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Kapitel 2 - Grundlagen um die Leistung zu steigern!

Achtung ich übernehme keine Haftung für hier gegebene Hinweise und Tipps. Zwar stellen sie Erfahrungswerte dar, können aber trotzdem zu Schäden führen. Zusätzlich sei darauf hingewiesen, dass Veränderungen an Motoren, Ansaug- und Abgasanlagen meist den Verlust der Straßenzulassung zur Folge haben und deshalb verboten sind!

Wie schon im Kapitel 1 angesprochen ist eine Leistungssteigerung durch zwei Maßnahmen möglich:

- Steigerung des maximalen Drehmoments bei gleicher Drehzahl

- Verschiebung des vorhandenen maximalen Drehmoments in höhere Drehzahlen

Die Steigerung des maximalen Drehmoments ist eine Folge der Erhöhung des Mitteldrucks auf den Kolben des Motors. Der Mitteldruck ist der durchschnittliche Druck, der nach dem Zünden des Kraftstoff - Luft - Gemisches auf den Kolben wirkt. Der Mitteldruck kann durch zwei grundlegende Maßnahmen erhöht werden.

- Erhöhung der Verdichtung

- Vergrößerung des Füllungsgrad

Die Erhöhung der Verdichtung bewirkt eine stärkere Verwirbelung des Kraftstoff - Luft - Gemisch und zu höheren Temperatur, dadurch zu einer verbesserten Zündwilligkeit und somit zu einer schnelleren Verbrennung, die zu einem starken Druckanstieg im Zylinder führt. Der erhöhte Druck hat dann zur Folge, dass der Mitteldruck auch höher liegt.

Zusätzlich sorgt der Druckanstieg für ein größeres Temperaturgefälle zwischen der maximalen Brennraumtemperatur und der Abgastemperatur. Der Grund dafür ist, dass sämtliche Energie, die als Druck vorhanden ist, schlagartig in mechanische Arbeit umgesetzt wird und nun ein geringerer Teil an Wärme im Abgas zurückbleibt. Durch den nach unten laufenden Kolben sinkt der Druck des Gases und dessen Temperatur. Dadurch, dass mehr Energie in mechanische Arbeit umgesetzt wurde, liegt nun die Abgastemperatur erstaunlicherweise niedriger, als bei einem niedrig verdichteten Motor. Bei einem Benzinmotor ist dieser Effekt leider nicht sehr ausgeprägt.

Vergleicht man ihn aber mit einem hoch verdichteten Dieselmotor, wird man erstaunlicherweise feststellen, dass die Abgastemperatur ca. um die Hälfte niedriger liegt, als bei einem vergleichbaren Benzinmotor. Auf dieser Tatsache ist auch der höhere thermische Wirkungsgrad von Dieselmotoren zurückzuführen.

Trotz des geringeren Effektes bei Benzinmotoren ist eine merkliche Kraftstoffeinsparung und Leistungssteigerung zu erzielen. Als Beispiel besaß ein IFA RT 125 mit einer Verdichtung von 1:6 eine Leistung von 6PS bei ca. 5000U/min. Eine hubraumgleiche MZ ETZ 125 dagegen 10 PS bei fast der gleichen Drehzahl. Ein großer Teil dieser Leistungssteigerung ist auf die höhere Verdichtung zurückzuführen. Nun könnte man annehmen, dass es besser wäre die Verdichtung weiter zu erhöhen. Das funktioniert leider nicht. Begründet ist das in den Eigenschaften der verwendeten Kraftstoffe. Deren Oktanzahl bzw. Klopffestigkeit ist begrenzt. Durch die Verdichtungserhöhung kommt es zu einem stärkeren Temperaturanstieg vor und während der Verbrennung, der wiederum eine unkontrollierte Selbstentzündung und somit das Klopfen zur Folge hat. Motorschäden wären die Folge.

Als gesunde Grenze kann man in der Regel bei luftgekühlten Motoren eine nominale Verdichtung von 1:11 annehmen. Diesen Wert kann man überschreiten, wenn die effektive Verdichtung, also die Verdichtung nach schließen des Auslasses, 1 : 7,5 nicht überschreitet. Bei wassergekühlten Motoren sind Werte bis 1:8,5 möglich.

Die Füllung ist bei einem Motor das Maß der Masse an Kraftstoff - Luft - Gemisch, welches dem Motor zugeführt werden kann bzw. welches er ansaugen kann. Die Füllung ist in erster Linie abhängig von der Betriebs- und Umgebungstemperatur eines Motors und vom herrschenden Luftdruck. Mit steigender Umgebungstemperatur, Motortemperatur oder bei niedrigem Luftdruck sinkt die Dichte des Kraftstoff - Luft - Gemisches und somit die Masse, die in Energie umgesetzt werden kann.

Die Folge ist ein niedriger Mitteldruck der zum Leistungsabfall führt. Somit ist klar, warum kühle Motoren und an Tagen gemäßigter Temperaturen vor allem Zweitaktmotoren erheblich leistungsfähiger sind. Leider ist die Dichte der Luft kaum zu beeinflussen. Nur indirekt über die Motortemperatur ist es möglich die Erwärmung der Luft zu verringern.

Bei Zweitaktmotoren muss daher versucht werden, das Kurbelgehäuse so kühl wie möglich zu halten. Die Wärmeaufnahme der Luft kann begrenzt werden durch Verkleinerung der Flächen, die Wärmeabgabe durch Vergrößerung der Flächen. Das bedeutet, dass man alle Teile im Kurbelwellenraum polieren müsste, um die Fläche klein zu halten. Außerhalb des Kurbelwellenraumes müssten die Flächen durch anbringen von Kühlrippen vergrößert werden, damit die Wärme des Motorgehäuses schnell abgeführt werden kann. Nur man muss ehrlich sein, dass eine Politur der Teile im Kurbelwellenraum nur einen bescheidenen Erfolg bringen wird. Es wird aber klar, dass man außen am Motoren auf eine Politur verzichten sollte, um eine bessere Wärmeableitung zu gewährleisten.

Ein weitaus wichtigerer Vorteil der Politur z.B. des Pleuels ist, dass eine Rissbildung verhindert wird. Das wird durch eine deutlich geringere Kerbwirkung einer glatten Oberfläche erreicht. Technisch ebenfalls machbar wäre zumindest bei kleineren Motoren die thermische Trennung von Kurbelgehäuse und Zylinder, durch die Verwendung von Isolierscheiben aus Kunststoff oder anderen schlechten Wärmeleitern. Inwieweit dann aber die unterschiedliche Wärmesausdehnung von Kurbelwellengehäuse und Zylinder beherrschbar ist, wäre noch zu klären.

Zusätzlich zum Anbringen von Kühlrippen ist es möglich, das Kurbellwellengehäuse mit einer dünnen Farbschicht außen zu schwärzen, da schwarze Flächen bessere Wärmestrahler sind. Diese Maßnahmen hat natürlich nur Erfolg, wenn man daran denkt, eine isolierende Schmutzschicht am Motor ständig zu entfernen.

Um die Wärmeaufnahme der Luft schon im Ansaugtrakt zu reduzieren, ist es notwendig, den Vergaser thermisch vom Motor zu trennen. Das wird durch den Einsatz von Isolierscheiben zwischen Vergaser und Zylinder erreicht. Zudem wird auch ein Kochen des Benzins im Vergaser verhindert, was zu Startschwierigkeiten bei heißen Motoren führen würde.

Nachdem die Schutzmaßnahmen besprochen sind, kommen wir nun zu aktiven Maßnahmen der Füllungsverbesserung.

- Veränderung der Druckdifferenzen im Motor

- Verstärkung von Aufladevorgängen

Die in Kapitel 1 angesprochenen kosmetischen Maßnahmen zur aktiven Füllungsverbesserung verbessern die Motorleistung nur sehr geringfügig, sind aber eine gute Grundlage um die handwerklichen Fähigkeiten zu erlernen die weitergehende Maßnahmen erfordern. Ohne massive Änderungen an Vergaser, Zylinder und Auspuffanlage kommt man nun nicht mehr aus. Die Druckdifferenz im Motor, das heißt der Druckunterschied zwischen Zylinder und Kurbelwellengehäuse ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass eine optimale Füllung erreicht wir. Je niedriger der Druck im Brennraum ist, wenn die Überströmkanäle öffnen, um so besser wird der Zylinder aufgeladen und um so besser wird das besser entladene Kurbelgehäuse wieder aufgefüllt, denn dies hat zur Außenwelt bei Einlass öffnen ebenfalls eine höhere Druckdifferenz. Die Beeinflussung des Druckverlaufes im Motor geschieht maßgeblich durch die Veränderung von Kanalquerschnitten in der Breite im Zylinder, durch Änderung der Auspuff und Ansauganlage und letztendlich durch Veränderung von Steuerzeiten bzw. Steuerzeitverhältnissen.

Fangen wir entgegen dem üblichen Weg mal bei der Auspuffanlage an. An ihr wird immer zuerst rumgespielt, weil es so schön einfach ist. Gerade sie ist bei Zweitaktmotoren für die Einhaltung notwendiger Druckabläufe wichtig. Deshalb warnen alle Motorenhersteller davor diese zu ändern. Das machen sie nicht um die Kunden zu ärgern, sondern um ihnen klar zu machen, dass damit die werkseitig gute Abstimmung mit großer Wahrscheinlichkeit verloren geht.

Nun stellt sich die Frage warum das so ist. Die Auspuffanlage steuert bei modernen Zweitaktern die Endladung und Aufladung des Zylinders. Für die Entladung ist das Volumen der Anlage selbst und deren Querschnitte verantwortlich, für die Aufladung ist maßgeblich die Länge, um die wir uns später kümmern, verantwortlich. Nach dem oben angesprochen Prinzip des maximalen Druckunterschiedes zwischen Kurbelraum und Brennraum würde es nahe liegen den Auspuff als offensichtliche Drosselung wegzulassen. Nur dann würde die Aufladung nicht mehr stattfinden und der Zylinder nicht mehr seine Leistung bringen. Vergrößert man das Endrohr oder läst den Schalldämpfer als Drossel weg, würde ein ähnlicher Effekt eintreten. Folge wäre zusätzlich ein übermäßig hoher Benzinverbrauch, weil ja nach dem Prinzip des maximalen Druckunterschiedes das Kurbelgehäuse besonders gut entladen wird. Deshalb muss man dem Zylinder nur scheinbar die Möglichkeit geben ins freie auszuatmen. Dies geschieht durch die Volumenvergrößerung der Auspuffanlage ohne dabei aber den Gegendruck abzubauen. Im großen und ganzen sind die negativen Folgen dieser Maßnahme eine Verschlechterung der Motorleistung in Drehzahlen die der Auspuff im Aufladevorgang nicht unterstützt. Mit diesem Mangel kann man und muss man aber leben wenn man auf der Suche nach mehr Leistungen ist. Nur übertreiben darf man das ganze nicht.

Überschlägig sollte das Auspuffvolumen etwa das 9,8 fache des Kurbelraumvolumens betragen. In der Regel wird bei leistungsschwachen Serienmotoren dieser Wert sehr unterschritten. Man kann das ganze auch auf den Hubraum beziehen. In diesem Fall sollte das Volumen des Auspuffs etwa das 25 fache Volumen des Hubraums haben. Als unterste Grenze gelten Werte von 15 fachen Hubraum. Dieser Wert wird bei vielen Serienanlagen erreicht.

Eine weiter Einflussmöglichkeit ist der Auslasswinkel. Wird nicht nur wie schon angesprochen die Breite, sondern auch die Höhe und damit der Winkel angehoben, so öffnet der Auslass früher und der Druck im Zylinder fällt schneller ab. Auch hier darf nicht übertrieben werden, da sonst das Leistungsband zu spitz gerät. Bei alltagstauglichen Motoren kann man als Grenze einen Vorauslasswinkel von 32° annehmen. Der Vorauslass ist der Winkel, der zwischen dem öffnen des Auslasses und dem öffnen der Überströmkanäle liegt. Wie auch beim Vergrößern des Auspuffvolumens verschlechtert sich die Leistung des Motors außerhalb der Aufladung des Auspuffs. Zudem muss man beachten, dass auch der gesamte Auslasswinkel nicht zu groß gerät. Werte über 190° sollten Rennmotoren vorbehalten bleiben, da zu viel Nutzhub verloren geht und dadurch der Motor zum Spritvertilger wird. Gerade bei kleinen Motoren sollten die eben genannten Winkel nicht ausgereizt werden.

Wer jetzt denkt das ein anheben der Überströmkanäle ebenfalls zu einer schneller bzw. besseren Aufladung führt den muss ich enttäuschen, sofern der Auslass nicht um einen größeren Winkel angehoben wird. Wird der Überströmwinkel vergrößert passiert genau das Gegenteil. Der Überströmkanal öffnet früher und somit ist der Druck weniger stark abgefallen. Hinterrücks wird durch diese Maßnahme nämlich der Vorauslasswinkel verkleinert. Trotzdem hat diese Maßnahme einen positiven Effekt. Bei Motoren die für Kraft aus dem Drehzahlkeller konzipiert werden sollen ist es günstig diese Maßnahme durchzuführen. Einerseits wird die Überströmfläche für größere Vergaser vergrößert und andererseits deckelt das Altgas das Frischgas, setzt es zudem unter Druck und sorgt daher für eine Verzögerung die gerade in niedrigen Drehzahlen außerhalb der Auspuffaufladung zu einer merklichen Drehmomenterhöhung führt. Dieses Prinzip wird gerade bei sehr kleinen Serienzweitaktmotoren angewendet um ein breites Leistungsband zu erzielen.

Verlassen wir nun die Überströmkanäle und wenden uns dem Kurbelraum zu. Auch hier gibt es Möglichkeiten dafür zu sorgen, dass eine größere Druckdifferenz zwischen Kurbelwellenraum und Ansaugsystem auftritt. Wegen Fertigungstoleranzen und bestimmten Bearbeitungsverfahren wie z.B. dem auswuchten der Kurbelwelle wächst das Kurbelraumvolumen zusätzlich an. An der Pumpleistung des Kolbens ändert sich aber in diesem Fall nichts. Auch die Druckdifferenz bleibt augenscheinlich bei größerem Kurbelraum gleich, den nur der bewegende Kolben sorgt für die Druckunterschiede. Doch betrachtet man den Einströmvorgang und damit den Druckausgleich in Abhängigkeit von der Zeit so wird man feststellen, dass bei sehr großen Kurbelräumen der Druckausgleich weniger schnell von statten geht. Dies liegt an der Kompressibelität der Luft. Wenn man einen Tennisball in eine hermetisch abgedichtete Turnhalle wirft, wird man kaum Mühe haben dies zu tun ohne das Luft aus dem System entweicht. Versucht man das aber an einem Zylinder, der gerade so groß ist wie der Tennisball so ist ein merklicher Kraftaufwand nötig. Andersherum hat ein großer Kurbelraum weniger das Bestreben sich zu füllen, wenn ein wenig Luft fehlt als ein kleiner Kurbelraum. Somit wird über die Zeit gesehen ein merklicher Unterschied zwischen beiden Kubelhäusern auftreten, der darauf schließen läst das gerade in hohen Drehzahlen der "Druckunterschied" im kleineren Kurbelwellengehäuse höher sein wird und somit eine besser Füllung die Folge ist. Deshalb kann es sinnvoll sein, sämtliche Auswuchtbohrungen zu verschleißen und z.B. Spalten zwischen der Kurbelwelle und dem Gehäuse mit Verdrängerscheiben zu beseitigen. Auch das Anbringen von solchen Scheiben zwischen Hubscheibe und Pleuel ist möglich. Bei einigen Motoren ist es sogar möglich die Hubscheibe ohne Verlust an Stabilität zu verkleinern. Dadurch wird Platz geschaffen um das Kurbelgehäuse insgesamt zu verkleinern.

Als letztes betrachten wird den Einlasswinkel. Auch wer hier denkt, dass das Anheben des Einlasswinkels eine besser Füllung verusacht ist auf dem Holzweg. Genau umgekehrt ist es der Fall. Je früher der Einlass aufmacht, daher um so länger bei Kolbengesteuerten Motoren der Einlasswinkel ist, um so niedriger ist der Druckuntersied zwischen Kurbelwellenraum und Ansaugsystem. Zwar wird der aufstrebende Kolben wie auch bei kleinem Einlasswinkel so viel Gas nachströmen lassen wie er verdrängt hat. Nur leider reicht das bei weitem nicht aus. Denn wie schon angesprochen verhält sich die Luft sehr Träge und es muss genügen Energie vorhanden sein, um die Luftsäule im Ansaugsystem zum rennen zu bringen. Diese Energie ist nur bei kleinem Einlasswinkel vorhanden. Denn nur dieser sogt für den nötigen hohen Druckunterschied, der der Luftsäule im Vergaser einen ordentlichen Schub verpasst. das dumme an der ganzen Sache ist nur das man den Einlasswinkel nicht zu klein lassen darf denn das verträgt sich wiederum nicht mit hohen Drehzahlen. Somit ist auch hier wieder ein Kompromiss notwendig. Einlasssteuerwinkel über 160° sollten vermieden werden.

Wer jetzt beigeht und die angesprochenen Veränderungen durchführt ohne weitere Betrachtungen durchzuführen wird feststellen müssen, dass dieser Motor noch schlechter laufen wird als der serienmäßige. Alle Änderungen beeinflussen sich gegenseitig und müssen deshalb im Zusammenhang betrachtet werden, um das Gesamtsystem abzustimmen. Im Kapitel 3 möchte ich eine Arbeitsreihenfolge zusammenstellen in der die Schritte beschrieben werden, wie man an die Leistungssteigerung herangehen sollte, um so wenig wie möglich Fehler zu begehen. Zusätzlich spreche ich einige Berechnungsgrundlagen an die eine ziemlich genaue Bestimmung der zu verwendenden Komponenten und Steuerwinkel ermöglicht.

Trotz aller Berechnungen sei aber darauf hingewiesen, dass diese keine Fahrversuche ersetzen sondern nur zum Eingrenzen der tausenden von Möglichkeiten dienen sollen.

Auf die Betrachtung von weiteren Leistungssteigernden Maßnahmen, wie die Korrektur von Spühlwinkeln bzw. den Einströmwinkeln der Überströmkanäle im Zylinder, die maßgeblich die Qualität der Spülung im Zylinder beeinflussen, möchte ich hier nicht weiter eingehen, weil sie den Rahmen bei weitem sprengen würden. Es ist nur zu sagen, dass die serienmäßigen Spühlwinkel in der Regel für erste Versuche ausreichen und im Falle des Falles ein ausgiebiges Literaturstudium erfolgen sollte, um in diesem Bereich Veränderungen durchführen zu können. Wichtig ist nur, dass bei der Bearbeitung immer darauf geachtet werden sollte, dass die Spühlwinkel symmetrisch zur Mittelachse des Zylinders angeordnet sein müssen. Ebenso verzichte ich auf eine ausführliche Betrachtung von Mehrkanalmotoren. Der Grund dafür ist, dass sie die Konsequenz aus fehlende Kanalfläche sind, die benötigt wird um extreme Leistungen zu erzielen. Zusätzliche Kanäle machen daher nur Sinn wenn die Flächen der ausgeweiteten Serienkanäle nicht mehr ausreichen. Verwendet man zu viele Kanäle sinkt die Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen und der Gasstrom wird instabil und zerfasert. Die Folge ist eine sogar verschlechterte Spülung. Wie Mehrkanalzylinder hergestellt werden findet man auf einschlägigen Seite im Netz.

Achtung ich übernehme keine Haftung für hier gegebene Hinweise und Tipps. Zwar stellen sie Erfahrungswerte dar, können aber trotzdem zu Schäden führen. Zusätzlich sei darauf hingewiesen, dass Veränderungen an Motoren, Ansaug- und Abgasanlagen meist den Verlust der Straßenzulassung zur Folge haben und deshalb verboten sind!
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