Was macht eine Nockenwelle?

Im vielschichtigen Bereich des Automobilbaus spielt die Nockenwelle eine grundlegende Rolle für den Lauf und die Effizienz des Motors. Die Frage „Was macht eine Nockenwelle?“ zeigt die Komplexität und Innovation auf, die hinter Verbrennungsmotoren steckt. Dieses Bauteil ist unerlässlich, um die Einlass- und Auslassventile des Motors zu steuern, und koordiniert den präzisen Steuerzeitpunkt, der für eine optimale Leistung nötig ist.

Indem die Nockenwelle die Drehbewegung in eine Hubbewegung umwandelt, stellt sie sicher, dass der Kraftstoffeinlass und das Ausstoßen der Gase genau zum richtigen Zeitpunkt erfolgen. Die Funktion der Nockenwelle zu verstehen, lässt die bemerkenswerte Ingenieurskunst würdigen, die Fahrzeuge auf der ganzen Welt antreibt.

1. Was macht eine Nockenwelle?

Im Zentrum jedes Verbrennungsmotors befindet sich die Nockenwelle – ein Bauteil, dessen Rolle entscheidend ist, aber oft unterschätzt wird. Man muss sich bewusst machen, dass dieses Stück Ingenieursgenie die Leistung und Effizienz des Motors direkt beeinflusst.

Die Hauptaufgabe der Nockenwelle besteht darin, das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile des Motors zu steuern. Sie tut dies durch einen synchronisierten Wechsel von Drehung und Steuerzeit. Wenn sich die Nockenwelle dreht, wirkt jeder Nocken – eine akribisch geformte Erhebung – mit den Stößeln oder Stößelstängen zusammen, um den Zeitpunkt und die Dauer, während der die Ventile geöffnet bleiben, präzise zu steuern. Dieser harmonische Ablauf stellt sicher, dass der Kraftstoff genau zum optimalen Zeitpunkt in den Brennraum gelangt und die Gase austreten, was sich direkt auf die Leistung und den Kraftstoffverbrauch des Motors auswirkt.

Die Rolle der Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor darf nicht unterschätzt werden. Indem sie den Steuerzeitpunkt des Ventilöffnens bestimmt, spielt sie eine Schlüsselrolle im Atemvorgang des Motors. Die Effizienz dieses Prozesses ist es, die ein Fahrzeug mühelos über die Straße gleiten oder kraftvoll brüllen lässt.

Die Innovation hinter der Form jedes Nockens und die Präzision, mit der sich die Nockenwelle dreht, unterstreichen die Komplexität des modernen Automobilbaus. Diese Bauteile arbeiten unermüdlich und unbemerkt, sind aber grundlegend für die Fähigkeit des Motors, die Energie des Kraftstoffs zu nutzen.

Nun, da Sie die Funktion der Nockenwelle kennen, ist es wichtig zu verstehen, wie sie arbeitet. Beginnen wir mit den Grundlagen.

Grundlagen der Nockenwelle

Die Schlüsselteile jeder Nockenwelle sind die Nocken. Wenn sich die Nockenwelle dreht, öffnen und schließen die Nocken die Einlass- und Auslassventile im Takt der Kolbenbewegung. Es zeigt sich, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Form der Nocken und dem Verhalten des Motors in verschiedenen Drehzahlbereichen besteht.

Um zu verstehen, warum dies so ist, stellen Sie sich vor, wir ließen einen Motor extrem langsam laufen – mit nur 10 oder 20 Umdrehungen pro Minute (U/min) – so dass der Kolben ein paar Sekunden für einen Zyklus bräuchte. In der Praxis wäre es unmöglich, einen normalen Motor mit dieser Drehzahl laufen zu lassen, aber stellen wir uns vor, wir könnten es. Bei dieser langsamen Drehzahl würden wir Nocken mit einer solchen Form wollen, dass:

Genau wenn der Kolben im Ansaugtakt beginnt, sich abwärts zu bewegen (genannter oberer Totpunkt, OT), sich das Einlassventil öffnen würde. Das Einlassventil würde sich genau dann schließen, wenn der Kolben den unteren Punkt erreicht.
Das Auslassventil würde sich genau dann öffnen, wenn der Kolben am Ende des Arbeitstakts den unteren Punkt erreicht (genannter unterer Totpunkt, UT), und sich schließen, wenn der Kolben den Ausstoßtakt beendet.

Diese Konfiguration würde sehr gut für den Motor funktionieren, solange er mit dieser sehr langsamen Drehzahl läuft. Aber was passiert, wenn man die Drehzahl erhöht? Finden wir es heraus.

Bei steigender Drehzahl funktioniert die Nockenwellen-Konfiguration für 10 bis 20 U/min nicht mehr gut. Wenn der Motor mit 4.000 U/min dreht, öffnen und schließen die Ventile 2.000 Mal pro Minute, oder 33 Mal pro Sekunde. Bei diesen Drehzahlen bewegt sich der Kolben sehr schnell, und daher strömt das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das in den Zylinder eintritt, ebenfalls sehr schnell.

Wenn sich das Einlassventil öffnet und der Kolben seinen Ansaugtakt beginnt, beginnt das Luft-Kraftstoff-Gemisch im Einlasskanal, in Richtung Zylinder zu beschleunigen. Wenn der Kolben das Ende seines Ansaugtakts erreicht, bewegt sich das Gemisch mit hoher Geschwindigkeit. Würden wir das Einlassventil schlagartig schließen, würde das gesamte Gemisch zum Stillstand kommen und nicht in den Zylinder gelangen. Indem wir das Einlassventil etwas länger geöffnet lassen, drückt das Moment des strömenden Gemischs weiter Luft und Kraftstoff in den Zylinder, während der Kolben seinen Verdichtungstakt beginnt. Je schneller der Motor also dreht, desto schneller strömt das Gemisch, und desto länger soll das Einlassventil geöffnet bleiben. Außerdem soll sich das Ventil bei hohen Drehzahlen weiter öffnen: Dieser Parameter, der Ventilhub, wird durch das Nockenprofil bestimmt.

Die vorangehende Animation zeigt, wie eine normale Nockenwelle und eine Sport-Nockenwelle einen unterschiedlichen Ventilsteuerzeitpunkt haben. Beachten Sie, dass sich die Ausstoßtakte (roter Kreis) und Ansaugtakte (blauer Kreis) bei der Sport-Nockenwelle weitaus stärker überlappen. Dadurch laufen Autos mit dieser Art von Nockenwelle im Leerlauf meist sehr unruhig.

Jede Nockenwelle ist nur bei genau einer Motordrehzahl perfekt. Bei jeder anderen Drehzahl bringt der Motor nicht seine maximale Leistung. Daher ist eine feststehende Nockenwelle immer ein Kompromiss. Deshalb haben die Hersteller Systeme entwickelt, um das Nockenprofil mit der Motordrehzahl zu verändern.

Es gibt verschiedene Anordnungen von Nockenwellen in Motoren. Wir werden einige der häufigsten besprechen. Sicherlich haben Sie die Begriffe schon einmal gehört:

Eine einzige obenliegende Nockenwelle (SOHC)
Zwei obenliegende Nockenwellen (DOHC)
Stößelstangen (Pushrod)

Im nächsten Abschnitt betrachten wir jede dieser Bauarten.

2. Bauarten der Nockenwelle

Eine obenliegende Nockenwelle (SOHC)

Diese Anordnung bezeichnet einen Motor mit einer Nockenwelle pro Zylinderkopf. Ein Reihenvierzylinder- oder Reihensechszylindermotor hat also eine Nockenwelle; ein V6 oder V8 hat zwei Nockenwellen (eine pro Zylinderkopf).

Die Nockenwelle betätigt die Kipphebel, die auf die Ventile drücken und diese öffnen. Die Federn bringen die Ventile wieder in ihre geschlossene Position zurück. Diese Federn müssen sehr kräftig sein, denn bei hohen Drehzahlen werden die Ventile sehr schnell nach unten gedrückt, und die Federn sind es, die die Ventile in Kontakt mit den Kipphebeln halten. Wären die Federn nicht kräftig genug, könnten sich die Ventile von den Kipphebeln abheben und schlagartig zurückschlagen. Dieser Zustand ist unerwünscht und würde zu zusätzlichem Verschleiß an den Nocken und den Kipphebeln führen.

NewCams · CamShaft

Bei Motoren mit einer oder zwei obenliegenden Nockenwellen wird die Nockenwelle von der Kurbelwelle über einen Riemen oder eine Kette angetrieben, sogenannter Zahnriemen oder Steuerkette. Diese Riemen und Ketten müssen in regelmäßigen Abständen ersetzt oder nachgestellt werden. Reißt ein Zahnriemen, hört die Nockenwelle auf sich zu drehen, und der Kolben könnte gegen die geöffneten Ventile schlagen.

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Zwei obenliegende Nockenwellen (DOHC)

Ein Motor mit zwei obenliegenden Nockenwellen hat zwei Nockenwellen pro Zylinderkopf. Reihenmotoren haben also zwei Nockenwellen und V-Motoren vier. Üblicherweise werden zwei obenliegende Nockenwellen in Motoren mit vier oder mehr Ventilen pro Zylinder eingesetzt: eine einzelne Nockenwelle kann schlicht nicht genügend Nocken aufnehmen, um all diese Ventile zu betätigen.

Der Hauptgrund für die Verwendung von zwei obenliegenden Nockenwellen besteht darin, mehr Einlass- und Auslassventile zu ermöglichen. Mehr Ventile bedeuten, dass die Einlass- und Auslassgase freier strömen können, weil es mehr Öffnungen gibt, durch die sie strömen können. Dies erhöht die Motorleistung.

Die letzte Bauart, die wir in diesem Artikel betrachten, ist der Stößelstangenmotor.

Stößelstangenmotoren

Wie bei SOHC- und DOHC-Motoren befinden sich die Ventile eines Stößelstangenmotors im Zylinderkopf, über dem Zylinder. Der entscheidende Unterschied ist, dass die Nockenwelle eines Stößelstangenmotors im Inneren des Motorblocks sitzt und nicht im Zylinderkopf.

Die Nockenwelle betätigt lange Stangen, die durch den Block nach oben führen und bis in den Zylinderkopf reichen, um die Kipphebel zu bewegen. Diese langen Stangen fügen dem System Masse hinzu, was die Belastung der Ventilfedern erhöht. Dies kann die Drehzahl von Stößelstangenmotoren begrenzen; die obenliegende Nockenwelle, die die Stange aus dem System eliminiert, ist eine der Technologien, die höhere Motordrehzahlen möglich gemacht haben.

Ein Stößelstangenmotor

Die Nockenwelle eines Stößelstangenmotors wird üblicherweise über Zahnräder oder eine kurze Kette angetrieben. Zahnradantriebe sind im Allgemeinen weniger bruchanfällig als Riemen, wie sie häufig bei Motoren mit obenliegender Nockenwelle zu finden sind.

Ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung von Nockenwellensystemen ist die Verstellung des Steuerzeitpunkts jedes Ventils. Die variable Ventilsteuerung betrachten wir im nächsten Abschnitt.

3. Variable Ventilsteuerung

Es gibt ein paar innovative Methoden, mit denen die Hersteller die Ventilsteuerung verstellen. Ein System, das in einigen Honda-Motoren eingesetzt wird, heißt VTEC.

VTEC (elektronische Steuerung von Ventilsteuerzeit und -hub) ist ein elektronisches und mechanisches System einiger Honda-Motoren, das es dem Motor erlaubt, mit mehreren Nockenprofilen zu arbeiten. VTEC-Motoren haben eine zusätzliche Einlassnocke mit einem eigenen Kipphebel, der dieser Nocke folgt. Das Profil dieser Nocke hält das Einlassventil länger geöffnet als das andere Profil. Bei niedrigen Drehzahlen ist dieser Kipphebel mit keinem Ventil verbunden. Bei hohen Drehzahlen kuppelt ein Kolben den zusätzlichen Kipphebel mit den beiden Kipphebeln zusammen, die die beiden Einlassventile steuern.

Einige Autos verwenden eine Einrichtung, die die Ventilsteuerung vorverlegen kann. Dadurch bleiben die Ventile nicht länger geöffnet; stattdessen öffnen und schließen sie später. Dies wird erreicht, indem die Nockenwelle um einige Grad nach vorn gedreht wird. Wenn sich die Einlassventile normalerweise 10 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT) öffnen und 190 Grad nach dem OT schließen, beträgt die gesamte Dauer 200 Grad. Die Öffnungs- und Schließzeitpunkte lassen sich mit einem Mechanismus verschieben, der die Nocke während ihrer Drehung geringfügig nach vorn verstellt. So könnte sich das Ventil 10 Grad nach dem OT öffnen und 210 Grad nach dem OT schließen. Das Ventil 20 Grad später zu schließen ist gut, aber besser wäre es, die Dauer zu verlängern, während der das Einlassventil geöffnet ist.

Ferrari hat eine wirklich raffinierte Methode dafür. Die Nockenwellen einiger Ferrari-Motoren sind mit einem dreidimensionalen Profil gearbeitet, das entlang des Nockens variiert. An einem Ende des Nockens befindet sich das weniger aggressive Profil, am anderen das aggressivere. Die Form der Nocke verbindet diese beiden Profile sanft. Ein Mechanismus kann die gesamte Nockenwelle seitlich verschieben, so dass das Ventil mit unterschiedlichen Bereichen der Nocke in Kontakt kommt. Die Welle dreht sich weiter wie eine normale Nockenwelle, aber indem die Nockenwelle mit steigender Drehzahl und Last des Motors allmählich seitlich verschoben wird, lässt sich die Ventilsteuerung optimieren.

Mehrere Motorenhersteller experimentieren mit Systemen, die eine unendliche Variabilität der Ventilsteuerung ermöglichen würden. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, jedes Ventil hätte einen Magneten, der es per Computersteuerung öffnen und schließen könnte, anstatt von einer Nockenwelle abzuhängen. Mit einem solchen System ließe sich die maximale Motorleistung bei jeder Drehzahl erzielen. Etwas, worauf wir in der Zukunft gespannt sein dürfen...