Die Abkürzung VTEC lässt sich wie folgt entschlüsseln: Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. Dieser Mechanismus soll den Fluss des Luft-Kraftstoff-Gemisches in die Brennräume optimieren.
Der Verbrennungsmotor wandelt die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie in Wärmeenergie um. Diese Umwandlung findet bei der Verbrennung des brennbaren Gemisches statt. Dadurch erhöhen sich die Temperatur und der Druck im Zylinder. Unter Druck bewegen sich die Motorkolben nach unten und setzen die Kurbelwelle in Bewegung. Auf diese Weise wird die chemische Energie in mechanische Bewegung umgewandelt. Die mechanische Kraft wird durch die Höhe des Drehmoments bestimmt. Die Fähigkeit eines Motors, ein bestimmtes Drehmoment bei einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen pro Minute aufrechtzuerhalten, wird als Leistung definiert. Die Leistung bestimmt, wie viel Arbeit ein Motor erzeugen kann. Der gesamte Prozess, den ein Verbrennungsmotor durchführt, ist nicht zu 100 % effizient. Tatsächlich werden nur etwa 30 % der Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie umgewandelt.
Die theoretische Physik besagt, dass bei diesem Wirkungsgrad mehr Kraftstoff verwendet werden muss, um eine hohe Leistung des Motors zu erreichen: Das Ergebnis ist eine deutliche Leistungssteigerung. Es liegt auf der Hand, dass in diesem Fall ein Motor mit einem großen Arbeitsvolumen verwendet werden muss und die Grundsätze der Wirtschaftlichkeit in Frage gestellt werden. Die andere Methode sieht vor, dass das Kraftstoffgemisch mit Hilfe einer Turbine vorkomprimiert wird und dann in kleinen Zylindern verbrannt wird. Aber auch in diesem Fall wird der Kraftstoffverbrauch erschreckend hoch sein. Honda ging seinerzeit einen anderen Weg und begann mit der Forschung zur Optimierung des Verbrennungsmotors. Das Ergebnis war die VTEC-Technologie, die dem Motor eine hervorragende Wirtschaftlichkeit bei niedrigen Drehzahlen und eine hohe Leistung beim „Kurbeln“ verleiht.
Wie VTEC funktioniert
Die Abkürzung VTEC lässt sich wie folgt entschlüsseln: Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. Dieser Mechanismus soll den Fluss des Luft-Kraftstoff-Gemisches in die Brennräume optimieren.
Der Verbrennungsmotor wandelt die im Kraftstoff gespeicherte chemische Energie in Wärmeenergie um. Diese Umwandlung findet bei der Verbrennung des brennbaren Gemisches statt. Dadurch erhöhen sich die Temperatur und der Druck im Zylinder. Unter Druck bewegen sich die Motorkolben nach unten und setzen die Kurbelwelle in Bewegung. Auf diese Weise wird die chemische Energie in mechanische Bewegung umgewandelt. Die mechanische Kraft wird durch die Höhe des Drehmoments bestimmt. Die Fähigkeit eines Motors, ein bestimmtes Drehmoment bei einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen pro Minute aufrechtzuerhalten, wird als Leistung definiert. Die Leistung bestimmt, wie viel Arbeit ein Motor erzeugen kann. Der gesamte Prozess, den ein Verbrennungsmotor durchführt, ist nicht zu 100 % effizient. Tatsächlich werden nur etwa 30 % der Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie umgewandelt.
Die theoretische Physik besagt, dass bei diesem Wirkungsgrad mehr Kraftstoff verwendet werden muss, um eine hohe Leistung des Motors zu erreichen: Das Ergebnis ist eine deutliche Leistungssteigerung. Es liegt auf der Hand, dass in diesem Fall ein Motor mit einem großen Arbeitsvolumen verwendet werden muss und die Grundsätze der Wirtschaftlichkeit in Frage gestellt werden. Die andere Methode sieht vor, dass das Kraftstoffgemisch mit Hilfe einer Turbine vorkomprimiert wird und dann in kleinen Zylindern verbrannt wird. Aber auch in diesem Fall wird der Kraftstoffverbrauch erschreckend hoch sein. Honda ging seinerzeit einen anderen Weg und begann mit der Forschung zur Optimierung des Verbrennungsmotors. Das Ergebnis war die VTEC-Technologie, die dem Motor eine hervorragende Wirtschaftlichkeit bei niedrigen Drehzahlen und eine hohe Leistung beim „Kurbeln“ verleiht.
Wie VTEC funktioniert
Zwei Algorithmen
Vergleicht man die Drehzahlcharakteristik verschiedener Motoren, so ist leicht zu erkennen, dass einige Motoren ihr maximales Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen (im Bereich von 1800-3000 U/min) erreichen, andere bei höheren (im Bereich von 3000-4500 U/min). Es stellt sich heraus, dass es einen Zusammenhang zwischen der Art und Weise gibt, wie die Nocken, die die Ventile öffnen, auf der Nockenwelle angebracht sind, und der Leistung, die der Motor bei verschiedenen Kurbelwellendrehzahlen entwickelt. Um zu verstehen, wie es dazu kommt, stellen Sie sich einen Motor vor, der extrem langsam läuft. Bei 10-20 Umdrehungen pro Minute dauert der Arbeitszyklus in einem Zylinder beispielsweise 1 Sekunde. Wenn sich der Kolben absenkt, öffnet sich das Einlassventil, so dass das brennbare Gemisch den Zylinder füllen kann, und schließt sich, wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht. Wenn der Verbrennungszyklus abgeschlossen ist, beginnt der Kolben, sich nach oben zu bewegen. Dadurch wird das Auslassventil geöffnet, so dass die Abgase das Arbeitsvolumen des Zylinders verlassen können, und es wird geschlossen, wenn der Kolben den oberen Totpunkt erreicht. Ein solcher Algorithmus wäre ideal, wenn der Motor mit minimaler Drehzahl laufen würde. Im wirklichen Leben ist der Motor jedoch viel kräftiger.
Wenn der Rhythmus des Motors zunimmt, hält der beschriebene Algorithmus der Kritik einfach nicht stand. Erreicht die Kurbelwellendrehzahl 4000 pro Minute, öffnen und schließen sich die Ventile 2000 Mal pro Minute, also 30-40 Mal pro Sekunde. Bei dieser Geschwindigkeit ist es für den Kolben äußerst schwierig, die erforderliche Menge an brennbarem Gemisch in den Zylinder zu saugen. Das heißt, es entstehen Pumpverluste durch den Ansaugwiderstand, und das ist der Hauptgrund, warum der Wirkungsgrad des Motors sinkt. Um dem Motor den Betrieb bei höheren Drehzahlen zu erleichtern, muss z. B. das Einlassventil weiter geöffnet werden. Natürlich ist dies eine vereinfachte Beschreibung der Funktionsweise, aber sie vermittelt eine allgemeine Vorstellung. Ein solcher Algorithmus ist jedoch bei niedrigen Drehzahlen nicht sinnvoll: Die Anpassung der Nockenwelle „an die Drehzahl“ führt nur zu einem höheren Kraftstoffverbrauch. Um eine bessere Effizienz zu erreichen, müssen daher beide Betriebsalgorithmen kombiniert werden, die im VTEC-Mechanismus enthalten sind.
Das 1989 eingeführte VTEC-System wurde zweimal weiterentwickelt, und heute haben wir es mit seiner dritten Serie zu tun. Das VTEC-System nutzt die Vorteile von Elektronik und Mechanik und ermöglicht es dem Motor, die Fähigkeiten von zwei Nockenwellen gleichzeitig zu verwalten, oder, in vereinfachten Versionen, eine. Durch die Kontrolle der Motordrehzahl und der Betriebsbereiche kann der Computer zusätzliche Nockenwellen aktivieren, um den besten Betriebsmodus zu wählen.
DOHC VTEC.
Im Jahr 1989 kamen zwei Modifikationen des Honda Integra, der RSi und XSi, mit dem ersten Motor mit DOHC-VTEC-System auf den japanischen Inlandsmarkt. Sein Aggregat Modell B16A mit einem Hubraum von 1,6 Litern hat 160 PS erreicht, zeichnet sich aber gleichzeitig durch gute Traktion bei niedrigen Geschwindigkeiten, Kraftstoffeffizienz und Umweltfreundlichkeit aus. Fans der Marke Honda kennen und schätzen diesen großartigen Motor noch heute, zumal seine immer wieder verbesserte Version auch heute noch in den Civic-Modellen eingesetzt wird.
Der DOHC-VTEC-Motor hat zwei Nockenwellen (eine für die Einlassventile und eine für die Auslassventile) und vier Ventile pro Zylinder. Für jedes Ventilpaar gibt es eine spezielle Konstruktion – eine Gruppe von drei Nocken. Wenn es sich also um einen Vierzylindermotor mit 16 Ventilen und zwei Nockenwellen handelt, gibt es 8 solcher Gruppen. Jede Gruppe ist für ein anderes Ventilpaar zuständig. Zwei Nocken befinden sich an den Außenseiten der Gruppe und sind für die Ventiltätigkeit bei niedrigen Drehzahlen zuständig, während der mittlere Nocken bei hohen Drehzahlen angeschlossen ist. Die äußeren Nocken stehen in direktem Kontakt mit den Ventilen: Sie senken diese über Kipphebel (Rocker) ab. Der einzelne mittlere Nocken dreht sich vorerst im Leerlauf auf seinem Kipphebel, der bei Erreichen einer bestimmten hohen Kurbelwellendrehzahl aktiviert wird. Dieses Mittelteil ist dann für das Öffnen und Schließen der Ventile zuständig, wobei es als spezieller Zwischenmechanismus fungiert.
Wenn der Motor bei niedriger Drehzahl läuft, werden die Einlass- und Auslassventilpaare durch ihre jeweiligen Nocken geöffnet. Ihre Form ist, wie bei den meisten ähnlichen Motoren, elliptisch. Diese Nocken können jedoch nur bei niedrigen Drehzahlen für einen wirtschaftlichen Motorbetrieb sorgen. Wenn die Nockenwelle eine hohe Drehzahl erreicht, wird ein spezieller Mechanismus in Gang gesetzt. „Unbesetzt“ durch diese Arbeit dreht sich der mittlere Nocken, und zwar ohne jede Auswirkung auf den mittleren Kipphebel, der in keiner Weise mit den Ventilen verbunden ist. Alle drei Kipphebel haben jedoch Löcher, in die eine Metallstange unter hohem Öldruck getrieben wird. So wird die Gruppe starr fixiert und arbeitet anschließend als eine Einheit. Hier kommt der bisher ruhende mittlere Nocken ins Spiel. Sie hat eine länglichere Form und deshalb fallen beim Drücken alle drei Kipphebel und damit die Ventile viel tiefer und bleiben länger geöffnet. In diesem Fall kann der Motor freier atmen, ein hohes Drehmoment entwickeln und halten und eine gute Leistung haben.
SOHC VTEC
Nach dem Erfolg des DOHC-VTEC-Systems ging Honda mit noch größerem Eifer an die Entwicklung und Nutzung seiner Innovation heran. VTEC-Motoren erwiesen sich als zuverlässig und sparsam und boten eine brauchbare Alternative zu größeren Hubräumen oder dem Einsatz von Turbinen. Aus diesem Grund wurde das SOHC-VTEC-System etwas später eingeführt. Wie sein „Gegenstück“ DOHC sollte auch diese Neuheit die Motorleistung in verschiedenen Betriebsarten optimieren. Aufgrund der einfachen Konstruktion und der bescheideneren Leistung wurden SOHC-VTEC-Motoren jedoch in kleineren Stückzahlen produziert. Einer der ersten Motoren, die dieses vereinfachte System verwendeten, war der verbesserte D15B, der 130 PS bei einem Hubraum von 1,5 Litern leistete. Dieser Motor wurde 1991 in den Honda Civic eingebaut.
Der SOHC-Motor hat eine einzige Nockenwelle für den gesamten Zylinderblock. Einlass- und Auslassnocken befinden sich also auf der gleichen Achse. Es gibt aber auch Dreiergruppen mit jeweils einem speziellen Mittelnocken. Die Einfachheit der Konstruktion besteht darin, dass nur die Einlassventile in den beiden Modi – für niedrige und für hohe Drehzahlen – betrieben werden können. Ein Zwischenmechanismus mit einer zusätzlichen Nocke und einem Kipphebel fängt, wie beim DOHC VTEC, das Öffnen und Schließen der Einlassventile ab, während die Auslassventile immer im konstanten Modus arbeiten.
Man könnte den Eindruck gewinnen, dass SOHC VTEC irgendwie schlechter ist als DOHC VTEC. Das ist jedoch nicht der Fall: Dieses System hat eine Reihe von Vorteilen, unter anderem die Einfachheit der Konstruktion, die Kompaktheit des Motors aufgrund seiner geringen Breite und das geringere Gewicht. Darüber hinaus kann SOHC VTEC problemlos in Motoren der vorherigen Generation eingebaut werden, wodurch diese aufgewertet werden. Infolgedessen erzielen SOHC-VTEC-Antriebsstränge die gleichen Ergebnisse, wenn auch weniger auffällig und überraschend.
SOHC VTEC-E
Wenn der Zweck der oben beschriebenen VTEC-Systeme darin besteht, maximale Leistung im oberen Drehzahlbereich und einen recht souveränen, aber sparsamen Betrieb im unteren Drehzahlbereich zu kombinieren, dann soll VTEC-E dem Motor helfen, maximale Wirtschaftlichkeit zu erreichen.
Aber bevor wir eine weitere Erfindung von Honda betrachten, ist es notwendig, sich mit der Theorie zu beschäftigen. Es ist bekannt, dass der Kraftstoff mit Luft vorgemischt und dann in den Zylindern gezündet wird (es gibt noch eine andere Möglichkeit – die Direkteinspritzung, bei der die Luft und der Kraftstoff getrennt in die Zylinder gelangen). Die Leistung des Motors wird auch davon beeinflusst, wie homogen das Gemisch ist. Denn bei niedrigen Drehzahlen verhindert der geringe Durchsatz am Einlass die Vermischung von Kraftstoff und Luft. Infolgedessen kann der Motor im Leerlauf rau laufen. Um dies zu verhindern, wird den Zylindern ein mit Kraftstoff angereichertes Gemisch zugeführt, was sich auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt. VTEC-E sorgt dafür, dass der Motor bei niedrigen Drehzahlen mit einem magereren Kraftstoffgemisch sicher läuft. Auch die Wirtschaftlichkeit ist erheblich. Im Gegensatz zu anderen Getrieben hat VTEC-E keine zusätzlichen Nocken. Da diese Technologie darauf abzielt, den Kraftstoffverbrauch bei niedrigen Drehzahlen zu senken, beeinflusst sie die Wirkung der Einlassventile. VTEC-E wird nur in SOHC-Motoren (einzelne Nockenwelle) mit vier Ventilen pro Zylinder eingesetzt, da es zu einem geringen Kraftstoffverbrauch „neigt“
Im Gegensatz zu anderen VTEC-Motoren, bei denen die Nocken ein annähernd gleiches Profil haben, werden bei VTEC-E zwei Konfigurationen verwendet. So werden die Einlassventile von unterschiedlich geformten Nocken angetrieben. Die eine hat ein traditionelles Nockenprofil, die andere ist fast rund – leicht oval. Daher senkt sich eines der Ventile normal ab, während das andere kaum geöffnet ist. Das brennbare Gemisch strömt durch das normale Ventil leicht und durch das geöffnete Ventil nur sehr spärlich. Aufgrund der Asymmetrie der einströmenden Gemischströme kommt es zu bizarren Verwirbelungen im Zylinder, wo sich Luft und Kraftstoff richtig vermischen. Infolgedessen kann der Motor mit einem mageren Gemisch laufen. Mit steigender Drehzahl nimmt die Kraftstoffkonzentration zu, aber der Modus, bei dem nur ein Ventil tatsächlich arbeitet, wird zu einem Ärgernis. Daher schließt sich der Kipphebel bei etwa 2500 U/min und wird von der normalen Nocke betätigt. Das Schließen erfolgt genau so wie bei anderen VTEC-Systemen.
Das VTEC-E-System wird oft zu Unrecht als eine Erfindung angesehen, die ausschließlich auf die Wirtschaftlichkeit abzielt. Doch im Vergleich zu einfachen Motoren sind Aggregate mit diesem Mechanismus nicht nur sparsamer, sondern auch leistungsfähiger. Der erste Modus, bei dem nur ein Ventil arbeitet, ist für die Sparsamkeit verantwortlich, während das „reinrassige“ VTEC-System, bei dem die Einlassventile weit geöffnet sind, für die Leistungsanzeige verantwortlich ist. Vergleicht man zwei ähnliche Motoren, von denen einer mit einem VTEC-E-Mechanismus ausgestattet ist, so ist das einfache Aggregat 6-9% schwächer und gefräßiger.
Dreistufiges SOHC VTEC
Dieser Mechanismus ist eine Kombination aus den Systemen SOHC VTEC und SOHC VTEC-E. Im Gegensatz zu allen anderen oben beschriebenen Systemen hat dieses nicht zwei, sondern drei Betriebsarten. Im unteren Drehzahlbereich arbeitet das System im Magergemischbetrieb (wie VTEC-E). In diesem Fall wird nur eines der Einlassventile verwendet. Im mittleren Drehzahlbereich wird das zweite Ventil zugeschaltet, aber die Ventilsteuerung und der Ventilhub werden nicht verändert. Der Motor erreicht in diesem Fall ein hohes Drehmoment. Im Hochdrehzahlmodus werden beide Ventile von einer einzigen mittleren Nocke gesteuert, die für die maximale Leistungsabgabe des Motors verantwortlich ist. Dieses System ist recht vielseitig. Ein 1,5-Liter-Motor mit einem solchen Steuermechanismus weist zum Beispiel eine gute spezifische Leistung auf: 86 PS pro 1 Liter Hubraum. Arbeitet der Motor im ersten, sparsamen 12-Ventil-Modus, liegt der Verbrauch bei einer konstanten Geschwindigkeit von 60 km/h in einem Honda Civic bei etwa 3,5 Litern pro 100 Kilometer.
i-VTEC
Das „i“ im Namen bedeutet intelligent, also „smart“. Die bisherigen VTEC-Versionen sind nur in der Lage, den Öffnungsgrad der Ventile in 2-3 Modi anzupassen. Die Konstruktion des neuen variablen Ventiltriebs i-VTEC geht davon aus, dass neben dem VTEC-Hauptsystem ein zusätzliches VTC-System (Variable Timing Control) zum Einsatz kommt, das den Zeitpunkt der Öffnung der Einlassventile kontinuierlich anpasst. Die Öffnung der Einlassventile wird in Abhängigkeit von der Motorlast eingestellt und durch Veränderung des Winkels der Einlassnockenwelle im Verhältnis zur Auslassnockenwelle geregelt. Bei Motoren mit i-VTEC ist die Nockenwelle über eine spezielle Ritzelmutter an der Antriebsriemenscheibe befestigt, die sie bis zu einem Winkel von 600 „drehen“ kann.
Die Verwendung des VTC-Systems zusammen mit VTEC ermöglicht eine effizientere Befüllung der Motorzylinder mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch und verbessert die Vollständigkeit der Verbrennung. Durch den Einsatz von i-VTEC kann das gleiche Beschleunigungsniveau wie bei einem 2-Liter-Motor erreicht werden, bei einem noch besseren Kraftstoffverbrauch als bei einem 1,6-Liter-Motor.
Die VTEC-Steuerungsfamilie ist nichts Magisches, aber sie hat eine erstaunliche Wirkung. Hondas Motoren wissen genau, wie sie sich an die Last anpassen müssen, um bei bescheidenem Hubraum erstaunliche Leistung zu liefern. Und gleichzeitig verblüffen die japanischen Motoren im Leerlauf und bei niedrigen Drehzahlen mit einer hervorragenden Wirtschaftlichkeit. Es ist gut möglich, dass die nächste Stufe in der Entwicklung von VTEC-Systemen ein Mechanismus mit separaten Magneten für jedes Ventil sein wird, der es erlaubt, die Öffnung der Ventile mit chirurgischer Präzision zu regulieren.