Wednesday, December 4, 2013

Drehmoment oder Drehorgel?


Was oder wer entscheidet hauptsächlich ob ein Motor viel Leistung bei hoher Drehzahl oder viel Drehmoment aus dem Keller produziert? Es ist die Nockenwelle! Die Nockenwelle bestimmt neben anderen Faktoren hauptsächlich über den Charakter des Motors.

Die Nockenwelle gehört wie die Doppelvergaser und dem Sportauspuff zu Motortuning. Es nützt nicht viel fette Doppelvergaser auf den Motor zu bauen wenn die Nockenwelle wegen ihrer Charakteristik keine höheren Drehzahlen zulässt.

Die Nockenwelle steuert die Öffnungszeiten der Ein- und Auslassventile und regiert darüber wann wie viel Explosivstoff in den Zylinder strömen darf und wann die Abgase wieder raus dürfen.

Wir kennen das Viertaktprinzip eventuell noch aus dem Physikunterricht, zunächst öffnet sich das Einlassventil und lässt das Benzin-Luftgemisch einströmen während der Kolben sich im Zylinder nach unten bewegt. Man kann sich das vorstellen wie wenn man eine Spritze aufzieht, der Kolben geht rein und erzeugt dabei einen Unterdruck. Jetzt schliesst sich das Einlassventil und der Kolben schnellt nach oben und verdichtet so das Gemisch. Dieses wird jetzt von der Zündkerze gezündet. Dieses Zünden verursacht das Verbrennen der Gasladung und führt zu einer isentropen Expansion, ja so heisst das wirklich. Diese Expansion drückt den Kolben wieder nach unten, das nennt sich dann Arbeitstakt. Jetzt wissen wir auch warum uns Arbeit deprimiert (nach unten drückt)… Jetzt öffnet sich das Auslassventil damit der Kolben das verbrannte Gas beim erneuten hochgehen über den Auspuff aus dem Motor fördern kann.

Nun scheint das ja eine einfache Geschichte zu sein, doch bei den Drehzahlen die uns interessieren stellt sich die Frage wie kann man dieses Zusammenspiel auch jenseits der 5000er Marke aufrechterhalten.

Generell kann gesagt werden je länger (bei einem Saugmotor) gefüllt werden kann desto mehr zündfähiges Gemisch (also Kalorien) kann gefuttert werden und desto mehr kann geleistet werden.
In anderen Worten, Einlassventile sollen schnellstmöglich öffnen dann so lange wie möglich offen bleiben und dann wiederum schnellstmöglich Schliessen. Das Problem bei unseren Motoren ist die Anzahl der mehr oder weniger schweren Metallteile deren Masse ein schnelles auf und ab oder hin und her behindert. Ich kann das aus eigener Erfahrung sagen, meine Masse verhindert auch ein schnelles auf und ab, das kann ich bestätigen…
Aber um das zu verstehen muss jetzt nicht Speck angefressen werden da hilft auch etwas Vorstellungskraft. Wenn sich so eine Nockenwelle ganz langsam dreht und man der Nocke mit dem Finger folgen wollte könnte man das wohl problemlos. Wenn die Drehzahl der Nockenwelle erhöht würde könnte man der Nocke mit dem Finger nicht mehr folgen und die Finger würden von der Nockenspitze schmerzhaft auf die Finger bekommen.

Das Selbe geschieht mit den Teilen die der Nockenform folgen wollen, je höher die Drehzahl steigt je schwieriger wird es für Stössel, Stösselstangen, Kipphebel und Ventilen der Bewegung der Nocke zu folgen. Je schwerer diese Teile sind desto mehr Probleme haben sie dabei. Beim Käfermotor sind das mehr Teile als beim 911er der mit einer oben liegenden Nockenwelle pro Zylinderbank glänzt. Mehr Teile gleich mehr Gewicht, doch um der Nockenwelle behände folgen zu können muss die Masse erleichtert werden ohne dass die Stabilität der Teile geopfert wird. Übertragen auf mich hiesse dass, Fett weg und Muskeln drauf.

Zurück zur Nockenwelle, Nockenwellen sind wie Frauen… eine scharfe Nockenwelle hat eine rundliche Form (ja ich weiss nicht alle stehen auf rundliche Frauen, ich eben schon…)
Nochmals zurück zur Nockenwelle, je schärfer je runder, je zahmer je knochiger äh, spitz, verdammt wieder das falsch Wort… ihr versteht?






Zusammengefasst geile Nockenwellen sind nicht spitz… sie sind gross und rund. Die Grösse oder Höhe der Nocke beeinflusst wie weit das Ventil geöffnet wird. Die breite flache runde Spitze beeinflusst wie lange das Ventil geöffnet bleibt. Der Nachteil, je breiter und runder die Spitze der Nocke ist desto steiler wird die Flanke. Auf eine Frau bezogen führt das bei mir genau zu der gleichen Reaktion wie die des Ventils. Ich eri… äh reagiere schnell und versuche lange offen zu bleiben, dabei verliere ich dann an Bodenkontakt und kann nicht mehr mithalten… Also beim Motor führt das zu schnell öffnenden und lang offenen Ventilen aber die Ventiltriebteile haben es schwer mit der „scharfen“ Nockenwelle mitzuhalten und verlieren im schlimmsten Fall den Kontakt zu ihr.
Die Ventile werden viel stärker beschleunigt und abgebremst und nach einer längeren Öffnungszeit kehren sie wieder viel schneller in den Ventilsitz zurück. Bei der schnellen Richtungsänderung kann es jetzt sein dass die Übertragungsteile wie Stössel, Stösselstangen und Kipphebel abheben und ins flattern kommen.

Verhindern lässt sich das indem der Ventiltrieb wie bereits erwähnt ohne Stabilitätseinbusse erleichtert wird und andererseits mit stärkeren Ventilfedern welche die Übertragungsteile stärker gegen die Nocke drücken. Je höher die angestrebte Drehzahl ist desto mehr muss in diese Richtung gearbeitet werden. Solche Massnahmen sind in der Regel teuer, es kommen exotische Materialien wie Titan, Chromoly Stähle und spezielle Oberflächenbehandlungen zum Tragen. Darum Turbo… ich schweife ab.
Die stärkeren Ventilfedern erhöhen den Reibungsverschleiss und verringern somit die Haltbarkeit des Motors.

Nun ist das nur ein Teil der ganzen Wahrheit, eine potente Nockenwelle ist nicht nur hoch und rundlich sondern hat eine Ventilüberschneidung und Spreizung. Würde der Gaswechsel im Motor nacheinander erfolgen wäre die Leistungsausbeute des Motors eher gering. Tatsächlich erfordern höhere Drehzahlen eine frühere Zündung und fliessende Übergänge bei den Steuerzeiten. Die nervös springenden Gassäulen im Ansaugtrakt und dem Auspuff ermöglichen eine bessere Füllung der Zylinder (Dynamische Kompression). Im Klartext heisst das, dass die Ein- und Auslassventile in der Übergangsphase mehr oder weniger lange gleichzeitig geöffnet sind. So kann der Scavenging (Saug) Effekt (siehe mein Erguss über Auspuffanlagen) der Auspuffanlage zusammen mit dem optimierten Ansaugtrakt zu besserem Gaswechsel d.h. einer besseren Füllung der Zylinder führen. Dass dabei auch unverbranntes Frischgas in den Auspuff gelangt und der damit verbundene hohe Benzinverbrauch nehmen wir locker in Kauf.

Leider ist die Wahl der Nockenwelle in unseren Motoren immer ein Kompromiss. Unsere Old Tech Motoren haben keine variablen Steuerzeiten oder ähnliche Gimmicks. Das bedeutet dass die Ventilüberschneidung auch in Drehzahlbereichen erhalten bleibt bei denen dies eher Kontraproduktiv ist. Das ist im tiefen Drehzahlbereich der Fall, das Standgas wird unruhiger.
Die Spritzung hat mit der Überschneidung der Nockenwelle zu tun. Die Spreizung kann wieder mit der Frau verglichen werden… hmm, je breiter die Spreizung je weniger zickig… je kleiner die Spritzung desto problematischer ist der Se… .
Das heisst je näher die Auslassnocke zur Einlassnocke steht je grösser ist die Ventilüberschneidung.

Übrigens beziehen sich die Gradagaben der Nockenwellenhersteller auf den Drehwinkel der Kurbelwelle. Wenn eine Nockenwelle mit 284° angegeben wird dann dreht sich die Kurbelwelle 284° damit sich ein Ventil komplett aus dem Ventilsitz hebt und wieder darin verschwindet. Es gibt von Webcam zum Beispiel Nockenwellen (gerne auch in Turbomotoren) die asymmetrische Öffnungswinkel aufweisen. D.h. das Einlassventil benötigt 286° vom öffnen zum schliessen und das Auslassventil nur 272° zum Beispiel. Leider messen nicht alle Nockenwellenhersteller gleich und geben so verschiedene nicht direkt vergleichbare Werte ab. Die meisten amerikanischen Hersteller geben aber zusätzlich zu den normalen Gradangaben auch den Winkel an wie weit sich die Kurbelwelle drehen muss vom Punkt wo das Ventil 1.27mm geöffnet ist bis zu dem Punkt wo es 1.27mm vor schliessen ist. Diese Angabe ist verlässlicher da Ventile in der Regel auch prellen können.

Der Nockenwellenhub wie auch die Überschneidung sind beim Motorenbau kritische Faktoren. Beim Käfermotor ist es vor allem der Hub da sich die Ventile parallel nebeneinander befinden. Hier ist es wichtig dass das geöffnete Ventil nicht mit dem Kolben kollidiert oder dass die Ventilfeder zu stark komprimiert (auf Block) wird. Beim 356/912er Motor ist die Überschneidung zusätzlich zu beachten. Die Ein- und Auslassventile dürfen sich im Überschneidungshub nicht berühren. Die Ventilanordnung im 356er Kopf ist nicht parallel.

Die Nockenwelle bestimmt den Charakter des Motors erheblich, zum Guten oder Schlechten. Leider sieht/hört und spürt man erst am Schluss wenn alle Komponenten wie Vergaser, Zündung, Kompression, Auspuff im Orchester mitspielen wie die ganze Musik spielt.

Eingangs wurde die Frage gestellt „Drehmoment oder Drehorgel?“. Ja was den nun eher doch Drehmoment? Drehmoment und die Leistung eines Motors sind zwei völlig unterschiedliche Dinge, die aber beide erheblich von der Drehzahl abhängig sind.

Das Drehmoment ist die Kraft mit der der Motor den Wagen schiebt.
Daraus resultiert der Schub bei der Beschleunigung eigentlich das was der Fahrer direkt am Popometer spürt. Die Drehzahl eher die Endgeschwindigkeit.

Wenn du auf der Strasse gerne schaltfaul und mit druck im Rücken unterwegs sein willst dann macht ein Drehmomentstarker Motor mehr Spass. Wenn du Rundstreckenrennen fahren möchtest dann muss eine Drehorgel her. Das Drehmoment des Motors spürst du bei jeder kleinsten Positionsveränderung des Gaspedals. Die maximale Leistung eigentlich fast nie. Wenn dein Motor 140 PS leistet dann hast du nur etwas davon wenn du mit der Drehzahl herumfährst wo er diese Leistung auch hat. Ein Sauger mit 200PS hat diese Leistung je nach Nockenwelle bei 6500 U/min oder mehr. Wenn du mit 50km/h im 3. Gang rumtuckerst leistet der Motor vielleicht nur deren 20.

Lust auf mehr Drehmoment?

Damit das Thema nicht langweilig wird nehmen wir wieder unsere lieben Frauen zum Vergleich… Ich favorisiere wie schon erwähnt eher kräftige Bräute. Die Kräftige kann mehr tragen als die Zierliche. Damit haben wir gerade herausgefunden welche Motoren ich persönlich bevorzuge, es sind Drehmomentstarke Motoren. Das Drehmoment ist die Kraft am Hebel… unsere Motoren bestehen ja fast nur aus Hebel… Sagen wir mal die Kräftige kann 50kg heben und die Zierliche nur 25kg, dann hat sie quasi doppelt so viel Drehmoment wenn ihre Arme gleich lang sind.
Jetzt kommt noch die Geschwindigkeit ins Spiel. Meistens sind die kräftigen nicht die schnellsten, das weiss ich wiederum aus eigener Erfahrung. Ich bin sehr kräftig aber auch eher langsam. Nehmen wir an, dass meine kräftige Dame 10km/h schafft dafür aber die Zierliche 20km/h.

Jetzt sollen die lieben Damen den Wocheneinkauf von 50kg, 10km weit nach Hause tragen… Meine Liebste muss also nur einmal laufen weil sie 50kg tragen kann. Unsere zierliche Freundin muss aber 2mal laufen, wir erinnern uns sie kann nur 25kg tragen.
Da die dünne aber doppelt so schnell läuft haben beide in der gleichen Zeit gleich viel geleistet obwohl die rundliche doppelt so viel Kraft hat.

Gehen wir nun zurück zum Motor… die Motorleistung setzt sich aus genau diesen 2 Faktoren zusammen. Die Kraft in Nm und der Geschwindigkeit in U/min. Jetzt sind wir bei PS angelangt. Trotzdem behaupte ich dass meine Braut kräftiger ist als die zierliche Mitstreiterin. Das hat mit dem Hebel zu tun welchen ich weiter oben erwähnt habe. Der Kolben benutzt die Kurbelwelle als Hebel (ausser bei Brezelmichi’s Motor da nicht…) alle folgenden Zahnräder sind nichts anderes als Hebel. Sogar der Abstand der Achsmitte der Hinterachse zur Pneulauffläche ist ein Hebel.

Wenn wir nun dem dünnen Model einen doppelt so langen Hebel geben wäre sie in der Lage das gleiche Gewicht zu tragen und wiederum müsste sie die grössere Distanz mit entsprechend hoher Geschwindigkeit kompensieren.

Bei Motor heisst das wir können die Kraft die am Hinterrad ankommt verdoppeln wenn wir die Übersetzung halbieren. Dazu muss die zierliche Dame nur zurückschalten.

So nun sollte der Zusammenhang langsam klar sein. Was macht denn jetzt mehr Spass?

Natürlich ist das Gefühlssache, bei gleicher Drehzahl können 100 PS mit kleiner Drehzahl und Hohem Drehmoment erreicht werden oder aber mit weniger Drehmoment und hoher Drehzahl. Theoretisch natürlich nur, denn zuletzt sind 100 PS das Resultat aus wie viel Kalorien ich in einer gewissen Zeit verbrennen kann. Nun muss ich das entweder mit einem Grossvolumigen Motor machen oder mit einem kleinen Motor mit hoher Drehzahl, damit dich die gleiche Menge Sprit in derselben Zeit verbraten kann.

Was einer will ist wirklich Geschmacksache, lieber mit druck oder ohrenbetäubend und am Schalthebel actionreich durch die Gegend heizen?

Was auch noch ein Fakt ist, Hubraum oder Drehmoment ist günstiger als Drehzahl. Drehzahlfeste Ventil- und Kurbeltriebe sind aufwändig.

Wieder bei den Frauen, eher volumig gross, kräftig, rundlich, unaufgeregt und günstig oder dünn, teuer und zickig? Es gibt noch eine Variante, die Dünne zu mästen, so bekommt sie mehr Kalorien eingeflösst und hat mehr Kraft ohne dass sie sich schneller bewegen muss. Das macht man beim Motor mit dem Turbolader, darauf stehe ich ganz besonders…




Bugkeeper’s Tip


Eine tolle Nocke für den kleinen 1600er der mit günstigen original Köpfen oder 40x35.5mm Köpfen, 2x 36er Dellortos (Weber gehen natürlich auch) und einem Sportauspuff (z.B. die beliebte CSP Super Competition Auspuffanlage) ausgerüstet wird.

Web Cam 218/119


Diese asymmetrische Nockenwelle eignet sich hervorragend für den Aufbau eines drehmomentstarken kleinen 1600er der angenehm gut am Gas hängt.


Die Nockenwelle hat einen Einlassventilhub von 11.7mm und einen Auslassventilhub von 10.7mm bei einer normalen Kipphebelübersetzung von 1.1.  Die Steuerzeiten des Einlassventils (gesamt) liegt bei 280° und auslassseitig 276° (bei 1.27mm Ventilhub sind das 242/240°.


Das ist eine fantastische Nockenwelle für ein kostengünstiges, mildes Setup mit Doppelvergaser. Das Drehzahlband reicht ca. bis 5750 U/min. Eine ausgezeichnete Wahl für den Bus und Typ 3 Motor. Die Kompression sollte bei ca. 8.5:1 liegen wenn Doppelvergaser verwendet werden.


Die asymmetrische Auslegung ist perfekt wenn in den Zylinderkopf keine Arbeit gesteckt wird. Der Käfermotor hat von Grund auf ein Manko dass er auslassseitig zu gut atmet im Vergleich zur Ansaugseite. Durch längere Steuerzeiten am Einlass und konservative Auslasssteuerzeiten verringert man die Überlappung und vermindert Drehmomentverlust.



Für einen Kostengünstigen Motor mit günstigen Teilen ab der Stange. 


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