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5. Ventile und Ventilsteuerung
Damit sich bei einem Viertaktmotor die Ventile zum Ein- und
Auslassen des Kraftstoffgemischs immer zur richtigen Zeit öffnen, bedarf
es einer äusserst präzisen Technik, die aber trotzdem nicht übermässig
kompliziert und teuer ist. Dieses Gerät ist die Nockenwelle, welche bei
älteren Motoren im Zylinderblock liegt. Die auf der Welle befindlichen
Nocken sorgen dabei für das Öffnen und Schliessen der Ventile (Bild5.1).
Durch Zahnräder werden meistens auch der Stromverteiler, Ölpumpe und
die Benzinpumpe durch die Nockenwelle angetrieben.
Bild 5.1: Die Nockenwelle
Bei den meisten heutigen Motoren wird die Nockenwelle oberhalb
der Zylinder angebracht, weil eine untenliegende Nockenwelle einige grosse Nachteile
hat, auf welche in diesem Kapitel noch eingegangen wird. Motoren müssen
aber nicht immer nur eine Nockenwelle haben, die alle Ventile antreibt. Es gibt
auch mittlerweile viele Motoren, die über 2 Nockenwellen verfügen,
manche haben sogar vier. Der Antrieb der Nockenwelle erfolgt durch Zähnräder
und einer Kette bzw. einem gezahnten Keilriemen, wobei ein Keilriemen zwar öfter
gewechselt werden muss, eine Kette jedoch mehr Geräusch erzeugt und sich
mit der Zeit dehnt, was bei einem guten Motor durch einen Kettenspanner abgefangen
werden muss. Weil sich die Ventile während der 4 Takte nur jeweils einmal
öffnen müssen, sich die Kurbelwelle aber 2x dreht, muss das Zahnrad
an der Nockenwelle genau doppelt soviele Zähne haben, wie das an der Kurbelwelle.
Die genaue Einstellung der Ventile erfolgt nun durch ein Ventildiagramm (siehe
Abschnitt 5.2). Dabei geht es darum, die Zahnräder
der Nockenwelle und der Kurbelwelle so aufeinander abzustimmen, dass die Nocken
genau zum richtigen Zeitpunkt die Ventile öffnen. Dieses einstellen der
Zahnräder erfolgt mittels der Markierungen, die auf ihnen angebracht sind,
oder, wie schon erwähnt, durch ein Ventildiagramm. Es ist aber auf keinen
Fall möglich, die Einstellung nach Gefühl durchzuführen.
Um den Zeitpunkt der Ventilöffnung und -schliessung und
die Zeit in der beide Ventile offen sind graphisch darzustellen, nimmt man ein
Ventildiagramm, welches aus einem Kreis besteht, an dem bei 90Grad der OT und
bei 270Grad der UT ist (Bild5.2).
Nun trägt man ein, wieviel Grad vor dem OT sich das Einlassventil öffnet
und zieht einen Bogen, bis zum Zeitpunkt der Schliessung. Das gleiche Verfahren
wird für das Auslassventil angewendet.
Bild 5.2: Ventildiagramm eines Opel 1.3S
Erklärung zu Bild 5.2: Man kann erkennen, dass sich das
Einlassventil 24Grad vor dem OT öffnet, während das Auslassventil
erst 36Grad nach dem OT geschlossen wird. Daraus folgt eine Überlappung
von 60Grad. Das Einlassventil wird dann nach 78Grad nach dem UT wieder geschlossen
und war somit über 282Grad geöffnet. Das Auslassventil öffnet
sich bereits 68Grad vor dem UT und ist somit 284Grad geöffnet. Die zweite
Überlappung beträgt 146Grad. Dieses Ventilspiel kann jedoch durch
eine Dehnung der Kette oder des Keilriemens beeinflusst werden.
Jeder Motor hat pro Zylinder mindestens ein Ein- und ein Auslassventil.
Es gibt aber auch Motoren mit 3 (2 Ein- und ein Auslassventil) oder 4 Ventilen
(jeweils 2 Ein- und Auslassventile). Vor- und Nachteile dieser Bauweisen werden
später in diesem Kapitel näher erläutert. Ein Ventil besteht
aus einem kegelförmigen Ventilteller und einem Ventilschaft (Bild5.3).
Der Ventilteller wird von Keilen an seinem Platz gehalten. Im Motor hat man
nun die Wahl, die Ventile in einer Kopf- oder Seitenkonstruktion anzubringen.
Bild 5.3: Aufbau eines Ventils
Wurde ein Motor mit Kopfventilen konstruiert, so sind die Ventile
im Zylinderkopf mit dem Schaft nach oben montiert. Hat der Motor nun eine im
Zylinderblock liegende Nockenwelle, wird das Ventil durch Ventilstössel,
Ventilzugstange und Kipphebel geöffnet. Diese Konstruktion benötigt
jedoch recht viel Zeit für das Öffnen eines Ventils, weshalb Motoren
mit untenliegender Nockenwelle keine hohen Drehzahlen vertragen. Das Öffnen
der Ventile erfolgt zwar auch dann, jedoch entweder zu spät, oder es wird
zu spät geschlossen. Dieser Vorgang verbraucht zudem noch eine ganze Menge
Treibstoff. Da jedoch die heutigen Motoren hohen Leistungsansprüchen genügen
sollen, hat man die obenliegende Nockenwelle entwickelt. Bei ihr entfällt
der lange Weg zur Ventilöffnung, weil das Ventil direkt durch die Nocken
geöffnet wird. Dieses Verfahren ermöglicht dadurch eine bessere Zylinderfüllung
auch bei hohen Drehzahlen, besseren Verbrauch, ruhigeren Motorlauf und eine
bessere Beschleunigung. Hat ein Motor mehrere Nockenwellen, besteht die Möglichkeit,
die Ventile in einem Winkel zueinander anzuordnen, was zu einer günstigeren
Form der Brennkammer führt und dadurch zu einer besseren Verbrennung und
einer höheren Motorleistung (Bild5.4).
Bild 5.4: Anordnung der Ventile in einem Winkel zueinander
Wenn im Zylinder das Gasgemisch entzündet wird, entstehen
Temperaturen von bis zu 1900GradC. Ungefähr 30% dieser Wärme verlässt
den Motor über den Auspuff und passiert dabei zuvor das Auslassventil,
welches diesen Temperaturen, zwischen immernoch 800-1000GradC, standhalten muss.
Wird der Motor zu hochturig gefahren, kann es passieren, dass sich das Ventil
überhitzt und verformt. Dies führt dazu, dass der Ventilteller nicht
mehr präzise aufliegt und somit die Wärme in die Kühlrippen und
die Kühlflüssigkeit abgeführt wird. Wenn die Temperatur dann
zu hoch wird, schmilzt der Ventilteller (verbranntes Ventil).
Verhindern kann man dies, durch eine günstige Form des Ventilschafts und
den Einsatz von Natrium in hohlen Ventilen. Im kälteren Ventilschaftabschnitt
wird das Natrium dann wieder verflüssigt. Das Ganze ist ein sich wiederholender
Wärmekreislauf, wo Wärme dem Ventilteller entzogen und über die
Führung des Ventilschafts wieder abgegeben wird. Ein weiteres Problem bei
hohen Temperaturen besteht darin, dass sich das Ventil ausdehnt und somit nicht
mehr lange genug zwischen den Takten ruht. Deshalb muss dies, mittels eines
Ventilspiels, abgefangen werden. Grundsätzlich muss das Ventilspiel immer
etwas grösser, als benötigt, eingestellt werden, so dass der Motor
auch bei Vollgas keine Probleme bekommt.
Wir stellen an die heutigen Motoren sehr hohe Anforderungen:
Sie sollen einen günstigen Kraftstoffverbrauch bei hoher Leistung haben.
Dabei sollte das Abgasverhalten die gesetzlichen Normen einhalten. Für
den Konstrukteur kommt auch noch der Aspekt der Fertigungskosten und des Gewichts
dazu. Die Probleme, die Ventile haben können, bemerkten die Motorenbauer
schon Anfang dieses Jahrhunderts. Ihnen war klar, dass jenes Prinzip mit 2 Ventilen
pro Zylinder, unter den hohen Belastungen, denen die Motoren ausgesetzt sind,
nicht optimal funktionieren könne. Man baute deshalb verstärkt Zweitaktmotoren,
die ohne Ventile auskamen und zudem noch günstig in der Herstellung waren.
Leider waren sie aber auch nicht sehr lange haltbar, und ihre Leistung musste
mit mehr Kraftstoff als beim Viertakter bezahlt werden. Auch diese Nachteile
erkannten die Konstrukteure und begannen unabhängig voneinander Motoren
mit bis zu 3 Ein- und Auslassventilen zu konstruieren. Noch vor dem 1. Weltkrieg
waren die ersten Prototypen fertig. Leider waren die mechanischen Probleme zu
gross und die Fertigungskosten zu hoch, so dass die Entwicklung für eine
Zeit lang stehen blieb.
Erst Anfang der dreissiger Jahre wurde es durch bessere Werkstoffe möglich,
erste "richtige" Mehrventilmotoren zu bauen. Erste Vertreter dieser
Art waren ein britisches Rennmotorad mit einem Zylinder und vier Ventilen, sowie
in den Jahren 1934-1939 die Silberpfeile von Daimler-Benz, welche ebenfalls
über 4 Ventile pro Zylinder verfügten und dabei 8 Zylinder hatten.
Diese Motoren waren aufgrund ihrer fortschrittlichen Technik nur selten zu schlagen.
Da die Zylinderoberfläche bei einem Mehrventiler genauso
gross ist, wie bei einem vergleichbaren Zweiventiler, ist die Anzahl der Ventile
von Begin an schon auf maximal 3-4 limitiert, da ja auch noch mindestens eine
Zündkerze ihren Platz finden muss. Dies ist der Grund, warum die meisten
Mehrventilmotoren als DOHC-Konstruktionen gebaut werden (DOHC=Double-Over-Head-Camshaft=doppelte,
obenliegende Nockenwelle). Bei diesem Verfahren dient eine Nockenwelle der Steuerung
der Einlassventile, die Zweite der der Auslassventile. Da die Ein- und Auslassventile
zudem noch gegenüberliegend angeordnet sind, ist der Bau einer dachförmigen
Brennkammer, wie in Abschnitt 5.3.1 beschrieben, leicht zu realisieren (siehe
auch Bild 5.4). Der Winkel, in dem die Ventile angeordnet werden, wird so gewählt,
wie es für die Verbrennung am günstigsten ist. Diese Motoren arbeiten
nach dem Querstromprinzip.
Bei einem Mehrventilmotor wird die zweite Nockenwelle nicht direkt, sondern,
mit Hilfe des Stirn- oder Zahnradantriebs, durch die erste Nockenwelle angetrieben.
Auch wird die Zündkerze immer zentriert, zwischen allen Ventilen eingebaut,
nicht wie bei einigen Zweiventilern, bei denen sie seitlich in den Brennraum
ragt. Ausserdem muss die Zündkerze, aufgrund der Platzverhältnisse,
einen kleinen Durchmesser haben. Bei dieser Konstruktion ist es extrem schwierig
eine Ventileinstellung vorzunehmen, weshalb diese Arbeit durch einen Hydrostössel,
der das Ventilspiel mit Hilfe von Öldruck einstellt, erledigt wird.
Der grösste Vorteil des Mehrventilers liegt in der grösseren
Ventilfläche, welche, vor allem bei hohen Drehzahlen, für eine bessere
Füllung des Zylinders sorgt, was zu einer höheren Leistung führt.
Nachteilig wirkt sich jedoch der grössere Durchmesser der Ansaugkanäle
bei niedrigen Drehzahlen aus, da der Ansaugdruck geringer ist und das Gas somit
nicht so schnell in die Verbrennungskammer fliesst. Beim Zweiventiler ist die
Fliessgeschwindigkeit des Gases wegen dem schmaleren Ansaugkanal auch bei niedrigen
Drehzahlen schon ausreichend hoch.
Insgesamt steigt die Leistung eines Vierventilers gegenüber der eines Zweiventilers
um ca. 20-30%. Auch ist das Abgasverhalten eines Mehrventilers, im Vergleich
zu einem gleichstarken Zweiventiler, günstiger, wozu auch die höhere
Verdichtung beim Mehrventiler beiträgt. Ein weiterer Nachteil, der dem
Mehrventiler anhängt, ist der Mehrkostenaufwand zum 2-Ventiler, von rund
20%, weshalb diese Motoren meist am oberen Ende eines jeden Motorenherstellers
zu finden sind. Da diese Motoren dann auch noch mehr mechanische Bauteile enthalten,
ist es logisch, dass diese eine recht hohe Geräuschkulisse bilden, deren
Dämmung es einem nochmaligen hohen Konstruktionsaufwand bedarf. Durch diese
Tatsachen lässt sich auch leicht ableiten, dass Mehrventiler in der Werkstatt
nicht zu den billigen Kunden gehören.
Die letzten Argumente sprechen eindeutig gegen einen Mehrventiler und für
eine leistungsgleiche 2-Ventil Maschine, welche ruhiger,billiger und im unteren
Drehzahlbereich auch durchzugsstärker ist. Trotzdem haben sich Motoren
mit mehr als 2 Ventilen durchgesetzt und werden sogar noch weiterentwickelt.
So gibt es in der Formel-1 und bei den japanischen Motorradherstellern schon
heute erste Modelle mit 5 Ventilen. Dieses zusätzliche Ventil sorgt für
20% mehr Ventilfläche, wodurch vor allem der Durchzug im mittleren und
unteren Drehzahlbereich verbessert werden soll.
Heutzutage verlangt der Autokäufer nicht ein Auto, welches
nur hohe Leistung bringt, wenn man hochturig fährt oder eines, dass zwar
im unteren Drehzahlbereich gut anzieht, jedoch bei höheren Drehzahlen versagt.
Ein Auto muss in allen Phasen leistungsstark und durchzugskräftig agieren
und dabei noch günstig im Kraftstoffverbrauch sein.
Als man die ersten Motoren baute, schafften diese rund 1000 U/min. Das Einlassventil
wurde dabei am oberen Totpunkt geöffnet und am UT wieder geschlossen. Im
Laufe der Zeit wurde der Öffnungszeitpunkt dann vor den OT verlegt, so
dass das Gas besser einströmen kann. Wenn das Auslassventil geöffnet
wird, ist das Einlassventil noch für einen Moment offen. Dieses führt
zu einem teilweise recht grossen Leistungsgewinn, wenn diese Phase der Überschneidung
richtig eingestellt wird (Bild5.5). Auch wird die Abgasemission stark reduziert
(Bild5.6). Diese Erkenntnisse führten dazu, dass viele an ihren Motoren
ein kleinwenig Tuning betrieben haben.
Bild 5.5: Optimierung der Steuerzeit des Einlassventils
Bild 5.6: Reduzierung der Abgase durch Nockenwellenverstellung
Durch die eben besprochenen Optimierungen wurden die Motoren
jedoch bei niedrigen Drehzahlen unruhig im Leerlauf und hatten nicht genug Drehmoment.
Dieses kam durch einen zu niedrigen Ansaugdruck bei der Zylinderfüllung.
Man wollte, nachdem man dies erkannte, nach einer Lösung suchen, die die
gewonnen Vorteile beibehält und die Nachteile beseitigt.
Schon bald kam die Erkenntnis, dass die Ventile je nach Drehzahl früher
oder später geöffnet werden müssten. So experimentierte bereits
1902 der französische Automobilhersteller Renault mit einer mechanischen
Ventilverstellvorrichtung. Seine Vorstellungen konnten jedoch erst in den letzten
Jahren in die Realität umgesetzt werden, da durch die Fortschritte in Technik
und Wirtschaft nun die Möglichkeiten gegeben sind. Eine "echte"
Variable Ventilsteuerung hat jedoch bisher nur ein japanischer Automobilkonzern
vorzuzeigen. Deren Funktion wird, im nun folgenden Abschnitt, erklärt.
Die folgende Beschreibung können sie anhand der Bilder
5.7 und 5.8 nachvollziehen. Durch verschiedene Nockenprofile werden bei der
variablen Ventilsteuerung Ventilhub und Ventilsteuerzeiten in Abhängigkeit
von folgenden Komponenten verändert:
Zur Steuerung der Ventile werden zwei obenliegende Nockenwellen
verwendet, welche pro Zylinder 2 Nockentrios(Teile 1 und 5) antreiben. Dabei
sind die beiden aussenliegenden Nocken gleichförmig und kommen bei unteren
und mittleren Drehzahlen zum Einsatz. In der Mitte befindet sich eine 3. Nocke,
die schärfer geformt ist (Teil 5). Sie wird auch als Sportnocke bezeichnet,
da sie bei hohen Drehzahlen benötigt wird. Alle drei Nocken haben jedoch
den gleichen Grundkreisdurchmesser. Es existieren pro Nockentrio 3 Schlepphebel
(Teil 6) zur Steuerung der Ventile. Durch diese 3 Hebel wurde eine Bohrung gemacht
und ein Speerschieber (Teil 4) eingefügt, durch den beide Ventile miteinander
verbunden werden können und damit gleichzeitig auch alle 3 Hebel. Fährt
der Motor nun im unteren und mittleren Drehzahlbereich, so werden die Ventile
nur durch die beiden äusseren Hebel betätigt, während der mittlere
mitgeht, ohne dabei Arbeit zu verrichten. Kommt der Motor jedoch in den oberen
Drehzahlbereich, so öffnet eine Rechnereinheit (Teil 4) das Magnetventil
(Teil 3), welches den Öldruck auf den Schieber in der Bohrung zwischen
den beiden Ventilen leitet (Bild5.8). Dadurch werden alle drei Hebel miteinander
verbunden und ab sofort durch die mittlere Nocke (die "Schärfere")
angetrieben. Dadurch öffnet sich das Ventil nun früher, wie schon
am Anfang von Abschnitt 5.5 beschrieben.
Bild 5.7: Variable Ventilsteuerung 1
Bild 5.8: Variable Ventilsteuerung 2
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