Zylinderkopf

Der Zylinderkopf beherbergt die wesentlichen Steuerelemente für die Gaswechselvorgänge in Verbrennungsmotoren.

Typologie

Verbrennungsmotoren und ihre Zylinderköpfe gliedern sich nach mehreren Kriterien:

• Zweitaktmotoren (ohne Ventile) oder Viertaktmotoren (mit Ventilen).
• Ottomotoren (mit Zündkerzen) oder Dieselmotoren (ohne Zündkerzen).
• Saugmotoren (mit Vergaser) oder Einspritzmotoren (ohne Vergaser).
• untenliegende oder obenliegende Nockenwelle.
• einfache oder doppelte Nockenwelle.

Bestandteile

Schnitt durch einen Zylinderkopf

Je nach Kombination der o.g. Kriterien enthält ein Zylinderkopf:

• Einlassventile: Durch sie wird entweder Luft (bei Einspritzmotoren) oder das vom Vergaser erzeugte Luft-Kraftstoff-Gemisch angesaugt. Da dieses kalt ist, sind die Einlassventile nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt wie die Auslassventile.
• Auslassventile: Durch diese entweicht das Abgas in die Abgasleitung, umgangssprachlich auch Auspuff genannt. Sie sind entsprechend 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 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.
• Zündkerzen: Bei Viertaktmotoren geben diese bei jeder zweiten Kurbelwellen-Umdrehung einen Zündfunken ab. Bei Zweitaktmotoren bei jeder Kurbelwellen-Umdrehung. In Extremsituationen, nämlich im Hochgebirge oberhalb ca. 4000 m, kann es wegen des geringen Luftdrucks sinnvoll sein, die Zündkerzen etwas herauszuschrauben, um das Verdichtungsverhältnis des Motors zu verringern. Eine seltene Sonderform sind gläserne, also durchsichtige Zündkerzen, die ermöglichen, anhand der Farbe der Verbrennung zu beurteilen, inwieweit der Motor intakt und richtig eingestellt ist.
• Einspritzdüsen: Bei Direkt-Einspritzmotoren spritzen sie direkt in den Brennraum und sind entsprechend hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt. Demgegenüber sind sie bei konventionellen Einspritzmotoren durch die Einlassventile vom Brennraum getrennt.

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. Er ist aus diesem Grund oft nicht am Zylinder, sondern direkt am Kurbelwellengehäuse festgeschraubt, mit langen Zugankern bzw. Stehbolzen, die durch entsprechende Bohrungen durch die Zylinder hindurch geführt sind, und spannt den dazwischenliegenden Zylinder so fest ein, dass der Motor trotz elastischer Schwingungen dicht bleibt. Besitzt der Motor einen Motorblock, so wird der Zylinderkopf oft mittels Dehnschrauben befestigt, die nur einmal verwendet werden dürfen. Es ist sehr wichtig, bei der Montage einen Drehmomentenschlüssel zu nehmen, um das vorgeschriebene Anzugsmoment dieser hoch belasteten Schraubenverbindung genau einzuhalten. Auch ist peinlich genau die festgelegte Vorgehensweise bzgl. Verschraubungs-Reihenfolge, Drehmoment-Stufungen und eventueller Kontrollpflicht nach Zeitablauf zu beachten.

Die beweglichen Teile sind zwar in den Ölkreislauf einbezogen, aber der Zylinderkopf ist im allgemeinen nicht massiv mit Öl gefüllt. Zum Schutz gegen Ölaustritt genügt ein einfacher dünnwandiger Zylinderkopfdeckel mit Gummi- oder Korkdichtung.

Bei untenliegender Nockenwelle sind die Kipphebel der Ventile im allgemeinen über Stoßstangen, die parallel zu den Zylindern verlaufen und eine Axialbewegung übertragen, mit der außerhalb des Zylinderkopfes gelegenen Nockenwelle verbunden. Obenliegende Nockenwellen werden nicht immer durch eine Steuerkette oder Zahnriemen angetrieben, es gibt als Alternative auch am Zylinder längslaufende Wellen mit Kegelradantrieben, genannt Königswellen.

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 bereits nicht mehr Stand der Technik, auch wenn sie vereinzelt (Russland, China) noch neu gebaut werden.

Zylinderköpfe von Schiffsmaschinen sind meist mit einer Galerie umgeben, um bequem daran arbeiten zu können, und mit den nötigen Druck- und Temperatursensoren ausgestattet, die die Zylinderköpfe in das Informationssystem einbinden, mit dem die Maschine vom PC aus per Mausklick überwacht und gesteuert wird.

Typische Arbeiten am Zylinderkopf

• Überprüfen der Zündkerzen: Reinigen, Elektrodenabstand püfen, Farbe prüfen. Die Farbe muss hellbraun sein. Hellgrau bis weiß deutet auf ein zu mageres Gemisch hin, schwarz und rußig auf ein zu fettes.
• Ventilspiel einstellen: Entweder mit entsprechenden Einstellschrauben oder mit Passteilen.
• Ventile einschleifen (nur selten nötig, nur bei altem, verschlissenem Motor).
• Erneuern der Zylinderkopfdichtung.
• Erneuern des Kettenspanners der Steuerkette.
• Kompressionsprüfung: Anstelle der Zündkerze wird eine Druckmessvorrichtung eingesetzt. Damit lässt sich beurteilen, inwieweit der Zylinder verschlissen ist und beispielsweise ein Übermaßkolben nötig wird, um ihn wieder dicht zu bekommen. Eine Kompressionsprüfung kann beim Kauf eines alten Gebrauchtfahrzeugs sinnvoll sein.