Nockenwellenverstellung - Nochenwellensteuerung - VANOS

Die Nockenwellenverstellung (auch als variable Nockenwellenverstellung) ist ein System zur Steuerung der Ventilöffnungszeiten von Verbrennungsmotoren.

Die Bezeichnung "variable Nockenwelle" ist irreführend, da an der Nockenwelle selbst überhaupt nichts verstellt wird. Vielmehr wird die mechanische Verbindung zwischen Nockenwelle und Ventilstößel abhängig von der Drehzahl geändert.

Die Anpassung der Ventilöffnungszeiten erlaubt eine Effizienzsteigerung des Motors, abhängig vom jeweiligen Lastverhalten. Diese Steigerung kann als Leistungs- und Drehmomentgewinn und als Kraftstoffeinsparung zum Tragen kommen.

Bei Nockenwellenantrieben ohne Verstellung wird, über eine geometrisch feste Verbindung (Zahnriemen, Kette oder Zahnräder) die Drehbewegung der Kurbelwelle in einem bestimmten Verhältnis auf die Nockenwelle übertragen.

Das Verhältnis der Ventilöffnungszeiten des Verbrennungsmotors (zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle) musste lange Zeit in einem frühen konstruktiven Stadium festgelegt werden und beeinflusste die Motoreigenschaften grundlegend. So konnte ein Motor mit konstruktiv frühem Einlassschluss eine Drehmomentsteigerung in niedrigen Drehzahlen erreichen, jedoch senkt sich dadurch die Leistung des Motors ab dem Erreichen mittlerer Drehzahlen. Ein konstruktiv später Einlassschluss reduziert hingegen das Drehmoment des Motors bei niedrigen Drehzahlen und erhöht die Leistung ab mittleren Drehzahlen.

Begründet wird diese Tatsache mit thermodynamischen Vorgängen im Motor während des Ansaugtaktes bei unterschiedlichen Drehzahlen.

1. bei niedrigen Drehzahlen bewirkt ein früher Einlassschluss, dass die angesaugte Luft nach dem Unteren Totpunkt (UT) des Kolbens nicht wieder aus dem Zylinder gedrückt wird. Somit befindet sich für diese Drehzahl die meiste Luft im Zylinder, welche für eine Verbrennung von Kraftstoff benötigt wird. Daraus folgt eine Steigerung des Drehmomentes.

2. bei hohen Drehzahlen wird auf Grund der hohen Einströmgeschwindigkeit der angesaugten Luft ein Einströmen auch nach dem UT erreicht. Somit befindet sich mehr für die Verbrennung notwendige Luft im Zylinder. Daraus folgt eine Steigerung der Leistung.

Um diese Effekte noch weiter zu steigern, ist eine Veränderung des Ventilhubes über die Motordrehzahl notwendig, weil über diese Veränderung schon in niedrigeren Drehzahlbereichen ein Nachströmen der Luft nach UT erreicht werden kann, was eine Steigerung der Drehzahl und der Leistung in weit früheren Drehzahlbereichen bewirkt.

Um diese thermodynamischen Effekte zu nutzen, wurden von den Automobilherstellern unterschiedlichste Lösungen gewählt. Heute am weitesten verbreitet ist der hydraulische Phasenversteller. Einfaches Symbol des Phasenverstellers ist der aus der Hydraulik bekannte Schwenkmotor. Dieser Schwenkmotor wird zur Steigerung der übertragbaren Moments mit mehreren Flügeln ausgestattet, was den Schwenkwinkel auf 11° - 35° beschränkt. Der in Fachkreisen sogenannte Schwenkmotorphasenversteller (SMV) wird mit Motoröldruck betrieben und kann durch die hohe Dynamik der wechselnden Momente der Nocken nur in Verbindung mit einem Rückschlagventil betrieben werden. Der SMV wird gewöhnlich an den Nockenwellenenden in der Kraftübertragung (Drehbewegung) platziert. Es kann bei Motoren mit zwei Nockenwellen ein SMV pro Nockenwelle angebracht werden. Mit SMV an der Einlassnockenwelle kann der oben benannte Effekt erzielt werden. Wird ein Versteller an der Auslassnockenwelle konzipiert, kann mit einer sogenannten Überschneidung gefahren werden, d.h. die beiden Ventile (Einlass- und Auslassventil) sind für eine kurze Zeit gleichzeitig geöffnet, hierdurch kann ein gezieltes Wiederansaugen von Abgasen erzielt werden. Durch diese Anordnung von zwei SMV wird die sehr aufwendige und kostenintensive Abgasrückführung ersetzt.

Ein anschauliches Beispiel:

Man stelle sich eine Wippe vor, es wird nur eine Seite der Wippe betrachtet.
Person A besitzt konstantes Gewicht, Person B besitzt konstante Kraft gleich der Gewichtskraft von Person A.

Fall 1: Person B stellt sich an das Ende der Wippe, hebt den Arm der Wippe an und bemüht sich die Wippe in der Horizontalen zu halten. Person A stellt sich auf die Wippe in die Nähe des Drehpunktes und springt einmal auf und ab. Bei Person B senkt sich die Wippe deshalb kurz ein wenig ab.

Fall 2: Nun stellt sich Person A auf das Ende der Wippe, also in einem deutlich größeren Abstand (Hebelarm) zum Drehpunkt und springt wieder auf und ab. Dabei senkt sich die Wippe stark ab und Person B braucht viel Zeit um die Wippe wieder in die Horizontale zu heben.

Übertragen auf den Ventiltrieb, ist Person A die Nockenwelle (ihr Gewicht ist die Kraft der Nockenwelle), Person B ist der Ventilstößel (ihre Kraft ist die Rückstellkraft der Ventilfeder). Die Änderung des Hebelarms, die Person A beim hin- und herspringen vollzieht entspricht der Nockenwellenverstellung.
Die Absenkung am Ende der Wippe und die Zeit, wie lange diese Absenkung anhält, entsprechen Ventilhub (bzw. dem Weg der Ventilfeder) und der Ventilöffnungszeit.

Fall 1 beschreibt die Nockenwellenverstellung für hohe Drehzahlen, also kurze Öffnungszeiten und kleiner Ventilhub.

Fall 2 beschreibt die Nockenwellenverstellung für kleine Drehzahlen, also lange Öffnungszeiten und großer Ventilhub.

VANOS

Variable Nockenwellensteuerung von BMW. Gibt es als Einzelvanos (nur Einlassnockenwelle) und Doppelvanos (Ein- und Auslassnockenwelle).

VFD

Variatore di Fase Dinamico von FIAT. Hydraulische Verstellung der Einlassnockenwelle, Rückstellung mittels Feder in Ausgangsstellung. Es liegen durch diese Technik bereits bei 2000U/min 90% des Maximaldrehmoments an. Als deutscher Begriff für dieses System ist "Phasensteller" gebräuchlich.

VTEC

Variable Valve Timing and Lift Electronic Control VTEC von Honda

Ti-VCT

Twin independent Variable Cam Timing von Ford. Hier werden über Stell-Aktuatoren die Nockenwellen hydraulisch vollvariabel variiert. Die Stellposition erfolgt mittels Kennfeld-Steuerung stufenlos in Abhängigkeit der geforderten Motorlast.

VVT-i

Variable Valve Timing - intelligent von Toyota. Hier wird über einen Sensor die Stellung der Einlassnockenwelle kontinuierlich erfasst. Die Motorelektronik errechnet mit weiteren Sensordaten die optimale Ventilsteuerzeit.

Neo VVL

Nissan Ecology Oriented Variable Valve Lifting & Timing von Nissan. Als Reaktion auf ein in Japan beschlossenes Gesetz zum
"Low Emission Vehicle" zum Erreichen einer Abgasnorm. Die Motoren sind nur in Japan erhältlich. Bekanntester Vertreter dieser Motoren ist der SR20VE(T) aus dem Primera und dem S15 Silvia.

Siehe auch

• Nockenwelle
• Ventilsteuerung