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Transcript
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ZylinderabschaltungEine Technik mit Zukunft oder ein Fall für die Nische?
Arndt IhlemannNorbert Nitz
174 17511Ventiltriebssysteme
Einleitung
Eine der Optionen zur Reduzierung des Kraft-stoffverbrauchs besteht im Downsizing. Der Reduktion des einzelnen Zylindervolumens sind jedoch enge Grenzen gesetzt, wenn der thermodynamisch ideale Zylinderinhalt von 400 bis 500 cm3 beibehalten werden soll. In der Praxis bedeutet daher Downsizing häufig, die Zahl der Zylinder zu reduzieren.
Einen attraktiven Kompromiss stellt das „temporäre Downsizing“ in Form der Zylinder-abschaltung dar. Dadurch können gerade bei geringer Lastanforderung und Drehzahl die Bereiche des günstigsten spezifischen Ver-brauchs genutzt werden. Gleichzeitig steht bei Bedarf ein leistungsstarker Motor zur Ver-fügung, der Fahrspaß und hohen Komfort hin-sichtlich Akustik und Vibrationsverhalten glei-chermaßen gewährleistet.
Erfolgskritisch für eine breitere Marktein-führung dieser Technik ist neben ihrer technischen Effizienz, dass sie sich bei ak-zeptablen Kosten in bisherige Motorkon-zepte integrieren lässt.
Ausführungsformen
Die konsequenteste Form der Zylinderab-schaltung ist umgesetzt, wenn nicht nur Einspritzung und Zündung der betroffenen Zylinder stillgelegt werden, sondern auch alle beweglichen Teile – inklusive der Kol-ben. So wird das gesamte thermodynami-sche Potenzial erschlossen und die innere Reibung des Motors erheblich reduziert. Freilich sind Kompromisse bei der Zünd-folge und Abstriche beim Massenausgleich
in Kauf zu nehmen. Gravierender jedoch er-scheint der Aufwand, der erforderlich ist, um den Motor in einen Teil aufzutrennen, der dauernd läuft, und einen, der ab- und zugeschaltet werden kann. Schon die dafür notwendigen Kupplungskonzepte an der Kurbel- wie an der Nockenwelle halten einer Kosten-Nutzen-Analyse nicht stand. Des-halb ist mit einer Realisierung vorläufig nicht zu rechnen.
Nahezu alle heute bekannten Systeme der Zylinderabschaltung unterbrechen die Einspritzung und Zündung sowie die Ventil-betätigung der abzuschaltenden Zylinder (Bild 1). Derzeit erstrecken sich die Applika-tionen auf Motoren mit 4 bis 12 Zylindern. Untersuchungen von Schaeffler zeigen je-doch, dass auch bei einem Dreizylindermo-tor das temporäre Abschalten eines Zylin-ders den Verbrauch noch weiter senken kann.
Um einen akzeptablen Motorlauf sicher-zustellen, werden – entsprechend der Zündfolge – nur bestimmte Zylinder ab-geschaltet.
Wirkung und Potenzial
Bei gegebener Leistungsanforderung müs-sen die nach der Zylinderabschaltung wei-terhin betriebenen Zylinder einen höheren Mitteldruck erzeugen. Diese Lastpunktver-schiebung führt zu einer Reduzierung der Drosselverluste des Motors und in der Folge zu Verbrauchseinsparungen (Bild 2). Außer-dem sinkt durch die Deaktivierung der Ven-tile die Reibleistung im Zylinderkopf, was sich in einer zusätzlichen Verbrauchsver-besserung niederschlägt.
Das Potenzial zur Verbrauchsreduzierung beim Zwei- gegenüber dem Vierzylinder-Be-trieb soll anhand einer Simulationsrechnung an einem 1,4-l-Vierzylindermotor aufgezeigt werden. Die Linie „a“ zeigt die Mitteldrücke, bei denen im Zweizylinder-Betrieb die opti-male Verbrennungsschwerpunktlage (8° NW nach OT) gefahren werden kann (Bild 3).
Bei höheren Mitteldrücken im Zweizylin-der-Betrieb muss die Zündung nach „spät“ Bild 1 Beispiele von Motorkonzepten mit Zylinderabschaltung
Vollmotor-Betrieb Zylinderabschalt-Modus
Dre
hmo
men
t
Dre
hmo
men
t
Motordrehzahl Motordrehzahl
Fahrwiderstands-linie
Bild 2 Betriebskennfeld und Fahrwiderstandslinie: Die Bereiche des günstigsten spezifischen Verbrauchs werden im Zylinderabschaltmodus angefahren (rechte Grafik), nicht aber im Vollmotor-Betrieb
Hersteller Motorbezeichnung Ventiltriebkonzept Status
Chrysler 5,7-l-V8-Motor Schaltbarer Rollenstößel Serie
6,4-l-V8-Motor Schaltbarer Rollenstößel Serie
Honda 3,5-l-V6-Motor Schaltbarer Kipphebel Serie
AMG 5,5-l-V8-Motor Schaltbares Abstützelement Serie
VW- Gruppe
1,4-l-R4-Motor Schaltbares Abstützelement, VW/Audi Serie
4,0-l-V8-Motor Schiebenockensystem, Audi Serie
6 ¾-l-V8-Motor Schaltbarer Rollenstößel Serie
6 ¾-l-V8-Motor Schaltbarer Rollenstößel Serie
6,5-l-V12-Motor nur Aussetzen der Kraftstoffeinspritzung Serie
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verstellt werden, um das Klopfen zu vermei-den. Dadurch läuft die Verbrennung nicht mehr optimal ab, woraus ein Mehrverbrauch resultiert. Demgegenüber wirkt sich die bei höheren Mitteldrücken weiter geöffnete Drosselklappe positiv auf den Verbrauch aus. Die Linie „b“ stellt die theoretische Um-
schaltlinie da, weil oberhalb dieser Linie mit einem Mehrverbrauch im Zweizylinder-Be-trieb zu rechnen ist. Je nach Applikation und Kundenanforderung kann die Umschaltlinie auch deutlich unterhalb der Linie „b“ liegen.
Technische Umsetzung
Abschaltmodus
Bei der Zylinderabschaltung gibt es prinzipi-ell zwei Möglichkeiten, wie die Zylinder im Abschaltmodus befüllt werden (Bild 4): – mit Abgas, das nach dem Verbrennungs-
prozess im Verbrennungsraum einge-sperrt wird, oder
– mit Frischgas.Beide Varianten lassen das eingesperrte Gas als Druckfeder arbeiten.
Die Wärme des eingeschlossenen Ab-gases führt zum einen zu einer langsa-meren Abkühlung des Zylinders, zum an-deren resultieren aus der größeren Gasmenge sehr unterschiedliche Drücke im Zylinder und damit höhere Ungleich-förmigkeiten an der Kurbelwelle. Die Gasdrücke, die beim ersten Verdichten bei geschlossenen Auslassventilen ent-stehen, können sogar noch höher sein als bei der Verbrennung. Die Abstütz-kräfte belasten Kolben und Zylinder nicht nur erheblich, sondern verursachen auch entsprechend hohe Reibungsverluste – entsprechend länger muss die Abschalt-phase anhalten, damit ein positiver Ge-samteffekt entsteht.
Wie im Bild 4 gezeigt, bauen sich die Druckspitzen dadurch ab, dass sich das Restgas abkühlt, aber auch durch Gasdif-fusion vom Brennraum in den Kurbeltrieb (Blow-by). Simulationsrechnungen zeigen, dass sich nach etwa zehn Motorumdre-hungen der Druck im Zylinder dem Niveau angeglichen hat, das beim Einsperren von Frischluft vorherrscht.
Letzteres ist nur bei einem Direktein-spritzer möglich. Die Kompressionsunter-schiede zwischen den Zylindern sind hier kleiner, der Umschaltvorgang ist so bes-ser abstimmbar. Dennoch fordert auch diese Variante Kompromisse: Die Luft im Brennraum verliert nach einigen Zyklen jegliche Tumble- oder Drallbewegung, die beim Ansaugen entstanden ist. Abhängig von der Brennraumgeometrie ist es unter Umständen dennoch möglich, den Motor aus diesem Zustand heraus wieder zu feuern. Allerdings ist dabei der Zündzeit-punkt anzupassen, so dass bei der Effizi-enz der Verbrennung erhebliche Zuge-ständnisse zu machen sind. Außerdem muss dafür Sorge getragen werden, dass im Verbrennungsraum kein Unterdruck wirksam wird, weil dieser sonst Motoröl ansaugen würde.
Rollierende Zylinderabschaltung
Dem heutigen Stand der Technik entspre-chend werden immer dieselben Zylinder abgeschaltet. Schaeffler untersucht der-zeit ein Konzept für Viertaktmotoren, bei dem jeder Zylinder nach jedem Zündtakt abgeschaltet und zum nächsten Zündtakt wieder befeuert wird. Die Zylinderabschal-tung rolliert also innerhalb einer Abschalt-phase und nicht, wenn jeweils ein neuer Abschaltmodus eingeleitet wird (Bild 5). Dadurch erreicht man ein ausgeglichene-res Temperaturniveau der Brennräume un-tereinander und beim Dreizylinder gleich-mäßige Zündabstände im abgeschalteten Betriebsmodus.
Gerade bei einer solchen Auslegung müssen die Verluste beim Übergang vom Betriebs- in den Abschaltmodus klein ge-halten werden. Deshalb verbietet sich das Einschließen von Restgas, wie oben darge-legt. Auch die Zylinderfüllung mit Frischluft birgt wegen der nachlassenden Ladungs-bewegung Nachteile.
Als besonders günstig erscheint die Variante, bei der ein kleiner, exakt zuge-messener Teil an Restgas im Verbren-nungsraum eingeschlossen wird. Die durch die Expansion entstehende Saug-wirkung dauert zu kurz, um einen nen-nenswerten Verlust an Motoröl zu erzeu-gen. Der Vorteil ist, dass beim Wiederbeginn des Arbeitsspiels die notwendige Menge Frischluft ungehindert einströmen kann. So läuft schon der erste Verbrennungstakt ohne effizienzmindernde Effekte ab. Damit
„Rollierender“ ZAS 3-Zylinder
Zylinder Nr.
0 240 480 720 960 1.200 1.400
1 3 2 1 3 2
Bild 5 Systematik einer rollierenden Zylinderab-schaltung: Die rot gekennzeichnete Phase steht für den Betriebsmodus.
Differenz-Kennfeld 1,4-l-4-Zylgegenüber 1,4-l-4-Zyl mit ZAS
Theoretische Umschaltlinie
Optimale Verbrennungs-schwerpunktlage
effe
ktiv
er M
itte
ldru
ck in
bar
Motordrehzahl in min-1
a
b
Bild 3 Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs durch Zylinderabschaltung (Simulations-ergebnis)
Quelle: MTZ „Der neue AMG 5,5-l-V8-Saugmotor mit Zylinderabschaltung“
Abgas wird eingeschlossen Frischluft wird eingeschlossen
+ Gasfeder+ normale Kompression -> gleichmäßig laufender Motor+ hohe Drehmomentenneutralität
Direkte Einspritzung erlaubt die Umsetzung von „Frischluft wird eingeschlossen“
Bild 4 Mögliche Optionen der Zylinderbefüllung und ihre Auswirkungen im Abschaltmodus
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die Menge des Restgases sowie der Un-terdruck den optimalen Wert annehmen, bedarf es einer außerordentlich präzisen Steuerung der Auslassventile, wie sie zum Beispiel mit dem vollvariablen UniAir von Schaeffler möglich ist. Dieses System er-zeugt zyklustreu jeden gewünschten Hub und hält bei Bedarf die Ventile auch ganz geschlossen. Zur Deaktivierung der Ventile auf der Einlassseite ist mindestens ein Zwei-Stufen-Schalter notwendig. Simulati-onen am Dreizylindermotor lassen vermu-ten, dass mit einer derart ausgelegten rollierenden Zylinderabschaltung der Ver-brauch gegenüber einer konventionellen weiter zu senken ist (Bild 6).
Interessant könnte eine rollierende Zylin-derabschaltung gerade bei Dreizylindermo-toren im Hinblick auf die Schwingungsanre-gung sein.
Grundsätzlich kommen alle der im über-nächsten Abschnitt vorgestellten Abschalt-systeme für eine einfache Zylinderabschal-tung in Betracht.
Da die Spätverstellung der Zündung einen mo-mentanen Mehrverbrauch bewirkt, muss der Abschaltmodus mindestens so lange aktiviert bleiben, dass summarisch ein Verbrauchsvor-teil entsteht. Der größte Gewinn ergibt sich, wenn der Motor über längere Zeit hinweg im Halbzylindermodus gefahren wird, wie dies zum Beispiel bei Fahrten mit konstanter Ge-schwindigkeit auf Autobahnen möglich ist.
An die Umschaltmechanismen werden folgende Anforderungen gestellt: – Der Umschaltvorgang aller Zylinder
muss genau in dem Zyklus erfolgen, der im Steuergerät vorgesehen wird.
– Die oben beschriebenen Maßnahmen zur Kompensation des Drehmoments müssen optimal aufeinander abge-stimmt werden.
– Die Umschaltung muss entlang der Zündfolge geschehen.
– Beide Zustände müssen stabil laufen, es darf keine unbeabsichtigten Schal-tungen geben.
– Da Fehl- und Nicht-Schaltungen abgas-relevant sind, ist eine Überwachungs-funktion zu implementieren.
Voraussetzungen im Systemumfeld
Auch wenn der Übergang von einem Zu-stand zum anderen in Bezug auf das An-triebsmoment neutral vonstattengeht, än-dern sich das Schwingungsverhalten des Motors und die Akustik. Das erfordert mög-licherweise Anpassungen an folgenden Bauteilen (Bild 8): – Phasensteller – Steuertrieb – Nebenaggregate-Trieb – Kupplung und Zweimassenschwung-
rad – Auspuffanlage (Sound Engineering) – Motorlager
Je nach Anwendungsfall und den damit verbunden Erfordernissen ist es empfeh-lenswert, für den Fahrgastraum eine akti-ve Geräuschkompensation vorzusehen. Nichtsdestotrotz macht es der Kom-fortanspruch in der Regel notwendig, im
Umschaltmodus
Eine logische Forderung besteht darin, dass der Umschaltvorgang für den Fahrer nicht spürbar sein soll. Dies bedeutet, dass das Umschalten drehmomentneutral erfolgen muss. Der Übergang zwischen den beiden Modi muss außerdem sehr rasch erfolgen, damit der Motor jederzeit auch spontane Gasbefehle umsetzen kann.
Beim Umschalten vom Vollzylinder- in den Halbzylindermodus werden Drossel-klappenposition (Zylinderfüllung), Zündzeit-punkt und Kraftstoffzufuhr so nachgeregelt, dass ein Drehmomentabfall verhindert wird (Bild 7). Dazu wird zuerst die Füllung erhöht und der Zündzeitpunkt in Richtung „spät“ verstellt. Ist die Sollfüllung erreicht, wird der Ventiltrieb umgeschaltet und gleichzeitig der Zündzeitpunkt auf den befeuerten Zylindern wieder auf den optimalen Wert eingestellt. Mit der Deaktivierung von Einspritzung und Zündung der abzuschaltenden Zylinder ist die Umschaltung abgeschlossen.
Motordrehmoment
Zylinderfüllung
Zündwinkel-Wirkungsgrad
Ansteuerung der AVS Aktoren
Füllung-Soll
Füllung-Ist
100 % 100 %
Achtzylinder-betrieb
Vierzylinder-betrieb
Umschalt-phase
50 %
Zeit
Quelle: MTZ - Der neue AUDI V8-TFSI Motor Teil 2
Bild 7 Regelung im Umschaltpunkt
BasisVollmotor-
betrieb
ZAS Zylinder 2
abgeschaltetNW optimiert
n = 2.000 min-1, pme = 2 bar
ZAS rollierendVakuum
eingeschlossen
ZAS rollierend
Frischgas-Einschluss
ZAS rollierendAbgas-
Einschluss
Ver
brau
chsv
orte
il in
%
-12
-8
-4
0
4
8
12
0,00
-9,91
-12,35
-3,35
11,66
Bild 6 Unterschiedliche Auslegungen der rollierenden Zylinderabschaltung im Verbrauchsvergleich
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Drehzahlbereich bis zu etwa 1.500 min-1 – abhängig vom Motorkonzept – immer alle Zylinder zu betreiben. Zudem kann die Zy-linderabschaltung so lange nicht aktiviert werden, wie das Motoröl noch nicht Be-triebstemperatur erreicht hat oder der Ka-talysator durch das Abschalten unter sei-ne Light-off-Temperatur sinken würde.
Hubabschaltung der Ventile
Wie bereits dargelegt, ist es nicht sinnvoll, bei der Zylinderabschaltung auch die be-weglichen Teile des Kurbeltriebs stillzule-gen. Die Hubabschaltung der Ventile dage-gen ist auch schon mit vergleichsweise moderatem Aufwand darzustellen. Grund-
– elektro-hydraulische vollvariable Ventil-triebsysteme (zum Beispiel das UniAir-System von Schaeffler)
Die überwiegende Zahl der schaltbaren Elemente wird mittels Öldruck betätigt, der über ein vorgelagertes Schaltventil gesteu-ert wird. Das Konzept bedingt die Imple-mentierung eines zusätzlichen Schalt- ölkreislaufs. Bei dessen Gestaltung ist besondere Sorgfalt auf die Lage und Geo-metrie der Ölgalerien zu legen, um ein
möglichst hydrau-lisch steifes System zu erhalten und Luftansammlungen und Drosselstellen zu vermeiden. Bild 9 zeigt in einer prinzi-piellen Darstellung ein System mit ei-nem Schaltventil pro Zylinder.
Auslegung Schaltölkreislauf
Für die Ansteuerung von hydraulisch betätig-ten zweistufigen Ventiltriebkomponenten und die Anordnung der Schaltventile im Zy-linderkopf sind mehrere Lösungen denkbar. Entsprechend der Positionierung der Schalt-ventile und der Ausführung der Ölgalerien ergeben sich unterschiedliche Schaltzeiten-fenster sowie systembedingte Restriktionen. Im Folgenden werden für einen Vierzylinder-motor mit der Zündfolge 1-3-4-2 zwei unter-schiedliche Möglichkeiten für eine Abschal-tung der Zylinder 2 und 3 aufgezeigt und ihre Vor- und Nachteile näher erörtert.
In Bild 10 dargestellt ist die Variante mit einem Schaltventil pro Zylinder; das heißt: Ein Schaltventil steuert an jedem Zylinder die Einlass- und Auslassventile.
Der Vorteil dieser Auslegung besteht in kurzen Ölgalerien und kleinem Ölvolumen.
Mit einer nennenswerten Ölverschäumung ist nicht zu rechnen, daher ist das System gegenüber Schaltzeitschwankungen kaum anfällig. Dieses Konzept ermöglicht ein Schaltfenster von etwa 250 °NW, was bei 3.000 min-1 einem theoretischen Schaltzeit-fenster von 28 ms entspricht. Für Motoren mit Nockenwellenverstellern gilt, dass der Einfluss des Verstellbereichs mit in die Be-stimmung des Schaltzeitfensters einbezo-gen werden muss. Diese Variante lässt sich so ausbauen, dass auch alle Zylinder schalt-bar sind. Dann sind beim Vierzylindermotor auch Schaltungen von vier auf drei, auf zwei oder sogar einen Zylinder möglich. Nach-teilig ist die vergleichsweise aufwendigere Ausführung der Ölgalerie zwischen Einlass- und Auslassseite.
Alternativ kann der Ölkreislauf mit je ei-nem Schaltventil für die komplette Einlass- und die komplette Auslassseite gesteuert
werden (Bild 11). Das bedeutet: Die Einlass- und Aus-lassventile werden durch zwei unter-schiedliche Schalt-ventile angesteuert. Der Vorteil dieser Anordnung ist darin zu sehen, dass das Schaltfenster un-abhängig vom Ver-stellbereich des
Einlass
Auslass
Zyl 4Zyl 2 Zyl 3Zyl 1
A
TP
A
TP
A
TP
A
TP
Bild 9 Prinzipielle Darstellung eines Ventilhub-Abschaltsystems mit 1 Schaltventil pro Zylinder
Einlass
Auslass
Zyl 4Zyl 2 Zyl 3Zyl 1
A
TP
A
TP
Bild 10 Ölkreislauf mit 1 Schaltventil pro Zylinder
Motorlager
Zweimassen-schwungrad
Ventiltrieb
ECU (Steuergerät)
– Umschaltbedingungen– Zyklussteuerung– drehmomentneutrales Umschalten– „On-Board-Diagnose“-Funktion– Vorhersage des Fahrverhaltens
Bild 8 Übersicht über die begleitenden Maßnahmen zur Umsetzung der Zylinderabschaltung
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Nockenwellenver-stellers bestimmt werden kann. Au-ßerdem sind die Öl-galerien einfacher zu gestalten, und die Schaltventile können leichter in-tegriert werden. Dieses Design er-möglicht ein Schalt-fenster von etwa 180 °NW, entspre-chend einem theo-retischen Schaltzeit-fenster von 20 ms bei 3.000 min-1. Nachteilig hierbei sind die längeren Ölgalerien. Sie bedingen ein höhe-res Ölvolumen, wodurch das System gegenüber Schaltzeitschwankungen durch Ölverschäumung anfälliger wird.
Außer den hier gezeigten Möglichkeiten zur Gestaltung des Schaltölkreises und An-bindung der Schaltventile sind weitere denk-bar. Entscheidend für die jeweilige Ausfüh-rung sind die Zündreihenfolge sowie das Zylinderkopf- und Ölgaleriedesign des Ziel-motors. Das Hauptaugenmerk sollte darauf liegen, bei gegebenem Aufwand das größt-mögliche Schaltzeitfenster zu erreichen.
Abschaltung durch schaltbare Elemente
SchlepphebelDa die Ausführungen zum schaltbaren Schlepphebel auf den schaltbaren Tassen-stößel übertragen werden können, soll auf diesen hier nicht weiter eingegangen wer-den.
Die Lösungsansätze, die auf miteinan-der koppelbaren Schlepphebeln oder Knickhebeln beruhen, die im Gelenkpunkt eine Arretiervorrichtung aufweisen, sind zahlreich. Alle auf Öldruck basierenden Systeme benötigen Federelemente, die die abgeschalteten Komponenten nach der Nockenerhebung in die Ausgangslage zu-rückbringen (Bild 12). Der Schaltmechanis-mus muss so ausgebildet sein, dass der volle Ventilhub erzeugt wird, wenn kein Öl-druck vorliegt (drucklos verriegelt). Dies er-füllt die Notlaufbedingung und ist für den Kaltstart des Motors notwendig.
Neben den Vorteilen, die sich durch die Zylinderabschaltung ergeben, haften die-sem Konzept einige Nachteile an: Die zu-sätzlichen Kontaktstellen und die zusätzli-chen Bauteile führen zu einer Reduzierung der Steifigkeit gegenüber einem Standard-hebel mit Auswirkungen auf das Schwin-gungsverhalten des Ventiltriebs. Die zu-
sätzlichen Bauteile führen zu einem höheren Massenträgheitsmoment des He-bels, was die Verwendung von stärkeren Ventilfedern notwendig macht – mit Nach-teilen für die Ventiltriebreibung. Mögliche Bauraumrestriktionen erzwingen schmale-re Rollen mit der Folge von erhöhten Flä-chenpressungen zwischen Rolle und No-ckenwelle.
Schaltschlepphebel, die sich im Ab-schaltmodus an einem Nullhubnocken ab-stützen, bilden ein stabileres System als die Variante ohne eine solche Abstützung. Nachteilig ist lediglich, dass die Nockenwel-le pro Ventil zwei unterschiedliche Profile benötigt. Fehlt ein solcher Nullhubnocken, müssen die wirkenden Kräfte präzise aufei-nander abgestimmt werden: Im entkoppel-ten Zustand muss die Lost-Motion-Feder einerseits stark genug sein, um ein „Auf-pumpen“ – eine ungewollte Verlängerung – des Abstützelements zu verhindern. Ande-rerseits darf sie nicht so stark sein, dass das Motorventil gegen die Ventilfederkraft ungewollt geöffnet wird.
AbstützelementAuch das schaltbare Abstützelement bietet sich für eine Abschaltfunktion an. Ähnlich wie beim schaltbaren Rollenstößel kann der innere Teil des Abstützelements teleskopisch in den äußeren Teil einfahren (Bild 13). Auch hier wird eine Feder oder ein Federpaket benötigt, um den beweglichen Teil wieder in seine Aus-gangslage zurückzubringen. Auch hier betätigt Öldruck, der über ein vorgelagertes Schaltven-til gesteuert wird, den Koppelmechanismus. Allerdings gelangt das Öl auf kürzerem Weg zum Koppelmechanismus. Bezüglich des Öl-drucks bestehen die gleichen Restriktionen wie beim schaltbaren Schlepphebel.
Die Steifigkeit des Ventiltriebs reduziert sich nur durch die Koppelstelle im schaltbaren Abstützelement. Die Geometrie (mit Ausnah-me der Ventilauflagefläche) und das Massen-trägheitsmoment des Schlepphebels bleiben unberührt. Damit muss die Ventilfeder-Vor-spannkraft gegenüber dem konventionellen Ventiltrieb nicht verändert werden; das be-deutet, die Flächenpressungen zwischen Rol-le und Nockenwelle bleiben niedrig.
Das Schiebenockensystem ermöglicht das Umschalten des Ventilhubs in bis zu drei Stufen. Das Umschalten erfolgt durch Ver-schieben eines Nockenstücks, das auf ei-ner Zahnwelle axial beweglich angeordnet ist. Das Schiebenockenstück umfasst meh-rere Nocken in zwei Gruppen, die den zwei Ventilen auf jeder Seite eines Zylinders zu-geordnet sind (Bild 14).
In dem Schiebenockenstück ist eine Steuernut integriert. Wenn der Nocken-hub verstellt werden soll, fährt in diese ein elektromagnetisch betätigter Stift ein. Er zwingt dadurch die ganze Einheit, ihre Position der Nutkontur folgend zu verän-dern. Somit wirkt ein zweites – bei drei-stufigen Systemen auch ein drittes – Nockenprofil auf den Schlepphebel, der den neuen Nockenhub – gegebenenfalls auch als Null-Hub – auf das Ventil über-trägt. Jedes Ventilpaar kann somit ein-
zeln aktuiert werden. Der Vorteil dieses Systems: Es kann zylinder- und nocken-wellenselektiv geschaltet werden, und die Reihenfolge der zu schaltenden Ele-mente ist beliebig.
Nach erfolgter Aktuierung wird am Ak-tor ein Rückwurfsignal erfasst, das der zu-rückkommende Aktorstift durch Span-nungsänderung in der elektrischen Spule erzeugt. Dieses Rückwurfsignal gibt zwar eindeutige Auskunft darüber, dass geschal-tet wurde und in welche Richtung. Das ge-nügt aber noch nicht dem Anspruch, die Stellung auch im weiteren Verlauf zu erken-nen (Forderung der On-Board-Diagnose). Hier wird eine Eigenschaft des Schiebeno-ckensystems zum Vorteil, die zunächst als Nachteil eingeschätzt wird: Beide Ventile werden zwangsweise gleichzeitig geschal-tet. Das macht die Detektierung im laufen-den Betrieb durch Sensoren (Druck- oder Lambdasonden) auf der Ansaug- wie auf der Abgasseite oder durch Auswertung der Drehmomentungleichförmigkeiten deutlich einfacher als bei Systemen mit Einzelschal-tung.
Bei der Kosten-Nutzen-Bewertung ist festzuhalten, dass das Schiebenockensys-tem gegenüber den schaltbaren Elementen aufwendiger ausfällt, da bei einem Vierzylin-dermotor beide Nockenwellen mit einer Ab-
schaltfunktion ausgerüstet sein müssen – mit Auswirkungen auch auf die nicht schaltbaren Positionen. Das Schiebeno-ckensystem wird kommerziell dann für die Zylinderabschaltung interessant, wenn ein schon bestehendes zweistufiges System zur Ventilhubvariation um eine dritte Stufe ergänzt wird, die der Zylinderabschaltung dient (Bild 15).
Theoretische Untersuchungen von Schaeffler zeigen, dass ein dreistufiges System in Verbrauchszyklen mit höheren Lastanteilen gegenüber einer zweistufigen Lösung weitere nennenswerte Potenziale erschließen kann. Wenn das Schiebeno-ckensystem so ausgeführt wird, dass alle Einlass- und Auslassventile abschaltbar sind, können beliebig viele Zylinder ab-geschaltet werden. Darüber hinaus er-öffnet dies die Option, eine rollierende Zylinderabschaltung zu realisieren [3].
Zylinderabschaltung mit UniAir
UniAir steuert den Ventilhub nicht nur voll-variabel, sondern kann jeden beliebigen Zy-linder auch komplett deaktivieren (Bild 16). Erreicht wird das Stilllegen durch die ent-sprechende Ansteuerung der systemimma-nenten Schaltventile. In seiner heutigen Ausprägung werden beide Ventile gleichar-tig betätigt. Das bedeutet: Im Abschaltmo-dus sind immer beide Einlassventile ge-schlossen. Deshalb trifft auch bei UniAir zu, dass der Betriebszustand des Ventiltriebs leicht zu erkennen ist. Wenn UniAir nur auf der Einlassseite eingesetzt wird, besteht wie beim vollvariablen mechanischen Sys-tem die Möglichkeit, schaltbare Abstützele-mente auf den relevanten Positionen der Auslassseite einzusetzen.
Derzeit arbeitet Schaeffler an zusätz-lichen Ventilhubkonfigurationen. Sie er-
reichen annähernd das Potenzial der Zy l inderabscha l-tung und können dennoch auf eine Ventilabschaltung auf der Auslass-seite verzichten. Besonders reizvoll an einer solchen Konfiguration ist, dass sie ohne wei-tere Maßnahmen das Abschalten ei-ner beliebigen An-zahl von Zylindern erlaubt. Detaillierte Ausführungen dazu sind dem Kapitel 12 [4] in diesem Buch zu entnehmen.
Das temporäre Stilllegen von Zylinder bil-det einen attraktiven Kompromiss zwi-schen ökonomischem Betrieb durch Downsizing und Beibehalten von Komfort und Fahrspaß. Selbst bei Dreizylindermo-toren lassen sich dadurch zusätzliche Ein-sparpotenziale erschließen, insbesondere wenn die Zylinder rollierend abgeschaltet werden.
Um Ventile zeitweise zu deaktivieren, stehen insbesondere für Schlepphebel-Steuerungen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Wenn die Zylinderabschaltung als einzige Variabilität verlangt wird, stellen schaltbare Abstützelemente eine beson-ders kostengünstige Lösung dar, ohne dass sie dabei die Grundfunktion des Ven-tiltriebs nennenswert einschränken. Für mehrstufige Systeme oder ganze Motorfa-milien bieten sich Schiebenockensysteme an, weil sie gut adaptierbar sind. Den voll-variablen Ventiltriebsystemen ist die Zylin-derabschaltung inhärent – mindestens un-ter Zuhilfenahme von diskret schaltbaren Elementen.
Je nach der Motorengröße und den damit verbundenen Komforterwartungen der Kun-den sind weitere Maßnahmen am Motor und am Fahrzeug notwendig. Sie stehen Ver-brauchseinsparungen gegenüber, die gera-de bei leichten Fahrzeugen mit leistungsfähi-gen Motoren hoch ausfallen können.
Es ist zu erwarten, dass die Zylinderab-schaltung künftig ab dem Dreizylindermotor eine bedeutendere Rolle spielen wird als gegenwärtig.
Literatur
[1] Middendorf, H.; Theobald, J.; Lang, L.; Hartel, K.: Der 1,4-l-TSI-Ottomotor mit Zylinderab-schaltung. MTZ, 2012-03, S. 186-193
[2] Kirsten, K.; Brands, C.; Kratzsch, M.; Günther, M.: Selektive Umschaltung des Ventilhubs beim Ottomotor. MTZ, 2012-11, S. 834-839
[3] Faust, H.: Antriebssysteme der Zukunft: Motor-, Getriebe- und Dämpfersysteme für Downspeeding, Downsizing und Zylinderab-schaltung. 10 Schaeffler Kolloquium, 2014
[4] Haas, M.; Piecyk, T.: Ventiltriebe zur Umsetzung innovativer Verbrennungsstrategien. 10. Kolloquium, 2014
