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Variable Steuerzeiten

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

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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

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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.
Ventilüberschneidung
  • geringe Ventilüberschneidung hohes Drehmoment (niedrige Drehzahl)
  • hohe Ventilüberschneidung hohe Leistung (hohe Drehzahl)
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

bedeutet die Nockenwelle öffnet und schließt früher bzw. sie öffnet und schließt später. Der Ventilhub und die Öffnungsdauer bleiben unverändert.
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Phasenverstellung
Hydraulische Verstellung der Einlass-Nockenwelle über 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

Spätstellungen

Drehzahl < 2000 1/min: Rückströmung verbrannter Abgase wird verringert, besserer Leerlauf

Drehzahl > 5000 1/min: Füllung wird verbessert (Nachladung durch hohe Strömungsgeschwindigkeit)

 

Frühverstellung

bei mittleren Drehzahlen ( 2000 - 5000 1/min), Verstellung 20° KW in Richtung "früh", größere 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).

 

Honda VTEC    Variabler Ventiltrieb, Nockenwellenumschaltung

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  • 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)
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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.
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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".
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.

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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.

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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 habe ich eine eigene Seite erstellt. zur Seite über Valvetronic
siehe auch | Drehmoment und Füllung| Leistung | Leistungssteigerung |Mehrventiler | Aufladung |Valvetronic | Vergleich P/M |

Von Christiani gibt es ein Schnittmodell von der Porsche Nockenwellenverstellung

Quellen: Internet, AUDI, BMW, Honda, Toyota

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Wiesinger

bearbeitet am: 26.08.10

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