Kinematik des vollvariablen Ventiltriebs UniValve

Diplomarbeit von Michael Scherer

Zusammenfassung:

Ein Hauptziel bei der Entwicklung von modernen Fahrzeugmotoren ist die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Zur Erreichung dieser Zielsetzung existieren bei Ottomotoren verschiedene technische Lösungsansätze. Einer dieser Lösungsansätze ist die drosselfreie Laststeuerung über einen vollvariablen Ventiltrieb. Eine drosselfreie Laststeuerung zielt darauf ab, den Verbrauch durch die Absenkung der Ladungswechselverluste in der Teillast zu verringern. Der Lehrstuhl für Verbrennungskraftmaschinen der Universität Kaiserslautern entwickelt den mechanisch vollvariablen Ventiltrieb UniValve. Dieser hat folgende Eigenschaften: Der Ventilhub ist stufenlos einstellbar bis hin zum Nullhub und mit abnehmendem Ventilhub wird der Ventilöffnungswinkel geringer. Mit einem UniValve-Ventiltrieb kann daher eine drosselfreie Laststeuerung nach dem Prinzip des frühen Einlassschließens verwirklicht werden. Bei diesem Prinzip wird die für einen Lastpunkt erforderliche Gemischmenge durch die Wahl der Ventilöffnungszeit eingestellt.

Ventiltriebe von Ottomotoren sind im Sinne der Getriebelehre ebene Kurvengetriebe. Kurvengetriebe haben die Eigenschaft, dass eine vorgegebene Bewegung des Abtriebsglieds durch Auslegung bzw. Berechnung der Kontur des Kurvenglieds quasi zwangsläufig erzeugt werden kann. In herkömmlichen Ventiltrieben z.B. Tassenstößel-, Schlepphebel- oder Kipphebeltrieben mit konstantem max. Ventilhub ist der Nocken das Kurvenglied, dessen Kontur die Bewegung des Ventils - des Abtriebsglieds - bestimmt. Dabei wird das Bewegungsgesetz, das die die Relativlage des Ventils zum Nocken beschreibt, als Ventilhubverlauf bezeichnet. Durch die Wahl bzw. Konstruktion eines geeigneten Ventilhubverlaufs können die dynamischen Eigenschaften des Ventiltriebs und der motorische Prozess gezielt beeinflusst werden. Deshalb existieren für herkömmliche Ventiltriebe Software-Pakete, z.B. Camshaft Design System - kurz CDS - mit denen der Ventilhubverlauf modelliert werden kann und die dann aus dem Ventilhubverlauf und der Geometrie des Ventiltriebs invers kinematisch die Nockenkontur berechnen, die die vorgegebene Ventilbewegung erzeugt.

In einem vollvariablen UniValve-Ventiltrieb arbeiten zwei Kurvengliedern - Nocken und Stellhebel. Für die Berechnung der Nockenkurve und der Arbeitskurve des Stellhebels ist es daher erforderlich, zwei Bewegungsgesetze vorzugeben - den Ventilhubverlauf bei Vollhub und eine zweite Übertragungsfunktion, die die Bewegung des Stellhebels bestimmt und hier als Schwenkgesetz bezeichnet wird. Bisher gab es keine speziell für UniValve konzipierte Software mit der die Berechnung der Kurven des UniValve-Ventiltriebs schnell und unkompliziert möglich gewesen wäre. Im Rahmen dieser Studienarbeit wurden die theoretische Grundlagen erarbeitet für:

- Die numerische Rekonstruktion von Ventilhubkurven aus diskreten Beschleunigungswerten auf der Basis von interpolierenden Splines.

- Die Berechnung der Nocken- und Arbeitskurve eines UniValve Ventiltriebs und die Simulation der Ventilbewegung in den Teilhüben.

Auf Basis dieser Grundlagen wurde dann das MATLAB-Programm UniValve Nocken- und Arbeitskurvensynthese entwickelt. Das MATLAB-Programm ermöglicht:

- Das Einlesen eines mit CDS erzeugten Ventilhubverlaufs und Schwenkgesetzes.

- Die Angabe der geometrischen Parameter, die den Ventiltrieb beschreiben.

- Die Berechnung einer Punktwolke der Nocken- und Arbeitskurve, die in das CAD-System Pro/ENGINEER importiert werden kann und die Berechnung/Simulation der Ventilbewegung in den Teilhüben.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Das UniValve-System	3
2.4	Aufbau und Funktionsweise	3
2.5	Ziel des Einsatzes einer vollvariablen Ventilsteuerung	8
3.	Grundlagen	11
3.4	Koordinatensysteme und geometrische Parameter	13
3.4.1	Koordinatensysteme	13
3.4.2	Geometrische Parameter	14
3.5	Ventilhubverlauf und Schwenkgesetz	22
3.5.1	Anforderungen an Ventilhubverlauf und Schwenkgesetz	22
3.5.2	Einlesen von Schwenkgesetz und Ventilhubverlauf	24
3.5.3	Erweitertes Schwenkgesetzes.	33
3.5.4	Synchronisation von Ventilhubverlauf und Schwenkgesetz.	34
3.6	Wichtige Übertragungsfunktionen	36
3.6.1	Schlepphebelwinkel	36
3.6.2	Nockenrollenwinkel	38
3.6.3	Stellhebelwinkel	41
3.7	Nockensynthese	46
3.7.1	Relative Rollenmittenbahn des Nockens	46
3.7.2	Nockenkurve	48
3.8	Arbeitskurvensynthese	51
3.8.1	Relative Rollenmittenbahn der Arbeitskurve	51
3.8.2	Arbeitskurve des Stellhebels	53
3.8.3	Nullhubradius der Arbeitskurve	57
3.9	Simulation der Kinematik	59
3.9.1	Ablauf der Berechnung	59
3.9.2	Darstellung der Nocken- und Arbeitskurve mit Hilfe von Splines	61
3.9.3	Berechnung des Kontakts zwischen Nocken und Nockenrolle	64
3.9.4	Berechnung des Kontakts zwischen Arbeitskurve und Schlepphebelrolle	68
3.9.5	Vergleich von Auslegung und Simulation	72
4.	Zusammenfassung	76
	Anhang	78
A.1	Bedienungsanleitung: UniValve Nocken- und Arbeitskurvensynthese	78
A.1.1	Installation und Programmstart	78
A.1.2	UniValve Ventilhub einlesen	81
A.1.3	UniValve Schwenkgesetz einlesen	85
A.1.4	UniValve Ventiltriebs-Geometrie einlesen	86
A.1.5	UniValve Nockensynthese	89
A.1.6	UniValve Arbeitskurvensynthese	93
A.1.7	UniValve kinemtische Simulation	98
A.2	Funktionsübersicht	108
	Literaturverzeichnis	116

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	1
2.	Das UniValve-System	3
2.4	Aufbau und Funktionsweise	3
2.5	Ziel des Einsatzes einer vollvariablen Ventilsteuerung	8
3.	Grundlagen	11
3.4	Koordinatensysteme und geometrische Parameter	13
3.4.1	Koordinatensysteme	13
3.4.2	Geometrische Parameter	14
3.5	Ventilhubverlauf und Schwenkgesetz	22
3.5.1	Anforderungen an Ventilhubverlauf und Schwenkgesetz	22
3.5.2	Einlesen von Schwenkgesetz und Ventilhubverlauf	24
3.5.3	Erweitertes Schwenkgesetzes.	33
3.5.4	Synchronisation von Ventilhubverlauf und Schwenkgesetz.	34
3.6	Wichtige Übertragungsfunktionen	36
3.6.1	Schlepphebelwinkel	36
3.6.2	Nockenrollenwinkel	38
3.6.3	Stellhebelwinkel	41
3.7	Nockensynthese	46
3.7.1	Relative Rollenmittenbahn des Nockens	46
3.7.2	Nockenkurve	48
3.8	Arbeitskurvensynthese	51
3.8.1	Relative Rollenmittenbahn der Arbeitskurve	51
3.8.2	Arbeitskurve des Stellhebels	53
3.8.3	Nullhubradius der Arbeitskurve	57
3.9	Simulation der Kinematik	59
3.9.1	Ablauf der Berechnung	59
3.9.2	Darstellung der Nocken- und Arbeitskurve mit Hilfe von Splines	61
3.9.3	Berechnung des Kontakts zwischen Nocken und Nockenrolle	64
3.9.4	Berechnung des Kontakts zwischen Arbeitskurve und Schlepphebelrolle	68
3.9.5	Vergleich von Auslegung und Simulation	72
4.	Zusammenfassung	76
	Anhang	78
A.1	Bedienungsanleitung: UniValve Nocken- und Arbeitskurvensynthese	78
A.1.1	Installation und Programmstart	78
A.1.2	UniValve Ventilhub einlesen	81
A.1.3	UniValve Schwenkgesetz einlesen	85
A.1.4	UniValve Ventiltriebs-Geometrie einlesen	86
A.1.5	UniValve Nockensynthese	89
A.1.6	UniValve Arbeitskurvensynthese	93
A.1.7	UniValve kinemtische Simulation	98
A.2	Funktionsübersicht	108
	Literaturverzeichnis	116

Textprobe:

Kapitel 2.5, Ziel des Einsatzes einer vollvariablen Ventilsteuerung:

Beim Ottomotor wird die Last, d.h. Masse an Benzin-Luft-Gemisch, die pro Taktzyklus in den Zylinder gelangt, durch die Drosselung der Ansaugluft über eine Drosselklappe in der Ansaugleitung eingestellt. Man spricht von einer Quantitätsregelung. In der Teillast herrscht daher während des Ansaugtakts stets ein Unterdruck in der Ansaugleitung und im Zylinder. Die Drosselung sorgt dafür, dass die Ladungswechselarbeit zu niederen Lasten hin stark ansteigt. Durch eine ungedrosselte Laststeuerung, bei der das Benzin-Luft-Gemisch bei näherungsweise Umgebungsdruck angesaugt wird, kann die Ladungswechselarbeit in der Teillast verringert und damit der Verbrauch des Motors gesenkt werden.

Das Prinzip des frühen Einlassschließens stellt ein Konzept einer drosselfreien Laststeuerung dar. Bei diesem Prinzip wird die für einen Lastpunkt erforderliche Gemischmasse durch eine variable Ventilöffungszeit eingestellt, d.h. das Ventil wird geschlossen, wenn die erforderliche Gemischmasse im Zylinder ist. Abb. 7 zeigt ein p-V-Diagramm, in dem die Ladungswechselschleife einer drosselfreien Laststeuerung nach dem Prinzip des frühen Einlassschließens mit der einer herkömmlichen Drosselsteuerung verglichen wird. Die schraffierte Fläche im Diagramm entspricht der eingesparten Ladungswechselarbeit.

Mit einem vollvariablen Ventiltrieb wie dem UniValve-System, bei dem der Ventilhub stufenlos einstellbar ist und bei dem die Absenkung des Ventilhubs mit einer Verkürzung der Ventilöffnungsdauer verbunden ist, kann eine drosselfreie Lassteuerung nach dem Prinzip des frühen Einlassschließens realisiert werden. In Abb. 8 sind prinzipielle Möglichkeiten den Ventilhubverlauf zu variieren dargestellt. Das UniValve-System entspricht ohne eine Nockenwellenverstellung der Variante 5a. Abb. 8: Prinzipielle Möglichkeiten variabler Ventilhubkurven Es existieren auch Konzepte bzw. Patente von variablen Ventiltrieben, die eine Hubkurven-Schar gemäß Variante 1 liefern, bei der bei abnehmendem Ventilhub die Öffnungszeit erhalten bleibt. Der Einsatz eines solchen Systems würde einer Verlagerung der Drosselklappe hin zum Ventil entsprechen und keine Verbrauchvorteile ergeben.

Das Problem von Variante 2, bei der nur die Ventilöffnungszeit variiert und der Ventilhub erhalten wird, ist die technische Realisierbarkeit, da mit abnehmendem Ventilöffnungszeit die Ventilbeschleunigungen zunehmen. BMW bietet Motoren an, die die Last mit einem vollvariablen Ventiltrieb - dem Valvetronic-System - steuern. Der erste Serieneinsatz des Valvetronic-Systems erfolgte mit einem vollständig neuen Vierzylindermotor im Frühjahr 2001. BMW gibt an, durch den Einsatz der Valvetronic eine Verbrauchsverbesserung von 15 % gegenüber dem Vorgängermotor bei einer gleichzeitigen Leistungssteigerung von 20% erzielt zu haben. Aufbau und Funktionsweise des Valvetronic-Systems und des UniValve-Systems weisen Parallelen auf.

Die Hubkurven-Schar des Valvetronic-Systems entspricht, wenn man nur den mechanischen Ventiltrieb ohne Nockenwellenversteller betrachtet, ebenfalls der Variante 5a. Verschiedene Automobilhersteller verkaufen Autos mit direkteinspritzenden Ottomotoren. Auch bei der Direkteinspritzung wird eine Verbrauchsreduzierung zum Teil durch die Absenkung der Ladungswechselverluste in der Teillast erreicht. Direkteinspritzende Ottomotoren, die im Schichtladebetrieb stets und im homogen Betrieb zum Teil mit hohem Luft-Überschuss arbeiten, haben den Nachteil, dass sie mit speziellen Katalysatoren ausgestattet werden müssen, die Stickoxide bei Sauerstoffüberschuss reduzieren können. Beim Einsatz einer vollvariablen Ventilsteuerung hingegen kann man bei Einsparpotentialen, die mit denen der Direkteinspritzung vergleichbar sind, auf herkömmliche Abgasnachbehandlungsverfahren zurückgreifen.

3 Grundlagen Das Programm UniValve Nocken- und Arbeitskurvensynthese ist ein in MATLAB geschriebenes Programm zur invers kinematischen Berechnung der Nocken- und Arbeitkurve eines UniValve-Ventiltriebs. Die folgende Abb. zeigt, welche Eingangsgrößen zur Berechnung der Kurven erforderlich sind.

Univalve Nocken und Arbeitskurvensynthese setzt sich aus folgenden Teilen zusammen:

1. UniValve Ventilhub einlesen.

2. UniValve Schwenkgesetz einlesen.

3. UniValve Ventiltriebs-Geometrie einlesen.

4. UniValve Nockensynthese.

5. UniValve Arbeitskurvensynthese.

6. UniValve kinematische Simulation.

In UniValve Ventilhub einlesen wird der Ventilhubverlauf bei Vollhub - ein Bewegungsgesetz, das die Relativlage des Ventils zum Nocken beschreibt - aus einer zuvor mit CDS erstellten VAD-Datei rekonstruiert. Das Schwenkgesetz ist eine Übertragungsfunktion, die die Bewegung des Stellhebels vorgibt. Es wird in UniValve Schwenkgesetz Einlesen in Form einer VAD-Datei eingelesen. Die Ventiltriebs-Geometrie, d.h. die geometrischen 3 Grundlagen Abmessungen der Ventiltriebs-Bauteile werden in UniValve Ventiltriebs-Geometrie einlesen festgelegt. Aus den Geometrie-Daten, dem Ventilhubverlauf und dem Schwenkgesetz werden in den Teilen Nockensynthese und Arbeitskurvensynthese Punkte der Nocken- bzw. Arbeitskurve berechnet. Mit Hilfe der kinematischen Simulation kann die Ventilbewegung in den Teilhüben für beliebige Exzenterwinkel bzw. Verstellsteinpositionen bestimmt werden. In den folgenden Kapiteln werden Grundlagen und mathematische Methoden erläutert, auf denen UniValve Nocken- und Arbeitskurvensynthese aufbaut. Das Kap. Grundlagen beinhaltet:

- Die Einführung von Koordinatensystemen und geometrischen Parametern, die zur mathematischen Beschreibung der Kinematik benötigt werden.

- Die Definitionen von Schwenkgesetz und Ventilhubverlauf sowie das Verfahren mit dem Schwenkgesetz und Ventilhubverlauf in UniValve Schwenkgesetz Einlesen und UniValve Ventilhub einlesen aus den Daten einer VAD-Datei rekonstruiert werden.

- Die Angabe wichtiger Übertragungsfunktionen, die sich aus Schwenkgesetz und Ventilhub-Verlauf ableiten lassen (→Kap. 3.6).

- Die Herleitung einer Parameterdarstellung der Nockenkurve, die in UniValve Nockensynthese die Berechnung einer Punktwolke der Nockenkurve ermöglicht.

- Die Herleitung einer Parameterdarstellung der Arbeitskurve, die in UniValve Arbeitskurvensynthese die Berechnung einer Punktwolke der Arbeitskurve ermöglicht.

- Die Entwicklung eines Verfahrens, das die Simulation der Ventilbewegung in den Teilhüben möglich macht.