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FlexWork – ein neuartiger, vollvariabler,
elektrohydraulischer Ventiltrieb
Dr. Norbert Zsiga
Abteilung Fahrzeugantriebssysteme
Empa Dübendorf, Schweiz
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