Einfache und doppelte obenliegende Nockenwellen sind seit Anfang des 20. Jahrhunderts Teil von Motoren für Autos, Schiffe, Motorräder und Flugzeuge.
Zu den frühen Fahrzeugen mit einer einfachen obenliegenden Nockenwelle (SOHC) gehören der 1902 in Großbritannien entworfene Maudslay und der 1903 in Amerika hergestellte Marr Auto Car.
Die doppelte obenliegende Nockenwelle (DOHC) wurde erstmals in einem französischen Peugeot-Fahrzeug eingesetzt, das 1912 den Großen Preis von Frankreich gewann.
Überkopf-Nockenwellenmotoren wurden in vielen Militärflugzeugen während des Ersten Weltkriegs eingesetzt. Viele dieser Motormodelle verwendeten Wellen, um die Nocken anzutreiben. Die heute üblichen, mit Steuerketten angetriebenen Nockenwellen folgten in den 1920er Jahren in Massenautomobilen.
DOHC-Motoren wurden nach dem Zweiten Weltkrieg bei vielen Automarken, einschließlich Fiat und Alfa Romeo, populär. Heute sind Einfach- und Doppel-Überkopf-Nockenwellen-Designs in inländischen und importierten Fahrzeugen weit verbreitet. Lesen Sie weiter, um einen Vergleich von SOHC- und DOHC-Motoren sowie Motoren mit untenliegender Nockenwelle zu sehen.
Der Zweck der Nockenwelle
Moderne Automobilkolbenmotoren verwenden eine oder mehrere Nockenwellen, um die Einlass- und Auslassventile zu betätigen. Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle des Motors über eine Kette oder einen Riemen angetrieben und steuert den Zeitpunkt der Einlass- und Auslassventile.
Diese Ventile führen Luft und Kraftstoff in die Brennkammer ein und leiten das verbrannte Gemisch an das Abgassystem weiter.
Was ist ein SOHC-Motor?
Zunächst einmal sind SOHC- und DOHC-Motormodelle Überkopfventil-Konfigurationen.
Ein Einzel-Nockenwellen-Motor platziert eine Nockenwelle über jeder Zylinderbank. Bei Motoren mit „V“-Design, wie V6 oder V8, werden zwei Nockenwellen verwendet, eine über jeder Zylinderbank. Die Nockenwelle wird von einer Steuerkette oder einem Zahnriemen angetrieben.
Abhängig von der Wahl des Motorkonstrukteurs werden verschiedene Methoden verwendet, um die Ventile von dieser einzelnen Nockenwelle aus zu betätigen. Wenn beispielsweise alle Ventile parallel entlang der Länge des Kopfes angeordnet sind, können die Nocken alle Ventile direkt betätigen. Bei anderen Ventilanordnungen können Kipphebel oder sehr kurze Stoßstangen verwendet werden.
Vorteile von SOHC
Das SOHC-Design bietet mehrere Vorteile im Vergleich zum untenliegenden Nockenwellen-Design:
- Ventile können für optimale Brennraumgestaltung platziert werden. Mehrere Ventile sind möglich, bis zu fünf Ventile pro Brennraum. Doppel-Zündkerzen können ebenfalls verwendet werden. Diese Verbesserungen erhöhen den Luft-Kraftstoff-Durchsatz und die Verbrennungsfähigkeit, was zu mehr Leistung und besserem Kraftstoffverbrauch führen kann.
- Im Motorblock und Zylinderkopf sind keine Durchgänge für Stoßstangen erforderlich. Dies ermöglicht zusätzliche (oder größere) Kühlmittelkanäle in beiden Bereichen, was die Kühleffizienz verbessert. Verbesserte Kühlung, insbesondere im Zylinderkopfbereich, ermöglicht höhere Verdichtungsverhältnisse. Dies kommt sowohl der Leistung als auch dem Kraftstoffverbrauch zugute.
- Der Ventilbetriebsmechanismus, der von der Nockenwelle angetrieben wird, ist einfacher und leichter. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit von Ventilflattern und ermöglicht viel höhere Motordrehzahlen. Höhere Drehzahlen steigern im Allgemeinen die Leistung.
- Der Zugang zu allen Ventilsystemkomponenten, insbesondere der Nockenwelle, ist einfacher. Dies senkt die Reparaturkosten in diesem wichtigen Motorbereich.
Nachteile von SOHC
SOHC-Motoren haben einige Nachteile im Vergleich zu untenliegenden Nockenwellen- und DOHC-Designs:
- Die Motorkomplexität erhöht sich. Dies erhöht die Konstruktions- und Herstellungskosten. Das Gesamtmotorgewicht kann im Vergleich zum untenliegenden Nockenwellen-Design ebenfalls zunehmen. Der Nockenwellenantrieb mit Kette oder Riemen kann Zuverlässigkeits- und Wartungsaspekte mit sich bringen, die bei untenliegenden Nockenwellenmotoren nicht vorhanden sind.
- Der Motor kann größer werden und eine höhere Motorhaube für ausreichend Platz erfordern. Die Zunahme der Motorgröße kann auch das Gewicht erhöhen.
- Variable Ventilsteuerung ändert meist gleichzeitig den Zeitpunkt von Einlass- und Auslassventilen. Dies ist das gleiche Timing-Problem, das bei untenliegenden Nockenwellenmotoren besteht.
Was ist ein DOHC-Motor?
Ein Doppel-Nockenwellen-Motor platziert zwei Nockenwellen über jeder Zylinderreihe. Bei Motoren mit „V“-Design, wie V6 oder V8, werden insgesamt vier Nockenwellen verwendet. Ähnlich wie beim SOHC-Motordesign verwendet DOHC eine Steuerkette oder einen Zahnriemen, um die Nockenwellen anzutreiben.
In den meisten Fällen betätigt bei DOHC- (oder Twin-Cam-) Motoren jeder Nocken die zugehörigen Ventile direkt.
Vorteile von DOHC
DOHC-Motoren teilen die gleichen Vorteile wie das SOHC-Design. Dazu gehören:
- Ventile können für optimale Brennraumanordnung platziert werden. Die Optimierung der Ventilanordnung kann zu Leistung und Kraftstoffeffizienz beitragen.
- Das DOHC-Design verbessert die Kühleffizienz von Motorblock und Zylinderkopf. Höhere Verdichtungsverhältnisse verbessern Leistung und Energieeffizienz.
- Das DOHC-Design bietet den direktesten Ventilbetrieb. Bei Serienfahrzeugen sind maximale Motordrehzahlen von über 8.500 U/min möglich. Rennwagen können mit fortschrittlichen DOHC-Systemen noch höhere Motordrehzahlen erreichen.
- Einfacher Wartungszugang zu Nockenwellen und Stößeln. Dies trägt zur Senkung der gesamten Wartungs- und Reparaturkosten bei.
- DOHC-Motoren nutzen die Vorteile der variablen Ventilsteuerung (VVT) optimal aus. Variable Ventilsteuerung kann für jede Nockenwelle unabhängig arbeiten und optimale Ventilsteuerzeiten für Einlass- und Auslassventile bieten.
Nachteile von DOHC
Ähnlich wie SOHC-Motoren teilt das DOHC-Design die gleichen grundlegenden Nachteile.
- Erhöhte Motorkomplexität und Gewicht im Vergleich zum untenliegenden Nockenwellen-Design. Konstruktions- und Herstellungskosten sind ebenfalls höher. Im Vergleich zum SOHC-Design haben DOHC-Motoren ein komplexeres Ketten- oder Riemenantriebssystem. Dies verringert die allgemeine Zuverlässigkeit und erhöht die Wartungskosten.
- Ähnlich wie beim SOHC-Design neigt die Höhe von DOHC-Motoren dazu, größer zu sein, und das Gesamtgewicht ist tendenziell höher.
Was ist ein untenliegender Nockenwellen-Motor?
Der Großteil der in amerikanischen Autos unmittelbar nach dem Zweiten Weltkrieg gebauten Motoren waren untenliegende Nockenwellen-Modelle. Diese verwendeten eine einzelne Nockenwelle, die im Motorblock untergebracht war. Diese Nockenwelle betätigte die Ventile vieler beliebter Flachkopfmotoren direkt.
Bei leistungsstarken Überkopfventil-(OHV-)Motoren (Motoren mit Ventilen über der Brennkammer) betätigte die Nockenwelle jedes Ventil über ein System aus Hebeln, genannt Stoßstangen und Kipphebel.
Vorteile der untenliegenden Nockenwelle
Die Hauptvorteile eines untenliegenden Nockenwellen-Ventilsystems sind:
- Solche Systeme waren einfach und wirtschaftlich zu entwerfen und herzustellen.
- Sie erwiesen sich als sehr zuverlässig.
- Untenliegende Nockenwellen-Motoren haben eine relativ geringe Gesamthöhe. Dies ermöglicht niedrige Motorhaubenprofile und trägt zu einem stilvollen Karosseriedesign bei.
Nachteile der untenliegenden Nockenwelle
Das untenliegende Nockenwellen-Design hat einige Nachteile, insbesondere bei OHV-Motoren:
- Die Platzierung für Stoßstangen durch den Motorblock und für Kipphebel oben auf dem Zylinderkopf kann die Anordnung anderer Komponenten einschränken oder überlasten.
- Die Geometrie von Stoßstangen und Kipphebeln kann zu ineffizienten Formen und Größen der Brennräume im Zylinderkopf führen.
- Die Masse (oder das Gewicht) des Mechanismus zwischen Nockenwelle und jedem Ventil führt Trägheitseffekte ein und begrenzt die Ventilbetätigungsgeschwindigkeit. Bei sehr hohen Motordrehzahlen, z.B. über 7.000 U/min, schließen die Ventile möglicherweise nicht vollständig. Dies wird als Ventilflattern bezeichnet und begrenzt stets die Motorleistung.
- Stoßstangen erfordern einen Aufwärtsdurchgang durch Motorblock und Zylinderkopf. Solche Durchgänge neigen dazu, die Größe der Kühlbereiche in Motorblock und Zylinderkopf zu begrenzen und die Kühleffizienz zu verringern.
- Variable Ventilsteuerung (VVT), die Leistung und Kraftstoffverbrauch verbessert, ist schwierig unabhängig für Einlass- und Auslassventile bereitzustellen.
Einige der heutigen Hochleistungsmotoren sind immer noch untenliegende Nockenwellen-Designs. Diese Designs können eine Form der variablen Ventilsteuerung beinhalten. Allerdings erfolgen Änderungen der Nockensteuerung gleichzeitig für Einlass- und Auslassventile, da diese Motoren nur eine einzige Nockenwelle haben.
Wie können Sie feststellen, ob Sie SOHC oder DOHC haben?
Im Allgemeinen können Sie dies oft feststellen, indem Sie einfach die Motorhaube öffnen und die Oberseite des Motors betrachten. Ein schmaler, hoher Motoroberteil mit einem deutlichen Wulst vorne für den Nockenantriebszahnkranz deutet normalerweise auf eine darunter liegende SOHC hin.
Ein breiter Motor oder ein Oberteil mit zwei Wülsten weist auf eine DOHC-Konfiguration hin. Im Zweifelsfall können Sie dies klären, indem Sie online nach Marke, Modell, Baujahr und Hubraum Ihres Fahrzeugs suchen.
Können Sie SOHC auf DOHC umrüsten?
Eine solche Änderung vorzunehmen, ist im Allgemeinen sehr kostspielig. Einige Automarken und -modelle haben jedoch ähnliche Motoroptionen in SOHC- und DOHC-Konfigurationen. Einige Honda-Modelle fallen in dieses Muster.
Bei bestimmten Modellen ist es möglich, den SOHC-Zylinderkopf gegen einen DOHC-Zylinderkopf auszutauschen. Und mit entsprechender Neuprogrammierung der Motorsteuerung (ECU) und Änderungen an den Hilfsmotorsystemen (sowie ausgezeichneten DIY-Fähigkeiten) ist ein solcher Übergang sicherlich machbar.