Innovative Ventiltriebe als Beitrag zur Erfüllung zukünftiger Emissionsanforderungen im Stadtbetrieb

Autoren

Dipl.-Ing. N. Andrisani, Dipl.-Ing. F. Contarin, Dipl.-Ing. A. Lorenzon, Eaton s.r.l., Turin;
Dipl.-Ing. M. Nencioni, Dr.-Ing. M. Scassa, Dr.-Ing. F. Mallamo, FEV Italia s.r.l., Turin;
Dipl.-Ing. T. Körfer, Dr.-Ing. H. Busch, FEV Group GmbH, Aachen

Jahr

2020

Druckinfo

Fortschritt-Berichte VDI, Reihe 12, Nr. 813

Zusammenfassung

Die Realisierung eines niedrigeren Kraftstoffverbrauchs und sehr geringer Abgasemissionen beschreiben die zentralen Entwicklungsschwerpunkte zukünftiger Antriebsstränge für leichte Nutzfahrzeuge. Daher sind Technologien wie die Zylinderabschaltung, die sowohl den Kraftstoffverbrauch reduzieren, die CO₂-Emissionen verringern als auch das Thermomanagement des Abgasnachbehandlungssystems verbessern hochgradig interessant und sehr attraktiv. Zur schnellen Nutzung der Zylinderabschaltung nach dem Motorstart hat Eaton ein innovatives elektro-mechanisches variables Ventiltriebssystem entwickelt, das in der Lage ist, zwischen unterschiedlichen Nockenprofilen bei Motortemperaturen weit unterhalb der vorgegebenen Mindesttemperatur der Euro-6-Gesetzgebung umzuschalten. Dieses Ventiltriebssystem besteht aus einem Satz schaltbarer Rollenschlepphebel (SRFF), die von einem einzigen elektrischen Stellglied über eine Betätigungswelle gesteuert werden.
Das elektromechanische Betätigungssystem (EMAS) von Eaton stellt eine hocheffiziente Ventiltriebsarchitektur mit niedrigem Energieverbrauch dar, die leicht an jedes Motorlayout angepasst werden kann und daher nur minimale Integrationskosten aufweist. Die Einführung einer komplexen Technologie wie der Zylinderabschaltung erfordert eine umfassende Optimierung der Betriebsstrategie, insbesondere in Verbindung mit anderen Schlüsselsystemen moderner Dieselmotoren wie Aufladung und AGR-Systemen. Eine virtuelle Entwicklung und umfassende Bewertung des Potentials dieser neuen Ventiltriebsvariabilitäten erfolgte mit modernen Antriebsstrangsimulationsverfahren der FEV Gruppe.
Ausgehend von einem typischen LNfz mit einem 2,3l-Dieselmotor wurde die Betriebsstrategie der Zylinderabschaltung in Kombination mit einem hochflexiblen Luftpfad untersucht und optimiert. Die klassische Zylinderabschaltung ist aufgrund von NVH- und Rohemissionsanforderungen des Motors zum Teil auf ein relativ kleines Betriebsfenster beschränkt. Das Dynamic Skip Fire (DSF), dass die Zylinderabschaltung ereignisbezogen steuert, ermöglicht eine erhebliche Vergrößerung des Betriebsfensters bei deaktivierten Zylindern und maximiert dadurch die Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Emissionen. Um das Gesamtpotenzial der VVT/CDA-Technologie voll auszuschöpfen, ist eine weiter erhöhte Flexibilität des Ventiltriebs erforderlich, da die einzelnen Zylinder zyklusweise mit vollständig flexiblen Aktivierungsmustern aktiviert und deaktiviert werden müssen. Um diese Anforderung zu erfüllen, hat EATON das e-Latch-System entwickelt, ein weiter verbessertes Ventiltriebssystem, das einen elektromagnetischen Aktuator je SRFF‘s hat als auch bei extrem niedrigen Energieverbrauch eine individuelle Ventilsteuerung sowie sehr kurze und konstante Reaktionszeiten ermöglicht: eine perfekte Ergänzung zu CDA. Nach einer umfassenden Optimierung zur Nutzung der Vorteile von CDA können nennenswerte CO₂-Vorteile in Verbindung mit einem verbesserten Wärmemanagement des Abgasnachbehandlungssystems zur Minimierung der Schadstoffemissionen realisiert werden, die die Vorteile einer herkömmlichen Zylinderabschaltung übertreffen. Diese vielversprechenden Ergebnisse zeigen, dass fortschrittliche Ventiltriebssysteme in Kombination mit Zylinderabschaltung die Eigenschaften des Dieselantriebsstrangs umfassend verbessern und damit für zukünftige Anwendungen fit machen können.
Diese Studie unterstreicht die kosteneffiziente Erzielung von  Kraftstoffverbrauchseinsparungen durch eine Aufrüstung des Verbrennungsmotors. In Kombination mit der Integration von Stahlkolben ist eine CO₂-Reduzierung von bis zu 10 g/km im offiziellen Zertifizierungszyklus möglich, wobei die erwarteten Post-EU6-Emissionsnormen eingehalten und die Risiken der Ölverdünnung unter realen Fahrbedingungen deutlich verringert werden. Ein Kostenvorteil von bis zu 5% gegenüber einer mit 48V ausgestatteten Motorvariante beschreibt eine vielversprechende Option auf der Basis einer modularen Motorarchitektur für LCV-Anwendungen mit überwiegend langstreckentauglichem Betriebsprofil.