mini|Steuerung der Ventile mit Nockenwelle, schematisch (i. d. R. befindet sich zwischen Nocken und Ventil ein Stößel, s. folgende Bilder) Eine Ventilsteuerung oder ein Ventiltrieb ist ein Mechanismus (Kurvengetriebe), der bei einem Hubkolbenmotor die Ventile und damit den Ladungswechsel durch Öffnen und Schließen der Lufteinlass- und Abgasaustrittskanäle steuert.
Er wird in fast allen Viertaktmotoren verwendet – Ausnahmen wie der Schiebermotor sind selten. In Zweitaktmotoren dagegen werden überwiegend keine Ventile benutzt, außer bei großen Zweitakt-Schiffsdieselmotoren, die Auslassventile haben.
In der Regel wird ein Ventil von einer Nockenwelle (engl. ) über einen Stößel, Schlepphebel oder Kipphebel geöffnet. Die wenigen Ausnahmen sind Pneumatik-, Hydraulik- oder Magnetventile. Geschlossen werden Ventile durch Schraubenfedern, selten durch Drehstabfedern, Gasfedern oder über einen Schließnocken zwangsgesteuert (desmodromisch). Bei frühen hochdrehenden Viertaktmotoren wurden bevorzugt Haarnadelfedern eingesetzt, da die zu jener Zeit verfügbaren Federstähle die Fertigung zuverlässiger Schraubenfedern nicht erlaubten. Haarnadelfedern konnten zur Sicherheit paarweise eingesetzt werden, außerhalb des Zylinderkopfes im kühlenden Luftstrom untergebracht werden (Norton International und Manx) und waren im Fall eines Bruchs einfach ohne weitere Montagearbeiten zu tauschen. Mit der Etablierung neuerer Stahllegierungen setzten sich aber Schraubenfedern flächendeckend durch. Seit den neunziger Jahren werden in hochdrehenden Rennmotoren der Formel 1 pneumatische Schließmechaniken eingesetzt, die eine höhere Eigenfrequenz haben und dadurch schnellere Ventilbewegungen zulassen. Diese Federn benötigen eine Luftpumpe oder – im Renneinsatz üblich – einen für die Dauer eines Rennens dimensionierten Druckluftvorrat.
Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle angetrieben, bei Viertaktmotoren mit einer Übersetzung von 2:1, d. h. die Nockenwelle hat die halbe Drehzahl der Kurbelwelle.
Im Betrieb werden Ventile innerhalb einer Sekunde mehrmals – bei Schiffsdieseln etwa einmal, bei Rennmotoren aber bis zu fünfzigmal – geöffnet und geschlossen, also beschleunigt und wieder zum Stillstand gebracht. Die Bewegungen der Ventile und des Kolbens im Zylinder müssen genau aufeinander abgestimmt sein.
Bauarten Während die Ventile überwiegend einheitlich aufgebaut sind, bestehen wesentliche konstruktive Unterschiede der Ventilanordnung, der Ventilbetätigung, der Nockenwellenanordnung und des Nockenwellenantriebs gängiger Ausführungen.
Grundtypen Grundsätzlich unterschieden wird nach der Anordnung der Ventile und Nockenwellen zum Zylinder.
mini|hochkant|Gegengesteuerter Motor (IOE) mini|hochkant|Stehende Ventile (dunkel) und Kolben (hell), der Zylinderkopf ist entfernt mini|hochkant|Hängende Ventile mit Stoßstangen und Kipphebel mini|hochkant|Zwei obenliegende Nockenwellen mit Tassenstößeln 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“ () „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, lange Zeit 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.Ludwig Apfelbeck: Wege zum Hochleistungs-Viertaktmotor. Motorbuch Verlag, Stuttgart 1978, ISBN 3-87943-578-2, S. 11. Der Zylinderkopf ist beim Seitenventiler nur ein einfacher, bei Wasserkühlung doppelwandiger Deckel. Der Zylinderblock ist hingegen komplexer, 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 und langhubige Motoren 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 () „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 (, auch SOHC – ) 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.Ludwig Apfelbeck: Wege zum Hochleistungs-Viertaktmotor. Motorbuch Verlag, Stuttgart 1978, ISBN 3-87943-578-2, S. 12. 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).
Ventilanordnung Nach Anordnung der Ventile zueinander wird unterschieden zwischen parallel, V-förmig und radial:
Parallele Ventile Parallel (in einer Reihe) hängende Ventile lassen sich mit einer obenliegenden Nockenwelle über Tassenstößel oder Schlepphebel betätigen, bei CIH-Motoren über 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.