Technologie

Schutz für Umwelt und Turbolader

Das Thomas Ölregelventil

Noch laufen die Diskussionen zur Ausgestaltung der Abgasnorm Euro 7. Doch eines scheint bereits sicher: Die Autohersteller müssen den CO2-Ausstoß weiter senken. Ein deutscher Premiumhersteller setzt hierzu ab Juli unter anderem auf das neue, elektronische und diagnosetaugliche Ölregelventil von Thomas. Die Ummantelungstechnologie, die Thomas bei seiner Herstellung anwendet, stellt einen Lösungsansatz in der Verarbeitung hitzeempfindlicher Komponenten dar.
 

 

Über die Jahre sind Motoren stetig effizienter geworden. Angetrieben von immer strengeren Euro-Normen, sanken Verbrauch und CO2-Ausstoß. Doch je effizienter Motoren arbeiten, desto schwieriger wird es, weitere Verbesserungen zu erzielen. Die Erfindung des Turboladers beispielsweise ermöglichte seinerzeit einen extremen Effizienzgewinn: Ein Downsizing-Motor mit wenig Hubraum lieferte plötzlich die gleiche Leistung wie ein deutlich größeres Aggregat.

Die Herausforderung der Entwickler von Verbrennermotoren liegt heutzutage darin, die letzten noch verbliebenen Sparpotenziale zu aktivieren. Eine mögliche Quelle unerwünschter CO2-Emissionen findet sich am Turbolader.


CO2-Emissionen reduzieren

Hierzu muss man wissen: Der Turbolader ist einer der größten Ölverbraucher in modernen Fahrzeugen. Seine Turbine wird vom Abgasstrom angetrieben und erreicht je nach Lastzustand und Fahrzeug bis zu 400.000 Umdrehungen pro Minute. Klar, dass hier eine wirkungsvolle, aktive Schmierung über den Ölkreislauf nötig ist. 

Wenn sich während des Schubbetriebs (z.B. bei Bergabfahrten) der Motor abschaltet, schließen sich dessen Ein- und Auslassventile. Es findet keine Kraftstoffverbrennung im Zylinder statt. Aufgrund des Abgasstrommangels wird der Turbolader nicht angetrieben. Deshalb benötigen die aktiv geschmierten Lagerstellen des Turboladers in dieser Zeit keinen Öldurchsatz. In solchen Situationen darf sogar kein weiteres Öl zugeführt werden. Warum das so ist, erklärt Robert Heinz, System Lead Engineer Mobility Solutions bei Thomas: „Wird der Ölfluss nicht abgesperrt, kann überschüssiges Öl in den Abgasstrang oder über die Frischluftzuführung in die Verbrennung des Motors gelangen. Der CO2-Ausstoß nimmt zu, die Abgaswerte steigen.“

Robert Heinz muss es wissen – schließlich war er maßgeblich an der Entwicklung des elektronischen Ölregelventils beteiligt, das ab Juli 2022 in der Serienfertigung besagten Automobilherstellers zum Einsatz kommt. Das Funktionsprinzip ist vergleichsweise einfach: Beispielsweise in Beschleunigungsphasen ist das Ventil unbestromt und geöffnet. Öl gelangt zu den Schmierstellen. In Schubphasen sorgt die Motorsteuerung für eine Bestromung des Ventils. Das Ventil schließt und verhindert, dass weiteres Öl fließt. 


Grenzwertszenarien zu Euro 7

 EinheitEuro 6 (Diesel/Benziner)Euro 7 Szenario 1*Euro 7 Szenario 2*
Partikelanzahl (PN)Anzahl/km6 x 10111 x 10116 x 1010
Stickoxid (Nox)mg/km80/603010
Kohlenmonoxid (CO)mg/km500/1000300100
Methan (CH4)mg/kmkein Limit105
Lachgas (N2O)mg/kmkein Limit105
Ammoniak (NH3)mg/kmkein Limit52


Quelle: Europäische Kommission, Präsentation AGVES-Meeting vom 27.10.2020 (vereinfachte Darstellung)
*Keine Unterschiede zwischen Diesel und Benziner, zwei Szenarien in der aktuellen Diskussion


Trumpfkarte Diagnosefähigkeit

Damit nicht genug, das Ölregelventil zeichnet eine weitere Eigenschaft aus. Robert Heinz: „Die Motorsteuerung moderner Fahrzeuge sollte in der Lage sein, eine Fehlfunktion des Ventils zu erkennen. Denn sonst könnte ein zu hoher CO2-Ausstoß bis zum nächsten Werkstattbesuch oder bis zur nächsten Abgasuntersuchung unbemerkt bleiben. Deshalb haben wir das Ölregelventil so entwickelt, dass es mit der On-Board-Diagnose des Fahrzeugs kommunizieren kann.“ 
Hierzu statteten die Entwickler von Thomas das Ölregelventil mit einem Hallsensor aus, der die Position des Ventils detektiert. Die Folge: Schließt oder öffnet das Ventil nicht, wird dem Autofahrer im Cockpit angezeigt, dass ein Werkstattbesuch notwendig ist.


Sensible Elektronik – sicher ummantelt

Was in der Theorie einfach klingt, gestaltete sich in der Umsetzung als komplexes Unterfangen. Denn im Umfeld des Ventils herrschen hohe Temperaturen, bis zu 150°C. Deshalb galt es, das Ölregelventil so zu konzipieren, dass seine Elektronik solchen Temperaturen standhält und gleichzeitig optimal vor anderen Umwelteinflüssen, wie etwa Feuchtigkeit geschützt ist.

Schnell war klar: Eine Ummantelung der elektronischen Komponenten im Ventil mit temperaturbeständigem Kunststoff sollte diese Eigenschaften gewährleisten. Doch wie umgießt man eine hitzeanfällige Elektronik mit Kunststoff, wenn bei einem solchen Kunststoffspritzguss bereits Temperaturen von rund 300 °C auftreten? Die Experten von Thomas fanden eine geeignete Lösung: Sie versahen die Elektronik des Ölregelventils in einem ersten, kühleren Arbeitsschritt zunächst mit einer schützenden Duroplastschicht. Erst im zweiten Arbeitsschritt erfolgt die Ummantelung des Ventils mittels thermoplastischem Kunststoff. „Das Ergebnis ist ein dicht umspritzter, abgekapselter Baukörper. Ein robustes, elektronisches Ventil, das die gewünschten Schalt- und Diagnose-Fähigkeiten mit den erforderlichen Dauerlasteigenschaften vereint“, so Michael Hinn, Project Manager Mobility Solutions bei Thomas.


Duroplast-Verfahren für viele Branchen interessant

Mit dem Ölregelventil ist Thomas übrigens einziger Lieferant des Fahrzeugherstellers, welcher das Ventil in seinen neuen 4- und 6-Zylinder-Längsmotoren einsetzt. Doch dabei wird es vermutlich nicht bleiben. Zum einen, weil die Technologie ebenso interessant für andere Automobilproduzenten ist. Zum anderen, weil sie in vielen weiteren Branchen ebenfalls großen Nutzen verspricht. 

Weil wir das Ölregelventil und unsere Duroplast-Technologie bereits in unseren ‚Thomas Baukasten‘ integriert haben, lässt sie sich mit vergleichsweise geringem Aufwand überall dort nutzen, wo Elektroniken vor negativen Umwelteinflüssen geschützt werden müssen. Die Einsatzmöglichkeiten sind extrem vielfältig.

Michael Hinn, Project Manager Mobility Solutions