E_1949_Zeitung_Nr.002

Nr. 2 - HTTTWOCB, 12. JANUAR 194» AUTOMOBIL REVUE 13
Auf der Suche nach Mehrleistung
Mässnahmen zur Leistungssteigerung von Motoren*)
II. Die Erhöhung der Drehzahl
Die im ersten Teil dieser Arbeit behandelten
Mässnahmen zur Erhöhung des Mitteldruckes
sind im allgemeinen nicht sehr schwieriger Art
und verlangen keine grundlegenden Aenderungen.
Wirklich einwandfrei ausgeführte Verbesserungen
der Ansaug- und Auspuffleitung können
an und für sich schon kleine Drehzahlsteigerungen
zur Folge haben, doch handelt es sich damit
in der Regel um wenige hundert Touren pro
Minute. Für wirklich ins Gewicht fallende Erhöhungen
sind weitgehendere Arbeiten notwendig.
Die Höchstdrehzahl eines Motors entspricht
selten derjenigen der Höchstleistung. Die meisten
Motoren können um einen mehr oder weniger
grossen Betrag « überdreht» werden, doch verhindert
der eintretende Leistungsabfall ein praktisches
Ausnützen dieses Astes der Leistungskurve.
Die im ersten Teil erwähnten Mässnahmen
können das Gebiet der Höchstleistung wohl
etwas nach oben verschieben, was auf Kosten
der Leistung im unteren und mittleren Drehzahlbereich
geschieht.
Die Leistungscharakteristik eines Motors, insbesondere
der Punkt der Höchstleistung sowie
der absoluten Maximaldrehzahl, wird vom Konstrukteur
ungefähr festgelegt, was auf verschiedenen
Wegen erfolgen kann. Recht häufig wird
der Innendurchmesser der Ansaugleitung und
der Ventilöffnungsquerschnitt so bemessen, dass
die Luftgeschwindigkeit über einer bestimmten
Drehzahl so stark anwächst (etwa über 120
m/sec), dass der Motor gleichsam « verhungert ».
Auch die Ventilsteuerung, mit anderen Worten
die Oeffnungs- und Schliesszeiten, sowie ihre
Dauer kann die Drehzahl begrenzen, während
eine weitere Begrenzungsmöglichkeit beim Flattern
der Ventilfedern auftritt, wo eine normale
Füllung der Zylinder aufhört. Die Erhöhung der
Drehzahl bringt durch das Ansteigen der Massenkräfte
eine hohe Mehrbeanspruchung des
Motors, denen nicht jede Maschine gewachsen
ist. Um dies festzustellen, muss ein Motor ausgebaut
werden; aber auch dann verlangt diese Beurteilung
meist mehr Kenntnisse, als dem Amateur
zur Verfügung stehen.
4. Verbesserungen im Kurbeltriebwerk.
Grosse Bedeutung in dieser Beziehung besitzt
die Ausbalancierung aller rotierenden
und hin- und hergehenden Teile des Triebwerks,
die die im ^Kolbenmotor unvermeidlichen Massenkräfte
möglichst klein halten solL Ferner
müssen die Schwingungen der Kurbelwelle, insbesondere
die Torsionsschwingungen, so beherrscht
werden, dass ihr gefährliches Maximum,
das bei den sogenannten kritischen Drehzahlen
auftritt, möglichst ausserhalb des normalen Fahrbereichs
zu liegen kommt. Grundsätzlich besitzen
kurze, kräftig dimensionierte Kurbelwellen höhere
Eigenschwingungszahlen als dünnere und
lange Wellen. Bei gewöhnlichen Tourenwagenmotoren
sind aber auch die Kurbelwellen des ersten
Typs selten so vollkommen ausbalanciert,
dass sie sowohl in ruhendem Zustand (statisch)
an jeder Stelle ausgewuchtet sind und auch rotierend
(dynamisch) keine Unwuchten aulweisen.
Mit Geduld und Fingerspitzengefühl lässt
sich hier einiges erreichen; genaue Arbeit aber
kann nur auf den dazu bestehenden besonderen
Maschinen geleistet werden. Indessen lässt sich
hier auch mit einfachen Mitteln eine Verbesserung
erzielen. Die auszuwuchtende Kurbelwelle
spannt man leicht drehend zwischen die Spitzen
einer Drehbank auf; noch besser ist ein Auswuchttisch,
wie ihn die Abbildung zeigt Dessen
beide Holme müssen absolut genau parallel und
horizontal liegen.
Abb. 12. Auswuchttisch für die Ausbalonclerung etnar Kurbelwelle,
ein Notbehelf an Stelle der besseren Spezlalmaschinen.
O b e n i Genau horizontal und parallel.
Die meisten Kurbelwellen sind heute mit
Ausgleichsgewichten versehen, die die Zentrifugalkräfte
ausgleichen sollen. Diese entstehen
nicht nur durch die gegenüberliegenden kurbelzapfen,
sondern auch durch den Fuss der Pleuelstange
und etwa das untere Drittel ihres Schaftes.
Vor dem Auswuchten ist deshalb das Gewicht
dieses Pleuelstangenteils zu bestimmen.
Weil die Kurbelwelle einer Mehrzylindermaschine
nicht mit teilweise abgeschnittenen und
montierten Pleuelstangen ausgewuchtet werden
kann, befestigt man an jedem Kurbelzapfen
einen Metallstreifen im Gewicht des erwähnten
Pleuelteils. Es gehört zum Vergütungsprozess der
Kurbelwelle, deren oft unbearbeitete Flächen zu
polieren; dies muss allerdings vor dem Auswuchten
erfolgen, da bei diesem Prozess wiederum
Gewichtsvariationen entstehen.
Eine statisch ausgewuchtete Kurbelwelle
muss auf dem Auswuchttisch in jeder Stellung
stehen bleiben. Hat sie die Tendenz, immer wieder
auf bestimmte Stellungen zurückzukommen,
so besteht in der senkrechten Längsebene durch
den bevorzugten Auflagepunkt eine Unwucht.
•) Siehe AR. Nr. 1,1949.
Abb. 13. (jewlchtsbestimmung des Pleuels. Pleuelkopf und
Pleuelfuss sind gesondert zu wägen.
Diese kann durch Materialabnahme in den unteren
Kurbelwangen dieser Ebene behoben werden,
doch sollte durch ein Auswuchten in der
Längsachse genau festgestellt werden, wo sie
sich befindet. Das Abnehmen von Material, das
sehr sorgfältig zu geschehen hat, erfolgt entweder
durch Ausbohren kleiner Mengen oder
durch Abrunden der Wangenenden. An und für
sich wirkt sich eine Gewichtsverminderung der
Kurbelwelle günstig auf das Beschleunigungsvermögen
des Motors aus, doch begibt sich der
seiner Sache nicht völlig Sichere auf ein gefährliches
Gebiet
Abb. 14. Klein« Gewfchtsreduttüon
an der Kurbetwelle
durch Materialabnahme, eine
der Möglichkeiten beim Auswuchten.
Die Massenkrafte, die durch das Hin- und
Hergehen des Kurbeltriebes entstehen, können
schon bei mittleren Drehzahlen die Grosse des
Explosionsdruckes erreichen. Gewichtsdifferenzen
von Pleuel, Kolben und Kolbenbolzen, aber
allein auch überflüssiges Gewicht dieser Teile
üben ebenfalls einen Einfluss auf die Drehfreudigkeit
des Motors aus. Selbst wenige Gramm
Gewichtsersparnis bringen Vorteile. Die Bearbeitung
der Pleuelstangen hat allerdings einen anderen
Zweck. Durch Polieren ihrer Oberfläche
wird die Bruchsicherheit etwas erhöht, was angesichts
der bei den gesuchten höheren Drehzahlen
oft eine Notwendigkeit ist. Deren rauhe
Oberfläche, wie übrigens auch diejenige der
Kurbelwelle, wird zuerst mit einer Schlichtfeile,
nachher mft grobem und schliesslich mit
feinem Schmirgeltuch bearbeitet Die einzelnen
Pleuelstangen eines Motors, wie auch die Kolben,
müssen alle bis auf etwa 1 g genau gleiches Gewicht
besitzen. Dass sich Pleuel-, Kurbelwellenund
Kolbenbolzenlager in einwandfreiem Zustand
zu befinden haben, der gesamte Kurbeltrieb
genau abgewinkelt und alle Zylinderbohrungen
genau parallel sein müssen, ist eine
Selbstverständlichkeit
Von den Kolben verlangt man möglichst geringes
Gewicht sowie genügende Festigkeit. Auch
gegenüber den modernen Leichtmetallkolben
lässt sich noch' einiges an Gewicht einsparen,
denn man baut heute besonders leichte, oft im
Schaft kurze Spezialkolben für Höchstleistungsmotoren,
die beispielsweise aus Elektron bestehen
können. Kolben mit reduzierten Gleitflächen zur
Verkleinerung des Gewichtes sind manchmal
für die auftretenden Beschleunigungen zu
schwach und werden abgerissen. Gewichserleichterungen
an bestehenden Kolben sind
nicht zulässig, da sie dessen Struktur zu stark
schwächen.
Die Kolbenringe dürfen im Hinblick auf die
hohen Drehzahlen nicht zu breit sein; das richtige
Mass liegt etwa zwischen 1,5 und 2,5 mm.
Die Ringzahl spielt nicht die gleiche Rolle wie
bei einem Gebrauchsmotor, doch ist auf womöglich
noch bessere Einpassung und vollkommeneres
Einfahren zu achten. Normale Kolbenbolzen
weisen auf ihrer ganzen Länge den gleichen
Durchmesser auf, weshalb sich durch konisches
Ausdrehen gegen die Enden zu eine
leichte Gewichtsersparnis erzielen lässt Da nur
die tragende, äussere Bolzenfläche gehärtet ist,
kann dies ohne Schwierigkeit bewerkstelligt
Abb. 15. Konisches Ausdrehen des Kolbenbolzens zur
Gewichlsersparnii.
werden; in der Bolzenmitte muss man allerdings
den Originaldurchmesser beibehalten, um den
Bolzen nicht zu schwächen.
5. Herabsetzen der Gasgeschwindigkeit in der
Ansaugleitung.
Es ist nicht möglich, eine Ansaugleitung so
zu bauen, dass sie bei allen Drehzahlen nur
durch das Ansaugen durch die Kolben aHein eine
gute Füllung ergibt Enge Ansaugleitungen bieten
im allgemeinen bei niedern Drehzahlen,
weite Leitungen bei höheren Drehzahlen eine
bessere Füllung; im übrigen Drehzahlbereich hat
man jeweils eine schlechtere Füllung in Kauf zu
nehmen. Die höchst zulässige Geschwindigkeit
des Gasstromes beträgt bei Vollast und höchsten
Drehzahlen 100 bis 140 m/sec Im Gebrauchsfahrzeug
sucht man diese Geschwindigkeit bei mittlerer
Drehzahl und über einen weiten Bereich zu
unterbieten. In unserem Fall streben wir danach,
diesen Bereich nach oben zu verlegen, wodurch
wir eine Verschlechterung der Füllung, also des
Mitteldruckes und damit des Drehmomentes im
unteren Drehzahlbereich in Kauf nehmen. Dadurch
entsteht eine Leistungscharakteristik, die
dauerndes Hochhalten der Drehzahl und häufiges
Benützen der unteren Gänge verlangt
Es ist notwendig, dass man sich über die Berechnungsart
der Strömungsgeschwindigkeit in
der Ansaugleitung ein Bild macht Dies erfolgt
nach der einfachen Formel
v.
f-3000
wobei bedeuten V s •» Strömungsgeschwindigkeit
in m/sec, F k = Kolbenfläche in cm», n =
Drehzahl/min, s = Hub in cm, f — Strömungsquerschnitt
in cm«. Durch diese Formel lässt
sich nun die Gasgeschwindigkeit vom Vergaser
bis zum Eintritt in den Verbrennungsraum berechnen,
wobei allerdings Verluste nicht berücksichtigt
sind.
Die kritische Stelle ist nun nicht etwa die
Ansaugleitung selbst, sondern der Querschnitt f
beim Einlassventil. Dieser ist zuerst zu berechnen
Abb. 1«. Der Ventilöffnungsquerschnitt.
Durch Veränderung
des Ventilsitzwinkels lässt sich
der effektiv wirksame Querschnitt
leicht erhöhen.
und zu prüfen, da eine Abänderung hier zu beginnen
hat. Zu kleine Eintrittsfläche kann behoben
werden einmal durch grössere Ventile,
ferner aber oft schon durch blosse Verkleinerung
des Ventilsitzwinkels. Den Strömungsquerschnitt
f beim Eintritt in den Verbrennungsraum berechnet
man nach der Formel
t = d.«.h.eos y
wobei bedeuten h = Ventilhub in cm, d = Ventilöffnungsdurchmesser
in cm, y = Ventilsitzwinkel.
Ein Rechenbeispiel zeigt, wie sich der Einlassquerschnitt
durch Reduktion des Ventilsitzw4nkels
von 45 auf 30" vergrössern lässt Wir
nehmen einen eiwas andern Motor als im Rechenbeispiel
des ersten Teils, und zwar mit folgenden
Daten:
Bohrung b = 70 mm
Hub
s = 100 mm
Ventilöffnungsdurchmesser d = 28 mm
Ventilhub h = 7 mm
Die bisherige Höchstdrehzahl betrage 3600
T'min; wir streben an, eine solche von 4500
T/min zu erhalten. Der Strömungsquerschnitt
beträgt nach obgenannter Formel
f = 2,8 . *. 0,7 . 0,707 - 4,35 cm»,
da cos 45° = 0,707 ist Somit erhalten wir bei
3600 T/min eine Gasgeschwindigkeit von
38,5 .3600 .10 ^ ,
V S - -4.35:3000 •"•»*"
also eine Zahl, die unterhalb der kritischen
Grosse von 140 m/sec liegt und als günstig beurteilt
werden kann. Bei 4500 T/min würde die
Gasgeschwindigkeit aber bereits 132,5 m/sec betragen.
Reduzieren wir den Ventilsitzwinkel auf
30°, so erhöht sich die Grosse a der Zeichnung,
die mit h . cos y berechnet wird, da cos 30* —
0,866. Somit beträgt der neue Strömungsquerschnitt
f = 2,8 . n. 0,7 . 0,866 =- 5,33 cm>
und wir erreichen durch diese einfache Aenderung
eine Strömungsgeschwindigkeit von 108
m'sec, was unserer Absicht entspricht. Auf ähnliche
Weise lassen sich die Einflüsse von andern
Abänderungen, wie der Vergrösserung der Ventilöffnung
oder des Ventilhubes, berechnen.
Diese letztere gehört allerdings in ein anderes
Gebiet, das hier nur kurz gestreift sei, nämlich
der Abänderung der Nockenform. Nicht nur
die Dauer des Ventilhubes, sondern auch seine
Höhe, wird durch die Form der Nocke bestimmt.
Eine hohe Nocke mit steiler Flanke öffnet
ein Ventil rascher und länger als eine gewöhnliche
Nockenform. Eine neue Nockenwelle
gehört allerdings nicht mehr zum Frisieren im
eigentlichen Sinn des Wortes, sondern bedeutet
bereits eine grundsätzliche konstruktive Aenderung
des Motors und gehört auch aus finanziellen
Gründen nicht in diesen Zusammenhang.
Normalerweise befindet sich die engste Stelle
des Ansaugweges beim Ventil. Der Durchmesser
der eigentlichen Ansaugleitung soll diesen mit
Ausnahme des Lufttrichters im Vergaser, wo die
höchste Strömungsgeschwindigkeit herrscht nie
unterschreiten. Im vorliegenden Fall beträgt also
der Minimaldurchmesser der Ansaugleitung eines
einzelnen Zylinders d nach der Formel
f «. oder d «= V - V «* 2 « 6 aa
T
4
n * n
Neben dem Abändern des Ventilsitzes kommen
noch andere Mässnahmen in Frage, so
möglicherweise eine Materialabnahme kurz vor
dem Ventildurchgang, der oft um 1 bis 4 mm erweitert
werden kann, wobei die übliche Vorsicht
wegen der Wandstärke zu beachten ist
Die obenerwähnten Rechenbeispiele haben
nur grundsätzlichen Charakter, zeigen aber, wie
sich die Verhältnisse bei günstigen Ansaugleitungen
gestalten.
6. Abänderungen der Ventilsteuerung.
Die Steuerzeiten eines Motors, das heisst die
Oeffnungs- und Schliesszeiten, werden durch
den Konstrukteur bestimmt Im allgemeinen besitzen
niedertourige, weiche und geräuscharme
Motoren kurze Oeffnungsdauer, während Sportund
Rennmotoren lange Dauer und einen grossen
Ueberschneidbereich besitzen, wo Einlass- und
Auspuffventil beide geöffnet sind. Dies ist notwendig,
um bei den häufigen Gaswechseln mit
Abb. 17. Materialabnahme beim Eintritt der Ansaugleitung m
den Verbrennungsraum. Gestrichelt: Nach der Bearbeitung.
Füllen, und Leeren noch eimgermassen mitzukommen.
Bei niederen Drehzahlen ergeben lange
Oeffnungsdauer dagegen Verluste und damit
schlechte Leistung. Typische Einlaßsteuerzeiten
für einen niedertourigen Motor sind Oeffnen bei
0 bis 6° vor dem oberen Totpunkt, Schliessen
35 bis 45° nach unterem Totpunkt. Die entsprechenden
Zahlen bei einem hochtourigen Motor
lauten: Oeffnen bei 20° vor OTP, Schliessen bei
50 bis 60° nach UTP. Die Dauer der Oeffnung
lässt sich ohne Auswechseln der Nockenwelle
nicht beeinflussen, wohl dagegen der Beginn der
Oeffnung, der durch die Verbindung zwischen
Kurbel- und Nockenwelle bestimmt wird. Da der
Konstrukteur eines Gebrauchsmotors auch auf
weichen Gang, wenig Geräusch und gute Leistung
im mittleren Drehzahlbereich achten muss
und die Ventilsteuerung entsprechend wählt,
kann man versuchen, durch etwas frühere Oeffnung
eine Mehrleistung im oberen Drehzahlbereich
(wiederum auf Kosten der Elastizität) zu
erreichen versuchen. Der Erfolg dieser Arbeit,
die mit viel Geduld und Ueberlegung ausgeführt
werden muss, ändert von Motor zu Motor, denn
er hängt davon ab, wie der Nockenwellenantrieb
konstruiert ist Eine Feinveränderung um wenige
Grade ist nur bei einer kleinen Zahl von Motoren
möglich, da die meisten Stirnräder eine kleine
Zähnezahl aufweisen und deshalb Aenderungen
um einen einzigen Zahn schon eine starke Vorverschiebung
der Oeffnung zur Folge haben. Bei
Zähnezahlen von 20 und 40 bringt beispielsweise
die Verstellung um einen Zahn eine Vor- oder
Spätöffnung von 18°. Tritt hier eine Leistungssteigerung
ein, so ist sie eher dem Zufall zu verdanken.
Abb. ra. Nockenwenenemtrieb
mit drei um 120° versetzten
Keilbahnen zur Feinveränderung
der Oeffnungszeiten.
Durch Anbringen mehrerer Keilbahnen auf
einem der Zahnräder sind allerdings feinere
Aenderungen möglich. Je nach Zähnezahl verteilt
man 3, 5, 6 oder 7 Keilbahnen in der richtigen
Distanz. Das Verhältnis von Zähnezahl zu
Keilbahnzahl darf nie aufgehen, also bei 20 Zähnen
(obiges Beispiel) wählt man 3 und nicht
5 Keilbahnen. Durch 6 um je 60° versetzte Keilbahnen
lassen sich im obenerwähnten Fall Feineinstellungen
von 3 zu 3° erreichen.
Verhältnismässig einfach ist die Behebung der
Drehzahlbegrenzung durch das Ventilflattern, wo
M>b. 1». Matrlmngefün.
tei AuspuffVentil.
es genügt, stärkere Ventilfedern einzubauen.
Gute Resultate erreicht man mit zwei konzentrischen
Ventilfedern, die in ungespanntem Zustand
gleich lang sein sollen und die entgegengesetzte
Steigung aufzuweisen haben, also beispielsweise
äussere Feder Links-, innere Feder
Rechtssteigung. Auch im Ventilantrieb sollen
die hin- und hergehenden Massen möglichst klein
gehalten werden, doch ist ein Wegnehmen von
Material an Ventilteller oder Schaft zu unterlassen,
da man die Ventile damit schwächt. Die
bekannten Tulpenventile sind meist leichter als
volle Ventile; für den Auspuff können natriumgefüllte
Ventile vorgesehen werden, die neben
der Gewichtsersparnis auch die so notwendige
Wärmeableitung erleichtern helfen.
Ohne dass das Schwungrad eigentlich
zum Kurbeltrieb gehört, muss es ebenfalls in die
Arbeiten einbezogen werden. Eine Reduktion der
Schwungmasse besonders am Umfang vermindert
wohl den gleichmässigen Lauf besonders bei
niedrigen Drehzahlen, erteilt dem Motor aber
ein rascheres Beschleunigungsvermögen, weshalb