Entwicklung einer pneumatischen Ventilfeder für hochdrehende Serienmotoren

Abstract

Ein Schwerpunkt bei der Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren für Fahrzeugantriebe ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, ohne dabei Einschränkungen der Fahrleistungen akzeptieren zu müssen. Bei Ottomotoren wird neben dem Konzept „Downsizing + Aufladung“ auch das Hochdrehzahlkonzept verfolgt. Vorteil dabei ist der leichte Antriebsstrang bei hoher Zugkraft, in extremer Form wird dieses Konzept momentan in der Formel 1 realisiert. Die Anforderungen an den Ventiltrieb für hohe Motordrehzahlen bei bedarfsgerechten Ventilfeder-kräften lassen sich durch pneumatische Ventilfedern erfüllen, ein Konzept für eine pneumatische Ventilfeder für hochdrehende Serienmotoren wird in dieser Arbeit vorgestellt. Die Eignung für die Verwendung in einem Serienmotor bedeutet Wartungsfreiheit über die Lebensdauer des Motors und eine ausreichende Ausfallsicherheit des Gesamtsystems. Daraus resultiert die Kombination einer schiebergesteuerten Kolbenpumpe mit der pneumatischen Feder zu einem kompakten selbstpumpenden Element. Für die Wartungs-freiheit werden verschleißfreie Spaltdichtungen vorgesehen. Eine zusätzliche mechanische Schraubenfeder sichert den Motorstart ohne Druck in der pneumatischen Feder, diese Zusatz-feder stellt auch die Notlauffähigkeit des Motors bei einem Ausfall der Luftfeder sicher. Grundsatzversuche am Aggregate-Prüfstand mit einem modifizierten Flachstößel weisen die Funktionsfähigkeit des Systems nach. In einer ersten konstruktiven Optimierung wird das Konzept auf einen modernen Tassenstößel mit balliger Gleitfläche übertragen, um sicher-zustellen, dass die pneumatische Federeinheit in einem aktuellen Serienmotor eingesetzt werden kann. Funktionsversuche zeigen das Potential zur Reduzierung der Reibleistung und bestätigen die Funktionssicherheit bis zu einer Motordrehzahl von 10.000 U/min. Die Integration von serienmäßigen Elementen für den hydraulischen Ventilspielausgleich erfordert eine zweite konstruktive Überarbeitung für eine zuverlässige Trennung der Medien Druckluft (Leckluft aus der pneumatischen Ventilfeder) und Drucköl (für die Versorgung des HVA-Elements). Als Alternative für diese Ausführung wird das Konzept einer zweistufigen Kompression für die Luftversorgung der Federelemente vorgestellt, dabei könnten serien-mäßige Tassenstößel eingesetzt werden. Eine Parameter-Variation mit einer Simulationsrechnung, die auch den Einfluss der Leckagen durch die Spaltdichtungen berücksichtigt, zeigt den Einfluss der wichtigsten geometrischen Größen auf die Funktion des Systems.

The main focus at developments of modern internal combustion engines for vehicle drives is the reduction of the fuel consumption without restrictions of the road performances. According to the concept “downsizing and charging” the concept of high speed is used at Otto engines. The advantage is a light power train at a high attraction which is – in extreme form – demonstrated at Formula One at the moment. The requirements on the valve train for high motor speeds at valve spring forces adapted to the needs can be fulfilled by pneumatic valve springs, a concept for a pneumatic valve spring for high speed series engines is introduced in this work. The suitability for the use in a series engine means maintenance liberty over life time of the engine and a sufficient failure safety of the complete system. The combination of a slide-valve controlled piston pump with a pneumatic spring results in a compact self-pumping element. Wearfree gap sealings are provided for maintenance liberty. An additional mechanical helical spring secures an engine start without pressure in the pneumatic spring. This addition spring also guarantees the runability of the engine after failure of the air spring. General experiments on the aggregate test bed with a modified flat-base tappet prove the function ability of the system. In a first constructive optimization the concept will work with a modern spherical bucket tappet to make sure the pneumatic spring unit can be used in a currently used series engine. Function tests showed the potential for the reduction of the friction performance and confirmed the function safety up to an engine speed of 10,000 rpm. The integration of standard elements for the hydraulic valve clearance compensation required a second constructive revision for a reliable separation of the media compressed air (leak air from the pneumatic valve spring) and compressed oil (for the supply of the hydraulic valve clearance compensation element). As alternative for this design the concept of a two-step compression for air supplies of the pneumatic elements is introduced where standard bucket tappets could be used. A simulation with parameter variations that also took the influence of the leakages by the gap sealings in according showed the influence of the most important geometric sizes on the function of the system.