Variable Ventilsteuerung: Wie funktioniert diese Technologie?
Die variable Ventilsteuerung oder variable Steuerzeitenverteilung ist eine Technologie, die es ermöglicht, die Parameter eines Viertakt-Verbrennungsmotors zu optimieren und dadurch seine Leistung zu steigern und den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Mit der variablen Ventilsteuerung ist es möglich, Hub, Ventilöffnungsmoment oder Ventilöffnungszeit oder eine Kombination der genannten Parameter unabhängig von der Kurbelwellenposition zu steuern. Die Steuerung des Ventils hängt jedoch von der Drehzahl, der Motorlast und anderen Faktoren ab.
Inhalt
Wie funktioniert die variable Ventilsteuerung?
Bei einer Standardverteilung ist die Steuerzeit durch ihre Geometrie vorgegeben und die Bewegung der Ventile ist eng mit der Position der Kurbelwelle verknüpft. Das Öffnen und Schließen der Ventile ist somit unveränderlich und von der Bewegung der Kolben abhängig.
Der Zeitpunkt des Öffnens und Schließens der Ventile hat jedoch einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Zylinderfüllung in Abhängigkeit von der Motordrehzahl. Somit ändert sich bei der variablen Steuerung die Nockenwelleneinstellung je nach Motordrehzahl und Last.
Motorkolben: Wie funktionieren sie?
Im Leerlauf und bei hohen Drehzahlen ist die Einlassnockenwelle so eingestellt, dass sie das Einlassventil etwas später als normal schließt, was dazu beiträgt, dass der Motor im Leerlauf ruhig läuft und die Leistung bei hohen Motordrehzahlen optimal genutzt werden kann.
Bei niedrigen und mittleren Drehzahlen ist die Nockenwelle so eingestellt, dass sie das Einlassventil etwas früher als üblich schließt, was zu einer stärkeren Füllung der Zylinder und einem verbesserten Drehmomentfluss führt.
Effekt der Einstellung der Ventilsteuerzeiten
1. Verzögertes Schließen des Einlassventils
Wenn das Einlassventil etwas länger als normal geöffnet bleibt, drückt der Kolben während des Kompressionshubs Luft aus dem Zylinder und zurück in den Ansaugkrümmer. Die herausgedrückte Luft füllt das Ansaugrohr mit höherem Druck und saugt diese Luft bei den folgenden Hüben wieder in den Brennraum.
Durch das verzögerte Schließen der Ventile werden die Saugpumpenverluste unter Last um 40 % reduziert und die Stickoxidemissionen um 24 % reduziert. Die Kohlenwasserstoffemissionen bleiben unverändert.
2. Vorzeitiges Schließen des Saugventils
Eine weitere Möglichkeit, die mit niedriger Motordrehzahl verbundenen Pumpverluste zu reduzieren, besteht darin, einen hohen Unterdruck zu erzeugen, indem das Einlassventil früher als üblich geschlossen wird. Dabei wird das Einlassventil in der Mitte des Ansaughubs geschlossen.
Bei niedrigen Drehzahlen und Lasten ist der Kraftstoff- und Luftbedarf des Motors gering und die zum Füllen des Zylinders erforderliche Arbeit relativ hoch, sodass ein vorzeitiges Schließen des Einlassventils die Pumpverluste erheblich reduziert. Durch vorzeitiges Schließen der Einlassventile werden Pumpverluste um 40 % und der Kraftstoffverbrauch um 7 % reduziert. Auch der Ausstoß von Lachgas wird um 24 % reduziert.
3. Vorzeitiges Öffnen des Einlassventils
Eine weitere Möglichkeit, die Emissionen zu reduzieren, besteht darin, das Einlassventil vorzeitig zu öffnen. Durch das frühere Öffnen des Einlassventils als üblich werden einige verbrannte Abgase durch das Einlassventil aus dem Zylinder gedrückt.
Motorventil: Welche Funktion hat es?
Im Ansaugkrümmer werden diese Abgase durch die Umgebungsluft gekühlt und beim nächsten Hub wieder in den Zylinderraum gesaugt, was zur Regulierung der Zylindertemperatur und der Stickoxidemissionen beiträgt.
4. Frühes/spätes Schließen der Auslassventile
Mit Hilfe des Auslassventils können wir auch die Emissionen reduzieren. Wenn das Auslassventil öffnet, drückt der Kolben die Abgase aus dem Zylinder nach außen in den Abgaskrümmer. Wir können steuern, wie viel Abgas im Zylinder verbleibt, indem wir die Steuerzeiten der Auslassventile manipulieren.
Wenn das Auslassventil länger als üblich geöffnet ist, wird der Zylinder stärker entleert und kann somit während des Ansaugtakts mit mehr Kraftstoff und Luft gefüllt werden, wodurch der Motor mehr Leistung erbringen kann. Wird das Auslassventil etwas früher geschlossen, bleiben mehr Abgase im Zylinder, was die Abgasbildung verringert.
Vorteile der variablen Ventilsteuerung
Die Technologie der variablen Ventilsteuerung wird verwendet, um den Zylinderkopfaustausch in einem Hubkolben-Verbrennungsmotor zu verbessern, was zu höherer Leistung, geringerem Kraftstoffverbrauch, geringeren Emissionen und einem hohen Drehmoment über einen weiten Bereich von Motordrehzahlen führt.
Die variable Ventilsteuerung wird hauptsächlich bei Ottomotoren eingesetzt. Dies liegt daran, dass diese Motoren in einem größeren Drehzahlbereich arbeiten, weshalb der Einsatz der Technologie mit variabler Ventilsteuerung effizienter und logischer ist. Der grundlegende Nachteil von Benzinmotoren ist die Drosselklappenregulierung, die bei geringer Last zu einer Verringerung ihres Wirkungsgrades führt.
Drosselklappe: Funktionsweise und mögliche Fehlfunktionen
Dank der variablen Steuerzeiten der Ventile ist es möglich, die Drosselklappe zu verkleinern oder ganz wegzulassen, was die pneumatischen Widerstandspumpverluste im Saugrohr reduziert und so die Füllungseffizienz des Motors, insbesondere bei niedrigen Lasten, erhöht.
Neben Benzinmotoren wird die Technologie der variablen Steuerzeiten zunehmend auch bei Dieselmotoren eingesetzt, vor allem aufgrund der immer strengeren Abgasnormen. Der erste Dieselmotor für Pkw mit variabler Ventilsteuerung wurde 2010 von Mitsubishi entwickelt.
Der Einsatz einer variablen Ventilsteuerung kann bringen
- Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs um 10–30 %
- Steigerung der effektiven Leistung und des Drehmoments um 10–15 %
- Reduzierung der Abgasemissionen um 20–25 %
Design mit variabler Ventilsteuerung
Verschiedene Hersteller nutzen unterschiedliche Technologien zur Umsetzung der variablen Ventilsteuerung. Konstruktiv kann eine variable Ventilsteuerung beispielsweise auf folgende Weise erreicht werden:
- mechanisch gesteuerte Nockenwelle
- hydraulische Nockenwellenversteller
- hydraulische Ventilsteuerung
- elektromagnetisch gesteuerte Ventile
Bezeichnung der Motoren mit variabler Ventilsteuerung:
Neben unterschiedlichen Technologien verwenden Automobilhersteller auch unterschiedliche Bezeichnungen für ihre Motoren, die mit variabler Steuerzeiten ausgestattet sind. Hier sind einige Beispiele:
AVCS (Subaru)
AVLS (Subaru)
CVTCS (Nissan, Infiniti)
CVVT (Alfa Romeo, Citroën, Hyundai, Kia, Peugeot, Renault, Volvo)
DCVCP (General Motors)
MIVEC (Mitsubishi)
MultiAir (Fiat)
N-VCT (Nissan)
S-VT (Mazda)
Ti-VCT (Ford)
VANOS (BMW)
VarioCam (Porsche)
VCT (Ford)
VTEC, i-VTEC (Honda)
VVL (Nissan)
Ventilhub (Audi)
VVEL (Nissan)
VVT (Chrysler, General Motors, Suzuki, Volkswagen Group)
VVT-i, VVTL-i (Toyota, Lexus)
VTVT (Hyundai, Kia)