Unsere Motoren können alleine atmen

verschiedene Atemübungen

[Achsmanschette51801]

Hallo, liebe Zielgruppe!

In aller Regel wird bei einem Otto- oder Dieselmotor mit einer Nockenwelle gesteuert, wann die Ventile wie weit geöffnet werden. Das hängt von der Form der Nocken auf der Nockenwelle ab. Sehr vereinfacht: Je breiter die Nocken sind, desto länger ist das betreffende Ventil offen, je höher der Nocken ist, desto weiter wird das Ventil geöffnet. Wie weit Ventile geöffnet werden hat Einfluß darauf, wie gut Zylinder gefüllt werden. Wie lange Ventile geöffnet werden hat Einfluß auf den Drehmomentverlauf, ebenso die genauen Zeitpunkte des Öffnens und Schließens und ob und wie sich die Öffnungszeiten auf Ein- und Auslaßseite überschneiden, sie also alle offen sind. Bei Wikipedia ist Letzteres folgendermaßen formuliert:

Zitat:

Die Überschneidungszeiten beeinflussen die Motoreigenschaften grundlegend. So hat ein Motor mit geringer Überschneidung ein eher hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen, aber eine geringere maximale Leistung, die bei hohen Drehzahlen erreicht wird. Durch große Überschneidung wiederum lässt sich eine höhere Maximalleistung erreichen, jedoch auf Kosten des Drehmoments bei niedrigen Drehzahlen.

[...]

Grundsätzlich bewirkt eine lange Überschneidungszeit, dass das ausströmende Abgas das über das Einlaßventil einströmende Frischgas mitreißt und so der Zylinder gründlich gespült wird; es befindet sich dadurch in der Folge mehr frisches Gas im Zylinder, was beim Verbrennen ein höheres Drehmoment und damit eine höhere Leistung bewirkt. Bei hohen Drehzahlen kommt es hierbei jedoch zu Verlusten durch Überströmen in den Auspuff. Bei niedrigen Drehzahlen bewirkt eine große Überschneidung hingegen, dass bereits ausgestoßenes Abgas zurück in den Brennraum gesaugt wird, was auf diese Weise zwar wie eine (geringe) interne Abgasrückführung wirkt, jedoch durch Abmagerung des Frischgases ein geringeres Drehmoment bis hin zu Verbrennungsaussetzern im Leerlauf verursacht.

Da ein Verbrennungsmotor also einen relativ großen Drehzahlbereich arbeiten muß - selbst bei PKW kommt eine Verzehnfachung zwischen Leerlauf und Höchstdrehzahl vor, bei Motorrädern oder Rennwagen kann es das zwanzigfache sein - , muß ein Kompromiß gefunden werden.

Um die Umgehung dieses Kompromisses geht es heute hier: Die variable Ventilsteuerung.

Sie ermöglicht es, die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile sowie deren Hub zu ändern, um von den verschiedenen Vorteilen verschiedener Ventilsteuerungsabstimmungen last- und drehzahlabhängig zu profitieren.

In den späten 1960ern wurde von dem Italiener Giovanni Torazza ein System für eine hydraulische Nockenwellenphasenverstellung entwickelt, das von Fiat zum Patent angemeldet wurde, da von Fiat das Potenzial zur Effizienzssteigerung erkannt wurde.

Im Modelljahr 1980 wurde erstmals eine mechanische Nockenwellenverstellung in einem Serien-PKW verkauft, dem nur auf dem amerikanischen Markt angebotenen Alfa Romeo Spider 1750 cc. 1983 verkaufte auch Alfa Romeo die ersten Serien-PKW mit einer elektronisch gesteuerten variablen Ventilsteuerung und auch in Europa. Bis hierhin wurde allerdings nur die Nockenwelle(n) in Relation zur Kurbelwelle verdreht, um die Phasen zu verlagern. Ventilhub und Öffnungslänge blieben gleich.

Ebenfalls 1983 führte der japanische Hersteller Honda eine variable Ventilsteuerung unter dem Namen VTEC im Motorradbau ein. Im Gegensatz zu den Fiat- und Alfa-Motoren wurden hier allerdings auch die Länge der Öffnungszeit der Ventile und der Ventilhub verstellt, noch nur auf der Einlaßseite.

Das VTEC-System funktioniert über zusätzliche Nocken, die zusätzliche Kipphebel ansteuern und nach dem Umschalten die Ventile länger und weiter öffnen. Bei nur einer Nockenwelle kann wegen Platzproblemen zur Konfliktvermeidung mit den Zündkerzen nur die Einlaß- oder nur die Auslaßseite verstellt werden. Da es auf der Einlaßseite deutlichere Vorteile bringt, wurde es dort eingesetzt.

1989 fand VTEC und damit die drehzahlabhängige Hub- und Öffnungsdauerverstellung mittels einer zweiten Nockenwelle den Weg zur Auslaßseite und Honda baute es in den nur in Japan verkauften Integra ein.

1990 brachte Honda das System in die USA (Acura NSX) und nach Europa (Civic, CRX, NSX).

In meinen ersten CRX wurde der 1,6-Liter-VTEC-Motor B16A1 mit 110 kW/150 PS nachträglich für den Erstbesitzer eingebaut (Original gab es die Kombination nicht) und ich hatte auch meinen Spaß damit. Mein Urteil über den Motor: Legt schon bei niedrigen Drehzahlen <1500/min los, man kann ihn auch locker so fahren, daß er nicht über 2000/min hinauskommt, bzw. könnte, wenn die Übersetzung denn länger wäre Er wird auch nicht müde, wenn man ihn an der 8000er Markierung vorbeidrhet. Eine leichte Schwäche von ca. 4000/min bis zum VTEC-Umschalten bei 4800/min, wo er dann wieder loslegte, kann man ihm nachsagen. Das leichte Absacken ist aber fast nicht merkbar, weil es ziemlich kontnuierlich vonstatten geht. Der beim Umschalten hinzukommende Schub ist etwas deutlicher. Der B16A1 war zu seiner Zeit der leistungsstärkste (110 kW/150 PS) und drehmomentstärkste (144 Nm im Maximum) Motor in der Klasse der in Deutschland angebotenen PKW-Saugmotoren bis 1,6 Liter Hubraum. Das Drehmomentmaximum der 1,6-Liter-Motoren von Lada, Mazda und VW der Zeit wurde von diesem Honda von 2500 bis 8000/min durchgehend übertroffen. Sparsam war der Motor auch noch. Den Spritkonsum dieses leistungstärksten Autos, das ich je besaß, konnte ich nur mit Nissan Micra (40 kW/55 PS) und Fiat Panda (33 kW/45 PS) unterbieten.

1991 waren es auch die Leute von Honda, die die variable Ventilsteuerung gezielt zur Verbrauchssenkung und zur Erhöhung der Effektivität im unteren Drehzahlbereich einsetzten. Das VTEC-E wurde wieder nur mit einer Nockenwelle und auf der Einlaßseite eingesetzt.

Bei niedrigen Drehzahlen wurde das erste Einlassventil vollständig geöffnet, während das zweite minimal (0,65mm) geöffnet wurde. Dadurch wurde ein besseres Luft-Benzin-Gemisch erreicht, was ein sehr mageres Gemisch ermöglichte. Wenn die Motordrehzahl erhöht wurde, wurde das bis dahin nur minimal geöffnete zweite Einlassventil an das vollständig öffnende erste Einlassventil gekoppelt, um ein ausreichend fettes Gemisch für höhere Last zu gewährleisten. Diese Koppelung der Ventile wurde vom Steuergerät beeinflusst. Es berechnete den Umschaltpunkt anhand von Motordrehzahl und -last, Fahrgeschwindigkeit und Kühlmitteltemperatur. Wenn der Motor unter Volllast lief, wurde das Ventil bei 2700/min zugeschaltet, bei Teillast erst bei 3300/min.

Das Ergebnis war einer der sparsamsten PKW-Benzinmotoren seiner Zeit, der Normverbrauch im Civic konnte sich mit den Dieselkompaktwagen mehr als messen, der Normverbrauch nach DIN für den Civic VEi mit 66 kW/90 PS und 129 Nm an der Kurbelwelle lag bei 5,9 l/100 km (51,68 kWh/100 km). Die sparsamsten Kompaktwagen mit Diesel seiner Zeit (Citroen ZX, Ford Escort und Opel Astra) lagen bei 5,6 l/100 km (54,88 kWh/100 km) nach Norm und hatten mit 42 kW/57 PS und 105 Nm (Opel), 44 kW/60 PS und 110 Nm (Ford), und 47 kW/64 PS und 118 Nm (Citroen) deutlich weniger Leistung und auch weniger maximales Drehmoment. Nur Renault war 1992 in der Lage, einen Kompaktwagen mit Diesel zu produzieren, der sowohl bei der Leistung als auch beim Literverbrauch - nicht Energieumsatz in kWh - ebenbürtig war.

1995 brachte Honda eine dreistufige Variante des VTEC heraus, bis dahin war VTEC nur zweistufig.

BMW kam mit der Einführung der variablen Nockenwellen etwas später. 1992 hatten die Münchener bei den kleineren Sechszylindern eine Verstellung der Einlaßnockenwelle unter dem Namen "VANOS" eingeführt, 1998 kam die zweite Nockenwelle hinzu. Die besondere Innovation war die 2001 auf den Markt gebrachte Valvetronic. In der Suddeutschen Zeitung stand dazu folgendes:

Zitat:

Die Funktion der Drosselklappe, jenes Bauteils, das, so BMW, “seit der Erfindung des Otto-Motors in weiten Betriebsbereichen dessen freie Atmung behindert”, wird ersetzt durch den stufenlos verstellbaren Einlassventilhub – für den bayerischen Hersteller das “größte Motorenprojekt” in seiner Geschichte.

Inzwischen sind wir noch einen Schritt weiter und wieder bei Fiat. Die Italiener haben unter dem Namen Multiair ein System entwickelt, das ohne Einlaßnockenwelle auskommt. Die Steuerung der Einlaßventile ist elektrohydraulisch. Der Vorteil ist, daß die Steuerung noch genauer, noch feinfühliger sein kann. Im Teillastbetrieb öffnen sich die Einlaßventile teils mehrfach in einem einzigen Ansaugtakt. Hierdurch wird eine weitere Effizienzssteigerung ermöglicht. Im Jahre 2009 kam Multiair im Alfa Romeo MiTo erstmals auf den Markt.

Ich bin mal gespannt, was noch so kommt

Quellen: www.de.wikipedia.org , www.sueddeutsche.de , www.kfz-lehrmittel.de , www.motorlexikon.de , www.autonews.de, www.alfa-romeo.com

[Schattenparker135664]

Ein sehr interessanter und informativer Beitrag, vielen Dank dafür!

[V70_D5]

Superbeitrag. Vor allem die Drehmomentschwäche zwischen 4000 und 4800 Umin beim Honda hast Du gut dargestellt. Ich kenne das von meinem Honda CR-V, der eher ein weiterentwickeltes VTEC-E darstellt zwischen 3500 und 4000Umin sehr gut. Vielleicht sollte man den Artikel zum Anlass nehmen den Honda VTEC bashern zu erklären, dass die Durchzugsschwäche im Gegensatz zu den ach so modernen Turbos, gewollt ist um den Verbrauch zu senken, die Durchzugskraft bei sehr niedrigen Drehzahlen zu steigern wo jeder Turbodiesel nur nach Luft röchelt. Im Stadtverkehr fährt sich so ein VTEC unglablich weich, keine Vergleich zu einem Turbodiesel. Bei hohen Drehzahlen wenn die Leistung gebraucht wird, steigt mit steigender Drehzahl tatsächlich die Leistung und der Motor winselt nicht nach dem nächsten Gang. Die Fahrweise ist irgendwie altmodisch aus einer zeit wo Leistung auch Drehzahl bedeutete. Ich finde dass das irgendwie logisch ist.

[Fred_H]

Hi Meehster! Schöner Artikel!

Nur einen winzigen Schönheitsfehler: Du schreibst daß der Integra nur in Japan verkauft wurde, aber ich habe einen 1988 in USA gekauft. Da werden sie allerdings unter dem Markennamen Acura vertrieben. Mein Integra hatte den 1,6 Liter 118 PS Motor ohne VTEC. Aber mit 16V DOHC PGM-FI und elektronisch gesteuerter Zündung, sehr linear und drehfreundlich.

… was noch so kommt. Der Fiat Multiair ist schon ziemlich nah an der idealen unbegrenzt variablen Ventilsteuerung. Er hat aber noch praktisch den gleichen alten Antrieb mit Reibungsverlusten, und viele bewegliche Teile. Die Ingeneure träumen schon lange von der vollelektrischen Ventilbetätigung mit nur ein oder zwei beweglichen Teilen pro Ventil. Ein bisheriges Problem damit war die sehr hohe elektrische Spannung und Leistung die dafür notwendig sind.

Heute gibt es mehrere Autos deren serienmäßige Batterie mehrere kW bei 200V locker aus dem Ärmel schütteln, und deren Leistungselektronik zeitweise bis zu 650V und dutzende kW erzeugt. Könnte sein, dass das uns ein Schritt näher zum ultimativen Ventilantrieb bringt.

[Achsmanschette51801]

Danke für die Info, Fred Jetzt habe ich wieder etwas gelernt

Mit "nur in Japan verkauft" habe ich mich wohl etwas falsch ausgedrückt. Gemeint ist, daß die VTEC-Version nur in Japan verkauft wurde.

Das mit den vollelektrischen Ventiltrieben hätte ich in dem Artikel auch erwähnen sollen/müssen. Es wird daran gearbeitet, aber wie Du schon sagst ist die benötigte Leistung (noch) ein Problem. Hohe Spannung braucht man dabei allerdings nur für eines: Um die Stromstärke und damit die benötigte Leitungsdicke zu reduzieren.

[Koljan777]

Danke!