Ich wurde gebeten ein paar Grundlagen zum Thema Leistungssteigerung zu schreiben und dabei den Sinn und Unsinn von einzelnen Angebotenen Tuningmethoden ein wenig auf den Grund gehen.
Dieses Thema ist sehr umfangreich und um alles zu verstehen sollte man im Kleinen in die Materie einsteigen, zumindest wenn man verstehen will warum etwas so ist wie es ist und nicht nur mit Plug&Playlösungen arbeiten will - man eben ein Tuner ist.
Inhaltsverzeichnis:
1) Grundlagen des Ottomotors
2) Kraft kommt von Kraftstoff
3) Hardwaretuning Sauger
4) Softwaretuning Sauger
5) Hardwaretuning Turbo
6) Softwaretuning Turbo
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1) Grundlagen des Ottomotors
Fangen wir bei den einfachsten Grundlagen des Ottomotors an.
Dieses Video beschreibt gut die Grundsätzliche Funktion des Ottomotors, wobei ein Motor nicht immer 2 Nockenwellen hat, es gibt auch Motoren wo das alles über eine Nockenwelle machbar ist.
Der durchschnittliche Wirkungsgrad eines Ottomotors beträgt etwa 16%.
Das heißt, das nur ca. 16% des Benzins das wir verbrauchen auch in Bewegungsenergie umgewandelt wird.
Gemischbildung
Bei einer Verbrennung im Ottomotor spielt sowohl aus leistungstechnischer Sicht als auch aus Umwelttechnischer Sicht immer wieder der Lambdawert eine Rolle.
Der Lambdawert bezeichnet das Verhältnis zwischen der bei der Verbrennung zur Verfügung stehenden Luftmasse und dem für eine optimale Verbrennung benötigten Luftmasse.
Die optimale Luftmasse beträgt 14,7kg Luft für 1kg Kraftstoff. Das entspricht einem Lamdbawert von 1.
Dieses ist Leistungstechnisch nicht ganz optimal, hat aber bei der Abgasnachbehandlung (Katalysator) die größte Umwandlungsrate.
Ein mageres Gemisch hat einen Luftüberschuss, bei Lambda 1,1 wären das also 10% Luftüberschuss.
Dadurch, dass der überschüssige Sauerstoff sehr reaktionsfreudig ist kommt es zu einer heißeren Verbrennung.
Ein fettes Gemisch hat Mangel an Luft, bei Lambda 0,9 fehlen also 10% Luft.
Bei geringem Mangel ist die Leistung besser als bei Lambda 1,0:
2) Kraft kommt von Kraftstoff
Das ist Physik. Da kann man Tricksen wie man will, Physik lässt sich nicht austricksen.
Wir müssen uns also überlegen: Wie bekommen wir mehr Kraftstoff-Luftgemisch bei gleicher Zeit in den Zylinder?
Im folgenden möchte ich einige Konstruktive Tricks bei der Neuentwicklung von Motoren und Veränderungen im Aftermarket-Bereich ("Tuning") erklären:
3) Hardwaretuning Sauger
Die einfachste Antwort auf unsere Eingangsfrage ist wohl: Den Zylinder größer machen => Mehr Hubrauch
Problem: Zum einen wird der Motor größer und schwerer, aber auch die Reibungsverluste und Temperaturverluste nehmen zu.
Eine andere Möglichkeit wäre mehr Drehzahl zu machen, wenn ich Drehzahl verdoppele habe ich auch die doppelte Kraftstoffmenge in der gleichen Zeit.
Nachteil: Der Motor muss feiner gewuchtet werden, da kleine Unwuchten bei hohen Drehzahlen große Kräfte entwickeln. Zudem hat man die Problematik, dass mit steigener Drehzahl das Kraftstoffluftgemisch weniger Zeit hat in den Zylinder zu strömen, dort müssen dann wieder konstruktive Tricks benutzt werden, mehr dazu später.
Um den Explosionsdruck voll ausnutzen zu können kann auch die Kompression erhöht werden. Durch den verkleinerten Raum kann die Flammfront schneller durch das gesamte Volumen gleiten, jedoch neigt durch den hohen Druck und der dadurch ansteigenden Temperatur auch der Kraftstoff eher zur Selbstentzündung.
Diese unkontrollierte Verbrennung nennt man dann klopfen. Eine klopfende Verbrennung kann den Motor sehr schnell schädigen. Entgegenwirken kann man dem mit Kraftstoff mit hoher Oktanzahl oder einer früheren kontrollierten Zündung über die Zündkerze - so regelt z.B. ein Motorsteuergerät durch die Zündverstellung beim aktiver Klopferkennung.
Grundsätzlich versucht man möglichst spät zu zünden, so wird der Kompressionsdruck voll ausgenutzt und die Leistungsentfaltung ist optimal.
Bei älteren Fahrzeugen mit rotierender Zündverteilung kann das Verstellen der Zündung Richtung spät eine Mehrleistung bringen - erhöht aber die Gefahr des Klopfens.
Dann gibt es die Möglichkeiten die Füllung des Zylinders zu verbessern, also möglichst viel Kraftstoff-Luft-Gemisch in möglichst kurzer Zeit in den Zylinder zu pumpen.
Dafür gibt es verschiedene konstruktive Möglichkeiten.
Eine der Engstellen ist häufig das Einlassventil. Dort kann man auf 2 oder 3-Ventiltechniken setzen (16V / 20V-Motoren) oder eine schärfere Nockenwelle verbauen, diese lässt das Ventil länger offen und und macht es weiter auf.
Doch auch dort gibts es Grenzen: Wenn das Ventil zu lange offen bleibt kann es bei der Ventilüberschneidung (sowohl Einlass- als auch Auslassventile sind offen) dazu kommen das unverbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Abgasanlage gelangt. Das sind die sogenannten Spülverluste, diese sind natürlich schädlich für die Abgaswerte und genau das, was man eben nicht will.
Eine weitere Engstelle ist die Drosselklappe.
Über die Drosselklappe wird der Motor gesteuert. Die Luftzufuhr wird von der Drosselklappe begrenzt, der Motor bemisst über die Drosselklappenposition und weitere Sensoren den Kraftstoff der eingespritzt wird.
Bei den meisten Fahrzeugen ist eine zentrale Drosselklappe verbaut, diese ist natürlich entsprechend groß.
Dort gibt es die Möglichkeit auf einzelne Drosselklappen vor jedem Zylinder umzubauen. Diese Drosselklappen sind kleiner und bieten im geöffneten Zustand weniger Verluste.
4) Softwaretuning Sauger
Chiptuning hat bei einem serienmäßigen Saugermotor häufig wenig Sinn.
Man kann zwar ein wenig optimieren, aber da sind vielleicht 5PS machbar.
5) Hardwaretuning Turbo
Eine weitere Möglichkeit die Füllung zu verbessern ist natürlich das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den den Zylinder zu pressen.
Dazu wird der Motor über einen Turbolader oder Kompressor aufgeladen.
Je mehr Ladedruck ich fahre desto mehr Luft kommt bei jeder Umdrehung in den Zylinder - also kann ich mehr Kraftstoff einspritzen.
Durch den Ladedruck und den gestiegenen Explosionsdruck des Kraftstoff-Luft-Gemischs werden aber auch die Motorkomponenten stärker beansprucht.
Das betrifft vor allem die Pleuel und die die Motorlager, daher wird bei einer Leistungssteigerung in diesem Bereich meist dort zuerst angesetzt.
Aber auch die Kraftstoffversorgung kann Probleme machen - wenn z.B. die Fördermenge der Einspritzdüsen oder der Kraftstoffdruck nicht ausreicht kann bei hoher Last die Kraftstoffmenge einbrechen und das Gemisch magert Schlagartig ab.
Zudem steigt durch höhere Verdichtung auch die Ladelufttemperatur. Dort muss dann mit einem entsprechenden Ladeluftkühler und/oder mit Chemie (Wasser-, CO²- oder Lachgaskühlung für den Ladeluftkühler oder Wassermethanoleinspritzung) die Ladeluft heruntergekühlt werden, damit sie weniger Raum einnimmt.
6) Softwaretuning Turbo
Ein Motorsteuergerät bestimmt alle Faktoren des Motorlaufs aufgrund eines sogenannten Kennfelds.
Diese Kennfelder sind 3-Dimensional. Es gibt ein Hauptkennfeld, dass Abhängig von Drehzahl und Lastsignal wird die Kraftstoffmenge bestimmt.
Die Kraftstoffmenge kann über Einspritzzeit (Ansteuerung der Injektoren) oder Änderung des Kraftstoffdrucks bestimmen.
Als Lastsignal kommen verschiedene Faktoren zum in Frage:
1) Saugrohrdruck / Ladedruck
2) angesaugte Luftmasse oder Luftmenge
3) Drosselklappenstellung
Auf das Hauptkennfeld kommen dann viele Anpassungen zur Anwendung.
Dort spielt das Lambda-Signal, die Kühlmitteltemperatur des Motors (Kaltlauf), Lastsignale (z.B. von der Klimaanlage oder Kühlerlüfter), Klopfregelung un so weiter eine Rolle.
Häufig kommen auch weitere Kennfelder z.B. für die Zündungsverstellung und Ladedruckregelung zum Tragen.
Ein Chiptuner kann auf diese Werte Einfluss nehmen und den Ladedruck, den Einspritzzeitpunkt, die Einspritzmenge und die Zündung einfluss nehmen und somit die Leistung des Motors optimieren.
Auf diesem Wege kann er den sicherheitsbereich den jeder Hersteller für die Massenproduktion einbaut ausnutzen.
Ein Chiptuning ist aber auch immer ein tiefer Eingriff in die Motorsteuerung und ein unerfahrener oder unfähiger Chiptuner kann so Schäden am Motor oder der Peripherie (Turbolader, Kat, etc) verursachen.
Eine andere Methode ist das verbauen von sogenannten "Tuningboxen".
Bei dieser Methode werden die Signale die zur Anpassung des Hauptkennfeldes benutzt werden verfälscht um eine Mehrleitung zu erzielen - so werden z.B. Kraftstoffdruck, Ladedruck oder Temperaturwerte verfälscht um mehr Ladedruck oder mehr Kraftstoffeinspritzung zu erreichen.
Alternativ wird direkt auf die Aktoren für Ladedruckregelung oder Einspritzung zugregriffen und diese Signale verfälscht.
Teils kommen dort einfache Widerstände zum Einsatz, teils Microcontroller - ich persönlich rate von dieser Methode komplett ab, da beides in meinen Augen Pfusch ist.