Techniek
INA UniAir-systeem
Inhoud
Pagina 1. Inleiding
3
2. Voordelen van het UniAir-systeem
4
3. Bouw en werking
6
3.1 De UniAir-actuator
6
3.2 Schakelkleppen
11
3.3 Temperatuursensor voor motorolieviscositeit
13
3.4 Eigenschappen
2
13
1. Inleiding Ondanks een toenemende hybridisering en elektrificering van voertuigaandrijvingen zal de verbrandingsmotor ook in de toekomst nog een beslissende rol spelen. Als gevolg van de steeds strenger wordende grenswaarden voor de CO2-uitstoot wordt de optimalisering van de verbrandingsmotor de belangrijkste opgave voor de auto-industrie. Naast 'low cost' voertuigen en elektrificering of hybridisering is de optimalisatie van het verbruik een megatrend. Een mogelijke technologie om ambitieuze verbruiks- en emissiedoelstellingen te bereiken is de toepassing van variabele klepbedieningsmechanismen.
Megatrends van de auto-industrie
g Minder CO2-emissies/brandstofverbruik g Emissieregeling g Optimalisering van de verbrandingsmotor
'Low cost' voertuigen
Elektrificering/hybridisering
De Schaeffler Groep houdt zich al geruime tijd bezig met verschillende typen variabele klepbedieningsmechanismen. Al in een vroeg stadium bleek dat volledig variabele mechanische klepbedieningsmechanismen geen optimale flexibiliteit boden. Daarom heeft de Schaeffler Groep al in 2001 de licentierechten van het tot nu toe vermoedelijk meest flexibele klepbedieningsmechanisme UniAir veiliggesteld. In deze brochure wordt het volledig variabele klepbedieningsmechanisme UniAir behandeld.
3
2. Voordelen van het UniAir-systeem
2. Voordelen van het UniAir-systeem Klepbedieningsmechanisme Faseverschuiving
Kleplichthoogte
continu
discreet
continu
g hydraulisch g elektromechanisch
g tweetraps g schakelbare klepstoter g steunelement g tuimelaar g nokverschuiving g rolstoter g drietraps g tuimelaar g nokverschuiving
g elektrisch g mechanisch g Valvetronic g hydraulisch g UniAir
De variabele klepbediening is een van de belangrijkste technologieën om de CO2-uitstoot te verminderen. In de huidige systemen wordt de klepbediening vaak gerealiseerd door een parallelle verschuiving van het openings- en sluitingstijdstip (faseverschuiving) en/of een variabele lichthoogte van de inlaatklep. Bij de faseverschuiving wordt de positie van de nokkenas ten opzichte van de krukas gewijzigd bijvoorbeeld
door een hydraulische verstelrotor. Hierdoor kunnen de uitlaatgasrecirculatie en de effectieve compressieverhouding worden geoptimaliseerd. Bij de variabele kleplichthoogte wordt de lichthoogte bijvoorbeeld door middel van een servomotor via een excentrische as gewijzigd. Systemen met variabele lichthoogte kunnen zijn uitgevoerd met twee- of drietraps lichthoogtebediening of als volledig variabel systeem.
Grafische vergelijking van kleplichthoogte, openings- en sluitingstijdstip van de verschillende systemen Lichthoogte
Wijziging van het openings- en sluitingstijdstip van de inlaatklep door een faseverschuiving.
Tijd Lichthoogte
Wijziging van het openings- en sluitingstijdstip van de inlaatklep door een faseverschuiving in combinatie met een variabele kleplichthoogte.
Tijd Lichthoogte
Volledig variabele, traploze klepbediening met het UniAirsysteem.
Tijd 4
Met het UniAir-systeem kunnen voor het eerst niet alleen de lichthoogte en het openings- en sluitingstijdstip van de kleppen worden gewijzigd, maar ook de openingsduur en het aantal openingen. Dit betekent dus dat dankzij het UniAir-systeem de inlaatkleppen tijdens een inlaatslag meerdere keren kunnen worden geopend en weer worden gesloten, afhankelijk van belasting en vereisten van de bestuurder, en dit voor elke cilinder afzonderlijk. Aangezien de geleverde energie beter kan worden afgestemd op de benodigde energie, wordt een hogere energie-efficiency bereikt. Dit maakt UniAir tot de eerste volledig variabele en traploos regelbare klepbediening. Bij conventionele, via een gasklep bediende benzinemotoren wordt bij het bepalen van het juiste hoeveelheid lucht tot wel 10 % van de brandstof verbruikt voor de energie die nodig is om de lucht tegen de weerstand van de gasklep in de cilinder te zuigen. Als echter een volledig variabel klepbedieningsmechanisme wordt toegepast, dan kan de gasklep volledig openstaan of zelfs helemaal komen te vervallen en kan de lucht tijdens de inlaatslag ongehinderd de verbrandingsruimte worden ingezogen. De voor elke bedrijfstoestand juiste hoeveelheid lucht wordt dankzij UniAir direct in de inlaatpoorten van de cilinders geregeld door de tijdsduur of de geometrische besturing van de klepopening. Dit is een doorslaggevende factor bij het realiseren van de verminderde CO2-uitstoot.
UniAir-actuator
Andere voordelen van de UniAir-klepbediening zijn een lager brandstofverbruik, meer vermogen, een hoger koppel en een sneller reagerende motor. Dit ontwerp werd voor het eerst in serieproductie toegepast in september 2009 in de Alfa Romeo Mito 1.4 liter Fire onder de Fiat-benaming MultiAir. Inmiddels wordt deze nieuwe technologie onder dezelfde naam ook toegepast in de Alfa Romeo Giulietta, Fiat Bravo, Fiat Punto EVO, Lancia Delta en als TwinAir in de Fiat 500 en Lancia Epsilon.
5
3. Bouw en werking
3.1 De UniAir-actuator De UniAir-actuator stuurt het openen en sluiten van de inlaatkleppen aan. De inlaatnokkenas komt te vervallen en in de plaats hiervan wordt de UniAir-actuator op de cilinderkop gemonteerd. De inlaatnokken worden op de uitlaatnokkenas geplaatst en drijven de zogeheten pompplunjer aan. Voor elke cilinder bevindt zich in de UniAir-actuator een stelmechanisme (pompeenheid), die met behulp van de motorolie de inlaatkleppen bedient. Afhankelijk van de motoruitvoering (met 8 of 16 kleppen) bedient elke pomp (stelmechanisme) één of twee inlaatkleppen per cilinder. De mechanische aandrijving van de UniAir-actuator vindt plaats via speciaal uitgelijnde nokken op de uitlaatnokkenas; de elektronische regeling vindt plaats via het motormanagementsysteem. Hierdoor kan bij de benzinemotor een gasklepvrije, traploze en softwaregestuurde lastregeling in het gehele motorkenveld worden gerealiseerd. De overdracht van de nokcontour op de inlaatklep van de motor vindt, anders dan bij conventionele of elektromechanische klepbedieningsmechanismen, niet plaats via een star element (zoals klepstoter of tuimelaar), maar via een gedefinieerd olievolume.
6
Dit bevindt zich in de zogeheten hogedrukruimte. Het olievolume kan worden gevarieerd via een 2-2-wegschakelklep. Wanneer de schakelklep gesloten is, fungeert de olie als een hydraulisch starre stoterstang. Bij een geopende schakelklep stroomt de motorolie via het oliekanaal in de middendrukruimte en het drukreservoir. De nok en de klep zijn ontkoppeld. Zolang de nok zich op de basiscirkel bevindt, zorgt het drukreservoir ervoor dat de uit de hogedrukruimte gelopen olie weer hiernaar wordt teruggevoerd. De olietoevoer heeft ook als functie om geringe olieverliezen weer aan te vullen en het gehele volume voor de volgende motorcyclus met olie te vullen.
Bouw van stelmechanisme
Middendrukruimte met olietoevoer en -afvoer
Drukreservoir
Pompelement Hogedrukruimte Solenoïdeklep
Hulpcilinder met hydraulische (eindaanslag) rem
Uitlaatnokkenas Roltuimelaar
Bij motoren met een conventioneel klepbedieningssysteem wordt de inlaatklep altijd via het van te voren vastgelegde complete nokprofiel geopend en gesloten. Bij het UniAir-systeem wordt de klepbeweging door de hogedrukruimte volkomen losgekoppeld van het nokprofiel. De maximale kleplichthoogte gedurende de gehele nokprofielbeweging vindt alleen plaats als de schakelklep gesloten is. De motorolie wordt direct naar de hydraulische klepstoter geleid waarna de inlaatklep wordt geopend. Om te voorkomen dat de klep bij het sluiten hard de klepzitting raakt, is elke motorklep voorzien van een hydraulische (eindaanslag)rem. Deze verlaagt de naderingssnelheid van de kleppen. Kort voordat de klep de zitting raakt, grijpt de hydraulische (eindaanslag)rem in en zorgt deze ervoor dat de klep rustig wordt gesloten. Hierdoor wordt het materiaal van de klepzitting ontzien, waardoor een langere levensduur is gegarandeerd. Verder kan op deze manier een hydraulische klepspelingscompensatie worden gerealiseerd. Doordat de klepbeweging is losgekoppeld van het nokprofiel is ook een nulslag mogelijk. Hierbij blijft de schakelklep gedurende de totale duur geopend en blijft de inlaatklep dus gesloten. De motorolie stroomt via een oliekanaal en de geopende schakelklep in de middendrukruimte en het drukreservoir.
Inlaatklep
Van maximale kleplichthoogte tot en met de nulslag kan tussen deze twee basisstanden een oneindig aantal variabele klepbewegingen traploos worden uitgevoerd. Zo leidt het later sluiten van de schakelklep tot een later openen van de inlaatklep, terwijl het eerder openen van de schakelklep leidt tot het eerder sluiten van de inlaatklep (zie de grafieken op pagina 8). Beide gebeurtenissen zijn onafhankelijk van elkaar, waardoor de kleplichthoogte en het aantal kleplichtingen gedurende een inlaatslag kunnen worden gevarieerd.
7
3. Bouw en werking
Afhankelijk van het gewenste openings- en sluitingstijdstip en de openingsduur van de inlaatkleppen wordt de schakelklep variabel gesloten of geopend. De parameters voor de corresponderende belastingscondities zijn vastgelegd in de kenvelden van het motormanagementsysteem.
Kleplichthoogte afhankelijk van de status van de schakelklep
Vroege inlaatklepsluiting
Maximale lichthoogte
Kleplichthoogte Tijd
gesloten open
open
Status Schakelklep
Status Schakelklep
Kleplichthoogte
Lichthoogte
open
Lichthoogte
open
open
Status Schakelklep
Status Schakelklep
Tijd
open
Kleplichthoogte
Nulslag
Lichthoogte Kleplichthoogte
Late inlaatklepopening
gesloten
Tijd
gesloten
Tijd open
Onder normale bedrijfsomstandigheden is een maximale kleplichthoogte maar zelden vereist. De volledige opening gedurende de gehele periode, dus een vroege opening in combinatie met een late sluiting van de inlaatkleppen bij maximale lichthoogte, is alleen nodig als de bestuurder vraagt om maximaal vermogen van de motor. Dit is alleen het geval bij een hoger toerental in combinatie met een hoog koppel.
8
Kleplichthoogte afhankelijk van de krukashoek
Stationair draaien van de motor
Maximaal vermogen Maximale lichthoogte
Late inlaatklepopening Uitlaat
Inlaat
Inlaat
Kleplichthoogte
Kleplichthoogte
Uitlaat
Krukashoek
Krukashoek
Koppel bij lagere toerentallen
Stadscyclus
Vroege inlaatklepsluiting
Meervoudige kleplichting
Inlaat
Uitlaat
Inlaat
Kleplichthoogte
Kleplichthoogte
Uitlaat
Krukashoek
Krukashoek
Om de energie efficiënter te benutten is in alle andere belastingscondities meestal een kortere klepopeningstijd, en dus een lagere of meervoudige kleplichting van de inlaatkleppen, vereist. Door de kortere openingstijd wordt de juiste, en dus kleinere hoeveelheid lucht aangezogen. Hierdoor worden de pompverliezen verminderd.
9
3. Bouw en werking
Schematische weergave van de klepbediening afhankelijk van koppel en motortoerental
Maximaal vermogen g Maximale lichthoogte
g Late klepsluiting
(lange klepopeningstijd)
Koppel
g Maximale
klepoverlap
Maximaal koppel Maximaal volumetrisch rendement g Vroege klepsluiting (korte klepopeningstijd)
Geoptimaliseerde verbranding
Geoptimaliseerde verbranding g Meervoudige kleplichting (spoeling)
Motortoerental
10
3.2 Schakelkleppen De nauwkeurigheidseisen die aan het UniAir-systeem worden gesteld om voortdurend identieke kleplichtingen van dezelfde klep en voor elke actuator over de gehele cilinderkop te garanderen, zijn extreem hoog. Hierbij is van groot belang dat alle componenten, van pompelement tot en met de hydraulische (eindaanslag)rem, voldoen aan de voorgeschreven toleranties. De schakelkleppen regelen elke gewenste lichthoogtecurve en zijn daarom van cruciaal belang voor het gehele systeem. Bij het ontwerpen van deze nieuwe schakelklep zagen de ontwikkelaars zich geplaatst voor bijzondere uitdagingen zoals de vereiste in- en uitschakeltijden, de schakeltijdprecisie en de duurzaamheid. De constructie van het systeem met een "normaal open" schakelklep vereist dat de schakelklep eenmaal per nokkenasomwenteling moet schakelen en zelfs meerdere keren bij de werking met meervoudige kleplichting. Om ervoor te zorgen dat de hogedrukruimte volledig gevuld is en dus dat de lichthoogte in de volgende spoelslag mogelijk maximaal is, wordt de regelklep na elke cyclus kort geopend om de verbrandingskamer volledig te vullen. Bij de werking met meervoudige kleplichting moet ervoor worden gezorgd dat het anker in de schakelklep zijn rustpositie weer bereikt heeft voordat de regelklep voor de tweede keer wordt geactiveerd. Daarom kan de stroom voor de tweede kleplichting pas ongeveer 2 ms na het bereiken van de rustpositie van het anker worden toegevoerd.
Op de onderstaande afbeelding ziet u de activeringscurve van de stroom voor een schakelklep en de bijbehorende lichthoogtecurve van de motorklep. De curve voor een vroege sluiting van de inlaatklep wordt vergeleken met de curve van de maximale
kleplichthoogte. Om te komen tot een zo snel mogelijke schakelklep met een zo laag mogelijk stroomverbruik, is gekozen voor een speciale activeringsstrategie voor de regelklepstroom. De stroomcurve is onderverdeeld in verschillende secties. Vanuit de stroomloze toestand wordt voor de gewenste activering van de schakelklep de zogeheten biasstroom toegevoerd. De schakelklep wordt hierdoor voorgemagnetiseerd, maar nog niet geschakeld. Om de inschakeling snel en nauwkeurig te laten verlopen, wordt de schakelklep op het eigenlijke schakeltijdstip met verhoogde piekstroom geactiveerd. Het schakeltijdstip wordt door de software bepaald afhankelijk van de bedrijfstoestand. Nadat de regelklep volledig is geactiveerd, wordt de stroom verminderd tot houdstroom, waardoor de regelklep gesloten blijft. Vervolgens bepaalt de software weer het tijdstip waarop de stroom volledig wordt uitgeschakeld. Hierdoor wordt de regelklep weer geopend.
Modus vroege inlaatklepsluiting
Modus late inlaatklepopening Doelhoek en modus
Lichthoogte
Vroege inlaatklepsluiting
Late inlaatklepopening
Stroom
Schakelklep open
Schakelklep gesloten
Schakelklep open
Schakelklep open
Schakelklep gesloten
Schakelklep open 11
3. Bouw en werking
De nauwkeurigheid van de openings- en sluitingshoeken van de motorkleppen is van wezenlijk belang voor de werking van het systeem. De schakeltijdprecisie van de schakelkleppen levert hieraan een belangrijke bijdrage. Tijdens de montage van de schakelkleppen en hun subcomponenten worden verschillende functiewaarden, zoals doorstroming en schakeltijden, gemeten in de fabriek. Bovendien worden de componenten zo ingesteld dat de functiewaarden zich binnen het gewenste bereik bevinden. Bovendien wordt door een speciale compensatiefunctie de nauwkeurigheid van de schakeltijden geoptimaliseerd. Deze functie is actief tijdens de gehele levensduur van het product en compenseert ook voor wijzigingen in de schakeltijden die worden veroorzaakt door veroudering. Hierdoor wordt een optimale verdeling van de cilindervulling gegarandeerd. Gedurende de levensduur van het systeem schakelt de schakelklep ongeveer 330 miljoen keer. Dit aantal schakelcycli met de vereiste nauwkeurigheid vormt een enorme uitdaging voor de schakelklep. Deze nieuwe schakelklep is met behulp van de modernste ontwerp- en simulatiemethoden in samenwerking met Continental Automotive Systems ontwikkeld vanaf de conceptfase tot de klep gereed was voor serieproductie. In talrijke functie- en levensduurtests, zowel op de componenttestbank als op de systeemtestbank en in het voertuig, is de functionaliteit nauwkeurig getest en is de schakelklep in het totale systeem geïntegreerd. De schakelkleppen worden door de besturingssoftware afzonderlijk aangestuurd via overeenkomstige eindtrappen. De besturingssoftware heeft tot taak de gegevens van het motormanagementsysteem om te zetten in gedefinieerde modi en in openings- en sluitingshoeken van de motorkleppen. Hierbij houdt de software rekening met diverse factoren die van invloed zijn op het systeemgedrag om het in een bepaalde situatie juiste activeringstijdstip van de schakelkleppen te vinden. Op deze wijze wordt de gewenste timing van de motorkleppen bepaald. Eerst worden de in- en uitschakeltijden van elke schakelklep besproken. Deze worden aan de hand van de stroomcurve bij elk schakelproces en voor elke cilinder afzonderlijk gecontroleerd en vervolgens, afhankelijk van de bedrijfstoestand, bijgesteld aan de hand van kenvelden in het motormanagementsysteem. De bijzondere uitdaging hierbij is de herkenbaarheid van de stroomcurve over het gehele vereiste temperatuurbereik en de daarmee samenhangende olieviscositeit. Alle componenten van de schakelklep moeten zeer nauwkeurig op elkaar zijn afgestemd op deze functionaliteit te garanderen. De eigenschappen van de curve van de kleplichthoogte worden niet alleen bepaald door de schakelklep maar ook door de systeemarchitectuur en de componentgeometrie. Hierbij hoort ook de hydraulische (eindaanslag)rem. Het gaat hierbij om de hulpcilinder die de hydraulische druk via een hydraulisch klepspelingscompensatie-element omzet in de beweging van de motorklep. Aangezien de motorklep altijd onafhankelijk van de nokcontour wordt gesloten, wordt deze niet mechanisch afgeremd voordat deze de klepzitting raakt.
12
Om hoge sluitingssnelheden, die niet alleen geluid veroorzaken maar ook tot klepschade kunnen leiden, te vermijden, wordt de motorklep met behulp van hydraulische stuurgeometrieën in de remzuigergeleiding op het eind van zijn ballistische beweging afgeremd.
Hier staat tegenover dat hoge openingssnelheden worden bereikt omdat de (eind aanslag) rem door een speciale terugslag klep wordt kortgesloten. Deze componenten zijn allemaal op een bepaalde manier ontworpen. Dit zorgt ervoor dat de motorklep onder koude omstandigheden (tot -30 °C in Europa en -35 °C in de VS) op tijd wordt gesloten en dat tevens de sluitingssnelheden worden verlaagd wanneer de motorolie warm is.
3.3 Temperatuursensor voor motorolieviscositeit De klepbeweging en met name de functie van de (eindaanslag) rem worden ook bepaald door omgevings- en bedrijfsparameters, zoals het motortoerental of de olieviscositeit. Om met deze factoren rekening te kunnen houden, heeft het besturingssysteem deze gegevens nodig. Met name bij een koude start en de daarop volgende interne opwarming van het systeem moet de olieviscositeit worden gemonitord. In deze context en als enige aanvullende sensorvoorziening voor dit systeem is de temperatuursensor een belangrijke component. De sensor meet in realtime de olietemperatuur in de hogedrukruimte van het stelmechanisme en levert aan de regeleenheid een belangrijk gegeven voor de bepaling van de olieviscositeit. De in de motor aanwezige temperatuurmeting van koelwater en motorolie is hiervoor niet snel genoeg. De temperatuursensor met een negatieve temperatuurcoëfficiënt is voor deze toepassing speciaal gekalibreerd op lage temperaturen en heeft een reactietijd van max. 1,4 seconde.
Let op: Het is van het grootste belang om altijd de juiste, door de fabrikant goedgekeurde motorolie te gebruiken. Het gebruik van verkeerde olie kan tot storingen leiden, en in het uiterste geval start de motor helemaal niet meer.
3.4 Eigenschappen De belangrijkste eigenschappen van het UniAir-systeem op een rij:
g traploos instelbare kleplichthoogte
g tot 10 % meer vermogen
g traploos instelbare klepopeningstijden en
g tot 15 % hoger koppel bij lagere toerentallen
klepsluitingstijden
g meerdere klepopeningen tijdens een viertaktcyclus
g verhoogde veiligheid omdat bij een storing geen
motorschade kan ontstaan
mogelijk
g tot 10 % minder CO2-uitstoot en lager verbruik
13
Notities
Notities
14
Notities
15
LuK INA FAG Servicecenter 00800 1753-3333*
[email protected] www.schaeffler-aftermarket.be www.schaeffler-aftermarket.nl * Gratis nummer enkel te bereiken via uw vaste lijn, ma - vr van 8.00 - 17.00 uur
