Was ist variable Ventilsteuerung und warum braucht Ihr Motor sie?

Die Motorleistung — einschließlich Leistungsabgabe, Drehmoment, Kraftstoffeffizienz und Emissionen — hängt von Dutzenden präzise abgestimmter Faktoren ab. Einer der wichtigsten, aber oft übersehenen Faktoren ist die Ventilsteuerung: der genaue Zeitpunkt, zu dem Einlass- und Auslassventile während jedes Motorzyklusʼ öffnen und schließen. Systeme zur variablen Ventilsteuerung (VVT) wurden entwickelt, um diese Steuerung unter allen Fahrbedingungen zu optimieren, und sie haben die Leistung moderner Motoren grundlegend verändert.

Wie Ventile in einem herkömmlichen Motor gesteuert werden

In einem herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotor werden Einlass- und Auslassventile durch Nockenwellennocken betätigt. Die Form dieser Nocken bestimmt drei wesentliche Merkmale:

• Steuerzeit — wann das Ventil relativ zur Kolbenposition öffnet und schließt
• Öffnungsdauer — wie lange das Ventil geöffnet bleibt (die Breite der Phase)
• Hub — wie weit sich das Ventil von seinem Sitz hebt

Bei den meisten herkömmlichen Motoren sind diese Phasen fest — das Nockenwellenprofil ändert sich nie, unabhängig davon, ob Sie im Stau im Leerlauf sind oder auf der Autobahn beschleunigen. Diese Starrheit ist eine grundlegende Einschränkung.

Warum eine feste Ventilsteuerung ein Problem ist

Das Gasverhalten im Zylinder, in den Einlasskanälen und in den Auslasskanälen ändert sich je nach Motordrehzahl und -last erheblich. Die Strömungsgeschwindigkeit wechselt ständig, und Druckwellen in den Einlass- und Auslasstrakten können die Zylinderfüllung je nach Steuerzeit entweder verbessern oder verschlechtern. Aus diesem Grund kann eine einzige feste Ventilsteuerungseinstellung nicht für alle Betriebsbedingungen optimal sein.

So unterscheidet sich die ideale Ventilsteuerung in zwei häufigen Szenarien:

• Im Leerlauf: Enge Ventilsteuerungsphasen sind am besten geeignet — spätes Öffnen und frühes Schließen, mit minimaler oder keiner Ventilüberschneidung (der kurze Zeitraum, in dem sowohl Einlass- als auch Auslassventile gleichzeitig geöffnet sind). Dies verhindert, dass Abgase in den Einlasskrümmer zurückgedrückt werden oder unverbranntes Gemisch in den Auslass entweicht.
• Bei maximaler Leistung: Weite Phasen sind erforderlich — die Ventile sollten früher öffnen und länger geöffnet bleiben, um die maximale Menge an Luft-Kraftstoff-Gemisch in die Zylinder zu lassen. Eine breitere Überschneidungsphase hilft auch, Abgase bei hoher Drehzahl effektiver auszuspülen.

Motorentwickler sind daher gezwungen, schwierige Kompromisse einzugehen. Ein einziges festes Nockenwellenprofil muss gleichzeitig liefern:

• Starkes Drehmoment im unteren und mittleren Drehzahlbereich
• Akzeptable Spitzenleistung
• Ruhiger, stabiler Leerlauf
• Guter Kraftstoffverbrauch und niedrige Emissionen

All diese Anforderungen mit einem einzigen statischen Nockenprofil zu erfüllen ist nahezu unmöglich — genau deshalb wurde die variable Ventilsteuerung erfunden.

Was variable Ventilsteuerung leistet

Variable Ventilsteuerungssysteme ermöglichen es dem Motor, sein Ventilverhalten in Echtzeit an wechselnde Fahrbedingungen anzupassen. Durch die Anpassung von Phasensteuerzeit, Dauer und Hub können Ingenieure die Leistungskurve eines Motors grundlegend verändern, ohne mechanische Kompromisse eingehen zu müssen. Die möglichen Vorteile umfassen:

• Erhöhtes Drehmoment über einen breiteren Drehzahlbereich
• Höhere Spitzenleistung
• Verbesserter Kraftstoffverbrauch
• Reduzierte Abgasemissionen
• Ruhigerer Leerlauf und besseres Gasansprechen

Arten von variablen Ventilsteuerungssystemen

Phasensteller (Cam Phasers)

Der gebräuchlichste VVT-Ansatz verwendet einen Phasensteller — eine hydraulisch betätigte Kupplung, die die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle verdreht. Mit steigender Motordrehzahl verstellt das System die Einlassnockenwelle vor, sodass die Einlassventile früher öffnen. Dies verbessert die Zylinderfüllung bei hoher Drehzahl. Die meisten Implementierungen wirken nur auf die Einlassnocke, obwohl Doppelnockensysteme (wie BMWs Double VANOS) sowohl die Einlass- als auch die Auslasssteuerzeit unabhängig voneinander verstellen.

Systeme mit variabler Phasenbreite

Fortschrittlichere Systeme gehen über die bloße Phasenverschiebung hinaus — sie können sie auch verbreitern oder verengen. Ein bekanntes Beispiel ist das VVTL-i-System von Toyota, das zwei Nockenprofile auf derselben Welle verwendet:

• Unterhalb von 6.000 U/min steuert der Standard-Nocken die Ventilbewegung
• Oberhalb von 6.000 U/min übernimmt ein sekundärer Nocken mit einem aggressiveren Profil, der die Steuerzeit verbreitert und den Ventilhub erhöht
• Wenn der Motor sich seiner Drehzahlbegrenzung von 8.500 U/min nähert, sorgt dieser Übergang für einen charakteristischen Leistungsschub — ein spürbarer „zweiter Wind” bei starker Beschleunigung

Systeme mit variablem Ventilhub

Den Zeitpunkt des Ventilöffnens zu verändern ist eine Sache — zu verändern, wie weit sie sich öffnen, ist eine andere. Systeme mit variablem Hub, wie BMWs Valvetronic oder Nissans VVEL, ermöglichen es, den Einlassventilhub kontinuierlich je nach Drosselklappenstellung anzupassen.

Dieser Ansatz bietet einen wesentlichen Vorteil: Er kann die Notwendigkeit einer herkömmlichen Drosselklappe überflüssig machen. Hier ist der Grund dafür:

• Eine herkömmliche Drosselklappe erzeugt bei geringer Last einen Teilunterdruck im Einlasstrakt und erhöht die Pumpverluste
• Dieses Vakuum verlangsamt den Gasstrom, beeinträchtigt die Zylinderfüllungsqualität und vermindert das Gasansprechen
• Durch die Steuerung der Motorlast über den Ventilhub statt über die Drosselklappe kann der Einlass weitgehend ungehindert bleiben

Die Ergebnisse sind erheblich. Drosselklappenlose Systeme mit variablem Hub liefern typischerweise:

• 8–15 % Verbesserung beim Kraftstoffverbrauch
• 5–15 % Zuwachs bei Spitzenleistung und Drehmoment
• Spürbar schärferes Gasansprechen, besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten

Elektromagnetische Ventilbetätigung

Das fortschrittlichste Konzept in der Ventilsteuerung ersetzt mechanische Nockenwellen vollständig durch elektromagnetisch betätigte Ventile. Jedes Ventil wird unabhängig durch elektronische Magnetspulen geöffnet und geschlossen, was dem Motorsteuerungssystem vollständige Freiheit über Steuerzeit, Hub und Dauer für jedes einzelne Ventil in jedem Zyklus gibt.

Die damit verbundenen Möglichkeiten sind bemerkenswert:

• Perfekt optimierte Ventilsteuerung für jede Drehzahl und jeden Lastzustand
• Individuelle Zylinderabschaltung bei geringer Last zum Kraftstoffsparen
• Dynamisches Umschalten zwischen Verbrennungszyklen — zum Beispiel die spontane Umwandlung eines Viertaktmotors in einen Sechstaktbetrieb
• Vollständige Eliminierung der Nockenwelle und damit verbundener mechanischer Verluste

Elektromagnetische Ventiltriebe befinden sich noch weitgehend in der Forschungs- und Entwicklungsphase, aber ihr Potenzial, die Effizienz des Verbrennungsmotors neu zu definieren, ist erheblich. Ob sie in naher Zukunft die Serienproduktion erreichen, bleibt abzuwarten.

Das Fazit

Die variable Ventilsteuerung ist eine der wirkungsvollsten Technologien in der modernen Motorenentwicklung. Durch die Anpassung des Ventilverhaltens an jede Fahrsituation — vom Stadtleerlauf bis zur Vollgasbeschleunigung — ermöglichen VVT-Systeme Ingenieuren, Motoren zu entwickeln, die gleichzeitig leistungsstärker, effizienter und sauberer sind als Designs mit fester Steuerzeit es je sein könnten.

Allerdings hat die Optimierung der Ventilsteuerung ihre Grenzen. Weitere Verbesserungen bei Leistung, Drehmoment und Effizienz aus einem gegebenen Hubraum werden zunehmend auf andere Technologien angewiesen sein — kombinierte Aufladesysteme, Motoren mit variablem Verdichtungsverhältnis und alternative Kraftstoffe. Aber das ist eine Geschichte für einen anderen Artikel.

Dies ist eine Übersetzung. Das Original können Sie hier lesen: https://www.drive.ru/technic/4efb330700f11713001e33f9.html