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5. Ventile und Ventilsteuerung

5.1. Die Nockenwelle

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

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.


5.2 Das Ventildiagramm

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

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.


5.3 Der Ventilmechanismus

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

Bild 5.3: Aufbau eines Ventils


5.3.1 Kopfventile

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

Bild 5.4: Anordnung der Ventile in einem Winkel zueinander


5.3.2 Ventiltemperatur und Ventilspiel

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.


5.4 Mehrventilmotoren

5.4.1 Geschichtlicher Einblick in die Entwicklung von Mehrventilmotoren

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.


5.4.2 Aufbau eines Mehrventilmotors

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.


5.4.3 Vor-, Nachteile und Unterschiede des Mehrventiler gegenüber dem 2-Ventiler

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.


5.5 Die variable Ventilsteuerung

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

Bild 5.5: Optimierung der Steuerzeit des Einlassventils


BILD 5.6

Bild 5.6: Reduzierung der Abgase durch Nockenwellenverstellung


5.5.1 Wozu eine variable Ventilsteuerung?

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.


5.5.2 Funktionsweise der "echten" variablen Ventilsteuerung

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

Bild 5.7: Variable Ventilsteuerung 1


BILD 5.8

Bild 5.8: Variable Ventilsteuerung 2


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