Es ist an der Zeit, einen Blick in den Verbrennungsmotor zu werfen und einen genaueren Blick auf den wichtigen Ventiltrieb zu werfen. Dies ist die Baugruppe, die den Fluss des Kraftstoff-Luft-Gemisches in die Brennkammer (Einlass) reguliert, diese abdichtet, um für den Arbeitstakt eine Kompression aufzubauen, und anschließend die Gase schließlich entfernt (Auslass). Ein Motor ist im Grunde genommen nur eine große Luftpumpe und dieses System steuert, wie und wann sich die Luft bewegt.
Bei einem benzinbetriebenen Viertaktmotor handelt es sich um einen heiklen, hochgradig choreografierten Tanz, bei dem jede Fehlausrichtung noch verstärkt wird. Ventiltriebe gibt es in vielen verschiedenen Konfigurationen, von den frühen Seitenventilmotoren (auch „Flatheads“ genannt) bis hin zu hochkomplexen pneumatischen Systemen, die in F1-Autos der 1980er-Jahre in Mode kamen.
Am Ende dieses Artikels werden Sie Ihre Stößelstangen von Ihren desmodromischen Ventilen kennen (wo die Ducati Desmosedici (der Name trägt seinen Namen), während wir die Innovationen und Innovatoren erkunden, die uns dorthin gebracht haben, wo wir heute sind.
Die Schlüsselkomponenten
Nehmen wir uns einen kurzen Moment Zeit, um uns mit den wichtigsten Unterkomponenten vertraut zu machen, aus denen der Ventiltrieb besteht. Sie sind wie folgt:
Ventile — Sie haben eine und nur eine Funktion: zu versiegeln. Sie müssen für einen dichten Verschluss der Öffnung sorgen, damit die Gase im Inneren bleiben, um Druck für die Verbrennung und die Arbeitstakte aufzubauen, und um zu verhindern, dass die Gase in die falsche Richtung strömen. Es können nur zwei Ventile pro Zylinder vorhanden sein, bis zu fünf. (Okay, einige haben eine sekundäre Funktion, nämlich die Erzeugung von Wirbeln in der Kammer, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch gleichmäßig zu verteilen, aber das ist ein Thema für eine längere Diskussion.)
Nockenwellen (Öffnungsmechanismus) — In fast 100 Prozent der Fälle handelt es sich um eine Nockenwelle. Eine Reihe von Nocken wandelt die Drehbewegung in eine Auf-/Abbewegung um, indem eine Stange oder ein Schaft mechanisch von der Mitte der rotierenden Welle weggedrückt wird. Der Nocken berührt über einen Stößel oder den Ventilschaft ein Stößel-/Kipphebelsystem.
Nockenwellen können tief im Motor (Nockenwelle im Block) oder oberhalb der Brennkammer (Overhead) positioniert sein. Die Form des Lappens bestimmt, wie weit und wie lange sich die Klappe öffnet. In einigen seltenen Fällen können Ventile pneumatisch, hydraulisch oder mit einem Direktgetriebe geöffnet werden.
Ventilfeder (Schließmechanismus) – Auch hier handelt es sich in fast 100 Prozent der Fälle um eine Ventilfeder. Beim Öffnen des Ventils wird es komprimiert. Wenn diese Kraft entfernt wird, verschließt die Feder es fast augenblicklich und sorgt so für eine dichte Abdichtung. Diese Ventilfeder war eine häufige Fehlerquelle, aber bessere metallurgische Forschung hat gezeigt, dass dies weitaus weniger der Fall ist. Bei Rennmotoren kommen alternative Technologien zum Einsatz, da eine mechanische Feder bei 10.000 U/min nicht mithalten kann!
Ventilposition – Obwohl es sich hierbei nicht um eine Komponente an sich handelt, ist die Positionierung des Ventils im Verhältnis zum Zylinder ein weiteres bestimmendes Merkmal. Die überwiegende Mehrheit befindet sich oben, aber frühere Motoren hatten die Ventile nicht im Zylinder selbst, sondern in einer Seitenkammer, in der bei manchen Konstruktionen auch die eigentliche Verbrennung stattfand.
Overhead-Kameras entwickeln sich weiter
Bei den frühen Automobilen stand vor allem die Funktion im Vordergrund und weniger die Leistung. Daher verwendeten die ersten Autos eine seitliche Ventilkonfiguration und wurden als „Flatheads“ bezeichnet, da sich die Brennkammer nicht über dem Kolben, sondern seitlich davon befand.
Bei den frühesten Versionen lagen die Einlass- und Auslassventile auf einer Seite nebeneinander, was als „L-Kopf“ bezeichnet wurde. Dann wurde ein Querstromkopf eingeführt, der sie auf gegenüberliegenden Seiten hatte („T-Kopf“). Die transformativen Ford-Modelle T und A verwendeten einen Vierzylinder-Reihenmotor mit L-Kopf-Konfiguration.
Seitenventilmotoren bestehen nur aus wenigen Teilen. Daher sind sie einfach und zuverlässig. Was sie nicht sind, ist performant. Die Gase bewegen sich nicht effizient, verbrennen nicht gut und haben eine geringe Kompression. Als diese Überlegungen anstanden, ergab sich eine bessere Möglichkeit, die Brennkammer direkt über dem Zylinder anzuordnen.
Das erste bekannte Auto mit hängenden Ventilen war der Maudslay aus dem Jahr 1902 in England. Ein ähnliches Design erschien 1903 von der in Illinois ansässigen Firma Marr Auto Car. Das erste Serienauto mit einer einzelnen obenliegenden Nockenwelle war der Isotta-Fraschini Tipo KM im Jahr 1910.
Der große Durchbruch gelang mit dem Grand-Prix-Wagen von Peugeot aus dem Jahr 1912, der über den „L76“-Motor verfügte und als erster über eine doppelte obenliegende Nockenwelle (DOHC), vier Ventile pro Zylinder und halbkugelförmige Brennkammern verfügte. Sie wurden von Jules Goux und Ernest Henry entwickelt und erkannten, dass der Schlüssel zu mehr Leistung ein Motor mit höherer Drehzahl und viel größerem Luftstrom war. Dieser frühe Peugeot wurde zur Vorlage für die modernen Motoren, die wir bis heute verwenden.
Peugeot bewies das Design auf der Rennstrecke und gewann mit dieser radikalen neuen Innovation sowohl den Großen Preis von Frankreich 1912 als auch 1913. Mercedes folgte diesem Beispiel mit dem 18/100 GP, der 1914 die Ausgabe des französischen Rennens gewann. Die ersten Straßenfahrzeuge mit DOHC waren der Sunbeam Super Sport von 1926, gefolgt vom Duesenberg Model J im Jahr 1928.
Mercedes-Benz experimentierte (mit Erfolg) ab Mitte der 50er Jahre mit einer alternativen Methode zum Öffnen und Schließen der Ventile in seinen weltbesten W196-Grand-Prix-Wagen und 300SLR-Sportwagen. Sie nutzten einen desmodromischen Antrieb, der das Ventil mechanisch öffnete und schloss, wodurch Ventilfedern überflüssig wurden. Die Nockenwelle drehte einen an einem Ventilschaft befestigten Kipphebel, der ein Ventil direkt öffnete und schloss. Theoretisch würde es die Zuverlässigkeit erhöhen, aber diese Probleme wurden auf andere Weise gelöst und die desmodromischen Ventile führten zu anderen Komplexitäten. Sie sind noch heute vorhanden, von Ducati, die dies in ihren Produkten verwendet Desmosedici (Italienisch für „desmodromische Sechzehn“) Motoren, die ihre MotoGP-Motorräder antreiben.
Aus zwei werden vier (und mehr)
Der Übergang zu effizienteren Mehrventilkonfigurationen wurde im Motorsport gut angenommen, es dauerte jedoch viel länger, bis er für den Einsatz in Straßenfahrzeugen kommerzialisiert wurde. Zusätzlich zu den oben genannten Peugeot verwendeten ALFA, Bugatti, Stutz, Pierce-Arrow, Bentley, Mercedes und Duesenberg bereits in den 1920er Jahren Drei-, Vier- und sogar Fünfventilkonfigurationen in ihren Rennwagen. Einige Serienmodelle wurden tatsächlich der Öffentlichkeit zugänglich gemacht, es handelte sich jedoch um limitierte Auflagen, die hauptsächlich für „Sport“-Editionen verwendet wurden. Nach dem Zweiten Weltkrieg scheint das Mehrventilkonzept verloren gegangen zu sein.
Cosworth Engineering belebte das Mehrventilkonzept 1966 wieder. Das Unternehmen entwickelte zunächst den Cosworth FVA-Motor, einen Reihenvierzylinder mit vier Ventilen pro Zylinder, als Prototyp für eine kommende V8-Version. Der 3,0-Liter-V8-DFV (für „Double Four Valve“) wurde 1967 auf den Markt gebracht und veränderte die Formel 1. Der DFV wurde mit 167 Siegen zum dominantesten Motor in der Geschichte der Formel 1 – und erneuerte das Interesse an Vierventilmotoren.
Im Jahr 1968 setzte Toyota beim Großen Preis von Japan einen Vierventil-5,0-Liter-Motor ein, was signalisierte, dass die japanischen Autohersteller im Spiel mit Mehrventilmotoren waren. Tatsächlich brachte Nissan schnell den S20-Motor auf den Markt, einen 2,0-Liter-Reihensechszylindermotor mit DOHC und vier Ventilen pro Zylinder. Der S20 trieb den Nissan Skyline von 1969 und die Fairlady Racing Edition an.
Als nächstes kam ein Ford Escort RS1600 mit einem von Cosworth entworfenen Vierzylinder, der 1970 erhältlich war. Dieses Modell wurde ein großer Erfolg und dominierte zu seiner Zeit nationale und internationale Rallye-Wettbewerbe. Ende der 1970er Jahre verfügten Chevrolet, Fiat, Lotus, BMW und Porsche über Serienmodelle, die auf die Sport- und Leistungssegmente abzielten. Der „Quattrovalvole“ erhielt in den 1980er-Jahren mit dem Ferrari 308 von 1982 den exotischen Charakter. Dann erschien er in V12-Motoren, die sowohl den Ferrari Testarossa von 1984 als auch den Lamborghini Countach QV von 1985 antreiben.
Beobachten Sie, wie dieser kreischende Renault RVS-9 V10 F1-Motor auf 20.000 U/min hochdreht!
Die Leistung steigern
Angesichts der Leistungsvorteile, die sich durch einen optimierten Ventiltrieb erzielen ließen, war das Streben nach weiteren Zuwächsen – sowohl geringfügiger als auch anderer – in vollem Gange. Die damaligen Ingenieure arbeiteten daran, verschiedene Materialien und knifflige Methoden zu verwenden, um die volumetrische Leistung und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern und mit den Anforderungen des Motorsports Schritt zu halten.
In den frühen 80er Jahren entwickelte Renault die pneumatische Ventilfeder und baute sie in seinem 1,5-Liter-V10-Turbomotor RVS-9 ein. Jean-Pierre Boudy von Renault wird die Erfindung zugeschrieben, die den hydraulischen Ventilstößel modernisierte, der erstmals 1930 zum Einsatz kam und in den 1980er Jahren allgegenwärtig wurde.
Als die Motordrehzahl über 10.000 U/min stieg, wurde die Fähigkeit einer mechanischen Feder, das Ventil schnell über seine Grenzen hinaus zurückzustellen, überfordert. Bei 12.000 U/min wird eine Feder aufgefordert, das Ventil 50 Mal pro Sekunde zurückzustellen! Die Idee bestand darin, die mechanische Ventilfeder durch eine versiegelte Kammer zu ersetzen, die mit einem Inertgas wie Stickstoff gefüllt ist und so die Kontaktkraft aufrechterhält, ohne dass es zu Ermüdungsschäden kommt. Seitdem sind pneumatische Ventilfedern der Standard in der Formel 1.
Motorkonstrukteure haben außerdem Techniken zur Variation von Ventilhub und Steuerzeiten entwickelt, die einen effizienten Betrieb eines Motors bei niedrigen Drehzahlen ermöglichen. Wenn der Motor belastet wird, kann er den Motor neu kalibrieren, um maximale Leistung zu erzielen, indem er die Ventile weiter und zu leicht unterschiedlichen Zeitpunkten öffnet. Einige erfinderische Designer meldeten diese Ideen bereits um die Wende des 20. Jahrhunderts zum Patent an. Diese Technologie wurde von der Formel 1 verboten, sodass sich die meisten Entwicklungen auf den Einsatz in Straßenfahrzeugen konzentrierten.
Giovanni Torazza von Fiat entwickelte in den 1960er Jahren ein System zur variablen Ventilsteuerung, das hydraulischen Druck nutzte. Alfa Romeo war der erste Wagen, der in den 1970er Jahren eine eigene Version auf den Markt brachte, die von Giampaolo Garcea entwickelt wurde. Ab 1980 verfügte der Alfa Romeo 2000 Spider über ein mechanisches VVT, das erste bekannte Serienauto, das über diese Funktion verfügte.
Das bekannteste System dieser Art ist das von Ikuo Kajitani erfundene VTEC (Variable Valve Timing and Electronic Control) von Honda. Es nutzte zwei separate Nockenprofile und konnte nahtlos zwischen ihnen wechseln. VTEC erschien erstmals 1989 im Integra XSi, CRX und Civic. Im Jahr 1991 erschien es im Flaggschiff-Mittelmotor-Supersportwagen NSX, was VTEC enorme Glaubwürdigkeit verlieh.
Vorausschauen
Die nächste Entwicklung, die derzeit erforscht wird, ist der sogenannte „nockenlose Motor“, der die Ventile mithilfe elektromagnetischer, pneumatischer oder hydraulischer Aktuatoren betätigt. Obwohl noch nichts in Produktion ist, wird die Idee aktiv weiterverfolgt. Die fortschrittlichste Version kommt von Koenigsegg und nutzt ihr sogenanntes „Freiventil” Technologie. Im Erfolgsfall würde dies eine beispiellose Kontrolle über die Leistung und Effizienz eines Motors ermöglichen, indem Steuerzeiten und Ventilhöhe bei Bedarf sofort angepasst werden.
Der Ventiltrieb ist eine entscheidende Komponente, die einen großen Einfluss auf die Leistung eines Motors hat. Während es in den 1920er bis 1960er Jahren scheinbar ruhte, sind jetzt neue Technologien auf dem Vormarsch, die möglicherweise die Lebensader des Verbrennungsmotors sowohl in Autos als auch in anderen Anwendungen verlängern könnten.
Quellen:
- Boddy, Bill, Zufällige Gedanken über OHC, Motorsport, Januar 1964.
- Hawley, Dustin, Was ist ein Heber an einem Auto?JD Power, 22. Dezember
- Geschichte von Valve..Automotive Group 4, Oktober 2013.
- Norman, Kenny, Die Vor- und Nachteile von Schubstangenmotoren erklärtHotcars.com, 31. Juli
- Das Freevalve-KonzeptFreevalve AB
- Den Ventiltrieb eines Automobils verstehenStudentLesson, 13. Juli 2020.
- Wikipedia-Artikel zum Thema Ventiltrieb, Hydraulikstößel, Flachkopfmotor, Cam-in-Block, Motor mit obenliegender Nockenwelle, Mehrventil, Variabler Ventilhub, Variable Ventilsteuerung, Pneumatische Ventilfedern, Desmodromisches VentilUnd Nockenloser Kolbenmotor.
