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Effizienzsteigerung durch neue Ventilsteuerung

Valvematic spart bis zu 10 Prozent Kraftstoff

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Passau: Die Entwicklung effizienterer Ottomotoren geht einher mit den Fortschritten bei der Konstruktion des Ventiltriebs. Mehr Leistung bei weniger Verbrauch ist durch ausgeklügelte Steuerungsmechanismen bis hin zur Verdichtungsabsenkung beim Start darstellbar. Gerade moderne Start/Stopp-Systeme benötigen hochgradig variable Ventiltriebe um ihr volles Sparpotential auszuschöpfen. Derzeit lassen sich, so Peter Wandt, Toyota Manager für Advanced Technology, je nach Fahrsituation bis zu zehn Prozent Kraftstoffersparnis durch die von Toyota entwickelte Valvematic darstellen.

Die Optimierung des Ladungswechsels ist seit der Erfindung des Ottomotors eines der Kernziele der Motorenentwickler. Der maßgebliche Baustein dazu war die Erfindung des modernen Ventils und des Ventiltriebs. In den fünfziger und sechziger Jahren des vergangenen Jahrhunderts sorgten erste oben liegende Nockenwellen für mehr Leistung durch höhere Drehzahlen und schnelle Ladungswechsel. Mehrventil-Motoren kamen in den achtziger und neunziger Jahren in großer Zahl auf den Markt. Der erste Vierventilmotor von Toyota wurde 1983 vorgestellt. Zwei Jahre später folgte ein Dreiventiler als günstige Alternative für große Stückzahlen. Variable Ventiltriebe vermarktet der Konzern unter dem Kürzel VVT-i. Dabei setzt Toyota auf verstellbare Einlassnockenwellen. Die Konstruktion bietet Vorteile bei der Zuverlässigkeit weil sie weniger komplex ist.

Die Motorenentwickler setzten in der Masse bis in die neunziger Jahre hinein auf äußere Gemischbildung und Saugrohreinspritzung. Erst mit Beginn des aktuellen Jahrzehnts kommt verbreitet die innere Gemischbildung der Direkteinspritzung zum Zug. Ein möglichst variabler Ventiltrieb verspricht in dieser Konstellation bessere Effizienz im Sinne von höherer Leistung bei geringeren Emissionen.

Allerdings sind die Wirkungsgradsteigerungen physikalisch begrenzt. Verluste durch Wärme oder Reibung sowie die in der Teillast bislang verwendete Drosselklappe begrenzen die theoretisch mögliche Effizienz des Motors. Langfristig ist es das Ziel der Entwickler, auf die Drosselklappe im Ottomotor ganz zu verzichten und durch den entdrosselten Betrieb dem physikalischen Optimum möglichst nahe zu kommen. Motorseitig kann die Drosselklappe entfallen, wenn der Ventilhub auf der Einlassseite die Mengenregelung der Gemischbildung übernimmt. Die Herausforderung für die Entwickler liegt in der Abstimmung der Steuerzeiten.

Außerdem müssen die Entwickler auf die Belange der Konstruktion und Produktion Rücksicht nehmen. So darf die Bauhöhe des vollvariablen Ventiltriebs nicht höher sein als beim herkömmlichen Modell, um keine Zugeständnisse beim Fußgängerschutz eingehen zu müssen. Ferner sollte sie mit dem bislang verwendeten Zylinderkopf kompatibel sein, so dass ein Kopf entweder als normaler VVT-i- oder als Valvematic produziert werden kann.

Während bislang bei der Optimierung der Steuerung vornehmlich die Leistungssteigerung im Focus der Entwickler stand, liegt der Schwerpunkt heute in sparsamen Einsatz von Energie. Die Lösung der Toyota Techniker lautet Valvematic. Die stufenlose Ventilverstellung zwischen einem und elf Millimetern sorgt für einen weitgehend entdrosselten, und damit energieeffizienten Lauf des Motors. Die Drosselklappe kommt fast ausschließlich im Leerlauf zum Einsatz. Die Nockenwellenverstellung ermöglicht eine Verdichtungsabsenkung beim Start auf ein Verhältnis von 5:1 und passt damit hervorragend zu den Anforderungen, die moderne Start-Stopp-Systeme an den Motorlauf stellen.

Um die Effizienz-Vorteile eines vollvariablen Ventiltriebs optimal nutzen zu können, darf die Verstellung selbst nur minimale Energie kosten. Toyota setzt deshalb auf einen elektrischen statt einen hydraulischen Ventiltrieb. Zudem ist der Ventiltrieb äußerst steif ausgeführt, um Reibungsverluste zu minimieren. Einem geringen Energieeinsatz im Betrieb dienen auch die Ventilfedern mit verringerter Vorspannung.

Das Ergebnis der vielfältigen Optimierungsarbeiten lässt sich im Vierzylindermotor der Baureihe 3ZR-FE messen. So wurde das Ansprechverhalten des Zweiliter-Motors um 58 Prozent verbessert. Der Drehmomentverlauf ist über den gesamten Betriebsbereich deutlich fülliger und gleichmäßiger. Die Leistung stieg um 11 kW von 105 kW auf nunmehr 116 kW. Gleichseitig sanken der Verbrauch und damit die CO2-Emision um 10 Prozent.