Ventilsteuerung
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Eine Ventilsteuerung ist ein Mechanismus, der bei einem Viertakt-Hubkolbenmotor den Gaswechsel steuert. In seltenen Fällen ist eine Ventilsteuerung auch bei Zweitakt-Dieselmotoren anzutreffen.
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[Bearbeiten] Bauarten
Die einzelnen Bauarten unterscheiden sich im mechanischen Aufwand und der Drehzahlfestigkeit. Bis auf wenige Ausnahmen (Pneumatik-, Hydraulik- und Magnetventile) erfolgt das Öffnen der Ventile über eine oder mehrere Nockenwellen, die von der Kurbelwelle angetrieben werden. Das Schließen erfolgt meist durch Schraubenfedern, selten durch Torsionsfedern, Pneumatik oder eigene Mechanik (Desmodromik). Die Unterschiede liegen in der Anordnung und Anzahl der Nockenwellen sowie der Art der Kraftübertragung von der Kurbelwelle zur Nockenwelle und zu den Ventilen:
[Bearbeiten] Stehende Ventile
Eine sehr einfache, heute nur noch bei Stromgeneratoren und Rasenmähern übliche Bauweise ist der SV-Motor (Side Valves, "seitliche Ventile", auch "stehende Ventile"): Die Ventile stehen neben den Zylindern, werden über Stößel von der untenliegenden Nockenwelle angetrieben und öffnen nach oben in den Zylinderkopf hinein. Der Gasstrom muss damit mehrmals die Richtung ändern, bis er im Zylinder angelangt ist und der Brennraum hat eine zerklüftete und große Oberfläche. Dementsprechend ist diese Art der Ventilsteuerung nur für niedrige Drehzahlen und Verdichtungen geeignet. Vorteil ist jedoch die flache Bauweise des Motors, der einfache Guss des Zylinderkopfes und dass sie ohne Ölpumpe auskommen können.
[Bearbeiten] IOE
Bei IOE-Motoren (Inlet Over Exhaust) liegt der Einlass über dem Auslass - die Brennraumform ist etwas besser und bei ganz alten Motoren mit ungesteuertem Einlass (Schnüffelventil) sind die Kosten kaum höher als bei SV-Motoren.
[Bearbeiten] OHV (OverHead Valves)
Beim OHV-Motor (OverHead Valves) hängen die Ventile im Zylinderkopf, die Nockenwelle liegt jedoch unten, im Kurbelgehäuse, und wird direkt über Zahnräder oder Kette von der Kurbelwelle angetrieben. Man spricht daher auch von "untenliegender Nockenwelle". Die Ventile werden über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel angetrieben. Diese Bauweise wird im Pkw- und Motorradbau teilweise noch heute bei älteren Konstruktionen verwendet, z.B. bei einigen amerikanischen V8-Motoren oder bei Harley-Davidson- sowie älteren Moto Guzzi-Motorradmotoren. Durch die relativ großen oszillierenden Massen ist der OHV-Motor nicht für sehr hohe Drehzahlen geeignet.
[Bearbeiten] CIH (Camshaft In Head)
Diese Bauform war eine Zwischenform zwischen OHC und OHV. Die Nockenwelle läuft dabei im Kopf, jedoch entweder neben den Ventilen oder seitlich davon. Die Ventile werden hier über eine Umlenkung über Schlepp- oder Kipphebel betätigt. Die Ventileinstellung erfolg analog zu den OHV Motoren. Viele Motorradmotoren wurden so gebaut (z.B. Honda CB750 K-Reihe), im PKW-Bereich ist diese Bauweise vor allem von Opel bekannt.
[Bearbeiten] Obenliegende Nockenwelle
Bei dieser heute geläufigsten Bauweise entfallen die Stoßstangen und die Nockenwellen laufen oberhalb des Verbrennungsraumes (engl. OHC - OverHead Camshaft). Hier werden die Ventile entweder über Kipphebel bzw. Schlepphebel von der zentralen Nockenwelle betätigt, neuerdings zunehmend auch von "doppelten obenliegenden Nockenwellen" (DOHC - Double OverHead Camshaft), deren Nocken über Tassen- oder Hydrostößel jeweils direkt den Ventilhub der Ein- und Auslaßventile bewirken. Damit kann nochmals eine höhere Präzision und weniger Verschleiss erreicht werden.
[Bearbeiten] Nockenwellen-Antrieb
Für die Übertragung der Rotationsbewegung von der Kurbelwelle zur obenliegenden Nockenwelle gibt es verschiedene Möglichkeiten. Weit verbreitet sind Steuerkette oder Zahnriemen. Andere Möglichkeiten sind Stirnräder, Schubstangen oder (vor allem bei älteren Motorrädern) die Königswelle. Prinzipbedingt dreht die Nockenwelle eines Viertaktmotors stets mit der halben Kurbelwellendrehzahl.
Vor dem Hintergrund steigender Benzinpreise setzen die Automobilhersteller zunehmend auf Nockenwellenverstellung. Hier werden drehzahlabhängig durch Verstellen der Nockenwelle die Steuerzeiten der Einlass-, teils auch der Auslassventile, geändert. Damit lässt sich die Füllung des Zylinders und damit der Wirkungsgrad des Motors in einem breiteren Drehzahlbereich verbessern.
Eine weitere Optimierung ist durch die angepasste Veränderung des Ventilhubs möglich, womit ggf. auch die Drosselklappe überflüssig wird, so bei der Valvetronic von BMW.
[Bearbeiten] Ventile
Die Ventile werden in der Regel mit Ventilfedern in die geschlossene Position gedrückt, meist mit Schrauben-, selten auch Torsionsfedern (Honda CB450). Einige Motoren haben zwangs- oder desmodromisch gesteuerte Ventile, bei denen die Nockenwelle für jedes Ventil einen Schließnocken hat (Mercedes 300 SL, Ducati), oder eine Ventilfederung mit Pressluft (z.B. Formel 1-Motoren).
[Bearbeiten] Ventilspiel
Die Wärmeausdehnung der Ventile im Betrieb muss in geeigneter Weise ausgeglichen werden. Auch wenn der Ventilsitz schneller verschleißt als der Nocken und das Spiel zu Null wird, droht das Verbrennen des Ventilsitzes oder des Ventiltellers, da die heißen Verbrennungsgase an dem Ventil vorbeiströmen und dieses auch kaum noch Wärme an den Zylinderkopf ableiten kann. Zu großes Spiel bewirkt wiederum Leistungsverlust, starke Geräuschentwicklung und Verschleiß des Ventiltriebs.
Die Hersteller geben daher einen Bereich für das Ventilspiel an, im Bereich einiger Hundertstel- bis Zehntelmillimeter. Das Ventilspiel soll in regelmäßigen Zeitabständen kontrolliert und ggf. nachgestellt werden.
Je nach Bauweise erfolgt die Einstellung auf unterschiedliche Weise: Bei Kipphebeln befindet sich in den Hebeln häufig eine gekonterte Schraube, an der die Einstellung vorgenommen werden kann. Bei anderen Konstruktionen wird der Drehpunkt der Hebel verstellt. Bei Verwendung von Tassenstößeln wiederum erfolgt die Einstellung durch unterschiedlich dicke Einstellplättchen, die zwischen Nockenwelle und Stößel platziert werden.
Viele neuere Motoren haben Hydrostößel, bei denen das Spiel über den Öldruck in einem kleinen Kolben automatisch konstant gehalten wird. Die regelmäßige Wartung entfällt dann, allerdings unterliegen die Hydrostößel auch einem Verschleiß und verursachen dann ggf. Klappern und Leistungsverlust.
