Ventilen är "andningsorganet" i förbränningsmotorer:det hanterar aspirationen av frisk luft och utsläppet av avgaser, som kallas "gasutbyte". I dag, endast mekaniskt drivna kamaxlar används i serieproduktion för detta ändamål, ofta utrustad med en extra mekanism, varav några är ganska komplicerade. Detta gör det möjligt att modifiera ett ventilrörelsemönster som ges av kamaxeln, vilket inte är möjligt utan ökad friktion. På samma gång, flexibilitet ges inte i önskad omfattning. Det som efterfrågas – bland annat för anpassning till förändrade bränsleegenskaper – är snabba ventilrörelser även vid låga hastigheter, slaganpassningar och cylinder-selektivt mycket varierande ventiltid.

Optimerat gasutbyte och mindre friktion sparar bränsle

Patrik Soltic och hans team vid Empas laboratorium för Automotive Powertrain Technologies, tillsammans med hydraulikspecialisten Wolfgang Schneider, uppfunnit och utvecklat ett elektrohydrauliskt ventiltåg som är betydligt mer flexibelt än dagens serieproduktionsteknik. Ventilerna manövreras hydrauliskt och styrs elektriskt via en magnetspole. Så snart en styrström flyter, en specialdesignad hydraulventil öppnar, tillåta hydraulvätska att öppna gasväxlingsventilen i önskad utsträckning i millisekunder mot en fjäder. När strömmen stängs av, gasbytesventilen stängs igen av fjäderkraften och matar en stor del av den hydrauliska energi som krävs för att öppna tillbaka in i det hydrauliska systemet. Systemet uppnår ett betydligt lägre energibehov över ett brett driftområde jämfört med kamaxeldrivna system. Tillsammans med ett optimerat gasutbyte, bränsleförbrukningen för testmotorn med gnisttändning är cirka 20 procent lägre än vid konventionell ventilstyrning med gasreglage i kombination med kamaxlar i det låglastområde som är typiskt för personbilar.

Anpassningsbar till förnybara bränslen

Genom att välja driftsparametrar, öppnings- och stängningstiderna samt ventillyften för varje cylinder kan väljas helt obegränsat. Detta innebär att varje motordriftstillstånd kan varieras från cykel till cykel, till exempel genom intelligent lastkontroll, genom att välja den kvarvarande gasmängden i cylindern (avgasåterföring), eller genom att inaktivera onödiga cylindrar utan att föraren märker det. Detta gör motorn mycket anpassningsbar för nya förnybara bränslen:Syrehaltiga bränslen som metanol eller etanol, till exempel, låt mer restgas finnas kvar i cylindern. Naturgas, biogas och syngas som genereras från vind- och solenergi erbjuder ökade anti-knackegenskaper, och ventiltåget kan reagera flexibelt på detta också. Dessutom, alternativa förbränningskoncept kan också implementeras relativt enkelt, till exempel homogen självantändning:en bränsle-luft-blandning antänds i rätt ögonblick utan antändningsgnistor genom att ställa in korrekta förhållanden mot slutet av kompressionen. Blandningen förbränns nästan utan föroreningar.

Cylinderhuvud utan olja

En annan specialitet i systemet som installerats hos Empa är valet av hydraulolja:istället för att använda olja som vanligt, en blandning av vatten och glykol, dvs motorns kylvatten, kan användas. På grund av dess fysiska egenskaper, detta medium är mycket lämpligt för snabbväxling av hydraulsystem, eftersom den är väldigt styv och därför skapar färre hydrauliska förluster. Detta gör cylinderhuvudet helt oljefritt, vilket kan göra att en billigare motorolja med utökade bytesintervaller kan användas för resten av motorn.

Flera månaders testdrift

Som en del av "FlexWork"-projektet finansierat av SFOE, det nya ventiltåget togs i drift i en personbilsmotor som drivs av naturgas och härleddes från en VW 1,4l TSI-motor. De nödvändiga komponenterna tillverkades av Empas egen verkstad. Styrsystemet för testmotorn har utvecklats av Empa-forskarna själva. Ventiltåget har körts på en Empa-motortestbänk sedan oktober 2018 och har redan klarat många miljoner cykler i drift av avfyrad motor felfritt.

FlexWork-ventilstyrningen behöver endast lågkostnadskomponenter. Inte dyrt, mycket snabba växlingsventiler och inga komplexa sensorer krävs. Ventiltågssystemet presenterades för tekniska experter i tidningen MTZ Worldwide den 16 augusti diskuterar Empa med motortillverkare för överföring av denna teknik, som inte bara lämpar sig för förbränningsmotorer utan även för kompressorer.