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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
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Quellen:
BMW
und diverse unbekannte Quellen
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Autor: Johannes Wiesinger
bearbeitet:
25.11.2021
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