Ventiltrieb

Der Ventiltrieb dient als Funktionsgruppe in Verbrennungsmotoren nach dem Hubkolbenprinzipss der Steuerung des Ladungswechsel durch Öffnen und Schließen des Gaskanals. Er kommt in fast allen Viertaktmotoren, seltener in Zweitaktmotorenen zum Einsatz. Wankelmotor und Zweitaktmotoren werden in der Regel mit Hilfe der Kolben gesteuert.

Aufbau

Bild zeigt das Beispiel eines Ventiltriebes mit einem Tassenstößel. Die Baugruppen im Einzelnen:

1. Nocken der Nockenwelle
2. Tassenstößel. Oft enthält dieser eine Mechanik zum hydraulischen Ventilspielausgleich.
3. Ventilfeder
4. Ventilschaft
5. Gaskanal. Je nach Funktion des Ventils (Einlass oder Auslass) handelt es sich hier um den Frischgas- oder um den Abgaskanal.
6. Ventilteller, der den Brennraum (7) gegen den Ansaug- bzw. Abgaskanal abdichtet und auf dem Ventilsitzring sitzt
7. Brennraum

Bei der Konstruktion des Ventils wird darauf geachtet, dass es in den Brennraum öffnet. So wirken die hohen Drücke bei der Verbrennung auf den Ventilteller (6) und verstärken die Dichtwirkung des Ventils. Die Kontaktfläche zwischen Ventil und Zylinderkopf wird mit speziellen Ventilsitzringen ausgestattet. Durch die Kombination geeigneter Werkstoffe wird eine Kontaktverschweißung zwischen Ventilteller und Ventilsitzring vermieden und somit Fressschäden vorgebeugt.

Zunächst wurden Ventilsitzringe nur in Gasmotoren und Motoren mit Aluminiumzylinderkopf verwendet, da sich bei Ottomotoren früher durch verbleites Benzin eine Schutzschicht zwischen Ventilteller und Zylinderkopf bildete und so die Kontaktverschweißung verhinderte. Bei Dieselmotoren übernimmt der Ruß diese Aufgabe.

Im Betrieb erwärmt sich das Ventil und wird länger. Dadurch kann es dazu kommen, dass das Ventil am sogenannten Grundkreis der Nockenwelle anschlägt bzw. noch betätigt wird und leicht geöffnet ist, obwohl der Nocken axial zum Ventilschaft fort zeigt, und nicht mehr richtig schließen kann. Um sicherzustellen, dass das Ventil unter allen Betriebsbedingungen schließt, wird ein kleiner Abstand zwischen Nockenwelle und Ventil (Ventilspiel) vorgesehen; dieser Abstand verringert sich mit Betriebstemperatur, wird aber nicht Null, um während der Schließzeit Wärme des Ventils an den Zylinderkopf ableiten zu können. Inzwischen haben viele Motoren einen automatischen, meist hydraulisch mit dem Motoröl funktionierenden Ventilspielausgleich.

Wenn das Ventil beim Versagen des Ventilspielausgleichs nicht mehr schließen kann, ziehen die Verbrennungsgase zwischen Ventilteller und Zylinderkopf durch und wirken auf das Ventil wie ein Schneidbrenner; das Ventil wird nur über den Schaft und die Ventilführung nicht genügend gekühlt. Eine schnelle Zerstörung des Ventils und manchmal auch des Zylinderkopfs ist die Folge. Diese schneidbrennerartige Wirkung beruht darauf, dass die entweichenden Gase noch komprimiert sind und somit viel heißer sind, als wenn sie erst den Kolben nach unten geschoben und sich so dekomprimiert hätten.

Für alle Motoren, die nicht über automatischen Ventilspiel-Ausgleich (Hydrostößel) verfügen, ist daher ein turnusmäßiges Einstellen der Ventile nach den Hersteller-Vorgaben durchzuführen. Dieses erfordert genaue Aussagen, bei welcher Temperatur das Einstellen erfolgen soll. Manche Motoren werden auch bei Betriebstemperatur im Lauf eingestellt (ältere Opel-Motoren). Für das Einstellen werden in aller Regel Fühlerblattlehren verwendet. Bei obenliegenden Nockenwellen ohne automatischen Ausgleich werden oft Beilageplättchen verschiedener Dicken zum Ausgleich verwendet, sogenannte 'Shims'. Diese sind bei DOHC-Hochleistungsmotorrädern der 80er und 90er Jahre recht verbreitet.

Bei Sternmotoren wird gewöhnlich statt einer Nockenwelle eine Nockentrommel verwendet.

Auslegung des Ventiltriebs

Auswahlkriterien

Die Auswahl des Ventiltriebes hängt von verschiedenen Kriterien ab:

• Anzahl der zu betätigenden Ventile: Will man einen Vierventilermotor mit nur einer Nockenwelle ausrüsten, so können nicht alle Ventile direkt über Tassenstößel betätigt werden, daher werden oft zwei Nockenwellen eingesetzt. Sinngemäß gilt dies auch für Fünfventiler mit zwei Nockenwellen.
• Verstellmechanismen am Ventiltrieb setzen für Ein- und Auslass getrennte Nockenwellen voraus
• Position der Zündkerzen und Einspritzdüsen im Zylinderkopf
• Maximale Drehzahl des Motors: ca. 100-150/min bei Schiffsdieseln (Langsamläufer), ca. 3.500/min bei Lkw-Dieseln, ca. 6.000-12.000/min bei Pkw-Ottomotoren, bis 17.000/min bei Motorradmotoren, bis 20.000/min bei Formel-1- und Viertakt-Motorrad-Rennmotoren

Typische Bauformen

Es gibt verschiedene Bauarten des Ventiltriebs. Sie unterscheiden sich vor allem in der Art, wie die Nockenwelle die Ventile betätigt:

• Bei Tassenstößeln ist der Abstand zwischen Nocken und Ventil am geringsten. Dadurch ist dieser Ventiltrieb sehr steif und eignet sich für höchste Drehzahlen. Oft zu finden mit zwei Nockenwellen (je eine für die Einlassventile und die Auslassventile, DOHC) mit Ventilen in V- bzw. Dachanordnung (BMW und viele Motorrad-Motoren) oder bei Motoren, deren Ventile für Einlass- und Auslass-Betätigung in einer Linie liegen, mit einer Nockenwelle (OHC, z.B. bei VW); eine seltenere Art der Betätigung von Reihenventilen sind OHC-Ventiltriebe mit Schlepphebel, bei denen die Nocken einen kleinen Hub haben und der Schlepphebel von einem seitlichen Stützpunkt auf einen größeren Hub am Ventil übersetzt (z.B. Mercedes-Benz M121 und alle Mercedes-Motoren zwischen 1955 und 1980). Neben Schraubenfedernn wurden teils auch Torsionsfeder zum Schließen der Ventile verwendet.

• Bei Motoren mit einer obenliegenden Nockenwelle (OHC) und V-Anordnung der Ventile findet sich für jedes Ventil ein Kipphebel (Honda, klassische CB-Baureihe).
• Bei älteren Motorkonstruktionen findet man noch untenliegende Nockenwellen, die über Stößelstange und Kipphebel die Ventile betätigen (Beispiele: VW Käfer, Motorräder von BMW der älteren R-Serien, Moto Guzzi).
• Bei der Desmodromik (Ducati-Motorräder) werden die Ventile im wesentlichen über einen zusätzlichen Schließnocken der Nockenwelle geschlossen. Dieser Ventiltrieb ist besonders leichtgängig und ebenfalls für höchste Drehzahlen geeignet, das Ventilspiel muss jedoch für das Öffnen und für das Schließen separat eingestellt werden. Eine schwache zusätzliche Ventilfeder zum Schließen erlaubt ein Starten des Motors; ohne sie wäre bei kaltem Motor keine Kompression vorhanden. Diese Ventiltriebe stellen höchste Anforderungen an die Fachkunde der Mechaniker, die die Einstellung vornehmen.
• Schlepphebel
• Kipphebel
• Schwinghebel
• Valvetronic - System von BMW, das eine beliebige Verstellung des Ventilhubs erlaubt und so die Drosselklappe überflüssig macht.
• Die älteste Ventiltrieb-Bauart sind Seitenventiler ('SV'), die eine untenliegende Nockenwelle haben und neben dem Zylinder stehende Ventile sowie die Ventilteller und die Ventilsitze oben im Zylinder an der Dichtfläche der Zylinderkopfdichtung. Der Zylinderkopf ist beim Seitenventiler nur ein einfacher Deckel. Der Zylinder ist im Gegenzug komplex, da er die Kolbenbohrung, die Gaskanäle und die Ventilführungen enthält.

Siehe auch

• Ventilsteuerung