Quell der Leistung: der Zylinderkopf

Die Nockenwelle ist der Ausgangspunkt vieler Motorveränderungen. Mit ihr wird die Motorcharakteristik in die eine oder andere Richtung verändert. Auf die Nockenwelle sollten die weiteren Maßnahmen der Motorbearbeitung abgestimmt sein.

Bei der Nockenwelle gibt es verschiedene Dinge zu beachten. Bei einem Hochleistungs-Viertaktmotor soll der Brennraum bei hohen Drehzahlen durch einen Teil des frischen Gemischs "gespült" werden. Das ist bei einem Drehmomentmotor nicht der Fall. Wenn das Auslassventil öffnet, sollte das Einlassventil möglichst geschlossen sein. Da recht wenige Motoren nur in dem einen oder nur in dem anderen Bereich gefahren werden, sollte ein guter Allrounder eigentlich die tauglichste Variante sein.

Die Wahl der Nockenwelle bewegt sich also im Spannungsfeld zweier diametral entgegengesetzter Optionen:

• Eine Nockenwelle für Drehmomentsteigerung sollte also eine relativ weite Spreizung der Nocken und einen mäßigen "Hub im OT" haben. Durch die Verringerung der Ventilüberschneidungszeiten erhöhen sich die Zylinderdrücke. Die Folgen sind mehr Drehmoment in den unteren und mittleren Drehzahlbereichen und ein gleichmäßigerer Leerlauf.
• Eine Nockenwelle für Leistungssteigerung sollte eher eine kleinere Spreizung und einen eher großen "Hub im OT" haben. Dadurch ergibt sich eine Überschneidung der Ventilöffnungszeiten, die Zylinderdrücke verringern sich, der Leerlauf wird unruhiger, aber eine höhere Maximalleistung an der Drehzahlgrenze wird möglich.²⁾

Auch das Verhältnis von Ventilgröße zu Ventilüberschneidung ist recht wichtig. Große Ventile und hohe Ventilüberschneidungen verlagern die nutzbaren Drehzahlbereiche weit nach oben, weil darunter die Gasgeschwindigkeit zu gering ist.¹⁾ Andererseits verlagern relativ enge Kanäle mit eher kleinen Ventilen das Drehmoment bereits in untere Drehzahlbereiche.

Ein weiterer Punkt: Die Ventilöffnungszeiten sind nicht so wichtig, wie die "Experten"-Gespräche am Stammtisch vermuten lassen! Die Spreizung der Nocken und der Überschneidungshub im OT (oft schlicht "Hub im OT" genannt) sind viel entscheidender!

Je höher der "Hub im OT" ist, desto später setzt die Leistung ein und umso stärker ist der Leistungsgewinn. Für einen Straßenmotor ist das aber eher kontraproduktiv! Wie oft hat man in der Stadt die Gelegenheit, Drehzahlen jenseits der 7.000 U/min zu erreichen? Wie oft braucht man im Gegensatz dazu Kraft in den unteren Drehzahlbereichen?

Motoren, die auf eine möglichst hohe Leistung ausgelegt sind, reagieren in den unteren Drehzahlbereichen manchmal auch merklich auf eine Erhöhung des Fahrzeuggewichts – zum Beispiel einen Beifahrer!

Neben der Nockenwelle beeinflussen Dimension und Form der Ansaugwege die Motorcharakteristik ebenfalls.

Die Dimension der Ansaugkanäle muss zu der Nockenwellencharakteristik passen. Optimal sind eigentlich krümmungslose Fallstromkanäle, die Richtung Zylinderachse laufen.¹⁾ Die Gemischgeschwindigkeit sollte nicht zu hoch und nicht zu niedrig sein (zwischen 45 – 100 m/s). Darunter wird die Gemischbildung negativ beeinflusst, weil sich das Benzin am dem Boden des Ansaugkanals sammeln könnte. Darüber wird eine Drosselung erreicht, weil sich die Kraftstofftröpfchen bei Richtungsänderungen des Gemischs vom Luftstrom abgetrennt werden. Die Ventilquerschnitte sollten also nicht zu groß werden.

Da vermutlich nur recht wenige Schrauber die Möglichkeit haben, diese Verhältnisse zu messen, könnte man den vorangegangenen Satz für Hobby-Tuner als "totes Wissen" bezeichnen!

Nicht ganz so totes Wissen ist jenes um die Form der Ansaugkanäle, denn die kann man selbst mit Fräser und/oder Schleifsteinen in gewissen Grenzen beeinflussen! "Das Ansaugrohr, dessen Länge sehr wichtig ist, soll vom Ventil weg zum Vergaser bzw. Ansaugtrichter auf keinen Fall kleiner, sondern eher etwas größer werden, wenigstens aber im Innendurchmesser gleich bleiben." schreibt Ludwig Apfelbeck in seinem Buch.¹⁾

Bezogen auf die Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs ist auch noch die Größe eventuell verwendeter Doppelflachstromvergaser wichtig: Zu große Vergaser verlangsamen die Gemischgeschwindigkeit sehr deutlich – was (wie oben beschrieben) zu Problemen bei der Gemischbildung führen kann. Eventuell hat ein Motor das Potenzial, bis 8.500 U/min zu drehen. Allerdings sollte durchaus hinterfragt werden, ob der Motor bei seinem voraussichtlichen Einsatzzweck wirklich ein optimales Gemisch im oberen, oder nicht viel eher im unteren bis mittleren Drehzahlbereich braucht?³⁾

• Je größer die Kanäle dimensioniert sind, desto größer sollte der Durchlass der Ventile sein. Das bedeutet aber auch, das maximale Drehmoment liegt im höheren Drehzahlbereich und die zu erreichende Maximaldrehzahl liegt sehr deutlich über der Seriendrehzahl.
• Klein dimensionierte Kanäle und frühes Schließen der Einlassventile führen zu einem starken Drehmoment im unteren Drehzahlbereich.

Die Länge der Ansaugwege zwischen Drosselklappe(n) und Einlassventilen beeinflusst die Motorcharakteristik ebenfalls. Ludwig Apfelbeck empfiehlt in seinem Buch den Bau eines Einzylinder-Versuchsmotors. Das ist im Rahmen des "hausgemachten Motortunings für den Straßengebrauch" sicher übertrieben, aber wer beispielsweise ein einzylindriges Motorrad hat, kann ja relativ einfach und preiswert die Länge der Ansaugwege mit verschieden langen Ansaugbrücken variieren.

Auch hier lassen sich die Optionen auf zwei Positionen polarisieren.

Thesen im Überblick:

• Lange Ansaugwege verlegen das Drehmoment in die unteren Regionen des Drehzahlbereichs.
• Kurze Ansaugwege sorgen für mehr "Giftigkeit" des Motors und verlegen das Drehmoment in die oberen Regionen des Drehzahlbereichs.

Dazwischen gibt es natürlich noch eine unendliche Anzahl anderer Optionen. Die günstigsten Optionen muss jeder Schrauber für sich selbst bestimmen. Das primäre Mittel zur zur Veränderung der Ansaugweglänge ist bei klassischen Motoren die Länge der Ansaugkrümmer. Lange oder kurze Ansaugbrücken sind die Posten, zwischen denen man sich entscheiden muss. Schaltsaugrohre, die den Drehmomentverlauf in Hinblick auf die jeweilige Betriebssituation optimieren, sind erst lange nach Rekord C und Commodore A in die Serienproduktion eingeflossen.

Die Lufttrichter beeinflussen das Schwingungsverhalten der Gase im Ansaugtrakt. Ein schließendes Einlassventil verursacht eine Welle in Richtung der Vergaser. Erst am Ende des Ansaugtrakts, wenn diese Welle auf die Luft vor dem Vergaser trifft, wechselt diese Welle ihre Richtung und läuft wieder zum Ventil.

Je nach Distanz zwischen dem Einlassventil und dem Ende der Trompete vor dem Vergaser wirkt diese Druckwelle positiv oder negativ auf die Füllung. Die Frage nach der besten Länge der Ansaugtrompeten hängt also immer von den Einsatzbedingungen und der sonstigen Konfiguration des Motors ab.

Bei einem Rundstreckenfahrzeug lässt sich die Frage nach der Abstimmung relativ leicht beantworten. Bei einem Fahrzeug mit ständig variierenden Einsatzgebieten wird eine gewählte Abstimmung möglicherweise ein Kompromiss bleiben. Bei verschiedenen technisch aufwendigeren Motoren gibt es deswegen Schaltsaugrohre. Bei diesen Saugrohren wird die Länge der Ansaugwege entsprechend der optimalen Bedingungen verändert. Da es derartige Systeme bei Opel während der Produktionszeit von Rekord C und Commodore A noch nicht gab, werden diese Bauteile nicht näher betrachtet.

Ein weiterer wichtiger Aspekt im Bereich der Ansaugwege ist die Form der Ansaugtrompeten. Ein einfaches Rohrende (wie ein Vergaser ohne Ansaugtrompete) ist eine denkbar ungünstige Variante, weil die einströmende Luft durch das nicht beeinflusste Einströmen in den Hauptlufttrichter diesen Durchmesser quasi verengt. Günstiger sind Trompeten mit komplett umgestülptem Rand

Eine weitere interessante Option nennt Apfelbeck in seinem Buch:¹⁾ Zwei Einlassventile mit eigenen Ansaugkanälen, die nacheinander öffnen. Dadurch lässt sich bei jeder Drehzahl eine passende Gasgeschwindigkeit herstellen.

Ein weiterer wichtiger Faktor sind, wie oben bereits am Rande erwähnt, die Ventile. In den Sechzigern bis in die Achtziger galten große Ventile als Voraussetzung für hohe Leistung. Große Ventile legen mehr Masse zu, als die Fläche zur Wärmeabgabe wächst. Schwere Ventile stellen auch eine große Belastung für den Ventiltrieb dar. Deshalb ging ab den späten Sechzigern der Trend bei hochentwickelten Rennmotoren wieder zur Vierventiltechnik. Für den Straßengebrauch waren gradezu gigantische Ventile speziell bei Stammtisch-Tunern noch das "A und O"!

Die Vierventiltechnik wurde schon in der Frühzeit der Hochleistungsmotoren (oder was man damals als solche bezeichnete) angewandt, aber auch wieder verworfen. Die Vierventilmotoren zeigten eine merkliche Drehmomentschwäche. Erst mit zunehmender Entwicklung der Motorbaukenntnisse erlangte diese Bauform wieder Bedeutung!

Wer Motoren auf Basis der CIH-Triebwerke aufbauen möchte, hat bezüglich Vierventiltechnik nur begrenzte, aber in allen Fällen sehr kostspielige Möglichkeiten. Für den "kleinen Haus- oder Straßengebrauch" sind diese Motoren meist ungeeignet, weil die Kosten pro Kilometer schlicht zu hoch sind! Deshalb wird dieses Thema hier weitgehend ausgegrenzt.

Aus oben genannten Gründen ist es ratsam, Ventile und Ventilsitze zu bearbeiten. Die Vorteile dieser Vorgehensweise sind einerseits leichtere Ventile und andererseits ein sehr deutlich größerer Gemischdurchsatz (bei gleichzeitiger Bearbeitung der Ventilsitze nach der Dreiwinkel-Methode)²⁾. Weiterhin ist eine geringere Kraft notwendig um das Ventil wieder aus dem Ventilsitz zu drücken. Durch die Materialabnahme an den Ventilen werden diese etwas leichter. Folglich können mit den gleichen Ventilfedern höhere Drehzahlen erreicht werden.

Andererseits hat diese Option auch Nachteile: Durch diese Bearbeitung werden die Ventilsitze auf 1 – 2 mm Breite reduziert. Aber das Ventil hat als wesentliche Möglichkeit, Wärme an den Zylinderkopf abzugeben, eben genau diesen Ventilsitz. Es hat auch nur den Moment, in dem das Ventil vollständig geschlossen ist, um eben diese Wärme abzugeben. Das Ventilspiel muss also sehr genau im Auge behalten werden.

Die Ventilsitze im Zylinderkopf

Natürlich vergibt man sehr viel Potenzial, wenn man nur die Ventile, nicht aber deren Sitze im Zylinderkopf bearbeitet. Bei den CIH-Zylinderköpfen haben die Ventilsitze der Serienproduktion eine enorme Breite von 2 – 3 mm. Auch hier sollte ein Teil der Breite geopfert werden, um den Übergang zum Ventilsitz so zu gestalten, dass ein höheres Volumen bei geöffnetem Ventil durchpasst.

Um die Brennräume besser aufeinander angleichen zu können und um eine möglichst gleichmäßige Füllung zu gewährleisten, sollten alle Ventile auf möglichst gleichem Niveau im Verhältnis zum Brennraum stehen.

Da mehr Leistung bei gleichem Hubraum hauptsächlich über höhere Drehzahlen realisieren lässt, muss man sich bei "frisierten" Motoren leider auch Gedanken um die Haltbarkeit der Ventilsitze machen. Je höher die Drehzahlen sind, desto größer sind auch die Drehung des Ventils sowie dessen Geschwindigkeit beim Aufsetzen auf den Ventilsitz. Ein weiterer Faktor ist das Profil der Nockenwelle: Wenn die Flanken der Nocken sehr steil sind (was bei Sportnockenwellen nicht selten der Fall ist) wird die Aufsetzgeschwindigkeit des Ventils noch weiter erhöht.

Eine weitere Problematik liegt im Bleifreibetrieb von Motoren mit Grauguss-Zylinderkopf: Das Bleitetraethyl, welches dem Benzin früher zugesetzt wurde, wirkte u. a. als eine Art Trennmittel, das die partielle Verschweißung von Ventil und Ventilsitz verhinderte. Ohne dieses Trennmittel kommt es nun dazu, dass speziell bei hohen Drehzahlen/hoher Literleistung der Motoren kleine Stücke aus dem üblicherweise weicheren Ventilsitz herausgerissen werden.

Diese kleinen Metallstücke verbrennen in den heißen Abgasen. Beim erneuten Aufsetzen des Ventils auf den Ventilsitz kommt es dazu, dass die sich ausdehnende Ventilfeder das Ventil dreht. Dadurch werden weitere Stücke aus der schon nicht mehr ganz glatten Fläche des Ventilsitzes gerissen.

Im Stadtverkehr ist die ganze Situation nicht besonders problematisch. Aber wenn man "die Kuh fliegen lassen" möchte und mit entsprechenden Drehzahlen auf Landstraßen, Autobahnen oder Rennstrecken unterwegs ist, kann ein Problem bekommen. Speziell vor Fahrten im höheren Drehzahlbereich sollte man also auf eine ausreichende Beimengung von Blei-Ersatzstoffen achten.

Auch das Einsetzen gehärteter Ventilsitzringe ist nicht ganz unproblematisch: Einerseits verschlechtert sich die Wärmeabfuhr vom Ventil etwas. Andererseits gibt es immer wieder Geschichten von herausgefallenen Ventilsitzringen. Ob das nun durch Konstruktions-, Material- oder Einbaufehler passiert, sei dahingestellt. Aber es passiert. Es gäbe auch noch die Möglichkeit der Induktionshärtung. Aber das Problem dürfte darin liegen, einen Anbieter derartiger Vefahren für Ventilsitze zu finden!

Beim CIH-Motor zählen zu den bewegten Massen des Ventiltriebs

• Stößel
• Kipphebel
• Federteller der Ventilfeder
• Ventil

Diese bewegten Massen sorgen bei erhöhten Drehzahlen für erhöhten Verschleiß durch notwendig härtere Ventilfedern. Zur Reduzierung der Belastungen für den Ventiltrieb ist es sinnvoll, die bewegten Massen so gering wie möglich zu halten.

Höhere Drehzahlen und härtere Ventilfedern führen aber auch zu einer verstärkten Belastung der Kipphebel. Es ist also in vielen Fällen sinnvoll, die Blechkipphebel etwas standfester zu machen. Die einfachste Möglichkeit, eine höhere Belastbarkeit von Kipphebeln zu erreichen ist, die Stanzflächen dieser Bauteile zu polieren. Dadurch verliert sich die Kerbwirkung erheblich an Bedeutung.

Eigentlich wichtig ist die untere Stanzkante des Kipphebels, denn normalerweise brechen diese Kipphebel von der unteren Stanzkante ausgehend. Ebenfalls sehr wichtig ist beim Polieren der Stanzkante, nie quer zur Richtung der Kraft zu schleifen.

Eine extrem wichtige Voraussetzung für einen kräftigen Motor ist eine genaue Abstimmung der Brennraumvolumina auf einander.

Bei einem Serienzylinderkopf gibt es zwischen größtem und kleinstem Brennraum Volumenunterschiede von bis zu 2 – 3 cm³! Daraus können teils beträchtliche Verdichtungsunterschiede resultieren. Die sollten natürlich vermieden werden, denn eine Mannschaft ist erfolgreicher, wenn alle vergleichbaren Teile einer Mannschaft die gleiche Leistung bringen.

Mit verhältnismäßig einfachen Mitteln kann man die tatsächlichen Volumina der Brennräume ermitteln. Eine Plexiglasplatte mit passenden Bohrungen, ein paar Schrauben um die Platte auf dem Zylinderkopf zu befestigen, eine geeignete Flüssigkeit und eine Messpipette sind die wesentlichen Voraussetzungen.