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FlexWork – ein neuartiger, vollvariabler,

elektrohydraulischer Ventiltrieb

Dr. Norbert Zsiga

Abteilung Fahrzeugantriebssysteme

Empa Dübendorf, Schweiz

norbert.zsiga@empa.ch

Einführung

Dieselmotor: Emissionsprobleme

Wirkungsgrad gut

Abgasnachbehandlung teuer

Ottomotor: Verbrauchsprobleme

Wirkungsgrad ok

Abgasnachbehandlung einfach (3-Wege Katalysator)

In der Teillast: Drosselregelung

Abhilfe: Variabilität im Ventiltrieb

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Gliederung

Einführung

Vorstellung des Systems

Experimentelle Ergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

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FlexWork –

Schematischer Aufbau

Magnetspule a)

Hydraulikventil b)

Hochdruckniveau c)

Niederdruckniveau d)

Arbeitskolben e) betätigt über eine

Ventilbrücke f) 2 Gaswechselventile

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FlexWork –

Betätigung

a) Bestromungszeiten

Öffnungs-/ und Schliesszeitpunkte

Ein einfacher Aktuator für 2

Gaswechselventile

b) Patentierte hydraulische Schaltung

Hydraulische Rekuperation

Energieeffiziente Betätigung

c) Hydraulischer Druck: Ventilhub

Bedarfsgerecht wählbar

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einfach, kostengünstig, energieeffizient

FlexWork –

Ein innovativer, vollvariabler Ventiltrieb (1)

Wenige/günstige Sensoren ausreichend

Einfaches System, sehr grosse Variabilität

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Einlassseitig

Öffnungszeitpunkt

Schliesszeitpunkt

Ventilhub

Auslassseitig

Öffnungszeitpunkt

Schliesszeitpunkt

Ventilhub

FlexWork –

Ein innovativer, vollvariabler Ventiltrieb (2)

Maximale Systemdrücke hydraulisch

Einlass: 150bar; Auslass: 180bar

Aluminiumtauglich

Skalierbar für verschiedene Ventilgrössen

Hydraulikfluid: Wasser-Ethylenglykol Mischung

Ölfreier Zylinderkopf

Weniger additiviertes Motorenöl möglich

Erhöhung Lebensdauer Katalysator

Zylinderabschaltung, Taktwechsel

ohne weitere Massnahmen möglich

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Gliederung

Einführung

Vorstellung des Systems

Experimentelle Ergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

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Experimentelle Ergebnisse –

Versuchsträger

Projektdurchführung ohne

Industriebeteiligung

VW 1.4TFSI (EA111) Motor

4 Zylinder, 1.39l Hubraum

Hauseigene Motorsteuerung

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Experimentelle Ergebnisse – Verstellung des

Zeitpunkts «Einlass schliesst»

Änderung der

Bestromungsdauer

Links: gemessene Öffnungs- und

Schliesszeitpunkte

Rechts: gemessene Hubkurven

(während einer Messung!)

Verstellung von einer Betätigung

zur nächsten möglich

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Bedeutung der Zeitpunkts

«Einlass schliesst»

Abwärtsbewegung des Kolbens:

Gemisch ansaugen

Die Gemischmenge

bestimmt die Motorlast

FlexWork: Gemischmenge

bestimmen über Zeitpunkt

«Einlass schliesst»

Konventionell: Gemischmenge

bestimmen durch androsseln

11https://www.totaltankstelle.de/2017/09/22/so-funktioniert-ein-motor/

Auswirkungen der freien Ansteuerung

auf den Wirkungsgrad

Gedrosselt: Ladungswechselverluste 14.2%

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Auswirkungen der freien Ansteuerung

auf den Wirkungsgrad

Gedrosselt: Ladungswechselverluste 14.2%

FlexWork:Ladungswechselverluste 1.3%

Verbrauchsvorteil: 13.1%bei 2000 U/min, 2 bar pme

Verbrauchsvorteile bei jeder Motorlast

Zylinderabschaltung: zusätzliche Verbrauchseinsparung: 7.6%

Insgesamt: 20.7% weniger Verbrauch

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Transientes Verhalten –

der Lastsprung

Verstellung Einlass

schliesst Zeitpunkt

Gleichzeitig:

Anpassung der

Kraftstoffmasse

Konsequenz:

Erhöhung der Motorlast

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Schnellstmögliche Response

Gliederung

Einführung

Vorstellung des Systems

Experimentelle Ergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

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Zusammenfassung und Ausblick

Einfaches, vollvariables System

Geringer Eigenenergiebedarf

Deutliche Wirkungsgradvorteile

Hervorragendes transientes Verhalten

Zylinderabschaltung

Taktumschaltung

Umsetzungspartner

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Backup Slide –

Ventilhubsensor

Projektdurchführung ohne

Industriebeteiligung

VW 1.4TFSI (EA111) Motor

4 Zylinder, 1.39l Hubraum

Hauseigene Motorsteuerung

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Backup Slide –

Funktionsprinzip: Öffnen

Bei yGG maximale Geschwindigkeit

Ventile bremsen ab, Fluid wird

nachgesaugt

Bei ynom: Maximalhub erreicht

Rückschlagventil verhindert

Rückströmen bzw. Schließen

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Fhydr

FF

Backup Slide –

Funktionsprinzip: Schliessen

Beim Schliessen: Rekuperation

Rekuperationsrate bis 60% gemessen

Danach Ablassen zum Niederdruck

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Fhydr

FF

Backup Slide –

Lastsprung

Kennfeldmessung:

Motorlast (pme)

abhängig von

Hydraulikdruck und

Einlass schliesst (ivc)

Kennlinie für optimalen

Wirkungsgrad

Mangel an Hub

(Hydraulikdruck pint)

wird kompensiert mit

längerer Öffnungsdauer

Backup Slide –

Torque Shaping

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