VDI Themenradar Automobil

Ventiltrieb

Der weltweite, sehr hohe Mobilitäts- und Transportbedarf im privaten wie auch im wirtschaftlichen Bereich wird weiter zunehmen. Dies erfordert vor dem Hintergrund der Ressourcenschonung und der in allen Regionen der Welt notwendigen Reduktion der Umweltbelastung zukünftig sehr verbrauchsgünstige und emissionsarme Antriebsaggregate.

Bild: VDI Wissensforum GmbHDr. Werner Bick

Dr. Werner Bick, Director Diesel Engine Passenger Cars bei FEV (Bild: VDI Wissensforum GmbH)

Dr. Werner Bick, Director Diesel Engine Passenger Cars bei FEV, verfügt über eine 30-jährige Erfahrung auf dem Gebiet der Entwicklung des Verbrennungsmotors – vor allem bei Dieselmotoren. Er erläutert, dass ab 2020 in der europäischen Union die CO2-Emission, die ein Fahrzeug einer in einem Jahr produzierten Fahrzeugflotte eines Herstellers im Mittel ausstößt, auf 95 g/km limitiert werden. Jedes Gramm, das darüber hinaus ausgestoßen wird, wird mit einem Bußgeld von 95 Euro pro Gramm CO2 und verkauftem Fahrzeug belegt. Darüber hinaus wird in Europa ab dem Jahr 2019 die verschärfte Emissionsgesetzgebung EU 6.2 gültig. Neben der Einführung eines neuen Prüfzyklus – dem WLTC (Worlwide harmonized Light Vehicles Test Cycle) mit verschärften Prüfrandbedingungen (WLTP) wird zukünftig das anwendernahe Fahrverhalten RDE (Real Driving Emissions) unter realen Umweltbedingungen Berücksichtigung finden.

„Diese Entwicklung führt dazu, dass ab dem Jahr 2020 der klassische konventionelle Verbrennungsmotor zunehmend verschwinden wird“, so Bick. Die zukünftigen Antriebe verfügen über Stop-Start Funktion, Hybridfunktionalitäten und die Fahrzeugflotten werden darüber hinaus mit ausschließlichem Elektroantrieb als Null-Emissionsfahrzeug aufweisen.

Jedoch bleiben der Otto- und der Dieselmotor auf lange Sicht weiterhin das wichtige Kernelement der Fahrzeugantriebe. Die CO2-Emission der Volkswagen Neuwagenflotte in Deutschland würde um 13 g/km und damit etwa um 10 Prozent zunehmen, wenn alle Dieselaggregate durch leistungsgleiche Benzinmotoren ersetzt würden.

Die heutigen verbrauchsgünstigen und emissionsarmen Dieselmotoren weisen wesentliche technische Merkmale zur Schadstoffminderung und zur Effizienz- und Leistungssteigerung auf. Als Beispiel können hier moderne Einspritzsysteme mit Einspritzdrücken von bis zu 2.000 bar und höher, Abgasturbolaufladung, Abgasrückführung und sehr effektive Abgasnachbehandlungssysteme genannt werden. Darüber hinaus hat auch der variable Ventiltrieb beim Pkw-Dieselmotor Einzug in die Serie gefunden. So weist der 2L TDI Dieselaggregat von VW eine Nockenwellenverstellung auf. Jaguar Land-Rover hat seine neueste Motorenentwicklung, den neuen 2.0L Dieselmotor „Ingenium“ mit einem auslassseitigen Nockenwellensteller ausgestattet. Im Bereich der leichten Nutzfahrzeuge hat die Daimler AG ihre neueste Entwicklung der MDEG Motorenbaureihe mit einem auslassseitigen Nockenwellenversteller ausgestattet.

Bild: VDI Wissensforum GmbHVentiltrieb

Ventiltrieb (Bild: VDI Wissensforum GmbH)

Der variable Ventiltrieb weist ein entsprechendes Potenzial auf, die Motorrohemissionen zu verringern und über ein zielgerichtetes Abgastemperaturmanagement die Effizienz des Abgasnachbehandlungssystems zu verbessern. Vor diesem Hintergrund wurde die aktuelle Frage des VDI Themenradars Automobil gestellt: Welche Variabilitäten im Ventiltrieb des Pkw-Dieselmotors sind in den kommenden fünf Jahren zur Einführung in die Serie zu erwarten?

Die Antworten der Umfrage lassen sich wie folgt zusammenfassen: Nur wenige Befragte erwarten keine Serieneinführung von Ventiltriebsvariabilitäten (10,3 Prozent) beziehungsweise die alleinige Einführung der bekannten Verstellung der Auslasssteuerzeit (6.9 Prozent) innerhalb der kommenden fünf Jahre. Die komplexeren Systeme mit zwei Phasenverstellern (27.6 Prozent) bzw. variablen Ventilhubverläufen (55,2 Prozent) werden bezüglich einer Serieneinführung deutlich höher eingeschätzt. Diese Systeme weisen deutlich größere technische Potenziale auf und werden aufgrund der weiter steigenden Anforderungen zukünftig den Weg in die Serie finden.

„Viele der aktuell in der Entwicklung befindlichen Motoren erreichen derzeit die Entwicklungsziele für 2020 ohne zusätzliche Variabilitäten im Ventiltrieb“ so Bick. „Die Potenziale allein mit der Phasenverstellung der Auslassnockenwelle sind begrenzt, nicht zuletzt durch Einflüsse auf das akustische Verhalten des Motors.“

Die FEV Gruppe hat selbst umfangreiche Untersuchungen zu Potenzialen von Ladungswechselvariabilitäten des Pkw-Dieselmotors durchgeführt. Es konnten größere Potenziale bezüglich des Abgastemperaturmanagements zur Verbesserung der Wirksamkeit der Abgasnachbehandlung und des transienten Verhaltens (Ansprechverhalten und Emissionen) des Motors nachgewiesen werden. So zeigt eine verkürzte Expansionsphase, darstellbar durch eine verlängerte Auslasssteuerzeit, ein sehr großes Potenzial bezüglich der Abgastemperaturerhöhung. Die Kombination von verkürzter Ein- und Auslasssteuerzeit in Verbindung mit zusätzlichen Nockenwellenverstellern auf der Ein- und Auslassnockenwelle zeigt ebenfalls eine deutliche Anhebung der Abgastemperatur bei gleichzeitig reduzierten HC- und CO-Emissionen. FEV hat einen Technologie-Demonstrator für den Pkw-Dieselmotor entwickelt, der mit einem erweiterten variablen Ventiltrieb ausgestattet ist. Das Entwicklungsziel hierbei ist die hochdynamische Regelung der NOx-Motorrohemissionen in Abhängigkeit realer Betriebsbedingungen und dem Zustand der NOx-Nachbehandlung. Es wird eine einlassseitig ausgeführte Ventilhubumschaltung und Steuerzeitenverstellung mit einem auslassseitigen Nockenwellensteller kombiniert. Diese Kombination zeigt eindrucksvoll die Potenziale der Ventiltriebsvariabilitäten für den Pkw-Dieselmotor. Bick fasst zusammen: „Aufgrund der ständig wachsenden Anforderungen wie zum Beispiel die Erfüllung der SULEV Anforderungen in Nordamerika, ist zur erwarten, dass variable Ventiltriebe beim Pkw-Dieselmotor innerhalb der kommenden fünf bis zehn Jahre verstärkt den Einzug in die Serie finden werden.“

Jennifer_Rittermeier

Autorin: Jennifer Rittermeier
Position im VDI: Referentin PR/Öffentlichkeitsarbeit bei der VDI Wissensforum GmbH
Aufgabe im VDI: Presse- und Öffentlichkeitsarbeit

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