Grundlagen des Motortuning

[Telekoma]

oder:

Was macht einen sportlichen Motor aus/Woher kommt die Leistung im Detail ?

Ich habe vor, in einem Topic alle technischen Möglichkeiten und Kniffe zusammenzutragen, die einem Ottomotor hohe Leistungen entlocken.

Sozusagen eine kleine Knowledge-Base.

Den Aufbau stelle ich mir wie folgt vor:

1. Was ist in der Basis entscheidend für die abgegebene Leistung
   
2. (Gemischmenge im Brennraum/Temperatur - Effiziente Verbrennung etc.
   

1. ideale Bauart (Sauger/Aufladung Zylinderanzahl, Hubraum pro Zylinder,langhubig/kurzhubig - Anzahl der Ventile)
   

1. Werkstoffe/Materialien
   

Details (Und jetzt kommt auch das, was mich am meisten interessiert )

Was bringen polierte Ansaugschächte (hat doch irgendwas mit den Verwirbelungen des Gemisches zu tun ?!), was bringt eine Variable Saugrohrgeometrie/Länge (was bedeuten die Resonanzen in der Ansaugluft für die Leistung ?) was hat das Feinwuchten der Kurbelwelle zu sagen (ist die vom Hersteller etwa mit Unwucht verarbeitet?), wieso muss der Staudruck im Auspuff abgestimmt sein - einfach ohne Auspuff fahren bringt ja z.B. überhaupt nichts)

Vielleicht finden wir ja auf diese Weise auch den idealen Motor für unseren CP1.

Also erstmal habe ich es ins Testforum gepostet, um abzuklopfen, ob Interesse da ist.

Dann würde ich auch schon mal anfangen.

Edit: Hmm die List-Funktion habe ich anscheinend noch nicht so im Griff

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Hallo Telekoma,

 

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[CP]

Deine Fragestellung ist unglaublich umfangreich!

Zur Beantwortung deiner Fragen empfehle ich dir ein ingenieurwissenschaftliches Studium Fachrichtung Maschinenbau mit Spezialisierung in Thermodynamik und Strömungsmechanik aufzunehmen.

Das wäre übrigens ein gutes Beispiel dafür, warum man ein Studium aufnehmen sollte, wie es in einem anderen Thread diskutiert wird.

Man kann sicher die eine oder andere Teilfrage diskutieren, aber da überlasse ich zunächst mal den anderen den Vortritt.

[Telekoma]

Natürlich können wir hier an der Tastatur keine Entwicklung betreiben.

Ich wollte eigentlich nur die Basics, sowie den Rest eher "modular" zusammen setzen, d. h. aus Erfahrungswerten von Usern, die was an ihrem Auto verändert haben. (Was hat das Schleifen der Ansaugkanäle gebracht, in welcher Konstellation sind einzelne Tuningmassnahmen sinnvoll etc.)

[Infantrie]

Zu den Werkstoffen kann ich ein paar Sätze schreiben.

Kolben:

Aufgaben eines Kolbens:

.Verbrennungsraum gegen das Kurbelgehäuse beweglich abdichten.

.Den bei der Verbrennung entstehende Gasdruck aufnehmen und über die Pleulstange als Drehkraft an die Kurbelwelle weitergeben.

.Die von den Verbrennungsgasen an den Kolbenboden abgegebene Wärme zum größten Teil an die Zylinderwand weiterleiten.

.Gaswechselsteurung bei Zweitaktmotoren.

Durch die verschiedenen Arten der Beanspruchung werden folgende Eigenschaften verlangt:

.Geringe Dichte (kleinere Beschleunigungskräfte)

.Hohe Festigkeit (auch bei höheren Temperaturen)

.Gute Wärmeleitfähigkeit

.Geringe Wärmedehnung

.Geringer Reibungswiderstand

.Großer Verschleißwiderstand

Alle diese Vorausetzungen erfüllt eine Aluminium-Silicium-Legierung am besten.

Wegen der geringen Dichte (ρ ~ 2,7 kg/dm³) und der hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet man Kolben aus der o.g. Legierung. Je höher der Siliciumgehalt ist, desto geringer werden Wärmedehnung und Verschleiß, die Bearbeitbarkeit bei der Herstellung wird jedoch schwieriger.

Im allgemeinen reicht der Werkstoff AlSi12CuNi aus, bei höherer thermischer Belastung verwendet man Kolben aus AlSi18CuNi oder AlSi25CuNi.

Die Herstellung der Kolben erfolgt im Kokillenguß. Kolben, die besonders hohe Drücke auszuhalten haben, werden gepresst (geschmiedet).

Kurbelwelle:

Pleulstange und Kolben müssen bei jedem Hub von der Kurbelwelle beschleunigt und wieder verzögert werden. Dadurch treten große Beschleunigungskräfte auf. Außerdem wirken an der Kurbelwelle große Fliehkräfte. Durch die auftretenden Kräfte wird die Kurbelwelle auf Verdrehung, auf Biegung und durch Drehschwingungen beansprucht, an den Lagerstellen zusätzlich auf Verschleiß.

Also wie man sieht, hat die KW so einiges um die Ohren. Um diesen Beanspruchungen standhalten zu können, kommen Werkstoffe wie

.Legierte Vergütungstähle (Bsp. 50CrMo4)

.Nitrierstähle (Bsp. 34CrAlMo5-10)

.Gusseisen mit Kugelgrafit (Bsp. EN-GJS-800-2)

zum Einsatz.

Kurbelwellen aus Stahl werden im Gesenk geschmiedet. Bei diesem Verfahren werden die inneren Fasern nicht abgetrennt oder abgerissen, sondern umgelegt oder gestreckt, das Gefüge wird dadurch auch ziemlich verdichtet. Das zusammen ergibt eine große Festigkeit.

Kurbelwellen aus Gusseisen mit Kugelgrafit besitzen gute Schwingungsdämpfung.

Nockenwelle:

Sie muss die Hubbewegung der Ventile zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Reihenfolge durchführen und das Schließen durch die Ventilfedern ermöglichen.

Es gibt zwei Arten von Nockenwellen.

Zum einen haben wir die gegossene Nockenwelle.

Sie werden aus legiertem Gusseisen mit Lamellegrafit (Bsp. EN-GJL-300) oder Kugelgrafit (Bsp. EN-GJS-900-2) als Schalenhartguss hergestellt.

Zum anderen haben wir die gebaute Nockenwelle.

Bei ihnen werden die Nocken einzeln aus Einsatz- (Bsp. 20NiCrMoS6-4), Vergütungs- (Bsp. 50CrMo4) oder Nitrierstahl (Bsp. 34CrAlNi7-10) hergestellt. Anschließend schrumpft man die Nocken auf ein Stahlrohr auf.

Hier noch eine kleine Animation, die den Funktionsablauf eines 4-Takt Motors super darstellt.

Das soll fürs erste mal reichen. Ich werde die Liste mit anderen Motorteilen aber noch weiterführen.

[S.Schnuse CO]

Zum Abgastrakt hab ich auch mal so eine Lebensweisheit aufgeschnappt.

- Zweitakter brauchen Staudruck, Viertakter nicht

- Fächerkrümmer machen bei Saugmotoren Sinn, bei Turbo- und Kompressormotoren sind sie in Fächerform nicht notwendig

Ansonsten sind Motoren wie Menschen, äußerst individuell und teilweise unberechenbar. Meine Lieblingsbauart ist der Reihensechser, mein Lieblingsmotor der S50B32 aus dem alten M3 - denn der ist unwahrscheinlich sparsam und mechanisch ein Traum, mit Airbox, Einzeldrosselklappenanlage und doppelter variabler Nockenwellensteuerung.

[magic62]

Details (Und jetzt kommt auch das, was mich am meisten interessiert )

Was bringen polierte Ansaugschächte (hat doch irgendwas mit den Verwirbelungen des Gemisches zu tun ?!), was bringt eine Variable Saugrohrgeometrie/Länge (was bedeuten die Resonanzen in der Ansaugluft für die Leistung ?) was hat das Feinwuchten der Kurbelwelle zu sagen (ist die vom Hersteller etwa mit Unwucht verarbeitet?), wieso muss der Staudruck im Auspuff abgestimmt sein - einfach ohne Auspuff fahren bringt ja z.B. überhaupt nichts)

Vielleicht finden wir ja auf diese Weise auch den idealen Motor für unseren CP1.

Also erstmal habe ich es ins Testforum gepostet, um abzuklopfen, ob Interesse da ist.

Dann würde ich auch schon mal anfangen.

Edit: Hmm die List-Funktion habe ich anscheinend noch nicht so im Griff

Zum polieren der ansaugwegen ist die meinung unterschiedlich. Polieren soll ja strömungsgünstiger sein und dadurch eine größere menge gemisch ins motor innere bringen. Jedoch ist zu gesandstrahlte oberfläche auch was zu sagen. Durch eine feine gestrahlte oberfläche werden die moleküle festgehalten und die restlichen moleküle können dann hierdrauf besser gleiten. Man kann es ähnlich einen hoovercraft sehen.

Was letztendlich besser ist, darüber sind die meinungen (wie schon gesagt) unterschiedlich. Hier ist eher das gesamtkonzept wichtiger als nur der fakt ob glatt oder etwas rauh.

Variabele ansauggeometrie hat mit der fahrbarkeit des motors zu tun. Kurze ansaugwege sind erforderlich für mehr gemisch. Durch ein rohr saugen ist schwieriger als im freien.

Lange ansaugwege ergibt einen schnelleren gasstrom, auch bei niedrige motorgeschwindigkeiten. Was also die füllung der brennräume fördert. Das heisst, bei niedrige drehzahl mehr füllung also auch mehr drehmoment.

Um dies zu kombinieren ist die variabele ansauggeometrie erfunden. Lange wege bei niedrigere drehzahl und kurze bei hoher drehzahl.

Wenn man dies dann auch noch kombiniert mit den steuerzeiten (von der nockenwelle bestimmt) kann man aus ein saugmotor sowohl zugkraft bei niedrige drehzahlen als power bei hohen drehzahlen holen.

Hier wäre also eine kombination aus variabeler ansauggeometrie und variabele steuerzeiten ideal. Variabele steuerzeiten hat zB das Vanos durch verstellung der nockenwellen oder das VTEC durch zwei verschiedene nockenwellen profilen.

Noch besser wäre eine ventilsteuerung über stellmotoren (elektrisch), damit könnte man dann sowohl steuerzeit als hub der ventile beliebig steuern.

Kurbelwellen feinwuchten ist dafür die vibrationen im kurbelwellentrieb zu minimieren oder sogar zu unterbinden. Vibrationen im motor sind kontraproduktiv für die leistung. Originale kurbelwellen werden einfach hergestellt und haben deswegen auch tolleranzen. Diese tolleranzen (die heutzutage schon erheblich geringer sind als früher) eliminiert man durchs feinwuchten.

Auch sind die wellen meist bis zu einer bestimmten drehzahl grob/serien gewuchtet (oder einfach so hergestellt). Wenn man tunt will/muss man meistens in höhere drehzahlregionen.

Theoretisch musste es beim viertakter auch besser ohne auspuff gehen. Nur sind hier mehrere parameter wichtig. Ganz ohne auspuff ist für einige motoren eher kontraproduktiv als mit. Dies hängt mit dem gegendruck zusammen. Wenn gar kein gegendruck ist, kann es sein dass auch unverbranntes gemisch aus den brennräume gedrückt wird. Hierfür braucht man dann wieder den gegendruck.

Legt man den motor aber so aus, dass es gewünscht ist alles aus den brennräume zu verbannen, dann soll so einen motor auch ohne auspuff betrieben werden.

Beim 2-takter ist dies wieder anders, der braucht auch noch ein teil seines unverbrannten gemisches um leistung zu bringen. Deshalb heissen die auspuffanlagen auch oft resoanlage. Durch diese resonanz wird das unverbrannte gemisch, was zuerst im auspuff fliesst, auch wieder zurückgedrückt im brennraum. (die 2-takter haben ja keine ventile)

Hoffentlich ist es alles nicht zuviel buchstaben wirrwarr. Kann aber auch nichts dafür das diese themen eigentlich ein studium brauchen

Vielleicht bringt es aber etwas licht im dunklen.

[Andreas1984]

Wo wir gerade bei den Motorinnereien sind hätte ich auch mal eine Frage:

Ich höre in Zusammenhang mit Alpina-Motoren immer den Begriff "Mahle-Kolben". Was unterscheidet "normale" Kolben eines Motors von Mahlekolben? Danke.

Gruß,

Andreas

P.S.: Mein Lieblingsmotor ist der 3,2L-R6 aus dem E46 M3. 'schmacht'

[Mercedisto]

MAHLE stellt Kolben her, der Begriff dürfte also nicht nur im Zusammenhang mit Alpina fallen.

http://www.mahle.com/C125705E004FDAF9/vwContentByKey/W26LKL4N430STULDE

Gruß, Oliver

[Infantrie]

Was unterscheidet "normale" Kolben eines Motors von Mahlekolben?

Kolben von Autos mit einer geringen Leistung sind gegossen (Kokillenguß), da sie nicht so hohen Kräften ausgesetzt wie z.B. bei Alpina Motoren. Bei Motoren mit einer höheren Leistung kommen dann geschmiedete Kolben zum Einsatz, die die Firma Mahle herstellt.

[magic62]

Mahle ist wie gesagt nur einen hersteller. Aber einen hersteller der bekannt geworden ist für seine geringen fertigungstoleranzen.

Schmiedekolben sind leichter und belastbarer, es gibt jedoch einige andere bekannten hersteller (zB wiseco).

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[Infantrie]

Ich mache dann mal weiter.

Ventile:

Es gibt die Einlass- und die Auslassventile. Die Durchmesser der Ventilteller und der Ventilhub müssen so groß sein, dass die Gase möglichst ungehindert "reinfließen" bzw. "rausfließen" können.

Das Auslassventil hat oft einen kleineren Durchmesser als das Einlassventil, da durch den noch hohen Druck der Abgase beim Öffnen des Auslassventils eine schnelle Entleerung des Verbrennungsraumes gewährleistet ist (Ein Großteil der Abgase pufft mit Schallgeschw. aus dem Zylinder).

Beanspruchung:

Die Ventile sind sehr starker Beanspruchung ausgesetzt. Sie werden in der Minute bis etwa 4000mal angehoben und von den Ventilfedern wieder auf die Ventilsitze geschlagen. An Ventilschaft und Schaftende werden sie auf Verschleiß durch Reibung beansprucht.

Die Einlassventile erreichen Temp bis zu 500°C. Als Werkstoff werden Stähle für Flamm- und Induktionshärtung gewählt (Bsp. 42Cr4). Dieser Werkstoff hat eine hohe Kernfestigkeit und eine gute Zähigkeit.

Die Auslassventile können bis zu 900°C heiß werden. Die AV werden meist aus zwei Metallen hergestellt.

Für den Ventilteller und den und den unteren Teil des Ventilschaftes , die den Verbrennungsgasen vor allem ausgesetzt sind, wird warmfester, korrosions- und zunderbeständiger Stahl verwendet (Austenitische Stähle). Solche Stähle sind aber nicht härtbar, besitzen schlechte Gleiteigenschaften, neigen in der Ventilführung zum Fressen und leiten Wärme schlecht.

Der obere Teil des Schaftes besteht aus härtbarem Stahl mit guter Wärmeleitfähigkeit (Nitrierstähle Bsp. 40CrAlMo7-10).

Beide Teile (Ventilteller/unterer Ventilschaft + oberer Ventilschaft) werden z.B. durch Reibschweißenmiteinander verbunden.

Aus diesen Gründen ist es unmöglich, AV aus einem Material herzustellen.

Dann gibt es noch eine spezielle Variante der AV.

Hohlventile besitzen zur Verbesserung der Wärmeabfuhr einen Hohlraum, der zu etwa 60% mit Natrium gefüllt ist.

Natrium schmilzt bei etwa 97°C und hat gute Wärmeleitfähigkeiten. Durch das Hin- und Herschleudern des flüssigen Natriums wird die Wärme schneller vom Ventilteller zum Ventilschaft abgeführt und dadurch die Temp. des Ventiltellers um etwa 100°C gesenkt.

Pleulstange:

Aufgaben:

.Kolben mit der Kurbelwelle verbinden

.Geradlinige Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der Kurbelwelle umwandeln

.Kolbenkraft auf die Kurbelwelle übertragen und dort ein Drehmoment bewirken.

Die Pleulstange ist ebenso hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt.

.Druckkräfte in Längsrichtung infolge des Drucks auf den Kolben

.Beschleunigungskräfte in Form von Zug- und Druckkräften in Längsrichtung infolge dauernder Pendelbewegung um die kolbenbolzenachse

.Beanspruchung auf Knickung durch die großen Druckkräfte

(In der oben gezeigten Animation kann man das gut nachvollziehen)

Pleulstangen werden vorwiegend aus legiertem Vergütungsstahl ( Bsp. 30NiCrMo8 ) , der im Gesenk geschmiedet wird, oder aus legiertem Stahlpulver als Sinterschmiedeteil hergestellt.

Sintergeschmiedete Pleulstangen haben bessere mechanische Eigenschaften als gesenkgeschmiedete Pleulstangen. Ihre Querschnitte können daher kleiner sein und ihr Gewicht dadurch geringer.

--> Um die Massenkräfte klein zu halten, soll die Masse der Pleulstange möglichst klein sein.

Zylinderkopf:

Der Aufbau:

Der Zylinderkopf enthält die Frischgas- und die Abgaskanäle mit ihren Ventilsitzen und meistens auch den Verdichtungsraum.

Im Zylinderkopf sind die Zündkerzen, bei Direkteinspritzenden auch die Einspritzventile, sowie Teile der Motorsteuerung, z.B. die Ventile, untergebracht.

Auf dem Zlinderkopf ist häufig die Nockenwelle montiert. Durch Verbrennungsdruck und heiße Verbrennungsgase wird der Zylinderkopf hoch beansprucht und muss deshalb große Formsteifigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit sowie geringe Wärmedehnung aufweisen.

Es gibt zwei Arten von Zylinderköpfen. Einmal den flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf und dann noch den luftgekühlten Zylinderkopf.

Der flüssigkeitsgekühlte ZK wird vorwiegend aus Aluminium Legierungen (Bsp. AC-AlSi7Mg) für jeden Zylinder einzeln oder für den ganzen Block in einem Stück gegossen. Über die Durchflusskanäle strömt das Kühlmittel vom Zylinderblock in den Zylinderkopf.

Der luftgekühlte Zylinderkopf wird ausschließlich aus Aluminium Legierungen (Bsp. AC-AlSi7Mg) hergestellt und ist mit Kühlrippen versehen.

Da der Wärmeübergang an das Kühlmittel Luft schlechter ist als an Kühlflüssigkeit, muss die Kühlfläche durch Kühlrippen vergrößert werden.

[Telekoma]

Huch, wo kommt der Topic plötzlich wieder her ?!

Sehr interessante Informationen. Vielleicht kommt es ja doch noch zu einer interessanten Bündelung.

Und jetzt verstehe ich auch, wieso bei Hochleistungsmotoren Öl auf den Kolbenboden gespritzt wird. Das Material leitet so gut, dass dies tatsächlich einen grossen Einfluss auf den Temperaturhaushalt des gesamten Kolbens hat.

[el_mariachi]

Ich werde jetzt versuchen den Thread wiederzubeleben

Also erstmal, klasse Idee von Telekoma und klasse Erklärungen von Infantrie (und den anderen Postern )

Wäre das schon alles, oder könnte man noch ein paar andere Dinge wie beispielsweise Auspuffanlage o.ä. erklären?

Wäre schade, wenn der Thread wieder in der Versenkungen verschwinden würde