Bei Dieselmotoren wurden erst in letzter Zeit Konzepte mit schaltbaren Ventiltriebkomponenten umgesetzt. Mithilfe von schaltbaren Rollenschlepphebeln auf der Auslassseite kann hier beispielsweise eine interne Abgasrückführung umgesetzt werden, die die Verbrennungsstabilität beim Kaltstart verbessert und das Aufheizen der Abgasanlage beschleunigt, also die Zeit bis zum Light-off der Abgasnachbehandlungskomponenten verkürzt. Da die interne Abgasrückführung zudem schnell auf Parameterveränderungen im transienten Motorbetrieb reagiert, gewährleistet sie die Einhaltung der Emissionslimits auch in dynamischen Grenzsituationen. Sowohl für Otto- als auch Dieselmotoranwendungen werden im Folgenden neueste Entwicklungen bei schaltbaren Rollenschlepphebeln und deren Applikation aufgezeigt.

Da Schaeffler auch langjährige Erfahrung mit konventionellen, nicht schaltbaren Schlepphebeln hat, bietet sich ein Vergleich mit dem schaltbaren Rollenschlepphebel an. Dabei zeigt sich, dass der schaltbare Rollenschlepphebel aufgrund des größeren Funktionsumfangs zwar theoretisch ein höheres Massenträgheitsmoment und mehr Bauraumbedarf hat, sich in der Praxis mit konventionellen Schlepphebeln aber durchaus messen kann. Denn in den meisten Motoranwendungen werden Massenträgheitsmoment und Schlepphebellänge durch die allgemeinen Randbedingungen im Zylinderkopf bestimmt, nicht durch den Schlepphebel, und dies gilt für konventionelle wie für schaltbare Rollenschlepphebel gleichermaßen. Dennoch arbeitet Schaeffler im Rahmen verschiedener Entwicklungsprojekte daran, die schaltbaren Rollenschlepphebel noch kleiner und leichter zu machen.

Bei kleinen oder mittelgroßen Ottomotoren steht die Zylinderabschaltung durch Deaktivierung der Ein- und Auslassventile im nichtgefeuerten Betrieb im Wettbewerb zu bekannten Entdrosselungskonzepten mittels EIVC oder LIVC. Die Entscheidung für oder gegen ein Konzept ist dabei neben dem Kraftstoffeinsparpotenzial auch von den Bauteilkosten abhängig. Zudem muss das System so flexibel applizierbar sein, dass verschiedene Zielfahrzeugklassen und unterschiedliche Emissionsvorschriften weltweit abgedeckt werden können. Schaeffler hat daher zusammen mit einem Entwicklungsdienstleister das Kosten-Nutzen-Verhältnis verschiedener Schaltstrategien, die mit variablen Ventiltriebsystemen umsetzbar sind, für die Großserie untersucht. Dabei wurden für die betrachteten Systeme mit schaltbaren Rollenschlepphebeln und Schiebenocken (Cam Shifting System, CSS) nicht nur die Verbrauchseinsparungen, sondern auch die Mehrkosten berechnet, Bild 3.

Generell lässt sich feststellen, dass eine Zylinderabschaltung im Vergleich zu Konzepten mit Umschaltung zwischen zwei Ventilhüben für EIVC oder LIVC das größere Kraftstoffeinsparpotenzial bei geringeren Kosten verspricht. Die Gründe der Mehrausgaben für zweistufige Umschaltsysteme liegen insbesondere am hohen Aufwand der Nockenwellenfertigung sowie der notwendigen Beschichtung der Gleitkontakte. Für eine Zylinderabschaltung bieten schaltbare Rollenschlepphebel systemseitig erhebliche wirtschaftliche Vorteile, während sie bei Konzepten, die eine zweistufige Profilumschaltung vorsehen, kostenseitig mit Schiebenockensystemen nahezu gleichauf liegen.

Wie schon erwähnt, wird die Zylinderabschaltung aufgrund des Verbrauchs- beziehungsweise CO₂-Einsparpotenzials künftig vermehrt auch bei Downsizing-Motoren mit kleinem Hubraum und wenigen Zylindern Anwendung finden. Für diese zumeist besonders kosten- und bauraumsensiblen Applikationen entwickelt Schaeffler aktuell das sogenannte Twinpallet-Design, Bild 4.

Es basiert auf einer Y-förmigen Struktur mit zwei Ventilplatten, die die beiden Ein- oder Auslassventile des jeweiligen Zylinders synchron betätigen. Der Schaltschlepphebel an sich hat jedoch nur ein Abschaltelement, sodass auch nur eine Nocke auf der Nockenwelle erforderlich ist, um beide Ventile zusammen zu öffnen oder zu schließen. Aufgrund des kompakten Packaging baut der schaltbare Rollenschlepphebel mit Twinpallet sehr schmal und hat das Potenzial, Bauraumlänge einzusparen, was die Integration in den Zylinderkopf wesentlich erleichtert. Wie Abschätzungen von Schaeffler zeigen, können die Kosten für ein System zur Zylinderabschaltung mit dem Twinpallet-Ansatz bei identischem Funktionsumfang um rund 25 % reduziert werden.

Die Grundintegration der elektromechanischen Rollenschlepphebel in den Zylinderkopf unterscheidet sich nicht von der hydraulischer Systeme. Die Umschaltbetätigung erfolgt mechanisch durch ein Schiebestück aus Blech. Die Federarme übertragen die Verstellung des Schiebestücks auf den Rollenschlepphebel, indem sie auf einen Schaltstift im äußeren Hebel drücken. Der Stift schaltet den Verriegelungsmechanismus und löst über eine interne Umlenkung der Bewegung die Verbindung zwischen dem äußeren und dem inneren Hebel, sodass der Hebel und damit der Ventilhub deaktiviert wird. Das Schaltelement, ein einfacher Linearaktor (blau, rechts), wird außerhalb des Nockenwellenmoduls beziehungsweise des Zylinderkopfs angebracht.

Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung eines solchen Systems ist, dass der Schaltmechanismus eines Schaltschlepphebels nicht zu jeder Zeit frei verschiebbar ist, wenn sich der Hebel in einer Differenzhubsituation befindet oder der Mechanismus gerade Kraft überträgt, zum Beispiel während des Ventilhubs. Bei einer hydraulischen Betätigung wird die Bewegung im Öl durch den Druck einfach zwischengespeichert. Sobald der Verriegelungskolben wieder frei bewegbar ist, wird er durch den Öldruck verschoben und die Umschaltung rastet ein beziehungsweise aus.

Bei einem elektromechanischen System muss die Energie für die Betätigung entweder im Elektromagneten oder in einer mechanischen Komponente zwischengespeichert werden. Da die Speicherung im Elektromagneten zwangsweise zu einer aufwendigen und kostenintensiven Einzelaktorik führt, verfolgt Schaeffler den Weg mit einer Feder als Energiezwischenspeicher. Diese Feder ist als Blattfeder ausgebildet und übernimmt gleichzeitig die Übertragung der Bewegung der Aktorleiste auf die Schaltschlepphebel. Weitere Bauteile sind dazu nicht notwendig. Sollte der Betätigungsstift blockiert sein, während die Schubstange verschoben wird, wird die Energie im Federarm zwischengespeichert, Bild 6 (links). Sobald der Mechanismus kraftfrei ist, wird der Betätigungsstift verschoben und der Hebel abgeschaltet, Bild 6 (rechts).

Ein weiterer Vorteil des Systems ist, dass die Schubleiste durch die Übertragung der Bewegung mittels Federarmen flexibel im Zylinderkopf platzierbar ist. Durch eine unterschiedliche Auslegung der Blattfeder (Länge/Querschnitt) kann eine Position näher oder weiter entfernt vom Schaltschlepphebel gewählt werden, angepasst an die individuellen Bauraumbedingungen und die Zylinderkopfarchitektur. Eine Adaption der eRocker-Technologie auf den vorher beschriebenen Twinpallet-Hebel liegt auf der Hand. Die daraus resultierende Kosteneinsparung überkompensiert den Zusatzaufwand, den der Ersatz des Übertragungsmedium Öls durch ein mechanisches Bauteil verursacht, bei Weitem.

Die hauptsächlich verfolgte Strategie ist, durch interne AGR mittels eines zusätzlichen Auslassventilhubs die Abgastemperatur gezielt anzuheben, um das Aufheizen der Abgasnachbehandlungskomponenten bei einem Motorkaltstart zu beschleunigen. Im Gegensatz zur etablierten externen AGR, bei der das Abgas über eine Leitung vom Aus- in den Einlasstrakt zurückgespeist wird, wird bei der internen AGR ein Teil des Abgases vom Auslasstrakt über die Auslassventile wieder in den Brennraum gesogen. Neben dem Aufheizeffekt kann damit die interne AGR auch im Normalbetrieb sehr viel schneller auf Änderungen der Rückführrate bei transienten Betriebsbedingungen reagieren, als es die externe vermag.

Bei der ersten Generation des schaltbaren Rollenschlepphebels von Schaeffler für Dieselmotoren wurde der Primärhebel mit einer Gleitfläche am Nockenkontakt ausgestattet, während der Sekundärhebel über ein Wälzlager verfügte, Bild 8.

Weiterhin konnten zusätzliche Freiheitsgrade für die Applikation des Nachhubs erschlossen werden. Bislang wurde er so ausgelegt, dass der Haupthub vollständig abgeschlossen sein musste, bevor der Nachhub einsetzen konnte. Künftig erlaubt ein sogenannter Übergabehub Zwischenphasen, in denen sich Haupt- und Nachhub überlagern. Die Schaltung ohne Übergabehub führte dazu, dass der Nachhub erst spät erfolgen konnte und die Ventilhubhöhe beschränkt war. Wie Bild 10 zeigt, verursacht eine späte zweite Auslassöffnung Pulsationen während des Ladungswechsels, die zu einem Rückfluss von Abgas in den Ansaugtrakt führen.

Bild 13 zeigt das Ergebnis von Schaltzeituntersuchungen für die Verriegelung des eRocker-Systems im Vergleich mit zwei hydraulisch schaltbaren Systemen.

Beim den hydraulischen System ist eine Verschlechterung der Schaltzeiten im negativen Temperaturbereich klar erkennbar und auch verständlich. Durch die Ölviskosität wird der Druckaufbau im Schaltmechanismus verzögert. Je nach Systemausführung (zum Beispiel verfügbares Druckniveau und Länge/Durchmesser der Steuerleitungen) stellt sich diese Verschlechterung unterschiedlich stark dar, was im Vergleich der Anwendung Nr. 1 und Nr. 2 in Bild 13 deutlich wird. Im Beispiel ist die Anwendung Nr. 2 ein Reihen-Sechszylindermotor. Selbst mit umfangreicher Systemoptierung könnte die Schaltzeit durch die konstruktiven Randbedingungen nicht mehr wesentlich verbessert werden.

Auch das eRocker-System erfährt bei niedrigen Temperaturen eine Verschlechterung der Schaltzeit, da die mechanischen Komponenten des Systems ebenfalls ölbenetzt sind und deshalb die Betätigungskräfte in den Führungen ansteigen. Dies kann theoretisch durch eine höhere Betätigungskraft kompensiert werden, wenn es erforderlich ist.

Problematisch ist allerdings nicht die Schaltzeit selbst, denn dies könnte gegebenenfalls durch die Motorsteuerung kompensiert werden. Vielmehr ist bei den hydraulischen Systemen die Streuung der Schaltzeit deutlich größer als beim elektromechanischen System, Bild 14. Dadurch kommt es zu Situationen, bei denen für einzelne Verbrennungen nicht prognostizierbar ist, ob das Rollenschlepphebelsystem schalten wird oder nicht. Man spricht in diesem Zusammenhang von zyklus- oder nicht-zyklustreuer Schaltung. Durch die geringe Varianz der Schaltleistung des eRocker-Systems kann der Drehzahl- und Temperaturbereich für zyklustreues Schalten deutlich erweitert oder eine unklare Schaltsituation sogar gänzlich vermieden werden. Mit der erzielten maximalen Schaltzeitvarianz von 12 ms kann bei einer Vierzylinderanwendung mit Nachhub (90° Zündversatz) eine zyklustreue Schaltung theoretisch bis zu einer Drehzahl von 2.500/min erreicht werden, was eine gängige Lastenheftvorgabe für Nachhubanwendungen darstellt. Erst bei darüber hinausgehenden Drehzahlen kann der Fall auftreten, dass für eine Verbrennung eines Zylinders der Schaltzustand nicht bekannt ist.

Insgesamt lässt sich festhalten, dass auch auf hydraulischer Basis eine Applikation des schaltbaren Rollenschlepphebels mit akzeptablen Schaltzeiten prinzipiell darstellbar ist. Die Abhängigkeit von Öldruck und -verschäumung und die teilweise konkurrierenden Anforderungen von Schaltfunktion und Ventilspielausgleich führen jedoch zu einem sehr komplexen und konstruktiv aufwendigen sowie schwierig zu optimierenden Hydrauliksystem. Diese Konflikte können mit dem eRocker-System einfach aufgelöst werden.