Nockenwellenverstellung

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.

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

Hintergrund

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, während 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 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.^[1]

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 erreicht wird, 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. Beim sog. Atkinson-Zyklus macht man sich diesen Effekt zunutze.
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 durch Abmagerung des Frischgases ein geringeres Drehmoment bis hin zu Verbrennungsaussetzern im Leerlauf verursacht^[2].

Bei der Nockenwellenverstellung werden nun die Einlass- und Auslass-Steuerzeiten in Abhängigkeit von Drehzahl und Drosselklappenstellung verändert, um in allen Drehzahlbereichen eine möglichst effiziente Zylinderfüllung zu erreichen.

Technik

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.^[3] 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.^[4]

Umsetzungen

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

Vanos ist die Variable Nockenwellensteuerung von BMW. Es gibt Einzel-Vanos (nur Einlassnockenwelle) und Doppel-Vanos (Ein- und Auslassnockenwelle).

Die Vanos-Einheit stellt das Bindeglied zwischen Nockenwelle und Kettentrieb dar. Sie ermöglicht eine relative Verstellung von Kurbelwelle und Nockenwelle zueinander und damit das Verändern der Steuerzeiten. Bei der aus dem Motorölkreislauf gespeisten Einheit wird durch Öldruck die Position des Verstellrotors gegenüber dem Gehäuse festgelegt. Das Öl gelangt dabei über mehrere Bohrungen in die entsprechenden Kammern. Da der Verstellrotor, der nach dem Prinzip eines Schwenkmotors aufgebaut ist^[5], fest mit der Nockenwelle, das Gehäuse fest mit dem Kettenrad verbunden ist, kann eine Relativbewegung zwischen Kettenrad und Nockenwelle vollzogen werden. Dazu liegen auf beiden Seiten des Verstellrotors verschieden hohe Öldrücke an, wodurch dessen Lage exakt geregelt werden kann. 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.

Nicht nur im M5 V10 der 5er-Reihe E60/61 wird der erforderliche Öldruck von ca. 100 bar durch eine separate Radialkolben-Hochdruckpumpe erzeugt, die von der Auslassnockenwelle angetrieben wird. In den anderen Modellen wird der von der Ölpumpe des Motors gelieferte Druck für die Verstellung verwendet. Bereits der S50 und S54 hatten eine Hochdruck-Zusatzölpumpe für die effiziente Versorgung, wie auch alle folgenden M-motoren, da die M-Vanos Einheiten alle voll variabel verstellbar sind und daher einen stabilen Öldruck zu jeder Phase benötigen.

Einzel-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 M52 gab es ab September 1994 mit Einzel-Vanos, später, ab 1999 als M52TU mit Doppel-Vanos. Der M3 3.2 ab 1995 war der einzige 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.

Ein anders aufgebauter Nachfolger des Vanos mit integrierter Ventilhubverstellung heißt Valvetronic. Die Ventile werden hier über elektromotorisch verstellbare Zwischenhebel betätigt. Die Komplexität des Systems erfordert ein eigenes elektronisches Steuergerät.

VFD

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⁻¹ 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 60 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).

ALFA 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 elektrohydraulische 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.

Sie ersetzt die übliche Einlass-Nockenwelle durch ein komplexes hydraulisches System und erlaubt erstmals eine nahezu beliebige Variation der Ventilsteuerung, die somit nicht mehr - wie bisher üblich - abhängig von der Position und dem Profil der Nockenwelle ist. Der für die Bewegung der Ventile notwendige hydraulische Druck wird von einer Pumpe erzeugt, die von der Auslassnockenwelle angetrieben wird.

Neben der effizienteren Verbrennung ist die Reduzierung von Pump- und Strömungsverlusten ein weiterer Vorteil dieser Technik, 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 Kraftstoffverbrauch um bis zu 25% verringert werden^[6].

Noch beschränkt sich dieses System auf die Steuerung der Einlassventile, dadurch fällt die Einlassnockenwelle weg. 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

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 120PS/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/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 vorhandenene 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

Twin independent Variable Cam Timing von Ford. Dieses System wurde von Ford 2004 mit dem neuen Focus mit 1.6 Liter 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 Puma mit 1.7 Liter Motor und im Ford Focus ST170 findet sich das VCT-System, allerdings nur für die Einlassnockenwelle.

VVT-i

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 bzw. Valvematic

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

Der Dual VVT-i wird von Toyota auch unter dem Namen Valvematic vertrieben.

VVTL-i

Variable Valve Timing and Lift - intelligent von Toyota. Es handelt sich um eine Weiterentwicklung des VVT-i (siehe oben). Hier wird zusätzlich über einen Sensor die Stellung der Einlassnockenwelle kontinuierlich erfasst. Des Weiteren wird ab einer festgelegten Motordrehzahl der Ventilhub sowohl der Einlass- als auch der Auslassventile vergrößert. Eine Weiterentwicklung des VVTL-i stellt die Valvematic dar.

Neo VVL

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 ^[7] von 1997–2000 mit 140 kW (190 PS) Leistung und dem Nachfolger Primera 20V ^[8] von 2000–2003 als Version mit 150 kW (204 PS). Zudem hat Nissan mit dem SR20VET (206 kW/280 PS) aus dem Nissan X-Trail GT ^[9] einen Turbomotor mit Nockenwellenverstellung im Programm. Bei diesem System wird auch der Ventilhub mit Hilfe verschiedener Nockenwellenprofile für Ein- und Auslassseite verändert.

MIVEC

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^[10] benutzt .

VarioCam und VarioCam Plus

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

Quellen

1. ↑ Grohe, Heinz: Otto- und Dieselmotoren, Vogel-Verlag Würzburg, ISBN 3-8023-1559-6
2. ↑ Grohe, Heinz: Otto- und Dieselmotoren, Vogel-Verlag Würzburg, ISBN 3-8023-1559-6, Seite 132, "Festlegung der Steuerzeiten"
3. ↑ 'Tagung Variable Ventilsteuerung', hdt-essen.de
4. ↑ US-Patentschrift
5. ↑ K. Borgeest, Elektronik in der Fahrzeugtechnik,Vieweg-Teubner, 2010
6. ↑ http://www.autobild.de/artikel/erste-fahrt-mit-fiat-multiair_923741.html
7. ↑ http://history.nissan.co.jp/PRIMERA/9809PRIMERA/index.html
8. ↑ http://www.nissan.co.jp/PRIMERA/P12/0108/20V/DATA/MAIN/index.html
9. ↑ http://history.nissan.co.jp/X-TRAIL/T30/0010/CATALOG/MECHA/index.html
10. ↑ http://www.auto.de/magazin/showArticle/article/34482/Genf-2010-Mitsubishi-ASX-erster-Diesel-mit-variabler-Ventilsteuerung

Weblinks

• Toyota Österreich (gute Erklärungen für Nockenwellen- und Ventilhubverstellungen, teilweise animiert)
• JPCORP: Toyota Valve Matic
• Motorentechnik allgemein und BMW-spezifisch (Sehr gute Darstellung aktueller BMW-spezifischer Motorentechnik)
• KfzTech: Sehr gute Übersicht über verschiedene Verfahren mit Bildern und Graphiken