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September 11, 2017

Variable ventilsteuerung

Historie

Der Ursprung der vielf├Ąltigen Ans├Ątze einer variablen Ventilbet├Ątigung l├Ąsst sich bis in das Zeitalter der Dampfmaschinen zur├╝ckverfolgen. Im Automobilbau meldete Fiat als erster Hersteller in den sp├Ąten 1960er Jahren ein Patent f├╝r eine variable Ventilsteuerung in konventionellen Verbrennungsmotoren an. Serienreife erlangte eine variable Nockenwellenverstellung erstmals 1980 im Alfa Romeo Spider 2000. Seit jenen Anf├Ąngen haben zahlreiche Automobilhersteller das Konzept einer variablen Ventilsteuerung aufgegriffen und in ihre Motorkonzeption eingebunden. Die mannigfaltigen Systemvarianten in der heutigen Motorentechnologie haben zu einem Wirrwarr von markenspezifischen Technik-K├╝rzel gef├╝hrt.

Funktionsprinzipien

In konventionellen Verbrennungsmotoren ohne variable Ventilsteuerung ist eine Verstellung der Nockenwellen nicht m├Âglich, d.h. Ventilhub, Ventil├Âffnungsdauer und Steuerzeiten sind somit konstruktiv festgelegt. Wenn Kurbelwelle und Nockenwelle mittels Spezialwerkzeug und/oder Einstellmarkierungen aufeinander ausgerichtet sind, liegt der Phasenbezug fest und eine Verstellung der Steuerzeiten im Motorbetrieb ist ausgeschlossen.

Mit variablen Ventilsteuerzeiten hingegen bieten sich neue M├Âglichkeiten bei der Optimierung von Motorleistung, Kraftstoffverbrauch und Schadstoffreduzierung. In Abh├Ąngigkeit von Drehzahl, Motorlast und Betriebstemperatur lassen sich eine l├Ąngere Ventil├╝berschneidung, ein gr├Â├čerer Ventilhub sowie flexible Ventil├Âffnungsdauern und Steuerzeiten realisieren, wodurch das Motorverhalten unter verschiedenen Lastzust├Ąnden und Betriebsbedingungen entscheidend verbessert wird.

So unterst├╝tzt z.B. eine Fr├╝hverstellung der Ventilsteuerzeiten die Gasannahme und die Drehmomententfaltung im unteren Drehzahlbereich. Im Lastbetrieb kann durch eine Verstellung in Richtung „sp├Ąt“ eine Minderung der Schadstoffemissionen erzielt werden.

Bei Drehzahlen im oberen Bereich f├╝hrt eine verl├Ąngerte Ventil├Âffnungsdauer zu einer Leistungssteigerung.

Systemausf├╝hrungen

Phasenverstellung

F├╝r die variable Verstellung der Ventilsteuerzeiten werden von den Automobilherstellern heutzutage unterschiedliche technische L├Âsungen eingesetzt, jedoch basieren die meisten Systeme auf dem Funktionsprinzip der Phasenverstellung mittels eines Nockenwellenverstellers, der am Nockenwellenantriebsrad angeordnet ist. Die ersten Versionen beruhten auf einer einfachen Steuerung, bei der nur die Einlassnockenwelle verstellbar war. Diese sogenannten zweistufigen Punktversteller der Anfangsjahre erlaubten lediglich die Verstellung der Einlassnockenwelle in zwei vorgegebene Schaltstellungen, d.h. die Ansteuerung der Nockenwellenverstellung wurde bei einer festgelegten Motordrehzahl ein- bzw. abgeschaltet (z.B. Schwarz/wei├č-Einlass-VANOS von BMW). Diese fr├╝hen Ausf├╝hrungen basierten ├╝berwiegend auf einer mechanischen Steuerung mit einer federbelasteten Schr├Ągverzahnung in der Verstellvorrichtung.

Bei modernen Phasenverstellungssystemen kommt je nach herstellerspezifischer Motorauslegung ein Einzelversteller (Einlasswelle) oder ein Doppelversteller (Einlass- und Auslasswelle) zum Einsatz, deren Aktivierung ├╝ber eine elektronische Steuerung und eine hydraulische Bet├Ątigung erfolgt. Diese aufw├Ąndigeren Ausf├╝hrungen erlauben eine stufenlose Steuerzeitenverstellung. Dabei wird die Winkellage der Nockenwellen durch Beaufschlagung eines Fl├╝gelzellenverstellers mit Motor├Âldruck variiert. ├ťber ein von der Motorelektronik angesteuertes Magnetventil (Nockenwellenverstellaktuator) wird das Druck├Âl ├╝ber Kan├Ąle in den ├ľlraum des Fl├╝gelzellenverstellers geleitet und dr├╝ckt dort gegen die Fl├╝gel des Innenrotors.

Der Vorteil einer stufenlosen Verstellung gegen├╝ber der einfachen Zweipunktverstellung liegt in einer variablen Ventilsteuerzeitenanpassung ├╝ber den gesamten Drehzahlbereich in Verbindung mit einer ingesamt sanfteren Verstellcharakteristik.

1Steuergeh├Ąuse
2Nockenwelle
3├ľlkanal Sp├Ątverstellung
4├ľlr├╝cklauf
5Motor├Âldruck
6├ľlr├╝cklauf
7Nockenwellenverstellaktuator
8├ľlkanal Fr├╝hverstellung
9├ľlkammer Sp├Ątverstellung
10├ľlkammer Fr├╝hverstellung
11Innenrotor
12Au├čenrotor
13Ringkan├Ąle

Nockenwellenumschaltung

Einige Motorenhersteller, wie z.B. Honda mit dem VTEC-System, setzen auf eine Steuerzeitenverstellung mittels unterschiedlicher Nockenprofile auf der Einlass- und Auslassnockenwelle f├╝r die einzelnen Ventile (allerdings gab es diese Nockenprofilumschaltung anf├Ąnglich bei SOHC-Motoren nur einlassseitig). Dabei verbindet ein mit ├ľldruck beaufschlagter Sperrstift ab einer vorgegebenen Motordrehzal den Kipphebel f├╝r gro├čen Ventilhub und l├Ąngere ├ľffnungsdauer mit den nebenliegenden Kipphebel f├╝r geringen Ventilhub und k├╝rzere ├ľffnungsdauer zu einer festen Einheit. Obwohl es sich bei dieser Art der Nockenwellenverstellung technisch betrachtet um einen zweistufigen Punktversteller ohne variable Verstellm├Âglichkeit handelt, erfreut sich dieses System aufgrund seines betr├Ąchtlichen Potenzials zur Steigerung der Motorleistung insbesondere in der Tuner-Szene gro├čer Beliebtheit.

Kombinierte phasenverstellung und nockenwellenumschaltung

Die in neuen Fahrzeugen verbauten voll variablen Systeme werden zunehmend komplexer und kostenintensiver. Durch die Verbindung der Phasenverstellung mit einer Ventilhubumschaltung lassen sich Wirkungsgrad, Leistungsabgabe und Emissionswerte der modernen Motoren weiter optimieren.

Das Variocam Plus-System von Porsche setzt dieses Konzept erfolgreich um. Neben Verstellvorrichtungen an den Antriebsr├Ądern der Einlassnockenwellen verf├╝gen die Nockenwellen ├╝ber zwei Nockenprofile und hydraulisch schaltbare Tassenst├Â├čel, die zweigeteilt in Form eines inneren St├Â├čels und eines ├Ąu├čeren St├Â├čelkranzes ausgef├╝hrt sind. Der innere St├Â├čel l├Ąuft auf dem mittleren Nockenprofil ab und liefert einen kleineren Ventilhub und eine k├╝rzere ├ľffnungsdauer. F├╝r einen gr├Â├čeren Ventilhub werden der innere St├Â├čel und der ├Ąu├čere St├Â├čelkranz miteinander verbunden. Dies erfolgt durch im zweiteiligen Tassenst├Â├čel verschiebbar angeordnete Verriegelungsbolzen, die von einem elektronisch angesteuerten Regelventil mit Hydraulikdruck beaufschlagt und axial verschoben werden. Befindet sich der Schalt-Tassenst├Â├čel in verriegeltem Zustand ├╝bernehmen die ├Ąu├čeren Nockenprofile die Ventilsteuerung und schalten auf einen gr├Â├čeren Ventilhub und eine l├Ąngere ├ľffnungsdauer um. Die Phasenverstellung der Nockenwellen und die Ventilhubumschaltung werden von der Motorelektronik getrennt gesteuert. Die wesentlichen Betriebsparameter f├╝r die Ansteuerung sind Motordrehzahl, Getriebegangwahl, Fahrpedalstellung, Motor├Âltemperatur und K├╝hlmitteltemperatur. 

1Drehrichtung
2Nockenwellenversteller
3Fr├╝hverstellung
4Sp├Ątverstellung
5Einlassnockenwelle
6Innerer St├Â├čel
7Tassenst├Â├čel (├Ąu├čerer St├Â├čelkranz)

Zukunftsvisionen

Bereits heute findet in den Twin Air-Motoren von Fiat eine voll variable Ventilsteuerung Anwendung, bei der ein nockengesteuertes Hydrauliksystem die Einlassventile ├╝ber elektro-hydraulische Steuerkolben ├Âffnet und schlie├čt. Die Bet├Ątigung der Auslassventile erfolgt noch auf konventionelle Weise rein mechanisch ├╝ber Nockenwelle und Tassenst├Â├čel.

In den vergangenen Jahren hat die Automobilindustrie die Entwicklung, Erprobung und Serientauglichkeit von Verbrennungsmotoren, die ohne Nockenwellen auskommen, vorangetrieben. Es ist also durchaus denkbar, dass k├╝nftige Motoren anstelle der konventionellen Ventiltriebe und den bekannten Ventilsteuerungsl├Âsungen mit v├Âllig neuen Konzepten arbeiten.

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