Ventilsteuerung

Ventile mit Nockenwelle

Vor dem Ersten Weltkrieg verwendete Konstruktion mit über Nocken (C) gesteuertem Auslassventil (B) und selbsttätigem Einlass-Schnüffelventil (A)

Eine Ventilsteuerung oder ein Ventiltrieb ist ein Mechanismus, der bei einem Hubkolbenmotor die Ventile und damit den Ladungswechsel durch Öffnen und Schließen der Lufteinlass- und Abgasaustrittskanäle steuert.

Er wird in fast allen Viertaktmotoren verwendet – Ausnahmen wie der Schiebermotor sind selten. In Zweitaktmotoren dagegen werden überwiegend keine Ventile benutzt, außer bei großen Zweitakt-Schiffsdieselmotoren, die Auslassventile haben.

In der Regel wird ein Ventil von einer Nockenwelle (engl. Camshaft) über einen Stößel, Schlepphebel oder Kipphebel geöffnet. Die wenigen Ausnahmen sind Pneumatik-, Hydraulik- oder Magnetventile. Geschlossen werden Ventile durch Schraubenfedern, selten durch Drehstabfedern, Gasfedern oder über einen Schließnocken zwangsgesteuert (desmodromisch). Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle angetrieben, bei Viertaktmotoren mit einer Übersetzung von 2:1, d. h. die Nockenwelle hat die halbe Drehzahl der Kurbelwelle.

Im Betrieb werden Ventile während jeder Sekunde mehrmals – bei Schiffsdieseln etwa einmal, aber etwa hundertmal bei Rennmotoren – geöffnet und geschlossen, also beschleunigt und wieder zum Stillstand gebracht. Die Bewegungen der Ventile und des Kolbens im Zylinder müssen genau aufeinander abgestimmt sein.

Bauarten

Während die Ventile überwiegend einheitlich aufgebaut sind, bestehen wesentliche konstruktive Unterschiede der Ventilanordnung, der Ventilbetätigung, der Nockenwellenanordnung und des Nockenwellenantriebs gängiger Ausführungen.

Grundtypen

Grundsätzlich unterschieden wird nach der Anordnung der Ventile und Nockenwellen zum Zylinder.

Gegengesteuerter Motor (IOE)

Stehende Ventile (dunkel) und Kolben (hell), der Zylinderkopf ist entfernt

OHV mit Stoßstangen und Kipphebel

Zwei obenliegende Nockenwellen mit Tassenstößeln

Schnüffelventil, wechselgesteuert

Bei den ersten Motoren wurde nur das Auslassventil gesteuert, das Einlassventil wurde „automatisch“ durch den Unterdruck des ansaugenden Kolbens geöffnet. Das Schnüffelventil schließt sich am Ende des Ansaugtakts durch eine Feder, das Auslassventil wurde über einen Stößel von einer Nocke betätigt. Motoren mit Schnüffelventilen können konstruktionsbedingt nur sehr geringe Drehzahlen erreichen. Der Daimler-Reitwagen-Motor erreichte 700/min und der De-Dion-Bouton-Motor am Ende seiner Entwicklung 1.500–1.800/min.

Einlass über Auslass, gegengesteuert (IOE)

Beim IOE (englisch Inlet over Exhaust) „hängt“ das Einlassventil im Zylinderkopf und wird von einer untenliegenden Nockenwelle über Stoßstange und Kipphebel angesteuert. Das darunter stehend angeordnete Auslassventil wird unmittelbar von der Nockenwelle angesteuert. IOE wird auch als „gegengesteuert“ bezeichnet. Die Ventilsteuerung IOE hat meist offenliegende Kipphebel, sodass die Schmierung ein Problem sein konnte. Mit IOE wird im englischen Sprachraum auch das Schnüffelventil bezeichnet, das oberhalb des Auslassventils liegt.

Stehende Ventile (SV)

Eine sehr einfache, heute nur noch bei Stromgeneratoren und Rasenmähern übliche Bauweise heißt SV (Side Valves, „seitliche Ventile“, auch englisch Standing Valves, „stehende Ventile“): Die Nockenwelle liegt bei der Kurbelwelle und schiebt über Stößel die neben dem Zylinder „stehenden“ Ventile in den Zylinderkopf hinein auf. Die Bauweise des Zylinderkopfs nennt man „Flathead“ und ist seit 1904 bekannt. Der Zylinderkopf ist beim Seitenventiler nur ein einfacher Deckel. Der Zylinderblock ist hingegen komplex, da er neben der Zylinderbohrung auch die Gaskanäle und die Ventilführungen enthält. Der Brennraum hat eine ungünstig große Oberfläche. Dementsprechend ist diese Art der Ventilsteuerung nur für niedrige Verdichtungsverhältnisse und niedrige Drehzahlen geeignet. Vorteile sind die flache Bauweise des Motors und der einfache Guss des Zylinderkopfes.

Eine besondere Form des seitengesteuerten Motors ist der T-Kopf-Motor, bei dem Ein- und Auslassventil auf der jeweils gegenüberliegenden Seite angebracht sind. Diese Bauart mit zwei untenliegenden Nockenwellen war am Anfang des 20. Jahrhunderts für leistungsstarke Motoren (z. B. Mercedes, Laurin & Klement, Stutz, American LaFrance) verbreitet, hat aber heute keine Bedeutung mehr.

Hängende Ventile (OHV)

Bei OHV (englisch Over Head Valves) „hängen“ alle Ventile im Zylinderkopf, die Nockenwelle liegt im Kurbelgehäuse, bei V-Motoren über der Kurbelwelle. Man spricht auch von „untenliegender Nockenwelle“. Die Ventile werden über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel betätigt. Der Brennraum kann günstig geformt werden. Diese Bauweise war zu Beginn der Massenmotorisierung üblich und ist immer noch verbreitet, von Harley-Davidson über VW Käfer bis zur aktuellen Corvette. Als einer der ersten OHV-Motoren gilt der Pipe-Motor von 1905.

Obenliegende Nockenwelle (OHC)

Beim Konzept OHC (englisch Over Head Camshaft, auch SOHC – Single Over Head Camshaft) liegt die Nockenwelle im Zylinderkopf und wird entweder durch eine Reihe von Zahnrädern, eine Königswelle, Schubstangen, eine Kette oder einen Zahnriemen angetrieben. Clément-Bayard stellte 1908 eine frühe OHC-Ventilsteuerung an seinem Rennmotor vor. Die Ventile werden über Tassenstößel, Kipp- oder Schlepphebel betätigt. Der rotierende Antrieb zwischen Kurbelwelle und Zylinderkopf vermindert die Trägheit und ermöglicht höhere Drehzahlen. Diese Bauweise ist am weitesten verbreitet, die Variationen sind vielfältig. CIH (Camshaft In Head) ist eine OHC-Variante, bei der sich die Nockenwelle seitlich im Zylinderkopf befindet; Kipphebel sind erforderlich.

Zwei obenliegende Nockenwellen (DOHC)

Bei DOHC (englisch Double OverHead Camshaft) befinden sich zwei Nockenwellen im Zylinderkopf, von denen eine die Einlassventile und die andere die Auslassventile betätigt. Der erste DOHC-Motor war der Rennmotor von Peugeot aus dem Jahre 1912. Die bewegten Massen sind noch geringer und so noch höhere Drehzahl möglich, aber auch weniger Verschleiß bei günstig geformtem Brennraum, und die Platzierung von Zündkerzen ist unproblematisch. Beim DOHC-Motor werden die Ventile heute mit Tassenstößeln betätigt. Moderne Rennmotoren sowie Motorradmotoren sind ausschließlich mit DOHC-Ventiltrieb ausgerüstet. DOHC bedeutet nicht automatisch vier Ventile je Brennraum; grundsätzlich können mit der DOHC-Ventilsteuerung auch zwei Ventile je Brennraum betätigt werden (siehe Kawasaki Z1).

Ventilanordnung

Nach Anordnung der Ventile zueinander wird unterschieden zwischen parallel, V-förmig und radial:

Parallele Ventile

Bei einer obenliegenden Nockenwelle werden die parallel (in Reihe) hängenden Ventile direkt über Tassenstößel betätigt, bei CIH-Motoren über Stößel und Kipphebel, bei einer untenliegenden Nockenwelle über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel.

V-förmige Anordnung

Bei dieser Ventilanordnung bilden die in einem Winkel zueinander im Zylinderkopf hängenden Ventile ein V. Dies ergibt im Vergleich zu einem Zylinderkopf mit parallel hängenden Ventilen eine günstigere Brennraumform. Bei dieser Ventilanordnung liegen in der Regel Ein- und Auslass in einem Querstromzylinderkopf gegenüber. Diese Anordnung kann sowohl für Zweiventil-, als auch für Mehrventil-Motoren verwendet werden; ein solcher Zylinderkopf wird als Vier- oder Fünfventiler (drei Einlassventile) wegen der beiden nebeneinander liegenden Auslass-Kanäle bevorzugt mit Flüssigkeitskühlung gebaut, da dort lokal eine erhebliche Wärmemenge abgeführt werden muss. Dennoch waren die von Honda und MV Agusta in den 1960er- und 1970er-Jahren im Motorradrennsport eingesetzten Motoren dieser Bauart durchweg luftgekühlt und auch zahlreiche Serienmotoren wie die der Suzuki-GSX-Reihe dieser Zeit haben eine Luftkühlung. Bei einem OHC-Zylinderkopf werden die Ventile über Kipphebel betätigt; beim DOHC-Zylinderkopf meist direkt über Tassenstößel, seltener über kurze Schlepphebel. Als Sonderbauform wurde bei den britischen Herstellern Triumph und Rover eine Lösung verwendet, bei der die Einlassventile über Tassenstößel die Auslassventile über Kipphebel betätigt wurden.

Radiale Anordnung

Bei dieser Ventilanordnung für einen Vierventil-Motor hängen die Ventile der Ein- und Auslassseite nicht jeweils parallel nebeneinander, sondern die Ventile gleicher Funktion sind untereinander in einem Winkel zueinander angeordnet, so dass die Ventilteller keinen dachförmigen Brennraum bilden (wie bei V-förmig hängenden Ventilen), sondern einen annähernd halbkugelförmigen Brennraum. Durch die Möglichkeit, in diesem Winkel zwischen den Auslass-Ventilen einen zusätzlichen Kühlmittel-Kanal anzuordnen, ist der Zylinderkopf bei dieser Bauart thermisch höher belastbar. Außerdem können die Ventilöffnungen bei dieser Ventilanordnung größer sein als bei einem Zylinderkopf mit parallel hängenden Ventilen. Die jeweils schräg zueinander hängenden Ventile werden entweder von einer Nockenwelle mit konisch geschliffenen Nocken betätigt oder es wird eine zweigeteilte Nockenwelle mit einem Kegelradsatz in der Mitte verwendet (Grand-Prix-Rennmotorrad BSA 250). Alternativ werden ebenfalls schräg angeordnete Schlepphebel benutzt; die direkte Betätigung erfordert jeweils eine Nockenwelle für Ein- und Auslassventile (DOHC). Bei Ventilbetätigung über Schlepphebel genügt eine Nockenwelle (z. B. Honda Radial Four Valve Combustion Chamber). Der Pionier dieser Konstruktion war der britische Motorradhersteller Rudge, der bereits in den 1920er-Jahren Motoren mit vollradialer (alle Ventile stehen radial zum Brennraum) und halbradialer (parallel hängende Einlassventile, radial angeordnete Auslassventile) einsetzte (deswegen behaupten böse Zungen, dass die Abkürzung RFVC bei Honda nicht für Radial Four Valve Combustion Chamber stehe, sondern für Rudge Four Valve Copy). Weitere Beispiele: Rolls-Royce Condor, Honda XR 500 R, Honda XL 600, aktuelle Motoren von MV Agusta

Eine Sonderform dieser Ventilanordnung ist der Radial-Diametral-Vierventiler von Ludwig Apfelbeck.

Ventilbetätigung

Ventiltrieb mit Tassenstößel:
1. Nocken der Nockenwelle
2. Tassenstößel
3. Ventilfeder
4. Ventilschaft
5. Gaskanal zum Einlass (Frischgas) oder Auslass (Abgas)
6. Ventilteller, der den Brennraum (7) gegen den Ventilsitzring abdichtet
7. Brennraum

Nach Art der Ventilsteuerung wird unterschieden:

• Tassenstößel – hier betätigt der Nocken einen tassenförmigen Hohlzylinder, der – abgesehen von Spielausgleichselementen – direkt auf den Ventilschaft drückt. Der Abstand zwischen Nocken und Ventil ist bei dieser Bauart am geringsten, außerdem findet keine Kraftumlenkung durch Schlepp- oder Kipphebel statt, dadurch ist diese Bauart leicht, sehr steif und eignet sich damit für höchste Drehzahlen. Diese Betätigungsart bietet auch die geringste Bauhöhe der Ventilsteuerung. Zu den Möglichkeiten der Ventilspieleinstellung und des automatischen Spielausgleiches siehe unter Tassenstößel.
• Schlepphebel/Schwinghebel – zwischen Nocken und Ventil befindet sich ein Hebel, der in einer eigenen Achse gelagert ist. Vorteil: Das Ventilspiel lässt sich einfach einstellen; auch V-förmig hängende Ventile bei einem OHC-Motor können mit nur einer Nockenwelle gesteuert werden.
• Kipphebel – funktionieren ähnlich einem Schwinghebel. Der Kipphebel ist zweiarmig. Die Kippachse befindet sich zwischen der Nockenwelle (oder Stößel) auf der einen Seite und dem Ventil auf der anderen Seite. CIH-Motoren können mit einem verstellbaren Stößel zwischen Nocken und Kipphebel zum Ventilspielausgleich ausgestattet sein (selten). Im Normalfall betätigt die Nockenwelle einen starren Stößel, und das Ventilspiel wird über eine Schraube am Kipphebel eingestellt. Bei einer obenliegenden Nockenwelle wird das Ventilspiel über die Lagerung des Kipphebels eingestellt, indem der Drehpunkt, also die Kippachse, verschoben oder mit einem Exzenter verdreht wird. Außer dem Ventilspiel verändert sich auch die Länge des Hebelarms, wodurch der Ventilhub etwas verändert wird (Hebelgesetz).

• Datei:Desmodromic valve 1.jpg

  Desmodromik

  Bei der Desmodromik, die zum Beispiel bei Ducati-Motorrädern eingesetzt wird, handelt es sich um eine sogenannte Zwangssteuerung. Die typische Ventilfeder gibt es bei der Desmodromik nicht. Stattdessen werden die Ventile über Schlepphebel geöffnet und über einen zusätzlichen Schließnocken der Nockenwelle und einen Schließhebel geschlossen. Diese Bauart ist besonders leichtgängig, da von der Nockenwelle keine zusätzliche Federkraft zu überwinden ist. Das System ist damit ebenfalls für hohe Drehzahlen geeignet. Das Ventilspiel muss jedoch für das Öffnen und das Schließen separat eingestellt werden. Neuere Konstruktionen haben einen doppelten hydraulischen Ventilspielausgleich. Eine schwache zusätzliche Ventilfeder zum Schließen erlaubt ein Starten des Motors; ohne sie wäre bei kaltem Motor keine Kompression möglich. Bei formschlüssiger desmodromischer Ventilbetätigung dient derselbe Nocken (Doppelkonturnocken) zum Öffnen und Schließen.

Auswahlkriterien

Die Auswahl des Ventiltriebes seitens des Konstrukteurs hängt von verschiedenen Kriterien ab:

• Anzahl der zu betätigenden Ventile: Will man einen Vierventil-Motor mit nur einer Nockenwelle ausrüsten, so können nicht alle Ventile direkt über Tassenstößel betätigt werden, daher werden oft zwei Nockenwellen eingesetzt. Sinngemäß gilt das auch für Fünfventiler mit zwei Nockenwellen.
• Position der Zündkerzen und Einspritzdüsen im Zylinderkopf
• Maximale Drehzahl des Motors: etwa 65–150/min bei Schiffsdieseln (Langsamläufer), etwa 3500/min bei Lkw-Dieseln, etwa 6000–8000/min bei Pkw-Ottomotoren, bis 17.000/min bei Motorradmotoren, bis 20.000/min bei Formel-1- und Viertakt-Motorrad-Rennmotoren.

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 oder (vor allem bei älteren Motorrädern) die
• Königswelle sowie sehr selten der Antrieb mit einem Paar von
• Schubstangen. Bei dieser Antriebsart ist vorausgesetzt, dass die Nockenwelle parallel zur Kurbelwelle angeordnet ist, was die vorherrschende Bauweise ist.

Prinzipbedingt dreht die Nockenwelle eines Viertaktmotors stets mit der halben Kurbelwellendrehzahl – abgesehen von Viertakt-Sternmotoren, Näheres siehe dort.

Zur Verbrauchsoptimierung setzen die Automobilhersteller zunehmend auf Nockenwellenverstellung. Hier werden drehzahlabhängig durch Verstellen der Nockenwelle die Steuerzeiten der Einlassventile geändert, teils auch der Auslassventile. Damit lassen 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 oder Multiair von FIAT.

Bei Sternmotoren werden wegen der abweichenden Form die Steuerwellen als „Nockentrommel“, „Nockenring“ oder „Nockenscheibe“ bezeichnet. Sie laufen meist koaxial mit der Kurbelwelle, so dass als Antrieb nur Zahnräder in Betracht kommen.

Üblicherweise sind die Nocken auf einer Nockenwelle so angeordnet, dass sich der Stößel radial zur rotierenden Welle bewegt; dabei verlaufen die Nockenkonturen meist parallel zur Welle, der Stößel steht senkrecht zu ihr. Von Ludwig Apfelbeck sind jedoch auch Motoren mit angeschrägten Nocken konstruiert worden, bei denen die Stößel andere Winkel zur Nockenwelle einnehmen können. In einigen Sport-Motorrad-Motoren werden wiederum konisch geschliffene Nocken eingesetzt.

Selten sind Konstruktionen mit axialer Ventilsteuerungsbewegung in Richtung der Nockenwellen, so bei einigen der britischen Chater-Lea-Motorräder und bei Konstruktionen von Richard Küchen. Die Nocken betätigen dabei drehbar gelagerte Hebel.

Grundsätzlich ist zur Ventilsteuerung keine rotierende Nockenwelle notwendig – die zeitgesteuerte Betätigung von Stößeln ist auch mit Nockenwellen, die nur um weniger als eine volle Umdrehung hin und zurück drehen, oder mit translatorisch bewegten „Nockenbahnen“ möglich. Eine solche Bauweise wurde aber in der Serie noch nicht verwendet. Ventile können weiterhin auch mittels Hydraulik, Pneumatik oder elektromagnetisch bedient werden, so bei hochdrehenden Rennmotoren, etwa in der Formel 1.

• 
  Zwei obenliegende Nockenwellen angetrieben durch eine Steuerkette
• 
  Zwei obenliegende Nockenwellen angetrieben durch einen Zahnriemen
• 
  Nockenwellenantrieb durch Stirnräder
• 
  Nockenwellenantrieb durch Königswelle
• 
  Nockenwellenantrieb durch Schubstangen

Ventil

Auslassventil, rechts der Ventilteller, links die Ringnut zum Verkeilen des Federtellers

Zur Steuerung des Ladungswechsels im Verbrennungsmotor werden bei Viertaktmotoren fast ausschließlich und bei Zweitaktmotoren teilweise Tellerhubventile verwendet. Das Ventil besteht aus dem Ventilteller, der den Ein- oder Auslass-Kanal im geschlossenen Zustand gegen den passend geschliffenen oder gedrehten Ventilsitz im Zylinderkopf abdichtet. Der Ventilteller geht parabelförmig in den Ventilschaft über, um den vorbeiströmenden Gasen möglichst geringen Widerstand zu bieten. Der Ventilschaft ist ein langer, dünner Zylinder, der fest mit dem Teller verbunden ist.

Aufgaben, Beanspruchungen und Konstruktion

Ventile sind thermisch und mechanisch hoch beanspruchte Bauteile, die zusätzlich noch korrosiven Einflüssen ausgesetzt sind. Die mechanischen Beanspruchungen entstehen infolge Durchbiegung des Ventiltellers unter Zünddruck, durch hartes Aufsetzen beim Schließen (Stoß) und durch Massenkräfte infolge hoher Beschleunigungen. Durch entsprechende Stärke und Formgebung des Tellers sind diese Spannungen beeinflussbar.

Vom Verbrennungsraum her nehmen die Ventile mit großer Oberfläche Wärme auf. Das Auslassventil wird während des Öffnens auch durch die ausströmenden heißen Abgase auf der Oberseite erhitzt. Im Ventil fließt die Wärme vor allem zum Ventilsitz, ein kleinerer Teil über den Schaft zur Ventilführung. Einlassventile erreichen Temperaturen von 300 °C bis 500 °C, Auslassventile 600 °C bis 800 °C . Wenn die Dichtung am Ventilsitz während der Verbrennungsphase nicht einwandfrei ist, entstehen örtliche Überhitzungen und Anschmelzungen, die zum Versagen des Ventils führen.

Zur Verbesserung der Wärmeleitung durch den Schaft wird dieser für besonders hohe Anforderungen hohl ausgeführt und mit Natrium gefüllt. Die Bewegungen des bei Temperaturen über 97,5 °C flüssigen Natriums verstärken den Wärmetransport. So können die Ventiltemperaturen um bis zu 100 °C abgesenkt werden. Zur Verminderung des Verschleißes kann der Sitz durch Aufschweißen von Stellit – einer speziellen Hartmetalllegierung – gepanzert sein. Die Flüssigkeit im Innern des Ventils führt außerdem zu einer Schwingungsdämpfung.

Der Werkstoff des Ventils muss hohe Warmfestigkeit und Zunderbeständigkeit haben. Dafür wurden besondere RSH-Stähle entwickelt. Eine typische Bezeichnung ist X15NiCr25.20 (Werkstoff-Nr.1.4841) (oder Werkstoff Nr. 1.4541 (X6CrNiTi18-10)). Neben Stahl werden bei hochdrehenden Motoren teils leichtere Titan-Legierungen eingesetzt. Mario Illien setzte in den Ilmor-Motoren, die er für die Formel-1-Fahrzeuge von Mercedes entwickelte, erstmals Beryllium als Legierungszusatz ein.

Ventilwerkstoffe im Vergleich

Werkstoff	Dichte (g/cm³)	Schmelzpunkt (°C)	Wärmeleitfähigkeit (W/(m · K))	Mohshärte
Ventilstahl (RSH-Stahl)	7.80	1538	14.5	4.0
Titan	4.50	1668	22	6.0
Beryllium (Legierungszusatz)	1.84	1287	190	5.5
Wolfram (Legierungszusatz)	19.30	3422	170	7.5

Aus Verschleißgründen werden in die Zylinderköpfe oft Ventilsitzringe eingebaut. Im Zuge der technischen Weiterentwicklung werden an diese stetig wachsende Ansprüche bezüglich der Bauart, des Materials, der Präzision und der Leistungsstabilität gestellt.

Unter anderem die Ventilsitzringe im Ein- und Auslassbereich für Großdieselmotoren (Antriebsaggregate für Schiffe und stationäre Stromgeneratoren) werden im Schleudergussverfahren hergestellt. Die dafür verwendeten Werkstoffe (Nickel-Basis-Legierungen, warmfeste ferritische Stähle sowie anwendungsspezifische Werkstoffe) bieten nicht nur einen gute Temperaturbeständigkeit bis 400 °C, sondern auch eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit beim Einsatz von unterschiedlichen Brennstoffen wie Schweröl, Diesel, schwefelfreie Treibstoffe und Gas.

Bei Leichtmetallzylinderköpfen muss in jedem Fall ein Sitzring vorgesehen werden (legierter Schleuderguss, in Sonderfällen auch Gusseisen mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Höhe von Leichtmetall). Bei hochbeanspruchten Motoren werden insbesondere für die Auslassventile Sitzringe aus legiertem Schleuderguss auch bei Grauguss-Zylinderköpfen verwendet. Die Ventilsitzringe werden eingepresst oder eingeschrumpft. 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 durch das bis in die 1980er-Jahre ausschließlich verwendete verbleite Benzin eine Schutzschicht zwischen Ventilteller und Zylinderkopf bildete und so die Kontaktverschweißung verhinderte. Bei Dieselmotoren übernimmt der Ruß diese Aufgabe. Festbrennen von Ventiltellern in ihren Sitzen wird auch durch Verdrehvorrichtungen vorgebeugt.

Der Teller des Einlassventils hat meist einen größeren Durchmesser als der des Auslassventils, da auf diese Weise die Leistungsausbeute bei gegebenem Brennraumdurchmesser am höchsten ist. Der Schaft wiederum ist beim Auslassventil dicker, um den Wärmetransport zu fördern. Die Wärme wird weiter an die Ventilführung und von dort an den Zylinderkopf abgegeben, der meist durch Kühlwasser, selten durch Luft gekühlt wird.

Ventilbetätigung

Direkte Betätigung

Bei der direkten Betätigung wird das Ventil direkt durch die obenliegende Nockenwelle geöffnet, geschlossen wird es von der Ventilfeder. Deren Kraft wird übertragen über den Federteller, der von zwei Ventilkeilen gehalten wird, die in eine Ringnut am oberen Ventilschaft eingreifen. Zwischen Nocken und Ventilschaft ist als Übertragungsglied ein Tassenstößel angeordnet, auf dem der Nocken während der Betätigung gleitet. Der Stößel muss die entstehenden Querkräfte vom Ventilschaft fernhalten. Der Stößeldurchmesser ist durch die maximale Stößelgeschwindigkeit festgelegt, die Nockenbreite wird durch die Flächenpressung zwischen Nockenwelle und Stößel bestimmt. Da Nocken und Stößel unter hoher Flächenpressung aufeinander gleiten müssen, ist die Werkstoffpaarung wichtig. Gehärteter Stahl und Grauguss sind gut geeignet. Zur Vermeidung ungleichmäßigen Verschleißes lässt man den Stößel oft um seine Achse drehen. Dazu wird er seitlich gegen die Nockenmitte um 1 bis 3 mm versetzt. Neben starren Stößeln, bei denen das Ventilspiel durch Einlage von Plättchen unterschiedlicher Dicke (1/10-mm-Abstufung) oder Änderungen an Ventil bzw. Ventilsitz eingestellt werden kann, gibt es auch Stößel mit automatischer Spielnachstellung, sogenannte Hydrostößel.

Betätigung über Hebel

Kipphebel eines Kraftfahrzeugmotors – rechts das Gewinde der Einstellschraube

Kipphebel sind ein Relikt der Motoren mit untenliegender Nockenwelle, hier wurden sie von Stoßstangen als Übertragungsglied angetrieben. Bei obenliegender Nockenwelle werden sie verwendet, wenn die Ventile im Brennraum V-förmig angeordnet sind. Im Zuge der heute aktuellen Maßnahmen zur Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades werden auch bei DOHC Motoren häufig wieder Schlepphebel eingesetzt, bei denen die Nockenwelle auf einer Rolle abläuft. Dadurch wird die Reibung gegenüber dem Einsatz von Tassenstößeln deutlich verringert. Am Drehpunkt des Kipphebels ergibt sich eine hohe Auflagekraft, so dass die Lagerung besonders steif ausgelegt werden muss. Für das Kipphebelverhältnis i=l₂/l₁ werden im Allgemeinen Werte zwischen 1 und 1,3 angestrebt als Kompromiss zwischen niedriger Flächenpressung am Stößel, geringer bewegter Masse und hoher Steifigkeit. Die Kraft des Kipphebels soll möglichst axial auf den Ventilschaft übertragen werden, um eine Seitenkraft auf den Ventilschaft zu vermeiden. Kipphebel werden meist gegossen oder geschmiedet. Billige Varianten bestehen aus tiefgezogenem Blech, diese sind jedoch weniger steif. Vorteilhaft ist eine Einstellung des Ventilspiels an der ruhenden Hebellagerung, jedoch sitzt die Einstellschraube bei geschmiedeten Hebeln normalerweise gegenüber, wodurch die bewegte Masse des Ventiltriebs zunimmt. Schlepphebel (oder: Schwinghebel) sind wesentlich weniger beansprucht als Kipphebel. Änderungen im Auflagerpunkt haben geringeren Einfluss auf die Kinematik. Beim Schlepphebel ist der Einbau eines hydraulischen Ventilspielausgleichs in die Hebellagerung eine sehr geschickte konstruktive Lösung, die wenig Platz beansprucht, die Gesamtelastizität nur wenig ändert und daher gegenüber anderen Lösungen oft bevorzugt wird.

Ventilspiel

Im Betrieb erwärmtes Metall dehnt sich aus, so dass das Ventil länger wird. Dadurch kann es vorkommen, dass es nicht mehr vollständig schließt. Auch wenn der Ventilsitz schneller verschleißt als der Nocken, kann das Ventil nicht mehr vollständig schließen.

Dann droht das Verbrennen des Ventilsitzes und des Ventiltellers, da die heißen Verbrennungsgase am nicht ganz geschlossenen Ventil vorbeiströmen und es kaum noch Wärme an den Zylinderkopf ableiten kann. Wegen der durchströmenden Gase tritt zudem ein Leistungsverlust auf, da der Teil der Verbrennungsgase, der am Ventil vorbei entweicht, seine Energie nicht an den Kolben abgibt.

Um ein sicheres Schließen des Ventils unter allen Betriebsbedingungen sicherzustellen, wird ein Ventilspiel vorgesehen – ein kleiner Abstand irgendwo im Ventiltrieb. Dieser Abstand verringert sich mit Erreichen der Betriebstemperatur, darf aber nicht Null werden. Zu großes Spiel bewirkt wiederum Leistungsverlust, starke Geräuschentwicklung und erhöhten Verschleiß des Ventiltriebs.

Die Hersteller geben daher einen Bereich für das Ventilspiel an, in der Größenordnung einiger Hundertstel- bis Zehntelmillimeter, meist bezogen auf den kalten Motor. Das Ventilspiel soll in regelmäßigen Wartungsintervallen (nach Kilometerleistung, teils auch Betriebsstunden) kontrolliert und ggf. nachgestellt werden, falls der Motor keinen automatischen Ventilspiel-Ausgleich hat.

Das Spiel wird meist mit Fühlerblattlehren gemessen und dann je nach Bauart unterschiedlich eingestellt: Bei Kipphebeln, die von Stoßstangen betätigt werden, 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. Tassenstößel haben dagegen gehärtete Einlegeplättchen („Shims“), die zwischen Stößel und Nocken bzw. Stößel und Ventilschaft platziert werden. Diese sind in feinen Abstufungen der Dicke erhältlich und werden bei notwendiger Korrektur ausgetauscht.

Viele neuere Motoren haben Hydrostößel, bei denen kein Ventilspiel mehr nötig ist. Die regelmäßige Wartung entfällt dann, allerdings verschleißen die Hydrostößel selbst und verursachen nach hoher Laufzeit ggf. Klappern und Leistungsverlust. Hydraulische Ventilspieleinstellungen können auch innerhalb von Hebeln oder zum Anheben des Hebellagerpunktes („Hydrolifter“) konstruiert sein.

Literatur

• Mahle GmbH (Herausgeber): Ventiltrieb: Systeme und Komponenten (ATZ/MTZ-Fachbuch). Springer Vieweg, 2012, ISBN 978-3-8348-2490-5, S. 323. 
• Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. Friedrich Vieweg & Sohn, Braunschweig/Wiesbaden 2001 (2. Aufl.), ISBN 3-528-13114-4.
• Hans Jörg Leyhausen: Die Meisterprüfung im Kfz-Handwerk Teil 1. Vogel, Würzburg 1991 (12. Aufl.), ISBN 3-8023-0857-3.
• Wilfried Staudt: Handbuch Fahrzeugtechnik Band 2. Bildungsverlag EINS, Troisdorf 2005, ISBN 3-427-04522-6.
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001 (27. Aufl.), ISBN 3-8085-2067-1.

Siehe auch

• Themenliste Fahrzeugtechnik