21. Juni 2010

Grosse Variabilität

Fiat liebäugelte schon lange mit der elektrohydraulischen Variante der Ventilsteuerung. So sind die Grundsteine dieser neuen serientauglichen Erfindung auch im Fiat-eigenen «Centro Ricerche Fiat» (CRF) gelegt worden. 2001 erfolgte die Lizenzübernahme durch die deutsche Schaeffler-Gruppe, welche den ersten fahrtüchtigen Prototypen zwei Jahre später baute und im Mai 2009 mit der Serienfertigung für Fiat beginnen konnte. Während Fiat die Ventilsteuerung «MulitAir» bezeichnet, spricht die Schaeffler-Gruppe von «UniAir».

Grosse Variabilität

Bild 1. Am diesjährigen Genfer Automobilsalon konnte der MultiAir-Motor als Schnittmodell erstmals am Alfa Romeo-Stand studiert werden. Das Modell MiTo ist damit ausgerüstet. Bereits wurde vom Fiat-Konzern auch ein kleiner Zweizylindermotor mit MultiAir vorgestellt.

 

VON ANDREAS LERCH

 

Schon seit Jahren sind die vollvariablen Ventiltriebe ein Thema, von dem Motorenbauer träumen. Wenn die Drosselklappe, welche die Ansaugströmung behindert, entfernt werden könnte, würde dies Verbrennungsvorteile bringen, welche sich in der Leistungsentfaltung, beim Schadstoffausstoss und im Verbrauch auswirken würden. Schon in den 70er-Jahren des letzten Jahrhunderts wurde die Nockenwellenverstellung auf dem Markt vorgestellt (Alfa Romeo), welche heute als Stand der Technik gilt und in den meisten Benzinmotoren eingebaut ist. Bereits durch diese Einrichtung konnten die motorischen Eigenschaften positiv beeinflusst werden. Doch war es auch immer klar, dass diese Variabilität im Ventiltrieb erst der Anfang sein konnte und dass neben der Bestimmung der Öffnungslage auch der Ventilhub und die Öffnungsweite (Ventilspreizung) verändert werden müssen. Erste Versuche drehten sich um frei programmierbare elektromagnetische Aktoren, dann wurden auch elektrohydraulische Systeme vorgestellt, schliesslich erschienen mechanische Systeme von BMW, Toyota und Nissan auf dem Markt. 

 

Eigenschaften

Fiat ist der erste Hersteller, welcher ein nockengeführtes, elektrohydraulisches Ventiltriebssystem vorstellt und in die Serienproduktion einführt. Vorerst wird MultiAir im Vierzylinder-FIRE-Motor eingebaut, doch es sind auch bereits Informationen über einen kommenden kleinen Zweizylindermotor mit MultiAir erschienen. Die Vorteile des elektrohydraulischen Systems gegenüber den mechanischen Systemen ist sicher die Möglichkeit der zylinderselektiven Ansteuerung und der sehr schnellen Ansteuerung, welche sogar ein doppeltes kurzzeitiges Öffnen der Ventile ermöglichen kann. Auch können über dem Betriebskennfeld verschieden Öffnungsmodi gefahren werden.

 

Aufbau

Der theoretische Aufbau und die Funktion des MultiAir sind relativ einfach: Ein spezieller Nocken (1) auf der Nockenwelle betätigt nicht auf mechanischem Weg ein Ventil sondern über einen Rollenschlepphebel (2) den Kolben eines Geberzylinders oder einer Kolbenpumpe (3). Das (Motoren-) Öl wird im geschlossenen System unter Druck gesetzt und zu den Nehmerzylindern (7) geleitet. In der Hochdruckleitung (6) zwischen den beiden Zylindern befindet sich ein elektromagnetisch betätigtes Wegeventil (5). Der Druckspeicher (4) speichert die weggesteuerte Flüssigkeit und kann sie zum Wiederauffüllen des Systems wieder zurückspeisen.

Ist das Magnetventil geschlossen, folgt das Einlassventil (8) genau der Nockenkontur, da der hydraulische Druck ansteigt, wenn der Nocken über den Schleppheben den Geberzylinder betätigt. Solange der Nocken auf den Geberzylinder drückt, solange kann das Einlassventil betätigt werden. Das Magnetventil kann aber theoretisch am Anfang des Druckanstiegs den Druck zum Speicher leiten und erst verspätet das Ventil öffnen lassen, es kann das Ventil aber auch zu früh schliessen, es kann es mehr oder weniger oder sogar zweimal öffnen lassen.

 

Baumöglichkeiten

Je nach Motorenbauart, in dem Multiair zum Einsatz kommen soll, kann die Auslegung verändert und den Wünschen der Motorenbauer angepasst werden. Grundsätzlich werden heute im Ottomotorenbereich Motoren mit vier Ventilen pro Zylinder gebaut. Wählt der Konstrukteur dazu die Einzelbetätigung der Ventile, wird das aufwändig, aber er kann die Öffnungszeiten beider Ventile einzeln anpassen und so optimale Strömungen in den Zylindern generieren. Die hydraulische und die mechanische Brücke im Bild 5 können funktional miteinander verglichen werden. Während die hydraulische Brücke eine etwas grösser Pumpe (= Geberzylinder) braucht, ist bei der mechanischen Brücke die Synchronisation der beiden Ventile etwas reibungsabhängig.

Bei allen Systemen ist eine sogenannte Bremse eingebaut. Die hydraulische Bremse übernimmt die Aufgabe, das Gaswechselventil vor dem Auftreffen auf dem Ventilsitzring abzubremsen und damit zu helfen, dass der Ventilteller weich aufsetzt, nicht übermässig verschleisst und akzeptierbare Geräuschemissionen erzeugt.

 

Betriebsmodi

Im Bild 7 sind die fünf Modi, welche Fiat und Alfa Romeo im Moment im 1.4-l-Motor einsetzen, dargestellt. Die roten Kurven stellen den Nockenhub dar, welcher den hydraulischen Geberzylinder betätigt. Theoretisch können innerhalb der roten Kurven sehr viele verschiedene grüne Kurven über das Magnetventil angesteuert und realisiert werden. In jedem Fall muss die Applikation Gaswechselvorteile gegenüber der konventionellen Ventilsteuerung bieten.

Wird das Einlassventil einfach verspätet geöffnet und zu früh geschlossen und wird dabei nur ein geringer Hub angesteuert, wird damit ein leerlaufnaher Betriebspunkt definiert. Dadurch wird theoretisch die Drosselklappe überflüssig. In diesem Modus kann nur wenig Gemisch in den Zylinder gelangen, durch den späten Eö-Punkt (Einlass öffnet) wird die Ventilüberschneidung unterdrückt und im Zylinder ein Unterdruck erzeugt. Durch das frühe Es (Einlass schliesst) wird kein Gemisch mehr in den Ansaugtrakt zurückgestossen. Der kleine Ventilhub bewirkt kleine Ventilspalte und zusammen mit dem Unterdruck eine hohe Einströmgeschwindigkeit und eine gute Gemischdurchwirbelung.

 

Miller-Cycle

Im Teillastbereich wird das Mag­netventil früh geöffnet, der Druck abgelassen und das Einlassventil daher zu früh geschlossen. Da sich anschliessend der Verbrennungsraum im Zylinder weiter vergrössert, sinkt der Druck bzw. steigt der Unterdruck. Nach dem UT durchfährt die Kompression fast auf der gleicher Linie den Unterdruckbereich. Dadurch ergibt sich für die Gaswechselarbeit eine kleine Fläche (gelbe Fläche im Bild 6) bei gleichbleibender Verbrennungsarbeit (blaue Fläche im Bild 6). Das Verhältnis dieser beiden Flächen im pV-Diagramm ergibt den thermodynamischen- oder den Wirkungsgrad der Verbrennung. Der Amerikaner Ralph Miller meldete diese Idee 1947 zum Patent an. Seither wurde das frühe Schliessen des Einlassventils auch als «Miller-Cycle» bekannt. Der Miller-Cycle ist natürlich gerade im Teillastbereich anzustreben, da er durch die Erhöhung des Wirkungsgrades den Verbrauch senken kann.

Im Volllastbetrieb wird die volle Nockenkurve zum Gaswechsel ausgenutzt. Das bringt die maximale Ventilöffnung und damit auch bei hohen Drehzahlen einen maximalen Füllungsgrad.

Im Stadtbetrieb können die Einlassventile im «Multi-Lift»-Betrieb zweimal geöffnet werden, was bei sehr niedrigen Lasten die Gemischturbulenzen und die Brennrate im Zylinder erhöht.

 

Anforderungen

Eine Hauptvoraussetzung war bei der Entwicklung des MultiAir-Systems die Ausfallsicherheit. Ein Ausfall der Ventilsteuerung ist häufig gleichbedeutend mit einem kapitalen Motorschaden. Die Schaeffler-Gruppe spricht in diesem Zusammenhang von Ventilbetätigungszahlen grösser als 330 Millionen, welche mit dem System erreicht werden können. Diese Anzahl Ventilbetätigungen entspricht einer Kilometerzahl von mehr als 200›000 km, also einem gesamten Fahrzeugleben. Daneben muss das System mit Motorenöl funktionieren, es soll kein spezieller Hydraulikkreislauf aufgebaut werden müssen. Als drittes Entwicklungsschwergewicht wurde auf die Kompatibilität des Systems zu Otto- wie auch zu Dieselmotoren geachtet.

MultiAir ist nach Angaben aus Fiat-Kreisen erfolgreich angelaufen und man darf gespannt sein, wie sich das System auf die Dauer bewährt.

 

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