Leistungssteigerung: Wie Hochhub-Nockenwellen mit hydraulischen Stößeln interagieren

Der Gedanke, eine Hochleistungs-Nockenwelle einzubauen, ist durchaus verlockend: Höhere Leistung, beeindruckende Motorleistung und vor allem eine deutliche Steigerung der Motorleistung. Häufig liegt der Schwerpunkt klar auf den Werten für Hub und Dauer – also den Parametern, die bestimmen, wie weit die Ventile öffnen und wie lange sie geöffnet bleiben. Dennoch sollte man die Kombination aus aggressiven Profilen – insbesondere Hochhub-Designs – und Standard-Hydraulikstößeln mit Vorsicht angehen. Es ist entscheidend zu verstehen, wie man das Upgrade erfolgreich und zuverlässig umsetzen kann.

Grundlagen zu Nockenwellen-Hub und -Dauer in Hochleistungsmotoren

Einfach ausgedrückt ist eine Nockenwelle dafür verantwortlich, die Ventile des Motors zu öffnen und zu schließen. Der Hub ist die maximale Strecke, die das Ventil zurücklegt, wenn der Nockenroller es öffnet. Der Hub steht zudem in direktem Zusammenhang mit der Menge der Luft/Kraftstoff-Mischung, die in den Zylinder ein- und austritt, sowie mit der Abgasentleerung aus dem Zylinder. Die Dauer beschreibt die Zeit (in Kurbelwellen-Grad), in der das Ventil von seiner Sitzfläche gelöst bleibt. Im Vergleich zu Serienprofilen erhöhen leistungsorientierte Nockenwellen mit aggressivem Design den Hub und die Dauer.

Je größer der Hub, desto mehr Luft kann hindurchströmen. Dies ist insbesondere bei hohen Drehzahlen vorteilhaft, bei denen der Motor stark atmet. Eine längere Öffnungszeit, besonders Überlappung (kurzzeitiges gleichzeitiges Öffnen von Einlass- und Auslassventil) verbessert das Spülen des Zylinders, wodurch Abgase besser ausgetrieben und frische Ladung angesaugt wird. Diese Kombination steigert die Leistung und das Drehmoment und beeinflusst zudem die Anforderungen an die Steuertriebe.

Vereinbarkeit Herausforderungen: Kombination von Leistungs-Nockenwellen mit Hydraulikstößeln

Der selbstjustierende Aspekt von hydraulischen Stößeln macht sie beliebt, da sie keine häufigen Einstellungen des Ventilspiels erfordern, leise sind und keine wiederholten Einstellungen des Ventilspiels benötigen. Sie enthalten einen kleinen Kolben und eine Feder in Motoröl und nutzen den Öl druck, um automatisch Abstände zwischen dem Stößel und den Ventiltriebteilen auszugleichen.

Dieser Mechanismus wird zum Problem bei Hochhub- und Langzeit-Nockenwellen:

1. Stößel-"Pump-Up": Bei sehr schneller Betätigung kann der Öffnungs-/Schließzyklus dazu führen, dass sich der innere Kolben des Stößels aufpumpt. Der Öl druck drückt ihn leicht über seine normale Arbeitsposition hinaus, wodurch das Ventil effektiv länger und höher geöffnet bleibt, als es sollte, und zwar mit geringerem Druck. Dies führt dazu, dass:

• Die Ventile bei hohen Drehzahlen nicht mehr dichten (Leistungsverlust).
• Möglicher Kontakt zwischen Ventilfläche und Kolben (katastrophaler Motorschaden).

2. Zusammenbruch unter hohem Federdruck: Leistungsstarke Nockenwellen erfordern deutlich härtere Ventilfedern, um einen hohen Schließdruck zu erzielen und ein Ventilflattern zu vermeiden (verursacht durch die Unfähigkeit der Feder, sicherzustellen, dass der Ventiltrieb mit der Nockenwelle in Kontakt bleibt). Diese Federkraft kann die interne Feder des Stößels überwinden, wodurch der Stössel etwas zusammenfällt. Dies mindert die Leistung, indem der effektive Hub und die Dauer der Nockenwelle reduziert werden.

3. Grenzwert des Abfallvermögens (Bleed-Down Rate): Die Geschwindigkeit, mit der das Öl den Druck verändern kann, hängt davon ab, wie schnell es aus der inneren Kammer des Stößels entweicht. Standard-Stössel können die Ventile zu langsam entlasten, um der schnellen Steuerung durch Hochleistungs-Nockenwellen gerecht zu werden, was zudem zu einem Pump-Up-Effekt führt. Umgekehrt weisen Stössel, die für höhere Drehzahlen konzipiert sind, oft schnellere Abfallraten auf, können aber lauter sein.

4. Drehzahlgrenze: Alle hydraulischen Stößel weisen im Vergleich zu festen Stößeln eine untere natürliche Grenze (für einen zuverlässigen Lauf) bei maximaler Drehzahl auf, und zwar solange, bis Motormodifikationen vorgenommen werden, um die physikalischen Eigenschaften der Ölsäule innerhalb der Stößel zu kompensieren. Manchmal kann ein Profil mit hohem Hub die Motoren dazu veranlassen, im Drehzahlbereich zu laufen, in dem normale hydraulische Stößel nicht mehr funktionieren.

Unterstützung Modifikationen: Federn, Ventildeckel und Ölsystem-Anpassungen

Der Schlüssel für einen gleichmäßig laufenden Nocken mit hohem Hub, der zusammen mit hydraulischen Stößeln verwendet wird, besteht darin, sorgfältige zusätzliche Anpassungen vorzunehmen:

1. Hochwertige Ventilfedern: Hier gibt es keine Kompromisse. Hoher Anpressdruck und Öffnungsdruck sind bei Leistungsfedern mit deutlich höheren Werten erforderlich. Sie müssen bei hohen Drehzahlen heftig auf dem Ventiltrieb arbeiten, ohne zu flattern, und die Stößel nicht zu sehr zusammenpressen. Selbst die Federschwingungen werden dabei kritisch.

2. Hochfeste Ventildeckel: Die Federn können durch die erheblichen Kräfte frustriert werden, die von den steifen Federn und hohen Drehzahlen ausgeübt werden, wie sie von den serienmäßigen Federschellen begrenzt werden. Sichere, robuste und hochfeste Federschellen (typischerweise aus Titan oder hochwertigem Stahl) sind eine Voraussetzung für Sicherheit und Zuverlässigkeit.

3. Überlegungen zum Ölsystem: Motoröl ist die Lebensader hydraulischer Stößel.

• Stabile Öldruckversorgung: Der Öldruck muss ausreichend und über den gesamten Arbeitsbereich hinweg konstant sein. Die Ölpumpen müssen möglicherweise aufgerüstet werden oder Modifikationen an Druckbegrenzungsventilen erforderlich sein.
• Ölviskosität: Die richtige Ölviskosität muss ausgewählt werden. Schwere Öle können eine Überpumpung verursachen, während leichtere Öle zu dünn sein können, um ausreichend abzupuffern, und dadurch Verschleiß oder Geräusche verursachen können. Überprüfen Sie die Empfehlungen für Nockenwelle und Stößel. Hochwertige synthetische Öle sind in der Regel beliebt.
• Stößelauswahl: Machen Sie sich keine Sorgen um Markennamen, aber wissen Sie, dass es erhebliche Unterschiede in der Qualität der Hydraulikstößel gibt. Serienmäßige Stößel können absolut nicht verwendet werden und müssen durch spezielle Hochleistungsstößel ersetzt werden, deren innere Ölaustrittsverhältnisse verändert wurden und deren Bauteile gehärtet sind. Diese wurden entwickelt, um Pump-up und das Zusammenbrechen unter der Spannung eines aggressiven Nockenwellenprofils besser standzuhalten.

Die Ausnahme

Nockenwellen mit hoher Hebelwirkung versprechen große Leistungsvorteile, wobei Ingenieure sich der damit verbundenen Herausforderungen bewusst sind. Dennoch ergeben sich Leistungskomplikationen durch das Zusammenspiel von Nockenwellen mit hoher Hebelwirkung und Hydraulikstößeln. Pump-up und Zusammenbruch sind mögliche Risiken, die zu Leistungsverlusten oder schwerwiegenden Motorschäden führen können. Eine zuverlässige Leistung kann nur erreicht werden, indem mehr unternommen wird als lediglich den Nocken zu wechseln. Es ist entscheidend, in perfekt abgestimmte, hochfeste Ventilfedern, robuste Federnscheiben, eine sorgfältige Steuerung des Ölsystems (Druck und Viskosität) sowie Stößel zu investieren, die für den Hochleistungsbereich geeignet sind. Verstehen Sie die physikalischen Grundlagen und finden Sie Lösungen für diese wesentlichen Anpassungen, dann können Sie die Vorteile einer Nockenwelle mit hoher Hebelwirkung nutzen und dennoch die Vorteile von Hydraulikstößeln beibehalten.