MotoGP-Technik: Ventiltriebe

Prognosen und Spekulationen hatte es vor der MotoGP-Saison 2007 zuhauf gegeben – und dann kam alles ganz anders. Weder Geheimfavorit Dani Pedrosa noch der mit Formel-1-Plänen kokettierende Valentino Rossi dominierte die Weltmeisterschaft. Dabei hatten viele gewettet, dass die Giganten Honda und Yamaha mit ihren Rennern RC 212 V und YZR-M1 die Messlatten für das erste Jahr der 800-cm³-Formel legen würden. Die überlegene Vorstellung Casey Stoners und seiner pfeilschnellen GP7-Ducati D16 gleich beim ersten Rennen in Katar, wo er Rossi bei seinem Sieg um drei, Pedrosa gar um acht Sekunden regelrecht distanzierte, erschütterte nicht nur das Weltbild der Fans. Was war schiefgelaufen?

Honda hatte zum Beginn des Zeitalters der 21-Liter-Verbrauchsbegrenzung ein winziges Motorrad um Rennfloh Pedrosa geschneidert – nicht nur Weltmeister Nicky Hayden hatte damit zu kämpfen. Beim Antrieb verließ Honda sich auf Bewährtes: Die 990er-RC-211-V-Motoren hatten auch im Hinblick auf die Verbrauchsgrenzen mit erstaunlich konventioneller Technik gesiegt, mit wenig extremem Hub-Bohrungs-Verhältnis (angeblich um 0,57 gegenüber extremen 0,47 der Ducati) – und mit Ventiltrieben über Tassenstößel mit StahlSchließfedern. Vermeintlich folgerichtig kappte Honda dem V5 einen Zylinder, beließ die Technik samt 16500/min-Drehzahllimit – und verkalkulierte sich damit kräftig.

Ähnlich verrannte sich Yamaha, deren Schrumpf-M1 mit immerhin höherer Drehzahlreserve, aber vergleichbar konservativem Ventiltrieb antrat – und ohne Rossis Extraklasse wohl nur selten wie gewohnt brilliert hätte. Zumal nicht nur Stoners Ducati auf und davon heulte, sondern auch die im Winter noch als unausgereift verspotteten Kawasaki ZX-RR und vor allem die Suzuki GSR-V plötzlich auf Augenhöhe spielten. Was hatten die beiden Japan-Giganten verpasst? Im großen Puzzle eines MotoGP-Motorrads unterschieden neben der alles dominierenden Elektronik insbesondere die Ventiltriebe ihre Bikes von den unerwartet starken Gegnern. Die Stärke von Suzuki und Kawasaki fußte auf dem Potenzial pneumatischer Schließfedern, die von Ducati auf der Desmodromik.

Weise hatten Suzuki und Kawasaki schon 2006 ihren Erfolg vorbereitet, ihre Motorräder bereits auf die Erfordernisse der neuen Klasse ausgelegt – abgesehen vom Motor ähneln die GSV-R und die ZX-RR ihren 990er-Vorgängern enorm. Beide ließen ihre Triebwerke 2007 etwa 18000/min drehen, Ducati mit der Desmodromik erlaubte sich gar 19000/min. Damit hatten Yamaha und Honda nicht gerechnet.

Den Motoren stellte das 800er-Zeitalter nämlich eine kniffelige Aufgabe: zwar hervorragend nutzbare Leistungsfülle zu produzieren, dabei aber mit 21 Liter Benzin auszukommen. Nun geht die Leistungsfindung im Prinzip immer den gleichen Weg: Verbrenne im Brennraum ein Gemisch aus Luft und Sprit, gewinne dabei einen möglichst hohen Verbrennungsdruck, setze diesen möglichst effektiv um. Gelingt dies oft – also bei hohen Drehzahlen –, entwickelt der Motor viel Kraft.

Die gigantischen Leistungen der Moto-GP-Triebwerke basieren in erster Linie auf der Effizienz dieser Ladungswechsel. Die dürfen nicht als etwas mit dem jeweiligen Takt Abgeschlossenes verstanden werden, sondern als regelrechter Fluss der Zu- und Abgase, in dem Druckwellen Überdruckbäuche erzeugen. Genau die wollen die Konstrukteure im Brennraum sehen, möglichst perfekt zwischen dem Öffnen und Schließen der Ventile. Den Schlüssel dazu liefert die Ventilsteuerung.

Im abgelaufenen Jahr bot der Honda-Vierzylinder maximal 550 Zündungen pro Sekunde auf, deren 600 Kawasaki, Suzuki und später auch Yamaha. Der Ducati-V4 zündete sogar noch 85-mal öfter pro Sekunde als die Honda. Das erklärt die Mehrleistung der Duc von mindestens 20 PS. Wie aber kamen die GP7 und auch die beiden kleinen Japaner mit den 21 Liter Sprit aus? Weil ihre scheinbaren Außenseiterkonzepte in manchen Drehzahlbereichen weniger Schleppleistung und geringeren Verbrauch ermöglichen, zudem hö­here Drehzahlen vertragen. Wie das im Ein­­zelnen funktioniert, erklären die Kästen zu den jeweiligen Systemen: Eigenschaften, die das berühmte Zünglein an der Waage des so hart umkämpften Erfolgs spielten.

Dabei ähneln sich die Ventilsteuerungen aller Hersteller in vielen grundsätzlichen Bauteilen und Daten. Sämtliche MotoGP-Ventile öffnen auslassseitig etwa 13, ein­lassseitig etwa 15 Millimeter weit – gewaltig, verglichen mit Serienmotoren. In allen 800ern dürften pro Zylinder je zwei Einlassventile mit etwa 33 bis 36 Millimeter Tellerdurchmesser und je zwei Auslasspendants mit 26 bis 29 Millimetern arbeiten – Vierventiltechnik mit engen Ventilwinkeln um 18 Grad. Alle vier Ventile jedes Brennraums bestehen aus Titan-Legierungen, die durch die Partnerelemente Aluminium und Vanadium – reines Titan würde nicht lange bestehen – an die immense Beanspruchung ihres hektischen GP-Lebens angepasst werden. In der Hohlkehle am Übergang zwischen Ventilteller und -schaft halten die Auslassventile Temperaturen von über 700 Grad aus. Ventilführungen und -sitzringe aus Kupfer-Legierungen, verstärkt durch das wegen seiner Giftigkeit verpönte Beryllium oder Aluminiumoxide, transportieren die zerstörerische Hitze durch gute Wärmeleitfähigkeit von den kritischen Bereichen der Ventile ab, sind nebenbei stabil genug für die enormen Belastungen speziell des pneumatischen Ven­til-triebs, der seine Ventilteller nicht wie bei anderen Konzepten dreht.

Die gewaltigen Drehzahlen verlangen ebenso nach sicherer Umsetzung wie die extremen Drehzahlschwankungen, denen die Motoren etwa beim schnellen Herunterschalten ausgesetzt sind. Dabei verhalten sich Nocken- und Kurbelwellen prinzipiell wie die Drehstabfederung des seligen VW Käfers: Sie ver- und entwinden sich schwingend, wenn auch gottlob minimal, um ihre Längsachse. Steuerketten, die fast bei jedem Serienmotorrad die Nockenwellen treiben, könnten sich hierdurch fiese Re­sonanzen einfangen: Kettenschlagen. Sehr schlecht, wenn die Ventile beim Verdichtungstakt in winzig kleinen Zehntel-Millimeter-Abständen den heransausenden Kolben davoneilen, um fatale Berührungen zu vermeiden, die in zertrümmerten Bauteilen enden würden. Grundsätzlich halbieren alle MotoGP-Ventiltriebe durch geradverzahnte, oft für einen kompakten Motor interessant angeordnete Zahnräder die Drehzahlen der Kurbelwelle. Das erlaubt kleine Nocken-räder, was die Trägheit des Ventiltriebs ebenso verkleinert wie die Motormaße.

All das haben auch Honda und Yamaha meisterlich umgesetzt – nur eben zu konservativ. Die Rettungsversuche zur Saisonmitte hatten Motorschäden und Unzufriedenheit zur Folge, Yamaha soll deshalb gar mit vier verschiedenen Kopfkonfigurationen experimentiert haben. Um 2008 wahrscheinlich ebenso wie Honda mit Pneumo-Schließfedern anzutreten, auch wenn Yamahas Chefentwickler Masao Furusawa dies in Valencia noch verneint hat. Dass wir, wie hie und da gemutmaßt, eine Honda mit Desmodromik sehen werden, hält MOTORRAD hingegen für unwahrscheinlich. Viel eher denkbar ist, dass schon 2008 variable Ventiltriebe zum Einsatz kommen – sowohl Honda als auch Yamaha denken über dynamische Steuerzeiten-Änderung per verdrehbarer Nockenwellen oder verstellbare Erhebungskurven durch Nockenabschaltung oder Hubveränderung nach.

Bleibt die Frage, ob sich die MotoGP-Technik durch ihre Ventilsteuerungen immer weiter vom Serienmotorrad entfernt. Nein, weil Ducati eine gezähmte Serien-D16 auf der Straße hat. Ja, weil Pneumo-Federn in Drehzahlbereichen operieren, die für Serienmotorräder schlicht unnötig sind – und bei zu starkem Druckverlust der Pneumatik Metallsalat im Motor verursachen. Ein zweites Nein jedoch, weil im MotoGP-Sport Höchstleistung unter der Knute einer Verbrauchsgrenze aufgerufen wird. Dabei sammeln die Hersteller Erfahrungen, die in den kommenden Jahren auch unter strenger Abgasgesetzgebung sicherstellen, was viele von uns wollen: starke, sportliche Motorräder.

Pneumatik

Eine pneumatisch unterstützte Ventilsteuerung – rechts der Zylinderkopf des KTM-MotoGP-Motors – öffnet die Ventile (1) nicht etwa pneumatisch, sondern schließt sie durch Gasfedern (2) anstatt durch herkömmliche Schraubenfedern aus Metall. Ähnlich wie KTM schalteten Kawasaki, Suzuki und Yamaha angeblich Schlepphebel (3) zwischen Nockenwelle (4) und Ventil (1). Dies spart gegenüber Tassenstößeln etwa 25 Prozent an oszillierender Masse, erlaubt auch geometrisch heftigere Ventilbeschleunigungen (siehe Diagramm Seite 138), was mit den an den Ventilfedern gesparten Massen sehr effiziente Ventilerhebungskurven ermöglicht. Pneumatische Federn lassen den Motor also regelrecht leichter laufen, sparen dadurch Benzin und Verlustleistung.Außerdem erlauben sie höhere Drehzahlen, weil die weniger massenträgen Ventilpakete dank geringerer oszillierender Massen auch beim sehr schnellen Schließen zuverlässig der Nockenkontur folgen, wobei ebenso der progressive Ratenverlauf der Gasfeder hilft. Steigt das Drehzahlniveau weiter, lässt sich diese Sicherheit durch Erhöhung des Drucks simpel steigern.

Alle Hersteller speisen die Gasfedern aus einem Vorratsbehälter (5), der Stickstoff unter 150 bis 250 bar Druck enthält. Via Druckminderventil (6) werden 9 bis 14 bar Anfangsdruck eingestellt, die beim Verdichten auf maximal 30 bar ansteigen. Unvermeidliche Leckagen zwischen Kolben (7) und Zylinder (8) – im Prinzip wie eine Luftpumpe aufgebaut – werden vom Vorratsbehälter ausgeglichen. Bei Druckverlust fallen die Ventile übrigens hilflos in den Brennraum, Motorsalat ist unvermeidlich. Ein weiteres Problem: Herkömmliche Federn drehen die Ventile, was Last- und Temperaturspitzen zwischen Teller und Sitzring vermeidet und auf Dauer Dichtigkeit garantiert. Luftfedern tun dies nicht, was sehr genaue Fertigung und sehr wider-standsfähige, exotische und teure Sitzwerkstoffe erforderlich macht.

Desmodromik

Wie bei all seinen Serienmotorrädern setzt Ducati im D16-Motor auf eine desmodromische Ventilsteuerung – der Know-how-Vorsprung auf mögliche Japan-Konkurrenz wird seit den ersten Schritten des legendären Konstrukteurs Fabio Taglioni immer über 50 Jahre betragen. Entsprechend selbstbewusst blickt Ducati ins Jahr 2008. Über 20000/min soll die GP8 auf dem Prüfstand bereits drehen, und auch in der abgelaufenen Saison konnte Casey Stoner mit 19000/min stets 1000 Umdrehungen mehr abrufen als alle Konkurrenten. Wie das?

Die Desmodromik zwingt den Ventilen (1) sowohl das Öffnen als auch das Schließen mechanisch auf. Dazu übersetzt ein Schlepphebel (2) die Kontur des Öffnungsnockens (3) auf das Ventil (1), während ein L-förmiger Kipphebel (4) das Ventil einem Schließernocken (5) folgend zuzieht. Trägheitsbedingte Bewegungen abseits vorgesehener Bahnen sind anders als bei federschließenden Systemen unmöglich, ein Abheben des Ventils vom Nocken beim Schließvorgang wird sicher verhindert. Dank dieser Bewegungsstabilität verkraftet der Desmo-Trieb höhere Drehzahlen, erlaubt zudem heftigere Ventilbeschleunigungen als herkömmliche Triebe mit Schließfedern, sprich günstigere Steuerzeiten und Ventilerhebungskurven (siehe Diagramm Seite 138): Die Ducati kann ihre Ventile günstiger für den Ladungswechsel öffnen und schließen und gleichzeitig den Bereich der Ventilüberschneidung – Auslassventil noch offen, Einlassventil schon offen – kleiner halten. Daraus folgt eine bessere Füllung und somit effektivere Verbrennung bei geringeren Spülverlusten, also geringerer Kraftstoffverbrauch.

Der oszillierende Massenanteil pro Ventil dürfte angesichts zweier Betätigungshebel trotz gesparter Schließfeder kaum kleiner als bei Federsystemen ausfallen, weshalb die Desmodromik wahrscheinlich im oberen Drehzahlbereich keine Schleppleistung spart, dafür im mittleren gegen weniger Widerstand arbeitet. So kann sie hier gleiche Leistung mit geringerem Spritaufwand erreichen.

Weniger Verlustleistung im Motor bedeutet dann entweder besseres Beschleunigungsvermögen des Motorrads oder weniger Verbrauch bei vergleichbarer Leistung. Dabei kämpft die Desmodromik mit ihren frei hängenden Ventilen nicht einmal gegen das Ventil-Drehproblem der pneumatischen Schließfedern. Einen negativen Aspekt gibt es aber doch: Die Belastung vor allem auf die Schließerhebel ist gewaltig, ihr Verschleiß entsprechend hoch.

Ventilfedern

Honda und Yamaha betätigten ihre Ventile (1) im ersten Jahr des 800-cm³-Reglements so wie die meisten Serienmotoren: Öffnung per Nockenwelle (2) und Tassenstößel (3), Schließen per metallener Ventil-Schraubenfeder (4). Dabei griffen sie auf Jahrzehnte Erfahrung im Hochleis-tungsbereich zurück (im Bild ein Serienkopf), nahmen allerdings konzeptbedingte Nachteile in Kauf. Ventilfedern arbeiten nur bis etwa 18000/min betriebssicher. Und schon dafür muss man alle Register ziehen, um erstens die oszillierenden Massen gering zu halten, zweitens genügend Schließfederkraft bereitzustellen, um das Ventil sauber zu schließen, drittens Resonanzschwingungen der Schließfeder zu minimieren.

Alles gemeinsam steigert die innere Reibung und damit die Schleppleistung des Ventiltriebs – bis zu der Grenze, wo es mit heutigen Werkstoffen nicht mehr weitergeht. Vor allem der Tassenstößel steigert die oszillierenden Massen gegenüber gebräuch-lichen Schlepphebeltrieben um bis zu 25 Prozent. Dafür leistet er Hilfestellung beim Führen des Ventils, das er von Querkräften verschont. Auch die Feder hat Gewicht – und trägt ihren Anteil zur Trägheit des Systems bei: Selbst 40 bis 50 oszillierende Gramm setzen ihrer Rückbewegung innerhalb einiger Tausendstelsekunden gewaltigen Widerstand entgegen. Besonders bei scharfen Steuerzeiten muss die Federrate hart gewählt werden, damit die Feder das Ventil bei hohen Drehzahlen an der Schließkontur des Nockens halten kann.

Dieses Vermögen hat Grenzen, was einerseits die möglichen Öffnungsverläufe der Ventile limitiert, andererseits zu große Überschneidungen zwischen noch offenem Auslass und schon offenem Einlass erfordert, will man nicht auf gute Brennraumfüllung verzichten. Die Folge: Spülverluste, also höherer Kraftstoffverbrauch. Den steigert die hohe Ventilfederrate insbesondere im mittleren Drehzahlbereich noch, wo sie trotz geringerer Anforderungen maximalen Öffnungswiderstand leistet. Alles jedoch in Dimensionen, die bei Serienmotorrädern wunderbar funktionieren würden.

Systemvergleich

Die Ventilerhebungskurven zeigen, wie sich die Öffnungsflächen der Auslassventile (links) und der Einlassventile (rechts) während zweier Kurbelwellenumdrehungen verhalten. Ein idealer Verlauf würde zwei aneinandergrenzende Rechtecke zeigen – leider verhindert die Physik schlagartiges Öffnen und Schließen der Ventile.

Die orangefarbene Kurve symbolisiert einen herkömmlichen Ventiltrieb (zum Beispiel Honda). Die umschlossenen Flächen sind am kleinsten, geben den Ladungswechseln also die geringste Chance. Zudem fällt die Ventilüberschneidung groß aus. Das kostet durch Spülungsverluste Sprit. Der pneumatisch unterstützte Schlepphebeltrieb à la Suzuki (blau) kann aufgrund geringerer oszillierender Massen härter öffnen und schließen, was die Flächen vergrößert, die Ladungswechsel folglich verbessert, die Überschneidung und so den Verbrauch optimiert. Die Desmodromik der Ducati (rot) legt infolge zwanghafter Bewegungsführung dahingehend noch einen drauf.

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