17. März 2011

Nissans Grösster

Am Internationalen Motorensymposium in Wien stellte Nissan den überarbeiteten 5.6-l-V8-Motor für den Patrol SUV und Infiniti-Modelle vor. Als Spezialität weist der Motor die nissaneigene vollvariable Ventilsteuerung und eine homogene Benzindirekteinspritzung auf, welche beim Kaltstart aus Schadstoffgründen auch kurz im Schichtladungsbetrieb arbeiten kann.

Nissans Grösster

Bild 2. Am Autosalon in Genf wurde das VVEL (Variable Valve Event and Lift) bereits 2008 auf dem Infiniti-Stand an einem Schnittmotoren-Modell vorgestellt.

VON ANDREAS LERCH

Der Motor ist mit 98 mm Bohrung und 92 mm Hub kurzhubig ausgelegt (94%) und erreicht mit den acht grossen Zylindern (fast 0.7 l Hubraum pro Zylinder) einen Gesamthubraum von 5552 cm3. Die Zylinder sind V-förmig angeordnet und weisen den (für V8-üblichen) Bankwinkel von 90° auf. Durch die der Benzindirekteinspritzung eigene grosse Innenkühlung konnte das Verdichtungsverhältnis auf den Wert von 10.8 angehoben werden.
Die Ventilsteuerung ist kettengetrieben und besitzt Phasenversteller für die Auslassnockenwellen und die von Nissan entwickelten VVEL (und VTC) auf der Einlassseite. Damit kann das Einlassventil zwischen 1.9 mm und 10.7 mm geöffnet werden, während das Auslassventil einen konstanten Hub von 9.8 mm aufweist.
Der Saugmotor leistet 298 kW bei 5800/min und 560 Nm bei 4000/min. Dabei stehen zwischen 1600 und 5200/min mehr als 90% des maximalen Drehmomentes an.

Motorgehäuse und Kurbeltrieb

Der Motorblock ist aus einer Aluminiumlegierung gegossen und weist Graugussbuchsen auf. Nissan hat das Spiel zwischen Kolben und Zylinderlauffläche optimiert und verwendet schmale Kolbenringe, welche an der Oberfläche PVD-beschichtet sind. Im PVD-Verfahren (Physical Vapor Desposition) werden hartmetallähnliche Stoffe mittels Laser in einer Edelgasatmosphäre als Plasma auf die Oberflächen geschleudert und erzeugen eine harte und extrem verschleissfeste und auch reibungsarme Lauffläche.
Im Brennraum wurden spezielle Maskierungen um die Einlassventile entwickelt, um den Tumble-Wirbel vor allem bei niedrigen Drehzahlen und Lasten zu fördern. Unter dem «Masking shape» kann eine spezielle, strömungstechnisch ausgeklügelte Brennraumformgebung im Bereich der Einlassventile verstanden werden. Dies ist insbesondere wichtig, da bei der Benzindirekteinspritzung wenig Zeit zur Gemischbildung bleibt und durch den verkleinerten Ventilhub (in niedrigen Lastbereichen) die Luftführung optimiert werden muss.

Ventilsteuerung

Variable Valve Event and Lift (VVEL) nennt Nissan das eigene, 2007 vorgestellte mechanische Ventilsteuersystem zur Beeinflussung der Ventilöffnungszeiten und der Ventilhübe.
Die Antriebswelle 1 (Bild 3) wird von der Kurbelwelle über eine Kette im Verhältnis 2:1 angetrieben. Auf dieser Welle sind exzentrisch gelagerte zylindrische Lagerstücke für die Hebel 1 (Position 3) angebracht. Die Kraft dieses Hebels wird im Übertragungshebel 4 umgelenkt und übersetzt. Durch einen zweiten Exzenter ist der Drehpunkt dieses zweiarmigen Hebels (4) veränderbar. Deshalb kann das linke Ende dieses Übertragungshebels einen grösseren oder einen kleineren Weg an den Hebel 2 (Position 6) weitergeben. Dieser betätigt nun den effektiven Nocken, welcher frei auf der antreibenden Welle (1) gelagert ist und die Kraft von Hebel 2 (6) auf den Stössel (8) weitergibt. Der Drehpunkt des Übertragungshebels 4 wird durch die Verdrehung der Exzenterwelle 5 verschoben. Dazu verwendet Nissan einen bürstenlosen Gleichstromelektromotor.

Funktion

Im Bild 3 oben ist der Exzenter der Welle 5 ziemlich rechts angeordnet: Das heisst, der krafteinführende Arm des Hebels ist kurz und der kraftabführende Arm lang, die abgeführte Bewegung wird also grösser sein als die zugeführte und der Betätigungsnocken wird zu einer grossen Bewegung gezwungen.
Anders im Bild 3 unten: der Exzenter der Welle 5 ist ganz auf die linke Seite bewegt, deshalb ist der einführende Hebelanteil gross und der abführende Anteil und die resultierende Bewegung des Betätigungsnockens klein.

Benzindirekteinspritzung

Die reibungsoptimierte Hochdruckpumpe liefert einen Benzindruck zwischen 3 MPa und 15 MPa (30 – 150 bar) und versorgt über je ein Rail pro Zylinderbank die elektromagnetisch angesteuerten Injektoren.
Diese führen seitlich in die Zylinder, dafür befinden sich die Zündkerzen mit doppelten Iridium-Elektroden im Brennraumzentrum zwischen den vier Ventilen. Durch die Injektorenlage ergibt sich ein wandgeführtes Einspritzverfahren mit Seitenspray. Der Injektor verfügt dazu über eine zentrale und sechs tangential angeordnete Bohrungen, über welche die Benzinchargen für die homogene Verbrennung normalerweise auf einmal eingespritzt werden. Aus abgastechnischen Gründen, d.h. zur schnelleren Erhitzung des Katalysators, programmierten die Ingenieure dem Motor beim Kaltstart eine Schichtladung. Dabei wird der erste Benzinteil für das magere Grundgemisch in den Ansaugtakt eingespritzt. Die zweite Einspritzung erfolgt im Verdichtungstakt und ermöglicht das brennfähige Gemisch im Bereich der Zündkerze, bei welcher der Funken erst sehr spät gezündet wird, wodurch das Abgas noch heiss ausströmt. Durch die Schichtladung herrscht im gesamten Brennraum ein mageres Gemisch und deshalb wird die HC- bzw. THC-Emission in dieser Betriebsphase vermindert. Zusätzlich besteht im Kaltstartbereich die NOX-Problematik nicht, und mit diesem Ansatz kann auch das Anspringen der Katalysatoren beschleunigt werden.
Der Motor bietet einige technisch interessante Evolutionen, womit der Benzinverbrauch und die Schadstoffemission positiv beeinflusst werden können. Man darf gespannt sein, wann Nissan diese Technologien auch in den kleinen Motoren einsetzen wird.

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