Why don't car manufacturers use two big valves instead of 4 smaller valves to improve engine breathing and volumetric efficiency?
Viele Jahre lang (oder sollte ich sagen: viele Jahrzehnte lang) waren Zweiventilmotoren die Norm. Erst Mitte der 80er Jahre begannen die Automobilhersteller, massenhaft auf Mehrventilkonstruktionen umzustellen. Die Automobilhersteller haben sich aus mehreren Gründen für vier Ventile pro Zylinder entschieden. Zunächst einmal hat man mit vier Ventilen einen größeren Durchflussbereich als mit zwei. Betrachten Sie den Fall von zwei großen Ventilen:
Dies ist keine perfekte Darstellung, denn (1) zwei Ventile können sich nicht berühren oder bis zur Zylinderwand reichen, und (2) das Einlassventil ist immer etwas größer als das Auslassventil, und (3) die Ventile sind in der Regel geneigt, um die mögliche Ventilgröße zu erhöhen. Dennoch bietet er die Vorteile von vier Ventilen. Wenn man davon ausgeht, dass jedes Ventil den halben Radius des Zylinders hat, hat jedes Ventil eine Fläche von einem Viertel des Brennraums. Die beiden Ventile zusammen decken also nur die Hälfte des Brennraums ab.
Mit vier Ventilen kann man natürlich mehr vom Brennraum abdecken
Tatsächlich deckt jedes Ventilpaar jetzt 34 % des Brennraums ab. Und alle Ventile zusammen decken 68 % des Brennraums ab. Das sind satte 37 % mehr Fläche!
Es gibt natürlich noch weitere Vorteile, die für vier Ventile sprechen. Einer davon ist, dass Sie nun den Platz in der Mitte des Brennraums frei haben. Das bedeutet, dass Sie diesen Raum für die Zündkerze nutzen können. Die Mitte des Zylinders ist in der Tat der beste Platz für die Zündkerze, da der Weg der Flamme so kurz wie möglich ist. Dies verkürzt die Verbrennungszeit, sorgt für eine vollständigere Verbrennung (geringere Gefahr des Erlöschens) und verringert die Neigung zur Detonation (bei einem bestimmten Verdichtungsverhältnis).
Schließlich bedeutet die Verwendung von vier Ventilen pro Zylinder, dass man kleinere Ventile verwenden kann. Ja, man braucht mehr davon. Aber bedenken Sie, dass die Masse bei einer bestimmten Länge etwa proportional zum Quadrat des Durchmessers ist. Für diese VIEL leichteren Ventile können daher leichtere Federn verwendet werden. Außerdem ist bei einem kleineren Ventil die Vorhangfläche (die zylindrische Fläche zwischen der Außenseite des Ventiltellers und dem Ventilsitz) bei einem bestimmten Ventilhub im Verhältnis zur Fläche der Öffnung größer. Mit anderen Worten: Mehrere kleinere Ventile haben bei geringerem Hub einen größeren Durchfluss als ein einzelnes großes Ventil. Das kommt nicht nur dem Durchfluss zugute. Es reduziert auch die Reibung und den Verschleiß des Ventiltriebs, da die Feder nun leichter ist und nicht mehr so stark zusammengedrückt werden muss. Mit anderen Worten: Die Reibung ist bei mehreren kleineren Ventilen tatsächlich NIEDRIGER als bei weniger großen Ventilen.
Aus all diesen Gründen werden heute nur noch wenige Motoren mit zwei Ventilen pro Zylinder gebaut. Und die, die es gibt, sind in der Regel größere Motoren mit niedrigeren Drehzahlen.