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Profiwissen: Dichtung und Wahrheit

 Von außen massiv und stämmig, von innen so löchrig wie ein Schweizer Käse: Der Zylinderkopf schließt das Kurbelgehäuse nach oben ab. Die Dichtung verhindert, dass Verbrennungsgase austreten und Motoröl in Kontakt mit Kühlflüssigkeit kommt.

Der Zylinderkopf bildet den Abschluss von Kurbelgehäuse und Brennraum nach oben, während die Ölwanne den Motor nach unten abschließt. Im Grunde stellt er nichts anderes als den Deckel des Motorblocks dar. Sein Innenleben ist mit fortschreitender Motorentechnologie inzwischen hoch komplex geworden.

Zylinderkopf: Aufwendig herzustellen

Angesichts einer Ventilsteuerung und einem Einspritzverfahren auf dem Stand der Technik gehört der Zylinderkopf zu einem der am aufwendigsten herzustellenden Motorteile. Durchzogen von Kanälen für Schmierung und Kühlung  sind in ihm unter anderem die Ventile für die Gaswechselvorgänge, die Ventilbetätigung mit Steuerrädern, Kipphebel und Kipphebellager-Block, das Einspritzsystem und – je nach Bauart – die Nockenwellen untergebracht.

Zusammen mit den Motorkolben bildet der Zylinderkopf die jeweilige Brennraumform. Grundsätzlich kommen Zylinderköpfe in zwei Bauarten zum Einsatz. So trägt beispielsweise der  Reihensechszylinder OM 471 mit 421 bis 510 PS von Mercedes einen einteiligen Zylinderkopf mit zwei oben liegenden Nockenwellen. Die einteilige Bauweise verspricht mehr Steifigkeit für den gesamten Motor. Hingegen ist beispielsweise der 16,16 Liter große V8-Motor von MAN mit Einzelzylinderköpfen ausgerüstet. Ihre jeweils sechs Schrauben sollen eine gleichmäßige Verteilung um den Brennraum bei gleichzeitig kompakter Anordnung der Zylinderköpfe nebeneinander gewährleisten. Die steif ausgeführten, hohen Zylinderkopfwände nutzen die Schraubenkraft optimal für die Abdichtung hoher Zünddrücke. Zylinderkopf und Kurbelgehäuseblock werden anhand speziell gestalteter Kanäle für Motoröl und Kühlmittel parallel durchströmt.

Zylinderköpfeaus Grauguss

Werkstoff für die Zylinderköpfe größerer Lkw-Motoren ist in der Regel Grauguss. In kleineren Motoren kommen Zylinderköpfe aus Aluminium zum Einsatz. Ein Vorteil dabei ist nicht nur die Gewichtsersparnis, sondern auch die bessere Wärmeleitfähigkeit von Aluminium. Deshalb gibt Aluminium die extreme Erwärmung durch den Brennraum schneller an das Kühlwasser im Motor ab. Für die Gusstechnik bei der Herstellung stellt der Zylinderkopf eine enorme Herausforderung dar. Zu dem Netz von Kühl- und Schmierkanälen kommen  Einlass- und Auslasskanäle sowie die Befestigungslöcher für Krümmer, Ventil- und Stößelführungen.

Auch die sehr dünnen Kanäle müssen eine verhältnismäßig hohe Stabilität aufweisen. Nur so lässt sich vermeiden, dass im Lauf der Zeit bei höheren Laufleistungen Haarrisse auftreten. Dabei kommt es auf das richtige Verhältnis von Wandstärke und Kanaldurchmesser an.

Spezielle Herstellungsverfahren setzen die Motorenhersteller  für die Nocken und Wellen im Zylinderkopf ein. In modernen Nutzfahrzeugmotoren sorgen inzwischen zwei Nockenwellen für einen optimalen Gaswechsel. Wurden sie früher aus einem Stück gefräst, werden sie mittlerweile „gebaut“. Damit gemeint ist, dass Welle und Nocken getrennt produziert werden. Die Wellen neuerer Motoren sind in der Regel innen hohl, die Nocken werden auf die Welle aufgeschrumpft. Die Vorteile dieses Vorgehens liegen auf der Hand: weniger Gewicht und geringere Herstellungskosten.

Herausforderung für Motorenbauer

Eine Herausforderung für die Motorbauer sind aber auch die Lagerstellen der Nockenwellen im Zylinderkopf. Bei jeder Öffnung eines Ventils muss der jeweilige Nocken eine Federkraft von mehr als 25 Kilogramm überwinden. Soll vorzeitiger Verschleiß des Zylinderkopfs verhindert werden, müssen die Lagerstellen daher aufwendig bearbeitet werden.

Ähnliches gilt für die Verschraubung des Zylinderkopfes. Dabei kommen lange Stehbolzen zum Einsatz, die durch Bohrungen im Motorblock hindurchgeführt sind. Je nach Motor können bei der Verbrennung  Druckspitzen locker bis über 150 bar betragen. Sollte die Verschraubung zu schwach zu sein, wird der Zylinderkopf einfach abgesprengt.
Die Zylinderkopfdichtung verbindet das Kurbelgehäuse mit dem Zylinderkopf. Die Leistung eines Motors hängt entscheidend von diesem Bauteil ab, da es die Kraftverteilung und damit die Belastbarkeit des Motorblocks festlegt. Aufgabe der Zylinderkopfdichtung ist, den Brennraum sowie Öl- und Kühlflüssigkeitskanäle abzudichten.

Zylinderkopfdichtung schützt vor Motorschäden

Bricht die Zylinderkopfdichtung, folgen in der Regel kapitale Motorschäden. Eine defekte Zylinderkopfdichtung äußert sich durch unterschiedliche Symptome. Im besten Fall gelangen Verbrennungsgase in den Kühlkreislauf und verringern dann die Wärmekapazität des Kühlwassers. Es folgt eine Überhitzung des Motors.

Tritt Motoröl in den Kühlkreislauf des Motors ein, besteht die Gefahr, dass Kapillare, gemeint sind sehr dünne Kühlkanäle, verstopfen. Gelangt Kühlwasser in den Verbrennungsraum des Motors, droht ein sogenannter Wasserschlag. Das ist ein mechanischer Stoß, der beim plötzlichen Auftreffen von Wasser auf heiße Motorteile entsteht und die Motorkolben zerstört. Da heutige Zylinderköpfe extrem steif ausgelegt sind, kommen in der Regel auch größere Motoren inzwischen mit einer einlagigen Dichtung aus. Einen Durchtritt von Kühlmittel und Motoröl verhindern dabei sogenannte Elastomerlippen an den Dichtungen.

Zylinderköpfe: Unterschiedliche Bauformen

Die Motorenbauer unterscheiden bei Zylinderköpfen zwei unterschiedliche Bauformen. In der Gaswechseltechnik werden sie als Gegenstrom- und Querstrom-Zylinderkopf bezeichnet. Im Gegenstrom-Zylinderkopf münden Ansaug- und Abgaskanal am Zylinderkopf auf derselben Seite. Diese Anordnung schränkt zwar den Bauraum für die Luft- und Abgasleitungsführung ein, ermöglicht jedoch extrem kurze Gaswege – ein Vorteil, der besonders bei aufgeladenen Motoren zum Tragen kommt. Selbst wenn der Motor quer ins Fahrzeug eingebaut ist, lassen sich bei dieser Bauform die Kanäle besser verlegen.

Im Querstrom-Zylinderkopf liegen Ansaug- und Abgaskanal auf den jeweils gegenüberliegenden Zylinderkopfseiten. Diese Anordnung bietet einen größeren Spielraum bei der Führung von Abgas- und Ansaugkanal und bringt Vorteile für die Abdichtung.

Andreas Wolf lastauto omnibus

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Datum

10. Juni 2013
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