Ventilsteuerung

Ventile werden von einer oder mehreren Nockenwellen gesteuert (Ventilsteuerung).

Alle Aussagen sind für einen Viertaktmotor.

Ein Ottomotor hat pro Zylinder mindestens ein Einlass- und ein Auslass-Ventil, heute 3 oder 4 Ventile pro Zylinder, manchmal 5 (Audi) oder sogar 8 Ventile (Honda).

Der Gaswechsel kann auch mit Schiebern gesteuert werden.

Die Ventile werden von einer oder mehreren Nockenwellen gesteuert. Diese wird von der Kurbelwelle über Zahnriemen, Steuerkette(n), Stirnräder oder Königswelle(n) angetrieben. Bei Hochleistungsmotoren, etwa in Rennfahrzeugen, Flugzeugen und Motorrädern, wurde für den Ventiltrieb früher oft eine Königswelle verwendet. Die Nockenwelle dreht sich immer mit halber Kurbelwellendrehzahl, da ein Arbeitsspiel zwei Kurbelwellenumdrehungen erfordert.

Liegt die Nockenwelle unten, das heißt im Kurbelgehäuse, werden im Zylinderkopf hängende Ventile (OHV-Ventilsteuerung) in der Regel über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel betätigt, bei neben dem Zylinder stehenden Ventilen (SV-Ventilsteuerung) direkt über Stößel oder Schlepphebel. Beide Bauarten waren früher verbreitet, werden aber in Neukonstruktionen außer bei Großmotoren nicht mehr verwendet. Stehende Ventile gibt es seit etwa 1960 wegen der ungünstigen Brennraumform nur noch in einfachen Industriemotoren, Rasenmähern oder Notstromaggregaten. Ottomotoren für Pkw mit untenliegender Nockenwelle werden im Wesentlichen nur noch in den USA gebaut. Wird eine Nockenwelle oberhalb der im Kopf hängend angeordneten Ventile vorgesehen (OHC-Ventilsteuerung – overhead camshaft), entfallen die Stoßstangen, für Betätigung der Ventile kommen unter anderem Kipp- oder Schlepphebel und Tassenstößel in Frage.

Bei zwei obenliegenden Nockenwellen (DOHC, double overhead camshaft) werden die Ventile über Tassenstößel oder Schlepphebel betätigt, was durch die dynamische Steifigkeit des Systems eine gleichbleibende Genauigkeit der vorgegebenen Steuerzeiten bis in hohe Drehzahlen gewährleistet. Mit zwei obenliegenden Nockenwellen lassen sich auch über zwei verstellbare Nockenwellen eine variable Ventilsteuerung realisieren, bei der Ein- und Auslasssteuerzeiten unabhängig voneinander verändert werden können.

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1 Mehrventiltechnik

Nur zwei kreisrunde Ventilteller pro kreisrundem Brennraum zu haben, lässt viel Fläche ungenutzt und kaum Platz für eine zentral platzierte Zündkerze. Mit jedem Ventil mehr nimmt der Anteil nicht zu öffnender Fläche ab und der bei jeweils gleichem Ventilhub gerade verfügbare Strömungsquerschnitt zu. In Folge ist der Strömungswiderstand geringer, sodass gegebener Druck jederzeit mehr Volumen bewegt. Für besseren Liefergrad (Füllung) genügt ein zusätzliches Einlassventil. Mehr Ventile pro Zylinder bedeuten auch kleinere Ventilteller und damit weniger Masse, die höheren Drehzahlen entgegensteht. So ergibt sich mehr Leistung als bei Motoren mit zwei Ventilen. Die nebenstehende Tabelle macht dies anhand zweier Formel-2-Motoren (BMW-Vierzylinder) aus den 1970er Jahren deutlich: Bei gleichem Hubraum von 2 Litern ergab sich nach der Umstellung auf einen Vierventil-Zylinderkopf in Verbindung mit der erhöhten Nenndrehzahl eine Leistungssteigerung um 22% Prozent.

Auch bei Pkw-Motoren für den Alltagseinsatz ergibt sich mit vier Ventilen eine ähnliche Steigerung. Beispielsweise wurde der 1,8-Liter-Vierzylinder M40B18 (83 kW/113 PS bei 5500/min) des BMW 318i aus der Reihe E30 durch einen anderen Zylinderkopf im Modell 318is zum Vierventiler M42B18 mit einer Leistung von 100 kW/136 PS bei 6000/min; allerdings ist dieser mit 10:1 auch höher verdichtet und benötigt daher Superbenzin (M40B18: Verdichtung 8,8:1 für Normalbenzin).

Einer der ersten Serien-Pkw mit alltagstauglicher Vierventil-Technik war der Triumph Dolomite Sprint. Mit der Yamaha FZ 750 kam 1985 das erste Serienmotorrad mit Fünfventiltechnik auf den Markt. Mit dem Audi A4 entstand 1994 erstmals deutsche Fünfventiltechnik in Großserie.

Aus Angaben wie 12V kann oft nicht auf die Anzahl der Ventile pro Zylinder geschlossen werden, denn 12V kann einen Dreizylindermotor mit vier Ventilen pro Zylinder, einen Vierzylindermotor mit drei Ventilen pro Zylinder oder einen Sechszylindermotor mit zwei Ventilen pro Zylinder bezeichnen.

Die in Kleinserie hergestellte Honda NR 750 mit Ovalkolbenmotor hat 8 Ventile pro Zylinder.

Der österreichische Motoren- und Fahrzeugentwickler Fritz Indra hat bei Opel den Motor C20XE mit Vierventiltechnik mitentwickelt. Dieser (Ottomotor) hatte zum Zeitpunkt seiner Einführung einen sehr hohen Wirkungsgrad (37%).