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siehe auch |Variable
Steuerzeiten | Leistungssteigerung
| Füllung | Leistung
| Mehrventiler |Aufladung
|Vergleich
P/M |
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Immer
wieder dient die Natur als Vorbild für die Entwicklung innovativer
Technologien. Der Vergleich mit der Atemtechnik des Menschen macht zum
Beispiel die Funktionsweise von
VALVETRONIC
deutlich: |
Bei hoher Anstrengung atmet der Mensch tief und lang. Braucht er weniger
Luft, dann drosselt er nicht die Luftzufuhr, indem er sich Nase und Mund
etwas zuhält, sondern er atmet kürzer und flacher. Beim herkömmlichen
Ottomotor entspricht die Drosselklappe der zugehaltenen Nase bzw. dem
Mund. VALVETRONIC mit großem Ventilhub (= tiefes, langes Atmen) bzw.
kleinem Ventilhub (= flaches, kurzes Atmen) ermöglicht es, wie die Natur
zu atmen - ohne Drosselung und immer effizient.
Valvetronic |
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Die neuartige
VALVETRONIC-Technologie
bietet aufgrund ihrer Funktionsweise ein exzellentes Kaltstart-Verhalten
und eine hohe Laufruhe.
Dies ist auf das Prinzip des vollvariablen Ventiltriebs zurückzuführen.
Im Teillastbetrieb arbeitet die VALVETRONIC
mit vergleichsweise kleinen Ventilhüben von 0,5 bis 2,0 Millimeter.
Dadurch gelangt das Kraftstoffgemisch nur durch einen schmalen Spalt in
den Brennraum. Durch die hohe Einströmgeschwindigkeit wird das Gemisch
schon bei kaltem Motor ideal zerstäubt. Ein möglichst feiner
Gemischnebel ist aber auch Voraussetzung für einen raschen und
gleichmäßigen Verbrennungsvorgang. Eine noch höhere Laufruhe wird bei
niedriger Last erreicht, da sich die Ventile dann nur noch geringfügig
heben.
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| BMW
316ti Zylinderkopf
mit Valvetronic
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VALVETRONIC
ermöglicht einen vollvariablen Ventilhub
von 0,0 bis zu 9,7 Millimeter. Er wird durch einen elektromotorisch
verstellbaren Zwischenhebel erreicht, der zwischen der Nockenwelle und dem
Schlepphebel, der das Ventil betätigt, platziert ist. Dabei arbeitet die VALVETRONIC
nicht nur präzise, sondern auch extrem schnell. Die Verstellung von
Minimal- auf Maximalhub kann in nur 300 Millisekunden geschehen. Um diese
Einstellmöglichkeiten nutzen zu können, sind sehr leistungsfähige
Steuerungen notwendig. Die VALVETRONIC verfügt deshalb über einen
eigenen mit der Motorsteuerung vernetzten 32-Bit-Rechner.
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Einlassventil
mit Valvetronic
Die
Gemischzufuhr wird über einen variablen Ventilhub ohne Drosselklappe
gesteuert.
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Für
den BMW Fahrer bringt der neue 316ti-Vierzylinder mit VALVETRONIC
einen geringeren
Verbrauch, verminderte Abgasemissionen und
zugleich ein besseres Ansprechverhalten sowie
eine höhere Laufruhe mit
sich.
Der
85 kW/115 PS starke und 201 km/h schnelle 316ti compact verbraucht nach EU
6,9 Liter Super auf 100 Kilometer Fahrstrecke - 0,7 Liter weniger als das
Vorgängermodell mit 77 kW/105 PS und weit über einen Liter weniger als
sämtliche Wettbewerber in dieser Klasse. Der 316ti compact erfüllt
die Schadstoffnorm EU4.
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Valvetronic |
Obwohl
alle Fahrzeughersteller auch bei geringfügigen Modifikationen gerne von
einem "neuen Motor" sprechen, hat sich an
den entscheidenden Bauteilen in den vergangenen Jahrzehnten wenig getan.
So auch bei der Gemischaufbereitung. Zwar wird heutzutage mittels
elektronischem Kennfeld gezündet und haben Einspritzanlagen die Vergaser
abgelöst, doch das wichtigste Bauteil funktioniert
noch immer wie in den Kindertagen des Motorenbaus: Die Drosselklappe,
eingebaut irgendwo im Ansaugtrakt, bestimmt mit ihrer Öffnung das Volumen
an Luft bzw. zündfähigem Gemisch, dass in den Zylinder gelangt. Die
Stellung der Drosselklappe regelt der Fahrer mit dem Gaspedal.
Unbefriedigend an dieser Lösung sind die Verluste, die durch
unerwünschte Verwirbelungen an der Drosselklappe entstehen.
vollvariabler Ventilhub
Die Valvetronic hat nun die Drosselklappe
abgeschafft. Künftig wird deren
Funktion vom Einlassventil (1)
übernommen. Das Einlassventil wird nicht starr von der Nockenwelle
(2) angetrieben, sondern mittels Exzenterwelle
(3) und Zwischenhebel
(4). Tritt nun der Fahrer aufs Gas, verdreht
ein Elektromotor diese Exzenterwelle. Der Zwischenhebel überträgt die
Drehung der Nocken, abhängig von der Stellung dieser Welle, auf das
Ventil. Im Ergebnis ist also der Hub variabel.
Bei wenig Gas hat das Ventil auch nur wenig Hub, bei Vollgas öffnet das
Ventil weiter.
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Was bringt der Aufwand eigentlich?
Bei Motoren mit Drosselklappe muss beim Öffnen der Einlassventile das
Volumen der Saugrohre zwischen Ventil und Drosselklappe überwunden
werden, bevor sich die Luft in Richtung der Zylinder in Bewegung setzt.
Das Saugrohrvolumen bildet somit einen Dämpfer, der das Ansprechverhalten
verringert. Gelingt es, die Drosselklappe auszuschalten und das
Einlassventil zur Laststeuerung zu bewegen, dann ist mit sinkendem
Verbrauch, mit steigender Leistung und mit drastisch besserem Ansprechen
des Motors auf den Befehl des Gaspedals zu rechnen. Der Valvetronic-Motor
ist aber deshalb nicht entdrosselt, weil die Drosselklappe nicht
mehr verwendet wird. Es besteht weiterhin eine Drosselstelle - nämlich am
Ventilspalt. Eine Entdrosselung wurde jedoch dadurch ermöglicht, dass
infolge der besseren Gemischaufbereitung mit einer höheren (inneren)
AGR-Rate gefahren werden kann.
Der Hintergrund dafür ist eine erheblich bessere Zerstäubung des ins
Saugrohr gespritzten Benzins bei Leerlauf und in der unteren Teillast,
weil das angesaugte Gemisch in dem engen Ventilspalt enorm beschleunigt
wird und die Widerstände von Drosselklappe und Dämpfungsvolumen
entfallen. Schließlich wird das Kaltstartvermögen des Motors dramatisch
verbessert. BMW nennt denn auch eine Reduzierung des Benzinverbrauchs von
10 % gegenüber dem sehr guten Vorgängermotor und eine Anhebung des
Drehmomentes im unteren Drehzahlbereich. Damit könne man die für die
direkte Benzineinspritzung genannten Verbrauchsvorteile auf einfachere
Weise erreichen. BMW sei keineswegs grundsätzlich gegen die
Direkteinspritzung, nur halte man die bisherigen Systeme wegen der
zerklüfteten Kolbenböden mit der Folge der Verbrauchserhöhung bei hoher
Last und Drehzahl und der verstärkten Neigung zur Rußbildung für sehr
verbesserungsbedürftig.
Dennoch besitzt der BMW-Motor – wie übrigens auch die meisten
Dieselmotoren – eine Drosselklappe, die jedoch nur der Korrektur, nicht
aber der Laststeuerung dient. Die geschieht ausschließlich über den
variablen Hub der Einlassventile, wobei auch die Steuerzeiten von Einlass
wie Auslass über das bekannte Doppelvanos-System durch Verdrehen der
Nockenwellen verstellt werden. Der Hub der Auslassventile dagegen wird
nicht verstellt, die Auslassventile werden wie gewohnt von der Nockenwelle
über Rollenkipphebel betätigt.
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Mechanik
der Super-Klasse
Hub zwischen 0 und 10 mm
Der neue BMW-Vierzylinder mit 1,8 Liter Hubraum besitzt vier Ventile pro
Zylinder, wobei wie üblich eine Nockenwelle die Einlass-, die andere die
Auslassventile betätigt. Beide Ventilreihen werden über Rollenkipphebel
betätigt. Die
Auslassnockenwelle liegt direkt über den Kipphebeln, während zwischen
der Einlassnockenwelle und den Rollenkipphebeln zusätzliche Hebel
angeordnet sind. Beide Nockenwellen werden wie bei BMW üblich durch Kette
angetrieben, beide werden durch die Vanos genannten Steller verdreht.
Diese Zwischenhebelchen auf der Einlassseite aber haben es in sich. Sie
bestehen aus einer feinkörnigen Stahl-Speziallegierung und werden mit
hoher Präzision im Feingussverfahren hergestellt. Ihre
Berührungsflächen mit der Verstellwelle sowie mit den Rollenkipphebeln
werden auf tausendstel Millimeter genau geschliffen, um jede Abweichung
der Ventilhübe voneinander auszuschalten. Über der Einlassnockenwelle
liegt eine im Zylinderkopf gelagerte zweite Welle, die durch einen
Stellmotor von VDO via Schneckengetriebe verdreht wird. Sie trägt
Exzenter, die für die Verstellung des Ventilhubs verantwortlich sind und
zudem verhindern, dass die Zwischenhebel sich selbstständig machen. Denn
eine «feste» Führung für die Zwischenhebel gibt es nicht, sie hängen
«lose» zwischen Verstellwelle und Kipphebel. Etwa in der Mitte tragen
sie eine Rolle.
Eine Haarnadelfeder drückt die Hebel sowohl gegen die Nockenwelle als
auch gegen die Verstellwelle, während der hydraulische
Ventilspielausgleich dafür sorgt, dass an keiner Stelle klappernde Spalte
bleiben. Auf der Unterseite, dort also, wo sie auf den Kipphebeln
aufliegen, sind die Berührungsflächen in einer genau ermittelten
Kurvenform geschliffen, die mit der Nockenbewegung auf den Rollen hin und
her gleitet. Bei Leerlauf sorgt die Gleitfläche für einen Ventilhub von
nur etwa 0,25 mm, bei Volllast öffnen sich die Einlassventile um 9,7 mm.
Mit der gleichen Konstruktion könnte aber auch ein Ventil geschlossen
bleiben und sich nur das zweite öffnen. Oder beide Ventile bleiben, wenn
eine Zylinderabschaltung vorgesehen ist, geschlossen. Dazu müsste
allerdings die Exzenterwelle verändert oder in mehrere Einzelabschnitte
aufgeteilt werden.
Der Vierzylinder ist so ausgelegt, dass er bei 6500 Umdrehungen pro Minute
abriegelt, während die höchste Leistung bei moderaten 5500 Umdrehungen
pro Minute erreicht wird. Die Standfestigkeit des gesamten Ventiltriebs
ist bis etwa 7000 Umdrehungen pro Minute gewährleistet.
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VALVETRONIC und der
Otto-Direkteinspritzer
Theoretisch gibt es
für einen Motorenentwickler kaum etwas Näherliegenderes als einen
direkteinspritzenden Benzinmotor – kann er doch mit diesem Konzept das
Leistungspotenzial des Ottomotors mit dem unübertroffenen
Verbrauchsverhaltendes Diesels vereinen. Bis heute scheiterte dieses
Vorhaben jedoch an zwei Faktoren: An der für einen Otto-Direkteinspritzer
notwendigen Verfügbarkeit von schwefelfreiem Kraftstoff und der
mangelnden Haltbarkeit der unabdingbaren und in ihrer Herstellung
komplizierten Katalysatorensysteme.
VALVETRONIC kommt ohne
die aufwändige, für den Benzin-Direkteinspritzer aber unumgängliche
Abgasnachbehandlung aus., Ein VALVETRONIC - Motor ist im Gegensatz zum
Direkteinspritzer nicht auf schwefelfreien Kraftstoff angewiesen. Der
niedrige Verbrauch wird mit allen handelsüblichen Otto-Kraftstoffen
erreicht, so dass man die Vorteile von VALVETRONIC ohne zusätzliche
finanzielle oder zeitliche Aufwendungen nutzen kann.
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siehe auch |Variable Steuerzeiten
| Leistungssteigerung
| Füllung | Leistung | Mehrventiler
|Aufladung | Vergleich
P/M |
Quellen: BMW
und diverse unbekannte Quellen
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Autor: Johannes
Wiesinger
bearbeitet:
19.02.2015
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