Hubkolbenventil

Ein Hubventil ist ein einfaches, aber unverzichtbares Bauteil in Zylinderkopfen, bestehend aus einem Schaft mit einer flachen oder leicht gewölbten Scheibe (dem Kopf), die gegen eine konische Portöffnung sitzt. Im geschlossenen Zustand dichtet die Scheibe die Öffnung gegen Gasverluste ab; im offenen Zustand ermöglicht sie den Durchfluss von Luft, Kraftstoff oder Abgasen. Das Ventil öffnet sich durch Betätigung oder schließt sich unter Federkraft, daher der Name.

In einem Viertaktmotor steuern Hubventile den Durchfluss der Ladeluft in den Zylinder und der Abgase hinaus. Einlassventile sind typischerweise größer als Auslassventile, da die Ladeluft langsamer strömt; Abgas tritt unter höherem Druck und höherer Geschwindigkeit aus. Der Ventilkopfdurchmesser liegt in Automotoren üblicherweise zwischen 30 und 50 Millimetern, der Sitzverlauf ist mit 30 bis 45 Grad angeschliffen. Der Schaftdurchmesser beträgt gewöhnlich 5 bis 8 Millimeter. Das Ventil muss extreme thermische Wechselbelastungen aushalten, Temperaturschwankungen von 400 bis 900 Grad Celsius zwischen Leerlauf und Volllast.

Betätigung und Verschleiß

Eine Nocke auf der Kurbelwelle oder Nockenwelle hebt das Hubventil mechanisch an; eine Feder (meist eine Schraubenfeder, manchmal eine Wellenfeder) drückt es zurück zum Schließen. Moderne Ausführungen nutzen hydraulische oder elektromagnetische Betätigung für variable Ventilsteuerungen. Der häufigste Ausfallmechanismus ist der Ventilsitzverschleiß, bei dem der Kopf schrittweise in den Sitz eindringt statt dicht zu schließen, was Kompressionsverluste und Durchbrennen von Verbrennungsgasen während des Betriebs ermöglicht. Kohlenstoffablagerungen auf der Sitzbahn verhindern auch dichtes Schließen, mindern die Effizienz und ermöglichen Rückzündungen in den Ansaugkrümmer.

Die Werkstoffwahl ist entscheidend. Einlassventile werden oft aus Chrom-Molybdän-Stahl oder Nickel-Chrom-Legierungen gefertigt; Auslassventile benötigen Nickel-Chrom-Kobalt oder sogar Superlegierungen mit Wolfram für Hitzebeständigkeit. Der Sitz wird typischerweise direkt in den Gusseisen- oder Aluminium-Zylinderkopf geschnitten, doch in Aluminiumköpfen kommen austauschbare Stahlsitzeinsätze zum Einsatz, um Verschleiß zu verringern und Instandhaltung zu vereinfachen.

Hubventile konkurrieren mit Schieberventilen (zylindrische Hülsen, die in der Zylinderwand gleiten) und Drehschieber, doch Hubventilkonstruktionen dominieren, weil sie kompakt, kostengünstig herzustellen und mit einer einfachen Feder zuverlässig dicht sind. Sie bleiben der Standard in praktisch allen Benzin- und Dieselmotoren, von kleinen Rasenmähermaschinen bis zu großen Industriekraftwerken.