Interaktive Animation zur Steuerung eines Viertaktmotors

Warum Steuerzeiten über die Leistung entscheiden

Ob ein Viertaktmotor bei niedrigen Drehzahlen zieht oder erst bei hohen Drehzahlen Leistung liefert, hängt von den Steuerzeiten ab. Sie bestimmen, wann Einlassventil und Auslassventil öffnen und schließen. Eine Verschiebung um 10 bis 20 Grad verändert Füllung, Drehmoment und Emissionen. Deshalb besitzen Serienmotoren eine variable Ventilsteuerung.

Meist kommt ein Nockenwellenversteller zum Einsatz. Er verschiebt die Steuerzeiten im Betrieb.

Die Animation zeigt einen Viertaktmotor mit einem Zylinder im Schnitt zusammen mit einem Steuerdiagramm in Spiralform. Kurbeltrieb und Ventiltrieb bewegen sich mit dem Kurbelwinkel. Der Ladungswechsel wird farbig dargestellt. Ein Marker verknüpft jede Kurbelstellung mit dem Punkt im Steuerdiagramm.

Über einen Schieberegler lässt sich die Nockenwelle um ±30° Kurbelwinkel verstellen. Steuerdiagramm, Bemaßungen und Gaswechsel folgen der Verstellung. Eine Detailansicht zeigt den Ventiltrieb vergrößert.

Beschreibung der Animation

Links arbeitet der Motor im Schnitt. Schwungrad mit Kurbelwange, Pleuel und Kolben bilden den Kurbeltrieb. Darüber sitzt der Ventiltrieb mit Nockenwelle, zwei Kipphebeln und den Ventilen für Einlass und Auslass. Zündkerze und Einspritzventil befinden sich im Zylinderkopf, unten ist die Ölwanne angedeutet.

Der Zylinderinhalt wird über Farbflächen sichtbar. Die Frischladung strömt blau durch das Einlassventil ein. Mit der Einspritzung nimmt sie einen gelblichen Ton an. Beim Verdichten verfärbt sich die Ladung bis ins Rot.

Die Verbrennung läuft als Flammfront nach unten durch den Brennraum. Das Abgas verlässt den Zylinder grau durch das Auslassventil. Ein blauer Zündblitz an der Kerze und ein gelber Sprühkegel am Einspritzventil markieren die Zeitpunkte.

Die Farbflächen folgen keinem Schema. Sie werden aus den Ventilöffnungen und der Kolbengeschwindigkeit berechnet. Verstellt man die Nockenwelle, ändert sich auch das Füllen und Entleeren des Zylinders.

Oben links zeigt ein Sichtfenster den Ventiltrieb in zweifacher Vergrößerung. Dort sind das Abheben der Ventile, das Abwälzen der Nocken und der Spalt bei der Ventilüberschneidung zu erkennen. In der Gesamtansicht werden diese Details übersehen.

Rechts läuft das Steuerdiagramm mit. Unter dem Kurbelwinkelregler zeigt ein farbiger Balken die Länge der vier Takte. Auch er passt sich der Verstellung an.

Das Steuerdiagramm lesen

Ein Arbeitsspiel dauert zwei Kurbelwellenumdrehungen. In einem Kreisdiagramm würden sich die 720° überlagern. Das Diagramm ist deshalb als Spirale ausgeführt: Der Kurbelwinkel läuft als Winkel um das Zentrum, der Radius wächst über die zwei Umdrehungen stetig.

Die erste Umdrehung liegt innen, die zweite außen. Jeder Kurbelwinkel des Arbeitsspiels hat seinen eigenen Punkt.

So findet man sich zurecht:

Farbabschnitte: Blau = Ansaugen, Rot = Verdichten, Gelb = Arbeiten, Grau = Ausstoßen. Die Abschnitte beginnen und enden dort, wo die Ventile öffnen und schließen, nicht bei 0°, 180°, 360° und 540°.
Linien für OT und UT: Zwei gestrichelte Bezugslinien markieren den oberen und den unteren Totpunkt. Alle Winkelbemaßungen beziehen sich auf sie.
Ventilüberschneidung: Der graue Ausstoßabschnitt läuft über den Beginn des blauen Ansaugabschnitts hinaus. Dieser doppelt belegte Bereich ist die Überschneidung. Zwei Winkelmaße beschreiben ihn: „Einlass öffnet vor OT“ und „Auslass schließt nach OT“.
Verdichtungs und Ausstoßbeginn: Zwei weitere Bemaßungen geben an, um wie viel Grad „Einlass schließt“ hinter dem UT liegt und um wie viel Grad „Auslass öffnet“ vor dem UT liegt (Vorauslass).
Zündmarke: Ein blauer Blitz am Übergang von Rot zu Gelb markiert den Zündzeitpunkt.
Marker: Ein Punkt läuft mit dem Kurbelwinkel auf der Spirale. Im Überschneidungsbereich erscheint ein zweiter, blauer Marker. Derselbe Kurbelwinkel liegt dort auf dem grauen und auf dem blauen Ast zugleich.

Bauteilübersicht

Die Animation zeigt Bauteile im Zusammenspiel. Die Tabelle erläutert die Komponenten:

Bauteil	Funktion
Kurbelwelle	Wandelt die Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um.
Schwungrad	Speichert Rotationsenergie und überbrückt die drei antriebslosen Takte. In der Animation als großes Rad an der Kurbelwelle sichtbar.
Pleuelstange	Verbindet Kolben und Kurbelwelle und überträgt die Kraft zwischen beiden.
Kolben	Bewegt sich im Zylinder auf und ab. Er verdichtet die Ladung und nimmt den Verbrennungsdruck auf.
Zylinder	Der Raum, in dem sich der Kolben bewegt. Sein Volumen bestimmt den Hubraum.
Zylinderkopf	Schließt den Zylinder nach oben ab. Er enthält Ventile, Zündkerze und Einspritzventil.
Nockenwelle	Dreht sich mit halber Kurbelwellendrehzahl. Über das Nockenprofil steuert sie, wann und wie weit die Ventile öffnen. Im Schnitt liegen beide Nocken übereinander. Ihr Winkelversatz erzeugt den Abstand zwischen den Steuerzeiten für Einlass und Auslass.
Nockenwellenversteller	Verdreht die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle und verschiebt alle Steuerzeiten gemeinsam. In der Animation über den Schieberegler bedienbar.
Kipphebel	Hebel, der den Nockenhub auf das Ventil überträgt.
Einlassventil	Öffnet um den oberen Totpunkt und lässt Frischladung in den Zylinder. Es schließt erst nach dem unteren Totpunkt.
Auslassventil	Öffnet vor dem unteren Totpunkt (Vorauslass) und lässt Abgas aus dem Zylinder.
Zündkerze	Erzeugt den Funken, der das verdichtete Gemisch entzündet.
Einspritzventil	Spritzt eine dosierte Kraftstoffmenge ein. In der Animation als gelber Sprühkegel während des Ansaugtakts dargestellt.
Ölwanne	Sammelt das Schmieröl im Kurbelgehäuse. In der Animation als Fläche unterhalb der Kurbelwelle angedeutet.

Interaktive Steuerung

Über die Schieberegler können folgende Parameter eingestellt werden:

Kurbelwinkel (0–720°): Drehstellung der Kurbelwelle. Ein Arbeitsspiel umfasst zwei Umdrehungen. Der farbige Balken unter dem Regler zeigt den Takt an.
Drehzahl (3000–4500 min^-1): Motordrehzahl. Sie beeinflusst den Zündzeitpunkt, da der Zündvorlauf mit der Drehzahl wächst. Die Anzeige unten links zeigt den Vorlaufwinkel. Die Zündmarke im Steuerdiagramm wandert entsprechend.
Nockenwellenversteller (−30° bis +30° KW): Verschiebt die Steuerzeiten gegenüber der Kurbelwelle. Negative Werte bedeuten „früher“, positive Werte „später“. Die Öffnungsdauern bleiben unverändert. Es verschiebt sich nur die Lage im Arbeitsspiel.

Die Taste zum Starten und Stoppen setzt den Motor in Bewegung oder hält ihn an.

Die vier Takte

Ansaugen: Der Kolben bewegt sich nach unten, das Einlassventil ist offen. Frisches Gemisch strömt in den Zylinder. Die blaue Füllung, die durch das linke Ventil einströmt, zeigt dies. Im Steuerdiagramm läuft der Marker auf dem blauen Abschnitt.
Verdichten: Beide Ventile sind geschlossen, der Kolben bewegt sich nach oben. Druck und Temperatur steigen. Die Zylinderladung verfärbt sich von Blau über Gelb bis ins Rot. Der Takt beginnt mit dem Schließen des Einlassventils, nicht im UT.
Arbeiten: Vor dem oberen Totpunkt wird gezündet (blauer Blitz an der Kerze). Eine Flammfront läuft nach unten durch den Brennraum und treibt den Kolben abwärts. Dies ist der einzige Takt, in dem Arbeit an die Kurbelwelle abgegeben wird.
Ausstoßen: Das Auslassventil öffnet vor dem unteren Totpunkt. Der Kolben schiebt das graue Abgas aus dem Zylinder. Der Takt endet nach dem oberen Totpunkt. Der graue Abschnitt steht daher über den Beginn des blauen im Steuerdiagramm hinaus.

Steuerzeiten im Detail

Ventilüberschneidung

Beim Übergang vom Ausstoßen zum Ansaugen sind beide Ventile für einen Kurbelwinkelbereich gleichzeitig offen. Diese Ventilüberschneidung verbessert den Gaswechsel. Die ausströmende Abgassäule besitzt Trägheit und zieht Frischladung nach. Gleichzeitig wird der Brennraum von Restgas gespült.

Den Kurbelwinkelregler auf etwa 0° oder 720° stellen, um dies zu beobachten. Beide Ventile stehen offen – im Sichtfenster besonders gut zu sehen. Im Zylinder sind gleichzeitig graues Abgas und blaue Frischladung vorhanden.

Eine große Überschneidung begünstigt hohe Drehzahlen. Sie verschlechtert Leerlauf und Teillast, weil Restgas in den Ansaugtrakt zurückgedrückt wird. Hier setzt die Verstellung an.

„Einlass schließt“ – der Einzelwert mit dem größten Einfluss

Das Einlassventil schließt nicht im unteren Totpunkt, sondern danach. Die einströmende Gassäule besitzt Massenträgheit und strömt nach, obwohl der Kolben bereits aufwärts geht (Nachladeeffekt). Bei hoher Drehzahl ist dieser Effekt stark. Bei niedriger Drehzahl schiebt der Kolben die Ladung teilweise in den Ansaugkanal zurück.

Der Schließzeitpunkt bestimmt das effektive Verdichtungsverhältnis. Erst ab hier wird verdichtet.

Vorauslass

Das Auslassventil öffnet vor dem unteren Totpunkt. Am Ende der Expansion geht etwas Arbeit verloren. Dafür ist der Zylinderdruck zu Beginn des Ausschiebens abgebaut, die Ausschiebearbeit sinkt. Die Steuerzeit ist ein Kompromiss zwischen diesen beiden Verlusten.

Was der Nockenwellenversteller bewirkt

Der Motor der Animation besitzt eine Nockenwelle für beide Ventile. Der Versteller verdreht sie als Ganzes gegenüber der Kurbelwelle. Alle vier Steuerzeiten wandern um denselben Betrag. Die Öffnungsdauern und die Überschneidung bleiben konstant. Nur die Lage im Arbeitsspiel ändert sich.

Die Nockenwelle dreht halb so schnell wie die Kurbelwelle. Eine Verstellung um 30° Kurbelwinkel entspricht einer Verdrehung der Nockenwelle um 15°.

Verstellung	Wirkung auf die Steuerzeiten	Motorisches Verhalten
Früh (negative Werte)	Einlass öffnet und schließt früher; Auslass öffnet und schließt früher	Bessere Füllung bei niedrigen Drehzahlen, mehr Drehmoment; dafür größerer Vorauslass und weniger Nachladeeffekt oben
Grundstellung (0°)	Auslegung für den mittleren Drehzahlbereich	Kompromiss
Spät (positive Werte)	Einlass öffnet und schließt später; Auslass öffnet und schließt später	Nachladeeffekt bei hoher Drehzahl wird genutzt, mehr Spitzenleistung; unten Füllungsverlust, weil Ladung zurückgeschoben wird

In der Animation lässt sich das nachvollziehen. Zieht man den Regler nach links oder rechts, drehen sich die Farbabschnitte der Spirale mit. Die Winkelbemaßungen ändern ihre Werte, der Taktbalken unter dem Kurbelwinkelregler verschiebt sich.

Startet man die Animation, ändert sich auch der Farbverlauf im Zylinder. Bei später Verstellung strömt die blaue Frischladung länger nach. Bei früher Verstellung öffnet das Auslassventil eher.

Reale Motoren gehen weiter. Mit zwei Nockenwellen (DOHC) lassen sich Einlass und Auslass unabhängig verstellen. Die Überschneidung wird dann selbst veränderbar. Manche Ventiltriebe passen zusätzlich Hub und Öffnungsdauer an.

Physikalischer Hintergrund

Die Nockenwelle läuft mit halber Kurbelwellendrehzahl. Pro Arbeitsspiel – also pro zwei Kurbelumdrehungen – öffnet jedes Ventil nur einmal:

\[ n_{\text{NW}} = \frac{n}{2} \]

Dieses Drehzahlverhältnis lässt sich beobachten. Während das Schwungrad zwei Umdrehungen ausführt, dreht sich die Nockenwelle im Zylinderkopf einmal. Den Kurbelwinkelregler von 0° auf 720° ziehen und dabei die Nocken im Sichtfenster verfolgen.

Der Ventilhub folgt aus dem Nockenhub über das Hebelarmverhältnis des Kipphebels:

\[ h_{\text{V}} = h_{\text{N}} \cdot \frac{l_{\text{V}}}{l_{\text{N}}} \]

\( h_{\text{V}} \) – Ventilhub
\( h_{\text{N}} \) – Nockenhub über dem Grundkreis
\( l_{\text{V}} \), \( l_{\text{N}} \) – Hebelarme auf Ventilseite und Nockenseite

Das Nockenprofil besteht aus einem Grundkreis und einer tangential angesetzten Nase. Solange der Kipphebel auf dem Grundkreis abläuft, bleibt das Ventil geschlossen. Erst der über den Grundkreis hinausragende Teil der Nase erzeugt Hub.

Die Öffnungsdauer ist eine Eigenschaft des Profils. Sie lässt sich durch Verdrehen der Welle nicht ändern, nur verschieben.

Drehzahlabhängiger Zündzeitpunkt

Die Flammfront breitet sich mit etwa 20 m/s im Brennraum aus. Der Druckhöchstwert soll nach dem oberen Totpunkt erreicht werden, dort wo der Hebelarm der Kurbel groß ist. Der Zündzeitpunkt muss deshalb bei höheren Drehzahlen weiter vorverlegt werden.

Die Anzeige unten links nennt den Vorlaufwinkel, die Flammenlaufzeit in Grad und den Flammweg in Millimetern. Verstellt man die Drehzahl von 3000 auf 4500 min^-1, bleibt der Flammweg gleich, der Vorlaufwinkel wächst. Die Zündmarke im Steuerdiagramm wandert entsprechend.

Einsatz im Unterricht

Aufgabenstellungen, die sich mit der Animation bearbeiten lassen:

Lest in der Grundstellung alle vier Steuerzeiten ab. Tragt sie in ein eigenes Steuerdiagramm ein.
Bestimmt die Öffnungsdauer des Einlassventils in Grad Kurbelwinkel. Prüft, ob sie sich beim Verstellen der Nockenwelle ändert. Begründet das Ergebnis.
Stellt den Versteller auf −30° und auf +30°. Welcher Winkel bleibt konstant, welche ändern sich? Was bedeutet das für die Ventilüberschneidung?
Fahrt den Kurbelwinkel durch den Bereich um 720°. Ab welchem Winkel sind beide Ventile offen, ab welchem nur noch eines?
Notiert den Zündvorlauf bei 3000, 3600 und 4500 min^-1. Stellt den Zusammenhang grafisch dar und erklärt ihn über die konstante Flammgeschwindigkeit.

Geschichtlicher Hintergrund

Alphonse Beau de Rochas beschrieb das Viertaktprinzip 1862. Nikolaus August Otto baute 1876 in Köln den ersten Viertaktmotor. Über Jahrzehnte waren die Steuerzeiten fest vorgegeben und stellten einen Kompromiss dar. Ein auf Drehmoment ausgelegter Nockenwellensatz kostete Spitzenleistung; ein auf Leistung ausgelegter ruinierte Leerlauf und Verbrauch.

1960er/70er: Erste Nockenwellenversteller mit Hydraulik im Rennsport und bei Nutzfahrzeugen.
1983: Alfa Romeo bringt mit dem Spider 2.0 einen der ersten Serien Pkw mit elektronisch gesteuerter Einlassnockenwellenverstellung.
1989: Honda stellt VTEC vor, eine Umschaltung zwischen zwei Nockenprofilen. Hub und Öffnungsdauer werden damit variabel.
1990er/2000er: Verstellung auf beiden Nockenwellen wird zum Standard. BMW führt mit Valvetronic einen variablen Ventilhub ein.
Heute: Variable Steuerzeiten sind Voraussetzung für Betrieb nach Miller und Atkinson, für interne Abgasrückführung und für aufgeladene Motoren.

Anwendungen in der Praxis

Motoren im Pkw: Nockenwellenverstellung gehört zur Grundausstattung jedes Ottomotors.
Motorräder: Große Überschneidungen und späte Einlassschließzeiten ermöglichen hohe Literleistungen bei hohen Drehzahlen.
Kleinmotoren: Rasenmäher und Stromerzeuger arbeiten mit festen Steuerzeiten. Sie laufen in einem Betriebspunkt.
Hybridantriebe: Betrieb nach dem Atkinsonprinzip über spätes Einlassschließen ist ein Baustein moderner Vollhybride.

Überblick

Titel	Steuerzeiten und Nockenwellenverstellung am Viertaktmotor
Zielgruppe	Lehrer/innen und Vortragende
Features	Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt Detailansicht des Ventiltriebs vergrößert Steuerdiagramm mit automatischer Winkelbemaßung
Lizenz	MIT Die in der Software enthaltene technische Zeichnung des Motors ist nicht Bestandteil der MIT Lizenz. Die Urheberrechte liegen bei Ulrich Rapp.

Mitwirkende

C. Hein, S. Rikowski

Quellenangaben

Technische Zeichnung des Motors: in Anlehnung an Ulrich Rapp (http://www.ulrich-rapp.de/stoff/fahrzeug/motor/index.htm)