Nockenwellenreiter

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Immer mehr Funktionen im Verbrennungsmotor werden elektrifiziert, unter anderem, damit elektronische Steuerungen mit ihrer präzisen Regelgüte zur Steigerung der Leistung, zur Verringerung des Verbrauchs und zur Verbesserung der Abgasqualität beitragen können. Nach der Gemischbildung soll nun die Nockenwellenverstellung folgen. Man verspricht sich von ihrer Elektrifizierung unter anderem einen Verbrauchsvorteil von einigen Prozent und bessere Abgaswerte.

Fortschreitende Elektrifizierung

Dabei gibt es variable Steuerzeiten in Autos noch gar nicht so lange. Die ersten kamen Ende der 80er, Anfang der 90er (Honda VTEC, Toyota VVTi), größere Verbreitung fanden sie aber erst vor wenigen Jahren. Einen großen Beitrag leistete dabei ihre Vereinfachung. Da mag es erstaunen, wenn man die ersten serienmäßig gebauten Ottomotoren etwas genauer ansieht und feststellen kann, dass ihre Lastregelung nicht etwa per Drosselklappe bewerkstelligt wurde, sondern mithilfe einer variablen Ventilsteuerung durch ein auf der Nockenwelle verschiebbares Nockenstück, später auch durch einen Regelkeil zwischen Kipphebel und Ventilschaft. An eine Phasenverstellung war damals allerdings noch nicht gedacht. Diese Idee war schon 1876 nicht neu: Die Variation von Hub und Steuerzeiten war bereits damals bewährter Stand der Technik – in der Dampfmaschine.

Vorbild Dampfmaschine

Hier allerdings unter anderen Vorzeichen als im Ottomotor: Um eine Dampfmaschine mit vollem Drehmoment zu betreiben, also etwa zum zum Anfahren, betreibt man sie kurzfristig mit voller Öffnung. Um danach eine bestimmte Leistung einzuregeln, verkürzt man die Einlassöffnungszeiten. Damit nutzt man die Expansion des Dampfs im Zylinder und steigert die Effizienz deutlich. Dieses Ausnutzen der Expansion kann man mit gutem Willen (weil die Dampfmaschine ein Eintaktmotor ist und [so gut wie] keine Kompression kennt) entfernt mit dem so genannten Miller-Zyklus im Viertaktmotor vergleichen, bei dem der Expansionshub länger ist als der Verdichtungshub, was auch hier mit einem frühen Einlassschluss erreicht wird. Das Miller-Patent wurde 1947 eingereicht. Millers Vorgänger James Atkinson hatte bereits 1882 am Einlassschluss gedreht, allerdings in die andere Richtung. Hier bleibt das Einlassventil länger geöffnet, aber mit dem gleichen Effekt eines verkürzten Kompressionshubs und verbesserter Effizienz. (Wobei der verlängerte Arbeitshub damals noch per Hebelmechanismus am Pleuel erreicht wurde).

Entfeinerung fürs Auto

Die ersten Ottomotoren durften kompliziert, schwer und relativ teuer sein, denn sie waren für den stationären Betrieb gedacht. Die Variabilität im Ventiltrieb ging ihnen erst verloren, als man begann, sie in Autos, Boote und Zweiräder einzupflanzen. Dazu wurden die Motoren zunächst radikal um alles erleichtert, was zum Betrieb nicht unbedingt nötig war, man spricht hier von "Entfeinerung". Verbrauch und Umweltschutz waren in den Pionierzeiten des Autobaus noch keine entscheidenden Themen. Wichtig war ein Motor, der unterwegs keine Zicken macht und möglichst wenig Verschleiß unterliegt. Man hatte einige Motoren sogar so radikal vereinfacht, dass sie mit ungesteuerten Einlassventilen liefen. Diese wurden einfach gegen die Kraft der schließenden Ventilfeder duch den Unterdruck im Zylinder geöffnet.

Doch waren damit ausgestattete Motoren bereits damals ziemliche Langweiler. „Ein selbsttätiges Saugventil kann nur bis zu einer gewissen Umlaufzahl des Motors richtig arbeiten, sobald diese überschritten wird, schliesst sich das Ventil zu spät, und ein Teil des eingesaugten Gemisches wird wieder hinausgestossen; man kann dies sehr deutlich fühlen, wenn man die Hand in der Nähe der Oeffnung hält, durch die der Motor die Verbrennungsluft einsaugt. Dieses Verhalten der selbsttätigen Saugventile, bringt aber nicht nur einen teueren Benzinverlust mit sich, sondern macht es auch unmöglich, die Umlaufzahl und mit ihr die Pferdestärkeleistung wesentlich zu steigern. Für Automobilmotore ist aber eine solche Steigerungsmöglichkeit sehr erwünscht“ (Ludwig von Löw, Steuerungen von Automobilmotoren, Polytechnisches Journal, 1904, Band 319, S. 516–518). Fixe Steuerzeiten waren für die geringe Spanne zwischen Leerlauf und Nenndrehzahl von um die 1000/min jedenfalls noch vollkommen ausreichend.

Die träge Luft hält nicht mit

Mehr Leistung aus dem gleichen Hubraum aber war nur über höhere Drehzahlen zu holen. Dabei stößt man allerdings bald an eine physikalische Grenze: Die Massenträgheit der angesaugten Luft und des ausgestoßenen Abgases bleibt gleich, während sich die Geschwindigkeit der Ansaug- und Auspufftakte erhöht. Das führt bei steigender Drehzahl dazu, dass trägheitsbedingt ein immer kleinerer Teil der Gassäule tatsächlich den Weg in den Zylinder oder aus ihm heraus findet als eigentlich möglich. Ein Leistungskiller, dem nur mit einer Manipulation der Steuerzeiten zu begegnen ist.

Zum Beispiel lässt man bei Motoren mit hoher spezifischer Leistung das Einlassventil länger offen. Das Gas kann aufgrund seiner Massenträgheit so noch dem Kolben entgegenströmen, obwohl sich der bereits auf seinem Weg nach oben befindet. Den Gewinn bringt aber nur die Massenträgheit des beschleunigten Gases bei höherer Drehzahl. Die Folge sind entsprechende Einbußen an Leistung und Effizienz durch Füllungsverluste bei niedrigen Touren. Brave Gebrauchsmotoren sind dagegen ein Kompromiss aus guter Fahrbarkeit und Spitzenleistung, weil ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl mit vergleichsweise niedriger Leistung bei hohen Touren einhergeht. Hier bringt ein früher Einlasschluss ein relativ hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich, führt jedoch zu Füllungsverlusten bei höherer Drehzahl.

Tricks und Phasenverschiebung

Mit allerhand Tricks, beispielsweise Schaltsaugrohren oder Resonanzauspuffanlagen kann man die Energie der schwingenden Gassäulen nutzen, um in bestimmten Drehzahlbereichen einen gewissen Ladeeffekt zu erreichen, denn je höher die Drehzahl, desto energiereicher pulsieren die Gassäulen in Ansaug- und Auspuffrohr. Eine wirksamere Methode zur Anpassung von Leistung und Drehmoment an die jeweilige Drehzahl ist allerdings die Phasenverschiebung der Steuerzeiten während des Betriebs. Heraus kommen Motoren, die bereits bei niedriger Drehzahl gut durchziehen – mit steigender Leistung bis in hohe Drehzahlbereiche. Gleichzeitig sinkt der spezifische Verbrauch und die Rohemissionen (also das Abgas „vor“ dem Katalysator).

Und weil sich das angesichts steigender Spritpreise, Flottenverbrauchsvorschriften und teurer Abgasnachbehandlung zunehmend lohnt, finden variable Steuerzeiten in immer mehr Motoren den Weg in die Serie. Leopold Mikulic, Motorenentwickler bei Daimler sagte auf dem DaimlerChrysler Innovation Symposium am 11./12. Juni 2002 in Sindelfingen: „Was die Herausforderungen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs anbelangt, … werden Technologien wie die Direkteinspritzung, Aufladung mit Downsizing sowie Systeme zur variablen Ventilsteuerung eine Rolle spielen“. Da sind wir heute, nur zehn Jahre später.

Neue Möglichkeiten

Viele moderne Motoren steuern die Phase ihrer Ventile lediglich auf der Einlassseite, einige auch auf der Auslassseite, wie beispielsweise der M 270/274, ein Vierzylinder von Mercedes-Benz, der in verschiedenen Hubraum- und Leistungsversionen seit 2011 Modelle der A- bis E-Klasse beflügelt. Mit seinem Höchstdrehmoment bereits bei 1250/min und bis 4000/min belegt er eindrucksvoll die Vorteile der Technologie. Werden sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile getimed, kann damit auch gezieltes Scavenging betrieben werden, eine Art Frischluftspülung des Zylinders. Lässt man bei niedrigen Drehzahlen die Ventile kurz gleichzeitig geöffnet, kann dem Brennraum ohne großen Strömungswiderstand Frischluft zugeführt werden. Ihre kühlende Wirkung verbessert duch eine größere Luftmasse die Füllung im Zylinder und damit das Drehmoment. Ein Effekt, der durch einen Turbolader noch gesteigert werden kann, der seinerseits vom durchströmenden Gas profitiert und so das Turboloch verkleinert. Sinnvoll ist das natürlich vor allem bei Motoren mit Direkteinspritzung, bei denen die Gemischbildung erst stattfindet, wenn der Brennraum geschlossen ist. Bei niedriger Drehzahl kann eine bewusst lange Überschneidung auch zur internen Abgasrückführung zur Verringerung des Stickoxidausstoßes genutzt werden.

Heute meist hydraulisch

Variable Steuerzeiten entstehen im einfachsten Fall durch Phasenverschiebung: Verdreht man beispielsweise die Nockenwelle ein paar Grad gegen die Laufrichtung, öffnen und schließen die Ventile früher. Obwohl man so die Öffnungsdauer nicht variieren kann, erreicht bereits einen großen Effekt. Auf breiter Front durchgesetzt hat sich heute neben Verstellern, die auf die Steuerkette wirken, eine hydraulische Nockenwellenverstellung unter Zuhilfenahme des Motoröls. Da der Öldruck mit der Drehzahl des Motors ansteigt, eignet er sich nahezu ideal zur drehzahlgerechten Verschiebung der Öffnungszeiten, zudem ist die Umsetzung des Antriebs relativ einfach:

Die Phasenverschiebung zwischen Antriebsrad und Nockenwelle bewerkstelligt ein Hydraulikelement mit radialen Flügelzellen, die bei steigendem Öldruck gegen eine definierte Federkraft gefüllt werden und so die Nockenwelle im Verhältnis zu ihrem Antriebsrad gegen die Laufrichtung verdrehen. Dieser Flügelzellensteller wird auch als Schwenkmotor bezeichnet und erreicht einen Verstellwinkel von ca. 11° bis 35°, (entsprechend dem doppelten Winkel an der Kurbelwelle). Die Beschränkung bis ca. 35 Grad hat mit vor allem den nötigen Volumina der Zellen zu tun.

Entwicklung unter Hochdruck

Doch nicht allein die Voreilung bleibt bei den hydraulischen Verstellern beschränkt, auch ihre Geschwindigkeit und die Abhängigkeit von Öldruck und Volumenstrom sind limitierende Faktoren. Unter anderem bei Ovalo, Delphi („E-Phaser“), Schaeffler („EVCP“, Electromotive Variable Camshaft Phasing von AFT Atlas Fahrzeugtechnik GmbH und INA Schaeffler KG) und anderen Zulieferern und Herstellern wird daher mit Hochdruck an einer elektromotorischen Nockenwellenverstellung gearbeitet. Sie könnte bald in Serie gehen, Delphi verspricht einen Produktionsbeginn 2015, wir erwarten sie spätestens 2016/17, wenn der NEFZ durch den realitätsnäheren WLTP-Fahrzyklus abgelöst werden soll. Ob der Fahrzyklus dann kommt, erfahren wir nächstes Jahr, wenn ihn die Mitgliedsstaaten beschließen müssen. Warum nun also elektrisch?

Schneller ohne Öl

Die Hydraulik stößt vor allem unterhalb der Betriebstemperatur an Grenzen bei der Regelgeschwindigkeit. Das beim Kaltstart des Motors zähflüssige Schmiermittel bremst die Verstellgeschwindigkeit zu stark. Das ist aus heutiger Sicht noch ein Schönheitsfehler. Drängender dürfte das Problem träger Verstellorgane werden, wenn neue Fahrzyklen Verbrauch und Abgasgüte (besonders im Bereich der HC-Emission) bereits in der Kaltlaufphase erfassen. Dann sollten Nockenwellensteller eine exakte Regelung bereits ab Motorstart beherrschen. Diese exakte und schnelle Regelbarkeit (Ovalo verspricht: „Werte über 400°/sec sind problemlos umsetzbar“) wird von den Ingenieuren bei Delphi überdies als Voraussetzung gesehen, bei einem der neuen (homogenen) Brennverfahren wie Controlled Auto Ignition (CAI), Homogeneous Charge Combustion Ignition (HCCI) und Gasoline Direct Injection Compression Ignition (GDCI) einen schnellen Wechsel zwischen den verschiedenen Verbrennungszuständen hinzubekommen.

Voraussetzung für Homogenbetrieb

Weitere Pluspunkte: Da zur Phasenverstellung Energie nötig ist, ergibt sich ein Verbrauchsvorteil gegenüber der hydraulischen Verstellung, für die über eine entsprechend groß dimensionierte Ölpumpe dauerhaft Druck und Volumenstrom (gegen die Rückstellfeder) vorgehalten werden muss. Zudem kann die Verstellmöglichkeit bei stehendem Verbrennungsmotor genutzt werden, beispielsweise kann bei Stopp-Start-Systemen die für den Motorstart optimale Stellung vorher angefahren werden.

Elektromechanische Nockenwellenversteller können überdies kompakter gebaut werden als die Flügelzellenversteller, deren Ölkammern ja ein Mindestvolumen benötigen. Nicht zuletzt können bei Teillast jederzeit die oben erwähnten Miller- und Atkinson-Cycles angefahren werden, um den Verbrauch weiter zu senken.

Zusammenarbeit mit Stopp-Start-Systemen

OVALO baut Getriebe in Ringbauweise, bei denen Nockenwelle und Ketten- bzw. Riemenrad jeweils mit einem Außenring verbunden sind. Ein bürstenloser DC-Motor (am Verbrennungsmotor angebracht) dreht das Getriebe und erzeugt die Relativbewegung von Nockenwellenantrieb zu Nockenwelle. Auch Delphi setzt auf einen bürstenlosen E-Motor, vor allem wegen der flachen Bauform und des hohe Drehmoments. Umgesetzt auf die Nockenwelle wird dessen Drehbewegung mittels Spannungswellengetriebe. Eine Feder fährt den Steller bei Stromausfall in seine Endposition. Damit das Steuergerät weiß, welche Position der Antrieb gerade einnimmt, melden ihm drei Hallsensoren den aktuellen Winkel.

Größere Freiheitsgrade

Erste veröffentlichte Ergebnisse ihrer Arbeit Klingen vielversprechend: Delphi berichtet, sein EVCP könne bei jeder Drehzahl den Ventiltrieb verstellen und damit eine Dekompression im Stopp-Start- Betrieb ermöglichen. „Dekompression“ bedeutet eine deutliche Entlastung des elektrischen Anlassers und der Batterie, der Starter beim Anlaufen nicht mehr gegen den Widerstand der Kompression anarbeiten muss. In Versuchen mit aufeinanderfolgenden Stopp-Start-Vorgängen erreicht der EVCP die Dekompressionsstellung innerhalb von 0,2 s. Bei kaltem Motor liegt die Stellgeschwindigkeit bis minus 25 Grad Celsius noch über 60 °KW/s, zwischen minus zehn und plus zehn Grad erreicht sie über 120 °KW/s, was völlig neue Anwendungen überhaupt erst ermöglicht. So kann EVCP beim Kaltstart durch eine entsprechende Steuerzeiteneinstellung eine Vorkompression erreichen, die das Gemisch aufheizen hilft, was sich unmittelbar auf die Abgasqualität auswirkt. Indirekt verbessert das die Abgaswerte durch ein schnelleres Anspringen des Katalysators. Durch ein spätes Einlassöffnen kann eine Reduktion der HC-Emission beim Kaltstart engegengewirkt werden. Weitere Vorteile ergeben sich durch eine teilweise Entdrosselung dank geringerer Ansaug- und Pumpverluste aufgrund größerer Freiheitsgrade bei der drehzahlunabhängigen Regelung der Steuerzeiten.

Fernziel: Nocken raus, Aktuatoren rein

Hörten wir da „Entdrosselung“? War da nicht was? Doch, und es ist schon ziemlich lange her: Am 24.06.2009 schrieb BMW voller Stolz: „2001 entwickelte BMW die vollvariable Ventilsteuerung VALVETRONIC, die erstmals den Motorbetrieb ohne Drosselklappe ermöglichte und bis heute weltweit einzigartig ist“. BMW ist nicht etwa nach über 84 Jahren Automobilbau ein bisschen vergesslich geworden (siehe erste Ottomotoren). Gemeint war die erste vollvariable Ventilsteuerung in einem Auto, die sowohl variable Steuerzeiten als auch frei steuerbare Ventilhübe ermöglichte.

Ein großer technischer Aufwand, der erst heute mit der nötigen Zuverlässigkeit zu bezahlbaren Preisen angeboten werden kann. Der Effizienzgewinn ist dagegen so schmal, dass er erst jetzt den Aufwand zu lohnen beginnt. Aber das ist eine andere Geschichte, die Richtung Fernziel aller auf diesem Gebiet arbeitenden Ingenieure weist: Die Idealvorstellung direkt steuerbarer Ventile! Könnte man hydraulische, pneumatische oder elektrische Aktuatoren dazu einsetzen, wäre der ganze aufwendige Nockenwellenantrieb mit seinen mechanischen Reibungsverlusten und unvermeidlichem Verschleiß Geschichte. Fast noch wichtiger: Man könnte nahezu beliebige Steuerzeiten und Öffnungen für jedes einzelne Ventil fahren, sogar eine zylinderselektive Steuerung wäre problemlos umsetzbar. Schon heute ist also absehbar, dass auch die elekrifizierten Steuerzeiten nur ein zeitlich begrenzter Kompromiss sein werden.