Technik im Wandel der Zeit: Wie die variable Ventilsteuerung funktioniert
Das Herz der meisten heutigen Fahrzeuge, der Verbrennungsmotor, hat sich im Laufe seiner jahrhundertelangen Geschichte erheblich weiterentwickelt.
In dieser Serie werden einige der wichtigsten Innovationen in der Motorentechnologie vorgestellt, bevor wir einen Blick auf Alternativen zum Verbrennungsmotor werfen. Diese Woche geht es darum, wie die variable Ventilsteuerung funktioniert.
Sehen Sie sich die anderen Teile dieser Serie an:
Technik im Wandel der Zeit: Kraftstoffeinspritzung
Technik im Wandel der Zeit: Aufladung
Technik im Wandel der Zeit: Turboladung
Technik im Wandel der Zeit: Wasserstoff-Brennstoffzellen
Zweck
Damit ein Verbrennungsmotor Leistung erzeugen kann, müssen Luft in den Zylinderraum einströmen und Abgase austreten. Das Öffnen und Schließen dieser Einlass- und Auslasskanäle wird durch Ventile gesteuert, die als Einlass- bzw. Auslassventile bezeichnet werden.
Ohne variable Ventilsteuerung würden diese Einlass- und Auslassventile unabhängig von der Drehzahl des Motors oder der Fahrumgebung auf die gleiche Weise arbeiten. Das ist nicht ideal, da der Fahrer möglicherweise ein anderes Verhalten des Motors über den Drehzahlbereich hinweg wünscht. So kann es sein, dass der Fahrer bei hohen Drehzahlen mehr Leistung wünscht, während bei niedrigen Drehzahlen und geringerer Motorlast der Kraftstoffverbrauch im Vordergrund steht.
Ein einfacher Ventil- und Motorquerschnitt.
Die variable Ventilsteuerung ermöglicht diese unterschiedlichen Verhaltensweisen, indem sie die Arbeitsweise der Einlass- und Auslassventile bei verschiedenen Motordrehzahlen verändert. Auf diese Weise kann die Leistung des Motors optimiert und gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch und die Emissionen verbessert werden.
Geschichte
Der Alfa Romeo Spider 2000 war das erste Serienfahrzeug mit variabler Ventilsteuerung.
Die Notwendigkeit einer variablen Ventilsteuerung wurde bereits 1924 erkannt, als Amerikaner ein Ventil mit variabler Öffnungsdauer für einen Verbrennungsmotor patentierten. Der Spider 2000 von Alfa Romeo war 1980 das erste Serienfahrzeug der Welt, das mit einer variablen Ventilsteuerung ausgestattet wurde.
Wie funktioniert sie?
Autohersteller haben meist ihre eigenen Namen für die variable Ventilsteuerung. Toyota zum Beispiel verwendet ein „VVT-I“-System (Variable Valve Timing with Intelligence), während Honda sein System bekanntermaßen „VTEC“ (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) nennt.
Der Toyota Chaser war eines der ersten Fahrzeuge, das mit der VVT-i-Technologie ausgestattet wurde.
Auch wenn diese Systeme einige Unterschiede in ihrer Umsetzung aufweisen, so haben sie doch alle die gleiche zugrundeliegende Technologie und die gleichen Konstruktionsprinzipien.
Damit sich die Einlass- und Auslassventile öffnen und schließen können, sind sie mit einer rotierenden Nockenwelle verbunden, die sich über den Ventilen befindet.
Hondas berühmte VTEC-Technologie findet sich in der gesamten Produktpalette.
Die Technologie der variablen Ventilsteuerung steuert drei wichtige Merkmale der Einlass- und Auslassventile:
- Ventilsteuerung – die Punkte in der Kolbenbewegung, an denen sich die Ventile öffnen und schließen.
- Ventildauer – wie lange die Ventile geöffnet bleiben.
- Ventilhub – wie weit sich die Ventile physisch öffnen (ihre Öffnungsöffnung).
Um dies zu erreichen, liefern verschiedene Sensoren, wie z. B. Luftstrom- und Nockenwellenpositionssensoren, Informationen an die ECU (Motorsteuerungseinheit) des Fahrzeugs, die dann verschiedene Mechanismen verwendet, um die oben genannten Ventileigenschaften zu steuern. Das VTEC-System von Honda beispielsweise bewegt die Nockenwelle physisch, um dem Ventil mehr Hub zu geben.
Ein sehr grundlegender Überblick über die Funktionsweise von VTEC.
Die Zukunft
Gegenwärtig stützen sich Systeme mit variabler Ventilsteuerung auf die Manipulation der Nockenwelle, um indirekt die drei oben genannten Hauptventileigenschaften zu verändern. Dies wiederum schränkt die Variabilität des Ventils ein. Künftige Systeme mit variabler Ventilsteuerung könnten stattdessen eine direkte Steuerung jedes Ventils ermöglichen (manchmal als „nockenloser“ oder „Free-Valve“-Motor bezeichnet), was eine unendliche Variabilität und folglich eine bessere Motorleistung ermöglicht.