Zylinderköpfe optimieren

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Zylinderköpfe optimieren

Wozu eigentlich?

Vielfach liest man, dass bei Turbo-Motoren (gilt nicht bei Turbo-Nachrüstungen!) eine Optimierung der Zylinderköpfe nicht sinnvoll sei. Begründung: Wenig Leistungsgewinn, aber sehr teuer, und wirkt nur bei hohen Drehzahlen.

Das ist nicht unbedingt richtig, denn für den optimalen Lader-Antrieb kommt es darauf an, dass das Abgas mit minimalem Verlust zum Lader gelangt. Ausserdem hat die Form und Oberflächen-Beschaffenheit der Strömungskanäle einen Einfluß auf die Verteilung des Kraftstoff-Luftgemisches im Brennraum, und daran hängen wieder Faktoren wie Brennraum- und Abgas-temperatur, Motor-Klopfen und letztlich der erreichbare Kolbendruck = Drehmoment.

Auch bei niedrigeren Drehzahlen sorgt eine bessere Durchströmung für mehr Drehmoment und geschmeidigeres Verhalten. Wenn Turbolader verbaut werden, die bis zur Redline den Druck halten können, entfällt das Drehzahl-Argument endgültig.

Selbst für ein Serien-Setup oder nur eine geringe Leistungssteigerung durch Ladedruck-Erhöhung kann also eine leichte Überarbeitung der Strömungskanäle im Rahmen einer Kopf-Überholung Sinn machen.

Strömungskanäle

Einfache Optimierungen wie Entgraten und etwas Glätten sind machbar, wenn die Köpfe sowieso runter sind.

Eine Erweiterung oder Umarbeitung der Strömungskanäle ist nicht ungefährlich für den Laien, denn größer ist hier u.U. nicht besser, und glatter auch nicht. Es gibt ein Optimum bzw. Querschnitt und vor allem Form, an das man sich herantasten muss. Nicht umsonst kosten die Stage-II-Köpfe bei 3SX um die $3000 (core charge $750).

Unklar ist, inwieweit Mitsubishi bereits beim Design der Köpfe für die Turbo-Motoren optimiert hat. Daher ist tatsächlich Vorsicht geboten vor "Profi-Tunern", die die Kanäle bis zur Matrialgrenze erweitern und damit u.U. die Strömungsverhälnisse und die Haltbarkeit verschlechtern.

Buch-Empfehlungen:

  • Peter Burgess, David Gollan: Praxis-Handbuch Zylinderköpfe. HEEL Verlag GmbH, 2. Auflage 2008. ISBN 3-89880-349-X
  • David Vizard: How to Build Horsepower. Erschienen 2010 bei CarTech, Inc. [www.cartechbooks.com]. Verfügbar als Kindle Edition bei AMAZON.

Ventile

Ventile müssen vorrangig dicht und sauber sein, ebenso die Sitze, Schaft-Dichtungen und Führungen, also ein Thema für die Überholung.

Ein- und Auslass-Ventile unterscheiden sich in Durchmesser (Einlass > Auslass) und Material (Auslass-Ventile müssen aus hochwertigen Material wegen der Abgas-Wärme sein). Die in den EU-Motoren verbauten Auslaß-Ventile sind mit Natrium gefüllt. Lasst Euch nichts Anderes einreden, ich habe ein solche Ventil mit gebrochenem Schaft hier, Dank an OTTEC-GT.

Unsere Motoren haben schon 2 Ein- und 2 Auslass-Ventile je Zylinder. Damit bleibt wenig Platz für die Vergrößerung, denn es reicht bei Turbo-Motoren nicht, nur die Einlass-Ventile zu vergrößern, das Gas muss ja auch entsprechend wieder abgeführt werden. MMC dürfte hier schon dicht ans Optimum gegangen sein.

Eine weitere Alternative ist die Veränderung der Form des Ventiltellers, um die Umströmung zu verbessern. Allerdings habe ich solche Maßnahmen für den 6G72 nirgends gefunden, und der Effekt dürfte marginal sein; evtl. bringt es etwas in Verbindung mit der Optimierung der Kanäle.

Man kann auch (wie es 3SX bei Stage-II-Köpfen macht) durch Austausch der Ventil-Federn die Redline des Motors nach oben verschieben, aber das ist m.E. kaum für uns pratisch nutzbar.

Also eher Finger weg, ausser Überholung.

Nockenwellen

"Ich hab' 'ne scharfe Nocke drin, eij."

Das soll heissen: Mein Motor hat Nockenwellen mit geänderten Steuerzeiten, oder die Steuerzeiten wurden durch verstellbare Nockenwellen-Räder geändert. Dass soll leistungssteigernd wirken, indem die Einlass- und Auslass-Ventile länger geöffnet bleiben, um länger Gas durchzulassen und damit mehr Volumen durchsetzen zu können.

Problem: Bei unseren gering verdichteten Motoren (8,5:1) ist die Entwicklung des Kolbendrucks eher flach, d.h. am Anfang des Verbrennungstaktes nicht so hoch wie bei hoch verdichtenden Motoren und dann langsam abnehmend. Man möchte hier den Kolbendruck möglichst lange ausnutzen, um Drehmoment zu gewinnen.

Hier bewirkt eine frühere Öffnung des Auslass-Ventils, dass das noch unter Druck stehende und sehr heisse Gas frühzeitig abfließt und damit der Kolbendruck wegfällt -> Drehmomentverlust besonders bei niedrigen Drehzahlen. (Quelle: David Vizerds How to Build Horspower.) Man müsste dem also durch eine Erhöhung der Kompression oder durch Erhöhung des Ladedrucks bei geringen Drehzahlen entgegenwirken - beides schwierig.

Eine größere Überlappung der Öffnung von Einlass- und Auslass-Ventil bewirkt bei einem Turbo-Motor (der ja zwangsläufig durch den Turbolader einen höheren Abgas-gegendruck am Krümmer hat als ein frei atmender Sauger), dass heisses Abgas sich verstärkt mit dem mühsam gekühlten Kraftstoff-Luft-Gemisch vermengt. Das ist kontraproduktiv, sowohl für die Temperaturen als auch für die Leistung. Dewegen bauen wir ja auch die Abgas-Rückführung aus...

Fazit: Für Wettbewerbs-Einsatz mit explosiver Entfaltung von Maximal-Leistung gut, aber für unsere Turbo-Motoren nicht im Alltag oder für Rundstrecken-Einsatz.

Sonstiges

Man kann noch alle möglichen Bauteile erleichtern, wuchten und optimieren. Das ist aber eher aufwändig und teuer und bringt kaum Leistung. Klar: Für Top End Renntechnik macht man so manches, aber eine Übertragung einer Gewichts-Ersparnis von 500g auf ein 1,8t Auto von einem 400Kg Fahrzeug ist dann doch eher marginal.

Die Dichtflächen zwischen Kopf und Block sehen poliert sehr hübsch aus, sind aber keine Dichtflächen mehr - hier ist ein wenig Rauheit angesagt. Also auch nicht übertreiben.