Wie die variable Ventilsteuerung die Atmung des Motors reguliert

Die variable Ventilsteuerung (VVT) ist die kontinuierliche Neuanpassung des Öffnungs- und Schließzeitpunkts der Einlass- und Auslassventile je nach Motordrehzahl und Last. Da eine einzelne feste Steuerung nicht den gesamten Drehzahlbereich effizient abdecken kann, verbessert VVT Leistung, Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Emissionen gleichzeitig, indem sie das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich erhält und die Leistung im oberen Bereich bewahrt.

Warum reicht eine einzige Steuerung nicht aus?

Bei einem Kolbenmotor werden die Ventile von der Nockenwelle geöffnet. Die Nockenwelle wird über Riemen, Kette oder Zahnrad von der Kurbelwelle angetrieben, und jeder Nocken im Profil bestimmt genau, wann, wie lange und wie weit das Ventil geöffnet wird. Das Problem: Dieses Profil ist ein festes Metallteil, aber der Bedarf des Motors ist nicht konstant.

Bei hohen Drehzahlen verlangt der Motor sehr große Luftmengen. Schließt sich das Einlassventil, bevor der Zylinder ausreichend gefüllt ist, geht Leistung verloren. Umgekehrt ist ein Profil mit langen Öffnungszeiten, wie eine Rennnockenwelle, im unteren Drehzahlbereich ein Ärgernis: Öffnet sich das Einlassventil, während das Auslassventil noch offen ist (dieser Zustand wird als Überschneidung oder Overlap bezeichnet), kann der hohe Druck im Auslass die frische Ladung zurückdrücken und den Ansaugtrakt mit Abgasen verunreinigen. In den Worten des Ingenieurs David Vizard bedeutet dies, dass im Zeitfenster, in dem beide Ventile offen sind, Kraftstoff mit dem Abgas entweicht.

Um den Maßstab zu begreifen, genügt eine Zahl: Bei 3000 U/min dreht sich die Nockenwelle 25-mal pro Sekunde. Damit die Ventilereignisse nützlich sind, müssen sie in einem so schnellen Zyklus zum richtigen Zeitpunkt erfolgen. Genau das ist die Aufgabe von VVT: Das Motorsteuergerät verschiebt die Nockenwellensteuerung unabhängig von der Kurbelwelle und passt die Überschneidungsdauer unter allen Bedingungen neu an.

Wie wirkt sich die variable Ventilsteuerung auf Leistung, Drehmoment und Kraftstoffverbrauch aus?

Die Richtung der Verstellbewegung bestimmt, was Sie gewinnen möchten. Wird die Nockenwelle nach vorn verstellt, öffnen und schließen die Ventile früher; dies erhöht das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und die Kraftstoffwirtschaftlichkeit - auf Kosten der Leistung bei hohen Drehzahlen. Die Verstellung nach hinten verlängert die Leistungskurve im oberen Drehzahlbereich. Moderne Systeme balancieren diese beiden Extreme kontinuierlich je nach Drehzahl aus.

Das Ergebnis ist messbar: Mit VVT wird typischerweise eine Verbesserung der Leistung an den Enden der Drehmoment- und Leistungskurven von 5-10 % beobachtet, und bei vielen Motoren kann das Drehmoment im unteren Drehzahlbereich um 5-15 % steigen. Das bedeutet mehr als eine theoretische Ideal Kurve: ein Motor im Alltag, der früher hochschaltet und weniger kleine Gasstoßbewegungen erfordert.

Der Gewinn auf der Seite des Kraftstoffverbrauchs

Der eigentliche stille Sieg zeigt sich im Teillastbereich - also in dem Bereich, in dem das Auto die meiste Zeit verbringt. Ein spätes Schließen des Einlassventils (spätes IVC) reduziert die Pumpverluste um bis zu 40 %, senkt die NOx-Emissionen um 24 % und kostet nur 1 % Spitzenmoment. Ein frühes Schließen des Einlassventils reduziert die Pumpverluste ebenfalls um 40 % und verbessert die Kraftstoffeffizienz um 7 %; es kann jedoch die Temperatur im Verbrennungsraum deutlich senken und so die Kohlenwasserstoffemissionen erhöhen. Diese Strategie des frühen Schließens ist das Standardwerkzeug von Miller-Zyklus-Motoren mit Aufladung. Für einen Motor mit Saugrohreinspritzung prognostiziert die theoretisch optimale Steuerstrategie eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz von über 8 %; in Studien mit Fokus auf Teillastbedingungen wurden Verbesserungen von bis zu 5 % berichtet.

Technologiestufen: Von der Nockenwellenphasenverstellung zur variablen Ventilhubverstellung

"VVT" ist keine einzelne Technologie, sondern eine Leiter, die sich über verschiedene Steuerungsebenen erstreckt. Die unterste Sufe ist die Nockenwellenphasenverstellung: Die Nockenwelle wird im Verhältnis zur Kurbelwelle vor- oder zurückgedreht; die Ventile öffnen früher oder später, aber Hub und Öffnungsdauer bleiben unverändert. Frühe Systeme waren stufenweise - etwa mit unterschiedlichen Steuerzeiten unter- und oberhalb von 3500 U/min. Das erste kontinuierliche (stufenlos einstellbare) System war 1992 das VarioCam im Porsche 968; auch dieses wirkte nur auf die Einlassventile.

Die zweite Stufe ist der Übergang zwischen zwei Nockenprofilen. Der Aktor springt, meist bei einer bestimmten Drehzahl, vom Profil mit kleinem Hub auf das Profil mit großem Hub. Hub und Dauer ändern sich, aber die Abstufung ist diskret. Die erste Serienanwendung war Honda VTEC : Ein Stift wird hydraulisch bewegt, der Kipphebel mit großem Hub wird mit dem benachbarten Kleinhubhebel gekoppelt.

Die dritte Stufe sind oszillierende Nockensysteme: BMW Valvetronic, Nissan VVEL und Toyota Valvematic stellen Hub und Dauer stufenlos ein; jedoch ist der Hub proportional zur Dauer, beide können nicht unabhängig voneinander festgelegt werden, und diese Systeme wirken nur auf der Einlassseite. Exotischere Lösungen wurden ebenfalls erprobt: Exzenderscheibensysteme, die den Hub unabhängig von der Dauer verändern (MG Rovers VVC), sowie das Konzept eines Gleitkegelnockens mit variierenden Profilen entlang der Nockenachse - letzteres wird zwar mit Ferrari in Verbindung gebracht, ist aber nachweislich nie in Serie verwendet worden.

Der theoretische Gipfel sind Systeme ohne Nockenwelle: Die direkte Steuerung der Ventile über elektromagnetische oder pneumatische Aktoren gibt volle Freiheit bei Steuerzeit und Hub. Koenigsegg kündigte an, dies mit Freevalve im Gemera anzubieten; die dreizylindrige Option ohne Nockenwelle wurde jedoch wegen geringer Nachfrage vor der Produktion gestrichen, und das Fahrzeug ging mit einem V8 auf die Straße. Eine kosteneffiziente Serienfertigung ist nach wie vor die Hürde für diese Idee.

Steuerzeit oder Hub?

Hier liegt die Quelle der Begriffsverwirrung: VVT zielt typischerweise auf Emissions- und Steuerzeitenregelung ab, der variable Ventilhub (VVL) dagegen auf leistungssteigerung je nach Drehzahl und Last. Mercedes Camtronic dieses Duo gut zusammenfasst: variable Nockenphasenverschiebung verbessert das Drehmoment im unteren und mittleren Drehzahlbereich, variable Ventilhub plus Dauer dagegen die Leistung im hohen Drehzahlbereich; der Preis dafür ist eine etwas komplexere Struktur. Auf der Abgasseite gibt es auch VVL-Systeme, die zwei unterschiedliche Nockenprofile verwenden.

VTEC, VVT-i, VANOS: Verschiedene Namen, dasselbe Prinzip

Jeder Hersteller hat seine eigene Abkürzung, aber unter allen steckt dieselbe Physik. Der Unterschied liegt darin, wo und wie die Steuerung erfolgt. VTEC wechselt bei etwa 6000 U/min das Nockenprofil - ein schlagartiger, klarer Übergang. VVT-i verstellt das Einlasstiming kontinuierlich, ohne jede Sprungstelle. VANOS bewegt sowohl Einlass als auch Auslass und arbeitet über den gesamten Drehzahlbereich kontinuierlich; das einfache VANOS ist im Bereich von etwa 1200-4000 U/min wirksam, während VTEC typischerweise erst oberhalb von 4500-5000 U/min eingreift. Das moderne i-VTEC ist eigentlich eine Kombination aus VTECs Hubmechanik und VVT-i-ähnlichen Nockenphasenverstellern (VTC).

Unterschiedliche Rollen in Saug- und Turbomotoren

Beim Saugmotor gelangt die Luft durch ihre eigene Ansaugung in den Zylinder; die Effizienz hängt vollständig von der Präzision der Ventilereignisse ab. Deshalb sind moderne Saugmotoren fast ausnahmslos mit Direkteinspritzung und VVT ausgestattet. Um Leistung zu erreichen, benötigen sie einen größeren Hubraum, bieten dafür aber einen einfacheren, besser vorhersehbaren Charakter und einen besser vorhersehbaren Kraftstoffverbrauch.

Beim Turbomotor verschiebt sich die Aufgabe der VVT etwas: Ein Turbo kann ein Drehmoment im unteren Drehzahlbereich liefern, das einem großen Sauger ähnelt; obwohl eine spürbare Verzögerung vorhanden ist, kann sich das Auto schneller anfühlen. VVT ist eine der Entwicklungen, die diesen Übergang abmildern, indem sie genau in dem unteren Drehzahlbereich Drehmoment liefert, bevor der Turbo anspricht. Der Preis dafür sind mehr Wärme, mehr Belastung, mehr bewegliche Teile und Elektronik. Bei motoren mit Zwangsansaugung ist das frühe Schließen des Einlassventils (Miller-Zyklus) außerdem der Standardweg, um die verdichtete Füllung unter Kontrolle zu halten.

Wie spürt der Fahrer diese Technologie im Alltag?

Der am deutlichsten spürbare Effekt ist der Zuwachs an Drehmoment im unteren Drehzahlbereich: Beim loslassen der Kupplung dreht der Motor mit weniger Ruckeln, der Bedarf am Berg herunterzuschalten sinkt, und selbst die maximale Motordrehzahl kann nach oben gezogen werden. Auch der Charakterunterschied ist spürbar: Während ein Motor mit VVT-i linear und leise voranschreitet, bleibt ein klassischer VTEC im unteren Drehzahlbereich ruhig und wird beim Profilwechsel deutlich aggressiver. Die Wahl zwischen diesen beiden Philosophien ist ein klassisches Diskussionsthema in Foren; während manche Fahrer den plötzlichen VTEC-Wechsel im Stadtverkehr als anstrengend empfinden, ist der Nockenprofilwechsel nach wie vor einer der bekanntesten Momente der Motorkultur. Die Lager der linearen Aufladung hingegen verteidigen den durchgehenden und geschmeidigen Charakter.

Die historische Perspektive erklärt diese Reife gut. Es ist bekannt, dass das erste VVT-Patent 1903 von Alanson Partridge Brush angemeldet, 1904 erteilt und im Cadillac Runabout and Tonneau verwendet wurde; der Bedarf an variabler Steuerzeit entstand in den 1920er Jahren, als die Grenzen der maximalen Drehzahl stiegen, und brachte die ersten Patente hervor. Giovanni Torazzas Fiat-Patente aus den späten 1960er Jahren waren das erste funktionale automotive VVT-Design mit variabler Hubverstellung, bei dem der Nockenstößelpivot durch Hydraulikdruck verändert wurde, und boten typischerweise eine Öffnungsveränderung von 37 %. 1980 wurde Alfa Romeo mit den einspritzgesteuerten Modellen des Spider 2000 der erste Hersteller, der VVT in einem Serienfahrzeug einsetzte; 1989 steigerte Honda VTEC (erster Motor B16A) seine Spitzenleistung durch ein separates Nockenprofil. Die Technologie breitete sich dann auf Motorräder aus (2007, Kawasaki 1400GTR) und 2010 mit dem Mitsubishi 4N13 1.8 auf den ersten Pkw-Diesel der Welt mit VVT; sogar Caterpillar reduzierte 2007 nach den EPA-Anforderungen die NOx-Werte in Lkw-Motoren mit VVT statt EGR.

Wartung: Das System lebt vom Öl

VVT-Systeme werden über den Öldruck gesteuert; Nockenphasensteller und VVT-Solenoidventile stehen im Zentrum sowohl des Betriebs als auch der Diagnose. Ein niedriger Ölstand kann Probleme in der Steuerkette, im Solenoidventil oder im Zahnradantrieb verursachen; daher sind die regelmäßige Kontrolle des Ölstands und die Einhaltung des Wartungsplans des Herstellers der praktischste Schritt zur Vermeidung von VVT-Defekten. Wenn das System nicht ordnungsgemäß arbeitet, sind die ersten Anzeichen meist eine Verschlechterung der Leistung und des Kraftstoffverbrauchs.

Fazit: Die Charakteristik des Motors mit einem Ventiltrieb zeichnen

Egal ob VTEC, VANOS oder VVT-i - die zugrunde liegende Idee ist immer dieselbe: den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens der Ventile an den Motor anzupassen. Ein festes Nockenprofil ist bei einer Drehzahl perfekt, bei einer anderen muss es Kompromisse eingehen; VVT beseitigt diesen Kompromiss. Jede Stufe dieses Weges, von der variablen Nockenphasenverstellung bis zum variablen Ventilhub, ist eine noch feinere Abstimmung des Gleichgewichts zwischen Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und Leistung im oberen Drehzahlbereich. Auch wenn nockenlose Systeme die Kostenschwelle noch nicht überschritten haben, läuft der Großteil der heutigen Motoren auf der Straße mit den ausgereiften Produkten dieses hundert Jahre alten Prinzips - und der Fahrer spürt es, ohne es zu bemerken, bei jeder sanften Beschleunigung.

Quellen

• Variable Ventilsteuerung
• Variable Ventilsteuerung erklärt - Car and Driver
• Vorteile der variablen Ventilsteuerung - Hot Rod
• V-TEC Vs. VANOS Vs. VVT-i: Wie funktionieren sie alle? - Car Throttle
• VTEC vs. VVT-i - Diffen
• Mercedes Camtronic - Autozine Technical School
• Unterschiede zwischen VVL und VVT - Motor Authority
• Kraftstoffverbrauchsanalyse der variablen Nockenwellenverstellung im Teillastbereich - ScienceDirect
• Was ist variable Ventilsteuerung - RepairPal
• Überlegungen zur variablen Ventilsteuerung - Snap-on
• Wartung der variablen Ventilsteuerung - Strut Daddy's