In diesem Artikel erfahren Sie, was Motorventile sind und wie sie in einem Motor funktionieren. Ventilmechanismus und Kühlung eines Ventils.
Motorventile und Arten von Motorventilen
Ein Ventil ist eine Vorrichtung zum Schließen und Öffnen eines Durchgangs. In Kraftfahrzeugmotoren werden für jeden Zylinder zwei Motorventile verwendet – ein Einlass- (oder Einlass-) Ventil und ein Auslassventil.
Einlassventil
Durch das Einlassventil wird Kraftstoff in den Zylinder eingelassen. Wenn es geschlossen ist, schließt das Ventil den Verbrennungsraum dicht ab. Die Ventile bestehen in der Regel aus austenitischem rostfreiem Stahl, einem korrosions- und hitzebeständigen Material. Das Einlassventil ist weniger hitzebeständig und besteht in der Regel aus einer Nickel-Chrom-Legierung.
Auslassventil
Die verbrannten Gase entweichen durch das Auslassventil. Das Auslassventil ist in der Regel aus Silchromstahl gefertigt, einer Legierung aus Silizium und Chrom mit ungewöhnlicher Hitzebeständigkeit.
Die in Automotoren verwendeten Ventile werden als Tellerventile oder Pilzventile bezeichnet. Der Kopf des Ventils hat eine genau geschliffene Fläche mit genügend Spielraum, um eine dünne Kante zu vermeiden. Die schräge Fläche ist am Ventilteller so geschliffen, dass sie einen Winkel von 45° oder 30° bildet, der dem Winkel des Ventilsitzes im Zylinderkopf entspricht. Am Ende des Ventilschaftes sind Federteller-Sicherungsnuten angebracht.
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Typen von Motorventilen
Es gibt 3 verschiedene Arten von Motorventilen wie folgt:
- Trichterventil
- Hülsenventil
- Drehventil
Trichterventil
Es wird wegen seiner Form auch als Pilzventil bezeichnet. Es wird verwendet, um den Zeitpunkt und die Menge des Gasflusses in einem Motor zu steuern. Es ist das am häufigsten verwendete Ventil in einem Automotor. Das Tellerventil hat seinen Namen aufgrund seiner auf- und abspringenden Bewegung erhalten.
Es besteht aus einem Kopf und einem Schaft. Der Ventilteller ist in der Regel mit einem Winkel von 30° bis 45° perfekt geschliffen, da er für eine einwandfreie Abdichtung mit dem Ventilsitz übereinstimmen muss. Der Schaft hat eine Nut zur Arretierung des Federtellers und sein Ende kommt mit dem Nocken für die Aufwärts- & und Abwärtsbewegung des Ventils in Kontakt. Bei Auslassventilen hilft ein Druckunterschied bei der Abdichtung des Ventils. Bei Einlassventilen hilft der Druckunterschied, es zu öffnen.
Hülsenventil
Das Hülsenventil ist, wie der Name schon sagt, ein Rohr oder eine Hülse, die zwischen dem Kolben und der Zylinderwand im Zylinder eines Verbrennungsmotors sitzt, wo es sich dreht/gleitet.
Die Öffnungen an der Seite der Muffe fluchten mit den Ein- und Auslassöffnungen des Zylinders in den entsprechenden Phasen des Motorzyklus.
Die Innenfläche der Hülse bildet das innere Zylinderrohr, in dem der Kolben gleitet. Die Hülse befindet sich in ständiger Bewegung und ermöglicht den Austritt der Gase durch das periodische Zusammentreffen von Öffnungen in der Hülse mit den Öffnungen, die durch das Hauptzylindergussstück gebildet werden.
Vorteile: Diese Ventile sind einfach in der Konstruktion und sind leise im Betrieb. Es gibt keinen Lärm, weil es keine lärmverursachenden Teile wie Ventilnocken, Kipphebel, Stößel, Ventile usw. gibt, das Muffenventil neigt weniger zur Detonation. Die Kühlung ist sehr effektiv, da das Ventil in Kontakt mit Wassermänteln steht.
Drehschieber
Es gibt viele Arten von Drehschiebern. Die Abbildung zeigt die Zellenradschleuse in Scheibenform. Sie besteht aus einer rotierenden Scheibe, die einen Anschluss hat. Während sie sich dreht, steht sie abwechselnd mit dem Einlass- und dem Auslasskrümmer in Verbindung.
Vorteile: Drehschieberventile sind einfach in der Konstruktion und werden kostengünstiger hergestellt. Sie sind für schnelllaufende Motoren geeignet. Diese Ventile haben weniger Spannungen und Vibrationen. Drehkälber arbeiten gleichmäßig und geräuschlos.
Typen von Motorventilmechanismen
Die Ventile werden durch Nocken betätigt, die auf einer Nockenwelle sitzen. Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle in Bewegung gesetzt. Wenn sich die Nockenwelle dreht, betätigt der Nocken das Ventil.
Abhängig von der Lage der Ventile gibt es zwei Arten von Ventilmechanismen:
- Ventilmechanismus zur Betätigung des Ventils im Motorblock (gerades Sitzventil).
- Ventilmechanismus zur Betätigung des Ventils im Zylinderkopf (hängendes Sitzventil).
Ventilstößelspiel
Beim geraden Tellerventil wird zwischen dem Ventilstößel und dem Ventilschaft, beim hängenden Tellerventil zwischen Kipphebel und Ventilschaft ein geringes Spiel eingehalten. Dies wird als Ventilstößelspiel und manchmal auch als Ventilspiel bezeichnet. Dieses Spiel ermöglicht die Ausdehnung des Ventilschaftes bei Erwärmung des Motors.
Wenn das Spiel nicht ausreicht, sitzt das Ventil bei Erwärmung des Motors nicht richtig, was zu Leistungsverlust und Abheben des Ventils führt. Es ist besser, mehr Spiel als nötig zu haben, als zu wenig, auch wenn die Geräuschentwicklung des Ventilmechanismus leicht zunimmt.
Das Ventilstößelspiel hängt von folgenden Faktoren ab:
- Länge des Ventilschafts
- Das Material des Ventils.
- Die Temperatur, bei der der Motor arbeitet.
Hydraulischer Ventilstößel
Er ist sehr leise im Betrieb, weil er ein Ventilstößelspiel von Null gewährleistet. Er passt seine Länge automatisch an, um Unterschiede im Ventilstößelspiel auszugleichen. Außerdem muss es bei normalem Betrieb normalerweise nicht eingestellt werden. Temperatur- und verschleißbedingte Schwankungen werden hydraulisch ausgeglichen.
Das Gehäuse besteht aus einem Zylinder und einem Ölreservoir. Eine Öffnung im Gehäuse ist mit einer Öldruckleitung vom Motorschmiersystem verbunden, um das Reservoir mit Öl zu versorgen. Ein Stößel sitzt im Inneren des Zylinders, so dass sein oberes Ende den Boden der Stößelstange berührt und sein unteres Ende durch Öl zwischen ihm und dem Boden des Zylinders gestützt wird.
Wenn das Ventil wie bei (a) geschlossen ist (Nocken auf der unteren Seite), öffnet das Öl aus dem Vorratsbehälter das Kugelrückschlagventil und hebt den Stößel an, indem es zwischen ihn und den Zylinderboden gelangt. Dadurch entsteht ein Nullspiel zwischen Stößel und Stößelstange sowie zwischen Kipphebel und Ventilschaft.
Wenn sich der Nocken dreht, um den Stößel anzuheben, wie bei (b) (Nocken oben). Das Kugelrückschlagventil schließt, um den Rückfluss des Öls in den Vorratsbehälter zu verhindern, und bewirkt, dass die gesamte Stößeleinheit die Stößelstange anhebt, um das Ventil zu öffnen. Da der Hub mit einem Spiel von Null beginnt, wird das Geräusch auf ein Minimum reduziert.
Wie in (b) gezeigt, kann während des Hubvorgangs eine bestimmte Menge Öl zwischen dem Stößel und dem Zylinder austreten, was dazu führt, dass sich der Stößel absenkt, um ein Spiel zu erzeugen, wenn die Feder ihn nicht wieder anhebt, wenn der Druck auf den Stößel durch das Schließen des Motorventils entlastet wird. Dadurch öffnet sich das Kugelrückschlagventil wieder, Öl kommt wieder unter den Stößel und der Stößel ist wieder auf Nullspiel eingestellt.
Exzenter-Kipphebel
Der Exzenter-Kipphebel gleicht den Unterschied im Ventilstößelspiel automatisch aus. Er besteht aus einem konventionellen Kipphebel, der so modifiziert ist, dass er mit Hilfe eines Schlitzes und eines Bolzens einen Exzenter hält.
Der Stößel und die Feder steuern den Kolben eines Exzenters. Der Stößel wird durch die Feder und den Öldruck aus einer Öffnung im Kipphebel betätigt.
Wenn das Motorventil geschlossen ist (Nocken auf der unteren Seite), bewegt sich der Exzenter unter der Wirkung von Feder und Stößel, um das Spiel im Ventil, das den Zug betätigt, auszugleichen. Wenn der Nocken sich dreht, um das Ventil zu öffnen, absorbieren der Stößel und die Feder den durch diese Bewegung verursachten Stoß. Wenn der Nocken oben ist, ist das Ventil vollständig geöffnet.
Ventilkühlung
Es ist offensichtlich, dass das Auslassventil heißer läuft als das Einlassventil, weil das Auslassventil immer in Kontakt mit den heißen Gasen ist, während das Einlassventil durch die einströmende frische Ladung etwas gekühlt wird. Das Auslassventil kann sogar während einer kurzen Betriebszeit rotglühend werden. Die Ventilfläche ist am heißesten und der Ventilschaft ist der kühlste Teil des Ventils.
Der Ventilschaft gibt die Wärme an die Ventilführung und die Ventilfläche an den Ventilsitz ab, was dazu beiträgt, das Ventil kühl zu halten. Um eine ausreichende Kühlung zu gewährleisten, muss der Zylinderkopf so konstruiert sein, dass eine gute Wasserzirkulation um die kritischen Bereiche des Ventils möglich ist.
Wenn der Ventilteller richtig auf dem Ventilsitz sitzt und den Verbrennungsraum vollständig verschließt, kommt es zu keinem Kompressions- und Leistungsverlust. Trotzdem sorgt der richtige Ventilsitz auch für einen vollständigen Kontakt der Stirnfläche mit dem Ventilsitz, wodurch mehr Wärmeübertragung stattfinden kann. Ein ungleichmäßiger Kontakt kann dazu führen, dass ein Ventil mehrere hundert Grad heißer als normal läuft, was die Lebensdauer des Ventils verkürzt
Natriumgekühltes Ventil
In vielen Hochleistungsmotoren werden natriumgekühlte Ventile verwendet. Ein natriumgekühltes Ventil hat einen hohlen Schaft, der teilweise mit metallischem Natrium gefüllt ist. Natrium schmilzt bei 97’5°C. Bei Betriebstemperaturen ist das Natrium also flüssig. Wenn der Motor läuft, bewegt sich das Ventil auf und ab, das Natrium wird nach oben in den heißeren Teil des Ventils geschleudert.
Es nimmt Wärme auf, die dann an den kühleren Schaft abgegeben wird, wenn es im Schaft wieder nach unten fällt. Auf diese Weise bleibt der Ventilteller kühl. Ein natriumgekühltes Ventil ist unter den gleichen Betriebsbedingungen bis zu 100°C kühler als ein Ventil mit festem Schaft ähnlicher Bauart. Das bedeutet, dass ein natriumgekühltes Ventil eine längere Lebensdauer hat. Seine Verwendung erfordert jedoch mehr Sorgfalt.
Wenn die hohle Spindel des natriumgekühlten Ventils gerissen oder gebrochen ist, ist sie potenziell gefährlich. Natrium geht bei Kontakt mit Wasser in Flammen auf. Solange sich Natrium sicher im Ventilschaft befindet, besteht keine Gefahr.