Nockenwellenversteller
Schaeffler
Elektromechanische Nockenwellensteller sollen für das Öffnen und Schließen der Motorventile eine höhere Verstellgenauigkeit und Dynamik ermöglichen. Schaeffler bringt nun seine ersten elektromechanischen Nockenwellensteller in einer japanischen Motorenbaureihe in die Serie.
Der Einsatz elektromechanischer Steller anstatt der heute üblichen hydraulischen Systeme soll es Schaeffler zufolge ermöglichen, die Nockenwelle schneller und präziser auf die jeweiligen Betriebsbedingungen des Motors einzuregeln. Dadurch sollen Verbrauch und Schadstoffemissionen gesenkt werden können, gleichzeitig steige der Komfort im Start-Stopp-Betrieb.
Höhere Verstellgeschwindigkeit
Mithilfe der Elektromechanik ist es laut Schaeffler nun möglich, die Nockenwelle mit einer Geschwindigkeit von bis zu 600 Grad Kurbelwinkel pro Sekunde zu verstellen. Hydraulische Systeme arbeiten abhängig von Motordrehzahl und Temperatur um den Faktor zwei bis zehn langsamer, berichten die Experten des Automobilzulieferers. Die höhere Dynamik elektromechanischer Steller soll es ermöglichen, auch bei niedrigen Motordrehzahlen sehr schnell auf Laständerungen zu reagieren - etwa wenn der Fahrer das Gaspedal im Schubbetrieb schlagartig voll durchtritt. Anders als bei hydraulischen Systemen sei die Reaktionsgeschwindigkeit auf einen Lastwechsel nicht von der Ölversorgung abhängig. Im Einzelfall könne sogar auf eine vergrößerte Motorölpumpe und den daraus resultierenden Mehrverbrauch verzichtet werden.
Zudem soll mit einem elektromechanischen Nockenwellenversteller das An- und Abstellen des Motors komfortabler ausfallen. Dies ist den Entwicklern zufolge nicht nur im Start-Stopp-Betrieb wichtig, sondern vor allem auch für Hybridfahrzeuge. Das Zuschalten des Verbrennungsmotors sei ohne wahrnehmbares Ruckeln möglich, weil der Motor bis zum Erreichen einer Drehzahl von 200/min mit reduzierter Kompression gefahren werde. Möglich ist das, weil die Nockenwelle bereits vor dem Anspringen des Verbrennungsmotors in eine entsprechende Position gefahren werden kann, berichten Ingenieure. Während des Hochlaufens sollen dann die Steuerzeiten der Ventile synchron so an die Einspritzung angepasst werden, dass die Verdichtung sanft wieder einsetze. Mit angepasster Einspritzung und Zündung werde in der Folge ein sanfter Motorhochlauf erreicht.
Selbstentwickelter Gleichstrommotor
Konstruktiv setzt Schaeffler auf eine kompakte Lösung, die aus einem bürstenlosen Gleichstrommotor sowie einem hochuntersetzen Getriebe besteht. Das Getriebe basiert den Schaeffler-Ingenieuren zufolge auf einem flexiblen Zahnrad und einem ovalen Wälzlager. Es übersetze die Motordrehzahl mit etwa 70 zu 1. "Damit erreichen wir eine sehr gute Balance zwischen der Größe des Elektromotors und der Verstellgeschwindigkeit", erläutert Martin Scheidt, Entwicklungsleiter Motorsysteme bei Schaeffler. Zudem arbeite das Getriebe völlig geräuschlos. Durch den kompakten Aufbau komme der elektromechanische Nockenwellenversteller des Zulieferers mit dem gleichen Bauraum aus wie ein hydraulisches System.
Der verwendete Elektromotor trage selbst zur hohen Verstellgenauigkeit bei, weil er nicht nur als Aktuator, sondern auch als Sensor diene. Zusätzlich zu der auch bei hydraulischen Systemen genutzten Positionserkennung - in der Regel viermal je Umdrehung der Nockenwelle - wird beim elektrischen System die Rotorposition laufend über integrierte Sensoren erfasst und von einer elektronischen Steuerung ausgewertet. Damit sei die Position der Nockenwelle stets exakt bekannt. Die Entwicklung des Gleichstrommotors erfolgt bei Schaeffler in Eigenregie. "Am Markt haben wir keine Motoren gefunden, die unseren Ansprüchen an Präzision und Dauerhaltbarkeit genügt hätten", begründet Scheidt diesen Schritt.
Höhere Variabilität im Ventiltrieb
Der erste Serieneinsatz für die von Schaeffler entwickelten und produzierten elektromechanischen Nockenwellenversteller in einer japanischen Motorenbaureihe stehe unmittelbar bevor. Gleichzeitig entwickelt der Automobilzulieferer laut eigenen Angaben aber auch die im Markt weit verbreiteten hydraulischen Nockenwellenversteller weiter.
"Insgesamt beobachten wir einen klaren Trend zu höherer Variabilität im Ventiltrieb", sagt Scheidt. So führen Scheidt zufolge die strengen CO2-Vorgaben beispielsweise dazu, dass immer mehr Automobilhersteller auf Zylinderabschaltung setzen. Um verschiedene Kundenwünsche zu erfüllen, entwickelt Schaeffler unterschiedliche Technologien, die von schaltbaren Rollenschlepphebeln bis hin zum vollvariablen elektrohydraulischen "UniAir"-System reichen, mit dem der Ventilhub stufenlos variiert werden kann.