Der Zylinderkopf zählt zu den kompliziertesten Gussteilen am Kraftfahrzeug. Ein- und Auslasskanäle für bis zu fünf Ventile, Hohlräume für die Motorsteuerung, das Kühlsystem, Steuerketten und evtl. Einzelfunkenspulen, Bohrungen für Schmier- und vereinzelt sogar Dieselkraftstoff und der obere Teil des Brennraumes muss in einem Bauteil vereinigt werden. Dieses sollte zusätzlich eine gute Wärmeleitfähigkeit, Formstabilität und eine geringe Wärmedehnung haben. Besonders beim Dieselmotor soll er hohe Drücke aushalten. Bei nassen Laufbuchsen oder bei luftgekühlten Motoren sorgt er auch noch für die nötige Spannung des Zylinders im Kurbelgehäuse.

Der Reihenmotor und der 15°- bzw. 10,6°-VR-Motor brauchen im Prinzip nur einen Zylinderkopf. Alle anderen Bauformen haben zwei. Motoren mit mehr als zwei Zylinderköpfen gab es in der Kfz-Geschichte bei den Sternmotoren. Bei Nutzfahrzeugen und noch stärkeren Dieselmotoren gibt es sogar Zylinderköpfe für jeden einzelnen Zylinder. Bei mehr als einer Zylinderbank verdoppelt sich auch die Anzahl von Nockenwelle(n). In aller Regel aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, dichtet er den Brennraum nach oben hin ab. Hier entsteht während des Verbrennungsprozesses die meiste Wärme. Sie muss durch nahe Kühlkanäle abgeführt werden.

Bis auf die geringe Wärmedehnung erfüllt Aluminium die Anforderungen an den Zylinderkopf. Die Bewegungen gegenüber dem Zylinderblock bei Erwärmung müssen durch die Kopfdichtung und die Befestigung ausgeglichen werden.
Bei Überhitzung (z.B. durch Ausfall des Kühlsystems) kann sich der Zylinderkopf verziehen und undicht werden. Geringer Verzug von deutlich unter 0,5 Millimeter wird durch entsprechendes Schleifen (Planen) ausgeglichen. Entsprechend der Materialabnahme muss eine dickere Zylinderkopfdichtung eingebaut werden.

Einer der beiden Zylinderköpfe
des Porsche-911-Motors
mit Einzelfunkenspulen und
Einspritzanlage

Um eine Verspannung des Zylinderkopfes zu vermeiden, muss beim Anziehen (und eigentlich auch beim Losdrehen) der Schrauben eine bestimmte Reihenfolge unbedingt eingehalten werden. Im Prinzip soll der Zylinderkopf in der Mitte zuerst und dann nach außen hin langsam festgezogen werden. Mancher Hersteller verdeutlicht das durch eine Spirale, in der die einzelnen Schraubenköpfe in Anzugsreihenfolge angeordnet sind. Natürlich müssen auch das Drehmoment und ein eventueller Drehwinkel am Ende genauestens beachtet werden. Übertriebenes Anziehen kann u.a. sogar zu einer Verspannung des Zylinderblocks und zum Klappern der Kolben führen, auch wenn dieser aus Grauguss hergestellt ist.

Zunächst einmal handelt es sich hier offensichtlich um einen aufgeschnittenen Zylinderkopf mit obenliegender Nockenwelle und je zwei Ventilen pro Zylinder. Die Nockenwelle selbst besteht aus einem Rohr mit Nocken, deren Lage durch Löten fixiert wurde. Sie steuert über Schlepphebel die Ventile an. Dabei wechselt jedes Mal der Drehpunkt der Schlepphebel. Dieser Drehpunkt wird von einem kleinen Hydrostößel gebildet. Vom vordersten Ventil ist nur noch dieser und die Schaftabdichtung übrig geblieben.

Die Auslegung eines Zylinderkopfs hängt zunächst einmal von der Lage des Motors im Fahrzeug, genauer gesagt vom Platz oberhalb des Zylinderkopfs ab. Noch einfacher ausgedrückt: Können z.B. die Ansaugrohre nach einem unvermeidlichen Knick vorbei am jeweiligen Einlassventil möglichst grade weiter geführt werden oder ist ein weiterer, möglichst großzügiger Bogen unvermeidlich.

Wir haben schon an anderer Stelle darauf hingewiesen, dass die Vorgänge rund um den Ladungswechsel keinesfalls nur statisch betrachtet werden dürfen. Denn das würde bedeuten, der von UT nach OT gehende Kolben schiebt die Altgase hinaus und holt im Gegenzug die Frischgase herein. Wenn wir allerdings die dynamische Seite betrachten, lassen wir im Folgenden Effekte außen vor, die sich durch das Zusammenspiel mehrerer Zylinder einstellen.

Bei einem optimalen Austausch der Alt- durch Frischgase wird versucht, den Zylinderraum (V_h + V_c) so aufzuladen, dass am Ende mehr Frischgas enthalten ist, als nach dem reinen Rauminhalt hineinpassen würde. Wohlgemerkt, wir reden hier weder von Aufladung durch Kompressor oder Turbolader, noch von der sogenannten dynamischen Aufladung, die z.B. Resonanzen im Ansaugrohr nutzt.

Dazu ist es sinnvoll, sich die Vorgänge rund um den Ein- und Auslassnocken, die beiden klassischen, zentralen Steuerelemente eines Verbrennungsmotors anzuschauen. Da diesen Vorgängen beim Benzinmotor vielleicht noch etwas mehr Bedeutung zukommt als beim Diesel, werden wir uns auf den Benziner beschränken. Ob dabei reine Luft angesaugt wird (Direkteinspritzer) oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, ist erst einmal zweitrangig.

Neben der Höhe des Ventilhubs ist der Verlauf des Nockens von großer Bedeutung. Schon Keith Duckworth von der Fa. Cosworth , dem später einer der meist verbreiteten F1-Rennmotoren gelang, hat bei seinen ersten Arbeiten zur Leistungserhöhung sehr mit diesen Problemen gerungen. Nachträglich hat er viel Gelesenes verworfen und eigene Überlegungen angestellt und in der Praxis (z.B. am Leistungsprüfstand) erprobt. Wenn später so renommierte Firmen wie Mercedes sich bei ihm Rat geholt haben, können die Ergebnisse seiner Arbeit nicht so schlecht gewesen sein.

Wenn also ein Nocken ein Ventil öffnet, dann tut er das zunächst einmal über eine 'Rampe'. Die erste Nockenerhebung ist also keineswegs besonders stark, weil sonst die Öffnungsbeschleunigung des Ventils unzulässig hohe Werte erreichen würde. Früher diente sie gleichzeitig dazu, das Ventilspiel zu überwinden, was heute praktisch nur noch bei Motorrad- und Lkw-Motoren vorkommt. Man nennt diesen ersten Teil des Anstiegs auch 'Vornocken'.

Der Partner des Nockens, z.B. ein Tassenstößel, wird auch Nockenfolger genannt. Sychrone Bewegungen mit dem Nocken werden durch eine oder zwei Federn erzwungen. Selten gibt es auch Zwangssteuerungen. Ein Nocken kann mehr als ein Ventil steuern, z.B. bei Gabelhebeln des gleichen Zylinders oder zu verschiedenen Seiten verschiedene Zylinder. Berühmtes Beispiel dafür ist der VW-Käfer. Seltener wurde die Möglichkeit genutzt, mit einem Nocken Ein- und Auslassventil zu betätigen.

Die Steuerzeiten bilden immer noch das Herz des Motormanagements, daran zu erkennen, dass inzwischen sogar die allermeisten Motoren mit Aufladung in Vierventiltechnik betrieben werden. Allerdings erfordert das rein mechanische Öffnen und Schließen von Ventilen viel Augenmerk, sogar bei der Erfüllung von CO₂-Vorschriften. Hier hat sich Roll- gegenüber Gleitreibung weitestgehend durchgesetzt. Die rein elektrische Betätigung von Ventilen scheint vorerst vom Tisch zu sein.

Wenn Sie so wollen, ist das oben die alte Welt der Lkw-Motoren, erkennbar z.B. auch an der Reihen-Einspritzpumpe. Hier herrschen, genau wie beim V8 ganz oben, noch Einzelzylinderköpfe vor. Deren Herstellung ist zwar teurer und der Motor schwerer, aber man kann einzelne austauschen oder bearbeiten.

Bei der kleinen Motorrevision (Video unten) konnte dieser im günstigsten Fall, wenn z.B. die Ölwanne abnehmbar war, sogar eingebaut bleiben und man hat trotzdem einzelne Kolben mit Nasslaufbuchsen erneuert. Der Kurbeltrieb hielt auch die neuen Kolben aus. In Zeiten von 200 bar und mehr Spitzendruck wird das nicht mehr so einfach sein.

Die einzelnen Zylinderköpfe sind auf dem Rückzug. Wegen dem Verschwinden der Achtzylinder ohnehin, aber auch, weil Lkw-Motoren zunehmend mit obenliegenden Nockenwellen ausgerüstet werden. Der Reihen-Sechser mit dem daraus folgenden, geringen Gewicht und z.B. auch einer besseren Führung von Kühlmittel ist führend.

Früher hat man die Ventilsitze und -führungen von Hand nachgearbeitet. Hier wird das von einer Maschine erledigt, die wohl auch z.T. in der Produktion eingesetzt wird. Sie verfügt über sehr viel Bewegungsfreiheit und kann wohl fast jeden Winkel zum Zylinderkopf einnehmen.

Auf dem Bild oben ist die Vorbereitung für das Fräsen der Ventilsitze zu sehen. Zu diesem Zweck hat die Ventilführung zusätzlich einen Führungsschaft (Pilot). Es ist ein 45°-Drehmeißel aufgespannt, der zunächst den Ventilsitz herstellt. Die endgültige Breite wird durch das Fräsen der 75°- und 30°- bzw. 15°-Korrekturwinkel eingestellt. Fräsen am Korrekturwinkel bedeutet einen schmaleren Ventilsitz, am Ventilsitz selbst einen breiteren Sitz. In der Regel gibt man wegen der besseren Wärmeabfuhr dem/den Auslassventil(en) den breiteren Ventilsitz. Anschließend kann das neue Ventil noch mit Schleifpaste gegen den Sitz hin- und hergedreht werden.

Seitdem es nur noch Leichtmetall-Zylinderköpfe gibt und der Kraftstoff fast bleifrei wurde, gibt es eingepresste Ventilsitze, die im Falle von zu viel Verschleiß auch ausgetauscht werden können. Der Einbau der neuen ist wohl schwieriger als die alten ohne Beschädigungen am Brennraum zu entfernen. Denn die neuen werden meist abgekühlt und im erwärmten Zylinderkopf eingeschrumpft. Hierbei ist auf festen Sitz zu achten.

Der Führungsschaft ist nur sinnvoll, wenn er ohne Spiel passt. Deshalb sollte als erstes die Ventilführung mit dem möglicherweise neuen Ventil auf seitliches Spiel untersucht werden. Auch diese kann durch Aus-/Einpressen erneuert werden. Allerdings ändert sich dadurch der Innendurchmesser, der dann mit Reibahlen auf das vorgeschriebene Maß gebracht werden muss.

Die Beurteilung von Zylinderköpfen beginnt eigentlich im eingebauten Zustand.

Bei Verdacht auf Undichtigkeiten sollte man in der richtigen Reihenfolge folgende Prüfungen durchführen:

- Kompressionstest (Starterstrom)
- Kompressionstest (Druckmessung)
- Druckverlusttest

Eine Demontage ist erst dann erforderlich, wenn eindeutig erwiesen ist, dass eine Verbindung zwischen Verbrennungsraum, Einlass-, Auslass-, Kühlmittel-, Ölraum oder Außenwelt besteht.

Nach der Demontage kann man aufgrund der vorherigen Prüfungen gezielt nach einem Fehler suchen. Wichtig ist zunächst die Prüfung der Zylinderkopffläche mit dem Haarlineal auf Ebenheit. Problemlösung ist hier das Planen. Auch die genaue Betrachtung der Fläche und der Zylinderkopfdichtung kann bei der Suche nach Rissen und/oder evtl. Verbindungen helfen. Risse findet man eher dort, wo im Prinzip zu wenig Material ist, z.B. zwischen den Ein-/Auslasskanälen und der Bohrung für die Zündkerze. Für solche Defekte gibt es Spezialisten, die hier nicht nur durch Schweißen Verbindungen herstellen, sondern auch neues Material aufbringen können. Voraussetzung dafür ist - besonders bei alten Zylinderköpfen aus Gusseisen- eine vorhergehende langsame und gleichmäßige Erwärmung des gesamten Zylinderkopfes. Das lohnt sich nur bei sehr teuren oder nicht mehr beschaffbaren Ersatzteilen.
Neben möglichen Rissen und Unebenheiten kann auch das bloße Aussehen bestimmter Teile des Zylinderkopfs wichtige Erkenntnisse bringen. Ist z.B. besonders das Auslassventil eines Zylinders und seine unmittelbare Umgebung dunkel und ölig, so sollte hier die Ventilführung besonders überprüft werden. Dazu müssen die Ventile auf ihrem Sitz festgehalten und gleichzeitig die Ventilfedern nach unten gedrückt werden. Unter ungünstigen Reparaturbedingungen soll auch schon das Schlagen auf einen entsprechend dimensionierten Steckschlüssel geholfen haben, der auf den Ventilteller oberhalb der Feder aufgesetzt wird. Wichtig ist bei allen Arbeiten die relativ weiche Auflage des Zylinderkopfs.

Die Zylinderkopfdichtung soll Brennräume, Luft- und Ölkanäle und das Kühlsystem gegeneinander abdichten.

Besondere Weichstoffauflagen mit Metall-Einfassungen für die Brennräume (Bilder 1 und 2) und besondere Dichtungen mit 4 metallischen Einzeldichtungen (Bild 3) sorgen bei den meisten (auch Diesel-)Motoren für eine wartungsfreie Montage. Ein Nachziehen der Zylinderkopfschrauben entfällt, weil sich der Zylinderkopf nicht mehr setzt. Um wegen der metallischen Oberfläche trotzdem für genügend Abdichtung zu sorgen, sind die Dichtungen beschichtet.
Defekte Zylinderkopfdichtungen können oft an Gasblasen oder Motoröl im Kühlsystem erkannt werden, erfordern dann allerdings weitere Kompressionsprüfungen, meist auch eine Druckverlustmessung.

Die Kühlflüssigkeit durchströmt den Zylinderblock durch Kanäle von unten nach oben. Zum Zylinderkopf hin offene Wassermäntel (Open Deck) erfordern Vollmetall-Zylinderkopfdichtungen (Bild), bei Closed Deck sind die Kopfdichtungen weicher.
Das Verdichtungsverhältnis darf z.B. wegen der Gefahr der klopfenden Verbrennung nicht verändert werden. Deshalb muss der Raum zwischen Zylinderkopf und OT auch nach Veränderungen am Zylinderkopf immer gleich bleiben. Ist also wegen Verzug des Zylinderkopfes dieser geplant (neu geebnet) worden, so muss das entfernte Material durch eine entsprechend dickere Zylinderkopfdichtung wieder ausgeglichen werden, sonst steigen Verdichtungsverhältnis und Verdichtungsenddruck zu sehr an und gefährden den Motor.

Sonstiges

Kein Bauteil ist vor der Elektronik sicher. Inzwischen gibt es auch schon Zylinderkopfdichtungen mit integriertem Temperatursensor.

Der Austausch von verbranntem Gemisch durch Frischgase im Zylinder wird auch Gaswechsel genannt. Beim Zweitaktmotor spricht man von Spülung.

Offener Gaswechsel

Er entsteht, wenn Ein- und Auslasskanäle für einen bestimmten Zeitraum gleichzeitig offen sind, Frischgas also ins Abgas gelangen kann und umgekehrt. Bei Viertaktmotoren ist dies nur kurzzeitig bei der Ventilüberschneidung möglich. Dabei sind die Steuerzeiten und Kanäle so ausgelegt, dass Durchmischungen von Frisch- und Altgas nicht stattfinden. Häufiger kommt er bei Zweitaktmotoren vor und wirkt sich dort negativ auf Schadstoffentwicklung und Kraftstoffverbrauch aus.

Geschlossener Gaswechsel

Ventile öffnen und schließen die Ansaug- und Abgaskanäle so, dass möglichst wenig Frischgas in den Abgaskanal entweicht und eine gute Füllung ohne Altgase erreicht wird. Der geschlossene Gaswechsel ist typisch für den Viertaktmotor. Es gibt aber auch ventilgesteuerte Zweitaktmotoren.

Die Nockenwelle soll die Ventile zur richtigen Zeit, mit dem exakten Hub und in einer genau festgelegten Reihenfolge öffnen und deren Schließen durch die Ventilfeder ermöglichen. Die moderne Nockenwelle wird von der Kurbelwelle über Zahnrad/Zahnräder, Zahnriemen oder Steuerkette(n) angetrieben. Für alle Fälle gilt ein Übersetzungsverhältnis von 2 : 1. Damit rotiert die Nockenwelle halb so schnell wie die Kurbelwelle.

Man unterscheidet unten und oben liegende Nockenwellen. Bei der OHV-Steuerung ist die unten liegende Nockenwelle im Motorblock angeordnet. Die Ventile arbeiten dagegen im Zylinderkopf und werden hängende Ventile genannt. Die Nockenwelle wirkt über Stößelstangen und Schlepphebel auf die Ventile. Weil beim Schließen des Ventils mehr Bauteile von der Ventilfeder zurück bewegt werden müssen und damit keine so hohen Motordrehzahlen möglich sind, kommt eine unten liegende Nockenwelle fast nur noch bei älteren, großvolumigen V8-Pkw-Motoren (USA) und Lkw- Motoren vor. Eine oder zwei oben liegende Nockenwellen sind im Zylinderkopf eingebaut und treiben die Ventile über Kipphebel, Schlepphebel oder direkt über Tassenstößel an. Durch eine mechanische oder hydraulische Verstellung im Antrieb können sich die Steuerzeiten abhängig von der Motordrehzahl ändern.
Nockenwellen werden aus Grauguss, Kugelgraphitguss, Vergütungsstahl oder Nitrierstahl hergestellt. Sie können zur Gewichtsersparnis hohlgebohrt oder -gegossen sein. Ihre Lager und die Nockenbahnen sind meist oberflächengehärtet. Nockenwellen können auch aus Einzelteilen zusammengebaut sein. Dabei werden die Nocken und Lager in ihre genaue Position geschoben und durch sehr hohen (Wasser-)Druck im Rohr festgesetzt. Die Nocken können dann im Gegensatz zur einteiligen aus Sintermaterial hergestellt werden. Vorteil noch mehr Kosten- und Gewichtsersparnis.

In Verbindung mit Mehrventiltechnik ist sie zumindest eine Teillösung des alten Problems, dass ein Hubkolben-Verbrennungsmotor nur in einem bestimmten Drehzahlbereich sein bestes Drehmoment hat. Mit der Nockenwellen-Verstellung kann er gutes Durchzugsvermögen im unteren Drehzahlbereich und Leistungsentfaltung bei sportlichem Hochdrehen vereinigen. Zusätzlich verringert sie in den sonst nicht optimalen Drehzahlbereichen schädliche Abgasemissionen und Kraftstoffverbrauch.
Weitere Möglichkeiten: verbesserte Steuerung des Leerlaufs und der inneren Abgasrückführung.

Die Nockenwellen-Verstellung ist zwischen Antriebsrad und Nockenwelle angeordnet. Das Steuergerät leitet über Magnetventile Öldruck auf die Verstellung. Dadurch verdreht sich der innere Kolben (4. Bild rechts) gegenüber dem äußeren (4. Bild links) und so die Nockenwelle gegenüber ihrem Antrieb.
Das Ergebnis ist oben im Ventilhubdiagramm sichtbar. Hier ist nur die Einlass-Nockenwelle verstellbar. Im unteren Drehzahlbereich bis ca. 2000/min läuft der (Benzin-)Motor ohne Verstellung. Durch geringe Ventilüberschneidung ist ein niedriger Leerlauf und besseres Anfahrdrehmoment möglich. Im oberen Drehzahlbereich werden die Steuerzeiten Eö und Es um ca. 22° nach vorne verschoben. Hier ist eine größere Ventilüberschneidung vorteilhaft. Häufiger ist heute eine wegen der inneren Abgasrückführung (mit geringeren NO_X-Emissionen) größere Überschneidung und eine im oberen Drehzahlbereich wieder geringer werdende.

Die Nockenwellen-Verstellung gilt entweder nur für die Einlass-Nockenwelle oder für beide. Sie kann auch zweimal im Drehzahlbereich des Motors geändert werden. Mit getakteten Magnetventilen ist eine kontinuierliche Verschiebung möglich. Nicht verändern kann sie die Zeit zwischen dem Öffnen und Schließen eines Ventils.

Dies ist erst bei der variablen Ventilhubsteuerung möglich. Eine weitere Möglichkeit ist z.B. ein abgeschrägter Nocken, der fast punktförmig auf seinen Tassenstößel wirkt. Dieses Verfahren ist nur anwendbar, wenn je eine Nockenwelle für die Ein- und die Auslassventile vorhanden ist. Diese wird dann elektronisch gesteuert mit hydraulischer Kraft der Länge nach verschoben und bewirkt eine stufenlose Steuerzeit- und Ventilhubänderung.
Nur für eine Nockenwelle wirkt sich die Verstellung zwischen den Nockenwellen durch eine etwas zu lange Kette und eine nach oben und unten bewegliche Kettenführung (Bild 5) aus. Wir setzen voraus, beide Nockenwellen drehen sich im Uhrzeigersinn. Wird die Führung der Verbindungskette durch Öldruck nach oben bewegt, so längt sich die Kette oben und wird unten kürzer. Das rechte Nockenwellenrad wird gegen die Drehrichtung des linken Nockenwellenrades verdreht. Die Ventile rechts öffnen und schließen relativ zu den linken nun später als vorher. Umgekehrtes passiert, wenn die Kettenführung nach unten bewegt wird.