Schnüffelventil, wechselgesteuert

Bei den ersten Motoren wurde nur das Auslassventil gesteuert, das Einlassventil wurde „automatisch“ durch den Unterdruck des ansaugenden Kolbens geöffnet. Das Schnüffelventil schließt sich am Ende des Ansaugtakts durch eine Feder, das Auslassventil wurde über einen Stößel von einer Nocke betätigt. Motoren mit Schnüffelventilen können konstruktionsbedingt nur sehr geringe Drehzahlen erreichen. Der Daimler-Reitwagen-Motor erreichte 700/min und der De-Dion-Bouton-Motor am Ende seiner Entwicklung 1.500–1.800/min.

Einlass über Auslass, gegengesteuert (IOE)

Beim „Inlet over Exhaust“ (englisch Inlet over Exhaust) „hängt“ das Einlassventil im Zylinderkopf und wird über Stößel, Stoßstange und Kipphebel von einer untenliegenden Nockenwelle angesteuert, das darunter stehend angeordnete Auslassventil über einen Stößel. IOE wird auch als „gegen“ oder „wechselgesteuert“ bezeichnet. Frühe wechselgesteuerte Motoren hatten offenliegende Kipphebel, sodass die Schmierung ein Problem sein konnte. Mit IOE wird im englischen Sprachraum auch das Schnüffelventil bezeichnet, das oberhalb des Auslassventils liegt.

Stehende Ventile (SV)

Stehende Ventile sind eine einfache, heute fast nur noch bei Kleinmotoren in Stromgeneratoren und Rasenmähern übliche Bauweise. Die Nockenwelle schiebt über Stößel die neben dem Zylinder „stehenden“ Ventile in den Zylinderkopf hinein auf. Die Form des Zylinderkopfs nennt man im angelsächsischen Sprachraum „Flathead“ und sie ist seit 1904 bekannt. Der Zylinderkopf ist beim Seitenventiler nur ein einfacher Deckel. Der Zylinderblock ist hingegen komplex, da er neben der Zylinderbohrung auch die Gaskanäle und die Ventilführungen enthält. Bei frühen Ausführungen hat der Brennraum eine ungünstig große Oberfläche. Die Höhe des Brennraums wird durch den Ventilhub bestimmt, die Grundfläche durch die Ventildurchmesser, hinzu kommt ein Teil der Kolbenfläche. Dementsprechend ist diese Art der Ventilsteuerung nur für niedrige Verdichtungsverhältnisse geeignet. Vorteile sind die flache Bauweise des Motors und der einfache Guss des Zylinderkopfes. Viele Motoren kommen ohne Ölpumpe aus, weil alle bewegten Teile vom Ölnebel im Kurbelgehäuse geschmiert werden können. Eine besondere Form des seitengesteuerten Motors ist der T-Kopf-Motor, bei dem Ein- und Auslassventil auf der jeweils gegenüberliegenden Seite angebracht sind. Diese Bauart mit zwei untenliegenden Nockenwellen war am Anfang des 20. Jahrhunderts für leistungsstarke Motoren (zum Beispiel Mercedes, Laurin & Klement, Stutz, American LaFrance) verbreitet, hat aber heute keine Bedeutung mehr.

Walking Beam

Bei der Ventilsteuerung mit „Walking Beam“ betätigt die untenliegende Nockenwelle die seitlich im Zylinderkopf liegenden Ventile über lange Kipphebel. Der Brennraum ist quaderförmig, schmal und hoch, oben mit abgerundeten Ecken. Diese Ventilsteuerung wurde um 1900 erfunden. Am bekanntesten sind die von Fred S. und August S. Duesenberg entwickelten Boots-, Flug- und Fahrzeugmotoren, die zwischen 1910 und 1918 von der Duesenberg Motors Corporation hergestellt wurden. PKW-Motoren wurden bis 1923 von Rochester-Duesenberg und Flugmotoren bis Ende der 1930er Jahre von Lycoming hergestellt. „Walking Beam“ ist die englische Bezeichnung für Balancier.

Hängende Ventile (OHV)

Bei der OHV-Ventilsteuerung (englisch Over Head Valves) „hängen“ alle Ventile im Zylinderkopf, die Nockenwelle liegt im Kurbelgehäuse, bei V-Motoren über der Kurbelwelle. Man spricht auch von „untenliegender Nockenwelle“. Die Ventile werden über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel betätigt. Der Brennraum kann günstig geformt werden. Diese Bauweise war zu Beginn der Massenmotorisierung üblich und ist immer noch verbreitet, von Harley-Davidson über VW Käfer bis zur aktuellen Corvette. Als einer der ersten OHV-Motoren gilt der Pipe-Motor von 1905.

Obenliegende Nockenwelle (OHC)

Bei der OHC-Ventilsteuerung (englisch Over Head Camshaft, auch SOHC – Single Over Head Camshaft) liegt die Nockenwelle im Zylinderkopf und wird entweder durch eine Reihe von Zahnrädern, eine Königswelle, Schubstangen, eine Kette oder einen Zahnriemen angetrieben. Clément-Bayard stellte 1908 eine frühe OHC-Ventilsteuerung an seinem Rennmotor vor. Die Ventile werden über Tassenstößel, Kipp- oder Schlepphebel betätigt. Der rotierende Antrieb zwischen Kurbelwelle und Zylinderkopf vermindert die Trägheit und ermöglicht höhere Drehzahlen. Diese Bauweise ist am weitesten verbreitet, die Variationen sind vielfältig. CIH (Camshaft In Head) ist eine OHC-Variante, bei der sich die Nockenwelle seitlich im Zylinderkopf befindet; Kipphebel sind erforderlich.

Zwei obenliegende Nockenwellen (DOHC)

Bei Double Overhead Camshaft (DOHC) sind zwei Nockenwellen im Zylinderkopf, von denen eine die Einlassventile und die andere die Auslassventile betätigt. Der erste Motor mit zwei obenliegenden Nockenwellen war der Rennmotor von Peugeot aus dem Jahre 1912. Die bewegten Massen sind noch geringer und so noch höhere Drehzahlen möglich, aber auch weniger Verschleiß bei günstig geformtem Brennraum, und die Platzierung von Zündkerzen ist unproblematisch. Beim DOHC-Motor werden die Ventile heute mit Tassenstößeln betätigt. Moderne Rennmotoren sowie Motorradmotoren sind ausschließlich mit DOHC-Ventiltrieb ausgerüstet. DOHC bedeutet nicht automatisch vier Ventile je Brennraum; grundsätzlich können mit der DOHC-Ventilsteuerung auch zwei Ventile je Brennraum betätigt werden (siehe Kawasaki Z1).

Parallele Ventile

Bei einer obenliegenden Nockenwelle werden die parallel (in einer Reihe) hängenden Ventile über Tassenstößel oder Schlepphebel betätigt, bei CIH-Motoren über Stößel und Kipphebel, bei einer untenliegenden Nockenwelle über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel.

V-förmige Anordnung

Bei dieser Ventilanordnung bilden die in einem Winkel zueinander im Zylinderkopf hängenden Ventile ein V. Dies ergibt im Vergleich zu einem Zylinderkopf mit parallel hängenden Ventilen eine günstigere Brennraumform und es können größere Ventildurchmesser verwendet werden. Bei dieser Ventilanordnung liegen in der Regel Ein- und Auslass in einem Querstromzylinderkopf gegenüber oder der Einlass ist „oben“ im Winkel des „V“, etwa beim Motor des BMW 328, bei Peugeot oder den Zwölfzylindermotoren von Lamborghini der 1960er Jahre.

Diese Anordnung kann sowohl für Zweiventil-, als auch für Mehrventil-Motoren verwendet werden; ein solcher Zylinderkopf wird als Vier- oder Fünfventiler (drei Einlassventile) wegen der beiden nebeneinanderliegenden Auslass-Kanäle bevorzugt mit Flüssigkeitskühlung gebaut, da dort lokal eine erhebliche Wärmemenge abgeführt werden muss. Dennoch waren die von Honda und MV Agusta in den 1960er- und 1970er-Jahren im Motorradrennsport eingesetzten Motoren dieser Bauart durchweg luftgekühlt und auch zahlreiche Serienmotoren wie die der Suzuki-GSX-Reihe dieser Zeit haben eine Luftkühlung.

Bei zwei obenliegenden Nockenwellen werden die Ventile meist direkt über Tassenstößel betätigt, seltener über kurze Schlepphebel. Bei einer obenliegenden Nockenwelle in der Mitte am einfachsten über Kipphebel. Bei den britischen Herstellern Triumph und Rover wurden die Einlassventile über Tassenstößel, die Auslassventile über Kipphebel betätigt. In den zweiventiligen Versionen des Arese-V6 von Alfa Romeo wurden die Einlassventile über Tassenstößel betätigt, die Auslassventile über horizontale Tassenstößel, kurze horizontale Stoßstangen und L-förmige Kipphebel über den Ventilen.

Auch bei Motoren mit untenliegenden oder zentral (V- und Boxermotoren) eingebauten Nockenwellen mit Stoßstangen nutzte man die Vorteile dieser Ventilanordnung und nahm den komplexeren Ventiltrieb in Kauf. Die Boxermotoren von BMW und Citroën haben, ähnlich wie die V-Motoren der 1950er Jahre von Lancia schräge Kipphebel, das heißt Kipphebel mit seitlich versetzten Hebelarmen. Die „Vs“ der Ventile und die Kurbelwelle liegen in parallelen Ebenen, das heißt, die Ein- und Auslässe der Zylinder sitzen nicht seitlich, sondern vorn und hinten. Bei Puch-Boxermotoren, Peugeot und den Chrysler Hemi-Motoren sind die Stoßstangen schräg gestellt und treffen in Verlängerung der Zylinderachse auf einander gegenüberliegende Kipphebel. Die Ebene der „Vs“ steht senkrecht zur Kurbelwelle. Eine ähnliche Anordnung der Kipphebel haben Motoren von Fiat (im 1800 und 1500 ff.), aber das „V“ ist zur Einlassseite gekippt. Daher stehen die Stoßstangen steil wie bei Motoren mit parallel hängenden Ventilen und so war der Motorblock auch ursprünglich konzipiert. Beim BMW 328 werden die Einlässe über einfache und die Auslässe über zwei L-förmige, über liegende Stoßstangen verbundene Kipphebel betätigt. Auch hier war der Motorblock mit seitlicher Nockenwelle, Stößeln und Stoßstangen für einen Zylinderkopf mit Kipphebeln und parallel hängenden Ventilen vorgesehen.

Der erste Motor mit Ventilen in V-Anordnung in einem Auto war 1903 der des Rennwagens „Premier Special“ mit einer königswellengetriebenen obenliegenden Nockenwelle und Kipphebeln.

Radiale Anordnung

Bei dieser Ventilanordnung für einen Vierventil-Motor hängen die Ventile der Ein- und Auslassseite nicht jeweils parallel nebeneinander, sondern die Ventile gleicher Funktion sind untereinander in einem Winkel zueinander angeordnet, so dass die Ventilteller keinen dachförmigen Brennraum bilden (wie bei V-förmig hängenden Ventilen), sondern einen annähernd halbkugelförmigen Brennraum. Durch die Möglichkeit, in diesem Winkel zwischen den Auslass-Ventilen einen zusätzlichen Kühlmittel-Kanal anzuordnen, ist der Zylinderkopf bei dieser Bauart thermisch höher belastbar. Außerdem können die Ventilöffnungen bei dieser Ventilanordnung größer sein als bei einem Zylinderkopf mit parallel hängenden Ventilen. Die jeweils schräg zueinander hängenden Ventile werden entweder von einer Nockenwelle mit konisch geschliffenen Nocken betätigt oder es wird eine zweigeteilte Nockenwelle mit einem Kegelradsatz in der Mitte verwendet (Grand-Prix-Rennmotorrad BSA 250). Alternativ werden ebenfalls schräg angeordnete Schlepphebel benutzt; die direkte Betätigung erfordert jeweils eine Nockenwelle für Ein- und Auslassventile (DOHC). Bei Ventilbetätigung über Schlepphebel genügt eine Nockenwelle (zum Beispiel Honda Radial Four Valve Combustion Chamber). Der Pionier dieser Konstruktion war der britische Motorradhersteller Rudge, der bereits in den 1920er-Jahren Motoren mit vollradialer (alle Ventile stehen radial zum Brennraum) und halbradialer (parallel hängende Einlassventile, radial angeordnete Auslassventile) einsetzte (deswegen behaupten böse Zungen, dass die Abkürzung RFVC bei Honda nicht für Radial Four Valve Combustion Chamber stehe, sondern für Rudge Four Valve Copy). Weitere Beispiele: Rolls-Royce Condor, Honda XR 500 R, Honda XL 600, aktuelle Motoren von MV Agusta

Eine Sonderform dieser Ventilanordnung ist der Radial-Diametral-Vierventiler von Ludwig Apfelbeck.

Gegenüberliegende Ventile (T-Kopf)

Der T-Kopf-Motor ist eine frühe Variante des seitengesteuerten Motors, bei dem Ein- und Auslassventile auf einander gegenüberliegenden Seiten des Zylinders angebracht sind. Jede Seite hat in der Regel eine eigene, im Kurbelwellengehäuse untergebrachte Nockenwelle. T-Kopf-Motoren wurden für hohe Leistungen konstruiert und kamen sowohl im frühen Sport- und Rennwagen (u. a. Mercedes, Panhard & Levassor, Hotchkiss, Delahaye, Chadwick, Packard, Mercer) wie auch in Nutzfahrzeugen zur Anwendung. Der Feuerwehrfahrzeughersteller American LaFrance verwendete sie bis 1950. Das Pierce-Motorrad von 1907–1913 hatte einen Vierzylinder-T-Kopf-Motor.

Direkte Betätigung

Bei der direkten Betätigung wird das Ventil direkt durch die obenliegende Nockenwelle geöffnet, geschlossen wird es von der Ventilfeder. Deren Kraft wird übertragen über den Federteller, der von zwei Ventilkeilen gehalten wird, die in eine Ringnut am oberen Ventilschaft eingreifen. Zwischen Nocken und Ventilschaft ist als Übertragungsglied ein Tassenstößel angeordnet, auf dem der Nocken während der Betätigung gleitet. Der Stößel muss die entstehenden Querkräfte vom Ventilschaft fernhalten. Der Stößeldurchmesser ist durch die maximale Stößelgeschwindigkeit festgelegt, die Nockenbreite wird durch die Flächenpressung zwischen Nockenwelle und Stößel bestimmt. Da Nocken und Stößel unter hoher Flächenpressung aufeinander gleiten müssen, ist die Werkstoffpaarung wichtig. Gehärteter Stahl und Grauguss sind gut geeignet. Zur Vermeidung ungleichmäßigen Verschleißes lässt man den Stößel oft um seine Achse drehen. Dazu wird er seitlich gegen die Nockenmitte um 1 bis 4 mm versetzt. Neben starren Stößeln, bei denen das Ventilspiel durch Einlage von Plättchen unterschiedlicher Dicke (1/10-mm-Abstufung) oder Änderungen an Ventil bzw. Ventilsitz eingestellt werden kann, gibt es auch Stößel mit automatischer Spielnachstellung, sogenannte Hydrostößel.

Betätigung über Hebel

Kipphebel sind ein Relikt der Motoren mit untenliegender Nockenwelle, hier wurden sie von Stoßstangen als Übertragungsglied angetrieben. Bei obenliegender Nockenwelle werden sie verwendet, wenn die Ventile im Brennraum V-förmig angeordnet sind. Im Zuge der heute aktuellen Maßnahmen zur Verbesserung des mechanischen Wirkungsgrades werden auch bei DOHC Motoren häufig wieder Schlepphebel eingesetzt, bei denen die Nockenwelle auf einer Rolle abläuft. Dadurch wird die Reibung gegenüber dem Einsatz von Tassenstößeln deutlich verringert. Am Drehpunkt des Kipphebels ergibt sich eine hohe Auflagekraft, so dass die Lagerung besonders steif ausgelegt werden muss. Für das Kipphebelverhältnis i=l₂/l₁ werden im Allgemeinen Werte zwischen 1 und 1,3 angestrebt als Kompromiss zwischen niedriger Flächenpressung am Stößel, geringer bewegter Masse und hoher Steifigkeit. Die Kraft des Kipphebels soll möglichst axial auf den Ventilschaft übertragen werden, um eine Seitenkraft auf den Ventilschaft zu vermeiden. Kipphebel werden meist gegossen oder geschmiedet. Billige Varianten bestehen aus tiefgezogenem Blech, diese sind jedoch weniger steif. Vorteilhaft ist eine Einstellung des Ventilspiels an der ruhenden Hebellagerung, jedoch sitzt die Einstellschraube bei geschmiedeten Hebeln normalerweise gegenüber, wodurch die bewegte Masse des Ventiltriebs zunimmt. Schlepphebel (oder: Schwinghebel) sind wesentlich weniger beansprucht als Kipphebel. Änderungen im Auflagerpunkt haben geringeren Einfluss auf die Kinematik. Beim Schlepphebel ist der Einbau eines hydraulischen Ventilspielausgleichs in die Hebellagerung eine sehr geschickte konstruktive Lösung, die wenig Platz beansprucht, die Gesamtelastizität nur wenig ändert und daher gegenüber anderen Lösungen oft bevorzugt wird.