Warum wurde die Nockenwelle in den Zylinderkopf verlegt?

Die Frage, wo die Ventile im Motor sitzen und mit welchem Mechanismus sie gesteuert werden sollen, hat im Laufe der Geschichte des Verbrennungsmotors einen der am längsten andauernden Ingenieursstreitigkeiten genährt. Die Antwort; verlief über 130 Jahre als eine Evolution vom L-Head -Layout mit Ventilen im Block über den OHV-Motor, bei dem die Nockenwelle im Block über Stoßstangen die Ventile im Kopf öffnet, bis zu den Architekturen OHC und DOHC, bei denen die Nockenwelle in den Zylinderkopf verlagert wurde. Dieser Artikel beleuchtet die Meilensteine dieser Evolution und den realen Vor- und Nachteil Designs mit technischen Daten.

Warum wurde die Nockenwelle in den Zylinderkopf verlagert? Der Ursprung des Problems

Die Frage erscheint einfach: Die Ventile sollten so nah wie möglich an der Brennkammer sitzen, denn je kürzer der Weg der Flammenfront, desto kontrollierter die Verbrennung. Aber die Nockenwelle braucht einen Antrieb; sie muss über Zahnräder oder eine Kette von der Kurbelwelle angetrieben werden. Platziert man die Ventile im Block, also unter der Brennkammer, kann man auch die Nockenwelle in den Block setzen und den gesamten Mechanismus kurz und einfach halten. Verlagert man die Ventile in den Kopf, muss man entweder die Nockenwelle im Block belassen und eine lange Übertragungskette aufbauen oder auch die Nockenwelle in den Kopf verlagern und das Antriebssystem verlängern. Die gesamte Schlacht der Ventilarchitekturen besteht aus unterschiedlichen Lösungen für dieses Einfachheit-effizient -Dilemma.

Die ersten Akteure begannen außerhalb dieses Dilemmas. Der erste funktionierende Otto-Motor von 1876 arbeitete mit Schiebeventilen, die aus der Tradition der Dampfmaschinen übernommen waren. Als der Verbrennungsmotor reifte, wichen die Schiebeventile den heute üblichen Tellerventilen; eine Konstruktion mit kleiner Reibfläche und hoher Reaktionsgeschwindigkeit. Bei frühen Fahrzeugen wie dem Daimler Reitwagen von 1885 ist eine interessante Zwischenform zu sehen: Die Einlassventile saßen im Kopf, wurden aber nicht von der Nockenwelle, sondern vom Vakuum im Ansaughub, also atmosphärisch geöffnet; die Auslassventile befanden sich noch im Block und wurden von der Nockenwelle gesteuert.

L-Head: Die goldene Ära und die Grenze der Einfachheit

Bei dem als Flathead oder L-Head bezeichneten Layout liegen beide Ventile unter der Brennkammer, also im Block. Die Nockenwelle sitzt im Block und öffnet die Ventile direkt; es gibt keine Stoßstange, keinen Kipphebel und keine Übertragungskette über den Kopf. Ein Motor, dessen Herstellung billig, Wartung einfach und Montage praktisch kostenlos ist. In den USA fand diese Einfachheit so viel Anklang, dass Flathead-Motoren bis in die Mitte und das Ende der 1950er Jahre weit verbreitet blieben.

Doch die Schlichtheit hatte ihren Preis: Da die Ventile zwangsläufig am Rand des Brennraums sitzen mussten, wurde dieser zu einer seltsamen umgekehrten L-Form verbogen. Die Flammfront verlängert sich, der thermische Wirkungsgrad sinkt, Atemnot bei hohen Drehzahlen ist unvermeidlich. Der Wunsch der Ingenieure, den Brennraum kompakt und kugelförmig zu halten, ist die Quelle des gesamten Drucks, die Ventile in den Kopf zu verlagern. Dieser Druck hat den L-Kopf früher oder später von der historischen Bühne verdrängt.

Ein dazwischenliegender Hybrid darf nicht vergessen werden: Beim F-head - oder IOE-Ansatz (intake-over-exhaust) sitzt pro Zylinder ein Ventil im Block, das andere im Kopf. Als pragmatischer Mittelweg, der beim Anheben des Einlassventils einen Teil der mechanischen Komplexität vermeidet, wurde er jahrelang produziert.

OHV: Warum war der Pushrod Amerikas Wahl?

Der OHV-Aufbau ist ein gerissener Kompromiss: Die Ventile wandern in den Kopf, der Brennraum erhält eine saubere Form; doch die Nockenwelle bleibt im Block und steuert die Ventile über eine Kette aus Stößel, Stößelstange (Pushrod) und Kipphebel. Der Kampf wird genau an dieser Kette ausgetragen. Der Vorteil der Kette ist unbestreitbar:

• Die Motorhaube wird niedriger, der Schwerpunkt sinkt; bei V-Motoren ist der Packungsvorteil groß.
• Die Nockenwelle liegt nah an der Kurbelwelle; sie wird über eine kurze Kette oder direkt per Zahnräder angetrieben, die Riemen-Kette-Spanner-Kombination des OHC entfällt.
• Die Schmierung vereinfacht sich: Kipphebel genügen, die Stößelstangen können hohl sein, eine kleinere Ölpumpe erledigt die Arbeit.
• Torquefülle bei niedrigen Drehzahlen und Langlebigkeit; eine maßgeschneiderte Lösung für Pickups und Muscle Cars.

Der Preis liegt jedoch in der Anzahl der beweglichen Teile des Ventiltriebs. Die Trägheit der Masse aus Stößel, Pushrod und Kipphebel sorgt bei hohen Drehzahlen dafür, dass die Ventile dem Nocken nicht mehr folgen können und schweben (Valve Float). Außerdem fixiert der Platzbedarf der Stößelstangen im Kopf die Ventilzahl pro Zylinder faktisch auf zwei; ein OHV-Kopf mit vier Ventilen ist praktisch unmöglich.

Auch die historische Reihenfolge ist interessant: Der OHV ist eine ältere Idee, als wir denken. Der Dieselprototyp von 1894 ist der erste bekannte OHV-Motor mit hängenden Poppetventilen, gesteuert über die Kette Nockenwelle-Pushrod-Kipphebel. 1896 erhielt William F. Davis ein US-Patent für einen OHV mit wassergekühltem Kopf (ein funktionierendes Modell wurde nie gebaut); 1898 baute Walter Lorenzo Marr sein Dreirad mit OHV-Motor und reifte diesen Entwurf zwischen 1899 und 1902 in Buicks damaliger Gründungsphase heran. Das Ergebnis ist der Buick Model B von 1904: der weltweit erste OHV-Motor aus Serienproduktion, ein Boxermotor mit zwei Ventilen pro Zylinder. 1905 wurden 750 Exemplare verkauft, und seit jenem Tag blieb Buick bei praktisch durchgehend OHV. Auch Chevrolet baute 1911 bereits fast ausschließlich OHV-Motoren, ebenso wie Buick.

Zwei Ereignisse, die die Obergrenze des OHV aufzeigen, sollten erwähnt werden. Bei den Indianapolis 500 von 1994 startete Team Penske mit dem Mercedes-Benz 500I -Pushrod-Motor, ausgestattet mit Hub- und Ladedruckvorteilen aus einer Regelungslücke, von der Pole-Position und überholte seine OHC-Rivalen mit großem Vorsprung. 2008 trat die vierte Generation des Dodge Viper mit dem ersten Serien-Pushrod-Motor mit VVT an; 21. Anfang des Jahrhunderts rüsteten GM und Chrysler ihre Pushrod-V8-Motoren mit Zylinderabschaltung aus, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. In jeder Epoche, in der der Pushrod-Motor totgesagt wurde, holte er erneut Luft.

Der Aufstieg der OHC: Die Herausforderung aus Europa

Die Geschichte der OHC ist genauso alt wie die der OHV und verläuft paradoxerweise über denselben Namen: Der 1904 Marr Auto-Car, der das Designvermögen von Walter Marr trug, verwendete einen der ersten bekannten OHC-Motoren. Die Nockenwelle sitzt im Zylinderkopf und arbeitet direkt über den Ventilen; die Pushrod-Kette entfällt, die Ventilsteuerung gewinnt eine strikte Präzision. Doch über Jahrzehnte blieb diese Lösung leistungsstarken Fahrzeugen vorbehalten; für die Serienproduktionswirtschaft war sie viel zu teuer.

Balance 20. 20. Jahrhunderts. Die OHC verbreitete sich von den 1950er bis in die 1990er Jahre in einer langsamen, aber stetigen Kurve, und zu Beginn des 21. Jahrhunderts (mit Ausnahme einiger nordamerikanischer V8) wurden die meisten Automobilmotoren mit im Kopf verlagerter Nockenwelle gebaut. Man muss zwei Ebenen unterscheiden: Beim SOHC -Layout gibt es eine einzige Nockenwelle pro Zylinderreihe; sie steuert Ein- und Auslass gemeinsam, ist meist auf zwei Ventile pro Zylinder beschränkt, günstig und wartungsfreundlich. Das DOHC verwendet dagegen zwei separate Nockenwellen für Einlass und Auslass; vier Ventile pro Zylinder, überlegener Luftdurchfluss, hohe Drehzahltoleranz und VVT-Unterstützung sind das natürliche Terrain dieses Layouts.

Eine kleine Fußnote erschwert auch die Architekturklassifizierung: Bei manchen Konstruktionen wie dem Ford CVH und dem Opel CIH sitzt die Nockenwelle im Kopf, befindet sich aber unter oder neben den Ventilen. Streng nach den mechanischen Gegebenheiten gelten sie im Grunde als OHV - entscheidend ist nicht allein die physische Position der Nockenwelle, sondern auch die Steuerungskette.

Wie viele Ventile pro Zylinder? Die Geburt des Effizienzwettkampfs

Als die Nockenwelle in den Kopf verlagert war, war der nächste Schritt offensichtlich: mehr Ventile pro Zylinder. Die Wurzeln der Mehrventil-Designs reichen bis zu den Rennwagen des Jahres 1912 zurück, doch das Konzept wurde Mitte der 1980er Jahre zum faktischen Standard. Der Ferrari 308 GTB Quattrovalvole (1982) und der BMW M635CSi (1983) waren Modelle, die zeigten, dass vier Ventile pro Zylinder in der Welt der Hochleistung nahezu Pflicht geworden waren. Vier Ventile bedeuteten: getrennte Optimierung von Einlass und Auslass, eine Zündkerze näher an der Mitte des Brennraums und eine erhöhte Atemkapazität bei hohen Drehzahlen.

Auch vier Ventile waren nicht das Limit: In der Zeit von den 1980er Jahren bis Anfang der 2000er blieben Fünfventil-Motoren beliebt, aber stets ungewöhnlich. Mit zunehmender Komplexität nahm der Gewinn ab; fünf Ventile blieben eine Ingenieursvorführung, kein Industriestandard.

Die Liste der ikonischen DOHC-Beispiele ist lang: Der Alfa Romeo Twin Cam (1954), der Chrysler Hemi (1964) und die von Honda 1972 eingeführte CVCC -Architektur gehören zu den Klassikern dieser Liste. CVCC ging 1975 mit dem Civic in Serienproduktion und machte Honda zum führenden Innovator bei der Kraftübertragung - es wurde zum Symbol der globalen Herausforderung des japanischen Ingenieurwesens an die Ventilarchitektur. Dasselbe Honda kündigte 1989 den mit dem Integra eingeführten VTEC an; Das im März 1984 gestartete Programm hatte 1987 im City bereits ein frühes Vorabbeispiel gesehen. VTECs DOHC-basierte variable Steuerzeiten und Ventilhub-Einstellungen waren vergleichbar mit Hondas eigenen Rennmotoren.

Variable Ventilsteuerung: Eine 80 Jahre alte Idee

VTEC gilt als revolutionär, doch das Konzept der variablen Ventilsteuerung ist erstaunlich alt. Der Cadillac Runabout von 1903 ist der erste dokumentierte Fall eines Patents für einen variablen Ventilmechanismus; Zeitgenössische Quellen berichten, dass Cadillac zu diesem Zeitpunkt bereits an einer fahrergesteuerten VVT-Serienproduktion arbeitete - drei Jahre vor Soichiro Hondas Geburt. Von 1903 bis 1979 probierten Cadillac, Porsche und Fiat verschiedene VVT-Designs aus, doch keines erreichte die Serienproduktion.

Die Schwelle wurde mit dem Alfa Romeo Spider 2000 von 1980 überschritten: der erste Serienmotor mit VVT. Auch in Japan sieht die Rangfolge anders aus, als die Mehrheit denkt; das erste Unternehmen, das in Japan einen Motor mit VVT herstellte, war nicht Honda, sondern Nissan. Nissans NVCS-System (Nissan Valve-Timing Control System) geht auf das Jahr 1986 zurück und wurde zunächst im VG30DE, einem 3,0-Liter-24-Ventil-V6, eingesetzt. Honda VTEC hingegen hat seine Wurzeln im REV-System (Revolution-modulated valve control), das in der CBR400 vorgestellt wurde. VVT ist also nicht die Geschichte eines einzelnen Erfinders oder einer einzelnen Marke; es ist die Geschichte einer 1903 patentierten Idee, die allmählich reifte und in den 1980er Jahren zum Industriestandard wurde.

Desmodromische Ventile: Sackgasse oder Schatz derer, die die Feder streichen?

Die extremste Lösung der Ventilarchitektur geht das Problem auf eine grundlegend andere Weise an: verwende keine Feder, um das Ventil zu schließen. Beim desmodromischen System wird das Tellerventil statt mit einer Feder positiv durch ein Nocken- und Koppelsystem sowohl geöffnet als auch geschlossen. Der Vorteil ist in der Theorie klar: die Schwäche der Ventilfedern entfällt, und ohne das Risiko eines Federbruchs sind deutlich höhere Ventilbeschleunigungen und -verzögerungen möglich. Bei hohen Drehzahlen spart es zudem Leistung und ist nicht so komplex, wie die meisten Menschen denken.

Das Gegenargument ist ebenso solide: Was die tatsächliche Drehzahlgrenze eines jeden Motors bestimmt, ist nicht das Federrisiko, sondern die Masse und Geometrie des Ventiltriebs. Moderne Metallurgie und Materialwissenschaft haben die Ventilkontrolle deutlich problemloser gemacht als früher; je stärker die Federn mechanisch wurden, desto mehr schmolz der Vorteil dahin, den das Desmo für sich allein bot. Desmo lässt sich heute als Lösung beschreiben, die vor allem durch ihre mechanische Eleganz und ihren Marketingwert besteht, während ihre technische Begründung zunehmend schwindet.

Welche Ventilarchitektur ist besser? Vergleich

Aus der Tabelle geht kein einziger Gewinner hervor; auch die Quellen kommen zu diesem gemeinsamen Schluss. Bei drehmomentorientierten, schwerlast- und V8-Anwendungen ist OHV weiterhin eine vernünftige Wahl; für ausgewogene Serienfertigung reicht SOHC aus; wenn es um Leistung und Kraftstoffeffizienz geht, ist DOHC dank fortschrittlicherer Ventilsteuerung und besserem Luftdurchfluss in der Regel die effizienteste Option. Hinter GMs Beharrlichkeit beim Pushrod-Design steckt eine ähnliche Ingenieursrechnung: Höchstleistung und Platzvorteil im Motorraum lassen sich im selben Motor vereinen.

Die Balance von 130 Jahren: Wo stehen wir heute?

Das Schlusskapitel der Ventilarchitektur-Schlachten proklamierte keinen einzigen Sieger. Der Flathead verschwand in der Geschichte; OHV engte sich in der nordamerikanischen Pickup- und V8-Welt auf einer schmalen, aber soliden Basis ein; die Kombination aus DOHC und VVT wurde hingegen zum De-facto-Standard für Leistung und Effizienz. Die Verlagerung der Nockenwelle in den Zylinderkopf begann 1904 als eine Nockenwelle-Neugier, wurde innerhalb eines halben Jahrhunderts zum Leistungsprivileg und wandelte sich in den 1990er Jahren zum Branchenstandard. Die Frage, wo das Ventil sitzen soll, verlief exakt parallel zu der Frage, wie effizient, wie lebendig und wie langlebig der Motor sein würde - und ist auch nach 130 Jahren noch nicht endgültig abgeschlossen.

Quellen

• Overhead valve engine - Wikipedia
• Valve Train 101: Understanding OHV and OHC - Enginetech
• OHV vs OHC vs SOHC vs DOHC Engines - EngineDIY
• Multi-valve engines - Autozine
• The VTEC Engine / 1989 - Honda
• The 1960s Trajectory of Challenges - Honda's History
• Desmodromic valve - Wikipedia
• Ducati Desmodromic Valves Explained - Motorcyclist
• All About Ducati's Desmodromic Valve System - Dirt Bike Magazine
• Variable valve timing - Wikipedia
• How VTEC Changed the World - Road & Track
• Technical Focus: Pondering Variable Valve Timing - Snap-on
• Otto engine - Wikipedia
• Flathead engine - Wikipedia
• Five Engines with Five (Or More) Valves Per Cylinder - EngineLabs
• 5 Good Reasons Why Pushrod Engines Still Exist - mechanics.com.au