OHC-Ventilsteuerung

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Schnitt durch einen Zylinderkopf, oben die beiden oben liegenden Nockenwellen (DOHC)
Schema einer Nockenwelle, links Auslass, rechts Einlass
Motor einer Einzylinder-Norton International 500 cm³ mit oben liegender Nockenwelle, Königswellen-Antrieb

Die OHC-Ventilsteuerung bezeichnet eine Bauform des Hubkolben-Viertaktmotors, bei der die Ventilsteuerung durch eine oben liegende Nockenwelle (englisch: Overhead Camshaft) erfolgt; dabei wird je Zylinderreihe (bei V-, Boxer- und prinzipiell auch bei Sternmotoren) gezählt.

Kennzeichnendes Merkmal des OHC-Motors ist die Lage der Nocken, die oberhalb der Trennlinie Zylinder - Zylinderkopf liegen müssen; bei Boxermotoren, sonstigen Motoren mit mehreren Zylinderreihen und hängend eingebauten Reihenmotoren ist mit "oberhalb" gemeint: auf der dem Verbrennungsraum zugewandten Seite der Trennlinie; oben liegende Nockenwellen liegen also bei hängend eingebauten Flugmotoren tatsächlich unterhalb der Verbrennungsräume. Die Ventile können dabei von den Nocken direkt über Tassenstößel, indirekt über Kipp- oder Schlepphebel gesteuert werden. Alternativen zur OHC-Bauform sind im Allgemeinen SV-Ventilsteuerung und OHV-Ventilsteuerung.

Varianten und Abkürzungen[Bearbeiten]

Ford 1.6 CVH Zylinderkopf mit Ventilen, Kipphebeln und Hydrostößeln

DOHC bezeichnet eine Bauform, bei der die Ventile von zwei oben liegenden Nockenwellen (englisch: Double Overhead Camshaft, auch Twin cam) je Zylinderreihe gesteuert werden. (DOHC-V- und -Boxermotoren haben also vier Nockenwellen.) Die Ventile von DOHC-Motoren werden fast immer direkt über Tassenstößel oder Schlepphebel gesteuert.

SOHC (englisch: Single Overhead Camshaft) bezeichnet zwei verschiedene Bauformen beim Viertaktmotor. Zum einen wird so gelegentlich die klassische OHC-Steuerung des Zweiventilmotors genannt, bei der eine einzelne Nockenwelle direkt über den in einer Linie angeordneten Ventilen angeordnet ist. Gebräuchlicher ist die Bezeichnung SOHC jedoch bei Motoren mit drei oder vier Ventilen je Zylinder, bei der die Ventile, anders als beim DOHC-Motor, von nur einer zentralen oben liegenden Nockenwelle je Zylinderbank gesteuert werden. Die Nockenwelle ist platzsparend zwischen den V-förmig angeordneten Ein- und Auslassventilen verbaut, die Betätigung der Ventile erfolgt in der Regel über (Rollen-)Kipphebel. Der Zylinderkopf eines SOHC-Motors ist dadurch deutlich kompakter als der eines DOHC-Motors. Beispiele für Vierventil-SOHC-Motoren sind der Triumph Dolomite Sprint, die Husaberg FE 570 und der Chrysler Neon, Dreiventil-SOHC-Motoren findet man in der Honda NTV und diversen Mitsubishi Colt.

OHC-Motoren, deren Nockenwelle seitlich oben im Zylinderkopf liegt, nennt man speziell CIH-Motoren (Camshaft In Head). Diese Bauform mit herkömmlichen (Hydro-)Stößeln findet man z. B. bei Vier- und Sechszylindermotoren der Marke Opel, die von 1965 bis Anfang der 1990er hergestellt wurden.. Diese Motoren sind jedoch nicht so drehzahlfest wie übliche OHC-Motoren. Sie haben Kipphebel und Stößel, aber keine Stoßstangen. Bei CIH-Motoren stehen alle Ventile in einer Reihe.

Eine ganz ähnliche Lösung, jedoch mit V-förmig hängenden Einlass- und Auslassventilen - diese Anordnung ermöglicht einen halbkugelförmigen (hemisphärischen) Brennraum - nennt Ford CVH-Motor (Compound Valve Hemi, übersetzt: im Verbund (mit der Nockenwelle) angeordnete Ventile, hemisphärischer Brennraum), der in Europa von 1,1 bis 1,8 Litern Hubraum und mit ca. 50 bis 132 PS Nennleistung von 1980 bis ca. 2000 angeboten wurde. Bei diesem OHC-Motor sitzt die über einen Zahnriemen angetriebene Nockenwelle mittig über der Kurbelwelle in einem Leichtmetall-Zylinderkopf zwischen den Ventilen. Diese werden über Hydrostößel (beim Escort RS1600i mechanisch, beim Sierra 1.8 Rollenstößel) und Kipphebel angetrieben. Die kompaktere Bauweise – wie auch bei CIH – gegenüber den klassischen OHC-Motoren war ein Vorteil, die bauartbedingte Höchstdrehzahl von ca. 8000 min-1 ein Nachteil. Ähnliche Konstruktionen gab es in den 1960er Jahren bei BMW, NSU und später bei Peugeot.

Alle diese Viertakt-Hubkolbenmotoren sind zugleich OHV-Motoren, da ihre Ventile - unabhängig von der Lage der Nockenwelle(n) - im Zylinderkopf "hängend" angeordnet sind. OHV-Motoren werden jedoch, um eine klare Unterscheidung der Ventilsteuerungen zu gewährleisten, nur dann so genannt, wenn sie keine oben liegenden Nockenwellen haben.

SV-Motoren haben "stehende" Ventile und keine oben liegende Nockenwelle.

Bei einem Sternmotor ist die Nockenwelle als „Nockentrommel" oder -ring koaxial zur Kurbelwelle angeordnet. Diese spezielle Motorenbauart gilt daher als „untengesteuerter" Motor. Prinzipiell können auch bei Sternmotoren Nockenwellen in den Zylinderköpfen angeordnet werden, was wegen des hohen konstruktiven Aufwandes jedoch nicht realisiert wird.

Grundsätzlich sind auch Ventilsteuerungen ohne Nockenwellen (z. B. über eine Pneumatik) und sogar die ventillose Steuerung der Gaswechselvorgänge beim Viertaktmotor durch Schiebersteuerungen möglich.

Antrieb[Bearbeiten]

Oben liegende Nockenwellen werden in der Regel mit einem Zahnriemen oder einer Steuerkette angetrieben. Stirnradkaskaden und Schubstangenpaare (Albert Roders ULTRAMAX-Steuerung) findet man nur noch bei historischen Motoren, Königswellen sind teuer und selten (Ducati bis ca. 1986, [[Kawasaki W800]und W650] seit 2011). Eine Kombination aus Stirnrad- und Kettenantrieb ist der sog. Weller-Trieb des Engländers John Weller (1877–1966; zugleich Mitbegründer des englischen Automobilherstellers AC Cars Ltd.). Ein Stirnradpaar reduziert dabei die Kurbelwellendrehzahl auf die Hälfte, von dort treibt eine Kette im Übersetzungsverhältnis 1 : 1 die obenliegende(n) Nockenwelle(n) an. Dieser Antrieb wurde 1927 von der englischen Motorradfabrik A.J.S. eingeführt. John Weller hat die Spann- und Führungseinrichtungen von Kettentrieben in vielen Details verbessert.

Im Vergleich zu Ketten sind Zahnriemen billiger, benötigen keine Schmierung (und somit keine öldichte Kapselung) und laufen leiser. Als erster Anwender des Steuerzahnriemens in der Serie gilt der Dingolfinger Landmaschinen- und Automobilhersteller Hans Glas. Nachteil ist die notwendige exakte Spannung des Riemens und die gegenüber Ketten größere Gefahr des Reißens bei falscher Riemenspannung oder Materialermüdung; oft sind kapitale Motorschaden die Folge eines Zahnriemenrisses. Regelmäßige Kontrolle und rechtzeitiger Austausch sind folglich nötig, typische Austauschintervalle liegen je nach Motortyp in der Größenordnung zwischen 50.000 und 150.000 km Fahrstrecke bzw. fünf bis zehn Jahren.

Eine Neuerung stellt der Zahnriemenantrieb des neuen Ford EcoBoost 3-Zylinder-Motors dar: Die Antriebsriemen des Motors laufen in einem Ölbad. Das soll Laufgeräusche und den Verbrauch reduzieren und gleichzeitig die Laufleistung des Riemens erhöhen.

Geschichte[Bearbeiten]

Eine oder zwei obenliegende Nockenwellen sind bei Hochleistungsmotoren seit Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt. Ein Motor mit obenliegender Nockenwelle war bereits 1909 im von der Firma Deutz produzierten Prinz Heinrich Typ 9C eingebaut. Ein weiteres frühes Beispiel für einen derartigen Motor wurde 1913 bei Alfa Romeo entwickelt und kam im Grand Prix Modell des italienischen Automobilproduzenten für 1914 erstmals zum Einsatz. Ebenfalls in das Jahr 1914 fällt die Entwicklung der ersten Flugmotors mit obenliegender Nockenwelle Hispano-Suiza 8. Bei Rennmotorräder sind zwei obenliegende Nockenwellen bei der Peugeot 500 Sport von 1913 bekannt.

In den vor dem Zweiten Weltkrieg gebauten Pkw spielte diese Bauweise jedoch kaum eine Rolle. Weil sie leichter zu warten waren und als zuverlässiger galten, wurden stattdessen SV-Motoren verwendet. Bei diesen verursachte ein abreißendes Ventil oder Ausfall des Nockenwellen-Antriebes keine teuren Folgeschäden. Zudem waren die damals üblichen Königswellen mit zwei Kegelradpaaren weit aufwändiger herzustellen als Stirnräder oder kurze Steuerketten. Die Schwingungsdämpfer für lange Steuerketten oder die Zahnriemen heutiger Motoren waren damals noch nicht erfunden oder serienreif.

Eine Art Vorreiter in Bezug auf die Entwicklung von Motoren mit obenliegender Nockenwelle ist die Firma Alfa Romeo, die ab dem im Jahr 1922 vorgestellten Modell RL Normale fast alle ihre Motoren so ausstattete. Insgesamt gesehen gab es aber bis in die 1940er Jahre serienmäßig nur wenige Motoren mit obenliegenden Nockenwellen, darunter außer den Alfa Romeos jener Zeit ab 1925 den Motor des Fiat 509 und den des Morris Minor von 1928, den Jaguar XK-DOHC-Motor, die Achtzylinder von Tatra (Tatra 77 und 87) und ab 1945 den Crosley CC mit einer königswellengetriebenen Nockenwelle. Erst gegen Ende der 1950er wurden OHC-Motoren bei Pkws populär. Pioniere waren außer Alfa Romeo (DOHC), BMW und Mercedes-Benz (OHC mit Kipphebeln), Lloyd (Lloyd Alexander) und NSU, die auf den Nockenwellenantrieb mit einer Kette setzten. Eine Ausnahme bei NSU ist die Ultramax-Steuerung einiger Motorradmodelle und der Zweizylinder-Motoren im PKW-Modell „NSU Prinz", dort dient ein Paar von Schubstangen dem Nockenwellenantrieb. Der Durchbruch im Massenmarkt gelang allerdings erst mit dem Antrieb durch einen Zahnriemen. Das erste Modell mit zahnriemengetriebener Nockenwelle war 1962 der Glas 1004, allerdings noch ohne Durchbruch am Massenmarkt.

Vor- und Nachteile[Bearbeiten]

Vorteile[Bearbeiten]

Motoren mit oben liegenden Nockenwellen bieten wegen der geringen für die Ventilbetätigung bewegten Massen gute Voraussetzungen für hohe Drehzahlen und können daher bei gegebenem Mitteldruck höhere maximale Leistungen und ein besseres Leistungsgewicht als andere Motoren erreichen.

Nachteile[Bearbeiten]

Für die Umstellung auf oben liegende Nockenwellen mussten die Fahrzeughersteller Motorblöcke und Zylinderköpfe neu konstruieren und die Fertigungsstraßen erneuern, weshalb viele Hersteller die Umstellung hinauszögerten und noch lange ihre OHV-Motoren anboten.

Wird für den Antrieb der Nockenwelle ein Zahnriemen verwendet, erfordert dies einen größeren Aufwand bei der Wartung. Diese Bauteile müssen regelmäßig ausgetauscht werden, übliche Wartungsintervalle liegen je nach Motor zwischen 40.000 und 120.000 km.

Lange Steuerketten erfordern Führungs- und Spannschienen; nicht selten sind es drei oder vier im Umlauf. Insbesondere V-Motoren mit extrem langen Steuerketten-Umläufen sind wartungs- bzw. kontrollbedürftig (von der Kurbelwelle herauf zum ersten Zylinderkopf, herab zum Umlenkrad, herauf zum zweiten Zylinderkopf, wieder herab zur Kurbelwelle, das sind vier Ketten-Trums in V-Form). Spannschienen sind wegen ihrer kettenseitigen Kunststoffauflage Verschleißteile, die nach ca. 150.000 bis 300.000 km gewechselt werden sollten.

Die komplizierte Führung von Steuerkette oder Zahnriemen war lange ein Grund für die Verwendung der OHV-Bauweise bei V-Motoren in LKWs und vielen amerikanischen Fahrzeugen. Hier genügt eine zentrale Nockenwelle, die über eine kurze Kette oder ein Zahnradpaar von der Kurbelwelle angetrieben werden kann.

Literatur[Bearbeiten]

  • Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage, Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 2000, ISBN 3-14-221500-X
  • Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1
  • Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk: Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage, Holland+Josenhans Verlag, Stuttgart, 1997, ISBN 3-7782-3520-6
  • Hans Jörg Leyhausen: Die Meisterprüfung im Kfz-Handwerk Teil 1. 12 Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1991, ISBN 3-8023-0857-3

Siehe auch[Bearbeiten]