Wo sind all die Nockenwellenmotoren?

Jul 27, 2023

Elektroautos liegen in letzter Zeit voll im Trend, aber vergessen wir nicht den alten Ersatz – den Verbrennungsmotor. Der moderne Verbrennungsmotor ist ein Wunder der Technik. Heutige Motoren und umgebende Systeme bieten eine bessere Leistung, einen geringeren Kraftstoffverbrauch und geringere Emissionen als alles, was es zuvor gab. In die Verbesserung aller Aspekte des Motors sind jahrhundertelange Entwicklungsstunden geflossen – mit einer bemerkenswerten Ausnahme. Kein Automobilhersteller konnte in einem Serienfahrzeug mit Kolbenantrieb auf die Nockenwelle des Motors verzichten. Die Ironie dabei ist, dass nockenlose Motoren relativ einfach zu bauen sind. Der durchschnittliche Hacker könnte in seiner Werkstatt einen kleinen Viertaktmotor für den nockenlosen Betrieb umrüsten. Auch wenn es kein praktisches Gerät wäre, wäre es ein großartiger Prüfstand zum Experimentieren und Lernen.

Ein Mehrzylinder-Benzinmotor ist ein komplexer Tanz. Hunderte Teile müssen sich synchron bewegen. Ventile öffnen und schließen, Einspritzdüsen vernebeln Kraftstoff, Zündkerzen zünden und Kolben bewegen sich auf und ab. Alle folgen dem Viertakt-Otto-Zyklus „Einlass, Kompression, Verbrennung, Auslass“. Die Nockenwelle steuert einen Großteil davon, indem sie die federbelasteten Einlass- und Auslassventile des Motors öffnet und schließt. Nocken am Schaft drücken auf Stößel, die dann die Ventilschäfte und die Ventile selbst bewegen. Die Nockenwelle selbst wird über Steuerräder, Ketten oder einen Riemen mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben. Einige Ventiltriebe sind relativ einfach – beispielsweise Motoren mit obenliegender Nockenwelle. Andere, wie zum Beispiel die Nocken-im-Block-Konstruktion, sind komplexer und erfordern Stößelstangen, Kipphebel und andere Teile, um die Bewegung des Nockenvorsprungs in eine Bewegung am Ventil umzuwandeln.

Wann genau und wie schnell ein Ventil öffnet, wird durch das Profil der Nockenerhebung bestimmt. Autorennen- und Performance-Enthusiasten tauschen Nockenwellen je nach den Anforderungen des Motors häufig gegen Nockenwellen mit aggressiveren Profilen und unterschiedlichen Steuerversätzen aus. Allerdings hat alles seinen Preis. Eine auf maximale Leistung ausgelegte Nockenwelle läuft im Allgemeinen nicht gut im Leerlauf und erschwert das Starten des Motors. Ein zu aggressives Nockenprofil kann zum Ventilschwimmen führen, sodass die Ventile bei hohen Drehzahlen nie vollständig sitzen.

Motorenhersteller haben jahrelang daran gearbeitet, die Einschränkungen der Nockenwelle zu umgehen. Das Ergebnis sind unzählige proprietäre Lösungen. Honda hat VTEC, kurz für Variable Valve Timing and Lift Electronic Control. Toyota hat VVT-i. BMW hat VANOS, Ford hat VCT. Alle diese Systeme bieten Möglichkeiten, die Ventilwirkung bis zu einem gewissen Grad anzupassen. VANOS funktioniert, indem es der Nockenwelle eine leichte Drehung um ein paar Grad im Vergleich zu ihrer normalen Steuerung ermöglicht, ähnlich wie die Bewegung eines oder zweier Zähne an der Steuerkette. Obwohl diese Systeme funktionieren, sind sie in der Regel mechanisch komplex und teuer in der Reparatur.

Die einfache Lösung wäre ein Nockenwellenmotor. Dies würde bedeuten, dass die Nockenwelle, der Zahnriemen und die meisten zugehörigen Teile entfallen müssten. Magnetventile oder hydraulische Aktoren öffnen und schließen die Ventile auf stufenlose Weise. Ventile können sogar unbegrenzt offen gehalten werden, wodurch ein Zylinder effektiv abgeschaltet wird, wenn keine maximale Leistung erforderlich ist.

Warum fahren wir nicht alle nockenlose Motoren? Es gibt einige Gründe. Die Vorteile nockenloser Motoren gegenüber Nockenwellenmotoren sind analog zu den Vorteilen der elektronischen Kraftstoffeinspritzung (EFI) gegenüber Vergasern. Im Kern ist ein Kraftstoffinjektor ein magnetgesteuertes Ventil. Die Kraftstoffpumpe sorgt für konstanten Druck. Das Motorsteuergerät (ECU) zündet die Einspritzdüsen genau zum richtigen Zeitpunkt, um Kraftstoff in die Zylinder einzuspritzen. Der Computer lässt die Ventile außerdem lange genug geöffnet, damit die richtige Kraftstoffmenge für die aktuelle Drosselklappenstellung eingespritzt wird. In elektronischer Hinsicht ist dies sehr ähnlich zu dem, was für einen nockenlosen Motor erforderlich wäre. Was gibt es also?

Hacker in den Dreißigern und darüber werden sich daran erinnern, dass bis in die späten 1970er und frühen 1980er Jahre der Vergaser König war. Seit den 1950er Jahren experimentierten Unternehmen mit EFI. Das System wurde erst zum Mainstream, als die strengen Umweltgesetze der 70er Jahre in Kraft traten. Die Herstellung eines sauberen, kraftstoffeffizienten Vergasermotors war möglich, aber es waren so viele mechanische und elektronische Aktuatoren erforderlich, dass der EFI eine bessere Alternative war. Die Gesetze der 70er Jahre regelten also effektiv die Existenz von Vergasern. Bei nockenlosen Motoren sehen wir fast das Gleiche. Was fehlt, sind die Regelungen, die das Problem forcieren.

Alle großen Hersteller haben mit dem nockenlosen Konzept experimentiert. Die bislang beste Leistung kam von Freevalve, einer Tochtergesellschaft von Koenigsegg. Sie haben einen Prototypenmotor in einem Saab. LaunchPoint Technologies hat Videos hochgeladen, die einige beeindruckende Aktuatordesigns zeigen. LaunchPoint arbeitet mit Schwingspulen, der gleichen Technologie, die die Köpfe in Ihrer Festplatte bewegt. Nichts davon bedeutet, dass Sie jetzt keinen nockenlosen Motor haben können – Unternehmen wie Wärtsilä und Man haben dies getan Motoren im Handel erhältlich. Dabei handelt es sich jedoch um riesige Dieselmotoren, die große Schiffe antreiben oder Strom erzeugen. Nicht gerade das, was Sie in Ihren Kleinwagen einbauen möchten! Für alle Hacker: Der beste Weg, heute an einen Nockenwellenmotor zu kommen, besteht darin, selbst einen zu hacken.

Einfache, nockenlose Einzylindermotoren sind relativ einfach zu bauen. Beginnen Sie mit einem Viertaktmotor mit hängenden Ventilen von einer Schneefräse, einem Roller oder ähnlichem. Stellen Sie sicher, dass es sich bei dem Motor um ein störungsfreies Modell handelt. Dadurch ist es physikalisch unmöglich, dass die Ventile gegen die Kolben stoßen. Fügen Sie eine Stromquelle und einige Magnetspulen hinzu. Von da an geht es nur noch darum, ein Kontrollsystem zu erstellen. Beispiele finden sich überall im Internet. [Sukhjit Singh Banga] hat diesen Motor im Rahmen eines College-Projekts gebaut. Das Steuersystem ist ein mechanisches Rad mit elektrischen Kontakten, ähnlich einem Verteilerkappen- und Rotorsystem. Das Camless Engine Capstone-Projekt von [bbaldwin1987] an der West Virginia University verwendet einen Mikrocontroller zum Betrieb der Magnetspulen. Beachten Sie, dass dieses Projekt zwei Magnetspulen verwendet – einen zum Öffnen und einen zum Schließen des Ventils. Der Motor ist zum Schließen nicht auf eine Feder angewiesen. [Brian Miller] baute auch einen nockenlosen Motor für das College, in diesem Fall den Camless Engine der Brigham Young University Idaho. [Brians] Motor verwendet Hall-Effekt-Sensoren an der Original-Nockenwelle, um die Magnetspulen zu zünden. Diese Route ist ein hervorragendes Sprungbrett vor dem Sprung zur vollständigen elektronischen Kontrolle.

Es wäre kein großer Aufwand, diese Projekte auf einen Mehrzylindermotor zu erweitern. Wir warten nur auf den richtigen Hacker, der sich der Herausforderung stellt!