Einfache und doppelte obenliegende Nockenwellen sind seit Beginn des 20. Jahrhunderts Teil von Automobil-, Schiffs-, Motorrad- und Flugzeugmotoren.
Zu den frühesten Autos mit einer einzigen obenliegenden Nockenwelle (SOHC) gehörten das 1902 nach britischem Design gebaute Maudsley und der 1903 gebaute amerikanische Marr Autocar.
Zwei obenliegende Nockenwellen (DOHC) tauchten in einem französischen Peugeot auf, der 1912 den Großen Preis von Frankreich gewann.
Obenliegende Nockenwellenmotoren zierten eine Reihe von Militärflugzeugen aus dem Ersten Weltkrieg. Viele dieser Motormodelle verwendeten Wellen zum Antrieb der Nocken. Die heutigen, über einen Zahnriemen angetriebenen Nockenwellen folgten in den beliebten Automobilen der 1920er Jahre.
DOHC-Motoren gewannen nach dem Zweiten Weltkrieg für viele Automarken an Popularität, darunter Fiat und Alfa Romeo. Heute verbreiten sich Einzel- und Doppelnockenwellenkonstruktionen in unseren in- und ausländischen Autos. Lesen Sie weiter, um zu sehen, wie sich SOHC- und DOHC-Motoren sowie der Motor mit untenliegender Nockenwelle vergleichen.
Der Zweck der Nockenwelle
Die heutigen Automobilkolbenmotoren verwenden eine oder mehrere Nockenwellen, um die Einlass- und Auslassventile zu betätigen. Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle des Motors mit einer Kette oder einem Riemen angetrieben, der den Zeitpunkt der Einlass- und Auslassventile koordiniert.
Diese Ventile lassen Luft und Kraftstoff in die Brennräume strömen und ermöglichen es dem verbrannten Gemisch, in das Abgassystem auszutreten.
Was ist ein SOHC-Motor?
Zunächst sind SOHC- und DOHC-Motormodelle Konfigurationen mit obenliegenden Ventilen.
Ein Motor mit einer einzigen obenliegenden Nockenwelle verwendet eine Nockenwelle, die sich über jeder Zylinderbank befindet. Bei einem Motor mit V-Konstruktion, wie einem V6 oder V8, gäbe es zwei solcher Nockenwellen, eine über jeder Zylinderbank. Die Nockenwelle würde durch eine Kette oder einen Zahnriemen angetrieben.
Je nach Wahl des Motorkonstrukteurs könnten eine Reihe von Methoden verwendet werden, um die Ventile von dieser einzelnen Nockenwelle aus zu betätigen. Wenn beispielsweise alle Ventile parallel zur Länge des Zylinderkopfes ausgerichtet wären, könnte die Nocke sie alle direkt betätigen. Für andere Ventilanordnungen könnten Kipphebel oder manchmal sehr kurze Stößel verwendet werden.
SOHC-Vorteile
Das SOHC-Design bietet mehrere Vorteile gegenüber dem Design mit untenliegender Nockenwelle:
- Die Ventile können für ein optimales Design der Brennkammer positioniert werden. Mehrere Ventile können verwendet werden; bis zu fünf pro Brennkammer sind möglich. Doppelzündkerzen können ebenfalls verwendet werden. Diese Verbesserungen können den Luft-Kraftstoff-Durchfluss und die Verbrennungsfähigkeiten verbessern, was mehr Leistung und bessere Kraftstoffeffizienz bietet.
- Durchlässe durch den Motorblock und den Zylinderkopf für Stoßstangen sind nicht erforderlich. Beide Bereiche können so zusätzliche (oder größere) Kühlmittelkanäle nutzen, was die Kühleffizienz verbessert. Verbesserte Kühlung, insbesondere in den Bereichen des Zylinderkopfes, kann höhere Verdichtungsverhältnisse ermöglichen. Dies kommt sowohl der Leistung als auch der Kraftstoffeffizienz zugute.
- Der von der Nockenwelle angetriebene Mechanismus zum Öffnen der Ventile kann sowohl einfacher als auch leichter sein. Dies verringert die Möglichkeit von Ventilflattern und ermöglicht viel höhere Motordrehzahlen. Höhere Drehzahlen verbessern im Allgemeinen die Ausgangsleistung.
- Der Zugang zu allen Komponenten des Ventilsystems, insbesondere zur Nockenwelle, ist einfacher. Reparaturen in diesem kritischen Motorbereich wären dann weniger kostspielig.
SOHC-Nachteile
SOHC-Motoren haben einige Nachteile gegenüber Konstruktionen mit untenliegender Nockenwelle sowie DOHC-Konstruktionen:
- Die Komplexität des Motors wird erhöht. Dies fügt zu den Kosten für Design und Herstellung hinzu. Es kann auch eine Gesamtgewichtszunahme des Motors im Vergleich zu Konstruktionen mit untenliegender Nockenwelle geben. Nockenwellenantriebe mit einer Kette oder einem Riemen können Zuverlässigkeits- und Wartungsüberlegungen einführen, die bei Motoren mit untenliegender Nockenwelle nicht üblich sind.
- Der Motor kann größer werden und eine erhöhte Motorhaubenhöhe für den Freiraum erfordern. Aufgrund der erhöhten Motorgröße kann auch das Gewicht zunehmen.
- Die variable Ventilsteuerung ist weitgehend auf Änderungen des Steuerzeiten für Einlass- und Auslassventile gleichzeitig beschränkt. Dies ist das gleiche Timing-Problem, das bei Motoren mit untenliegender Nockenwelle besteht.
Was ist ein DOHC-Motor?
Ein Motor mit doppelter obenliegender Nockenwelle hat zwei Nockenwellen, die sich über jeder Zylinderreihe befinden. Ein Motor mit V-Konstruktion, wie ein V6 oder V8, hätte insgesamt vier Nockenwellen. Wie beim SOHC-Motordesign würde DOHC Steuerketten oder einen Zahnriemen verwenden, um die Nockenwellen anzutreiben.
In den meisten Fällen würde bei einem DOHC-Motor (oder Doppelnockenmotor) jede Nocke ihre zugehörigen Ventile direkt betätigen.
DOHC-Vorteile
DOHC-Motoren teilen die gleichen Vorteile wie SOHC-Konstruktionen. Dazu gehören:
- Die Ventile können für eine optimale Anordnung der Brennkammer positioniert werden. Die Optimierung der Ventilanordnung kann Leistung und Kraftstoffeffizienz zugute kommen.
- Die Kühleffizienz von Motorblock und Zylinderkopf wird durch DOHC-Konstruktionen verbessert. Erhöhte Verdichtungsverhältnisse bieten mehr Leistung und Energieeffizienz.
- DOHC-Konstruktionen bieten den direktesten Ventilbetrieb. Spitzenmotordrehzahlen von 8.500 oder mehr sind für Straßenautos möglich. Rennfahrzeuge können mit fortschrittlichen DOHC-Systemen noch höhere Motordrehzahlen erreichen.
- Der Wartungszugang zu Nockenwellen und Stößeln ist einfacher. Dies kann helfen, die gesamten Wartungs- und Reparaturkosten zu senken.
- DOHC-Motoren bieten die besten Vorteile der variablen Ventilsteuerung (VVT). Die variable Ventilsteuerung kann unabhängig für jede Nockenwelle arbeiten und bietet optimale Ventilsteuerzeiten für Einlass- und Auslassventile.
DOHC-Nachteile
Wie bei SOHC-Motoren teilen DOHC-Konstruktionen die gleichen grundlegenden Nachteile.
- Die Komplexität und das Gewicht des Motors sind im Vergleich zu Konstruktionen mit untenliegender Nockenwelle erhöht. Die Design- und Herstellungskosten sind ebenfalls höher. Im Vergleich zu SOHC-Konstruktionen haben DOHC-Motoren ein komplexeres Ketten- oder Riemenantriebssystem. Dies verringert die allgemeine Zuverlässigkeit und erhöht die Wartungskosten.
- Wie bei SOHC-Konstruktionen ist die Höhe des DOHC-Motors erhöht und das Gesamtgewicht tendiert ebenfalls dazu, höher zu sein.
Was ist ein Motor mit untenliegender Nockenwelle?
Die Mehrheit der Motoren in amerikanischen Autos, die kurz nach dem Zweiten Weltkrieg gebaut wurden, waren Modelle mit untenliegender Nockenwelle. Diese verwendeten eine einzelne Nockenwelle, die sich im Motorblock befand. Diese Nockenwelle betätigte direkt die Ventile mehrerer beliebter Flachkopfmotoren.
Für Hochleistungs-OHV-Motoren (Motoren mit Ventilen über den Brennräumen) betätigte die Nockenwelle jedes Ventil über ein System von Stößeln und Hebeln, genannt Kipphebel.
Vorteile der untenliegenden Nockenwelle
Die Hauptvorteile von Ventilsystemen mit untenliegender Nockenwelle sind:
- Solche Systeme waren einfach und kostengünstig zu entwerfen und herzustellen.
- Sie erwiesen sich als sehr zuverlässig.
- Motoren mit untenliegender Nockenwelle haben eine relativ geringe Gesamthöhe. Dies ermöglicht niedrigere Motorhaubenprofile, die ein Segen für elegante Karosseriedesigns sein können.
Nachteile der untenliegenden Nockenwelle
Konstruktionen mit untenliegender Nockenwelle haben einige Nachteile, insbesondere für OHV-Motoren:
- Die Platzvergabe für Stoßstangen durch den Motorblock und für Kipphebel auf der Oberseite des Zylinderkopfes kann die Platzierung anderer Komponenten diktieren oder überlasten.
- Die Geometrie von Stoßstange und Kipphebel kann ineffiziente Formen und Größen der Brennräume im Zylinderkopf erzwingen.
- Die Masse (oder das Gewicht) des Mechanismus zwischen der Nockenwelle und jedem Ventil führt zu Trägheitseffekten, die die Betriebsgeschwindigkeit der Ventile begrenzen. Bei sehr hohen Motordrehzahlen, zum Beispiel über 7.000 Umdrehungen pro Minute (U/min), können die Ventile möglicherweise nicht vollständig schließen. Dies wird als Ventilflattern bezeichnet, das immer die Motorleistung begrenzen wird.
- Stoßstangen erfordern Durchlässe nach oben durch den Motorblock und die Zylinderköpfe. Solche Durchlässe können die Größe der Kühlbereiche im Motorblock und in den Zylinderköpfen einschränken, was tendenziell die Kühleffizienz beeinträchtigt.
- Die unabhängige variable Ventilsteuerung (VVT), die Leistung und Kraftstoffeffizienz verbessern kann, wäre für Einlass- und Auslassventile schwierig bereitzustellen.
Einige der heutigen Hochleistungsmotoren bleiben Konstruktionen mit untenliegender Nockenwelle. Diese Konstruktionen können eine Form der variablen Ventilsteuerung beinhalten. Allerdings wären die Nockenwellen-Timing-Variationen 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 einfach die Motorhaube Ihres Autos öffnen und die Oberseite des Motors untersuchen. Eine schmale, aber hohe Motoroberseite mit einer deutlichen Beule vorne für den Nockenwellenantrieb zeigt normalerweise an, dass sich darunter ein SOHC verbirgt.
Ein breiter Motor und/oder ein Dach mit zwei Beulen verrät das Vorhandensein einer DOHC-Konfiguration. Im Zweifelsfall sollte eine Online-Suche nach Marke, Modell, Jahr und Hubraum Ihres Autos in dieser Hinsicht Klarheit bringen.
Können Sie SOHC auf DOHC umstellen?
Eine solche Änderung wäre im Allgemeinen extrem teuer. Einige Automarken und -modelle haben jedoch ähnliche Motoroptionen in SOHC- und DOHC-Konfigurationen. Einige Honda-Modelle passen in diese Form.
Für bestimmte Modelle kann ein SOHC-Zylinderkopf durch einen DOHC-Zylinderkopf ersetzt werden. Und mit einer ordnungsgemäßen Neuprogrammierung der Motorsteuereinheit (ECU) und Änderungen an Hilfsmotorsystemen (sowie guten Heimwerkerfähigkeiten) ist ein solcher Übergang sicherlich möglich.