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NW & Ventile

Ventile, Nockenwelle und Geschwister

Die grundsätzliche Arbeitsweise eines Motors haben wir ja schon beschrieben.
Beim Benzin-Motor wird das Gemisch im Vergaser aufbereitet oder von einer oder mehreren Einspritzdüse/n erzeugt. Wenn wir die (bisher) seltenen Fälle der direkten Benzineinspritzung außen vor lassen, steht also das Gemisch schon außerhalb des Brennraumes – nämlich im Einlasskanal - bereit, und möchte nun in den Zylinder gebracht werden um dort zu verbrennen.
Dass hier ein Automotor abgebildet ist, soll uns vorerst mal nicht stören (ich bitte um Nachsicht). Alle Teile von denen wir im Folgenden sprechen sind dabei gelb eingefärbt. Es handelt sich um den Zahnriemen, der die Nockenwelle (die Welle mit den Nocken drauf, die sich quer über den Ventilen dreht) antreibt und die Ventile mit ihren Federn. Rot eingefärbt sind die Kolben, die über Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden sind, deren Schwungmasse und auf der linken Seite der Starterkranz.





 

Ventile

AUF und ZU: Die Ventile

Einerseits muss der Brennraum dicht sein, um eine möglichst hohe Kompression zu erreichen, andererseits soll aber auch das aufbereitete Benzin-Luft-Gemisch in den Brennraum kommen und die verbrauchten Abgase müssen auch wieder irgendwohin.
Zu diesem Zweck verwendet man die Ventile. Sie werden von den Ventilfedern nach oben (in den Ventilsitz) gezogen, was den Brennraum damit komplett veschließt. Erst wenn die Nockenwelle (über Hebel, Stößel oder sonst was) von oben auf das Ventil drauf drückt, der Ventilteller den Kanal öffnet, kann das Gas (Frisch- oder Altgas) den in den Brennraum hinein oder hinaus strömen.
Dieser Vorgang geschieht 7.000 mal bei einer Drehzahl von 14.000 U/min (beispiels weise Kawasaki ZXR400 oder EL250).
Wenn das Ventil da nicht rechtzeitig von der Feder nach oben gezogen wird, kommt zu einer Kollision mit dem Kolben, die das Ventil erst verbiegt, so dass es sich nicht mehr in der Ventilführung bewegen kann und der Kolben es anschließend einfach in den Zylinderkopf prügelt. Folge: Ein ordentlicher Motorschaden!
Auslöser dafür kann zum Beispiel ein zu enges Ventilspiel sein. Der Ventilteller verbleibt so nicht lange genug im Ventilsitz und kann die von der Verbrennung aufgenommene Temperatur nicht mehr ausreichend über den Ventilsitzring an den Zylinderkopf abgeben.
Als Folge wird der Ventilschaft zu heiß, dehnt sich und bleibt in der Führung stecken.
Nun steht das Ventil mehr oder weniger geöffnet sinnlos im Brennraum herum, der Kolben befindet sich auf seinem Weg nach oben in Richtung Zylinderkopf und kollidiert mit dem Ventil. BUMM !

Eine weitere Ursache dafür kann eine Verkokung der Ventilsitzringes sein. Wenn ein Motorrad nur auf Kurzstrecken bewegt wird, können Verbrennungsrückstände am Ventil und Sitzring hängen bleiben weil die Motortemperatur um diese zu verbrennen nicht erreicht wird. Gleiches bei erhöhtem Ölverbrauch.
In der Folge kann das Ventil nicht mehr ganz schließen, Kompressionsverlust und abnehmende Leistung sind die Folge. Jetzt kann das Ventil aber auch kaum noch Temperatur abgeben. Das gleiche passiert übrigens auch durch "natürlichen" Verschleiß.
Verbrennungsrückstände können sich auch so stark ansammeln, dass Kolben und Ventil nicht mehr genug Platz im Brennraum haben und kollidieren. Abhilfe schafft hier nur ein mechanisches Nacharbeiten der Ventilsitzringe, Ventile, ev. Kolben und Zylinder.

Bisher haben wir uns das Ventil angesehen. Jetzt wollen wir uns dem Teil widmen, welches unsere Ventile öffnet:




 

Die Nockenwelle

... dreht sich genau mit der halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle. Warum das so ist, wird klar, wenn man bedenkt, dass ein 4-Takt Motor bei zwei Umdrehungen nur einen Arbeitstakt vollführt (alle 720° Kurbelwellendrehung beginnt der Spaß von vorne).
Was wir im Bild sehen, sind die Nockenwellen eine DOHC-Motors (zb. Suzuki Bandit). Man sieht sehr schön die Nocken, das sind diese "Eier" auf der Welle. Wenn sich die Nockenwelle dreht, dann drücken die Nocken zum Beispiel wie bei diesem Motor über Schlepphebel auf die Ventile und öffnet diese.
Die Bandit besitzt – stellvertretend für sehr viele Motorbauarten - je eine Nockenwelle für die Einlass- und eine für die Auslass-Ventile.




 

OHV, OHC, DOHC

Hand aufs Herz, wer weiß was die Kürzel bedeuten?

OHV = over head valves

OHC = over head camshaft

DOHC = double over head camshaft

auf gut deutsch haben wir es beim OHV mit unten-, bei OHC mit obenliegender oder mit zwei obenliegenden Nockenwellen beim DOHC zu tun.

OHV: Eingesetzt werden untenliegende Nockenwellen in modernen Motoren eigentlich nicht mehr. Es sind einfach zu viele bewegte Teile dabei und die Steuerzeiten sind vor allem bei höheren Drehzahlen durch deren schwingenden Massen nicht gar so exakt. Bei richtig hohen Drehzahlen ist diese Bauart kaum einsetzbar. Aber Traktormotoren (?) und amerikanische Chopper werden noch immer so gebaut (weiß der Geier warum).

Beim OHV Motor sitzt die Nockenwelle unten im Motor und wird im Normalfall über eine Übersetzung (2:1 wir erinnern uns) über ketten oder Zahnräder direkt von der Kurbelwelle angetrieben. Über Tassenstößel, Stößelstangen und Kipphebel werden die Ventile dann geöffnet.

OHC : Hier handelt es sich um eine obenliegende Nockenwelle, die sowohl die Einlass- als die Auslassventile über Schlepp- oder Kipphebel bedient.

DOHC
Angetrieben wird die Nockenwelle über eine sogenannte Steuerkette, einen Zahnriemen oder über Zahnräder. Ab und zu begegnet man auch einem Königswellen-Antrieb (wie z.B. Ducati's alte 750SS und 900SS und Kawasaki's W650)
Je eine Nockenwelle übernimmt die Steuerung der Auslass- oder der Einlassventile.
Einsatzgebiet sind vor allem Hochleistungsmotoren. Durch die Konstruktion bedingt, kann das Teil zwischen Nockenwelle und Ventil sehr klein und kurz gebaut werden, was die zu bewegenden Massen minimiert. Vorteil: Der Motor kann noch höher drehen und die Steuerzeiten bleiben auch dann noch sehr exakt.



Nockenwellenantrieb

Wie schon mehrfach oben erwähnt, muss sich die Nockenwelle mit der halben Geschwindigkeit der Kurbelwelle drehen.
Um das zu erreichen, gibt es mehre Möglichkeiten:
Der häufigste Nockenwellenantrieb ist wohl - wie rechts abgebildet – der mit Hilfe einer Steuerkette. Das oft gefürchtete Rasseln eines Motors kann den Grund haben, dass die Kette sich durch Verschleiß längt und/oder der Steuerkettenspanner nicht mehr ordentlich arbeitet. Die Kette wird ein wenig lose, was sich dann als Rasseln bemerkbar macht.

Übrigens: Wenn die Kette reißt, bleibt die Nockenwelle einfach stehen und die Ventile verharren in ihrer augenblicklichen Lage. Da nicht genug Platz im Brennraum ist, "schließt" der Kolben die Ventile endgültig (Bumm).
Deswegen: Nicht rasseln lassen, sondern gleich nach der Ursache forschen.

Hier noch der sogenannte




 

"Stirnrad"-Antrieb

like Honda VFR750 RC30.
Der Vorteil des Nockenwellenantriebes über Zahnräder liegt in der Spielfreiheit des Antriebes. Die Steuerzeiten werden exakt eingehalten.
Beim fertigungstechnisch günstigeren Steuerkettenantrieb führen Kettenspiel und Längenänderung durch Temperatur und Verschleiß zu ungenauen Steuerzeiten, die Leistung kosten.




 

Desmodromik = Zwangssteuerung

Die Desmodromik ist eine weitere Möglichkeit der Ventilsteuerung.
Die Ventile werden jedoch nicht (primär) von einer Feder gehalten, vielmehr handelt es sich hier um eine Zwangssteuerung.
Die Ventile werden sowohl "gewaltsam" geöffnet, als auch geschlossen. Eine kleine Feder sorgt nur für den Ausgleich des nötigen Spiels und dafür, dass das Ventil wirklich ganz im Ventilsitz anliegt. Es könnte ja sonst die aufgenommene Temperatur nicht an den Ventilsitz abgeben.
Eingesetzt wird dieses Verfahren bei Motorrädern zur Zeit nur von Ducati.

Der Vorteil einer solch komplizierten Mechanik liegt in der hohen Genauigkeit der Steuerzeiten und dem immer rechtzeitigen Schließen des Ventils auch bei sehr hohen Drehzahlen.
Warum aber die Japaner mit simplen Ventilfedern und höhere Drehzahlen mehr Leistung erreichen, das sogar ohne dass ihnen der Ventiltrieb um die Ohren fliegt, bleibt für echte Ducatisti scheinbar ein Geheimnis.
Fakt ist, dass es um 11000 U/min zu erreichen nicht nötig ist, die Ventilsteuerung so aufwendig zu konstruieren, sehrwohl aber um den Mechaniker zu ärgern und die Wartungszeiten zu erhöhen.




 

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