Ventile

Ventile sind die präzise gesteuerten Tore, die den Gasstrom in die Zylinder eines Motors hinein und aus ihnen heraus regeln: Sie öffnen, um das frische Luft-Kraftstoff-Gemisch einzulassen und die verbrannten Abgase auszustoßen, und schließen dann dicht, damit die Verbrennung unter Druck ablaufen kann. Sie sind für den Viertaktprozess grundlegend; ohne ihr genaues, wiederholbares Arbeiten könnte ein Motor weder die benötigte Ladung ansaugen noch die verbrannten Gase abführen, die ihn sonst ersticken würden. Jeder Zylinder besitzt mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil, und ihr Verhalten ist entscheidend für das Leistungsbild eines Motors.

Das typische Tellerventil ist ein pilzförmiges Bauteil mit flachem oder kegeligem Teller und langem Schaft. Sein Teller liegt im geschlossenen Zustand an einem eingearbeiteten Ventilsitz im Zylinderkopf an und bildet dort eine gasdichte Abdichtung. Das Öffnen besorgt die Nockenwelle: Rotierende Nocken drücken das Ventil unmittelbar oder über Stößel, Kipphebel und Tassen nach unten in den Zylinder, gegen den Widerstand. Das Schließen übernimmt eine kräftige Ventilfeder, die das Ventil in dem Augenblick fest auf seinen Sitz zurückführt, in dem der Nocken weiterdreht. Der zeitliche Ablauf dieser Vorgänge ist exakt mit der Kurbelwelle gekoppelt, sodass die Ventile in jedem Zyklus genau zum richtigen Zeitpunkt öffnen und schließen.

Anzahl, Größe und Steuerzeiten der Ventile prägen den Charakter eines Motors stark. Mehr Ventile pro Zylinder — vier ist die heute übliche Wahl, mit zwei Einlass- und zwei Auslassventilen — bieten bei gegebener Bohrung einen größeren Gesamtöffnungsquerschnitt, lassen den Motor freier atmen und ermöglichen höhere Leistung, besonders bei hohen Drehzahlen. Ihre Steuerzeiten und die Dauer, für die sie geöffnet bleiben, entscheiden darüber, ob ein Motor zu Drehmoment von unten oder zu Leistung obenheraus neigt. Ingenieure stimmen Ventilzahl, Ventilhub und Steuerzeiten daher sorgfältig ab, um Leistung, Wirtschaftlichkeit und Emissionen auf den geplanten Einsatzzweck auszubalancieren.

Besonders die Auslassventile sind extremen Bedingungen ausgesetzt. Sie werden wiederholt von Verbrennungsgasen umspült, die 700 bis 800 Grad Celsius überschreiten können, und haben kaum Gelegenheit, Wärme abzuführen, außer über Sitz und Schaft. Sie bestehen aus hitzebeständigen Legierungen; manche sind natriumgefüllt, um Wärme aus dem Teller abzuleiten, oder mit gehärteten Sitzen und Schaftdichtungen versehen. Einlassventile laufen kühler, weil das einströmende Gemisch sie kühlt, doch alle Ventile müssen über die gesamte Motorlebensdauer hinweg tausendfach pro Minute präzise abdichten.

Aus dieser anspruchsvollen Beanspruchung ergeben sich praktische Folgen. Das Ventilspiel muss korrekt sein — zu eng, und ein Ventil schließt nicht sauber und verbrennt; zu weit, und der Ventiltrieb wird laut und verschleißt —, weshalb viele Motoren hydraulische Ausgleichselemente verwenden, die das Spiel selbsttätig konstant halten. Ablagerungen von Verbrennungsrückständen, Sitzeinschlag und ermüdende Federn können die Abdichtung mit der Zeit verschlechtern. Ventile arbeiten eng mit der Nockenwelle zusammen, und moderne variable Ventilsteuerungen sowie Mehrventilkonzepte bauen unmittelbar auf ihrem Grundprinzip auf, um dem Motor stetig mehr Effizienz und Flexibilität abzugewinnen.