Funktionelle Untersuchung und Bewertung eines variablen Ventiltriebsystems am Zylinderkopfattrappen-Prüfstand

Abstract

Die Diplomarbeit umfasst das Thema der „funktionellen Untersuchung und Bewertung eines variablen Ventiltriebsystems am Zylinderkopfattrappen-Prüfstand“. Die Kernthese, die hierbei untersucht wird, behandelt die Hubumschaltung eines variablen Ventiltriebsystems am Beispiel eines Schiebenockensystems bei hohen Drehzahlen. Der Fokus liegt dabei auf der Analyse der Schaltvorgänge außerhalb des angegebenen Betriebsbereiches. Die Befähigung der Hubumschaltung für hohe Drehzahlen bietet einehöhere Flexibilität bei der Auslegung des Ventiltriebes, wodurch die Effizienz des Motors gesteigert und die Performance sowie die Agilität des Antriebes verbessert werden können.Die variablen Ventiltriebsysteme sind unterteilt in voll- und teilvariabel. Bei dem zu untersuchenden Ventiltrieb handelt es sich um das teilvariable Audi Valvelift System, kurz AVS. Dieses System ermöglicht eine Ventilhubumschaltung zwischen 2 bzw. 3 Nockenkonturen. Über die Nullhubausführung einer Nocke wird die Zylinderabschaltung umgesetzt. Die Prüfstanduntersuchungen wurden am Beispiel eines Audi V8 4.0l TFSI Motors mit Zylinderabschaltung auf einem Zylinderkopf-Attrappen-Prüfstand untersucht. Die durchgeführten Messreihen geben Aufschluss über das Verhalten des Systems im Betriebsbereich 960 – 3500 U/min KW und darüber hinaus. Dadurch wird die Grenzdrehzahl der Hubumschaltung ermittelt, bei der das System nicht nur einen erhöhten Verschleiß, sondern auch Fehlschaltungen aufweist. Das Schiebenockensystem wird an Hand der folgenden Kriterien analysiert: die Ventiltriebdynamik, die Aktuatorik bzw. Ansteuerung der Hubumschaltung, das Schaltverhalten und die Arretierung des Schiebestückes sowie die Lebensdauer bzw. der Verschleiß des Systems.Die Ergebnisse des Versuches zeigen, dass es bei hohen Drehzahlen >3500 U/min zu erhöhten Verschleißerscheinungen sowie zu Fehlschaltungen kommt. Die Ursache dafür ist der instabile Schaltvorgang bei hohen Drehzahlen. Über die Wegmessungen des Schiebestückes und die optische Überwachung des Schaltvorganges wurden unter anderem Schwingungen während des Umschaltvorganges und eine nicht ausreichende Arretierung des Schiebestückes festgestellt. Das untersuchte Ventiltriebsystem ist dahernicht für hohe Drehzahlen ausgelegt. Für eine Befähigung erhöhter Drehzahlen des Ventiltriebes werden in dieser Arbeit optimierungsmaßnahmen angeführt, die sich auf die Verschleißreduzierung, die Ansteuerung des Systems sowie die Sicherstellung der Schaltbarkeit bei hohen Drehzahlen beziehen.

The diploma thesis covers the topic of “functional exploration and evaluation of a variable valve train on the test bench of the cylinder head ". The core thesis, which is examined here, deals with the stroke shift of a variable valve train system using the example of a sliding cam system at high speeds.The focus is on the analysis of the shifting processes outside of the specified operating area. The ability to switch the stroke for high speeds offers a greater flexibility in the design of the valve train, increases the efficiency of the engine as well as the performance and agility.The variable valve train systems are divided into fully and partially variable ones. In this thesis we are evaluating the partially variable Audi Valvelift System (AVS). This system enables valve lift to be switched between 2 and 3cam contours. The cylinder is deactivated via the zero stroke version of a cam implemented. The test bench analysis was carried out using the example of an Audi V8 4.0l TFSI Engine with cylinder deactivation examined on a cylinder head test bench.The series of measurements carried out provide information about the behavior of the system in the operating range 960 - 3500 rpm crankshaft and beyond. These tests mark the speed limit of the stroke changeover, which show an enhanced abrasion, but also incorrect switching levels. The sliding cam system is analyzed on the basis of the following criteria: the Valve train dynamics, the actuators or control of the stroke shifting, the switching behavior and the locking of the sliding piece as well as the service life or the system abrasion.The results of the experiment show at high rpm >3500 signs of abrasion as well as incorrect switching. The reason is the unstable shifting process at high rpm. The path measurements of the sliding piece and the optical monitoring of the switching process show vibrations during the switching process. Further, the tests resulted in an insufficient locking of the sliding pieces. Consequently, the examined valve train system is not designed for high rpm. This thesis draws conclusion of possible optimization measures towards reducing abrasion, enhanced controlling of the system and ensuring the switchability at high rpm.