De kleppentrein is het "ademhalingsorgaan" van verbrandingsmotoren:het regelt de aanzuiging van frisse lucht en de afvoer van uitlaatgassen, wat "gasuitwisseling" wordt genoemd. Vandaag, hiervoor worden alleen mechanisch aangedreven nokkenassen in serieproductie gebruikt, vaak uitgerust met een extra mechanisme, waarvan sommige behoorlijk complex zijn. Hierdoor kan een door de nokkenas gegeven klepbewegingspatroon worden gewijzigd, wat niet mogelijk is zonder een verhoging van de wrijving. Tegelijkertijd, flexibiliteit niet in de gewenste mate wordt gegeven. Waar veel vraag naar is - onder andere voor aanpassing aan veranderende brandstofeigenschappen - zijn snelle klepbewegingen, zelfs bij lage snelheden, slagaanpassingen en cilinderselectieve, breed variabele kleptiming.

Geoptimaliseerde gasuitwisseling en minder wrijving besparen brandstof

Patrik Soltic en zijn team in Empa's Automotive Powertrain Technologies-laboratorium, samen met hydrauliekspecialist Wolfgang Schneider, heeft een elektrohydraulische kleppentrein uitgevonden en ontwikkeld die aanzienlijk flexibeler is dan de huidige serieproductietechnologie. De kleppen worden hydraulisch bediend en elektrisch aangestuurd via een magneetspoel. Zodra er een stuurstroom loopt, een speciaal ontworpen hydraulische klep opent, waardoor hydraulische vloeistof de gasuitwisselingsklep in milliseconden in milliseconden in de gewenste mate kan openen tegen een veer in. Wanneer de stroom is uitgeschakeld, de gaswisselklep wordt door de veerkracht weer gesloten en voedt een groot deel van de hydraulische energie die nodig is om weer open te gaan in het hydraulisch systeem. Het systeem bereikt een aanzienlijk lagere energiebehoefte over een breed werkbereik in vergelijking met nokkenasaangedreven systemen. Samen met een geoptimaliseerde gasuitwisseling, het brandstofverbruik van de testmotor met vonkontsteking is ongeveer 20 procent lager dan bij conventionele klepbediening met behulp van een gasklep in combinatie met nokkenassen in het lage belastingsbereik dat typisch is voor personenauto's.

Aanpasbaar aan hernieuwbare brandstoffen

Door de bedrijfsparameters te selecteren, de openings- en sluitingstijden en de klephoogte voor elke cilinder kunnen volledig vrij worden gekozen. Dit betekent dat elke bedrijfstoestand van de motor van cyclus tot cyclus kan worden gevarieerd, bijvoorbeeld door intelligente lastregeling, door de resterende hoeveelheid gas in de cilinder te selecteren (uitlaatgasrecirculatie), of door onnodige cilinders te deactiveren zonder dat de bestuurder het merkt. Dit maakt de motor zeer geschikt voor nieuwe hernieuwbare brandstoffen:zuurstofhoudende brandstoffen zoals methanol of ethanol, bijvoorbeeld, laat meer restgas in de cilinder achter. Natuurlijk gas, biogas en syngas opgewekt uit wind- en zonne-energie bieden verhoogde klopvastheid, en ook de kleppentrein kan hier flexibel op reageren. In aanvulling, alternatieve verbrandingsconcepten kunnen ook relatief eenvoudig worden geïmplementeerd, bijvoorbeeld homogene zelfontbranding:een brandstof-luchtmengsel wordt op het juiste moment ontstoken zonder ontstekingsvonken door de juiste condities in te stellen tegen het einde van de compressie. Het mengsel wordt vrijwel zonder vervuiling verbrand.

Cilinderkop zonder olie

Een andere specialiteit van het systeem dat bij Empa is opgezet, is de keuze voor hydraulische vloeistof:in plaats van olie zoals gebruikelijk, een water-glycol mengsel, d.w.z. koelwater van de motor, kan worden gebruikt. Door zijn fysieke eigenschappen, dit medium is zeer geschikt voor snel schakelende hydraulische systemen, omdat het erg stijf is en daardoor minder hydraulische verliezen veroorzaakt. Hierdoor is de cilinderkop volledig olievrij, waardoor een goedkopere motorolie met langere verversingsintervallen kan worden gebruikt voor de rest van de motor.

Enkele maanden testwerking

Als onderdeel van het project "FlexWork", gefinancierd door de SFOE, de nieuwe kleppentrein werd in gebruik genomen in een personenautomotor aangedreven door aardgas en afgeleid van een VW 1.4l TSI-motor. De benodigde onderdelen zijn vervaardigd in Empa's eigen werkplaats. Het besturingssysteem voor de testmotor is door de Empa-onderzoekers zelf ontwikkeld. De kleppentrein draait sinds oktober 2018 op een Empa-motortestbank en heeft al vele miljoenen cycli in gestookte motorwerking probleemloos doorstaan.

De FlexWork-klepbesturing heeft alleen goedkope componenten nodig. niet duur, zeer snel schakelende ventielen en geen complexe sensoren nodig. Het kleppentreinsysteem werd in het magazine gepresenteerd aan technische experts MTZ Wereldwijd op 16 augustus. Empa is in gesprek met motorfabrikanten voor de overdracht van deze technologie, die niet alleen geschikt is voor verbrandingsmotoren maar ook voor compressoren.