SI/502293

Publikationen / Ergebnisse

Verbrennungsmotoren im Nutzfahrzeugen wurden immer auf maximale Effizienz ausgelegt. Die Treibstoffkosten sind ein dominanter Kostenfaktor in diesem Segment und hohe Effizienz verspricht einen direkten Wettbewerbsvorteil. Allerdings war bis jetzt immer klar: der mit Abstand grösste Teil der Nutzfahrzeugmotoren wird mit fossilem Diesel, allenfalls mit Biodieselanteil, betrieben. Aufgrund der Notwendigkeit, innerhalb von drei Jahrzehnten von fossilen Treibstoffen komplett wegzukommen, ist die Nutzfahrzeugindustrie im Umbruch. Diverse Anwendungen mit geringen Anforderungen an Hochlast und Autonomie werden in Zukunft elektrifiziert werden. Die anspruchsvollen Anwendungen im Bereich des Langstreckenverkehrs sowie der Arbeitsmaschinen werden aber weiterhin auf die enorme Energiedichte von chemischen Energieträgern angewiesen sein. Allerdings wird sich vermutlich nicht ein einziger erneuerbarer chemischer Energieträger etablieren, sondern verschiedene, je nach Kostenstruktur, Marktgegebenheiten, Gesetzgebung und technischen Fortschritten. Neben Biotreibstoffen (Problem: zu geringes Mengenpotential), sind sogenannter Fischer-Tropsch basierte Drop-In Treibstoffe (Problem: hohe Kosten) sowie einfacher herzustellende erneuerbare Treibstoffe wie Wasserstoff, Methan, Ammoniak, Methanol, Dimethylether vielversprechende Kandidaten. Die Industrie steht also vor der Aufgabe, Energiewandler für diverse zukünftig bedeutsame Treibstoffe zu entwickeln. Im Bereich der Verbrennungsmotoren bedeutet dies, dass Motoren möglichst einfach an Treibstoffe adaptiert werden sollen und diese für jeden Treibstoff maximale Effizienz liefern müssen. Ein wichtiger Baustein dafür ist es, den Gaswechsel von Motoren so flexibel wir möglich zu gestalten. Ziel dieses P&D Projektes ist es darum, einen vollvariablen Ventiltrieb für einen Nutzfahrzeugmotor zu entwickeln und ihn damit auszurüsten. Mit dieser neuen Flexibilität soll, in einem ersten Schritt mit konventionellem Diffusionsbrennverfahren, die Motoreffizienz, das Volllastverhalten und das Thermomanagement verbessert werden. In einem darauf aufbauenden Forschungsprojekt sollen dann Potenziale für andere Treibstoffe und Brennverfahren betrachtet werden. Im Rahmen dieses Projektes wurden auf der Seite der Ventiltriebsauslegung diverse Anforderungen an den Ventiltrieb systematisch erfasst und mittels Multiphysik-Simulationen bewertet. Begleitend zur Simulation wurden stets die konstruktiven Machbarkeiten geprüft. Dabei stellte sich heraus, dass die Anforderungen, speziell der sehr knappe Bauraum und allfällige Bremsfunktion in 2-Takt-Betriebsweise, herausfordernd sind und die Auslegung/Konstruktion sehr sorgfältig iteriert werden muss. Dabei entstand eine neue Möglichkeit, die ursprünglich paarweise geplante Betätigung der Ventile via Doppel-Schlepphebel durch hydraulische Einzelbetätigung zu ersetzen, wodurch Drall-Steuerung zur Verbrennungsbeeinflussung möglich wird. Das Projektteam hat sich für diesen Weg entschieden, da so der Vielfachnutzen des elektrohydraulischen Ventilbetätigungssystems am besten demonstriert werden kann und Industrialisierungschancen steigen. Heute darf die Konfiguration als simulativ bestätigt und konstruktiv gelöst gelten. Die Fertigung von Teilen hat begonnen, Anfangs 2024 wird der Aufbau der Hardware starten. Parallel zur Entwicklung des Ventiltriebs wurden die Vorbereitungsarbeiten auf der Motorenseite abgeschlossen. Dies umfasste einerseits die Konzeptionierung einer Rapid Prototyping Steuerungsumgebung, den Aufbau und die Basisvermessung des Serienmotors mit der Serienmotorsteuerung, die Programmierung der Rapid Prototyping Steuerungsumgebung sowie den befeuerten Betrieb des Grundmotors damit. Dabei wurde die Ansteuerung / Regelung des Grundmotors für stationären Betrieb vergleichbar mit der Serienmotorsteuerung umgesetzt. Damit steht dem Projekt nun eine voll flexible Steuer- und Regelungsplattform zur Verfügung, mit welcher im weiteren Projektverlauf die neu dazukommenden Komponenten des vollvariablen Ventiltriebs angesteuert werden können.