Zylinderkopf

Zylinderkopf eines gängigen Vierzylinder-, Zweiventil-, Viertakt-Ottomotors mit Umkehrstrom-Spülung.

Der Zylinderkopf schließt den Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors nach oben ab. Die Bezeichnung „oben“ ist hierbei aus Sicht des oszillierenden Kolbens zu verstehen. Auch bei Boxermotoren sowie bei Motoren, die hängend eingebaut sind (wie Flugzeugmotoren), spricht man daher von einem Zylinderkopf, obwohl dieser hier räumlich nicht „oben“ liegt. Bei allen Viertaktmotoren beherbergt er die Ein- und Auslasskanäle nebst der Ventilsteuerung für die Gaswechselvorgänge, Ölkanäle für die Schmierung des Ventiltriebs und bei wassergekühlten Motoren auch Kühlmittelkanäle, bei Ottomotoren die Zündkerzen, bei Otto-Direkteinspritzern auch die Einspritzventile beziehungsweise bei Dieselmotoren die Einspritzdüsen und die Glühkerzen. Durch die komplizierte Herstellung gehört der Zylinderkopf neben dem Motorblock zu den aufwändigsten und teuersten Teilen eines Fahrzeugs.

Typologie

Verbrennungsmotoren und ihre Zylinderköpfe lassen sich nach folgenden Merkmalen klassifizieren:

• Zweitaktmotoren (ohne Ventile) oder Viertaktmotoren (mit Ventilen).
• Ottomotoren (mit Zündkerzen) und gegebenenfalls Einspritzventilen oder Dieselmotoren (ohne Zündkerzen, stattdessen Einspritzdüsen).
• Saugmotoren (mit Vergaser) oder Einspritzmotoren (ohne Vergaser).
• Untenliegende oder obenliegende Nockenwelle.
• Einfache oder doppelte Nockenwellen.
• Querstromzylinderkopf oder Gegenstromzylinderkopf (Umkehrstrom-Spülung).

Bestandteile

Schnitt durch einen DOHC-Zylinderkopf mit Querstrom-Spülung.

Je nach Kombination der oben genannten Kriterien enthält ein Zylinderkopf:

• Einlassventile: Durch sie wird entweder Luft (bei Dieselmotoren) oder das vom Vergaser oder der Einspritzanlage erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt. Da dieses angesaugte Gas kalt ist (maximal Motortemperatur bei Saugmotoren oder Ladelufttemperatur bei aufgeladenen Motoren), sind die Einlassventile nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt wie die Auslassventile.
• Auslassventile: Durch diese entweicht das Abgas in die Abgasleitung (Abgaskrümmer), umgangssprachlich auch Auspuff genannt. Auslassventile sind daher hohen Temperaturen ausgesetzt.
• Nockenwelle(n): Bei Motoren mit einfacher obenliegender Nockenwelle (OHC = overhead camshaft) oder doppelter obenliegender Nockenwelle (DOHC = double overhead camshaft) beherbergt der Zylinderkopf auch eine oder zwei Nockenwellen. Diese öffnen und schließen die Ventile direkt oder indirekt, und werden hierzu beispielsweise mit einer Steuerkette von der Kurbelwelle angetrieben. Die Drehzahl einer Nockenwelle ist immer halb so groß wie die der Kurbelwelle, da es sich um einen Viertaktmotor handelt, der für jeden Arbeitstakt zwei Kurbelwellen-Umdrehungen braucht.
• Zündkerzen: Bei Viertakt-Ottomotoren geben diese bei jeder zweiten Kurbelwellen-Umdrehung einen Zündfunken zum Einleiten der Verbrennung ab, bei Zweitaktmotoren bei jeder Kurbelwellen-Umdrehung. Dieselmotoren sind Selbstzünder und besitzen keine Zündkerzen, sondern Glühkerzen als Kaltstart-Hilfe.
• Lage der Einspritzdüsen: Bei Diesel-Direkt-Einspritzmotoren spritzen sie direkt in den Brennraum und sind entsprechend hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Bei Vorkammer- oder Wirbelkammer-Dieselmotoren spritzen sie in die Vorkammer ein und sind geringeren Drücken ausgesetzt.
• Benziner-Einspritzventile: teils sind sie fest am Zylinderkopf montiert (oft bei Einzeldüsen für jeden Zylinder, „Multi Point“), teils jedoch auch am vor dem Zylinderkopf liegenden Einlasskrümmer (bei „Single-Point“-Einspritzungen). Bei konventionellen Benziner-Einspritzmotoren liegen sie im kühlen Ansaugrohr-Bereich, im Zylinderkopf oder im Krümmer davor und sind durch die Einlassventile vom Brennraum getrennt. Bei den neueren Benzin-Direkteinspritzern hingegen sitzen sie im Zylinderkopf, spritzen direkt in den Verbrennungsraum ein und sind dort höheren Temperaturen und der Verkokungsgefahr ausgesetzt.
• Einlass- und Auslasskanäle: Für den Ladungswechsel, also das Ausschieben des Abgases aus dem Zylinder und das erneute Befüllen des Zylinders mit Frischgas führen Kanäle von außen zu den Ventilen, durch die die Gase geleitet werden. Bei der Umkehrstrom-Spülung befinden sich die Ein- und Auslasskanäle auf derselben Seite des Zylinderkopfes, bei der Querstrom-Spülung auf den gegenüberliegenden Seiten des Zylinderkopfes.

Konstruktive Merkmale

Ein Verbrennungsvorgang in einem Zylinder übt auf den Zylinderkopf dieselbe Kraft aus wie auf den Kolben. Deshalb ist der Zylinderkopf sehr hohen Kräften ausgesetzt, die ihn nach außen drücken. Aus diesem Grund ist er oft nicht am Zylinder, sondern direkt am Kurbelwellengehäuse festgeschraubt, mit langen Zugankern beziehungsweise Stehbolzen, die durch entsprechend lang ausgeführte Bohrungen durch den Motorblock hindurchgeführt sind. Die durch das Anziehen der Verschraubung erzeugte Montagevorspannkraft wirkt auf die langen Bolzen elastisch federnd. Dadurch wird der dazwischenliegenden Motorblock mit den Dichtungen zuverlässig eingespannt, der Motor bleibt dicht, ohne dass die Bolzen abreißen.

Die Dehnschrauben werden durch das bestimmungsgemäße Anziehen bereckt und dürfen nur einmal verwendet werden. Daher ist es sehr wichtig, dass bei der Montage ein Drehmomentschlüssel verwendet wird, damit das durch konstruktive Auslegung vorgegebene Anzugsmoment und die Montagevorspannkraft dieser hoch belasteten Schraubenverbindung eingehalten werden. Auch ist eine exakte Beachtung der festgelegten Vorgehensweise bezüglich Verschraubungs-Reihenfolge, Drehmoment-Stufungen und eventueller Kontrollpflicht nach Zeitablauf notwendig.

Die beweglichen Teile sind bei allen modernen Motoren in den Ölkreislauf einbezogen. Das Schmierdrucköl wird meist durch einen Zylinderkanal und die Zylinderkopfdichtung zum Zylinderkopf geleitet, in seltenen Fällen und bei alten Motorenbauarten durch eine separate verschraubte Ölleitung. Zum Schutz gegen den Austritt von drucklosem Spritzöl am Zylinderkopf genügt ein einfacher dünnwandiger Zylinderkopfdeckel mit Gummi- oder Korkdichtung.

Bei untenliegender Nockenwelle sind die Kipphebel der Ventile im allgemeinen über Stößelstangen, die parallel zu den Zylindern verlaufen und eine Axialbewegung übertragen, mit der außerhalb des Zylinderkopfes gelegenen Nockenwelle verbunden. Obenliegende Nockenwellen werden entweder durch eine Steuerkette oder durch einen Zahnriemen angetrieben. Seltener werden Stirnradkaskaden oder auch am Zylinder längslaufende Wellen mit Kegelradantrieben, sogenannte 'Königswellen', verwendet.

Es gibt auch bei Viertaktern sehr einfache Zylinderköpfe: bei Motoren mit seitlich liegenden Ventilen (SV-Anordnung, „Side Valves“). Diese Zylinderköpfe ähneln in ihrer flachen Bauweise Zweitakter-Köpfen, da die Ventilanordnung hier Bestandteil der Zylinder und nicht des Zylinderkopfes sind. SV-Motoren sind aber lange nicht mehr Stand der Technik, auch wenn sie vereinzelt (Russland, Volksrepublik China) noch gebaut werden.

Die Kühlung erfolgt über Längs- oder Querströmung des Kühlwassers. Bei der Querströmung strömt das Kühlmedium von der Auslass- zur Einlassseite oder umgekehrt; bei der Längsströmung im Wesentlichen von der Rückseite in Kurbelwellenlängsrichtung zur Vorderseite. Querströmung ist vorteilhafter, da die Kühlung aufgrund eines deutlich geringeren Druckverlustes effektiver erfolgt und somit die Antriebsleistung der Wasserpumpe stark verringert werden kann.

Zylinderköpfe von Schiffsmotoren sind oft mit einer begehbaren Galerie umgeben, um bequem daran arbeiten zu können, und sind mit Druck- und Temperatursensoren ausgestattet, die die Zylinderköpfe in das Informationssystem einbinden, mit dem die Maschine von der Brücke beziehungsweise vom Steuerstand aus fernüberwacht und -gesteuert wird.

Angrenzende Teile

Nach oben wird der Zylinderkopf mit dem Ventildeckel (Zylinderkopfdeckel) abgeschlossen. Er enthält die oberen Betätigungselemente des Ventiltriebs und verhindert das Austreten des Schmieröles sowie den Eintritt von Luft in den Motor. Dazwischen liegt die Ventildeckeldichtung.

Nach unten folgt das Kurbelwellengehäuse. Dazwischen liegt die Zylinderkopfdichtung.

Typische Arbeiten am Zylinderkopf

• Überprüfen der Zündkerzen: Siehe dort.
• Ventilspiel einstellen: Entweder mit entsprechenden Einstellschrauben oder mit geschliffenen Unterlagsplättchen passender Dicke („Shims“) (mittlerweile oft durch Hydrostößel entbehrlich)
• Ventile einschleifen, um eine ausreichende Kompression wieder herzustellen (nur selten nötig, nur bei verschlissenem Motor oder Defekt an einem einzelnen Ventil)
• Erneuern der Zylinderkopfdichtung
• Erneuern des Zahnriemens/der Steuerkette nebst Spannvorrichtung (Kettenspanner) – bei Zahnriemen: Spannrolle(n)
• Kompressionsprüfung: Anstelle der Zündkerze wird eine Druckmessvorrichtung eingesetzt. Damit lässt sich der allgemeine Motorzustand beurteilen; inwieweit Ventile, Zylinder, Kolben und Kolbenringe verschlissen sind und eine Überholung ansteht. Wichtig ist primär nicht die absolute Höhe der Kompression, sondern ein etwa gleicher Wert auf allen Zylindern. Eine Kompressionsprüfung ist beim Kauf eines Gebrauchtfahrzeugs mit hoher Laufleistung sinnvoll.

Literatur

• Richard van Basshuysen, Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. 3. Auflage. Friedrich Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2005, ISBN 3-528-23933-6.
• Wilfried Staudt: Handbuch Fahrzeugtechnik Band 2. 1. Auflage. Bildungsverlag EINS, Troisdorf 2005, ISBN 3-427-04522-6.
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001, ISBN 3-8085-2067-1.
• Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk: Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage. Holland+Josenhans Verlag, Stuttgart 1997, ISBN 3-7782-3520-6.