Nockenwellenverstellung

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Nockenwellenverstellung (auch variable Nockenwellensteuerung oder variable Ventilsteuerung) bezeichnet ein Verfahren zur Veränderung der Steuerzeiten der Ventilsteuerung von Viertaktmotoren im Betrieb. Davon zu unterscheiden ist die einmalige Verstellung der Steuerzeiten bei der Montage des Motors, was zum Beispiel durch besondere Scheibenfedern mit Versatz beim Fügen des Antriebszahnrades auf der Nockenwelle möglich ist.

Die Anpassung der Ventilöffnungszeiten erlaubt eine Effizienzsteigerung des Motors, abhängig vom jeweiligen Lastverhalten. Diese Steigerung kann als Leistungs- und Drehmomentgewinn und als Kraftstoffeinsparung zum Tragen kommen.

Eine weitere Nutzungsmöglichkeit wird dahingehend erreicht, dass durch die Veränderung der Ventilsteuerzeiten theoretisch auch der Drehsinn der Kurbelwelle umgekehrt werden kann. Aufgrund der Betätigungsreihenfolge der Ventile eines Viertaktmotors ist das Andrehen des Motors entgegen seines üblichen Kurbelwellendrehsinns ohne Ventilsteuerzeitenveränderungen nicht möglich. Genutzt wird diese Methode der Nockenwellenverstellung bei langsamlaufenden Binnenschiffsmotoren u.a. von Deutz AG, MAN und Maschinenbau Kiel sowie bei schnelllaufenden Motoren Mercedes-Benz MB 518, einer Weiterentwicklung der Mercedes-Luftschiffmotoren vom Typ LOF 6.[1]

Die teilweise benutzte Bezeichnung „variable Nockenwelle“ ist irreführend, da die Nockenwelle selbst nicht verändert wird, sondern nur deren Drehwinkel bzw. der Ventilhub.

Hintergrund[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei Nockenwellenantrieben ohne Verstellung wird die Nockenwelle über eine feste Verbindung (wie Zahnriemen, Kette oder Zahnräder) von der Kurbelwelle mit der halben Drehzahl angetrieben. Die Ventilöffnungszeiten des Verbrennungsmotors, angegeben als auf die Position der Kurbelwelle bezogener Drehwinkel zwischen 0 und 360 °KW (Grad Kurbelwinkel), sind dabei konstruktiv festgelegt. Sie werden auch Steuerzeiten genannt, da sie den Ladungswechsel des Motors steuern. Die Zeit, in der Auslassventil(e) und Einlassventil(e) gleichzeitig geöffnet sind, wird Überschneidung genannt.

Die Überschneidungszeiten beeinflussen die Motoreigenschaften grundlegend. So hat ein Motor mit geringer Überschneidung ein eher hohes maximales Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, aber eine geringere maximale Leistung, die bei hohen Drehzahlen erreicht wird. Durch große Überschneidung wiederum lässt sich eine höhere Maximalleistung erreichen, jedoch auf Kosten des Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen.[2]

Grund dafür sind die Strömungsvorgänge im Motor während des Ansaugtaktes bei unterschiedlichen Drehzahlen:

  1. Bei niedrigen Drehzahlen bewirkt ein frühes Schließen des Einlassventils, dass das angesaugte Frischgas nach dem Unteren Totpunkt (UT) des Kolbens nicht wieder aus dem Zylinder strömt (Reflexion am Kolbenboden) bzw. durch den Kolben hinausgedrückt wird. Schließt das Einlassventil, bevor der untere Totpunkt passiert wurde, spricht man vom Miller-Zyklus.
  2. Bei hohen Drehzahlen kann wegen der Trägheit der Frischgassäule auch nach dem UT weiteres Gas einströmen, wenn das Ventil spät schließt. Dies wird Nachladen genannt und führt zu einer Leistungssteigerung.
  3. Grundsätzlich bewirkt eine lange Überschneidungszeit, dass das ausströmende Abgas das über das Einlassventil einströmende Frischgas mitreißt und so der Zylinder gründlich gespült wird; es befindet sich dadurch in der Folge mehr frisches Gas im Zylinder, was beim Verbrennen ein höheres Drehmoment und damit eine höhere Leistung bewirkt. Bei hohen Drehzahlen kommt es hierbei jedoch zu Verlusten durch Überströmen in den Auspuff. Bei niedrigen Drehzahlen bewirkt eine große Überschneidung hingegen, dass bereits ausgestoßenes Abgas zurück in den Brennraum gesaugt wird, was auf diese Weise zwar wie eine (geringe) interne Abgasrückführung wirkt, jedoch das Frischgas verdünnt und so ein geringeres Drehmoment bis hin zu Verbrennungsaussetzern im Leerlauf verursachen kann[3].

Bei der Nockenwellenverstellung werden nun die Einlass- und Auslass-Steuerzeiten in Abhängigkeit von Drehzahl und Drosselklappenstellung (Last) verändert, um in allen Drehzahlbereichen eine möglichst effiziente Zylinderfüllung zu erreichen. Zusätzlich ist es möglich den Abgasstrom nur durch einen Turbolader zu leiten, indem ein Auslassventil nicht mehr geöffnet wird. Ebenso kann eine vollständige Zylinderabschaltung mittels Nockenwellenverstellung realisiert werden.

Technik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Am weitesten verbreitet ist heute der hydraulische Phasenversteller: Ein aus der Hydraulik bekannter Schwenkmotor, der zur Steigerung des übertragbaren Moments mit mehreren Flügeln ausgestattet ist, was den Schwenkwinkel auf 11° bis 35° beschränkt. Dieser Schwenkmotorphasenversteller (SMV) wird mit Motoröldruck betrieben und kann durch die hohe Dynamik der wechselnden Momente der Nocken nur in Verbindung mit einem Rückschlagventil betrieben werden. Der SMV wird gewöhnlich an den Nockenwellenenden in der Kraftübertragung (Drehbewegung) platziert.

Bei Motoren mit zwei Nockenwellen kann bereits mit einem SMV nur an der Einlassnockenwelle der gewünschte Effekt erzielt werden, auch eine Überschneidung (Einlass- und Auslassventil sind für eine kurze Zeit gleichzeitig geöffnet) der Ventilöffnungzeiten ist möglich. Wird dagegen ein weiterer SMV an der Auslassnockenwelle eingesetzt, kann der Konstrukteur mit größerer Überschneidung arbeiten und hat mehr Freiheiten bei der Optimierung der Gasströme. Dadurch kann z. B. ein gezieltes Wiederansaugen von Abgasen erzielt werden, was die aufwändige und kostenintensive externe Abgasrückführung ersetzt bzw. eine kleine Auslegung dieser ermöglicht.

Die Wirkung der Steuerzeitenverstellung kann durch eine Veränderung des Ventilhubes weiter gesteigert werden. Damit kann schon in niedrigeren Drehzahlbereichen ein Nachströmen der Luft nach UT erreicht werden, was eine Steigerung des Drehmoments und damit der Leistung bei diesen Drehzahlen bewirkt. Beispielsweise wird bei BMW die Drosselklappe daher nur mehr in speziellen Betriebsarten verwendet (etwa Notlauf). BMW nennt die Technik zur Nockenwellenverstellung VANOS (siehe unten) und die zur Hubverstellung Valvetronic.

In der Formel 1 wird seit einiger Zeit eine pneumatische Ventilsteuerung eingesetzt: Hier ersetzt die Druckluft aber nur die Stahlfeder, die sonst das Ventil in den Ventilsitz zurück drückt und die bei hohen Drehzahlen (bis zu 18.000 min−1) zunehmend Probleme verursacht. Das zeitgenaue Öffnen des Ventils geschieht hier aber weiter über Nockenwellen.

Im Planungs- und Versuchsstadium sind weiterhin Verfahren, die Ventilsteuerung nicht mehr über eine feste mechanische Koppelung mit der Kurbelwelle vorzunehmen, sondern die Ventile direkt über Hydraulik, Pneumatik oder elektrische Aktuatoren zu bewegen. Der mechanisch aufwändige und mit Reibungsverlusten und Verschleiß behaftete Nockenwellenantrieb könnte dann entfallen, beliebige Steuerkurven der Ventile wären möglich, weiterhin auch eine zylinderspezifische Steuerung. Die Herausforderung liegt dabei in der Abstimmung der Parameter Kosten, Leistungsbedarf, Genauigkeit und Zuverlässigkeit.[4] Solch ein hydraulisch gesteuertes System wurde in den USA bereits einmal gegen Ende der 1980er Jahre auf dem Markt platziert, bewährte sich jedoch nicht und verursachte beim Hersteller einen extrem hohen Gewährleistungsaufwand.[5]

Umsetzungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Für die Nockenverstellung werden von den Automobilherstellern unterschiedliche technische Lösungen unter jeweils eigenen Technik-Kürzeln benutzt, wobei grundsätzlich zwischen Systemen zu unterscheiden ist, die die Nockenwelle für die Einlassventile relativ zur Auslassnockenwelle verdrehen, und vollvariablen Systemen:

VANOS[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

VANOS-System mit Flügelzellen im BMW N52-Motor

VANOS ist die variable Nockenwellensteuerung von BMW.[6] Es gibt Einlass-VANOS (nur Einlassnockenwelle) und Doppel-VANOS (Ein- und Auslassnockenwelle).

Die VANOS-Einheit ist zwischen Nockenwelle und Kettentrieb angeordnet. Während bei einem konventionellen Ventiltrieb die relative Winkellage der Nockenwelle(n) zur Kurbelwelle (Nockenwellenspreizung) unabhängig von der Motorlast immer konstant ist, ermöglicht es die VANOS, die Spreizung der Nockenwellen ganz gezielt in Abhängigkeit von Drehzahl, Last und Motoröltemperatur einzustellen. Der bei konventionellen Ventiltrieben für alle Betriebspunkte notwendige Kompromiss wird somit aufgelöst. Anfangs gab es nur auf der Einlassnockenwelle einen Zeitpunktversteller, inzwischen sind stufenlose Doppel-VANOS-Systeme bei vielen BMW-Motoren Standard.

Einlassseitig dient die Verstellung primär dazu, den Einlassschluss der Ventile festzulegen, wodurch sich Drehmoment und Leistung optimieren lassen. Abhängig von der Nockenkontur kann so das maximale Drehmoment oder die Höchstleistung positiv beeinflusst werden. Ein Zurückströmen der Gase aus dem Brennraum in den Ansaugkanal kann durch die drehzahlmäßige Anpassung des Schließzeitpunkts des Einlassventils vermieden werden. Die Verstellung der Einlassnockenwelle wird im unteren und mittleren Drehzahlbereich zur interne Abgasrückführung und Motordrehmoment-Erhöhung genutzt. Bei höheren Drehzahlen steht die verbesserte Leistungsabgabe im Vordergrund.

Auslassseitig wird mit der variablen Spreizung hauptsächlich die Restgasmenge gesteuert (innermotorische Abgasrückführung). Dies wirkt sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus, weil mit steigendem Restgasgehalt die Motordrosselung und folglich die Ladungswechselverluste abnehmen. Zusätzlich sinkt die Prozesstemperatur und somit die Stickoxidbildung. Im Leerlauf verbessert ein sehr geringer Restgasanteil die Laufruhe. Ein weiterer Vorteil der VANOS auf der Auslassseite ist die Möglichkeit, die Abgasdynamik im unteren Drehzahlbereich zu verbessern und somit das Drehmoment zu erhöhen. Die Verstellung der Auslassnockenwelle dient somit der optimalen Leerlaufqualität oder zur Erreichung maximaler Abgasrückführungsraten.

Es gibt konstruktiv unterschiedliche Ausführungen des VANOS-Systems, d.h. die Verstellung der Nockenwellen kann von einem VANOS-Getriebe mit Schrägverzahnung oder Flügelzellenversteller durchgeführt werden.

  • Beim VANOS-System mit Schrägverzahnung wird ein Hydraulikkolben wechselseitig mit dem Motoröldruck beaufschlagt und axial verschoben. Im Kolben ist eine Zahnwelle drehbar gelagert, welche den Kolbenhub über die Schrägverzahnung in eine Drehung der Nockenwelle relativ zum antreibenden Kettenrad umsetzt.
  • Beim VANOS-System mit Flügelzellenversteller erfolgt die Verstellung ebenfalls mittels Motoröldruck. Das elektromagnetische Regelventil leitet dazu das Motoröl nach einem Signal der Motorelektronik auf eine Seite der Flügelzellen. Für eine Verstellung in Gegenrichtung wird das Öl vom Regelventil auf die andere Seite der Flügelzellen geleitet. Die Flügel des Flügelzellenverstellers sind mit dem innen liegenden schwenkbaren Rotor und mit der Nockenwelle verbunden, wobei das Gehäuse zugleich das Kettenrad des Steuerungstriebs bildet.

Ein Sensor erfasst die aktuelle Winkellage der Nockenwelle und leitet sie an die Motorelektronik weiter, die den Wert mit dem vorgegebenen Winkel vergleicht. Für hohe Verstellgeschwindigkeiten (z.B. bei hochdrehenden Motoren für den Motorsport) wird das VANOS-System um eine Radialkolbenpumpe ergänzt, die das Motoröl auf über 100 bar vorspannt, bevor die Ventile bzw. der Hydraulikkolben damit beaufschlagt werden.[7]

Da auf beiden Seiten des Verstellmechanismus verschieden hohe Öldrücke anliegen, kann dessen Lage exakt geregelt werden. Die Verstellung ist im Bereich des Kreissegments, bestehend aus den Druckräumen für Früh- und Spätverstellung, stufenlos möglich. Im drucklosen Zustand wird der Verstellrotor durch eine Schraubenfeder in Spätstellung gehalten.[8]

VANOS-Systeme in BMW-Motoren (Auswahl)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Schwarz/weiß-Einlass-VANOS (Einstellung der Einlassnockenwelle nur in zwei Stufen):
BMW M50TU
BMW S50B30/US
BMW M52
BMW S52B32/US
  • Stufenlose Einlass-VANOS:
BMW M62B35TU, BMW M62B44TU, BMW M62B46 (BMW X5)
  • Stufenlose Doppel-VANOS:
BMW M52TU
BMW M54
BMW N40, BMW N42, BMW N45, BMW N46
BMW N52
BMW N62, N62TU
BMW N73
  • Stufenlose Hochdruck-Einlass-VANOS:
BMW S50B30, BMW S50B30GT
  • Stufenlose Hochdruck-Doppel-VANOS:
BMW S50B32
BMW S52
BMW S54
BMW S62
BMW S85

Verwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einlass-VANOS wurde erstmals ab September 1992 bei BMW im M50-Motor des 5er E34 und 3er E36 ab 2,0 Liter Hubraum eingesetzt. Den M50-Nachfolger BMW M52 gab es ab dessen Einführung im September 1994 mit Einlass-VANOS, später, ab 1998 als M52TU mit Doppel-VANOS. Der BMW M3 3.2 ab 1995 war der einzige BMW E36, dessen Motor (S50B32) Doppel-VANOS besaß.

Doppel-VANOS in den Serienmodellen kam erst mit der 3er-Reihe E46 ab 1998 und dem Motor M52TU (technisch überarbeitet) bzw. dessen Nachfolger M54 ab 2000.

Im M5 V10 der 5er-Reihe E60/61 wird der Öldruck von ca. 100 bar durch eine separate Radialkolben-Hochdruckpumpe erzeugt, die von der Kurbelwelle angetrieben wird. Bereits der BMW S50 und BMW S54 hatten eine Hochdruck-Zusatzölpumpe.

Eine Ergänzung der VANOS ist die vollvariable Ventilsteuerung, die bei BMW Valvetronic genannt wird. Die Ventile werden hier über elektromotorisch verstellbare Zwischenhebel betätigt, dadurch kann der maximale Ventilhub stufenlos variiert werden. Durch die Kombination von VANOS und Valvetronic können die Öffnungszeit und der Hub der Ventile unabhängig voneinander geregelt werden. Die Steuerung des Systems erfolgte anfangs über ein separates Steuergerät und ist mittlerweile in der Motorsteuerung integriert.

Bekannte Probleme:
Die Schwarz/weiß-Einlass-VANOS-Systeme und die Doppel-Vanoseinheiten der Motoren M52TU, M54, M56 und S62 neigen nach längerer Laufzeit (deutlich über 100.000 km Laufleistung) zu Problemen mit den inneren Dichtringen, da die ab Werk verbauten O-Ringe aus Nitrilkautschuk (Buna-N, NBR, Nitril-Butadien-Kautschuk) zu Verschleiß neigen. Aufgrund dessen kommt es zu Problemen bei der Verstellung der Nockenwelle von spät nach früh. Ein Austausch der Dichtringe bei BMW gegen eine verbesserte Variante ist nicht möglich, d.h. BMW bietet nur den gesamten Austausch der Vanoseinheit (mit verschleißanfälligen NBR-O-Ringen) an, wohingegen im Aftermarket mittlerweile verbesserte O-Ringe angeboten werden. Die Reparatur ist für Fachpersonal nicht sehr kompliziert, aber mit einem gewissen Zeitaufwand verbunden.

AVS[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Audi Valvelift System ist seit 2008 in fast allen FSI- und TFSI-Motoren der Marke Audi im Einsatz. Das System wird auch bei baugleichen Motoren des Volkswagen-Konzerns verwendet. Pro Zylinder besteht dieses System aus einem auf der Hauptwelle axial verschiebbaren Nockenstück und zwei elektromagnetischen Stelleinheiten (Aktuatoren). Die Nockenstücke besitzen zwei nebeneinander angeordnete Profile mit unterschiedlicher Nockenkontur zur Realisierung von kleinen und großen Ventilhüben. Abhängig von Drehzahl und Motorlast greifen die Aktuatoren in spiralförmige Nuten auf den Flanken der rotierenden Nockenstücke ein und verschieben diese in jeweils eine der Endlagen (große bzw. kleine Nocke). Die Rückstellung der Aktuatoren erfolgt mechanisch über eine Rückwurframpe auf dem Nockenstück. Der gesamte Schaltvorgang ist nach einer Umdrehung der Nockenwelle abgeschlossen. Läuft der Motor im Leerlauf oder bei niedriger Drehzahl, ist das kleine Nockenprofil im Einsatz. Bei Volllast hingegen ist das große Nockenprofil aktiv. Veröffentlichten Berichten zufolge verspricht das System eine fünf Prozent höhere Kraftentfaltung bei gleichzeitiger Einsparung von bis zu sieben Prozent an Treibstoff.[9] Erweitert wird das System durch die Möglichkeit gezielt einzelne Ventile dauerhaft zu schließen. Dies wird sowohl bei der Zylinderabschaltung, als auch bei BiTurbos angewendet. Bei der Zylinderabschaltung werden die Einlassventile nicht mehr geöffnet[10]. Bei mehreren Turbos werden die Auslassventile nur dann geöffnet, wenn der entsprechende Turbo auch genutzt werden soll bzw. kann. [11]

VFD[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Variatore di Fase Dinamico ist die von der Fiat-Gruppe gebrauchte Bezeichnung, in Deutsch auch „Phasensteller“: hydraulische Verstellung der Einlassnockenwelle und Rückstellung in die Ausgangsstellung mittels Feder. Damit liegen bei 2000/min bereits 90 % des maximalen Drehmoments an.

Fiat hat, als erster Automobilhersteller überhaupt, ein System für die variable Verstellung von Ventilsteuerzeiten inklusive Ventilhub zum Patent angemeldet (US-Patent 3,641,988). Basis hierfür war die von Giovanni Torazza in den späten 60er Jahren entwickelte hydraulische Nockenwellenverstellung. Die damit erreichte Variationsbreite der Ventilöffnungszeiten betrug schon 37 %. Fiat hatte zum ersten Mal erkannt, dass flexiblere Ventil-Steuerzeiten das Potential und die Effizienz eines Motors verbessern können. Es sollte nicht das letzte Mal sein (siehe Multiair).

Der für den amerikanischen Markt produzierte Alfa Spider 1750 cc (Modell 1980) hatte als erster PKW eine rein mechanische variable Ventilsteuerung (US-Patent 4,231,330), diese wurde damals notwendig, um die scharfen amerikanischen Abgasregelungen einzuhalten. Somit wurde zum ersten Mal eine Phasenverstellung für die Einlassventile möglich. Im Jahr 1983 führte Alfa Romeo als erster eine elektronisch gesteuerte variable Ventilsteuerung für den europäischen Markt in Serie ein (in einem Zweiliter-Vierzylindermotor).

Multiair nennt sich eine von Fiat gemeinsam mit der Schaeffler-Gruppe entwickelte vollvariable hydraulische Ventilsteuerung, die bis dahin so noch nie in einem PKW-Motor eingesetzt wurde. Zuerst war sie für den Alfa Romeo MiTo mit 1,4-Liter-Otto- und Turbomotor ab September 2009 erhältlich.

Der Nocken betätigt das Einlassventil über ein hydraulisches System, das eine Variation der Ventilöffnungszeiten und -hübe erlaubt. Über ein elektronisch gesteuertes Hydraulikventil kann während des Nockenhubs Öl aus dem Systen abfließen, sodass das Einlassventil nicht mehr dem Profil der Nockenwelle folgen muss, sondern später und weniger weit öffnen und früher schließen kann. Das Hydrauliksystem wird vom Motorölkreislauf immer wieder aufgefüllt und wirkt auch als hydraulischer Ventilspielausgleich.

Vorteil dieser Technik ist die Reduzierung von Pump- und Strömungsverlusten, da die Luftzufuhr nicht mehr über die Drosselklappe gesteuert werden muss: Die Variationsmöglichkeiten für Öffnungszeit und Hub der Ventile werden auch zum Regeln der benötigten Luftmenge benutzt. Dadurch kann nicht nur ca. 10 % mehr an Leistung und 15 % mehr Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen gewonnen werden, sondern auch gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch um bis zu 25 % verringert werden[12].

Noch beschränkt sich dieses System auf die Steuerung der Einlassventile. Pläne für einen 0,9-Liter-Zweizylindermotor, bei dem in naher Zukunft alle Ventile elektrohydraulisch vollvariabel angesteuert werden, sind schon vorhanden. Laut Fiat kann man diese Technik mit ähnlich gutem Ergebnis auch auf Dieselmotoren übertragen.

VTEC[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zylinderkopf mit iVTEC-Technik
Hauptartikel: VTEC

Das Variable Valve Timing and Lift Electronic Control VTEC System stammt von Honda. Es existiert in unterschiedlichen Ausführungen (DOHC-VTEC, SOHC-VTEC, SOHC-VTEC-E, 3-Stufen-VTEC und i-VTEC).

Grundlegend stellt VTEC die Möglichkeit dar, im laufenden Motorbetrieb zwischen verschiedenen Nockenprofilen umzuschalten. Der erste mit VTEC ausgerüstete Motor war 1983 in dem Motorrad CBR400F Super Four HYPER VTEC erschienen. Die aktuell (2010) höchste Literleistung von 88 kW/l erzielte man mit VTEC im S2000. Die Vorteile dieser Technik liegen in einem veränderbaren Zylinderfüllungsgrad im jeweiligen Drehzahlband, die so kostengünstig realisierbar ist. Durch diese Eigenschaft kann das Drehzahlband bei bestimmten Motorenmodellen bis auf über 9000 min−1 angehoben werden. VTEC wird elektronisch durch das Steuergerät geregelt und bezieht Werte wie Kühlwassertemperatur, Öldruck, Last, Drehzahl etc. mit ein. Eine Motivation für das VTEC-System lag in der japanischen Steuerpolitik, die größere Hubräume für die breite Bevölkerung finanziell uninteressant machten.

DOHC-VTEC war in Deutschland erstmals 1989 im Honda Civic und CRX mit 16-Ventil-Vierzylinder erhältlich (1,6i mit 110 kW/150 PS, Motortyp B16A1) und arbeitete zweistufig. Zwischen den beiden (Ein-/Auslass-)Nockenprofilen der ersten Stufe befindet sich ein weiterer Nocken, dessen Profil für früheres Öffnen, größeren Hub und späteres Schließen steht. Der von diesem Nocken angesteuerte Kipphebel drückt im Normalbetrieb „leer“ auf ein Federpaket, das zwischen den beiden Ventilen bzw. Federn angebracht ist. In den Kipphebeln befinden sich Querbohrungen und Sperrstifte. Wird nun bei höheren Drehzahlen Öldruck von dem VTEC-Ventil zu den Kipphebeln freigegeben, so rutschen die Sperrstifte innerhalb der Kipphebel zur Seite und verbinden alle drei Kipphebel zu einer festen Gruppe. Dadurch, dass der mittlere Kipphebel wegen des größeren Nockenprofiles früher und weiter aufgeht und später zugeht, folgen die beiden anderen Kipphebel nun auch diesem Profil und haben zugleich keinen Kontakt mehr mit den Nocken der ersten Stufe. Zur Rückschaltung auf die erste Stufe wird der Öldruck vom VTEC-Ventil wieder weggenommen und die Sperrstifte rutschen mittels Feder wieder zurück in ihre Ruheposition.

Beim SOHC-VTEC greift das gleiche Prinzip wie beim DOHC-VTEC, jedoch nur auf der Einlassseite, da hier der Raum für den VTEC-Kipphebel auf der Auslassseite durch eine Zündkerze belegt ist.

Beim SOHC-VTEC-E wird im unteren Drehzahlbereich, zwecks Kraftstoffersparnis, ein Einlassventil „weggeschaltet“. Es öffnet nur minimal, um Verrußungen zu vermeiden. Erst bei höherer Lastanforderung oder höheren Drehzahlen werden beide Einlassventile voll geöffnet. Das Drehzahlband ist bei diesen Motorenmodellen verhältnismäßig kurz, da das Nockenprofil bei aktiviertem VTEC dem eines normalen Motors entspricht. VTEC-E war erstmals 1991 im Civic VEi verfügbar. Mit einem Normverbrauch von 4,5 l auf 100 km war dieses Auto mit 66 kW (90 PS) seinerzeit einer der sparsamsten Benziner.

Motoren mit 3-Stufen VTEC (ab 1995) basieren auf dem VTEC-E Konzept. Sie verbinden die Sparsamkeit des VTEC-E Motors im Teillastbereich mit der Leistungsfähigkeit des SOHC-VTEC Motors im Volllastbereich. Sie beinhalten zusätzlich die gewohnte dritte Nocke des normalen VTEC-Prinzips. Realisiert wird das durch doppelt vorhandene Sperrstifte.

  • 1. Stufe: Alle Sperrstifte sind in ihrer Ruheposition und beide Kipphebel folgen ihrem eigenen Nockenprofil (eins öffnet schwach, das andere normal).
  • 2. Stufe: Der 1. Satz Sperrstifte wird aktiviert. Beide Ventile folgen nun dem Nockenprofil für normales Öffnen
  • 3. Stufe: Der 2. Satz Sperrstifte wird zusätzlich aktiviert. Beide Ventile folgen nun dem mittleren Nockenprofil

In neueren Fahrzeugen findet das iVTEC-System Verwendung, das die Eigenschaften des DOHC-VTEC und des VTEC-E mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung der Nockenwelle kombiniert, VTC (Variable Timing Control) genannt. Es bewirkt eine stufenlose Phasenverschiebung der Einlassnockenwelle in einem Bereich zwischen 0 und 50°.

Ti-VCT[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Twin independent Variable Cam Timing von Ford. Dieses System wurde von Ford im Herbst 2004 mit dem neuen Focus mit 1,6-Liter-Duratec-Motor vorgestellt. Hier werden beide Nockenwellen unabhängig voneinander über hydraulische Aktoren, ähnlich den VANOS-Aktoren, verstellt. Die Position wird in Abhängigkeit von der Motorlast stufenlos mit einer elektronischen Kennfeld-Steuerung verstellt. In früheren Motoren hat Ford ebenfalls verstellbare Nockenwellen verbaut.

Im Ford Puma mit 1,7-Liter-Zetec-Motor und im Ford Focus ST170 findet sich das VCT-System. Bei diesem System wird nur eine Nockenwelle verstellt, in diesem Fall auf der Einlassseite.

VVT-i[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Variable Valve Timing - intelligent ist eine Nockenwelle mit intelligenter variabler Ventilsteuerung, die von Toyota entwickelt wurde. Zur Verbesserung des Füllungsgrads der Zylinder reguliert die intelligente variable Ventilsteuerung VVT-i Öffnungs- und Schließwinkel der Einlassventile u. a. auf Basis von Motordrehzahl und Lastzustand. Das VVT-i System ersetzt das seit 1991 angebotene VVT.

Dual VVT-i[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Gegensatz zum einfachen VVT-i werden beim Dual VVT-i von Toyota auch Öffnungs- und Schließwinkel der Auslassventile last- und drehzahlabhängig gesteuert.

VVTL-i[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Variable Valve Timing and Lift - intelligent von Toyota. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung des VVT-i (siehe oben). Dieses System ähnelt dem VTEC System von Honda. Es verfügt über ein "normales" Motorsetup und über ein sportliches. Im Steuergerät ist eine festgelegte Drehzahl hinterlegt ab der der Motor auf das sportliche (scharfes) Setup eingestellt wird. Hierbei schaltet das System auf ein anderes Nockenprofil um, wodurch die Steuerzeiten grundlegend verändert werden. Die Ventile öffnen früher und schließen später. Weiters wird der Ventilhub vergrößert. Dadurch wird die Maximalleistung erst in einem deutlich höheren Drehzahlbereich erreicht, da der Füllgrad der Zylinder durch die Steuerzeitenveränderung höher ausfällt, als ohne dem System. Das "normale Setup" ist vorteilhaft, um in niedrigeren Drehzahlbereichen bessere Füllgrade zu erreichen, und somit mehr Drehmoment und Leistung in niedrigen Bereichen.

Das System verfügt wie auch das VVT-i über eine Phasenverstellung der Nockenwellen relativ zur Kurbelwelle.

Valvematic[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Valvematic ist ein vollvariabler Ventiltrieb von Toyota. Es ist die Weiterentwicklung von VVTL-i. Der Ventilhub der Einlassventile wird stufenlos verstellt, wodurch die Drehmoment,- und Drehzahlregelung über eine Drosselklappe entfällt. Das System verfügt zusätzlich über Steuerzeitenverstellung (wie bei Dual VVT-i), allerdings sind die Steuerzeiten nicht komplett variabel.

Neo VVL[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nissan Ecology Oriented Variable Valve Lifting & Timing von Nissan, ursprünglich als Reaktion auf ein in Japan beschlossenes Gesetz zum „Low Emission Vehicle“ zum Erreichen der dortigen Abgasnormen. Die Motoren sind nur in Japan erhältlich, bekanntester Vertreter ist der SR20VE, ein 2,0-l-DOHC-Motor aus dem japanischen Primera 2.0Te-V [13] von 1997 bis 2000 mit 140 kW (190 PS) Leistung und dem Nachfolger Primera 20V [14] von 2000 bis 2003 als Version mit 150 kW (204 PS). Zudem hat Nissan mit dem SR20VET (206 kW/280 PS) aus dem Nissan X-Trail GT [15] einen Turbomotor mit Nockenwellenverstellung im Programm. Bei diesem System wird auch der Ventilhub mit Hilfe verschiedener Nockenwellenprofile für Ein- und Auslassseite verändert.

MIVEC[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mitsubishi Innovative Valve timing Electronic Control system, von Mitsubishi. Es gibt verschiedene Varianten von Umschaltung bis voll variabel. Bei ersterem wird die Einlasszeit und die Höhe des Ventils beeinflusst sowie mit zwei unterschiedlichen Nockenwellenprofilen gearbeitet. Mivec wird auch bei Turbomotoren (seit Lancer Evolution IX) und als erster Hersteller bei Dieselmotoren[16] benutzt.

VarioCam und VarioCam Plus[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das bei den Porsche-Modellen 968, 911 (996), 911 (997), 911 (991), Cayenne, Cayman, Boxster und Panamera eingesetzte System zur Verstellung der Einlassnockenwellen wird als VarioCam bezeichnet. VarioCam Plus beinhaltet zusätzlich eine Ventilhubschaltung der Einlassventile.

Quellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Peter Kleinheins: Die großen Zeppeline: Die Geschichte des Luftschiffbaus. 3. Auflage. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-21170-5, S. 94 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  2. Grohe, Heinz: Otto- und Dieselmotoren, Vogel-Verlag Würzburg, ISBN 3-8023-1559-6
  3. Grohe, Heinz: Otto- und Dieselmotoren, Vogel-Verlag Würzburg, ISBN 3-8023-1559-6, Seite 132, "Festlegung der Steuerzeiten"
  4. 'Tagung Variable Ventilsteuerung', hdt-essen.de
  5. US-Patentschrift
  6. http://www.bmw.de/de/footer/publications-links/technology-guide/vanos-doppel-vanos.html
  7. Harald Unger: VALVETRONIC. Der Beitrag des Ventiltriebs zur Reduzierung der CO2-Emission des Ottomotors (= Die Bibliothek der Technik. Band 263). verlag moderne industrie / Süddeutscher Verlag onpact GmbH, Landsberg am Lech 2004, ISBN 978-3-478-93308-7, S. 16–19.
  8. Kai Borgeest: Elektronik in der Fahrzeugtechnik. Hardware, Software, Systeme und Projektmanagement (= ATZ/MTZ-Fachbuch). Vieweg+Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-0548-5.
  9. http://www.audi.de/de/brand/de/neuwagen/layer/technologien/audi-valvelift-system.html
  10. Audi Technology Portal - cylinder on demand. In: Audi Technology Portal. Abgerufen am 7. Mai 2016.
  11. Audi SQ7 TDI - Animation EAV und 48-Volt-Teilbordnetz - Audi MediaTV. In: www.audi-mediacenter.com. Abgerufen am 7. Mai 2016 (de-de).
  12. http://www.autobild.de/artikel/erste-fahrt-mit-fiat-multiair_923741.html
  13. http://history.nissan.co.jp/PRIMERA/9809PRIMERA/index.html
  14. http://www.nissan.co.jp/PRIMERA/P12/0108/20V/DATA/MAIN/index.html
  15. http://history.nissan.co.jp/X-TRAIL/T30/0010/CATALOG/MECHA/index.html
  16. http://www.auto.de/magazin/showArticle/article/34482/Genf-2010-Mitsubishi-ASX-erster-Diesel-mit-variabler-Ventilsteuerung

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]