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