Nockenwellenversteller als moderner Weg zur Leistungs- und Effizienzsteigerung

Was ist eine Nockenwellenverstellung?

Eine Nockenwellenverstellung ist ein Verfahren, mit dem die Ventilöffnungszeiten eines Viertaktmotors flexibel gesteuert werden können. Auf diese Art ist eine Effizienzsteigerung des Motors möglich. Diese Steigerung kann Leistung und Drehmoment erhöhen oder den Kraftstoffverbrauch senken. Die Nockenwelle selbst wird dabei nicht verändert, sondern nur deren Drehwinkel oder Ventilhub. Daher wird die Nockenwellenverstellung auch variable Ventilsteuerung oder variable Nockenwellensteuerung genannt. Sie steht damit im Gegensatz zur einmaligen Einstellung der Steuerzeiten, die erfolgt, wenn der Motor montiert wird.

Wie wirkt ein Nockenwellenversteller auf den Motor?

Normalerweise wird die Nockenwelle über Kette, Zahnräder, Zahnriemen oder Königswelle von der Kurbelwelle angetrieben. Daher ist die Relation der Umdrehungen von Kurbelwelle und Nockenwelle bei einem klassischen Viertaktmotor in allen Drehzahlbereichen gleich: Das Nockenwellenrad hat immer eine doppelt so grosse Zähnezahl wie das Kurbelwellenrad, sodass sich die Nockenwelle immer genau halb so schnell dreht wie die Kurbelwelle. Die Ventilöffnungszeiten (die sogenannten Steuerzeiten) sind somit festgelegt und bei allen Drehzahlen immer gleich, da sie von den Umdrehungen der Nockenwelle abhängen. Ein Nockenwellenversteller hebt diese starre Relation von Drehzahl und Steuerzeiten auf und ermöglicht eine variable Ventilsteuerung in Abhängigkeit von Drehzahl und Motorlast.

Wie beeinflusst ein Nockenwellenversteller die Steuerzeiten?

Das Geheimnis des Nockenwellenverstellers liegt in der Beeinflussung der Überschneidungszeiten: Bei jedem Viertaktmotor sind Ein- und Auslassventile bei jedem Arbeitstakt für eine kurze Zeit gleichzeitig geöffnet; dieser Zeitraum wird als Überschneidungszeit bezeichnet. Mit einer Verlängerung der Überschneidungszeit lässt sich die Leistung des Motors bei hohen Drehzahlen erhöhen, weil dann mehr Luft in den Zylinder gelangt, was eine Leistungssteigerung bewirkt. Bei niedrigen Drehzahlen sinkt jedoch durch eine längere Überschneidungszeit das Drehmoment, weil Abgas zurück in den Brennraum des Zylinders gesaugt wird. Daher ist eine generelle Verlängerung der Überschneidungszeit nicht sinnvoll. Ein Nockenwellenversteller steuert Ein- und Auslasszeiten und damit die Überschneidungszeit flexibel in Abhängigkeit von Drehzahl und Motorlast. So lässt sich bei allen Drehzahlen eine optimal angepasste Luftfüllung des Zylinders erreichen.

Welche Konstruktionsprinzipien gibt es bei Nockenwellenverstellern?

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Nockenwellenverstellung. Prinzipiell unterscheidet man zwischen Phasenverstellung und Ventilhubverstellung:

• Bei einer Phasenverstellung werden die Ventile bei Bedarf früher oder später geöffnet. Am weitesten verbreitet ist der hydraulische Phasenversteller, bei dem ein mit Motoröldruck betriebener Schwenkmotorphasenversteller die Ventilöffnungszeiten beeinflusst. Diese hydraulische Nockenwellenverstellung hat jedoch gewisse Grenzen in Bezug auf die Optimierbarkeit, sodass die meisten Hersteller heute elektromechanische Nockenwellenversteller verwenden.
• Alternativ kann eine Leistungssteigerung auch durch eine Veränderung des Ventilhubs erreicht werden, die bereits bei niedrigen Drehzahlen eine Erhöhung des Drehmoments erreicht und damit den Nachteil der Phasenverstellung ausgleicht.

Welche Nockenwellenversteller werden in heutigen Fahrzeugen verwendet?

Fast alle Autohersteller bieten heute Technologien und verschiedene Produkte zur Nockenwellenverstellung an. Ursprünglich wurden Nockenwellenversteller vor allem zur Leistungssteigerung bei den Spitzenmodellen eingesetzt, heute werden sie zum Zweck der Verbrauchs- und Abgasoptimierung auch bei anderen Fahrzeugen immer üblicher. Die von den Herstellern angewendeten Technologien unterscheiden sich in ihren Details. So werden etwa bei Porsche Nocken mit unterschiedlichen Laufflächen in Kombination mit mehrteiligen Stösseln verwendet, andere Hersteller justieren den Ventilhub mit veränderbaren Umlenkwinkeln. Hondas System i-VTEC verwendet eine Kombination aus Nocken mit unterschiedlicher Höhe und schaltbare Kipphebel. Bei Audi, VW und Mercedes sind Systeme mit hydraulischem Kettenspanner im Einsatz. Honda und BMW setzen bei ihren Fahrzeugen auf einen variablen Ventiltrieb mit Nockenumschaltung.

Welche Hersteller bieten welche Systeme an?

Die verschiedenen Hersteller bieten ihre Produkte unter jeweils eigenen Markennamen an, meist Buchstabenkürzel. So heisst die Technologie bei Nissan "Neo VVL", bei Ford "Ti-VCT" ("Twin independent Variable Cam Timing"), bei Porsche VarioCam und bei BMW VANOS ("variable Nockenwellensteuerung"). Bei BMW gibt es auch eine vollvariable Ventilsteuerung unter dem Namen Valvetronic. Audi und Mercedes-Benz setzen dagegen auf das Prinzip der Hubverstellung mit ihren Systemen AVS (Audi Valvelift System) und Camtronic (Mercedes-Benz).

Wie sieht es mit dem Wartungsaufwand und Ersatzteilen aus?

Defekte Nockenwellenversteller machen sich meist zuerst durch ein rasselndes Geräusch bemerkbar, dass während eines Kaltstarts auftritt und gleich wieder verschwindet. Grundsätzlich kann man mit einem defekten Nockenwellenversteller zwar noch fahren, das Auto sollte aber möglichst bald in die Werkstatt, weil sonst Schäden bis hin zu einem kapitalen Motorschaden möglich sind. So kann der Nockenwellenversteller zerstört werden und Kleinteile in den Ölkreislauf gelangen oder die Ventile verbrennen. Da ein schadhafter Nockenwellenversteller oft nicht sofort erkannt wird, raten viele Hersteller dazu, ihn in regelmässigen Wartungsintervallen gegen ein Ersatzteil auszutauschen. Dafür müssen zunächst Zahnriemen oder Steuerkette und dann die Nockenwelle ausgebaut werden, eher der Nockenwellenversteller ausgetauscht werden kann. Durch den hohen Arbeitsaufwand ist diese Reparatur recht kostspielig, sodass es sinnvoll ist, gegebenenfalls auch gleich andere Ersatzteile einzubauen. Auch bei einem Gebrauchtwagenkauf sollte daher auf den Zustand des Nockenwellenverstellers geachtet werden.