Innovationen in der Ventiltechnik für optimiertes Thermomanagement

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MAHLE EvoTherm

Vom Vollventil über das Hohlventil zum EvoTherm: kostengünstige und zugleich effektive Lösung zur Ventilkühlung.

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MAHLE TopTherm

Die Hightech-Lösung im MAHLE Ventilportfolio: Im TopTherm-Ventil sind Leichtbau und Kühltechnologie vereint.

Bildquelle: MAHLE GmbH


 

Frankfurt, September 2013 – Die Entwicklungstrends der letzten Jahre zu höheren spezifischen Motorleistungen haben dazu geführt, dass die Ladungswechselventile immer stärker thermisch belastet werden. Die Bauteiltemperaturen am Auslassventil liegen bereits heute oft über 800 °C, was für die gängigen hochlegierten Ventilstähle eine Herausforderung ist. Zudem spielt die Verbrennungsoptimierung durch Thermomanagement der Ventile eine immer größere Rolle.

Typische Limitierungen beim Erreichen betriebssicherer λ = 1-Konzepte sind die Maximaltemperatur am Auslassventil, die Turbineneintrittstemperatur und/oder die maximal zulässige Eintrittstemperatur des Abgases am ersten Katalysator. Hier ist zum Bauteilschutz oftmals eine Anfettung des Gemisches bei hohen Drehzahlen und Lasten erforderlich, um die maximale Abgastemperatur zu begrenzen und eine thermische Überbelastung der Komponenten zu vermeiden. Darüber hinaus stellt in Otto-Downsizing-Motoren aktuell insbesondere die Klopfgrenze bei der verbrauchsoptimalen Verbrennungsauslegung eine der wesentlichen Hürden dar. Dem Phänomen "Klopfen" kommt eine wesentliche Bedeutung bei der weiteren Entwicklung von CO2-optimierten Ottomotoren zu.

MAHLE hat eine neue Technik entwickelt, wie auf Basis eines konventionellen Hohlventils mit zylindrischer Bohrung durch nur einen zusätzlichen Prozess, dem elektrochemischen Abtragen, eine erweiterter Hohlraum im Ventilkopf geschaffen werden kann. Durch diesen vergrößerten Hohlraum kann durch flüssiges Natrium im Motorbetrieb die Wärme noch besser abtransportiert werden. Die innere Kühlung des Ventils erfolgt durch den Shaker-Effekt: Der Hohlraum ist nicht vollständig mit Natrium gefüllt, sodass dieses mit der Ventilbewegung geschüttelt wird. Das Natrium zerfällt und erzielt dabei eine deutlich höhere Wärmeabfuhr über die Ventilführung.

Die Technik ist sowohl für Ein- als auch Auslassventile einsetzbar. Die resultierenden kühleren Oberflächen im Brennraum (zirka 30 bis 50 K Absenkung) erlauben ein Verschieben der Klopfgrenze und ermöglichen somit eine günstigere Wahl des Zündzeitpunkts bei der ottomotorischen Verbrennungsauslegung. Ziel ist es, eine Kraftstoffverbrauchssenkung zu erreichen. Auch die Ventilmasse wird ein- und auslassseitig im Vergleich zum konventionellen Hohlventil um drei bis sechs Prozent reduziert. Messungen belegen die Temperaturabsenkung exemplarisch auf der Auslassseite. Auch ein interner Hochlastdauerlauf zur Überprüfung der Haltbarkeit wurde bereits positiv beendet. Das EvoTherm-Ventil ist eine wichtige Ergänzung des MAHLE Produktportfolios. Die Notwendigkeit zum Einsatz solch neuer Techniken ist bereits heute klar sichtbar.

Bei Hohlventilen ist MAHLE weltweit mit seiner jahrzehntelangen Erfahrung in einer führenden Position. Das MAHLE EvoTherm-Ventil ist nun die neueste Entwicklung, um die Motorenhersteller noch besser bei der Bewältigung aktueller und kommender Herausforderungen in der Motorenentwicklung zu unterstützen. Da das EvoTherm-Ventil auf dem konventionellen Hohlventil basiert, stellt es eine kostengünstige Lösung dar.

Über die Potenziale des EvoTherm-Ventils hinaus werden aktuell die thermodynamischen Vorteile und die Industrialisierbarkeit des MAHLE TopTherm-Ventils bewertet. Dieses Ventilkonzept ist als Leichtbauventil ausgelegt, seine Vorteile hinsichtlich einer Reibungsreduzierung im Ventiltrieb, die zu einer NEFZ-Verbrauchsreduzierung um bis zu 0,5 Prozent führen kann, sind nachgewiesen. Gleichzeitig bietet das gebaute Ventil durch seinen Aufbau als steifes rotationssymmetrisches Flächentragwerk mit großem natriumgefüllten Hohlraum weitergehende Möglichkeiten der Temperaturabsenkung an den thermisch hoch belasteten Bauteiloberflächen. Basierend auf thermischen Simulationen und Temperaturmessungen wird hier ein Potenzial der Tellertemperaturabsenkung auf bis deutlich über 100 k gesehen.

Weiterhin bietet dieses Konzept beim Einsatz als Auslassventil aufgrund seiner nachgewiesenen hohen thermischen Belastbarkeit durch die gleichmäßigere Bauteil-Temperaturverteilung Möglichkeiten zur Rücknahme des Bauteilschutzes. Während neben Katalysator- und Turboladereintrittstemperatur klassischerweise auch die maximal zulässige Temperatur des Auslassventils limitierend ist, kann beim MAHLE TopTherm noch näher am λ = 1-Ziel ausgelegt werden. In vergleichenden Versuchen mit konventionellen Voll- und Hohlventil-Versuchen konnten für das gebaute Hohlventil unter Beibehaltung der maximal zulässigen Katalysator- und Turboladereintrittstemperatur deutliche Verbrauchsvorteile im Volllastbereich nachgewiesen werden. Diese sind Folge der verschobenen Klopfgrenze mit daraus resultierender besserer Schwerpunktlage der Verbrennung und der magereren Volllastauslegung. Auch im transienten Bereich sind gute Potenziale erkennbar, da die verschobene Klopfgrenze eine höhere Grundverdichtung erlaubt und vergleichbare Leistungsziele mit geringerem Ladedruck erreichbar sind. Die Untersuchung der Industrialisierungsfähigkeit dieser fertigungstechnisch anspruchsvollen Ventiltechnologie steht kurz vor dem Abschluss.

Über MAHLE
Der MAHLE Konzern ist einer der 30 weltweit größten Automobilzulieferer. Mit den beiden Geschäftsbereichen Motorsysteme und -komponenten sowie Filtration und Motorperipherie zählt MAHLE weltweit zu den Top-3-Systemanbietern von Kolbensystemen, Zylinderkomponenten, Ventiltrieb-, Luftmanagement- und Flüssigkeitsmanagement-Systemen. Im Geschäftsbereich Industry sind die Industrieaktivitäten von MAHLE gebündelt. Dazu zählen die Bereiche Großmotoren, Industriefiltration sowie Kühl- und Klimatisierungssysteme. Der Geschäftsbereich Aftermarket bedient den freien Teilehandel mit MAHLE Produkten in Erstausrüstungsqualität.

MAHLE erzielte im Jahr 2012 einen Umsatz von knapp 6,2 Milliarden Euro und beschäftigt rund 48.000 Mitarbeiter an über 100 Produktionsstandorten und in 7 Forschungs- und Entwicklungszentren.