Ventiltriebstechnologien für moderne Nutzfahrzeugmotoren


Presse-Information [PDF; 34 KB]

Um den Kraftstoffverbrauch von Nutzfahrzeugen weiter zu reduzieren, hat MAHLE zahlreiche Lösungen für den Ventiltrieb entwickelt.

Download Bild [ZIP; 1205 KB]

 

Hannover, September 2014 – Nach Einführung der Abgasnorm Euro VI sind für Europa vorerst keine weiteren Verschärfungen der Emissionsgrenzwerte für Nutzfahrzeuge zu erwarten. Das bedeutet allerdings nicht, dass die technische Entwicklung stagniert. Im kostensensiblen Nutzfahrzeugsektor steht nun wieder verstärkt die Effizienzsteigerung im Fokus. MAHLE zeigt auf, welche Anforderungen sich daraus an das System Ventiltrieb ergeben und welche Lösungen entwickelt werden.

Die Gesamtkosten über die Lebensdauer eines Fahrzeugs – und in unmittelbarem Zusammenhang damit die Transporteffizienz – sind heute primärer Treiber für neue Entwicklungsschritte beim Nutzfahrzeug. In erster Linie steht die weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs im Fokus, zum Beispiel über Downsizing- und Downspeeding-Maßnahmen. Auch die Anwendungen von alternativen Kraftstoffen, wie beispielsweise Compressed Natural Gas (CNG), kann sich als interessante Option erweisen. Aus diesen Veränderungen ergeben sich Auswirkungen auf die Bauteilbeanspruchungen im Ventiltriebsystem.

Um die Anschaffungskosten zu reduzieren, gilt es, die Komplexität möglichst gering zu halten. Gesucht werden beispielsweise kostengünstigere Alternativen für das derzeit sehr aufwendige Abgasnachbehandlungssystem. Zugleich sind neue Funktionalitäten gefragt. Damit wird die Einführung von Ventiltriebvariabilitäten interessant.

Anforderungen und Lösungen in der Ventilbaugruppe

Die Ventilbaugruppe, bestehend aus dem Ventil, der Ventilführung sowie dem Ventilsitzring, ist durch ihre verbrennungsnahe Einbaulage stark den wachsenden Verbrennungsdrücken und Temperaturen ausgesetzt. Es sind daher Maßnahmen notwendig, die die Temperaturbelastungen kompensieren können. Parallel dazu müssen sie den Anforderungen an die laufenden Kosten eines Nutzfahrzeugs gerecht werden. Um diese weiter zu senken, sind einerseits enorme Lebensdaueranforderungen von bis zu 1,6 Millionen Kilometern zu erfüllen und andererseits immer längere Serviceintervalle von bis zu 400.000 Kilometern überstehen.

Ein gegenüber den heute üblichen verchromten Ventilen kostengünstigerer Ansatz ist die Einführung nitrierter Einlassventile. Das vollständig nitrierte Bauteil durchläuft in der Herstellung abschließend lediglich noch einen Strahl- oder Polierprozess. Die niedrigen Nitrierprozesstemperaturen begrenzen den Verlust an Härte am Ventilschaftende. Damit sind die höheren spezifischen Belastungen bei verlängerten Lebensdauer- und Serviceintervall-Anforderungen ohne erheblichen Aufwand lösbar. Das nitrierte Einlassventil zeichnet sich durch hervorragenden Verschleißschutz, deutlich erhöhte Ermüdungsfestigkeit und Robustheit gegenüber thermo-mechanischer Ermüdung (Panzerungsrisse) aus.

Natriumgefüllte Hohlventile, mit denen durch den “Shakereffekt” des geschmolzenen Natriums eine Senkung der Temperaturspitzen am Ventil möglich ist, begegnen besonders den thermischen Belastungen. In der Hohlkehle lässt sich eine Absenkung der Temperatur von zirka 80 bis 130 K realisieren. Das bewirkt einen reduzierten Gesamtverschleiß im System Ventil-Ventilsitzring und kann insbesondere in Gasanwendungen, aber auch in anspruchsvollen Dieselanwendungen erhebliche Vorteile bergen.

Für noch mehr Sicherheit gegen thermomechanische Ermüdung könnte schließlich das MAHLE EvoTherm®-Ventil sorgen. Hierbei handelt es sich um eine Erweiterung des klassischen natriumgefüllten Hohlventils um eine Kavität im Ventilkopf. Der Shakereffekt des geschmolzenen Natriums im sphärischen Hohlraum nahe dem Ventilkopf vergleichmäßigt die thermische Beanspruchung und erhöht dadurch nochmals die Lebensdauer.

Die Ventilführung wird ebenfalls durch die höheren Temperaturen mehr beansprucht. Daher hat MAHLE einen neuen Werkstoff entwickelt: Der Ventilführungswerkstoff PL S 131 ist eine bainitische Matrix mit gleichmäßig verteilten Festschmierstoffen und verschleißmindernden Hartphasen. Der Werkstoff lässt sich sehr gut verarbeiten und bietet eine erheblich verbesserte Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen, sehr gute tribologische Kompatibilität zu verchromten und nitrierten Ventilschäften und exzellente Notlaufeigenschaften bei Mangelschmierung.

Auch für den Ventilsitzring wurde ein neuer Werkstoff entwickelt. Steigende thermische Belastungen erfordern an dieser Stelle höhere Kriechfestigkeiten, um ein Herausfallen des Ventilsitzrings („Drop-out“) zu vermeiden. PL 510 besteht aus einer martensitischen Matrix mit Chrom-Molybdän-Vanadium-Netzwerk und erhöhtem Kobaltgehalt. Damit erzielt der Werkstoff hohe Druck- und Kriechfestigkeit bei hohen Temperaturen und weist ebenfalls gute tribologische Kompatibilität mit gängigen Ventil- und Ventilpanzerungswerkstoffen auf.

Leichtbau und Flexibilität durch gebaute Nockenwellen

MAHLE Nockenwellen leisten bereits heute einen Beitrag zur Gewichtsreduzierung. Seit 2012 läuft die Serienproduktion einer gebauten Nockenwelle für Nutzfahrzeuge. Bislang wurden für leichte Nutzfahrzeuge Gussnockenwellen verwendet, bei den mittleren bis schweren Nutzfahrzeugen wurde vor allem auf geschmiedete Stahlnockenwellen zurückgegriffen. Gebaute Nockenwellen lassen im Vergleich mit Gussnockenwellen erhöhte Kontaktpressungen zwischen Nocken und Nockenfolger zu und bieten gleichzeitig Gewichtsvorteile von bis zu 50 Prozent gegenüber den aus Vollmaterial bzw. Schmiederohlingen hergestellten Stahlnockenwellen. Kostenvorteile ergeben sich auch durch die große Gestaltungsfreiheit der verbauten Einzelteile in Bezug auf Werkstoff und Design. So werden beispielsweise hoch beanspruchbare Nocken aus Wälzlagerstahl hergestellt und nachträglich induktiv gehärtet, während An- und Abtriebselemente bedarfsgerecht aus kostengünstigeren Werkstoffen gefertigt werden. Mit den gebauten Nockenwellen für Nutzfahrzeuge von MAHLE lassen sich daher auch bei modernen Nutzfahrzeugmotoren kostengünstig die steigenden Anforderungen an die Lebensdauer bei gleichzeitig reduziertem Gewicht und optimiertem Verbrauch erfüllen. Bei der Entwicklung zukünftiger Nutzfahrzeugmotoren ist ein eindeutiger Trend zur Verwendung von gebauten Nockenwellen zu erkennen.

Erweiterte Funktionalitäten durch die MAHLE CamInCam®

Heute sind noch viele Medium- und Heavy-Duty-Motoren mit OHV- oder SOHC-Ventiltrieb auf dem Markt. Mit der MAHLE CamInCam®-Technologie kann an diesen Motoren die DOHC-Funktionalität dargestellt werden, ohne dass konstruktive Eingriffe am Grundmotor bzw. dem Zylinderkopf notwendig werden. Bei minimaler Bauraumänderung ermöglicht sie darüber hinaus Funktionalitäten, die zur Effizienzsteigerung der Motoren zunehmend gefordert werden:

  • Abgastemperatur-Management: Durch frühes Öffnen der Auslassventile lässt sich die Anhebung der Abgastemperatur darstellen. Abgas mit höherer Enthalpie ermöglicht SCR-Kat-Light-Offs oder auch die Regeneration des Partikelfilters.
  • Miller-Zyklus: Durch frühes oder spätes Schließen der Einlassventile lässt sich das effektive Verdichtungsverhältnis reduzieren und damit eine Absenkung der Verbrennungstemperatur und des Druckniveaus erzielen. Ein Teil der Verdichtungsarbeit wird dabei auf den Turbolader übertragen (in Kombination mit Ladeluftkühlung).
  • Variable interne Abgasrückführung: Aktuelle Motoren nutzen einen Sekundärhub, um interne Abgasrückführung (AGR) darzustellen. Die AGR-Rate ist dabei bei jedem Drehzahl- und Lastpunkt fest definiert und nicht flexibel. Eine schaltbare oder variable interne AGR würde über eine Reduzierung der AGR-Raten das Transientverhalten des Motors verbessern und dabei eine zuverlässige Einhaltung der Emissionsgrenzen gewährleisten. Mit der MAHLE CamIn-Cam® lässt sich dies über variable Steuerzeiten abbilden

In Summe bietet die MAHLE CamInCam® damit ein hohes Potenzial, ohne größere Bauraumnachteile Emissionen, Performance und Kraftstoffverbrauch von Nutzfahrzeugmotoren weiter zu verbessern.

Über MAHLE

Mit den drei Geschäftsbereichen Motorsysteme und -komponenten, Filtration und Motorperipherie sowie Thermomanagement zählt MAHLE weltweit zu den Top-3-Systemanbietern im Bereich Automotive. Im Geschäftsbereich Industry sind alle Non-Automotive-Aktivitäten des Konzerns mit Produkten aus den Anwendungsfeldern der Großmotoren, der Filtration und des Thermomanagements für industrielle Einsätze gebündelt. Der Geschäftsbereich Aftermarket bedient den freien Teilehandel mit MAHLE Produkten in Erstausrüstungsqualität.

MAHLE ist auf allen wichtigen Weltmärkten vor Ort präsent. Rund 64.000 Mitarbeiter werden 2014 an über 140 Produktionsstandorten sowie in zehn großen Forschungs- und Entwicklungszentren voraussichtlich einen Umsatz von rund zehn Milliarden Euro erwirtschaften.

Für Rückfragen:

MAHLE GmbH
Zentrale Unternehmenskommunikation/Öffentlichkeitsarbeit
Pragstraße 26 – 46
70376 Stuttgart
Deutschland

Ruben Danisch
Telefon: +49 (0) 711/501-12199
Fax: +49 (0) 711/501-13700
ruben.danisch@mahle.com

Dr. René Lehnert
Telefon: +49 (0) 711/501-40304
Fax: +49 (0) 711/501-44 40304
rene.lehnert@mahle.com