kann man mit der CIC-Technologie auf der Auslassseite moderner, turboaufgeladener Vierzylindermotoren das Ansprechverhalten des Turboladers verbessern. Hingegen, auf der Einlassseite eines Motors mit Vierventiltechnik eingesetzt, kann die CIC dazu dienen, die beiden Einlassventile unterschiedlich anzusteuern, um einen lastabhängig variablen Drall im Luftstrom zu erzeugen, der die Durchmischung des Luft-Kraftstoffgemischs und damit die nachfolgende Verbrennung optimiert. Bei der CamInCam -Technologie werden zwei Nockenwellen ineinander gebaut: Die Außenwelle ist ein Rohr mit feststehenden Nocken. In diesem Rohr befindet sich eine Innenwelle, die mit verstellbaren Nocken auf dem Außenrohr verbunden ist. So lassen sich Einlass- und Auslassnockenpaare unabhängig voneinander in ihrer Winkelposition ansteuern. Im Vergleich zu zwei herkömmlich gebauten Nockenwellen sinkt zusätzlich das Gewicht um rund 30 Prozent. Außerdem muss nur noch eine Nockenwelle gelagert werden die zweite Lagergasse entfällt und damit auch die Reibleistung dieser Lagerung. Und letztlich: Innerhalb des Bauraums einer Nockenwelle werden zwei integriert. Die Steuerzeiten werden variabel. Mit dieser Variabilität lassen sich mehrere Ziele erreichen: Weil sich bei der CIC-Nockenwelle die Ein- und Auslasszeiten unabhängig voneinander verstellen lassen, kann man beispielsweise bei Volllast die Einlassventile öffnen, während die Auslassventile noch offen sind. Bei dieser großen Überschneidung der Ventilöffnungszeiten (Ventilüberschneidung) spült frische Luft das Restgas der Verbrennung aus dem Zylinder und kühlt dabei den Brennraum. Dieser auch als Scavenging (engl. sinngemäß für: spülen) bezeichnete Effekt lässt sich dazu nutzen, höhere Drehmomente zu erreichen. In der Teilllast kann durch optimierte Steuerzeiten dagegen die interne Abgasrückführrate (AGR-Rate) erhöht werden. Durch die hohe im Zylinder verbleibende Abgasmenge wird der Motor thermisch entdrosselt, was zu einer Verbrauchsabsenkung bei gleichzeitiger Absenkung der NO x -Emissionen führt. 3/6

4 An einem SOHC-Reihenvierzylindermotor europäischer Bauart, wie er heute tausendfach in Fahrzeugen eingesetzt wird, hat MAHLE nach Umrüstung auf CIC-Nockenwelle auf dem befeuerten Prüfstand folgende Verbesserungen gemessen: 16 Prozent höhere Maximalleistung, 7,5 Prozent mehr maximales Drehmoment, 3 8 Prozent Kraftstoffersparnis und im Mittel um 5 Prozent weniger CO 2 -Ausstoß (= von 133 g/km auf 126 g/km), deutlich reduzierte NO x -Emissionen, kürzere Ansprechzeit des Katalysators beim Kaltstart. Bei einem amerikanischen Achtzylinder-V-Motor mit OHV ließen sich nach der Umrüstung auf CIC eine Drehmomentsteigerung um neun Prozent und bis zu sieben Prozent Kraftstoffersparnis erzielen. Installiert man die CIC bei turboaufgeladenen Vierzylinder- Vierventilmotoren auf der Auslassseite, kann man die Variabilität des Ventiltriebs dazu nutzen, um bei niedrigen Drehzahlen (bei einem drohendem Turboloch ) bei großer Ventilüberschneidung das Auslassventil später zu öffnen und damit den Druckstoß des Abgases nach spät zu verschieben. Da die Ventilöffnungszeit kürzer bemessen ist als der Zündabstand des Motors (180 ), gelangt der Druckstoß des in der Zündfolge nächsten Zylinders nicht mehr in den bereits gespülten Brennraum, sondern direkt auf die Turbine des Turboladers. In Kombination mit der Spülluftzufuhr wird der Gesamtmassenstrom größer der Turbolader spricht früher an, und der Motor erzeugt schon bei niedrigen Drehzahlen hohe Drehmomente, wie sie bisher nur mit kostenintensiven Twinscroll Turboladern oder zweistufigen Aufladesystemen realisierbar waren. Durch Einsatz von relativ großen Turboladern und einer auslassseitigen CIC wird gleichzeitig eine hohe Motorleistung erzielt. Dadurch ergeben sich weitere Potenziale zum Downsizing und Downspeeding (Drehzahlabsenkung) von aufgeladenen Ottomotoren, wodurch sich die CO 2 -Emissionen weiter absenken lassen. 4/6

5 Zylinderabschaltung Im Teillastbereich ist die Abschaltung einzelner Zylinder ein wirkungsvolles Mittel, um vor allem bei Motoren mit hoher (und gerader) Zylinderzahl den Verbrauch zu senken. Grundsätzlich birgt die Zylinderabschaltung aber auch für Vierzylindermotoren Potenzial. Dabei bleiben die betreffenden Ventile geschlossen, und es wird kein Kraftstoff in die still gelegten Zylinder eingespritzt. Für die abgeschalteten Zylinder muss daher auch keine Ventilbetätigungskraft aufgewendet werden, d.h. die Reibungsverluste des Motors verringern sich. Die übrigen Zylinder werden in einem höheren Lastpunkt betrieben, bei dem der Wirkungsgrad der Verbrennung besser ist. Gleichzeitig wird der Ansaugvorgang entdrosselt, und die Zündbedingungen verbessern sich. Dadurch ergeben sich Verbrauchsabsenkungen von bis zu elf Prozent im Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) bei Sechs- und Achtzylindermotoren. Der dafür eingesetzte, schaltbare Rollenschlepphebel zur Zylinderabschaltung wurde bei MAHLE entwickelt. Anders als herkömmliche Rollenschlepphebel ist er aus zwei Hebelarmen aufgebaut. Im aktiven, verriegelten Zustand arbeitet diese Komponente wie ein konventioneller Rollenschlepphebel. Im deaktivierten Zustand jedoch ist der Koppelbolzen zwischen den beiden Hebelarmen geöffnet, der sonst als Verriegelung dient, und es findet keine Kraftübertragung mehr vom Nocken auf das Ventil statt. Dennoch besteht immer ein Rollenabgriff zwischen Nocken und Hebel. Das ist insofern wichtig, als auf diese Weise am Abgriff immer eine gleichmäßige und physikalisch bedingt geringe Reibung herrscht. Der MAHLE Konzern zählt zu den 30 größten Automobilzulieferern und ist der weltweit führende Hersteller von Komponenten und Systemen für den Verbrennungsmotor und dessen Peripherie. MAHLE beschäftigt rund Mitarbeiter an über 100 Produktionsstandorten und in acht Forschungs- und Entwicklungszentren erzielte MAHLE einen Umsatz von über 5 Mrd. EUR (7,3 Mrd. USD). 5/6

6 Für Rückfragen: MAHLE GmbH Birgit Albrecht Zentrale Unternehmenskommunikation/Öffentlichkeitsarbeit Pragstraße Stuttgart Telefon: +49 (0) 711/ Fax: +49 (0) 711/ /6