Motorventile sind mechanische Komponenten, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, um den Fluss von Fluid oder Gas zu und von den Brennkammern oder Zylindern während des Motorbetriebs zu ermöglichen oder zu beschränken. Funktionell verhalten sie sich ähnlich wie viele andere Ventiltypen, indem sie den Durchfluss blockieren oder durchlassen, jedoch sind sie eine rein mechanische Vorrichtung, die mit anderen Motorkomponenten wie Kipphebeln verbunden ist, um in der richtigen Reihenfolge und mit der richtigen Reihenfolge zu öffnen und zu schließen richtiges Timing.
Der Begriff Motorventil kann sich auch auf eine Art Rückschlagventil beziehen, das zur Lufteinspritzung als Teil der Abgasreinigungs- und Abgasrückführungssysteme in Fahrzeugen verwendet wird. Diese Art von Motorventil wird in diesem Artikel nicht behandelt.
Motorventile sind bei vielen Arten von Verbrennungsmotoren üblich, unabhängig davon, ob sie mit einem Kraftstoff wie Benzin, Diesel, Kerosin, Erdgas (LNG) oder Propan (LP) betrieben werden. Motortypen unterscheiden sich durch die Anzahl der Zylinder, die die Brennkammern sind, die Energie aus der Zündung von Kraftstoff erzeugen. Sie variieren auch je nach Betriebsart (2-Takt oder 4-Takt) und durch die konstruktive Anordnung der Ventile im Motor [obenliegendes Ventil (OHV), obenliegende Nockenwelle (OHC) oder Ventil im Block (VIB)] .
In diesem Artikel wird kurz die Funktionsweise von Motorventilen in typischen Verbrennungsmotoren beschrieben sowie Informationen zu Ventiltypen und deren Konstruktion und Materialien gegeben. Weitere Informationen zu anderen Ventiltypen finden Sie in unserem entsprechenden Leitfaden zum Verständnis von Ventilen.
Nomenklatur der Motorventile
Die meisten Motorventile sind aufgrund ihrer Auf- und Abwärtsbewegung als Tellerventile ausgelegt und weisen einen konischen Ventilkopf auf, der gegen einen maschinell bearbeiteten Ventilsitz passt, um den Durchgang von Flüssigkeiten oder Gasen abzudichten. Wegen der markanten Form des Ventilkopfes werden sie auch Pilzventile genannt. Abbildung 1 zeigt die Nomenklatur für die verschiedenen Elemente in einem typischen Motorventil.
Diagramm mit der Nomenklatur eines Sitzventils.
Abbildung 1 - Nomenklatur für ein standardmäßiges Motorventil in Sitzbauform.
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Die beiden Hauptelemente sind der Ventilschaft und der Ventilkopf. Der Kopf enthält eine Verrundung, die in eine Sitzfläche führt, die in einem bestimmten Winkel bearbeitet wird, um der Bearbeitung des Ventilsitzes zu entsprechen, an die sie angepasst ist. Der Sitz der Ventilfläche auf dem Ventilsitz dichtet das Ventil gegen den Verbrennungsdruck ab.
Der Ventilschaft verbindet das Ventil mit den mechanischen Elementen im Motor, die das Ventil betätigen, indem eine Kraft erzeugt wird, um den Schaft gegen den von einer Ventilfeder bereitgestellten Sitzdruck zu bewegen. Die Haltenut wird verwendet, um die Feder in Position zu halten, und die Spitze des Ventilschafts wird wiederholt von einem Kipphebel, Stößel oder Stößel berührt, der das Ventil betätigt.
Motorbetrieb
Viertakt- oder Viertakt-Verbrennungsmotoren verwenden zwei Haupttypen von Ventilen – das Einlassventil und das Auslassventil. Einlassventile werden geöffnet, um das Strömen eines Luft/Kraftstoff-Gemisches in die Zylinder des Motors vor der Kompression und Zündung zu ermöglichen, während Auslassventile geöffnet werden, um das Ausstoßen von Abgasen aus dem Verbrennungsprozess nach erfolgter Zündung zu ermöglichen.
Im Normalbetrieb ist eine Kurbelwelle im Motor, an der die Kolben befestigt sind, als Teil einer Ventiltriebanordnung für den Motor mit einer Nockenwelle verbunden. Die Bewegung der Kurbelwelle überträgt die Bewegung über eine Steuerkette, einen Zahnriemen oder einen anderen Getriebemechanismus auf die Nockenwelle. Das Timing und die Ausrichtung zwischen der Position der Kurbelwelle (die die Position des Kolbens im Zylinder festlegt) und der Position der Nockenwelle (die die Position der Ventile für den Zylinder bestimmt) ist nicht nur für die Spitzenleistung des Motors, sondern auch entscheidend um Interferenzen zwischen Kolben und Ventilen in Hochkompressionsmotoren auszuschließen.
Im Ansaugtakt bewegt sich der Ansaugzylinderkolben beim Öffnen des Ansaugventils nach unten. Die Kolbenbewegung erzeugt einen Unterdruck, der dazu beiträgt, das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder zu saugen. Kurz nachdem der Kolben die unterste Position im Zylinder erreicht hat (sogenannter unterer Totpunkt), schließt das Einlassventil. Im Kompressionszyklus wird das Einlassventil geschlossen, um den Zylinder abzudichten, wenn der Kolben im Zylinder bis zur höchsten Position (bekannt als oberer Totpunkt) ansteigt, wodurch das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf ein kleines Volumen komprimiert wird. Diese Kompressionswirkung dient dazu, einen höheren Druck gegen den Kolben bereitzustellen, wenn der Kraftstoff gezündet wird, sowie zum Vorwärmen des Gemischs, um eine effiziente Verbrennung des Kraftstoffs zu unterstützen. Im Arbeitszyklus wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch gezündet, wodurch eine Explosion erzeugt wird, die den Kolben in die unterste Position zurückdrückt und die durch die Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs freigesetzte chemische Energie in die Drehbewegung der Kurbelwelle überträgt. Beim Auslasszyklus steigt der Kolben im Zylinder wieder nach oben, während das Einlassventil geschlossen bleibt und das Auslassventil nun geöffnet ist. Der vom Kolben erzeugte Druck hilft, die Abgase aus dem Zylinder durch das Auslassventil und in den Auspuffkrümmer zu drücken. An den Auspuffkrümmer angeschlossen sind die Abgasanlage, ein Satz Rohre, die einen Schalldämpfer zur Reduzierung der akustischen Geräusche enthalten, und ein Katalysatorsystem zur Steuerung der Emissionen aus der Motorverbrennung. Sobald der Kolben im Auspuffzyklus das obere Ende des Zylinders erreicht, beginnt das Auslassventil zu schließen und das Einlassventil beginnt sich zu öffnen, wodurch der Vorgang von vorne beginnt. Beachten Sie, dass der Zylinderdruck beim Einlass dazu beiträgt, das Einlassventil geöffnet zu halten und der hohe Druck im Kompressionszyklus hilft, beide Ventile geschlossen zu halten.
Bei Motoren mit mehreren Zylindern wiederholen sich die gleichen vier Zyklen in jedem der Zylinder, jedoch in Reihenfolge, damit der Motor eine gleichmäßige Leistung zeigt und Geräusche und Vibrationen minimiert. Die Abfolge von Kolbenbewegung, Ventilbewegung und Zündung wird durch das präzise mechanische Design und die elektrische Zeitsteuerung der Zündsignale an die Zündkerzen erreicht, die das Luft/Kraftstoff-Gemisch zünden.
Motorventilbewegung
Die Bewegung der Motorventile wird durch die Nockenwelle des Motors angetrieben, die eine Reihe von Nocken oder Nocken enthält, die dazu dienen, durch die Drehung der Nockenwelle eine lineare Bewegung des Ventils zu erzeugen. Die Anzahl der Nocken an der Nockenwelle entspricht der Anzahl der Ventile im Motor. Wenn sich die Nockenwelle im Zylinderkopf befindet, wird der Motor als obenliegender Nocken (OHC) bezeichnet; Wenn sich die Nockenwelle im Motorblock befindet, wird der Motor als obenliegendes Ventil (OHV) bezeichnet. Unabhängig von der Motorkonstruktion erfolgt die Grundbewegung der Motorventile dadurch, dass der Nocken gegen einen Stößel oder Stößel fährt, der eine Kraft erzeugt, die gegen den Ventilschaft drückt und die Ventilfeder zusammendrückt, wodurch die Federspannung entfernt wird, die das Ventil im Ventil hält die geschlossene Stellung. Diese Bewegung des Ventilschafts hebt das Ventil vom Sitz im Zylinderkopf ab und öffnet das Ventil. Sobald sich die Nockenwelle weiter dreht und sich die Nockenerhebung bewegt, so dass der exzentrische Abschnitt nicht mehr direkt mit dem Stößel oder Stößel in Kontakt ist, schließt der Federdruck das Ventil, während der Ventilschaft auf dem zentrischen Abschnitt der Nockenerhebung läuft.
Das Aufrechterhalten des richtigen Ventilspiels zwischen Ventilschaft und Kipphebel oder Nocken ist für den ordnungsgemäßen Betrieb der Ventile äußerst wichtig. Es ist ein minimaler Spielraum erforderlich, um die Ausdehnung von Metallteilen zu berücksichtigen, wenn die Motortemperatur während des Betriebs ansteigt. Spezifische Spielwerte variieren von Motor zu Motor, und die Nichteinhaltung des richtigen Spiels kann schwerwiegende Folgen für den Motorbetrieb und die Motorleistung haben. Wenn das Ventilspiel zu groß ist, öffnen die Ventile später als optimal und schließen früher, was die Motorleistung verringern und das Motorgeräusch erhöhen kann. Wenn das Ventilspiel zu klein ist, schließen die Ventile nicht vollständig, was zu einem Kompressionsverlust führen kann. Hydraulische Ventilstößel sind selbstkompensierend und können das Einstellen des Ventilspiels überflüssig machen.
Moderne Verbrennungsmotoren können je nach Bauart und Anwendung eine unterschiedliche Anzahl von Ventilen pro Zylinder verwenden. Kleinere Motoren, wie sie beispielsweise in Rasenmähern verwendet werden, haben möglicherweise nur ein einziges Einlassventil und ein Auslassventil. Größere Fahrzeugmotoren wie 4-, 6- oder 8-Zylindermotoren können vier oder manchmal fünf Ventile pro Zylinder verwenden.
Werkstoffe für Motorventile
Motorventile gehören zu den hochbelasteten Bauteilen in Verbrennungsmotoren. Der Bedarf an einem zuverlässigen Motorbetrieb schreibt vor, dass Motorventile in der Lage sein müssen, einer wiederholten und kontinuierlichen Einwirkung von hoher Temperatur, hohem Druck aus der Brennkammer und mechanischen Belastungen und Belastungen aus der Motordynamik standzuhalten.
Die Einlassventile von Verbrennungsmotoren werden aufgrund der Kühlwirkung des einströmenden Luft-Kraftstoff-Gemisches, das während des Ansaugzyklus am Ventil vorbeiströmt, thermisch weniger belastet. Im Gegensatz dazu sind Auslassventile einer höheren thermischen Belastung ausgesetzt, indem sie sich während des Abgaszyklus des Motors im Weg der Abgase befinden. Darüber hinaus bedeutet die Tatsache, dass das Auslassventil während des Abgaszyklus geöffnet ist und keinen Kontakt mit dem Zylinderkopf hat, dass die geringere thermische Masse der Brennfläche und des Ventilkopfs ein größeres Potenzial für einen schnellen Temperaturwechsel hat.
Einlassventile werden aufgrund ihrer niedrigeren Betriebstemperaturen typischerweise aus Materialien wie Chrom, Nickel oder Wolframstahl hergestellt. Die Auslassventile mit höherer Temperatur können hitzebeständigere Metalle wie Nichrom, Silizium-Chrom oder Kobalt-Chrom-Legierungen verwenden.
Ventilteller, die höheren Temperaturen ausgesetzt sind, werden manchmal durch das Schweißen von Stellit, einer Legierung aus Kobalt und Chrom, an den Ventilteller haltbarer gemacht.
Andere Materialarten, die für die Herstellung von Motorventilen verwendet werden, umfassen Edelstahl, Titan und Tribaloy-Legierungen.
Darüber hinaus können Beschichtungen und Oberflächenveredelungen aufgebracht werden, um die mechanischen Eigenschaften und das Verschleißverhalten der Motorventile zu verbessern. Beispiele hierfür sind Verchromen, Phosphatieren, Nitridbeschichtung und Wirbelveredelung.
Arten von Motorventilen
Neben der Charakterisierung von Motorventilen nach Funktion (Einlass versus Auslass) gibt es verschiedene spezifische Typen von Motorventilen, die je nach Design und Material existieren. Zu den wichtigsten Arten von Motorventilen gehören:
Monometallische Motorventile
Bimetallische Motorventile
Hohle Motorventile
Monometallische Motorventile werden, wie der Name schon sagt, aus einem einzigen Material hergestellt, das sowohl den Ventilschaft als auch den Ventilkopf bildet. Diese Typen von Motorventilen bieten sowohl eine hohe Hitzebeständigkeit als auch gute Anti-Reibungseigenschaften.
Bimetallische Motorventile, auch Bimetall-Motorventile genannt, werden hergestellt, indem zwei verschiedene Materialien durch ein Reibschweißverfahren miteinander verbunden werden, um ein Ventil zu schaffen, das austenitischen Stahl am Ventilkopf und martensitischen Stahl für den Ventilschaft aufweist. Die Eigenschaften jedes dieser Stähle dienen einem optimalen Zweck, wobei der austenitische Stahl am Ventilteller eine hohe Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit bietet und der martensitische Stahl für den Ventilschaft eine hohe Zugfestigkeit und Abriebfestigkeit bietet.
Hohlmotorventile sind spezielle Bimetallventile, die einen mit Natrium gefüllten Hohlraum enthalten. Das Natrium verflüssigt sich mit steigender Ventiltemperatur und wird durch die Bewegung des Ventils zirkuliert, wodurch die Wärme vom heißeren Ventilkopf abgeleitet wird. Die hohle Konstruktion ermöglicht eine größere Wärmeübertragung durch den Schaft als bei massiven Ventilen, da das martensitische Schaftmaterial ein besserer Wärmeleiter ist als das austenitische Kopfmaterial. Hohlventile eignen sich besonders für den Einsatz in modernen Motoren, die mehr Leistung aus kleineren, dichteren Motorkonstruktionen mit höheren Abgastemperaturen liefern, die massive Ventile nicht bewältigen können. Diese höheren Abgastemperaturen sind das Ergebnis mehrerer Bedingungen, darunter:
Der Wunsch nach einem mageren Verbrennungsprozess, der die Treibhausgasemissionen reduziert
Motorkonstruktionen mit höheren Verdichtungsverhältnissen und höheren Verbrennungsdrücken, die eine höhere Effizienz bieten
Integrierte Krümmerkonstruktionen, die Turbolader für mehr Motorleistung von kleineren Motoren unterstützen
Es gibt mehrere andere Arten von Motorventilkonstruktionen. Sogenannte Hülsenventile bestehen aus einem Rohr oder einer Hülse, die zwischen der Zylinderwand und dem Kolben sitzt und wie bei anderen Motorventilen von einer Nockenwelle angetrieben gleiten oder rotieren. Die Bewegung des Hülsenventils bewirkt, dass Öffnungen, die in die Hülse geschnitten sind, an verschiedenen Punkten im Motorzyklus mit entsprechenden Öffnungen in der Zylinderwand ausgerichtet sind, wodurch es als einfaches Motoreinlass- und -auslassventil ohne die Komplexität von Kipphebeln und Stößeln funktioniert.
Spezifikationen des Motorventils
Typische Motorventile werden durch die unten umrissenen Parameter spezifiziert. Beachten Sie, dass diese Daten zu Informationszwecken dienen und beachten Sie, dass die Parameter, die zur Spezifikation der Motorventile verwendet werden, von Hersteller zu Hersteller variieren können. Durch das Verständnis der Spezifikationen sind Käufer besser in der Lage, mit Lieferanten von Motorventilen über ihre spezifischen Bedürfnisse zu diskutieren.
