Das, was den Wumms steuert…

Einleitung:

Wer meine Biografie kennt, weiß, dass ich als Elektrotechnik Ingenieur ein Quereinsteiger in der Automobilwelt bin. Dennoch bin ich seit frühester Kindheit mit dem Autovirus infiziert.
Aus diesem Grund bin ich der Auffassung: „Wissen kann man nur mit noch mehr Wissen ersetzen.“ Daher bilde ich mich zurzeit gerne weiter. So habe ich auch an einer Kurzschulung über Ventiltriebe der Firma Schaeffler teilgenommen. Zunächst dachte ich, dass es wohl eher eine Verkaufsveranstaltung wird, wurde allerdings sehr positiv überrascht.
Da dieses Thema nicht nur für Motoreninstandsetzer interessant ist, möchte ich hier einmal darüber berichten.

Entwicklung des Steuertriebes im Allgemeinen:

Generelle Funktionsweise eines Kolben-Verbrenners:

Zunächst einmal muss man zwischen 2-Takt und 4-Takt Motoren unterscheiden, wobei ich mich auf die 4-Takt Motoren beschränke, da 2-Takt Motoren keine Ventiltriebe erfordern und diese auch Emissionstechnisch keine Rolle mehr spielen. Unsere gängigen Opelmotore sind eh in der Masse 4-Takter. Was bedeutet nun eigentlich 4-Takt? Die vier Takte spiegeln die Betriebszustände eines jeden Zylinders im Motor wider, oder schlichtweg gesprochen: Ansaugen, verdichten, arbeiten und Ausstoßen.

1. Einlasstakt: frisches Gemisch wird eingesaugt. Der Kolben wird dabei durch die Rotationsenergie nach unten gezogen.
2. Komprimierungstakt: das Gemisch wird verdichtet. Der Kolben wandert wieder nach oben.
3. Arbeitstakt: das Gemisch wird mittels Zündung zur Verbrennung gebracht. Durch die chemische Reaktion vergrößert sich das Volumen des Gemisches und drückt den Kolben nach unten.
4. Auslasstakt: das verbrannte Gemisch wird mit dem durch die Rotationsenergie nach oben wandernden Kolben ausgestoßen.

Historische Entwicklung des Ventiltriebes:

Alle diese Vorgänge müssen exakt gesteuert werden. Frisches Gemisch muss in den Zylinder eingelassen werden, dann muss der Zylinder abgedichtet werden und danach müssen die Abgase wieder rausgelassen werden. Gesteuerter Ein- und Auslass geht nur mit Hilfe von Ventilen. In der Pionierzeit des Motorenbaus (um die 1885) wurde das Einlassventil als „Schnüffelventil“ ausgelegt. Das heißt, beim Ansaugen öffnet das Schnüffelventil durch den Sog selbstständig und ist bei Druck vollständig geschlossen. Das Auslassventil wurde damals über eine Kurvenscheibe an der Kurbelwelle geöffnet und geschlossen. Damit dies nur jede zweite Umdrehung erfolgen konnte, wurde ein Bahn-Umschalt-Element im Abgriff erforderlich. Die halbe Kurbelwellendrehzahl ist erforderlich für den 4-Taktbetrieb. Jedoch erwiesen sich diese Konstruktionen relativ schnell als nicht besonders leistungsfördernd.

Eine bessere Steuerung der Ventile musste her und wurde auch in Form von Nockenwellen gefunden. Dabei drehen sich die Nockenwellen genau 1/2 Mal so schnell wie die Kurbelwelle und öffnen dabei die Ventile. Die Nockenwellen werden von der Kurbelwelle angetrieben, soviel ist klar, nur beim „wie“ gibt es folgende Ansätze:

1. Stirnradantrieb
2. Kettenantrieb
3. Zahnriemenantrieb
4. Königswellen

Die nächste Entwicklungsstufe waren die sogenannten SV-Motoren (Side Valves oder stehende Ventile). Die Ventile waren dabei parallel zum Kolben verbaut und die Nockenwelle wurde per Stirnzahnradpaarung angetrieben. Der Vorteil dieser Konstruktion ist die Nähe von Nockenwelle und Kurbelwelle bei der Kraftübertragung. Jedoch ist die Ergonomie des Brennraumes derart ungünstig, dass diese Konstruktion sich im Automobilbauer nicht durchgesetzt hat. Dennoch werden SV-Motoren heute noch in Rasenmähern eingesetzt.

Nach den SV-Motoren wurden OHV-Motoren (Over Head Valves) entwickelt. In dieser Konstruktion liegt die Nockenwelle relativ weit unten im Block, jedoch oberhalb der Kurbelwelle. Somit ist der Weg von Kurbelwelle zur Nockenwelle noch relativ kurz und wird entweder mit einer Stirnradpaarung oder einer Kette überwunden. Der Antrieb der relativ weit entfernten Ventile wird über Stößel Stangen und Umlenkhebel (Kipphebel) realisiert. Diese Bauart findet sich auch in den Opel Nachkriegs-Motorreihen 1.0L, 1.1L und 1.2L bis hin in den Kadett D1.2L wieder. Die Verbindung zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle wurde vornehmlich durch eine Steuerkette oder Stirnräder realisiert. Die langen Stößel sorgen allerdings für eine relativ träge Masse beim Ventiltrieb, was kontraproduktiv für die Agilität, die Drehzahl und die Leistungsentwicklung ist. Des Weiteren ist die Stirnradkonstruktion anderer Hersteller zwar sehr zuverlässig, aber auch sehr laut in den Laufgeräuschen.
Dem trägt die nächste Entwicklungsstufe Rechnung, die in großen Teilen bis heute im Einsatz ist. Die Nockenwellen wandern dabei in den Zylinderkopf, der OHC-Motor (Over Head Camshaft) ist geboren. Opel geht In 1960er einen Sonderweg und nutzt die von GM in Detroit entwickelten CIH-Motoren (Camshaft In Head). Dabei sitzt die Nockenwelle im Kopf und nicht oben unter dem Ventildeckel. Damit ist der CIH-Motor quasi eine Mischkonstruktion von OHV und OHC. Premiere hatte der CIH-Motor im Rekord B und im 2.8L Sechszylinder des Kapitän A/Admiral A.

Der OHC-Motor ist bis heute in den meisten PKW verbaut, egal ob mit Kettenantrieb oder Riemen getrieben. Wobei der OHC-Motor keinesfalls auf den Zahnriemen festgelegt war. Es gab bei anderen Herstellern Konstruktionen mit sogenannten Königswellen, die nahezu wartungsfrei waren. Nur sind diese Konstruktionen sehr aufwendig und damit teuer. Dennoch wurde die Königswelle zu Beginn der OHC Ära in verschiedenen Oberklasse Modellen aber auch Sportwagen verbaut. Heute kommt die Königswelle nur noch vereinzelt im Motorsport vor. Ein weiterer sehr seltener OHC-Steuertrieb kam beim NSU Prinz 4 zum Einsatz. In diesem Modell wurde die Kurbelwellendrehung durch eine Kombination aus Stirnrädern, Exzentern und Schubstangen auf die Nockenwelle übertragen.

Stirnradantriebe für die Nockenwelle sind beim OHC-Motor eher selten, da der Weg zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle relativ weit ist. Die dadurch relativ großen Zahnräder haben eine große Rotationsmasse, was das System träge macht.

Kette oder Riemen:

Vorweg gesagt, nach dem der Stirnradantrieb zu träge und die Königswellen zu teuer sind, haben sich Ketten und Riemen als Antrieb im Motorenbau für die Nockenwelle durchgesetzt. Wobei im Laufe der 90er Jahre die Kette eine Renaissance erlebte. Opels neuer 3/4 Zylinder 1.0/1.2Liter Motor aus dem Corsa B wurde als DOHC wieder mit einer Kette angetrieben. Jedoch ist die in diesen Motoren verbaute Kette relativ schmal und dadurch störanfällig, was den eigentlichen Vorteil einer Kette gegenüber den Zahnriemen wieder zunichtemacht. Bei diesen Kettenmotoren sind rechtzeitige Ölwechsel absolut lebenswichtig. Natürlich ist dabei immer das korrekte Öl zu verwenden, in diesem Falle Öl nach der Dexos 2 Qualität. Eine Empfehlung von Schaeffler hierzu ist es vom Longlifeservice weg, hin zum altbekannten 1 Jahr oder 15000km Wechselintervall zu gehen.

Dieses Problem betrifft jedoch nicht nur Opel, sondern auch andere Hersteller. Auch andere Hersteller setzen wieder vermehrt auf die Kette mit mehr oder weniger großem Erfolg. Mittlerweile haben wir wieder mehr Fahrzeuge europaweit mit Steuerkette. 2012 hielten sich Steuerkette und Zahnriemen die Waage.

Wann eine Steuerkette oder ein Zahnriemen zum Einsatz kommt, ist einzig und allein abhängig von der Motorarchitektur. Habe ich wenig Platz und muss große Strecken überwinden, kommt eine Steuerkette zum Einsatz. Habe ich viel Platz für Spannrollen und Umlenkrollen kommt der Zahnriemen zum Einsatz.

Die Vorteile der Steuerkette sind:

• geringerer Verschleiß (früher war es umgekehrt, Anm.: von Schaeffler)
• hohe Belastung
• läuft im Öl und kann daher im Motor geführt werden
• geringere Wartungskosten durch fehlendes Wechselintervall
• alterungsbeständig

Die Vorteile eines Zahnriemens sind:

• geräuscharm
• geringere Masse, daher höhere Drehzahlen möglich
• Sehr hohe Zugbelastung
• meistens leichtere Kontrolle durch Anbringung außen am Motor
• keine Längung während der Lebensdauer, lediglich ein einmaliges Setzverhalten.
• geringere Kosten in der Herstellung, dafür höhere Servicekosten

Wobei die Ingenieure die jeweiligen Nachteile konstruktiv immer weiter minimieren. So gibt es z.B. bei Ford mittlerweile einen Zahnriemen, der in Öl läuft.

Die Kette:

Als Material wird bei Steuerketten natürlich Stahl verwendet und, um den Verschleiß zu minimieren, diese mit Öl geschmiert. Damit hören sie Gemeinsamkeiten auch schon auf.
Steuerketten können als Duplex- (vom Prinzip zwei Ketten nebeneinander) oder Simplexketten ausgeführt sein. Die Duplexkette ist dabei deutlich langlebiger als eine Simplexkette, dafür aber auch breiter.

Des Weiteren unterscheidet man folgende Kettentypen:

• Hülsenkette
• Rollenkette
• Zahnkette

Hülsen- und Rollenketten haben in etwa den gleichen Aufbau. Ähnlich wie bei einer Fahrradkette bestehen diese aus Außen- und Innengliedern, die mit Hilfe von Hülsen und Bolzen zu einer Kette geklöppelt werden. Bei der Rollenkette wird über die Hülse zusätzlich eine Rolle geschoben, was die Reibung mindert und sich positiv auf das Geräuschverhalten auswirkt.

Zahnketten sind grundsätzlich anders aufgebaut. Sie bestehen aus Paketen von einzelnen Laschen mit nach innen gerichteten Zähnen. Mit einer Zahnkette lassen sich engere Radien realisieren, wie man sie in den kleinen modernen Motoren braucht.

Das A und O für die Lebensdauer einer Kette ist die Schmierung. Im Laufe der Entwicklung sind den Motorölen sogenannte Additive hinzugefügt, die auf die jeweiligen Motoren angepasst sind. Dabei müssen die Additive auf den Motor abgestimmt sein, egal ob alte oder neue Motoren. Opel gibt hier zum Beispiel die Qualität Dexos 2 und Dexos 1 Gen. 2 für die moderneren Motoren vor. Die richtige Wahl der Öl-Qualität und Viskosität ist dabei stets zu beachten. Genauso wichtig ist der regelmäßige Ölwechsel und zwar spätestens nach Herstellervorgabe. Im Laufe der Nutzung kommt es zu Ansammlungen von Rußpartikeln, Kondenswasser, Kraftstoffölvermischung, Metallpartikeln im Öl. Gleichermaßen nehmen die Additive ab. Die Rußpartikel setzen sich an den Zahnrädern und den Zwischenräumen der Steuerkette ab. Das führt dazu, dass die Passungen eng werden, weil Ruß sehr hart gegenüber dem ‚weicheren‘ Werkstoff der Kettenrädern/Steuerketten ist. Das führt natürlich zu einem wesentlich erhöhten Verschleiß und dadurch zur Längung der Kette. Durch die immer länger werdenden Ölwechselintervalle ist dort natürlich auch ein erhöhter Verschleiß zu erwarten. Wird dieses Intervall auch noch regelmäßig überzogen („Das ist ein altes Auto, ich lass nur was dran machen, wenn was kaputt ist“), kann es teuer werden.

Viele Kleinigkeiten aber in der Summe addiert ergeben ein großes Problem, welches sich auf die Kettenlängung negativ auswirkt.

• Downsizing heißt Motoren kleiner zu bauen, aber mit der gleichen Leistung. Ein CIH-Motor von damals hatte mit 2,0 Liter Hubraum gute 100PS. Heute hat ein 1,2 L Motor schon weit über 100 PS. Es handelt sich hierbei um Leichtbau Motoren mit Turboaufladung.
• Longlifeservice
• Biozusätze im Kraftstoff
• Kurzstrecken
• Ventilüberschneidungen. (Eine Kettenlängung verändert die Steuerzeiten, was besonders bei Ventilüberschneidungen problematisch ist. Außerdem führen geänderte Steuerzeiten veränderten Schadstoffemissionen. Das OBD (Onboard Diagnose) erkennt dieses und löst den Notlauf aus.)
• Leichtbau der Kettensysteme

Der Riemen:

Der Zahnriemen besteht aus mehreren Komponenten, die in der Regel aus Kunststoffen sind. Verstärkt wird der Riemen durch einen Glasfasercord und am Rücken durch ein Polyamidgewebe. Früher wurden dabei statt des Glasfasercords Stahldrähte genommen. Für ein flexibles und trotzdem sicheres Zusammenwirken von Rücken und Zähnen sorgt ein temperaturbeständiger (bis ca. 140°C) Elastomerkörper. Die Zähne sind natürlich ebenfalls durch ein Polyamid verstärkt, da der Riemen ja in der Regel ohne Schmierung auskommt. Damit kann der Riemen außen am Motor verbaut werden, was den regelmäßigen Wechsel etwas einfacher macht.

Derzeit ist lediglich ein Hersteller bekannt, bei dem ein sogenannter Nassriemen zum Einsatz kommt. Ford setzt dieses Prinzip in einigen Ecoboost Motoren ein, dabei muss noch viel genauer auf das Wechselinterval und die Beschaffenheit des verwendeten Öles geachtet werden. Sind die Additive im Öl aufgebraucht, droht ein Zahnriemenriss oder zumindest Karies an den Zähnen des Riemens.

Spannung:

Wichtig bei beiden Systemen ist die jeweilige Peripherie. Bei beiden Steuertrieben spricht man von zwei Trume, dem Lasttrum und dem Leertrum. Das Lasttrum ist die Seite, wo die Kurbelwelle die Nockenwelle zieht (Zugbelastung). Folglich sie das Medium (Kette oder Riemen) an dieser Seite von Haus aus stramm und muss lediglich geführt werden. Auf der Leertrum-Seite würde das Medium leicht durchhängen, da sich das Medium je nach Temperatur zusammenzieht oder ausdehnt. Damit weder die Steuerkette noch der Zahnriemen ins Schwingen geraten und überspringen, bedarf es im Leertrum einer Spannvorrichtung.

Bei einem Überspringen des Mediums verstellen sich automatisch die Steuerzeiten im Motor und weder die Einlass- noch die Auslassventile arbeiten dann noch bedarfsgerecht. Schlimmer noch, die Ventile können in den ungünstigen Fall auf den Kolben aufschlagen, was zu einem Motorschaden führt. Ausgenommen sind da nur die sogenannten Freiläufer, deren Ventile zu keiner Zeit den Kolben berühren können.

Beim Zahnriemen wird das Spannen relativ einfach durch eine Umlenkrolle erledigt, die federnd den Riemen spannt. Damit hat der Zahnriemen zu jeder Zeit den entsprechenden Anpressdruck an die Riemenscheiben.

Bei den Steuerketten wird dies durch Kettenspanner erledigt, die auch gleich eine gewisse Kettenlängung ausgleichen sollen. Die Kettenspanner arbeiten in den meisten Fällen hydraulisch und wirken auf eine Spannschiene. Mit Hilfe der Spannschiene und der im Lasttrum befindlichen Gleitschiene werden die auf die Kette wirkenden Drehschwingungen wirkungsvoll gedämpft. Kette hat gegenüber Riemen den Vorteil., dass die Trume über lange Strecken geführt und damit gegen Schwingungen geschützt sind.

Spann- und Gleitschienen haben die Aufgabe die Kette zu führen. Dabei reiben die Kettenglieder auf den Schienen. Soll heißen, sowohl die Spann- als auch die Gleitschienen sind Verschleißteile und sind je nach Abnutzung zu wechseln, spätestens jedoch wenn die Kette getauscht wird. In diesem Falle werden natürlich auch die Kurbel- und Nockenwellenzahnräder sowie der Spanner mit getauscht, weil sich die Kette auf die Zahnräder einläuft.

Speziell Opel

Auch unsere Opelmotore haben im Laufe der Jahrzehnte diverse Entwicklungsschritte durchlaufen. Wobei die letzten Jahre durch Spriteinsparung und Schadstoffnormen geprägt waren. Auch bei den Opel-Motoren kommen sowohl Stirnräder, Ketten, als auch Riemen zum Einsatz.

Opel OHV

In den Sechszylindern der Reihen Super 6 und Admiral 1937 kamen OHV Motore mit Stirnradantrieben zum Einsatz. Diese Motore wurden in den 30er Jahren als Nachfolger des Opel 6 2 Liter Motors neu entwickelt. Der neue Motor hatte dann 2,5 Liter Hubraum und im Admiral 3,6 Liter.

Dies soll als kurzer Rückblick in die Vorkriegszeit reichen. Es gab natürlich noch eine ganze Reihe weiterer Motortypen in der Vorkriegszeit.

Der kleine OHV-Motor wurde nach dem zweiten Weltkrieg von Opel in Deutschland entwickelt und 1962 fertiggestellt. Bei Opel wurde der ‚Small Block‘ OHV-Motor vornehmlich im Kadett verbaut, daher trägt er auch den Beinamen Kadett Motor. Produktionsschluss war erst 1993 mit dem Corsa A. Beim kleinen Opel OHV erfolgte der Antrieb der Nockenwelle von Beginn bis Ende über eine Steuerkette, obwohl Nocken und Kurbelwelle nahe beieinander liegen.

Opel CIH

Angetrieben wurde die Nockenwelle durch eine als sehr zuverlässig geltende Duplex-Rollenkette. Gespannt wurde die Kette mit Hilfe eines hydraulischen Kettenspanners. Da die Nockenwelle im Kopf sitzt, wurden auch bei dieser Konstruktion kurze Stößel und Kipphebel benötigt. Ab dem Rekord E 2.0N Motor wurden die starren Stößel durch Hydrostößel ersetzt, die das Ventilspiel zwischen heißem und kaltem Motor ausgleichen konnten. Bei den 6-Zylindern-CIH-Mototeren wurden Hydros von Anfang an eingesetzt (1. Opel mit Hydros: KAD-A 2,6Lter 100PS OHV) Außerdem brauchte dadurch das Ventilspiel nicht mehr eingestellt zu werden. Dabei war Opel einer der ersten Hersteller mit diesem Wartungsvorteil. Vorher konnte beim Ventileinstellen immer nur ein Kompromiss geschlossen werden, was sich auf die Laufruhe auswirkte. Die CIH-Motorenkonstruktion wurde bis Ende 1993 im Omega A/Senator B verwendet und im Laufe von fast 30 Jahren von 1.5 Liter bis 3.0 bei Opel und 3.6/3.9 Liter bei Irmscher und Mantzel/Bitter erweitert. Beim CIH waren sowohl der Rumpf als auch der Kopf aus Grauguss, was die Motore relativ schwer machte. Außerdem war der Kopf als Gegenstromzylinderkopf, d.h. Einlass und Auslass war auf der gleichen Seite, ausgeführt, was sich negativ auf die Befüllung ausgewirkt hat.

Opel OHC

Ende der 70er Jahre galt diese Konstruktion als zu schwer und zu behäbig und auch Opel entwickelte einen ‚echten‘ OHC-Motor, für den Kadett D. Einzug hielt der neue Motor aber schon im Ascona/Manta B.

Dieser OHC-Motor hatte dann auch einen Querstromzylinderkopf, d.h. Einlass und Auslass waren gegenüber. Dieser Kopf wurde aus dem wesentlich leichteren Aluguss hergestellt. Außerdem hielt in den Opel OHC-Motor der Zahnriemen, wie in den 80er Jahren in Mode, Einzug. Der Zahnriemen wurde nun Bestandteil der Wartung und muss entsprechend dem Wartungsplan gewechselt werden.

Die neue OHC-Motorgeneration war allesamt 4-Zylinder Motore. Um die 6-Zylinder Reihenmotore zu modernisieren, wurden Aluguss DOHC (Double Over Head Camshaft) Köpfe entwickelt. Diese wurden mit 4 Ventilen pro Zylinder im Omega A/Senator B verbaut. Z.B. als 3.0-24V und auf den alten nahezu unveränderten Rumpfmotor geschraubt. Diese Motore wurden dann aus Platzgründen nur mit einer Simplex-Rollenkette betrieben, was erstmals bei Opel zu Kettenproblemen führte. Erst zum Omega B gab es neue V6 Motore (mit Zahnriemen).

Aktuelle Technik

Eine aktuell verbaute Innovation am Motor und den Steuertrieben ist der Nockenwellensteller. Bei den Nockenwellenstellern wird im Prinzip die Nockenwelle verdreht, um die Steuerzeiten zu ändern. Dieses sehr umfangreiche Thema habe ich nicht behandelt, weil es für die derzeit in unseren Youngtimern kaum eine Rolle spielt.

Blick in die Zukunft

Auch wenn die Zukunft den elektrisch angetriebenen Fahrzeugen gehört, da bin ich wieder vom Fach, so wird doch weiter an der Optimierung von Benzinmotoren geforscht. Aber auch bei den Verbrennungsmotoren wird immer mehr elektromechanisch gesteuert. So arbeitet Schaeffler beispielsweise an einer elektromechanischen Ventilsteuerung, die die Einlassnockenwelle und die Drosselklappe ersetzen. Der Schritt weiter zu einem Verbrenner, der ganz ohne Nockenwellen auskommt, ist somit vorgezeichnet. Ob es letztendlich zu solchen Motoren kommt, werden der Markt und vor allem die Emissionsobergrenzen zeigen. Der Dieselmotor ist ja quasi schon beerdigt. Gerade in Hinblick auf die Innovationsschritte der Akkutechnologie. Ein Funfakt am Rande ist, dass der E-Antrieb vor langer Zeit vom Verbrennungsmotor verdrängt wurde. In naher Zukunft könnte dies andersherum sein.

Rolf Neumann (*3991)

Literaturnachweise:

REP>XPERT Steuertriebe (www.repxpert.de) Mit freundlicher Unterstützung der Firma Schaeffler,
Prof. Dr. – Ing. Rainer Wieler *
Wikipedia (www.wikipedia.de)
Kadett aus Bochum (www.der-graue.com)