VKM_I_Kap.3_4

Geforderte Eigenschaften

Gewährleistung einer ausreichenden Flächenpressung an allen Stellen auch bei höchsten Verbrennungsdrücken

Geringes Setzmaß

Gute Wärmeleitfähigkeit

Konstruktive Auslegung und Dichtwirkung

Da trotz genauer Fertigung Formabweichungen zwischen Block und Zylinderkopf nicht zu vermeiden sind, muss die Dichtung eine Mindestverformung zur Anpassung an die Dichtflächen sicherstellen. Dabei spielt die Dicke, das Material und die Anzugskraft der Zylinderkopfschrauben eine große Rolle.

Eine zu dünne Dichtung kann die Spalten nicht ausreichend ausfüllen, die Dichtwirkung ist nicht ausreichend. Eine dickere Dichtung füllt dagegen die Riefen komplett aus. Sie bewirkt jedoch einen größeren Verzug der Bauteile, sie hat ein größeres Setzmaß und einen schlechteren Wärmeübergang.

Beanspruchung der Zylinderkopfdichtung

Die wesentlichen Beanspruchungen resultieren aus dem abzudichtenden Gasdruck und den Temperaturschwankungen im Betrieb. Sofern die Anzugskräfte nicht ausreichend sind oder keine gleichmäßige Verspannung des Zylinderkopfes gegeben ist, kann es zu Gasverlusten kommen. Diese Leckagegase bewirken im Schadensfall sehr schnell einen thermischen Verzug des Zylinderkopfes. Es ist daher notwendig, auf die Anzugsmomente und die Anzugsreihenfolge der Zylinderkopfschrauben zu achten.

Die üblicherweise verwendeten Flachdichtungen werden als Metall- und Metall-Weichstoff-Dichtungen ausgeführt.

Metall-Dichtungen

Massiv-Metall-Dichtungen sind aus Stahl, Kupfer oder Leichtmetall. Sie benötigen sehr hohe Schraubenkräfte und sind sehr steif.

Lagendichtungen bestehen aus geschichteten Lagen aus Stahl-, Kupfer- oder Leichtmetallblechen wobei weiche Metalle die Decklagen bilden. Sie reduzieren die notwendigen Schraubkräfte.

Metall-Weichstoff-Dichtungen

Metall-Weichstoff-Dichtungen, wie sie zumeist im PKW-Sektor eingesetzt werden, bestehen im Wesentlichen aus einem Faserflies aus Aramidfasern, Asbestsubstitutionen und Silikonpolymer. Sie tragen ein Stützgerüst aus Stahlblech und sind im Bereich der Zylinderbohrung mit einem Feuerschutzring aus Blech versehen. Die Abdichtung der Ölräume erfolgt meist mit Hilfe von eingearbeiteten O-Ringen.

Der Zylinderkopf ist in konstruktiv-gestalterischer Hinsicht das anspruchsvollste Motorenbauteil. Er beeinflusst die Energieumwandlung entscheidend. Die Aufgaben werden wie folgt formuliert.

Aufgaben

• Begrenzung und Gestaltung des Brennraumes (und gegebenenfalls des Nebenbrennraumes)
• Abdichtung des Zylinderraumes nach oben
• Aufnahme der Kanäle für Kühlung, Ölversorgung und Ladungswechsel
• Aufnahme der Steuerungsorgane für den Ladungswechsel (Ventile und Ventiltrieb)
• Aufnahme von Zündkerze und Einspritzventil

Beanspruchungen

• Mechanische Beanspruchung
• Gaskräfte
• Schraubenkräfte der Zylinderkopfverschraubung
• Ventilaufschlagkräfte
• Verspannkräfte durch Anbauteile (Kipphebelbrücken, Nockenwellenlagerung, Ansaug- und Auslasskrümmer)
• Thermische Beanspruchung
  • Wärmespannungen durch ungleichmäßige Erwärmung des Ein- und Auslasskanals mit örtlich hoher Werkstoffbelastung des Auslassventilsitzes und des Stegs zwischen den Ventilsitzen
  • Wärmespannungen durch ungleichmäßige Erwärmung der Brennraumseite und der Zylinderkopfaußenseite

• Hohe Volllastwerte durch widerstandsarmen Ladungswechsel
• Effiziente Verbrennung durch kompakten Brennraum
• Geräuscharmer und drehzahlfester Ventiltrieb
• Niedriges Gewicht
• Kostengünstige Herstellung
• Wartungsfreiheit

• Abbau von Übertemperaturen und thermischen Spannungen durch entsprechende Formgebung und Kühlungsauslegung
• Steife Formgebung um eine gleichmäßige Belastung der Dichtflächen zu gewährleisten und die Nockenwelle lagern zu können

Den Zylinderkopf gibt es in

• Einzel- und Blockausführung.
• Blockzylinderköpfe

werden in der Regel bei kleinen Zylindereinheiten, wie sie typisch für den PKW-Motor sind, verwendet. Sie bieten eine in der Großserie kostengünstige Lösung, obwohl die Flexibilität bei Schäden verloren geht und das Gussteil aufgrund der Wasserkanäle kompliziert wird.

Bei größeren Zylindereinheiten, wie z.B. bei LKW-Motoren, kommen

Einzelzylinderköpfe zum Einsatz, die meist als Einheits-Köpfe im Baukastensystem konzipiert sind. Sie sind wartungsfreundlicher und bei großen (langen) Motoren einfacher zu beherrschen. Allerdings werden die Zylinderabstände größer und eine gemeinsame obenliegende Nockenwelle ist nur mit großem Aufwand zu verwirklichen.

Die komplexe Funktion des Zylinderkopfes kommt in seiner Gestaltung zum Ausdruck:

• Die Unterseite ist gekennzeichnet durch die Brennraumkontur. Die Restfläche ist geplant und bildet die Dichtfläche.
• Innerhalb des Zylinderkopfes verlaufen die Ein- und Auslasskanäle von den seitlichen Flanschflächen zum Brennraum. Die Ventile verschließen diese brennraumseitig.
• Um den Brennraum verlaufen die Wasserkanäle. Das Kühlwasser umspült auch die Ladungswechselkanäle und den Zündkerzenschacht (Diesel: Einspritzdüse und evtl .
• Nebenkammer). Bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung müssen sowohl Zündkerze als auch Einspritzdüse im Zylinderkopf untergebracht werden.
• Im inneren Kanalbereich oberhalb der Ventilsitzringe durchstoßen die Ventilschäfte mit den dort auslaufenden Führungen die Kanäle.
• Oberhalb der Wasserraumzwischenwand erstreckt sich der Ölraum. Hier befindet sich die Ventilsteuerung. Je nach technischem Konzept sind hier die Nockenwellenlagerung, Ventilfedern und Tassenstößel sowie Kipp- oder Schlepphebel und deren Lagerung.
• Der Zylinderkopf wird über einen Zuführungskanal aus dem Hauptkanal mit Motoröl versorgt. Dieses mündet in einen Verteilerkanal, der die Nockenwellenlagerung, die Tassenstößel und den hydraulischen Ventilspielausgleich versorgt.
• Aus dem Ölraum fließt das Motoröl durch drucklose Ölrücklaufkanäle wieder ins Kurbelgehäuse zurück.
• Der Zylinderkopf wird nach oben durch den Zylinderkopfdeckel abgedichtet. Dabei ist insbesondere auf eine geräuscharme Ausführung (z.B. Entkoppelung) zu achten.

Der Zylinderkopf ist sowohl thermisch als auch mechanisch ein hochbelastetes Bauteil.

Thermische Belastung:

Aufgrund der direkten Beaufschlagung mit den Verbrennungsgasen und der Abgaskanalführung durch den Zylinderkopf kann es zu hohen thermischen Belastungen kommen. Dabei sind die Wärmemengen nicht homogen verteilt. Abhilfe schafft in diesem Falle eine sehr sorgfältige Auslegung der Kühlung. Kritische Bereiche sind hierbei der Auslassventilsitz, der Bereich um die Einspritzdüse bzw. die Zündkerze und evtl. die Vorkammer. Ebenfalls sehr kritisch ist der Ventilsteg zwischen den Ventilen. Hier können Anrisse entstehen, die durch eine gezielte Wasserführung (Wasserkühlung) bzw. eine gezielte Luftführung (Luftkühlung) und dünne Wandstärken eingedämmt werden können.

Mechanische Belastung:

Die stärksten Verformungen sind auf die Verschraubung des Zylinderkopfes mit dem Motorblock zurückzuführen. Aufgrund der abzudichtenden Gaskräfte sind die notwendigen Anzugsmomente hier besonders hoch. Wichtig ist an dieser Stelle eine steife Zylinderkopfkonstruktion. Dazu ist es u.a. notwendig, ausreichend viele Zuganker (längliche Verschraubungselemente) um den Zylinder herum zu gruppieren. Gleichzeitig sollten die Zuganker gleichmäßig zur Zylinderbohrung verteilt sein. Sie sollten möglichst lang sein, damit über sie keine Momente in den Block eingebracht werden und es somit nicht zu Verwerfungen der Laufbuchse kommt.

Werkstoffe und Fertigung:

Als Zylinderkopfwerkstoff wird bei größeren Motoren (LKW und größer)

Grauguss mit Lamellengraphit, (für höhere Beanspruchungen mit Kugelgraphit) verwendet. Die bei kleineren Motoren (PKW) meist verwendeten Leichtmetall-Legierungen bieten hinsichtlich der Wärmeverteilung Vorteile. Sie sind gleichzeitig sehr leicht. Allerdings sind hier grundsätzlich Ventilsitzringe erforderlich. Gleichzeitig muss der Ventilschaft durch eine zusätzliche Ventilführung geführt sein.

Der Ladungswechsel wird durch die Ventilsteuerung vorgenommen. Dabei werden in der Regel Tellerhubventile verwendet, die von einer Nockenwelle und entsprechenden Übertragungselementen betätigt werden. Die Art und Weise, wie diese Ventile angeordnet sind und unter welchen Gesichtspunkten sie angesteuert werden, bestimmt die Charakteristik, das Abgasverhalten und den Verbrauch in erheblichem Maße. Aus diesem Grunde beschäftigt sich ein eigenes Kapitel im Rahmen des zweiten Teils mit dem Ladungswechsel in ausführlicher Form. Daher soll an dieser Stelle eine Beschränkung auf die grundlegenden Zusammenhänge erfolgen.

Aufgaben

• Schnelles Öffnen und Schließen der Steuerungsorgane
• Freigeben großer Strömungsquerschnitte mit geringen Strömungswiderständen
• Geringe thermische Belastung (besonders der Auslassventile)

Nockenwelle

• Reibungskräfte
• Torsionsbeanspruchung
• Thermische Beanspruchung

Übertragungselemente

• Reibungskräfte
• Massenkräfte
• Stoßbelastung

Ventilfedern

• Massenkräfte
• Resonanz
• Thermische Beanspruchung

Ventile

• Stoßbelastung (Öffnen, Aufsetzen)
• Reibungskräfte
• Thermische Beanspruchung, insbesondere Auslassventil
• Ablagerungen
• Massenkräfte

Geforderte Eigenschaften

• Ausreichende Festigkeit und Steifigkeit der Bauteile
• Kraftschlüssiges Öffnen und Schließen
• Möglichst „eicher" Beschleunigungsverlauf der translatorisch bewegten Komponenten (für geringe Verformungen und Geräuschentwicklungen)
• Ausreichende Kühlung der Auslassventile
• Geringe bewegte Massen

Konstruktive Auslegung

Die Ausführung der Ventilsteuerung hat einen großen Einfluss auf den Ladungswechsel und die Verbrennung. Man unterscheidet zwischen

• Untenliegender Nockenwelle
• Obenliegender Nockenwelle

Bei der untenliegenden Nockenwelle sind zwei Konstruktionen möglich:

• Stehende Ventile (sv – side valves)
• Hängende Ventile (ohv – overhead valves)

Die Konstruktion mit

stehenden Ventilen wird heute nicht mehr eingesetzt. Die Brennraumform ist zwangsläufig sehr lang gestreckt. Die Folge sind hohe HC-Emissionen, ein geringes mögliches Verdichtungsverhältnis und die Gefahr der klopfenden Verbrennung. Diesen Nachteilen steht der Vorteil des einfachen, Platz sparenden Aufbaus gegenüber.

Varianten mit

hängenden Ventilen finden sich heute im PKW-Sektor allenfalls noch bei V-Motoren. Bei größeren Motoren ist diese Variante jedoch sehr verbreitet. Die Ursache liegt in der einfachen Anordnung einer einzelnen Nockenwelle bei vierzylindrigen Motoren und deren simplen Antrieb durch Stirnräder. Die hohen bewegten Massen und die relativ weiche Stoßstange bedingen ein ungünstiges dynamisches Verhalten bei hohen Drehzahlen. Bei großen Dieselmotoren ist dies jedoch von untergeordneter Bedeutung.

Bei der obenliegenden Nockenwelle (ohc – overhead camshaft) sind drei Konstruktionen möglich:

• Kipphebel
• Schlepphebel (auch als Schwinghebel bezeichnet)
• Tassenstößel

Bei der Ausführung mit

Kipphebel ist die Nockenwelle seitlich neben den Ventilen angeordnet. Über den Hebel wird die Nockenbewegung übertragen und je nach Abstandsverhältnis zum Drehpunkt übersetzt. Der Hebel ist geschmiedet, gegossen oder aus Blech gefertigt. Bei einer solchen Konstruktion können auch v-förmig angeordnete Ventile mit nur einer Nockenwelle betätigt werden (auch 4-Ventiler). Die Lösung ist kostengünstig, hat geringe bewegte Massen und ist sehr steif. Allerdings erhöht der Einsatz eines hydraulischen Spielausgleichselements die bewegten Massen deutlich.

Bei der Variante mit

Schlepphebel (Schwinghebel) ist die Nockenwelle seitlich neben dem Ventil etwa auf gleicher Höhe angeordnet. Dadurch baut der Motor höher. Über den Hebel wird die Nockenbewegung übertragen und je nach Abstandsverhältnis zum Drehpunkt übersetzt.

Der Ventiltrieb ist extrem steif und weist eine geringe bewegte Masse auf. Querkräfte werden weitgehend vom Ventil ferngehalten, die wirkenden Kräfte auf die Lagerung sind gering. Die Ventilspieleinstellung ist leicht und ein hydraulischer Ventilspielausgleich ist ohne Vergrößerung der bewegten Masse möglich.

Bei der Variante mit

Tassenstößel ist die Nockenwelle direkt oberhalb der Ventile angeordnet. Dadurch baut der Motor hoch. Die Nocken betätigen direkt das Ventil, es erfolgt keine Übersetzung. Folglich müssen die Nocken sehr hoch sein. Der Tassenstößel fängt die vom Nocken ausgeübten Querkräfte auf und hält das Ventil radialkraftfrei. Die Konstruktion ist sehr steif, daher sind hohe Drehzahlen möglich. Ein hydraulischer Ventilspielausgleich wird in den Tassenstößel integriert, erhöht aber die bewegten Massen. V-förmig angeordnete Ventile erfordern hier zwei Nockenwellen.

Die Forderung nach einem schnellen Öffnen und Schließen der Ventile in Verbindung mit großen Ventilhüben hat hohe Beschleunigungswerte zur Folge. Um ein schnelles Schließen zu gewährleisten, muss die Ventilfeder ausreichend steif sein damit die Federkräfte in jedem Fall größer sind als die dynamischen Kräfte. Durch das Auftreten der Massenkräfte der Komponenten und das Stauchen der Feder wirken beim Öffnen des Ventils doppelte Kräfte. Dies stellt besondere Anforderungen an die Reibflächen und bewirkt Reibungsverluste.

Wichtig ist hierbei, dass die Ventilbewegung der Nockenform folgen kann. Ein zu großes Spiel in den Übertragungselementen würde aufgrund der plötzlichen Beschleunigung des Ventils zu Ventilbruch oder Abreißen führen. Andererseits ist ein gewisses Spiel notwendig, da das Ventil Längenänderungen unterliegt. Es sollte selbst bei extremen Temperaturen genug Ausdehnungsspielraum haben. Ansonsten würde es permanent offen stehen, was sehr schnell zum Verbrennen und damit zu einem Motorschaden führen kann.

Nockenwelle

Nockenwellen werden als Gesenkschmiedestücke aus Einsatzstahl oder unlegiertem Kohlenstoffstahl hergestellt. Für Großserienmotoren haben sich Nockenwellen aus Gusseisen mit Lamellengraphit bewährt. Die Bearbeitung erfolgt durch Kopierfräsen und –schleifen.

Stößel und Stößelstangen

Stößel und Stößelstangen werden aus Hartguss oder aus Stahl hergestellt. Die Auswahl des Materials ist aber eng mit dem Werkstoff des Reibpartners Nockenwelle verknüpft.

Kipp- und Schlepphebel

Meistens werden Kipp- und Schlepphebel als Gesenkschmiedestücke ausgeführt. Gusseisen mit Lamellengraphit ist eine kostengünstige Alternative. Bei Kipphebeln werden auch Blechpressteile verwendet.

Ventile

Die Ventile unterliegen extremen mechanischen und thermischen Beanspruchungen. Am Einlassventil werden 300 – 500 °C erreicht, beim Auslassventil bis ca. 700 °C. Für diese Bedingungen sind hochwertige Werkstoffe erforderlich. Es werden Ventilstähle aus Silizium-Chrom-Legierungen verwendet. In besonderen Fällen werden Chrom-Nickel-Wolfram-Legierungen eingesetzt.

Nockenwellenantrieb

Der Antrieb der Nockenwelle erfolgt bei untenliegender Anordnung im Motorblock meist durch Zahnräder oder Ketten. Obenliegende Nockenwellen werden hauptsächlich durch Rollen- bzw. Zahnketten und Zahnriemen, aber auch Stirnzahnräder (Rennmotoren) angetrieben.

Nockenwellenantrieb

Der Antrieb der Nockenwelle erfolgt bei untenliegender Anordnung im Motorblock meist durch Zahnräder oder Ketten. Obenliegende Nockenwellen werden hauptsächlich durch Rollen- bzw. Zahnketten und Zahnriemen, aber auch Stirnzahnräder (Rennmotoren) angetrieben.