Schlüsselwörter
(Englisch)
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Working process, combustion process, flexible valvetrain
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die Antragsteller haben einen neuartigen, effizienten, kostengünstig umsetzbaren vollvariablen Ventiltrieb für die Betätigung von Gaswechselventilen entwickelt und aufgebaut. Im Rahmen dieses Projektes wird der Ventiltrieb (a) auf einem Motor lauffähig gemacht und es werden (b) neue effiziente Brennverfahren realisiert werden. Ziel ist es die Technologie soweit zu bringen, dass Umsetzungspartner gefunden werden können.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The applicants invented and realised a new, efficient and cost-efficient fully variable valvetrain for the actuation of gas exchange valves. Within the framework of this project, the valvetrain will be (a) put into operation on an engine and (b) new, efficient combustion concepts will be realised. The goal is to bring this technology to a state where implementation partners can be found.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Verbrennungsmotoren wurden im Verlauf der letzten Jahrzehnte zunehmend komplex. Direkteinspritzung, Turboaufladung, Zylinderanzahl-Reduktion sowie aufwändige Abgasnachbehandlung sind nun breit etabliert. Neben der absehbaren Verbreitung der Hybridisierung fehlen Verbrennungsmotoren noch zwei wesentliche Innovationen zur weiteren Effizienzsteigerung: variable Verdichtung sowie voll-variable Ventilsteuerungen. Diese zwei Bausteine würden dazu beitragen, einerseits die Effizienz des Motors zu verbessern und andererseits würden sie ermöglichen, dass der Motor ideal auf alternative Treibstoffe reagieren könnte.
Das FlexWork Projekt beschäftigt sich mit der Verwirklichung einer vollvariabler Ventilsteuerung. Um volle Flexibilität zu haben verfolgte das Projektteam eine elektrohydraulische Lösung, mit welcher auf eine Nockenwelle komplett verzichtet werden kann. Neben dem Wegfall der Nockenwelle ist bei diesem Ventiltriebssystem die Wahl des Hydrulikfluids sehr speziell: anstatt einem Öl wurde eine Wasser-Glykol Mischung verwendet. Typischerweise wird in der Hydraulik Öl verwendet, bei anderen Ventiltriebssystemen das Motoröl. Da das Motoröl aber, durch Verbrennungsrückstände und Treibstoffeintrag, schnell altert, ist Motoröl aber eigentlich ein denkbar ungünstiges Fluid für diese Aufgabe. Zudem ist ein elektrohydraulischer Ventiltrieb dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid bei jeder Ventilbetätigung einen Druckzyklus durchläuft. Diese Kompression / Entspannung ist verlustärmer, je steifer das Hydraulikfluid ist. Hier bringt Wasserglykol Vorteile, denn es ist deutlich steifer als Öl und es ist, in Form von Kühlwasser, bereits im Motor vorhanden. Durch eine korrekte Auslegung der Materialien und Toleranzen eignet sich Wasserglykol für diese Hydraulikfluidaufgabe bestens, wie im Rahmen des Projektes gezeigt werden konnte.
Im Rahmen des FlexWork Projektes wurde also ein neuartiges Ventiltriebsystem mit einem ungewöhnlichen Hydraukikfluid auf einem PW-Ottomotor aufgebaut, auf dem Motorprüfstand zum Laufen gebracht sowie in verschiedenen Lastregel- bzw. Arbeitsverfahren getestet. Ziel war es, die grundle-genden Vorteile des neuen Systems zu erarbeiten und aufzuzeigen, damit das System später in die Industrie transferiert werden kann. In einem ersten Schritt wurde am Aufbau des Systems gearbeitet. Dies umfasste die Simulation, Auslegung, Konstruktion und Fertigung der mechanischen und hydrauli-schen Komponenten. Anschliessend wurde das System zusammengestellt und, noch ohne auf einem Motor zu sein, ausgiebig getestet. Dann wurde das System auf einem Vierzylindermotor aufgebaut und erfolgreich im befeuerten Motor in Betrieb genommen und das System hat bis zum Projektabschluss über 6 Millionen Ventilbetätigungen problemlos überstanden.
In der untersuchten Konfiguration, d.h. auf einem 1.4 Liter Vierzylinder Ottomotor, konnte durch den Ventiltrieb, je nach Anwendungsfall, eine Treibstoffeinsparung zwischen 5 und 20% realisiert werden. Zudem konnte gezeigt werden, dass Lastanpassungen tatsächlich von einem Verbrennungszyklus zum Nächsten realisiert werden können. Ebenso konnte Schubabschaltung ohne Luftdurchspülung, sowie 8- und 12-Takt Betrieb umgesetzt werden.
Ziel von Nachfolgeprojekten ist, das System in passenden Anwendungen in Richtung Industrialisierung zu bringen.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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Internal combustion engines have become increasingly complex over the last decades. Direct injec-tion, turbocharging, reduction of the number of cylinders as well as sophisticated exhaust gas after treatment systems have been established. Besides the predictable propagation of hybridization, inter-nal combustion engines lack two major innovations to further increase the efficiency: a variable compression ratio and a fully variable valve train. These two modules would contribute to increase the efficiency of the engine on one hand and on the other hand, they would enable engines to cope with and be adjusted to alternative fuels in the best possible way.
The FlexWork project is about the realization of a fully variable valve train. In order to have full flexibil-ity the project team focused on an electrohydraulic solution, with which camshafts could be omitted completely. In the developed system, the choice of the hydraulic fluid is very special: instead of an oil, a mixture of water and glycol was used. Typically, oils are used in hydraulic applications and engine oil is used in other valve train systems. Since engine oil ages rather quickly due to residuals from the combustion and entry of fuel, engine oil is an unfavorable candidate for this task. In addition to that, in an electrohydraulic valve train, the working fluid runs through a pressure cycle each actuation. This compression and pressure relief is more efficient; toe lower the compressibility of the hydraulic fluid. In this regard, there is an advantage for water glycol, as it has a much lower compressibility than oil and it is already present in every internal combustion engine – the engine's cooling fluid.
Within the scope of the FlexWork project, a new valve train was developed with an unconventional hydraulic fluid on a passenger car Otto engine. This engine and valve train were taken into operation and different operating modes and load control strategies were tested. The goal was to demonstrate the fundamental advantages of this new system so that this system can be transferred to industry in a later stage. in the first stage, the system was designed. This included simulation, mechanical design and production of the hydraulic components. In succession, the system was assembled and tested ex-haustively. Thereafter, the system was assembled on an internal combustion engine and taken into fired operation. To date, the system has performed more than 6 million valve actuations without problem.
In the analyzed configuration, i.e. using a 1.4-liter passenger car Otto engine, a reduction in the fuel consumption of 5 to 20% could be achieved, depending on the details of the vehicle and driving cycle. In addition, it could be shown that load changes can indeed be realized from one combustion event to the next. Fuel cut-off without scavenging of air as well as 8- and 12-stroke operation could be also realized.
It is the goal of succeeding projects to bring the system closer to industrialization in suitable applications.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Les moteurs à combustion interne sont devenus de plus en plus complexes au cours des dernières décennies. L'injection directe, la turbocompression, la réduction du nombre de cylindres et le post-trai-tement complexe des gaz d'échappement sont désormais largement répandus. Outre l'extension pré-visible de l'hybridation, les moteurs à combustion interne manquent encore de deux innovations es-sentielles pour accroître encore leur efficacité : la compression variable et la commande entièrement variable des soupapes. Ces deux éléments contribueraient à améliorer l'efficacité du moteur d'une part et, d'autre part, ils permettraient au moteur de réagir de manière idéale aux carburants de substitution.
Le projet FlexWork porte sur la réalisation d'une commande de vanne entièrement variable. Afin d'avoir une flexibilité totale, l'équipe du projet a recherché une solution électro-hydraulique, avec la-quelle on peut se passer complètement d'un arbre à cames. Outre l'élimination de l'arbre à cames, le choix du fluide hydraulique pour ce système de commande des soupapes est très particulier : au lieu d'une huile, on a utilisé un mélange eau-glycol. En général, l'huile est utilisée dans l'hydraulique, tan-dis que l'huile moteur est utilisée dans d'autres systèmes de commande des soupapes. Cependant, comme l'huile moteur vieillit rapidement en raison des résidus de combustion et de l'apport de carbu-rant, l'huile moteur est en fait un fluide extrêmement défavorable pour cette tâche. En outre, une com-mande de soupapes électrohydrauliques se caractérise par le fait que le fluide de travail passe par un cycle de pression chaque fois que la soupape est actionnée. Plus le fluide hydraulique est rigide, plus la perte de cette compression/relâchement est faible. Ici, le glycol d'eau apporte des avantages, car il est beaucoup plus rigide que l'huile et il est, sous forme d'eau de refroidissement, déjà présent dans le moteur. Grâce à une conception correcte des matériaux et des tolérances, l'eau glycolée est parfaite-ment adaptée à cette tâche de fluide hydraulique, comme cela a pu être démontré dans le cadre du projet.
Dans le cadre du projet FlexWork, un nouveau type de système de commande de soupapes avec un fluide hydraulique inhabituel a été construit sur un moteur à essence voiture particulière, fait pour fonctionner sur le banc d'essai du moteur et testé dans diverses procédures de contrôle de charge et d'ex-ploitation. L'objectif était d'élaborer et de démontrer les avantages fondamentaux du nouveau système afin que celui-ci puisse ensuite être transféré à l'industrie. Dans un premier temps, des travaux ont été menés pour mettre en place le système. Cela comprenait la simulation, la conception, la construction et la fabrication des composants mécaniques et hydrauliques. Par la suite, le système a été assemblé et, sans être encore sur un moteur, il a fait l'objet d'essais approfondis. Le système a ensuite été monté sur un moteur à quatre cylindres et mis en service avec succès dans le moteur allumé. À la fin du projet, le système avait survécu sans problème à plus de 6 millions d'actionnements de soupapes.
Dans la configuration étudiée, c'est-à-dire sur un moteur à essence quatre cylindres de 1,4 litre, une économie de carburant de 5 à 20% pourrait être réalisée par la commande des soupapes, selon l'application. En outre, il a pu être démontré que des ajustements de charge peuvent effectivement être réalisés d'un cycle de combustion à l'autre. Il a également été possible de mettre en oeuvre un arrêt de poussée sans balayage d'air, ainsi qu'un fonctionnement à 8 et 12 temps.
L'objectif des projets de suivi est d'amener le système vers l'industrialisation dans des applications appropriées.
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