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Zylinderkopf 3 - Gestaltung



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Die Auslegung eines Zylinderkopfs hängt zunächst einmal von der Lage des Motors im Fahrzeug, genauer gesagt vom Platz oberhalb des Zylinderkopfs ab. Noch einfacher ausgedrückt: Können z.B. die Ansaugrohre nach einem unvermeidlichen Knick vorbei am jeweiligen Einlassventil möglichst grade weiter geführt werden oder ist ein weiterer, möglichst großzügiger Bogen unvermeidlich.

Wir haben schon an anderer Stelle darauf hingewiesen, dass die Vorgänge rund um den Ladungswechsel keinesfalls nur statisch betrachtet werden dürfen. Denn das würde bedeuten, der von UT nach OT gehende Kolben schiebt die Altgase hinaus und holt im Gegenzug die Frischgase herein. Wenn wir allerdings die dynamische Seite betrachten, lassen wir im Folgenden Effekte außen vor, die sich durch das Zusammenspiel mehrerer Zylinder einstellen.

Bei einem optimalen Austausch der Alt- durch Frischgase wird versucht, den Zylinderraum (Vh + Vc) so aufzuladen, dass am Ende mehr Frischgas enthalten ist, als nach dem reinen Rauminhalt hineinpassen würde. Wohlgemerkt, wir reden hier weder von Aufladung durch Kompressor oder Turbolader, noch von der sogenannten dynamischen Aufladung, die z.B. Resonanzen im Ansaugrohr nutzt.

Dazu ist es sinnvoll, sich die Vorgänge rund um den Ein- und Auslassnocken, die beiden klassischen, zentralen Steuerelemente eines Verbrennungsmotors anzuschauen. Da diesen Vorgängen beim Benzinmotor vielleicht noch etwas mehr Bedeutung zukommt als beim Diesel, werden wir uns auf den Benziner beschränken. Ob dabei reine Luft angesaugt wird (Direkteinspritzer) oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, ist erst einmal zweitrangig.

Neben der Höhe des Ventilhubs ist der Verlauf des Nockens von großer Bedeutung. Schon Keith Duckworth von der Fa. Cosworth, dem später einer der meist verbreiteten F1-Rennmotoren gelang, hat bei seinen ersten Arbeiten zur Leistungserhöhung sehr mit diesen Problemen gerungen. Nachträglich hat er viel Gelesenes verworfen und eigene Überlegungen angestellt und in der Praxis (z.B. am Leistungsprüfstand) erprobt. Wenn später so renommierte Firmen wie Mercedes sich bei ihm Rat geholt haben, können die Ergebnisse seiner Arbeit nicht so schlecht gewesen sein.

Wenn also ein Nocken ein Ventil öffnet, dann tut er das zunächst einmal über eine 'Rampe'. Die erste Nockenerhebung ist also keineswegs besonders stark, weil sonst die Öffnungsbeschleunigung des Ventils unzulässig hohe Werte erreichen würde. Früher diente sie gleichzeitig dazu, das Ventilspiel zu überwinden, was heute praktisch nur noch bei Motorrad- und Lkw-Motoren vorkommt. Man nennt diesen ersten Teil des Anstiegs auch 'Vornocken'.

Der Partner des Nockens, z.B. ein Tassenstößel, wird auch Nockenfolger genannt. Sychrone Bewegungen mit dem Nocken werden durch eine oder zwei Federn erzwungen. Selten gibt es auch Zwangssteuerungen. Ein Nocken kann mehr als ein Ventil steuern, z.B. bei Gabelhebeln des gleichen Zylinders oder zu verschiedenen Seiten verschiedene Zylinder. Berühmtes Beispiel dafür ist der VW-Käfer. Seltener wurde die Möglichkeit genutzt, mit einem Nocken Ein- und Auslassventil zu betätigen.

Die Steuerzeiten bilden immer noch das Herz des Motormanagements, daran zu erkennen, dass inzwischen sogar die allermeisten Motoren mit Aufladung in Vierventiltechnik betrieben werden. Allerdings erfordert das rein mechanische Öffnen und Schließen von Ventilen viel Augenmerk, sogar bei der Erfüllung von CO2-Vorschriften. Hier hat sich Roll- gegenüber Gleitreibung weitsetgehend durchgesetzt. Die rein elektrische Betätigung von Ventilen scheint vorerst vom Tisch zu sein. 12/15



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