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 Motor

Variable Steuerzeiten

Technik verschiedener variabler Steuerzeiten durch Nockenwellenverstellung oder Ventilhubverstellung - wie z.B. VTEC, VANOS, Valvetronic, VVT-i

siehe auch | Drehmoment und Füllung| Leistung | Leistungssteigerung |Mehrventiler | Aufladung |Valvetronic | Vergleich P/M|

Durch die Verstellung der Nockenwelle(n) kann die Ventilüberschneidung an verschiedene Drehzahlen angepasst werden. Die Zylinderfüllung verbessert sich. Mittlerweile bieten fast alle Hersteller verschiedene Systeme mit variablen Steuerzeiten und auch mi Ventilhubverstellung an. Wir stellen hier einige Systeme vor.

Variable Steuerzeiten durch

Nockenwellenverstellung (Phasenverstellung)

Variabler Ventiltrieb (Nockenumschaltung)

gestuft (Kettenspanner) oder stufenlos VANOS, VVT-i

VTEC, Valvetronic

 
  • gutes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen
  • gutes Abgas im Leerlauf
  • hohe Leistung bei hohen Drehzahlen
Valvetronic: Drosselklappe überflüssig

keine Drosselverluste, Strömung ungehindert

Variable Ventilsteurung Übersicht

Variable Ventilsteurung Übersicht


Das Ein- und Ausströmen der Gase verändert sich in Abhängigkeit zur Drehzahl und Drosselklappenstellung. Variable Steuerzeiten  erlauben die Anpassung an verschiedene Drehzahlen und Zylinderfüllungen. Mit der Nockenwellenverstellung kann  die Ventilüberschneidung geändert werden.


Was bringt die geänderte Ventilüberschneidung?

  • kleine Ventilüberschneidung im Leerlauf (EV schließt sehr spät) verhindert Überströmen von Frischgasen in den Auslasskanal und Abgasen in den Einlasskanal. Motor läuft ruhiger. Niedrigere Leerlaufdrehzahl möglich.
  • kleine Ventilüberschneidung bei Volllast  (EV schließt sehr spät). Nachströmen von Frischgasen trotz aufwärtsgehendem Kolben, Nachladeeffekt erhöht Füllung und Drehmoment
  • große Ventilüberschneidung in der Teillast (EV schließt früher, kurz nach UT), Frischgase bleiben im Brennraum, Verbrennungstemperatur sinkt, NOx sinkt

Ziel der Motorkonstrukteure: 

Entdrosselung, also Verringerung der Drosselverluste

Teilentdrosselung:

  • Phasenverstellung
  • Abgasrückführung
  • Schichtladebetrieb bei Direkteinspritzung
  • hubraumkleine aufgeladene Motoren
  • Abstimmung Saugrohr und Abgasanlage
  • variable Verdichtung
  • Zylinderabschaltung

Volle Entdrosselung (hier ist die Drosselklappe total überflüssig geworden):

  • momentan durch Valvetronic,
  • in Erprobung EMVT (Elektromechanischer Ventiltrieb) von Renault

Phasenverstellung

 

Phasenverstellung bedeutet die Nockenwelle öffnet und schließt früher bzw. sie öffnet und schließt später. Der Ventilhub und die Öffnungsdauer bleiben unverändert.

 

Phasenverstellung variable Nockenwellenverstellung

Phasenverstellung durch Verändern der Kettenstellung durch einen hydraulischen Kettenspanner


Die Verstellung der Einlass-Nockenwelle erfolgt über einen hydraulischen den Kettenspanner der Steuerkette in 2 Stufen

Die Spätverstellung führt zu einem späten Öffnen bzw. Schließen  des Einlassventils und somit zu einer geringen oder gar keiner Ventilüberschneidung.

System bei Audi/VW und Mercedes-Benz

Variable Steuerzeiten durch Kettenspanner

Bild: Handbuch Verbrennungsmotor: Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven (ATZ/MTZ-Fachbuch)

 

Spätstellung
(linke Bildhälfte)

Die untere Stellung des Kettenspanners ist die Grundstellung. Der Nockenwellensteller wird durch den Öldruck in die Spätstellung gedrückt. Eine Verstellung findet nicht statt. Der Umlenkpunkt liegt vor der Einlassnockenwelle.

Drehzahl < 2000 1/min: Ventilüberschneidung klein, Einlassventil schließt spät, Rückströmung verbrannter Abgase wird verringert, besserer Leerlauf

Drehzahl > 5000 1/min: Ventilüberschneidung klein, Einlassventil schließt spät, Füllung und Drehmoment wird verbessert (Nachladung durch hohe Strömungsgeschwindigkeit)

Frühverstellung
(rechte Bildhälfte)

Die obere Stellung ist die Frühstellung. Der Kettenspanner wird durch den Öldruck nach oben gedrückt. Bei der Verschiebung verkürzt sich das untere Kettenstück, das obere wird verlängert. Dies ist nur möglich, weil sich die Einlassnockenwelle gegenüber der Auslassnockwenwelle verdrehen kann. Das Nockenwellenrad läuft der Drehrichtung entgegen. Das Einlassventil schließt früher.

Die Frühstellung erfolgt bei mittleren Drehzahlen (2000 - 5000 1/min um Verstellung 20° KW in Richtung "früh"

Dies führt zu einer größeren Ventilüberschneidung, die Füllung wird erhöht.

Grund: die Strömungsgeschwindigkeit ist prinzipbedingt kleiner, das EV schließt bereits kurz nach UT, Frischgase werden nicht in das Saugrohr gedrückt, Drehmoment erhöht, Abgase können aber in das Saugrohr strömen, Verbrennungstemperatur sinkt, NOx sinkt (innere AGR).

Anmerkung: In Abbildungen eines Fachkundebuches und einer Herstellerbeschreibung wurde die Verstellung falsch dargestellt.

Honda VTEC    Variabler Ventiltrieb, Nockenwellenumschaltung

Honda VTEC

Honda VTEC

  • Einlass- und Auslassseite jeweils mit drei Schwinghebeln, jedem Schwinghebel ist ein Nocken zugeordnet.

  • Es wird zwischen zwei unterschiedlichen Nockenformen umgeschaltet. Damit ändern sich Hub (Öffnungsquerschnitt) und Steuerzeit (im Gegensatz zur Phasenvertellung).
  • In den Schwinghebeln befindliche Sperrschieber können hydraulisch (via Magnetventil) betätigt die Schwinghebel für hohe Drehzahl formschlüssig ver- bzw. entriegeln, so dass entweder das Nockenprofil für niedrige oder für hohe Drehzahlen zum Tragen kommt.
niedrige und mittlere Drehzahl:
  • Sperrschieber entriegelt, niedriges Nockenprofil betätigt,
  • kleiner Ventilhub, kurze Öffnungsdauer
  • guter Leerlauf, hohes Drehmoment
hohe Drehzahl:
  • Sperrschieber verriegelt, niedriges und hohes Nockenprofil betätigt,
  • großer Ventilhub, lange Ventilöffnungszeit
  • größte Motorleistung
Die meisten Hondas verfügen über das VTEC-System (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control System) für eine variable Ventilsteuerung. Die drehzahlabhängige Regulierung von Ventilöffnung und -hub sorgt für höchste Leistungswerte im oberen Drehzahlbereich, ohne Drehmomentverluste in den unteren Touren.

 

Das i-VTEC-System - „i“ steht für intelligent - ist eine Weiterentwicklung der bewährten VTEC-Technologie. Das System berücksichtigt nicht nur den Drehzahlbereich, sondern auch das Belastungsmoment des Motors. Die Motorsteuerung beeinflusst anhand verschiedener Parameter laufend die Stellung der Einlassnockenwelle in Bezug zu jener der Auslassnockenwelle über eine hydraulische Vorrichtung, welche die Öffnung der Einlassventile beschleunigt oder verzögert. Dieses Hightech-System hat bedeutende Vorteile:
  • Verbesserung der Leistungsabgabe um 20%
  • Steigerung des Drehmoments um rund 10% bei tiefen und mittleren Drehzahlen
  • Verminderung des Treibstoffverbrauchs um 10 bis 20%

Variable Nockenwellensteuerung (oder Nockenwellenspreizung)


Vanos

VANOS-Hydraulik


Die stufenlose Verstellung von BMW ist unter VANOS bekannt geworden. Wird auch die Auslassnockenwelle verstellt, spricht man von Doppel-VANOS.
1 = Magnetventil

2 = Hydraulische Verstelleinheit

3 = Zahnwellenrad mit Schrägverzahnung innen

Spätkanal (gelb)

Frühkanal (grün)

Das System besteht aus

  • einer mechanischen  Verstelleinheit (3), 
  • einer hydraulischen Verstelleinheit (2) sowie
  • einem Magnetventil (1) zur hydraulischen Ansteuerung.
Vanos

VANOS Motorschnittbild

 

  • Das Magnetventil wird abhängig von der Motordrehzahl angesteuert.
  • Der Hydraulikkolben wird je nach Stellung des Magnetventils nach links oder rechts verstellt.
  • Die Kolbenbewegung bewirkt in der mechanischen Verstelleinheit durch die Schrägverzahnung eine Nockenwellenverstellung in Richtung "früh" oder "spät".
  • Der Verstellwinkel beträgt jeweils 60°
Frühverstellung:

Öl durch Frühkanal, Kolben nach rechts, Zahnwellenrad (im Kolben drehbar gelagert) wird gegen die Drehrichtung der Kette verdreht

 

Spätverstellung:

das Magnetventil wird durch das Steuergerät "umgeschaltet", Öl gelangt über Spätkanal auf die andere Kolbenseite, Zahnrad wird zurückgedreht.

VVT-i von Toyota intelligente, adaptive Ventilsteuerung


Das VVT-i (Variable Valve Timing - intelligent) regelt die relative Position der Einlassnockenwelle entsprechend den Betriebsbedingungen des Motors.

Ziel: eine ausgewogene Balance zwischen Motorleistung, Verbrauch und Abgase

 

Es handelt sich um eine Regelung (also eigentlich eine Ventilregelung und nicht Ventilsteuerung), bei dem die aktuelle Position der Einlassnockenwelle über den Nockenwellensensor ständig (kontinuierlich) rückgemeldet wird.

VVT-i

 

VVT-i

VVT-i


Die Motorelektronik (ECU) erfasst die jeweilige Last (Betriebszustand) über die Sensoren für Motordrehzahl, Ansaugluftmenge, Drosselklappenstellung und Wassertemperatur und berechnet die optimale Ventilsteuerzeit. 

Die ECU steuert das Nockenwellenstellventil entsprechend an und erfährt gleichzeitig den gegenwärtigen Ventilwinkel durch Nockenwellen- und Kurbelwellensensor. So kann ein Sollwert möglichst genau erreicht werden.

 

Toyota hat für Ihre Motoren 7 verschiedene Betriebsbedingungen festgelegt (Konzept-Diagramm) nach denen 5 verschiedene Steuerzeiten eingestellt  werden.

 

VVT-i

Betriebsbedingungen

 

Betriebszustand Bereich Ventilsteuerung Zweck Effekt
Im Leerlauf 1 Minimierung der Überschneidung, um Rückstau auf Einlassseite zu reduzieren Stabiler Leerlauf, geringer Verbrauch
Bei leichter Last 2 Reduzieren der Überschneidung, um Rückstau auf Einlassseite zu reduzieren  
Bei mittlerer Last 3 Erhöhung der Überschneidung, um zum Ausgleich des Pumpverlusts durch Rückstau einen Abgasrückführeffekt zu bewirken  
Niedriger bis mittlerer Drehzahlbereich bei hoher Last  4 Vorrücken des Schließzeitpunkts  des Einlassventils, um eine bessere Zylinderfüllung zu bewirken verbessertes Drehmoment im unteren bis mittleren Drehzahlbereich
Hoher Drehzahlbereich bei hoher Last 5 Verzögern des Schließzeitpunkts des Einlassventils, um eine bessere Zylinderfüllung zu bewirken  
bei niedrigen Temperaturen - Minimieren der Überschneidung, um Rückstau auf Einlassseite zu verhindern. Dies reduziert den Verbrauchsanstieg bei kaltem Motor, verringert und stabilisiert den Schnellleerlauf Stabiler Schnellleerlauf, geringerer Kraftstoffverbrauch
Anlassen bzw. Abstellen des Motors - Minimierung der Überschneidung, um Rückstau auf Einlassseite zu reduzieren  

  • Über die Valvetronic finden Sie eine eigene Seite: Valvetronic

Mercedes Ventilhubumschaltung CAMTRONIC: Gas geben mit der Nockenwelle

(engl.: cam oder camshaft = Nockenwelle)

 Die 1,6-Liter Variante des M 270 (A-Klasse) stattet Mercedes-Benz mit der einlassseitigen Ventilhubverstellung CAMTRONIC aus. Das System funktioniert mechanisch, wird aber von einem elektronisch gesteuerten Aktuator bedient. Die Einlassnockenwelle besteht aus mehreren Bauteilen: Auf die Trägerwelle sind zwei hohl gebohrte, gleich große Teilwellen montiert. Das Nockenstück 1 steuert die Einlassventile der Zylinder 1 und 2, das Nockenstück 2 die Einlassventile der Zylinder 3 und 4. Die Nocken verfügen in Form eines Doppelnockens über zwei Hubkurven. Die Fläche, mit der die Ventile über Rollenkipphebel betätigt werden, ist nur noch halb so breit wie bei einem herkömmlichen Nocken. Der Platzbedarf ist daher identisch. Camtronic

Mercedes-Benz A-Klasse, Ventilhubumschaltung CAMTRONIC

 

Ist die steilere Nockenhälfte aktiviert, wird der Ventilhub vergrößert, und die Ventile bleiben länger geöffnet. Wird auf die flachere Nockenhälfte umgeschaltet, wird der Ventilhub verkürzt, und die Ventile schließen eher.

 „Gas geben“ mit der Nockenwelle

Die Laststeuerung auf dem kleinen Ventilhub wird durch unterschiedliche Bauteile umgesetzt: Bei sehr niedrigem Motordrehmoment erfolgt die Laststeuerung konventionell über die Stellung der Drosselklappe, bei mittleren Drehmomenten über die Stellung der Einlassnockenwelle und bei hohen Drehmomenten über den Aufladegrad des Turboladers. Bei einer weiteren Steigerung des Drehmoments wird der Ventilhub auf großen Hub umgestellt, und die Laststeuerung erfolgt wieder konventionell über die Drosselklappe bzw. im aufgeladenen Betriebsbereich über den Aufladegrad des Turboladers.

Man könnte auch sagen: In der neuen A‑Klasse gibt man auch mit der Nockenwelle Gas. Um die optimale Verbrennung auch mit kleinem Ventilhub sicher zu stellen, haben die Mercedes-Benz Entwicklungsingenieure zahlreiche Maßnahmen ergriffen. Aufgrund des kleineren Ventilhubes und des frühen Einlassschlusses nimmt die Turbulenz im Brennraum an der Zündkerze ab. Die Verwirbelung beeinflusst aber maßgeblich die Verbrennungsgeschwindigkeit und das Durchbrennen des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Um diese vermeintlichen Nachteile zu kompensieren, wird im niedrigen Teillastbereich durch eine Mehrfacheinspritzstrategie mit Zündeinspritzung die Turbulenz erhöht, die Mehrfachzündung garantiert die sichere Entflammung. Die Umschaltung von kleinem auf großen Ventilhub erfolgt unmerklich, so dass der Fahrer davon nichts spürt. Aufgrund der Kopplung der Zylinder 1 und 2 sowie 3 und 4 auf jeweils einem Nockenstück ist es möglich, mit nur einem Doppelaktuator innerhalb einer Nockenwellenumdrehung den Ventilhub aller vier Zylinder zu verstellen.

Entsprechend großer Aufwand war erforderlich, um die Synchronisation des Verstellvorgangs zu entwickeln und die Dauerhaltbarkeit der Bauteile sicher zu stellen. Die stufenlosen hydraulischen Flügelzellen-Nockenwellenversteller für Ein- und Auslass arbeiten mit einem großen Verstellbereich von 40 Grad bezogen auf die Kurbelwelle. Die Neuentwicklung zeichnet sich durch eine signifikant kleinere Bauform aus. Deshalb konnte der Einbauraum in der Motorlängsachse und Motorhochachse sehr kompakt gehalten werden.

Video zur Camtronic



siehe auch | Drehmoment und Füllung| Leistung | Leistungssteigerung |Mehrventiler | Aufladung |Valvetronic | Vergleich P/M |

 

Quellen: Internet, AUDI, BMW, Honda, Toyota, Mercedes

 


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Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 26.05.2014

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