Themen:
- Allgemeines
- Obenliegende Nockenwelle
- Darunterliegende Nockenwelle
- Schnelle Nockenwellen
- Ventilüberlappung
- Variable Ventilsteuerung und Ventilhub
- Schmierung
Gesamt:
Die Nockenwelle ist ein wichtiger Teil des Motors. Die Nockenwelle sorgt dafür, dass die Ventile werden geöffnet und geschlossen, so dass Luft in den Zylinder hinein und aus ihm heraus strömen kann. Die Nockenwelle dreht sich, sodass der Nocken das Ventil entgegen der Federkraft der Ventilfeder öffnet. Die Ventilfeder sorgt dafür, dass das geöffnete Ventil geschlossen wird, wenn sich der Nocken weiterdreht.
Die Nockenwelle befindet sich oben oder unten am Zylinderkopf oder unten am Motorblock. Der Antrieb der Nockenwelle erfolgt über Zahnriemen, Kette oder Kettenräder. Mehr dazu erfahren Sie im Kapitel Verteilung.
Obenliegende Nockenwelle:
Die obenliegende Nockenwelle wird nur noch heutzutage verwendet. Anschließend wird die Nockenwelle in den Zylinderkopf eingesetzt. Der Vorteil von Motoren mit oben liegender Nockenwelle besteht darin, dass sie höhere Drehzahlen bewältigen können als Motoren mit unten liegender Nockenwelle.
Im linken Bild sieht man, dass das Ventil geschlossen ist, weil die Ventilfeder das Ventil zudrückt und die Nockenwelle sich im Uhrzeigersinn dreht. Im rechten Bild ist die Nockenwelle verdreht, wodurch der Nocken das Ventil nach unten drückt. Die Feder ist jetzt zusammengedrückt und drückt das Ventil nach unten. Bei weiterer Drehung der Nockenwelle drückt die Ventilfeder das Ventil wieder nach oben. Die Ventilfeder übt einen Gegendruck von ca. 20 kg aus.
Die Ventile eines Viertaktmotors werden durch 1 oder 2 Nockenwellen geöffnet. In der Version mit 1 Nockenwelle betätigt es sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile.
Bei der Ausführung mit 2 Nockenwellen betätigt eine Nockenwelle das/die Einlassventil(e), die andere das/die Auslassventil(e). Die 2 Nockenwellen können nacheinander durch den 1 Zahnriemen angetrieben werden, es gibt aber auch Systeme, bei denen eine Nockenwelle die andere über einen separaten Riemen oder eine separate Kette antreibt (siehe Bilder unten)
Die folgenden Bilder sind nur Beispiele für die Zahnriemenkonstruktion. Das Prinzip ist bei einer Steuerkette das gleiche.
Das Bild oben links zeigt einen Motor mit einer einzelnen Nockenwelle. Dadurch werden sowohl die Einlass- als auch die Auslassventile betätigt. Dies wird üblicherweise beispielsweise bei Vierzylindermotoren mit 8 oder 12 Ventilen (also mit 2 oder 3 Ventilen pro Zylinder) angewendet.
Das mittlere Bild zeigt einen Motor mit einer doppelten Nockenwelle, der von zwei Zahnriemen angetrieben wird. Das Nockenwellenrad (1) wird über den großen Riemen direkt von der Kurbelwelle angetrieben. Auf der Rückseite der Riemenscheibe von Zahnrad 1 befindet sich ein kleines Zahnrad, über das der hintere Riemen läuft. Dieser hintere (kleine) Riemen treibt das Nockenwellenrad (2) an. Der kleine Riemen erfordert einen separaten Spanner. Dies wird üblicherweise bei Vierzylindermotoren mit 16 oder mehr Ventilen angewendet. (also 4 oder mehr Ventile pro Zylinder)
Das rechte Bild zeigt einen Motorradmotor mit zwei Nockenwellen. Der Antrieb der Nockenwellen erfolgt sowohl über einen Riemen als auch über eine Kette. Nockenwelle 1 wird vom Zahnriemen angetrieben, der von der Kurbelwelle angetrieben wird. Nockenwelle 2 wird von der Kette angetrieben, die von Nockenwelle 1 angetrieben wird. Diese Kette wird mit einem Spanner oder einem Einstellmechanismus unter dem Ventildeckel montiert. Dies wird üblicherweise beispielsweise bei Vierzylindermotoren mit 16 oder mehr Ventilen angewendet. (vier oder mehr Ventile pro Zylinder)
Unterliegende Nockenwelle:
Früher waren Motoren mit einer darunter liegenden Nockenwelle ausgestattet. Heutzutage sind Pkw-Motoren nur noch mit einer obenliegenden Nockenwelle ausgestattet. Die Konstruktion mit der darunter liegenden Nockenwelle verschwindet. Der Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, dass diese Motoren keine hohen Drehzahlen bewältigen können, da sich zwischen Nockenwelle und Ventil viel Masse befindet. Bei hohen Geschwindigkeiten entsteht zu viel Spiel und das Ventil öffnet und schließt nicht mehr zum richtigen Zeitpunkt.
Die Kurbelwelle treibt mittels an eine kleine Steuerkette oder einen kleinen Steuerriemen an die darunter liegende Nockenwelle (siehe Abbildung unten). Die Nockenwelle drückt den Ventilstößel und die Stößelstange gerade nach oben. Die rechte Seite des Kipphebels wird nach oben gedrückt. Der Kipphebel „taumelt“ um die Kipphebelachse und drückt die linke Seite nach unten. Dadurch wird das Ventil gegen die Kraft der Ventilfeder nach unten gedrückt. Bei weiterer Drehung der Nockenwelle drückt die Ventilfeder das Ventil zu und der Kipphebel kehrt in seine Ausgangsposition zurück.
Schnelle Nockenwellen:
Wenn der Nocken ovaler und länger ist, bleibt das Ventil länger geöffnet. Dann kann mehr Luft in den Zylinder strömen. Dadurch entstehen Kapitalgewinne. Dieses Prinzip kommt unter anderem beim Motortuning zum Einsatz. Dies nennt man „schnelle Nockenwellen“. Wenn das Ende schärfer ist (eher spitz), schließt das Ventil schneller. Außerdem muss es leicht konvex sein, sonst schlägt das Ventil mit zu hoher Geschwindigkeit auf den Sitz zurück und verursacht starken Verschleiß an den Ventilsitzen. Bei der Konstruktion eines Motors wird dieser auch sorgfältig geprüft, damit Nockenwellen eingebaut werden, die hinsichtlich Leistung, Kraftstoffverbrauch und Emissionswerten optimal sind.
Ventilüberschneidung:
Während der Ventilüberschneidung sind die Einlass- und Auslassventile gleichzeitig kurzzeitig geöffnet. Am Ende des Auslasshubs, wenn sich der Kolben fast am oberen Totpunkt befindet, öffnet das Einlassventil, bevor das Auslassventil geschlossen wird. In diesem Fall ist die Geschwindigkeit der Abgase, die den Brennraum verlassen, so hoch, dass durch den Unterdruckeffekt bereits Ansaugluft angesaugt wird. Nachdem das Auslassventil geschlossen ist und sich der Kolben zum ODP bewegt, öffnet sich das Einlassventil vollständig. Die angesaugte Luft füllt somit den Brennraum.
Der Vorteil der Ventilüberschneidung besteht darin, dass beim Öffnen des Einlassventils die Geschwindigkeit der einströmenden Luft erhöht wird, was zu einem höheren Füllgrad führt.
Die Abbildung zeigt die Situation, in der das Einlassventil (links) und das Auslassventil (rechts) gleichzeitig geöffnet sind.
Das Diagramm zeigt das Öffnen und Schließen der Auslass- und Einlassventile. Wenn sich die Nockenwelle dreht, öffnet und schließt sich das Auslassventil (blaue Linien). Die Ventilüberschneidung erfolgt in der Mitte des Diagramms. Dies wird rot dargestellt. Das Einlassventil (dargestellt mit grünen Linien) ist hier bereits leicht geöffnet.
Die Ventilüberschneidung wird durch die Nockenform erreicht. Im Bild unten sehen Sie, dass auf der oberen Nockenwelle die höchsten Nocken einen Abstand von 114 Grad haben. In der Mitte der Abbildung entsteht die Ventilüberschneidung, weil das Ende des Einlassnockens und der Anfang des Auslassnockens höher liegen als der runde Teil der Nockenwelle. Dies ist der Teil, in dem die Einlass- und Auslassventile gleichzeitig geöffnet sind.
Je näher die Laschen beieinander liegen, desto größer ist die Überlappung. Dies lässt sich am Unterschied zwischen der oberen und der unteren Nockenwelle erkennen, wobei die Nocken in der unteren Nockenwelle einen Abstand von 108 Grad haben.
Ventilüberschneidung tritt daher immer auf und kann aufgrund der festen Nockenform auf der Nockenwelle nicht verändert werden. Das Ausmaß der Ventilüberschneidung wird vom Motorhersteller bestimmt.
Variable Ventilsteuerung und Ventilhub:
Die Leistung des Motors hängt maßgeblich von der Nockenwelle ab. Bei langen und ovalen Nocken bleiben die Ventile länger geöffnet. Dadurch kann mehr Luft in den Motor ein- und ausströmen, was zu mehr Leistung führt. Wenn die Nocken kürzer und spitzer sind, öffnet sich das Ventil weniger und schließt früher, wodurch weniger Luft ein- und ausströmt und somit auch weniger Leistung erzeugt wird. Der Vorteil besteht darin, dass dadurch der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden kann.
Niedrige Motordrehzahlen bei geringer Last erfordern:
- Einlassventile öffnen spät und schließen früh.
- Auslassventile öffnen spät und schließen früh.
Hohe Motordrehzahlen bei hoher Belastung erfordern:
- Einlassventile früh öffnen und spät schließen.
- Auslassventile früh öffnen und spät schließen.
Autohersteller suchen immer nach einem Mittelweg. Die variable Ventilsteuerung stellt die Nockenwelle bei laufender Motordrehzahl auf die gewünschte Position ein. Der variable Ventilhub ist auch eine Technik, um verschiedene Vorteile zu erzielen, indem der Abstand geändert wird, bei dem das Ventil öffnet.
Bei variable Ventilsteuerung dreht die Nockenwelle relativ zum verstellbaren Nockenwellenrad (siehe Bild). Bei diesem System kann dafür gesorgt werden, dass die Ventile früher oder später öffnen, es kann jedoch nicht dafür gesorgt werden, dass die Ventile länger geöffnet bleiben. Wenn das Ventil früher öffnet, schließt es auch früher, da die Form der Nockenwelle gleich bleibt. Auf der Seite variable Ventilsteuerung Hierzu werden noch weitere Erläuterungen gegeben.
Variabler Ventilhub ist eine Technik, die dafür sorgt, dass die Hubhöhe des Ventils einstellbar ist. Dadurch wird gesteuert, wie weit das Ventil öffnet. Dies wirkt sich sowohl auf den Kraftstoffverbrauch als auch auf die Motorleistung aus. Das Bild unten ist ein Beispiel dafür. Das ist die Valvetronic von BMW.
Der variable Ventilhub wirkt nur auf die Einlassnockenwelle. Es gibt verschiedene Techniken, die von verschiedenen Herstellern verwendet werden. Auf Seite variabler Ventilhub Die verschiedenen Techniken werden ausführlich beschrieben.
Schmierung:
Die Nockenwelle muss geschmiert werden, ebenso wie alle anderen beweglichen Komponenten im Motor. Über Rohre mit Löchern oder Düsen wird die Nockenwelle an den richtigen Stellen mit Öl versorgt. Auf der Seite ist die Funktionsweise des gesamten Schmiersystems beschrieben Schmiersystem.
