Motorentechnik

Ventilsteuerung

Luftliefergrad

Vorangehend haben wir gelernt, dass der Luftliefergrad einen dominierenden Faktor für die Motorleistung darstellt. Der Luftliefergrad wird seinerseits maßgeblich von den Ventilsteuerzeiten (Öffnungszeiten) und dem Ventilquerschnitt bestimmt. Hinzu kommt die gasdynamische Auslegung.

Beim herkömmlichen Benziner kommt im Teillastbereich natürlich noch die Drosselklappe hinzu. Wir betrachten im folgenden aber nur die Einflüsse der Ventilsteuerung.

Gasdynamik

Regt man ein Gas durch mechanische Bewegung (z.B. Kolben) an, setzt es sich seinerseits in Bewegung. Einmal in Bewegung, besitzt es kinetische Energie (Bewegungsenergie). Aufgrund seiner Masse setzt es sich mit einer gewissen Verzögerung in Bewegung: Man spricht hier von Trägheit.
Ist das anregende Element (z.B. Kolben) wieder zur Ruhe gekommen, strömt das Gas im Umkehrschluss aufgrund seiner Trägheit noch nach.

Diese gasdynamischen Effekte werden bei Motoren ausgenutzt:

• für das Füllen mir Frischgas
• für das Ausströmen der Verbrennungsgase

So bewirkt der Kolben im Motor beim seinem Auf- und Abwärtsgang nicht nur das Leeren bzw. Befüllen des nominellen Hubvolumens mit Gas sondern darüber hinaus auch noch die Anfachung gasdynamischer Effekte.

Ventilöffnungsdauer

Zwecks bester Füllung und somit Erreichung eines hohen Luftliefergrads sind beim Viertakter sowohl große Öffnungsquerschnitte als auch große Öffnungszeiten der Ventile erforderlich, die an die Ansaug- und Ausschubphase sowie die Drehzahl angepasst sind.
Nur so lässt sich ein hoher Luftliefergrad über einen weiten Drehzahlbereich sicherstellen.

Der Forderung nach großen Öffnungsquerschnitten stehen in der Praxis die begrenzten Platzverhältnisse im Zylinderkopf gegenüber. Außerdem wirken sich große Ventile bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen ungünstig auf das Drehmoment aus. Die Gase strömen wegen des großen Querschnitts zu langsam in den Zylinder: das Kraftstoff/Luft-Gemisch wird nur unzureichend verwirbelt.
Abhilfe schafft man bei modernen Motoren bzw. durch:

• eine Drallklappe im Ansaugkanal, die für bessere Verwirbelung sorgt
• Abschaltung eines von zwei Ansaugkanälen (z.B. Opel Twinport-System)
• Abschaltung eines Einlassventils (3 oder 4-Ventiler)

Ventilsteuerdiagramm

Ventilsteuerdiagramm

Das Diagramm zeigt den Verlauf der Ventilöffnung für einen kompletten Arbeitszyklus von 720° Kurbelwellenumdrehung. Beginnend bei 0° KW mit dem oberen Totpunkt (OT).

Die Y-Achse zeigt den resultierenden Ventilquerschnitt in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung.
Der Ventilquerschnitt lässt sich näherungsweise mit folgender Formel berechnen:

Aventil = π * di * hv * sin α

Aventil = Ventilquerschnitt [mm²]
hv = Ventilhub [mm]
di = innerer Ventiltellerdurchmesser [mm]
sin α = Ventilsitzwinkel [°] (meist 45°)

Die Näherungsformel berücksichtigt nicht exakt die geometrischen Verhältnisse am Ventilsitz. Genau genommen müsste man die Formel zur Berechnung des Ventilquerschnitts in Abhängigkeit vom Ventilhub anpassen. Der Näherungsformel weicht von diesem exakten Wert aber nur um wenige Prozent ab.

Geometrie am Ventilsitz und resultierender Ventilquerschnitt

Begriffe

Steuerzeit:
Hiermit ist die Ventilöffnungsdauer gemeint. Diese wird in Grad Kurbelwelle angegeben. Im Diagramm die Dauer von Aö bis As bzw. Eö bis Es.

Spreizung:
Beschreibt die Ventilüberschneidung. Je größer die Spreizung, desto weniger Überschneidung. Wird ebenfalls in Grad Kurbelwelle angegeben. Im Diagramm die Dauer von Eö bis As.

Analyse Ventilsteuerdiagramm

Einlassquerschnitt:
Als erstes stellen wir fest, dass der maximale Einlassquerschnitt größer ist als der Auslassquerschnitt. Üblicherweise werden die Einlassventile bei gleichem Hub im Durchmesser größer ausgelegt. Das macht Sinn, da die Einlassventile mit ihrem Querschnitt über die Füllung entscheiden.

Kurvenverlauf:
Natürlich können sich die Ventile nicht schlagartig öffnen. Die mechanische Belastung muss sich schließlich in Grenzen halten.
Die Ventile öffnen sich daher kontinuierlich. Zu Beginn (z.B. Aö) ändert sich der Öffnungswinkel nur sehr langsam um dann in eine wesentlich steilere Kennlinie überzugehen.

Öffnungszeiten:
Die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Ventile liegen nicht im OT und UT, sondern davor und danach. Dadurch wird sichergestellt, dass die Ventile bereits ausreichend geöffnet sind wenn der Kolben seine Ansaug- oder Ausschubarbeit zu verrichten beginnt. Die Ventilquerschnittsfläche ist während der gesamten Arbeit zwischen den beiden Totpunkten möglichst groß um geringe Strömungswiderstände sicherzustellen.. Sie erreicht ihr Maximum etwa in der Mitte des Kolbenwegs, wo die Kolbengeschwindigkeit am höchsten ist.

Das sich bereits vor dem UT öffnende Auslassventil ermöglicht bereits das Ausströmen der verbrannten Gase während sich der Kolben noch in Abwärtsbewegung befindet. Der Überdruck im Zylinder am Ende des Verbrennungsvorgangs wird so abgebaut bevor sich der Kolben wieder aufwärts bewegt. Die kinetische Energie der Abgase ermöglicht auch noch ein Ausströmen nachdem der Kolben den OT erreicht hat. Nur so ist die Reinigung des Kompressionsvolumens von Verbrennungsgasen möglich.

Auch das Einlassventil öffnet sich bereits vor dem OT. Die ausströmenden Abgase üben eine Rückwirkung aus indem sie mit ihrem Sog das Einströmen der Frischladungsmenge anfachen. Die anschließend folgende Sogwirkung des Kolbens wird so unterstützt.
Geschlossen wird das Einlassventil erst nachdem der Kolben den UT durchfahren hat. Die Frischladungsmenge strömt aufgrund ihrer kinetischen Energie noch solange entgegen der Kolbenbewegung nach, bis ihre kinetische Energie nicht mehr ausreicht um die Verdrängungswirkung des Kolbens zu überwinden. Idealerweise wird das Einlassventil exakt zu diesem Zeitpunkt geschlossen.
Bei hohen Drehzahlen erreicht man so einen Nachladeeffekt ohne den die spezifischen Leistungen von Hochleistungsmotoren heute nicht mehr zu erreichen wären. Hier besitzt die Frischladungsmenge eine hohe kinetische Energie, strömt also lange nach.

Drehzahl

Die Ventilöffnungsdauer müsste optimalerweise der Drehzahl angepasst werden. Warum ist das so?

Die kinetische Energie des Verbrennungsgemischs ist abhängig von seiner Geschwindigkeit. Wir wissen dass Ekin = m * v².

Seine Masse sei konstant angenommen (Annahme: stöchiometrisches Gemisch). Bei Verdopplung der Geschwindigkeit, vervierfacht sich also seine Energie.
Anders gesagt, vervierfacht sie sich theoretisch bei doppelter Motordrehzahl.

Ein PKW-Motor hat typischerweise einen Drehzahlbereich von 1000 - 6000 U/Min. Zwischen Leerlauf und Höchstdrehzahl liegt also Faktor 36 für Ekin:

• 3000 U/Min. (z.B. Drehzahl höchsten Drehmoments): Ekin = Ekin (1000 U/Min.) x 9
• 5000 U/Min. (z.B. Drehzahl Leistungsmaximum): Ekin = Ekin (1000 U/Min.) x 25
• 6000 U/Min. (z.B. Drehzahl der Abregelung): Ekin = Ekin (1000 U/Min.) x 36

Die kinetische Energie der Verbrennungsgase verändert sich also ganz erheblich über den Drehzahlbereich.

Ansaugen:
Je höher die Drehzahl, desto größer auch die kinetische Energie der angefachten Strömung. Nachdem der Kolben den UT durchfahren hat, strömt das Verbrennungsgemisch noch solange nach wie seine kinetische Energie noch ausreicht der Verdrängungsbewegung des Kolbens entgegenzuwirken. Um eine maximale Füllung des Zylinders zu erreichen, schließt das Einlassventil erst wenn kein Gemisch mehr nachströmt.

Merke: Bei steigender Drehzahl muss das Einlassventil idealerweise später schließen.

Ausstoßen:
Das Auslassventil öffnen kurz bevor der Kolben den UT erreicht. Dadurch geht ein geringer Teil Expansionsenergie verloren. Der Kurbelwellenwinkel, bei dem das Auslassventil öffnet ist konstant u. damit unabhängig von der Drehzahl.
Bei höherer Drehzahl durchfährt der Kolben diesen Kurbelwellenwinkel schneller. Den Verbrennungsgasen bleibt also weniger Zeit um ihre Expansion Richtung Auslassventil zu beginnen. Es geht also weniger Expansionsenergie verloren.

Merke: Bei fallender Drehzahl muss das Auslassventil idealerweise später öffnen.

Vollvariable Ventile:
Ideal ist daher eine vollvariable Ventilsteuerung mit dem Ziel bei jeder Drehzahl immer den höchstmöglichen Zylinderfüllgrad und den geringsten Expansionsverlust zu gewährleisten. Siehe hierzu beispielsweise die Valvetronic von BMW. Diese steuert sowohl den Ventilhub ls auch die Ventilsteuerzeiten.
Eine solche Konstruktion ist natürlich mit entsprechenden Kosten verbunden. Außerdem hat sich BMW das Prinzip natürlich patentieren lassen.

Viele Hersteller konstruieren größere Motoren u. sportlichere Motoren mit einer umschaltbaren Nockenwellensteuerung. Dabei werden ab einer gewissen Drehzahl (ca. 4000 U/Min. oder ca. 6000 U/Min. für sportliche Motoren) den Ventilen andere Steuerzeiten vorgegeben. Die Charakteristik des Motors wird:

• bei hohen Drehzahlen leistungsorientiert
• bei niedrigen bis mittleren Drehzahlen drehmomentorientiert

Aufladung durch Überströmen:
Gibt die Nockenwelle lange Ventilsteuerzeiten für den oberen Drehzahlbereich vor, schließt das Einlassventil spät. Das Nachströmen des Verbrennungsgemischs sorgt für eine dynamische Nachladung über das nominelle Zylindervolumen hinaus. Der Liefergrad erreicht Werte > 1. Der Motor ist also "aufgeladen".

Normalerweise erreicht man Liefergradwerte > 1 mittels externer Lader (Turbo, Komplex). Die Auslegung mittels einer entsprechenden Nockenwelle stellt also eine preisgünstige Möglichkeit für Hochleistungsmotoren dar. So wären bzw. die hohen spezifischen Leistungen heutiger Motorradmotoren nicht ohne Ausnutzung dieses Effekts zu erzielen.

Feste Nockenwelle:
Die meisten Motoren müssen heutzutage immer noch ohne variable Nockenwellen auskommen. Das Ganze ist eine Frage des Kostenaufwands.
Die Öffnungs- und Schließcharakteristik der Ventile ist hierbei über die Auslegung der Nockenwelle fest vorgegeben. Die Güte des Ladungswechsels schwankt in Abhängigkeit von der Drehzahl. Ihr Maximum erreicht die Güte u. somit der Luftliefergrad für die Drehzahl des maximalen Drehmoments.

Lange Steuerzeiten:
Einem Motor der mit langen Ventil-Steuerzeiten arbeiten, mangelt es im unteren u. mittleren Drehzahlbereich an Durchzug. Dieses Manko ergibt sich aus dem geringen Füllgrad der Zylinder, da das späte Schließen des Einlassventils ein Rückströmen eines Teils des Verbrennungsgemischs in den Einlasstrakt zulässt. Der Füllgrad ist schlecht und das Drehmoment gering. Der Motor wirkt schlapp und zieht nicht durch.

Motorradmotoren:
Motorradmotoren arbeiten auch heute noch zu 98 % mit festen Ventilsteuerzeiten. Die Hersteller müssen sich also für eine Charakteristik des Motors entscheiden.
z.B. erreichen Rennmaschinen mit Straßenzulassung heute 110 PS bei nur 600 cm³. Die Auslegung der Motoren ist hierbei klar. Leistung und nichts als Leistung! Das Drehmoment steht hinten an.
Zieht man das geringe Gewicht solcher Maschinen in Betracht, ergibt sich ein sehr günstiges Leistungsgewicht. Eine Durchzugsschwäche im mittleren Drehzahlbereich fällt dem Fahrer in der Praxis nicht auf. Das Motorrad ist ohnehin reichlich übermotorisiert (ein VW Golf GTI müsste 600 PS haben um ein identisches Leistungsgewicht zu erreichen).

Zukünftige Schadstoffnormen (Euro 3 ab 2005 für Motorräder) werden sich auch in Änderungen beim Motorbau wiederspiegeln. Die Gewichtung wird sich hin zu vollständigerer Verbrennung verlagern. Wer die Geruchfahnen von Motorrädern im Vergleich zu PKW einmal prüft (besonders bei niedrigen Drehzahlen) weiß wie schlecht die Verbrennung heute noch ist. Ein Resultat der ungünstigen Steuerzeiten. Dabei machen variable Steuerzeiten gerade bei dem großen Drehzahlbereich (1200 - 12.000 U/Min.) von Motorradmotoren Sinn.

Automobilbau:
Lange Steuerzeiten kommen heute nur noch in Kombination mit umschaltbaren oder vollvariablen Steuerzeiten vor (sportliche PKW’s). Zum Beispiel Honda VTEC, Toyota VVT-i.
Die Motoren können somit im unteren u. mittleren Drehzahlbereich auf Verbrauch und Drehmoment ausgelegt werden. Im oberen Drehzahlbereich steht Papi bei seiner Fahrt ohne Familie der sportliche Kick zur Verfügung.

Nockenform

Der Ventilhub und sein Anstieg in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel wird von der Nockenform vorgegeben. Die Nockenform bestimmt also die Öffnungscharakteristik, die sich im Steuerdiagramm widerspiegelt. Die Auslegung der Nockenform wird von vielen Randbedingungen beeinflusst. Hierzu gehören vor allen Dingen mechanische u. kinematische Bedingungen.

Schematischer Vergleich verschiedener Nockenauslegungen

Leistungscharakteristik:
Die gewünschte Leistungscharakteristik des Motors ist Ausgangspunkt für die Berechnung der Nockenform. Wie wir wissen, wird sie wesentlich durch die Steuerzeiten beeinflusst. Hierzu sind die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile vorzugeben.

Ventilhub:
Der maximale Ventilhub wird durch den Querschnitt der Ansaugleitung vorgegeben. Es macht nur Sinn das Ventil so weit zu öffnen, dass der max. Ventilquerschnitt dem Querschnitt der Ansaug- bzw. Abgasleitung entspricht. Eine darüber hinaus gehende Öffnung würde nichts bringen, da der Volumenstrom dann schon im Ansaug- bzw. Abgastrakt gebremst würde.

Aus diesen beiden ersten Forderungen ergibt sich die theoretische, obere Grenze für den Zeitquerschnitt (siehe Rechteck im Diagramm).

Öffnungs- und Schließvorgang des Ventils

Kurvenform:
Theoretisches Ziel ist des nun einen Ventilhubverlauf festzulegen, der möglichst nahe an die Rechteckform heran kommt. Es ist klar, dass hierzu mechanische und kinematische Restriktionen existieren. Eine schlagartige Öffnung u. Schließung der Ventile würde eine unendlich schnelle Beschleunigung mit unendlichen Kräften voraussetzen. Daher ist ein möglichst steiler aber dennoch kontinuierlicher Kurvenverlauf zu finden.

Rechteckiger Ventilhubverlauf als theoretische Grenze

Ventilspiel:
Solange sich der Nocken über die Tasse hinwegdreht ist ein geringer Spalt zwischen beiden Teilen erforderlich. Dieses Spiel beträgt in der Praxis 0,03 - 0,15 mm. Nur so bleibt das Ventil auch nach Wärmeausdehnung noch sicher geschlossen.

Vornocken:
Beginnt die Öffnungsphase, ist dieses Spiel erst einmal zu überbrücken. Dazu ist der sogenannte Vornocken mit einer flachen Rampe (A - B) ausgeführt. Sie stellt den sanften mechanischen Kontakt zwischen Nocken und Tasse sicher. Eine zu steile Rampe würde zu einem Schlag der Nocke auf die Tasse führen. Beide Teile würden in kürzester Zeit beschädigt u. es ergäbe sich eine unakzeptable Geräuschemission.

Hauptnocken:
Nachdem das Ventilspiel durch die flache Rampe des Vornocken überbrückt worden ist, öffnet der Hauptnocken das Ventil mit einer wesentlich steileren Rampe (B - D). Eine möglichst steile Kurve ist nun erwünscht.

Ist der max. Ventilhub erreicht, setzt die Schließphase (D - A’) des Ventils ein. Die Rampen der Schließphase sind analog zur Öffnungsphase ausgeführt. Insbesondere der Schließrampe am Ende der Phase ist Aufmerksam zu widmen. Eine flache Ausführung beugt dem Verschleiß am Ventilsitz vor und verlängert damit die Nachstellintervalle. Außerdem vermeidet sie ein kurzzeitiges Wiederöffnen der Ventile durch Nachspringen im Ventilsitz. Ein solches Nachspringen geht mit empfindlichen Frischgasverlusten einher und ist auch wegen des hohen Verschleiß unerwünscht.

Schließen des Ventils:
Das Ventil wird beim Schließen durch die Federkraft der Ventilfeder in den Ventilsitz zurückgeführt. Die Verzögerung (oder negative Beschleunigung) des Ventils wird durch den Nockenkontur vorgegeben. Damit ein sicherer Kontakt zwischen Nocken und Tasse sichergestellt ist, muss die Federkraft der Ventilfeder dabei größer sein als die Verzögerungskraft des Ventils.

Flächenpressung:
Je höher die Drehzahl, desto größer ist auch die Massenbeschleunigung des Ventils. Dadurch verringert sich die Flächenpressung zwischen Nocken und Tasse. Die Beschleunigung darf dabei nicht so hoch werden, dass die Tasse beim Erreichen der Nockenspitze den Kontakt zum Nocken verliert. Das Ventil würde dann springen; ein frühzeitiger Verschleiß wäre die Folge.

Auf der anderen Seite erreicht die Ventilbeschleunigung bei Leerlauf ihr Minimum. Die Flächenpressung ist also maximal. Darf jedoch nicht zu hoch werden, da sonst frühzeitige Materialermüdung droht.

Öffnungsbewegung

Die Öffnungsbewegung wird durch den Vornocken eingeleitet. Nach Herstellung des Kraftschlusses wird das Ventil aus dem Ventilsitz gehoben. Der Hauptnocken setzt die Öffnungsbewegung dann mit einer impulsartigen Beschleunigungsphase fort (siehe Graphik 1 Bereich B-C). Die Beschleunigungsphase endet im Punkt C (siehe Graphik 3 Punkt C): erkennbar am Wechsel von einer steigenden zu einer abfallenden Kennlinie.

Nun folgt die Verzögerungsphase (siehe Graphik 1 Bereich C-D) bis zum Stillstand des Ventils. Diese Phase ist ca. doppelt so lang wie die Beschleunigungsphase und betragsmäßig niedriger. Die Nockenspitze steht beim Stillstand auf dem Stößel.

Schließbewegung

Anschließend erfolgt die Schließbewegung analog zur Öffnungsbewegung. Erst schließt sich das Ventil mit stetig ansteigender Geschwindigkeit. Am Ende des Phase wird es durch eine impulsartige, positive Beschleunigung abgebremst. Über den Vornocken gleitet es behutsam in den Ventilsitz.

Ventilhub, Ventilgeschwindigkeit und Ventilbeschleunigung

Ventilfeder

Ohne Gegenkraft seitens der Ventilfeder wurde sich der Tassenstößel samt Ventil sozusagen im Freiflug bewegen. Erst die Ventilfeder stellt mit ihrer Gegenkraft den bündigen Kontakt zwischen Stößel und Nocken sicher, der für den Kraftschluss erforderlich ist.

Es stellt sich die Frage welche Federkraft hierzu erforderlich ist?

In der Phase der positiven Beschleunigung kann der Tassenstößel nicht vom Nocken abheben. Die Feder wird durch die Bewegung vorgespannt; die Federkraft ist der Bewegung entgegengerichtet.
Erst wenn das Ventil wieder abgebremst wird, seine Beschleunigung also einen negativen Betrag aufweist, besteht diese Gefahr.

Im ersten Schritt könnte man nun eine hohe Federkraft wählen. Diese führt aber unweigerlich zu hoher Flächenpressung. Wird der maximale Hub erreicht, ist die Flächenpressung an höchstens, da:

• 1) die Kontaktfläche mit der Nockenspitze am kleinsten ist
• 2) die Feder ihre maximale Vorspannung hat

Wird die Flächenpressung zu hoch, entstehen Ausbrüche im Material: Man spricht hier von Pitting.
Außerdem bedingt eine hohe Federkraft mehr Kraftaufwand zum Öffnen des Ventils.

Ausschlaggebend für die erforderliche Federkraft ist also der Wert der negativen Beschleunigung. Dabei muss die Federkraft stets einen größeren Wert besitzen als die momentane, negative Beschleunigung.

Die resultierende Arbeit aus positiver und negativer Beschleunigung muss null sein. Ansonsten würde das Ventil ja nicht mehr vollständig schließen. Graphisch drückt sich diese Bedingung im Flächengleichgewicht der positiven und negativen Beschleunigung aus.

Merke: Fläche der negativen Beschleunigung = Fläche der positiven Beschleunigung

Wie erreicht man also niedrige Werte für die negative Beschleunigung?

Es bleibt die Möglichkeit die Fläche in der Länge zu strecken. Also die Dauer der negativen Beschleunigung zu verlängern.
Im Umkehrschluss muss die Dauer der positiven Beschleunigung zwecks Beibehaltung der Steuerzeiten reduziert werden. Ihr Betrag muss gleichzeitig zur Beibehaltung des Flächengleichgewichts erhöht werden.

Ventilbeschleunigung und Ventilfederkraftverlauf

Charakteristik

Aus den voran gesagten resultiert eine Ventilsteuerzeit, die durch folgende Merkmale charakterisiert ist:

• schnell Öffnung der Ventile
• langes Offenhalten der Ventile
• geringe Ventilfederkraft

Man spricht hier von einer "fülligen Öffnungscharakteristik". Will heißen, dass der Volumenstrom durch das schnelle Freigeben eines großen Ventilquerschnitts möglichst ungehindert ein- bzw. ausströmen kann. Diese Auslegung ermöglicht:

• sowohl ein hohes Drehmoment bei unteren bis mittleren Drehzahlen (gute Zylinderfüllung)
• als auch respektable Spitzenleistungen bei hohen Drehzahlen

Diese Auslegung wird heutzutage für moderne Motoren bevorzugt, entspricht sie doch den aktuell gestellten Anforderungen an Motorleistung und Drehmoment. Das Fahrzeug kann durch niedrige Drehzahlen genügsam betrieben werden obgleich für entsprechende Fahrsituationen genügend Leistung zur Verfügung steht.

So ist es nicht verwunderlich, dass alte Motoren, deren Bauprinzip seit der Ära der Vergasermotoren größenteils unverändert geblieben ist, nur schlappe Leistung bei niedrigen Drehzahlen liefern. Moderne Motoren gleichen Hubraums und gleicher Leistung aber wesentlich kräftiger wirken.
Leider setzen viele Hersteller bevorzugt für kleine Motorisierungen (1.0 - 1.3 l) immer noch Unikate ein. Beim harten Preiskampf im Kleinwagensegment kann man sich die kostenaufwendige Neukonzipierung eines kleinen Motors nicht leisten. Es gibt aber auch rühmliche Ausnahmen.

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