WikiDer > Ventilsteuerung

Kleptiming

Das Ventilsteuerung bestimmt die genauen Zeitpunkte des Öffnens und Schließens der Ventile in einem Verbrennungsmotor. Sie wird durch die Form der Nocken an der Nockenwelle.

Es Viertaktverfahren: Das Einlassventil öffnet zu Beginn des Ansaugtakts und schließt zu Beginn des Verdichtungstakts. Das Auslassventil öffnet zu Beginn des Auslasstakts und schließt zu Beginn des Einlasstakts

Ventilsteuerung

Theoretisch sind die Ventile von a Viertaktmotor muss während des Kompressionshubs und während des Arbeitshubs geschlossen sein. Während des Kompressionstaktes möchte man den Kompressionsdruck und kein Kraftstoffgemisch entweichen lassen, während des Arbeitstaktes möchte man den Verbrennungsdruck nicht entweichen lassen. Während eines Arbeitsprozesses von 720° (zwei Umdrehungen des Kurbelwelle) wären also beide Ventile nur 180° geöffnet. So sieht der Prozess aus:

In der Theorie

  • Ansaughub: 0-180°: Kolben geht davon oberer Totpunkt zum unterer Totpunkt und das Einlassventil öffnet. Das resultierende unter Druck saugt das Gas (Gemisch) an.
  • Kompressionshub: 180-360°: Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, beide Ventile sind geschlossen. Das resultierende Überdruck komprimiert und erhitzt das brennbare Gemisch im mixture Zylinder,
  • Arbeitshub: 360-540°: Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt unter dem Einfluss der Verbrennung des Gasgemisches. Beide Ventile sind geschlossen. Der resultierende Verbrennungsdruck treibt die Kurbelwelle Auf.
  • Auslasshub: 540-720°: Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt. Das Auslassventil öffnet. Der Kolben treibt die verbrannten Gase zum Auspuff.

In der Praxis

  • Ansaugtakt: 0-180°: Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt, aber das Einlassventil hat schon vorher geöffnet, also noch während des Auspufftaktes des vorherigen Vorgangs. Da im Saugrohr in der Praxis noch Unterdruck herrscht, strömt das Gas (Gemisch) in den Zylinder, obwohl der Kolben noch nach oben fährt. Dadurch wird mehr brennbares Gemisch zugeführt, was zu einer noch stärkeren Verdichtung und einem noch höheren Verbrennungsdruck führt. Dadurch arbeitet der Motor effizienter. Auch nach Erreichen des unteren Totpunktes liegt der Druck im Zylinder noch unter 1 Bar und das bleibt auch so, wenn der Kolben wieder auf dem Weg zum oberen Totpunkt ist.
  • Kompressionshub: 180-360°: Der Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, um das brennbare Gemisch zu verdichten. Das Auslassventil ist geschlossen, das Einlassventil bleibt jedoch noch eine Weile geöffnet, um den letzten verbleibenden Unterdruck im Zylinder auszunutzen.
  • Arbeitshub: 360-540°: Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt unter dem Einfluss der Verbrennung des Gasgemisches. Allerdings öffnet das Auslassventil bereits in der letzten Phase des Arbeitstaktes. Dann ist die Verbrennung weitgehend abgeschlossen und außerdem ist der Winkel zwischen den Pleuelstange und der Kurbelzapfen ist so scharf geworden, dass es kaum noch einen gibt Paar wird entwickelt[1]. Außerdem brauchen die Abgase den Steigkolben nicht zum Entweichen. Der Druck im Zylinder ist so hoch, dass sie natürlich aus dem Auslassventil entweichen.
  • Auslasshub: 540-720°: Kolben bewegt sich vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt. Das Auslassventil war bereits während des Arbeitstakts geöffnet und die Abgase entwichen hauptsächlich unter dem Einfluss des hohen Drucks im Zylinder und der letzte Rest unter dem Einfluss des aufsteigenden Kolbens. Da das Einlassventil auch am Ende des Ausstoßtaktes öffnet, sind dies der Moment, in dem beide Ventile gleichzeitig geöffnet sind. Dies wird als Ventilüberschneidung bezeichnet.

Ventilüberschneidung

Der Zeitraum der Ventilüberschneidung ist sehr kritisch. Dauert er zu lange, wählt ein Teil des einströmenden Gases (Gemisch) den Weg des geringsten Widerstandes und verschwindet durch das Auslassventil. Dies hat einen kleinen Vorteil, da es das Auslassventil kühlt, aber wenn es sich um ein fertiges brennbares Gemisch (Benzin und Luft) handelt, geht auch Kraftstoff verloren. Daher ist es für den Hersteller wichtig, den Vorteil des zusätzlichen Gases (Gemisch) beizubehalten, ohne ein brennbares Gemisch zu verlieren.

Die Nocken der Nockenwelle erscheinen scharf geformt, aber die Nockenspitze bestimmt, wann das Ventil öffnet und schließt.

Bestimmung der Ventilsteuerzeiten

Das Öffnungs- und Schließmoment der Ventile wird durch die Form der Nocken auf der Nockenwelle bestimmt. Im Allgemeinen sehen diese Stollen "scharf" aus, aber dennoch dauert die Abwicklung. Die Nocken können aber auch mit einem flachen Oberteil, einer Art "Plateau" versehen werden, damit das Ventil noch länger geöffnet bleibt. Vor allem in der Vergangenheit, vor dem Eintritt von Kraftstoffeinspritzung und Elektronik war der Austausch der Nockenwelle der erste Schritt in steig auf eines Motors. Schließlich bestimmt die Ventilsteuerung die gesamte Atmung des Motors und die Montage z.B. eines größeren Vergaser es hatte keinen Sinn, wenn das zusätzlich verfügbare Benzin-Luft-Gemisch nicht eingeatmet werden konnte. Durch den Einbau einer "heißen" Nockenwelle ging zwar Kraftstoff verloren, aber das war sekundär zum verfügbaren Extra Leistung. Eine Standardnockenwelle wird auch als "zahme Nockenwelle" bezeichnet.

Ventildiagramm, TDC=Oberer Totpunkt, BDC=Unterer Totpunkt, IO=Einlassventil öffnet, IC=Einlassventil schließt, EO=Auslassventil öffnet, EC=Auslassventil schließt

Das Ventildiagramm

Die Ventilsteuerzeiten werden in einem Ventildiagramm angezeigt, haben jedoch ein Problem. Der Arbeitsprozess, der tatsächlich 720° Kurbelwellenumdrehung umfasst, ist in einem Kreis (360°) dargestellt. Dies ergibt ein verzerrtes Bild: Es scheint, dass es sowohl im oberen Totpunkt als auch im unteren Totpunkt eine Ventilüberschneidung gibt. In Wirklichkeit ist das nur im oberen Totpunkt, Ende des Auslasstakts, Beginn des Einlasstakts. Die untere Überlappung existiert nicht, der Kompressionshub und der Arbeitshub liegen dazwischen. Dieses Diagramm zeigt, dass das Einlassventil ca. 25° vor OT öffnet und ca. 25° nach OT schließt. Die Ventilöffnung beträgt somit 25 180 25 = 230°. Das Auslassventil öffnet 40° vor OT und schließt 10° nach OT und hat somit eine Öffnungszeit von 40 180 10 = 230°. Die Ventilüberschneidung beträgt 35°. Die zusätzliche Öffnungszeit der Ventile wird als „Voröffnen“ und „Nachschließen“ bezeichnet.

Fußnoten