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Vollumfängliche VCR-Technologie zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren

Kurzfassung

Eine umfangreich entwickelte VCR-Technologie für Hubkolbenmotoren, bestehend aus mehreren neuartigen Lösungen zur sicheren technischen Umsetzung. Das Gesamtsystem umfasst ein VCR-Pleuel und das zur Ansteuerung erforderliche Hydrauliksystem sowie verschiedene Regelmechanismen.

Vorteile

  • Wirkungsgradsteigerung bei Verbrennungsmotoren durch variable Verdichtung à Niedrigere Verbräuche, geringerere CO2 -Emission
  • Geringere Komplexität als bisherige VCR-Systeme
  • Gewichtseinsparung und kompaktere Bauweise gegenüber vergleichbaren Systemen
  • Kostengünstige Herstellung mit herkömmlichen Fertigungsverfahren
  • Vermeidung von klopfender Verbrennung bei Kraftstoffen mit hoher Zündwilligkeit, z.B. Wasserstoff

Anwendungsbereiche

Die Anwendung der VCR-Technologie ist in allen Hubkolbenkraftmaschinen möglich, auch bei der Verwendung von CO₂-neutralen Kraftstoffen (E-Fuels, Wasserstoff). Besonders gut ist das System für den Einsatz in großen Maschinen geeignet, z.B. LKW, Mobile Arbeitsmaschinen oder Lokomotiven.

Hintergrund

Das Ziel, den CO2-Ausstoß bis 2030 um 55 Prozent zu verringern, ist Deutschlands Beitrag zum Pariser Klimaabkommen. Die Mobilität spielt dabei eine große Rolle; immer strengere CO2-Grenzwerte für Neuwagen fordern entsprechende Technik. Ganz neue, aber auch wiederbelebte Technologien sind auf dem Vormarsch, die Elektromobilität ist nur eine Variante. Auch bewährte Antriebstechnologien wie der Verbrennungsmotor lassen sich durch Optimierung nochmal deutlich umweltfreundlicher gestalten. Die Idee der variablen Verdichtung (abgekürzt VCR wie „variable compression ratio“) zur Effizienzsteigerung ist in etwa so alt wie der Verbrennungsmotor selbst. Da aber bei den bisher vorgeschlagenen Lösungen der thermodynamische Nutzen den nötigen Aufwand nicht rechtfertigen konnte, hat es bis heute lediglich ein Motor (im Jahr 2019) mit variabler Verdichtung in die Serienproduktion geschafft. An der Hochschule Heilbronn werden neue, effizientere Komponenten für VCR-Systeme entworfen. So kommen künftig auch Wasserstoff oder E-Fuels als Kraftstoff für Verbrennungsmotoren infrage. Gerade bei der Verbrennung von Wasserstoff ist die Einstellbarkeit der Kompression von großem Vorteil, um der höheren Klopfanfälligkeit entgegenzuwirken.

Problemstellung

Bei der VCR-Technologie existieren einige Schlüsselprobleme, die gelöst werden müssen, um das System für den Einsatz in Serienmotoren zu qualifizieren. Dazu gehören die Fluidverbindung des Verstellmechanismus, die Ansteuerung, die Masse des Pleuels und vor allem die Fertigungs- sowie Montagekosten der Komponenten.

Lösung

An der Hochschule Heilbronn wurde in langjähriger Forschungs- und Entwicklungsarbeit ein vollumfängliches VCR-System entworfen, das sich im Testeinsatz in diversen Fahrzeugen bewährt hat. Dazu gehören mehrere neuartige Lösungen, die im Folgenden kurz beschrieben werden:

  • VCR-Exzenterhebel: Ein leichter, kostengünstiger Exzenter-Hebel-Verbund, bei dem der Exzenter nur noch teilumfänglich vom Hebel umschlossen wird.
  • VCR-Verriegelung: Ein mechanischer, einfach aufgebaut und sehr robuster Verriegelungsmechanismus für längenveränderbare Pleuelstangen.
  • Elektromagnetisches Betätigungssystem: Dieses elektromagnetisch betätigte Schaltventil ermöglicht durch eine hohe Schaltgeschwindigkeit die Zweipunktregelung der Länge des VCR-Pleuels.
  • Ölübergabe: Ein neues Schleifringdesign ermöglicht die sichere permanente Fluidverbindung zwischen Kurbelwelle und Pleuel.
  • VCR-Zentralventil: Ein in die Kurbelwelle integriertes Zentralventil, welches das hydraulische Schaltsystem der VCR-Pleuel komplett vom Umgebungs-Fluiddruck im Motor entkoppelt.
  • Fliehkraftkompensiertes Schaltventil: Ein fliehkraftkompensiertes Vorsteuerventil auf der Kurbelwelle, welches die drehzahlabhängigen Druckanteile des Steueröls eliminiert.
Abbildung 1: Zeichnung aus Patentschrift (links) und Prototyp des VCR-Pleuels (rechts) [Abb.: Prof. Dr.-Ing. K.Wittek, Fakultät für Mechanik und Elektronik; HS Heilbronn]
Abbildung 1: Zeichnung aus Patentschrift (links) und Prototyp des VCR-Pleuels (rechts) [Abb.: Prof. Dr.-Ing. K.Wittek, Fakultät für Mechanik und Elektronik; HS Heilbronn]
Abbildung 2: Prototypen des VCR-Pleuels (unten) im Motorenlabor der Hochschule Heilbronn mit den zugehörigen Kolben (oben) zum Einsatz in einem Versuchsfahrzeug. [Abb.: Prof. Dr.-Ing. K.Wittek, Fakultät für Mechanik und Elektronik; HS Heilbronn]

Publikationen und Verweise

  1. K. Wittek, F. Geiger, M.G. Justino Vaz, Characterization of the system behaviour of a variable compression ratio (VCR) connecting rod with eccentrically piston pin suspension and hydraulic moment support, Energy Convers. Manag. 213 (2020). https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.112814.
  2. K. Wittek, F. Geiger, Betriebsverhalten längenvariabler Pleuelstangen, MTZ - Mot. Zeitschrift. 81 (2020) 74–79. https://doi.org/10.1007-/s35146-020-0253-5.
  3. K. Wittek, F. Geiger, Operating Characteristics of Variable Length Connecting Rods, MTZ Worldw. 81 (2020) 66–71. https://doi.org/10.1007-/s38313-020-0253-3.
  4. K. Wittek, F. Geiger, Innovative Betätigungskonzepte für längenvariable Pleuelstangen, MTZ - Mot. Zeitschrift. 81 (2020) 80–84. https://doi.org/10.1007-/s35146-020-0317-6.
  5. K. Wittek, F. Geiger, Innovative Actuation Concepts for Variable-length Connecting Rods, MTZ Worldw. 81 (2020) 70–74. https://doi.org/10.1007-/s38313-020-0304-9.
  6. K. Wittek, F. Geiger, J. Andert, M. Martins, V. Cogo, T. Lanzanova, Experimental investigation of a variable compression ratio system applied to a gasoline passenger car engine, Energy Convers. Manag. 183 (2019) 753–763.  https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.01.037.
Exposé
Kontakt
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Technologie-Lizenz-Büro (TLB)
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schilling(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
TRL 7 - Test eines System-Prototyps im realen Einsatz
Patentsituation
DE 10 2017 100 024 A1 erteilt
DE 10 2017 102 313 A1 erteilt
DE 10 2017 122 869 A1 anhängig
DE 10 2018 120 002 B3 erteilt
DE 10 2018 132 718 A1 erteilt
DE 10 2019 101 269 B3 erteilt
DE 10 2020 112 990 B3 erteilt
DE 10 2020 119 755.1 erteilt
Referenznummer
20/018TLB
Service
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