Ventiltriebkonzepte zur Verbrauchsreduzierung bei Motorradmotoren

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird das Verbrauchspotential bei Motorradmotoren von zwei variablen Ventiltrieben, dem mechanischen vollvariablen Ventiltrieb (VVT) und dem Schaltnockensystem (SN) verglichen. Im für den Abgastest relevanten TL-Bereich werden zwei Betriebspunkte mit niedriger und höher Last für die stationären Untersuchungen definiert. Für die Darstellung des entdrosselten Betriebs wird die Ventilhubstrategie mit frühem Einlass Schließen (FES) gewählt. Die zu untersuchenden Ventilhubprofile werden durch Verkürzung der Öffnungsdauer (OD) der Basisnocke unter Beibehaltung der maximalen Ventilbeschleunigung generiert. Die rechnerischen Ergebnisse in der unteren Teillast zeigen, dass sowohl kurze (ca. 40% der Basis-ÖD) als auch mittellange (ca. 70% der Basis-ÖD) Ventilhubprofile zu einem vollentdrosselten Betrieb mit gravierender Absenkung der Ladungswechselverluste führen. Stark unterschiedlich ist aber der sich ergebende Restgasgehalt, der bei mittellangen Hubprofilen auf höherem Niveau liegt. Im oberen Teillastbereich zeigen die Simulationen ebenfalls einen deutlichen Effekt der Entdrosselung auf die Ladungswechselverluste, wobei das allgemein niedrige Restgasgehaltniveau weniger beeinflusst wird. Die Verbrennungsstabilität in der unteren Teillast stellt bei Motorradmotoren, aufgrund ihrer speziellen konstruktiven Eigenschaften, eine große Herausforderung dar. Darüber hinaus führt der FES-Ansatz zu einer Absenkung des Turbulenzniveaus im Brennraum sowie des effektiven Verdichtungsverhältnisses. Mittels dreidimensionaler Strömungssimulation werden verschiedene Maßnahmen analysiert, die für eine Verstärkung der Ladungsbewegung sorgen. Die experimentellen Ergebnisse im unteren TL-Bereich bestätigen, dass Hubprofile mit kurzer ÖD bei Vollentdrosselung zu einer gravierenden Absenkung der Ladungswechselarbeit führen (VVT-Ansatz). Hubprofile mit mittellanger ÖD sind im vollentdrosselten Betrieb nicht zielführend, da die Verbrennungsstabilität aufgrund des hohen Restgasgehalts und des niedrigen Turbulenzniveaus sehr kritisch wird. Diese Hubprofile können aber als SN-Varianten ohne Einsatz eines Einlassphasenstellers mit späterer Einlassspreizung und angestellter Drosselklappe betrieben werden. Dies führt zu einer hervorragenden Verbrennungsstabilität und dadurch erreichen die SN-Hubprofile ebenfalls einen Verbrauchsvorteil gegenüber der Basisnocke. Die geringe Reibleistung, die sich aus dem reduzierten Ventilhub ergibt, wirkt sich in der unteren Teillast zusätzlich auf den Kraftstoffverbrauch aus. In Summe zeigen die SN-Hubprofile eine Verbrauchseinsparung von 6%, während die VVT-Hubprofile durch die Vollentdrosselung die 10% erreichen. Im oberen TL-Bereich gibt es zwischen VVT- und SN-Hubprofilen kaum Unterschiede, da beide hier für den entdrosselten Betrieb ausgelegt sind. Die Verbrennungsstabilität liegt schon bei der Basisnocke auf hohem Niveau. Der Effekt der niedrigen Ladungswechsel- und Reibungsverluste auf den Kraftstoffverbrauch ist aufgrund der höheren Last gering. Insgesamt beträgt hier der erzielbare Verbrauchsvorteil ca. 6%. Eine Potentialabschätzung im ganzen Abgastestbereich ergibt für das Schaltnockensystem ohne Phasensteller eine Verbrauchseinsparung von ca. 7%, die bei dem VVT mit Phasensteller auf fast 10% ansteigen würde. Die ersten Versuche auf dem Motorprüfstand mit einer SN-Variante im transienten Betrieb bestätigen die Prognose aus den stationären Messwerten. Der Einsatz von Ventiltriebvariabilitäten in der Volllast wird ebenfalls evaluiert. Bei dem SN-System werden eine Drehmoment- und eine Leistungsnocke kombiniert. Dadurch ergibt sich ein sehr fülliger Drehmomentverlauf. Durch Verlängerung der Getriebeübersetzung kann somit ein Verbrauchsvorteil von ca. 2% erzielt werden. Beim VVT liegt die große Herausforderung in der Volllast bei der mechanischen Festigkeit. Die Hubprofile sind flacher als bei starren Ventiltrieben und das maximale Drehmoment sinkt. Aufgrund seiner konstruktiven Eigenschaften wird das Schaltnockensystem ohne Einlassphasensteller als ein günstiger Kompromiss bewertet, falls keine weiteren Anforderungen hinsichtlich Drehmoment und Leistung bestehen. Allerdings gilt es noch zu überprüfen, ob eine unauffällige Nockenumschaltung in der Teillast darstellbar ist. Der vollvariable Ventiltrieb bietet eine breitere Möglichkeit der Optimierung, aber die Drehzahlfestigkeit stellt eine große Herausforderung dar. Die Notwendigkeit eines Einlassphasenstellers macht die Komplexität eines derartigen Systems noch höher.

This work deals with the comparison of the potential for the fuel consumption reduction on motorcycle engines of two different variable valve train concepts: the fully variable valve actuation system (VVA) and the cam profile switching system (CS). With regard to the partial load operation within the exhaust emission test, two operating points with lower and higher load for steady state measurements are defined. To achieve unthrottled operation, lift profiles with early intake valve closing timing (EIVC) are used. The investigated valve lift profiles are obtained by shortening the opening duration (OD) of the reference intake cam profile while the maximal valve acceleration is maintained. The numerical results at lower load show that both short (approx. 40% of the reference OD) and middle (approx. 70% of the reference OD) valve lift profiles lead to unthrottled operation along with a dramatic reduction of the pumping losses. However, the calculated residual gas fraction varies greatly for the two cases, reaching a higher level for middle profiles. The simulation at higher load similarly shows a strong effect of unthrottled operation on the pumping losses. The residual gas fraction in this case remains almost unvaried. The combustion stability at low load is a big challenge for motorcycle engines due to their design characteristics. Furthermore, the EIVC strategy leads to a reduction of the turbulence within the combustion chamber and of the effective compression ratio as well. By means of 3D flow simulation several methods for improving the air motion are investigated. The experimental results at lower load confirm that valve lift profiles with short OD allow - in conjunction with unthrottled operation - a dramatic reduction of the pumping losses (VVA strategy). Valve lift profiles with middle OD cannot be run under unthrottled conditions, since the combustion stability is deteriorated by the low turbulence level in conjunction with the high residual gas fraction. However, such profiles can be used as CS variants without intake cam phaser in conjunction with a later IVO and throttled operation. That leads to a very stable combustion and thereby achieves an improvement in the fuel consumption compared to the reference cam. The low friction losses resulting from the reduced valve lift have a further effect on the fuel consumption at lower load. In sum, the investigations show a reduction of the fuel consumption with the CS lift profiles of about 6%, whereas 10% should be achievable with the VVA lift profiles under unthrottled operation. At higher load VVA and CS lift profiles are very similar, because the CS system was designed alike the VVA for unthrottled operation here. In this case, the combustion stability is already very high with the reference cam. The effect of the reduced pumping and friction losses on the fuel consumption is very slight due to the higher engine load. Altogether the amount of the fuel consumption reduction comes to approx. 6% here. An evaluation of the potential in the exhaust test leads to a fuel consumption reduction of approx. 7% for the CS system without cam phaser. Due to the unthrottled operation, such a value would increase to almost 10% with the VVA. First results on the engine rig under transient conditions with a CS cam confirm the prediction based on the steady state measurements. Moreover, variable valve actuation can be used to increase the torque curve. On the CS system, i.e. a high-torque and a high-power cam profile can be combined. Such an approach is also investigated in this work and leads to a very generous torque curve. By using a longer gear ratio, a fuel consumption advantage of approx. 2% can be achieved. The big challenge under full load for the VVA is to achieve enough stiffness at motorcycle typical revs. The maximal valve acceleration is lower than on conventional valve trains and the achievable maximal torque drops. Due to its mechanical layout, the CS system without intake cam phaser is considered to be a reasonable compromise when no further requests concerning torque and power exist. In a next step it should examined, whether a smooth cam switching under partial load operation in spite of the stiff driveline of motorcycle engines can be realized. The VVA offers more flexibility for the optimization but the required stiffness at high revs poses a major challenge. The necessity of an intake cam phaser makes such a system even more complex.