Wirkungsgrade und dynamisches Verhalten von Ventilsteuerungen mit pneumatischer Ventilfeder

Pneumatische Ventilfedern sind heute in Motorsportmotoren Stand der Technik und Voraussetzung für hohe Motordrehzahlen und maximale Motorleistungen. In Serienmotoren ermöglichen sie es, die Verlustarbeit im Ventiltrieb zu mindern. Die Federkraft kann hier im Unterschied zum üblichen Serienventiltrieb mit Schraubendruckfeder bedarfsgerecht angepasst werden. Bei einer pneumatischen Ventilfeder kommt der Kolbenabdichtung besondere Bedeutung zu. Diese verhindert Leckage, führt aber zu Reibungsverlust, welcher in Standardventiltrieben von Serienmotoren nicht entsteht. In der vorliegenden Arbeit wird ein Ersatzmassepunktmodell zur Berechnung des dynamischen Verhaltens und der Energieverluste im Ventiltrieb mit Schraubendruckfeder und dem mit pneumatischer Feder vorgestellt. Verifiziert werden die Berechnungsergebnisse mit Messergebnissen. Am Messaufbau können das Gesamtverlustmoment, das Bewegungsverhalten der Ventile und die Reibungskräfte der Dichtungen ermittelt werden. Mit dem abgeglichenen Modell wird das Potenzial zur Verlustminderung verschiedener Ventiltriebsauslegungen berechnet. Um Ventiltriebe zu vergleichen, wird die theoretische Größe des Wirkungsgrades des Ventiltriebs eingeführt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen Möglichkeiten der Minderung von Verlusten im Ventiltrieb von Verbrennungsmotoren. Sie sind damit ein Beitrag zur Absenkung des Kraftstoffverbrauches und der CO2 -Emissionen zukünftiger Fahrzeuge. Pneumatic valve springs belong to standard technologies in current high performance engines with high maximum revolutions. In addition these make it possible to reduce parasitic losses in series engines. In comparison with conventional helical pressure springs this is achieved by adjusting the spring forces. Of particular importance for the function of pneumatic valve springs are the seals. Seals have to avoid leakages but they generate additional friction losses which do not exist in conventional valve trains. The description of a multibody model for calculation of dynamical behaviour and energetic losses in valve trains with helical pressure springs and pneumatic springs is the main focus of this dissertation. The verification of the simulation model was done by comparing calculation results with measurement results. A specific test rig was set up to measure the entire camshaft’s torque, the valve’s motion and friction forces on pneumatic spring’s seals. By using the verified simulation model the sizing and calculation of dynamic and friction potentials different valve train concepts were carried out. The new dimension “efficiency of valve train” was defined and can be used for comparing different valve train concepts. The results of simulation and measurement investigations show possibilities for reduction of parasitic losses in valve train fuel consumption and CO2 emissions can be reduced by using combustion engines with pneumatic valve springs.