Kopfentwicklung „mit Köpfchen“

Ventilsteuerung setzt sich im internationalen Markt durch

Mit seiner führenden Position in der Automobiltechnik fokussiert sich Cosworth heute vor allem darauf, Motoren so effizient wie möglich zu machen. Dabei setzen die britischen Entwickler unter anderem auf Pierburg-Technologie.

Das Unternehmen, das 2018 sein 60-jähriges Bestehen feiert, ist ausgehend von seinen jahrzehntelangen Erfolgen in der Formel 1 heute ein anerkannter technischer Tier-1-Partner der weltweiten OEMs. Dabei kommen die Ingenieure bei Cosworth in einem sich rasant ändernden Mobilitätsumfeld zu neuen Lösungen. So arbeitet Cosworth zurzeit gemeinsam mit den Unternehmen HAITEC (Hua-chuang Automobile Information Technical Center Co., Ltd) und CEC (China Engine Corporation) in Taiwan an einem besonders effizienten Ottomotor. Ehrgeiziges Ziel des Projekts ist es, das günstige Lauf- und Emissionsverhalten eines Benziners mit den Verbrauchs- und CO2-Werten eines Diesels zu kombinieren. Klar, dass gerade in China ein enormes Marktpotenzial für einen derart umweltfreundlichen Antrieb besteht. In einer ausführlichen Vorstudie hatte Cosworth neben der größtmöglichen Minimierung der Reibung und der Optimierung der Öl- und Kühlwasserkreisläufe vor allem die Verringerung der Ansaugverluste als zielführenden Ansatzpunkt identifiziert.

Auf den Kopf kommt es an

Im Fokus standen deshalb der Zylinderkopf und die Ventilsteuerung. Durch den effektiven Ladungswechsel werden zum einen hohe spezifische Leistungen erreicht, sodass der Hubraum des Motors reduziert werden kann. Zum anderen lautete das Ziel, die durchgesetzte Luftmasse nicht wie bisher über eine Drosselklappe, sondern bei erheblich geringeren Strömungsverlusten über eine variable Ansaugdauer zu steuern. Bewertet wurden bei der anschließenden Systemauswahl neben der primären Variabilität auch Themen wie Reibungsverluste, Komplexität, Reifegrad, Abmessungen und Gewicht. Am Ende sahen die Spezialisten die größten Vorteile bei einer rein mechanisch betätigten, variablen Ventilsteuerung und entschieden sich für das UpValve-System von Pierburg.

Auf einen Blick

Die rotierende Nockenwelle versetzt den UpValve-Hebel in eine Oszillation. Gleichzeitig kann der Hebel durch Verdrehen der Steuerwelle entlang der Kulisse verschoben werden, sodass er variabel in den Schlepphebel eingreift. Als Ergebnis wird der Ventiltrieb kontinuierlich verändert.

„Die Frage für uns war, mit wem wir kooperieren könnten, um einen hocheffizienten Antrieb zu entwickeln, der vor allem ausgezeichnete Verbrauchswerte über einen weiten Betriebsbereich sicherstellt“, präzisiert Bruce Wood, Managing Director of Powertrain bei Cosworth. „Wir sind glücklich, dass die Zusammenarbeit mit Rheinmetall Automotive uns ermöglicht, echte Fortschritte bei der Effizienz von Ottomotoren zu machen.“

Vorteil UpValve: Luft und Zylinder nach Bedarf

Beim System UpValve wird zwischen Nockenwelle und Schlepphebel mit dem UpValve-Hebel eine zusätzliche Komponente eingefügt, die einen oszillierenden Nocken in Form eines Kipphebels mit veränderlichem Drehpunkt darstellt. Durch Verlagerung der Drehachse kann die Ventilöffnung bis zur vollständigen Ventilstilllegung stufenlos variiert werden. „UpValve basiert im Grunde auf bewährter Ventiltriebstechnologie. Das macht unser Produkt effizient und robust“, erklärt Dr. Michael Breuer, Entwicklungsleiter Ventilsteuerungen bei Pierburg. Dabei könnten die Komponenten sogar individuell im Hinblick auf jedes Ventil gestaltet werden, unterstreicht Breuer: „So ist es möglich, mit einem einzigen Ventiltriebsystem zwei Methoden der Entdrosselung umzusetzen: eine stufenlos variable Öffnungsdauer und die Zylinderabschaltung.“

Eindrucksvolle Verbrauchswerte

Die erzielte Reduktion der Drosselverluste erwies sich für die britischen Motorenentwickler als entscheidender Faktor für ihr Ziel, die Antriebseffizienz zu verbessern. Die Ergebnisse sprechen für sich: Bei hohen, spezifischen Leistungskennwerten wurden Verbrauchswerte erzielt, die denen eines Dieselmotors nicht nachstehen, ohne dessen aufwendige Abgasnachbehandlung zu benötigen. Dazu Wood: „In einer Zeit, in der die zukünftige Mobilität ein Schlüsselthema ist, sind die Ergebnisse dieses Projekts im wahrsten Sinne sehr aufregend.“ Die gleiche Hochstimmung herrscht beim Lieferanten des Systems. „Wir haben mit Spannung verfolgt, wie sich unser UpValve-System auf dem Motorprüfstand bei Höchstdrehzahl direkt neben dem hellrot glühenden Turbolader bewährt. Aber am Ende hat alles gehalten“, sagt Breuer nicht ganz ohne Erleichterung. „Auch in allen Dauertests konnte das mechanische System seine Stärken klar unter Beweis stellen.“

Eine Formel-1-Legende

Wer den Namen Cosworth hört, denkt wahrscheinlich an das Motorsporterbe des Unternehmens und erinnert sich an Motoren, die Rennteams zu zahlreichen Siegen und Championships trieben. Vielleicht kommt man auch auf die erfolgreichen Elektroniklösungen und die Reputation als Lieferant erster Wahl. Über diese Erfolge hinaus nutzt Cosworth sein Wissen aus dem Motorsport für Anwendungen im Automobil- und Ersatzteilsektor. Heute ist Cosworth Entwicklungsdienstleister für innovative Antriebskonzepte, fertigt aber auch Prototypen und Kleinserien, die sich nach wie vor durch hohe spezifische Leistungswerte auszeichnen.

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