Nockenwellenverstellung

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Nockenwellenverstellung (auch variable Nockenwellenverstellung) bezeichnet Verfahren zur Veränderung der Steuerzeiten der Ventilsteuerung von Viertaktmotoren.

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

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.

Inhaltsverzeichnis 1 Hintergrund 2 Technik 3 Umsetzungen 3.1 VANOS 3.2 VFD 3.3 VTEC 3.4 Ti-VCT 3.5 VVTL-i 3.6 Neo VVL 3.7 Nockenwellenlageregelung 4 Quellen

[Bearbeiten] Hintergrund

Bei Nockenwellenantrieben ohne Verstellung wird über eine geometrisch feste Verbindung (wie Zahnriemen, Kette oder Zahnräder) die Drehbewegung der Kurbelwelle im Verhältnis 1:2 auf die Nockenwelle übertragen. Die Ventilöffnungszeiten des Verbrennungsmotors, angegeben als Drehwinkel zwischen 0 und 360 Grad, müssen dabei in einem frühen konstruktiven Stadium festgelegt werden und beeinflussen die Motoreigenschaften grundlegend. So kann ein Motor mit konstruktiv frühem Einlassschluss eine Drehmomentsteigerung in niedrigen Drehzahlen erreichen, jedoch bei geringerer Maximal-Leistung, die bei hohen Drehzahlen erreicht wird. Durch späteren Einlassschluss wiederum lässt sich eine höhere Maximalleistung erreichen, jedoch auf Kosten des Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen.

Der Grund für dieses Verhalten sind die thermodynamischen Vorgänge im Motor während des Ansaugtaktes bei unterschiedlichen Drehzahlen:

1. bei niedrigen Drehzahlen bewirkt ein früher Einlassschluss, dass die angesaugte Luft nach dem Unteren Totpunkt (UT) des Kolbens nicht wieder aus dem Zylinder gedrückt wird. Somit befindet sich für diese Drehzahl die meiste Luft im Zylinder, welche für eine Verbrennung von Kraftstoff benötigt wird. Daraus folgt eine Steigerung des Drehmomentes.
2. bei hohen Drehzahlen wird auf Grund der hohen Einströmgeschwindigkeit der angesaugten Luft ein Einströmen auch nach dem UT erreicht. Somit befindet sich mehr für die Verbrennung notwendige Luft im Zylinder. Daraus folgt eine Steigerung der Leistung.

Bei der Nockenverstellung werden nun die Steuerzeiten abhängig von der Drehzahl verändert, um in allen Drehzahlbereichen eine möglichst effiziente Zylinderfüllung zu erreichen.

[Bearbeiten] Technik

Heute am weitesten verbreitet ist 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° - 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. Wird dagegen ein weiterer SMV an der Auslassnockenwelle eingesetzt, kann der Konstrukteur mit Überschneidung arbeiten, d.h. Einlass- und Auslassventil sind für eine kurze Zeit gleichzeitig geöffnet. Hierdurch kann ein gezieltes Wiederansaugen von Abgasen erzielt werden, was die aufwändige und kostenintensive Abgasrückführung ersetzt, die sonst zur Erzielung optimaler Schadstoffwerte notwendig ist.

Die Wirkung der Steuerzeitenverstellung kann weiter gesteigert werden durch eine Veränderung des Ventilhubes. 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. Bei BMW entfällt dabei auch die Drosselklappe, die Technik heisst dort 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 - in der Formel 1 bis zu 18.000 U/min - 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 ^[1].

[Bearbeiten] Umsetzungen

Für die Nockenverstellung werden von den Automobilherstellern unterschiedliche technische Lösungen unter jeweils eigenen Technik-Kürzeln benutzt:

[Bearbeiten] VANOS

Variable Nockenwellensteuerung von BMW, in der Ausführung als Einzelvanos (nur Einlassnockenwelle) und Doppelvanos (Ein- und Auslassnockenwelle). Die Verstellung erfolgt durch eine Hydraulik, die einen schrägverzahnten Kolben in der Hohlachse eines Nockenwellenrades verschiebt, um damit die Welle zu drehen. Einzelvanos wurde erstmals ab 1992 beim M50-Motor im 5er (E34) und 3er (E36) ab 2 Liter Hubraum eingesetzt, ab Modelljahr 1998 wurde Doppelvanos verbaut - im E36 in folgenden Motoren:

• 320i: M50 TUB20 / M20 B20TU / M52 B20
• 323i: M52 B25
• 325i: M50 TUB25 / M50 B25TU
• 328i: M52 B28

[Bearbeiten] VFD

Variatore di Fase Dinamico von der FIAT Gruppe, deutsch auch „Phasensteller“: Hydraulische Verstellung der Einlassnockenwelle und Rückstellung in die Ausgangsstellung mittels Feder. Damit liegen bereits bei 2000 min^-1 90% des Maximaldrehmoments an.

[Bearbeiten] VTEC

Variable Valve Timing and Lift Electronic Control VTEC von Honda.

[Bearbeiten] Ti-VCT

Twin independent Variable Cam Timing von Ford. Hier werden über Stell-Aktuatoren die Nockenwellen hydraulisch vollvariabel variiert. Die Stellposition erfolgt mittels elektronischer Kennfeld-Steuerung stufenlos in Abhängigkeit der geforderten Motorlast.

[Bearbeiten] VVTL-i

Variable Valve Timing and Lift - intelligent von Toyota. Hier wird über einen Sensor die Stellung der Einlassnockenwelle kontinuierlich erfasst. Die Motorelektronik errechnet mit weiteren Sensordaten die optimale Ventilsteuerzeit.

[Bearbeiten] 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(T) aus dem Primera und dem S15 Silvia.

[Bearbeiten] Nockenwellenlageregelung

Der Hersteller Porsche verzichtet auf eine griffige Abkürzung und benutzt stattdessen die grammatikalisch korrekte Komposition 'Nockenwellenlageregelung'.

[Bearbeiten] Quellen