Pneumatische Ventilsteuerung in der MotoGP: Funktion und Technik

Die MotoGP ist die technologische Spitze im Motorradbau. In keiner anderen Rennserie kommen so komplexe Technologien zum Einsatz wie in der Königsklasse der Motorrad-WM. Es gibt eine lange Liste an Technologien, die aus dem Rennsport kommen und sich in der Serie etablieren konnten. Dazu zählt zum Beispiel die Traktionskontrolle, die man heutzutage in nahezu jedem Serienmotorrad vorfindet. Aber auch in Sachen Aerodynamik konnten Erfahrungen übertragen werden.

Der Beginn einer neuen Ära

Mit dem Start in die MotoGP-Saison 2002 begann eine neue Ära. In das helle Kreischen der Zweitakter mischte sich ein mächtiges Donnergrollen offener Viertakter, das vom Tribünendach widerhallte und in den Magengruben der Fans vibrierte. Anders als vor 20, 30 Jahren, als den Viertaktern im Überlebenskampf auch ihr Gebrüll nichts half, werden dank satten 1000 cm3 nicht nur akustische Urgewalten frei. Während die Zweitakt-Piloten feinfühlig mit Gas und Kupplung spielen müssen, kann sich Valentino Rossi fast verzögerungsfrei in den ersten Gang klinken, die Beschleunigung voll und ganz dem enormen Drehmoment seines Fünfzylindermotors überlassen und wird wie von einer Riesenfaust nach vorn gewuchtet.

Honda RC 211 V: Der Überflieger

Zu groß scheint die Überlegenheit des offiziellen Honda-Teams und der völlig neu entwickelten RC 211 V, bei der die Ingenieure viel unnötigen Ballast über Bord warfen. So zerfällt das Motorrad beim Zerlegen nicht in Kleinteile, sondern aufgeräumte Fertigungsmodule, die die tägliche Wartung zur einfachen Übung machen. Genauso intelligent ist der Aufbau von Elektrik und Elektronik, bei der auf einen zentralen Kabelbaum verzichtet wurde. Kantig und streng, funktionell und minimalistisch gerieten auch Fahrzeugsilhouette und Verkleidung, die eher an ein futuristisches Batmobil als an die Rubensfigur traditioneller Rennmotorräder erinnert. Ein Ziel beim Design war, reichlich Fahrtwind durch die voluminösen Kühler zu pressen, um so die exzessive Hitze loszuwerden, die sich im Bauch von Rennviertaktern mangels der bei Zweitaktern üblichen Frischgasspülung aufstaut. Zweites Ziel war, bei den Zuschauern mit einer schlanken, ultramodernen Linie für Herzklopfen zu sorgen und künftigen Straßen-Replikas den Weg zu ebnen.

Weil das zu groß geratene Triebwerk der NR 500 mit Ovalkolben anfangs der 80er Jahre weit hinten im Rahmen platziert werden musste, suchten die Ingenieure intensiv nach einer Konfiguration, die es erlaubte, die Masse im Schwerpunkt der Maschine zu konzentrieren. Ein V5, der kompakter baute und höhere Drehzahlen erreichte als ein Vierzylinder, aber immer noch in die gleiche Gewichtsklasse bis 145 kg passte, war die Lösung. Bis zu 250 PS stecken in dem mit zahnradgetriebenen Nockenwellen für die vier Titanventile pro Zylinder aufgebauten Triebwerk.

Den Fabelwert nicht zu kappen, sondern auf den Boden zu bringen, hieß von Anfang an die Devise. Der Durchbruch kam, nachdem die ab rund 8000/min turmhoch aufragende Drehmomentkurve abgeflacht worden war und Michelin neue Reifen mit nehr Aufstandsfläche im kritischen Schräglagenbereich geliefert hatte. Seither fährt Rossi mit qualmendem Hinterreifen aus der Kurve und um bis zu drei Sekunden schneller als die Konkurrenz.

Yamaha M1: Der falsche Ansatz

Bei Yamaha war vor allem der Denkansatz falsch. Mit einem 1000-cm3-Triebwerk im bewährten Chassis der YZR 500 müssten doch ähnliche Rundenzeiten wie mit dem Zweitakter möglich sein, hofften die Konstrukteure und beschränkten sich darauf, vorhandene Systeme aus den Schubladen zu klauben und neu zusammenzusetzen. Denn neben dem Fahrwerk der Zweitakt-YZR 500 nutzt der Motor das von Yamaha in Serie propagierte Fünfventilprinzip, das im Rennsport bis jetzt den Beweis der Überlegenheit schuldig geblieben ist. Nicht von Zahnrädern, sondern via Steuerkette werden die Nockenwellen angetrieben, und die Kurbelwelle dreht sich rückwärts, was die Maschine beim Einlenken in die Kurve störrisch macht.

Statt konsequent nach Drehmoment und Leistung zu suchen, forschten die Ingenieure mit verschiedenen Hubräumen nach bestmöglicher Fahrbarkeit, kamen aber nie auf einen grünen Zweig. Hastig wurde sechs Wochen vor dem Saisonstart ein neues Chassis gefertigt, das die M1 in den Kurven etwas agiler und handlicher machte, doch für den Motor gibt es bislang keine Wunderheilung - Checa und Biaggi beginnen, sich auf eine Geduldsprobe statt Rennsiege einzustellen.

Suzuki XREO: In letzter Minute

Die steht auch den Suzuki-Stars Kenny Roberts und Sete Gibernau bevor. Denn das Projekt steckt noch in den Kinderschuhen. Ursprünglich wurden Einsätze mit der XREO erst für 2003 geplant, dann aber kurzerhand um ein Jahr vorgezogen, weil mit der alten Zweitakt-RGV 500 kein Blumentopf mehr zu gewinnen war. Noch konsequenter als die Yamaha M1 an die bestehende Zweitakt-500er angelehnt, übernahm Suzuki nicht nur das Fahrwerk, sondern auch die Motorkonfiguration mit vier Zylindern in V-Form.

Mit 990 cm3 Hubraum und vier Ventilen pro Zylinder wurden 210 PS angepeilt. »Ein V4 ist der beste Kompromiss zwischen Motorleistung, Gewicht, kompakten Maßen, Zuverlässigkeit und Benzinverbrauch«, erklärte Teammanager Garry Taylor. Bei den ersten Tests sammelten die Techniker hauptsächlich Motordaten, um Kennfelder für das elektronische Einspritzsystem mit zwei Einspritzdüsen pro Zylinder entwickeln zu können.

Aprilia RS 3: Das Erbe der Formel 1

Noriyuki Haga auf dem Aprilia-Superbike RSV mille war in Valencia sogar klar schneller als Regis Laconi auf dem Grand-Prix-Prototyp. Immerhin jedoch stürmte der frisch aus der Taufe gehobene Dreizylinder schneller die Geraden entlang als die Yamaha M1. Das in der Aprilia schlummernde Potenzial erklärt sich wie bei Honda aus einem radikalen Neubeginn. So entschied sich Rennsportchef Jan Witteveen für einen Reihendreizylinder, der zehn Kilogramm weniger wiegen darf als die vier- und fünfzylindrige Konkurrenz. Um angesichts der größeren Einzelhubräume trotzdem auf die notwendigen Drehzahlen zu kommen, setzt Witteveen radikal auf Formel 1-Technologie. Die Einspritzanlage wurde mit einem Drive-by-wire-System gekoppelt, bei der die Befehle an die Drosselklappen statt per Seilzug von einer Elektronik erteilt werden. Revolutionär ist auch die pneumatisch unterstützte Ventilsteuerung.

Pneumatisch unterstützte Ventilsteuerung: Die Formel 1-Technik in der MotoGP

Wenn die Presse über die Motorentechnik der Formel 1 berichtet, fällt meist das Stichwort pneumatische Ventilsteuerung - und legt prompt eine falsche Fährte. Es suggeriert das Bild von einem Ventiltrieb, bei dem die Ventile über komprimierte Luft geöffnet und geschlossen werden. Weit gefehlt, denn ein kompressibles Medium wie Luft ist schwerlich in der Lage, Ventile mit über 40 Millimeter Tellerdurchmesser bei 18000 Umdrehungen des Motors, das sind pro Ventil immerhin 150mal pro Sekunde, über zehn Millimeter weit exakt zum gewünschten Zeitpunkt zu öffnen und wieder zu schließen.

Des Rätsels Lösung ist denkbar einfach: Wie eh und je sorgt eine Nockenwelle für das richtige Timing. Im Unterschied zu konventionellen Ventilfedern schließt jedoch komprimierte Luft die von der Nockenwelle geöffneten Ventile wieder. Sie ersetzen also ähnlich einem Fahrzeug mit Luftfederung die Funktion der Stahlfedern. Exakt müsste es also heißen Ventilsteuerung mit pneumatischen Federn oder pneumatisch unterstützte Ventilsteuerung. Soweit zur Definition. Die Funktion ist dagegen denkbar einfacher. Der Raum, den normalerweise die Ventilfedern für sich beanspruchen, ist gegenüber dem Zylinderkopf mit einem tassenförmigen Blechformteil abgedichtet, das über Ventilkeile das Ventil festhält.

Der Raum unter der Tasse wird mit Druckluft aus einem Speicher oder mittels eines kleinen Kompressors beaufschlagt und drückt so das Ventil analog zur konventionellen Feder gegen die Nockenwelle. Der Vorteil: Es treten keine kritischen Resonanzschwingungen von Ventilen samt Federn auf. Die können zu unkontrollierten Bewegungen bis zum Brechen der Ventilfedern mit entsprechenden fatalen Konsequenzen führen. Zudem bietet die Luft in der Kompressionsphase eine progressive Kennlinie, die Kraft nimmt mit steigendem Ventilhub überproportional zu, ideal für die hohen Beschleunigungen und somit Kräfte bei vollem Ventilhub am oberen Umkehrpunkt des Ventils.

Ventiltriebe in der MotoGP: Ein entscheidender Faktor

Ventiltriebe spielten eine bedeutende Rolle als technisches Zünglein an der Waage und Thema lebhafter Diskussionen. 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 Stahl-Schließfedern.

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. 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.

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.

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.

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.

Pneumatische Ventilfedern: Entwicklungsspielraum

Eine pneumatisch unterstützte Ventilsteuerung öffnet die Ventile nicht etwa pneumatisch, sondern schließt sie durch Gasfedern anstatt durch herkömmliche Schraubenfedern aus Metall. Ähnlich wie KTM schalteten Kawasaki, Suzuki und Yamaha angeblich Schlepphebel zwischen Nockenwelle und Ventil. Dies spart gegenüber Tassenstößeln etwa 25 Prozent an oszillierender Masse, erlaubt auch geometrisch heftigere Ventilbeschleunigungen, 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, der Stickstoff unter 150 bis 250 bar Druck enthält. Via Druckminderventil werden 9 bis 14 bar Anfangsdruck eingestellt, die beim Verdichten auf maximal 30 bar ansteigen. Unvermeidliche Leckagen zwischen Kolben und Zylinder - 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 widerstandsfähige, exotische und teure Sitzwerkstoffe erforderlich macht.

Desmodromik: Ducatis Alleinstellungsmerkmal

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.

Die Desmodromik zwingt den Ventilen sowohl das Öffnen als auch das Schließen mechanisch auf. Dazu übersetzt ein Schlepphebel die Kontur des Öffnungsnockens auf das Ventil, während ein L-förmiger Kipphebel das Ventil einem Schließernocken 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: 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.

Weniger Verlustleistung im Motor bedeutet dann entweder besseres Beschleunigungsvermögen des Motorrads oder weniger Verbrauch bei vergleichbarer Leistung. Die D16 ist tatsächlich konkurrenzfähig, trotz Desmodromik. Die sind alle am Limit unterwegs, glaubst Du tatsächlich das sich auf diesem Niveau jemand ein System leisten könnte, das nicht 100% funktionieren würde?

Die straßenzugelassene Honda RC213V-S

Mit der RC213V-S stellt Honda einen straßenzugelassenen Ableger des siegreichen MotoGP-Motorrades vor. Seit geraumer Zeit liegen allen Honda-Konstruktionen zwei Grundprinzipien zugrunde, die sowohl die Leistungs- als auch die Handling-Performance deutlich verbessern sollen. Dies sind eine drastische Verringerung der inneren Reibung im Antriebsstrang sowie die Konzentration der Massen.

Für die RC213V und ihre straßenzugelassene Schwester mit dem kleinen »s« bedeutet das, dass sowohl Roll- als auch Gier-Trägheit deutlich unter den Werten eines 600er Supersportlers liegen. Im Falle der Version ohne den optional erhältlichen Rennsport-Kit wird dieses nur 170 Kilogramm schwere Agilitätspaket von 159 PS aus 1000 V4-Kubik befeuert. Verwindungssteif: Brückenrahmen aus Aluminium Kastenschwinge (l.), kompakt: V4 mit bis zu 215 PS.

Gegenüber der MotoGP-Maschine verzichtet die RC213V-S auf die pneumatische Ventilsteuerung und setzt auf herkömmliche Federn zum Schließen der über je zwei zahnradgetriebene Nockenwellen geöffneten Ventile. Auch bei der Kraftübertragung muss der geneigte Käufer Abstriche machen. Das leicht zu wechselnde Kassettengetriebe wich einer fest im Motorgehäuse verbauten Ausführung.

Um den Fahrleistungen Paroli zu bieten, setzt Honda auf einen massiven Brückenrahmen aus Aluminium in Verbindung mit einer enorm wuchtigen Schwinge, die das komplett einstellbare Öhlinsfederbein (TTX36) fast völlig verschwinden lässt. Ebenfalls von Öhlins und ebenfalls komplett adaptierbar ist die USD-Gabel vom Typ TTX25, die über externe Ausgleichsbehälter zur Vergrößerung des Ölvolumens verfügt. Ein Lenkungsdämpfer sorgt für Ruhe im Chassis.

Technologietransfer aus der MotoGP in die Serie

"Es stimmt, dass wir das Seamless-Getriebe bisher nicht in einem Serienmotorrad verbaut haben", kommentiert Honda-Ingenieur Takeo Yokoyama. "Doch wir konnten sehr viele Dinge in der MotoGP lernen. Einige Technologien und Aspekte wurden aber übertragen." Honda zählt dennoch zu den Herstellern, die vergleichsweise konservativ mit dem Wissen umgehen, das in der MotoGP erarbeitet wird.

Yamaha entwickelte in der MotoGP den Reihen-Vierzylinder-Motor mit Hubzapfenversatz und Big-Bang-Zündfolge. Der charakteristisch klingende Crossplane-Motor unterscheidet sich deutlich von den klassischen Reihenmotoren mit Screamer-Zündfolge. Seit über zehn Jahren wird die Yamaha R1, das Superbikes von Yamaha, mit dem Crossplane-Motor ausgerüstet. Während der MotoGP-Motor aber über eine pneumatische Ventilsteuerung verfügt, müssen sich R1-Kunden aus Kostengründen mit klassischen Ventilfedern zufriedengeben.

Kein anderer Hersteller brachte in den zurückliegenden Jahren neue Technologien schneller in die Serie als Ducati. Die 1098R war das erste Straßenmotorrad mit Traktionskontrolle. Die Panigale V4R brachte Winglets im MotoGP-Stil in die Serie. Ducati verwendet bei der Panigale V4 nicht nur das gleiche Motorkonzept wie im Grand-Prix-Sport. Die Italiener bieten ihren Kunden als einziger Hersteller die gleiche Ventilsteuerung wie in der MotoGP an.

Skeptisch ist Romano Albesiano auch beim höhenverstellbaren Fahrwerk, das in der MotoGP für viele Diskussionen sorgte. Von den fünf verbliebenen Herstellern in der MotoGP ist KTM der einzige Hersteller, der kein Superbike anbietet.

Vergleich der Ventilsteuerungen

Die pneumatische Ventilsteuerung bietet Vorteile in Bezug auf höhere Drehzahlen und geringere innere Reibung, während die Desmodromik durch ihre mechanische Zwangssteuerung eine präzise Ventilbewegung ermöglicht.

Die nachfolgende Tabelle fasst die Hauptmerkmale und Vorteile der verschiedenen Ventilsteuerungen zusammen:

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