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Variable Ventilsteuerung: Wie funktioniert diese Technologie?

BMW Vanos
Gepubliceerd op Vertaald met behulp van AI uit ons originele artikel (bron: autoride.io)

Die variable Ventilsteuerung oder variable Steuerzeitenverteilung ist eine Technologie, die es ermöglicht, die Parameter eines Viertakt-Verbrennungsmotors zu optimieren, wodurch seine Leistung gesteigert und der Kraftstoffverbrauch gesenkt wird.

Mit der variablen Ventilsteuerung ist es möglich, den Hub, den Ventilöffnungsmoment oder die Ventilöffnungszeit oder eine Kombination der genannten Parameter unabhängig von der Position Kurbelwelle zu steuern. Die Steuerung des Ventils hängt jedoch von der Drehzahl, der Motorlast und anderen Faktoren ab.

Inhoudsopgave

Wie funktioniert die variable Ventilsteuerung?

Bei einer Standardverteilung ist die Steuerzeit durch ihre Geometrie gegeben, und die Bewegung der Ventile ist eng an die Position der Kurbelwelle gekoppelt. Das Öffnen und Schließen der Ventile ist somit unveränderlich und abhängig von der Bewegung der Kolben.

Der Moment des Öffnens und Schließens der Ventile beeinflusst jedoch die Qualität der Füllung der Zylinder in Abhängigkeit von der Motordrehzahl erheblich. So ändert sich bei variablen Steuerzeiten die Nockenwellenstellung je nach Motordrehzahl und Last.

Im Leerlauf und bei hohen Drehzahlen wird die Einlassnockenwelle so eingestellt, dass sie das Einlassventil etwas später als normal schließt, was dem Motor hilft, im Leerlauf ruhig zu laufen und die Leistung bei hohen Motordrehzahlen gut zu nutzen.

Bei niedrigen und mittleren Drehzahlen schließt die Nockenwelle das Einlassventil etwas früher als üblich, was zu einer höheren Füllung der Zylinder und einem verbesserten Drehmomentfluss führt.

Effekt der Einstellung der Ventilsteuerung

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 ausgestoßene Luft füllt das Ansaugrohr mit höherem Druck und saugt diese Luft bei den folgenden Takten wieder in den Brennraum.

Das verzögerte Schließen der Ventile reduziert die Saugpumpverluste unter Last um 40 % und die Stickoxidemissionen um 24 %. Die Kohlenwasserstoffemissionen bleiben unverändert.

2. Vorzeitiges Schließen des Saugventils

Eine andere Möglichkeit, die mit niedriger Motordrehzahl verbundenen Pumpverluste zu reduzieren, besteht darin, ein hohes Vakuum zu erzeugen, indem das Einlassventil früher als gewöhnlich geschlossen wird. Dies beinhaltet das Schließen des Einlassventils auf halbem Weg durch den Einlasshub.

Bei niedrigen Drehzahlen und Lasten sind 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 stark reduziert. Vorzeitiges Schließen der Einlassventile reduziert Pumpverluste um 40 % und den Kraftstoffverbrauch um 7 %. Auch die Stickoxidemissionen werden um 24 % reduziert.

3. Vorzeitiges Öffnen des Einlassventils

Eine weitere Möglichkeit, die Emissionen zu reduzieren, besteht darin, das Einlassventil vorzeitig zu öffnen. Indem das Einlassventil früher als gewöhnlich geöffnet wird, werden einige verbrannte Abgase durch das Einlassventil aus dem Zylinder gedrückt.

Im Saugrohr werden diese Abgase durch die Umgebungsluft gekühlt und beim nächsten Takt 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 Emissionen reduzieren. Wenn sich 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 gewöhnlich geöffnet ist, wird der Zylinder mehr 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, verbleiben mehr Abgase im Zylinder, was die Abgasbildung reduziert.

Vorteile der variablen Ventilsteuerung

Die Technologie der variablen Ventilsteuerung wird verwendet, um den Zylinderkopfaustausch in einem Hubkolben-Verbrennungsmotor zu verbessern, was zu einer höheren Leistung, einem geringeren Kraftstoffverbrauch, geringeren Emissionen und einem hohen Drehmoment über einen weiten Bereich von Motordrehzahlen führt.

Variable Ventilsteuerung wird hauptsächlich in Ottomotoren verwendet. Denn diese Motoren arbeiten in einem größeren Drehzahlbereich, weshalb der Einsatz der variablen Ventilsteuerung effizienter und sinnvoller ist. Der grundlegende Nachteil von Benzinmotoren ist die Drosselklappenregelung, die bei niedrigen Lasten zu einer Verringerung ihres Wirkungsgrads führt.

Dank der variablen Steuerzeiten der Ventile ist es möglich, die Drosselklappe zu verkleinern oder ganz zu entfernen, was die pneumatischen Widerstands-Pumpverluste im Saugrohr reduziert und damit die Fülleffizienz des Motors insbesondere bei niedrigen Lasten erhöht.

Neben Benzinmotoren wird die variable Steuertechnologie auch bei Dieselmotoren eingesetzt, hauptsächlich aufgrund der immer strengeren Abgasnormen. Der erste Pkw-Dieselmotor mit variabler Ventilsteuerung wurde 2010 von Mitsubishi entwickelt.

Die Verwendung einer variablen Ventilsteuerung kann dies bringen

  • 10–30 % weniger Kraftstoffverbrauch
  • 10–15 % mehr effektive Leistung und Drehmoment
  • 20–25 % weniger Abgasemissionen

Design mit variabler Ventilsteuerung

Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Technologien, um eine variable Ventilsteuerung zu implementieren. 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 Autohersteller 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-Gruppe)

VVT-i, VVTL-i (Toyota, Lexus)

VTVT (Hyundai, Kia)

Eine kurze Videodemonstration, wie die variable VVT-Ventilsteuerung funktioniert: