Motortuning
Unter Tuning versteht man ja bekanntlich die Optimierung und das Feinabstimmen des Fahrzeugs gegenüber dem Serienzustand. Eine der wohl bekanntesten und beliebtesten Maßnahmen ist für viele Tuning-Fans eine Leistungssteigerung des Motors.
In der Vergangenheit war eine Leistungssteigerung jedoch nur mit viel Aufwand möglich – zum Beispiel durch zeitintensives Bearbeiten des Zylinderkopfs, Optimierung der Vergaser- oder Einspritzanlage, die Verstärkung des Kurbeltriebs und der Einbau einer „schärferen“ Nockenwelle. Die zum Teil sehr aufwendigen Veränderungen an den Motoren konnten meistens nur von professionellen Firmen vorgenommen werden. Zu den namhaftesten zählten Abt, Brabus, Oettinger, Hartmann, Nothelle und Spiess. Später hat dann die Automobilindustrie diesen Trend auch für sich erkannt und sicherte sich damit ein weiteres Geschäftsmodel. Daraus sind dann zum Teil sogar herstellereigene Geschäftszweige entstanden, wie beispielsweise Quattro GmbH/Audi, M GmbH/BMW, AMG/Mercedes oder OPC/Opel.
Heutzutage ist eine Leistungssteigerung viel einfacher realisierbar. Der Grund: Die verbesserten elektronischen Steuerungssysteme ermöglichen durch den Einsatz von Chiptuning relativ schnell und kostengünstig eine Leistungsoptimierung.
Leistungssteigerung durch Chiptuning
Heutige Verbrennungsmotoren werden elektronisch über ein Motormanagement gesteuert und haben die Aufgabe, zum richtigen Zeitpunkt die richtige Menge an Kraftstoff/Luftgemisch (abhängig von der Gaspedalstellung) dem Motor zur Verfügung zu stellen. Diese vom Hersteller definierten Kenndaten werden auf einem Chip im Steuergerät gespeichert. Mit einer geeigneten Software, dem entsprechenden Gerät und dem notwendigen Know-How lassen sich diese Daten dann neu programmieren. Das Ergebnis: Eine signifikante Steigerungen der Leistung durch die Veränderung des Zündzeitpunkts oder der Optimierung des Ansaug-/Einspritzvorganges und der Einspritzmenge vorgenommen. Diesen Eingriff in die Steuerelektronik und das Verändern der Daten nennt man Chiptuning.
Beim OBD-Tuning ist der direkte Zugriff auf die Elektronik des Motors über eine Schnittstelle, die eigentlich zu Diagnosezwecke genutzt wird, möglich. So lassen sich die Daten ohne größeren Aufwand ändern und in das Steuergerät einspielen.
Eine weitere Möglichkeit, die Daten der Steuerelektronik zu ändern, bietet das Modul-Tuning. Hierbei wird eine zusätzliche Steuerelektronik eingebaut, die, je nach Hersteller zwischen dem Steuergerät und der Einspritzanlage platziert wird. So lassen sich z.B. der Einspritzzeitpunkt oder die Einspritzmenge anpassen und liefern so mitunter eine erhebliche Mehrleistung.
Bei den vorgenannten Systemen werden die Kenndaten der Motorsteuerung modifiziert, um eine Steigerung der maximalen Leistung oder eine Erhöhung des Drehmomentes (oder beides) zu erzielen. Ergänzend dazu sind oft auch weitere Veränderungen sinnvoll, beispielsweise der Einbau leistungssteigernder Zusatzgeräte wie ein größerer Ladeluftkühler bei Turboaufgeladenen Motoren, um die Temperatur der komprimierten Luft zu reduzieren oder ein zusätzlicher oder größerer Ölkühler (falls nicht serienmäßig), der die Aufgabe hat, das Motoröl in dem optimalen Temperaturfenster zu halten und so eine bestmögliche Schmierung zu gewährleisten.
Denn bei einer Leistungssteigerung wird der Füllungsgrad verbessert, d.h. dem Motor wird mehr Kraftstoff/Luftgemisch zugeführt, was zu einer verbesserten und stärkeren Verbrennung führt. Eine bessere Verbrennung wiederum erzeugt eine höhere Temperatur, die den Motor zusätzlich belastet. Um dem entgegenzuwirken und eine Überhitzung (verbrannte Zylinderkopfdichtung endet oft mit Motorschaden) zu vermeiden, ist eine zusätzliche oder verbesserte Kühlung dringend zu empfehlen. Bei einer geringfügigen Anhebung der Leistung und einer Optimierung des Drehmoments mittels Chip, hält sich der Temperaturanstieg zwar noch in Grenzen, man sollte aber die Temperatur (Öl und Wasser) stets im Blick haben und kontrollieren. In den meisten Fahrzeugen ist das heutzutage über den Bordcomputer bequem möglich.
Manche Chiptuning-Anbieter haben sogar einen Warm-Up Timer integriert, der die Mehr-Leistung erst dann abgibt, wenn der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat. So wird verhindert, dass der Motor im kalten Zustand zu sehr belastet wird und in Folge dessen dann möglicherweise ein Ölfilmriss droht. Auch ist es bei einigen Herstellern möglich, die Leistungssteigerung per App über das Handy zu steuern.
https://youtu.be/_d2YIkxkvrY (Video Chiptuning)
Wichtig: Eine Leistungssteigerung um mehr als 5 Prozent zur Serie muss von einer Prüfstelle bestätigt und in die Fahrzeugpapiere eingetragen werden. Je nach Umfang der Leistungssteigerung muss auch mit einem erhöhten Verschleiß gerechnet werden oder es sind weitere Umbauten notwendig, wie eine verstärkte Bremsanlage, Maßnahmen am Fahrwerk etc. Auch, wenn manche Anbieter von Chip-Tuning teilweise eine Garantie für eventuell auftretende Schäden an Motor und Getriebe geben, sollte man sich vorab informieren.
Leistungssteigerung durch Aufladung
Abgasturbo- und Kompressoraufladung können manchmal verwechselt werden. Beide Technologien werden als „Aufladung“ bezeichnet, deshalb könnte man die eine Komponente leicht für die andere halten. Es gibt jedoch ein paar bedeutende Unterschiede, durch die sich beide Technologien unterscheiden. Vor der genauen Betrachtung der Unterschiede ist es hilfreich, die Gemeinsamkeiten von Abgasturboladern und Kompressoren aus technischer Sicht zu verstehen. Sowohl bei Abgasturboladern als auch bei Kompressoren handelt es sich um Aufladungssysteme. Bei diesen Systemen wird Luft angesaugt, verdichtet und dann mit Überdruck in die Motoren befördert. Diese Druckluft transportiert zusätzlichen Sauerstoff zum Motor, was für einen zusätzlichen Leistungsschub sorgt.
Der wichtigste Unterschied ist die Antriebsquelle
Abgasturbolader nutzen den Abgasstrom des Fahrzeugs zum Antrieb zweier Schaufelräder – einer Turbine und eines Verdichters. Im Gegensatz dazu werden Kompressoren direkt vom Motor angetrieben – über einen Riemen und Zahnräder wird ein Schaufelrad angetrieben. Ergebnis: Der Wirkungsgrad des Turbosystems liegt höher als der des Kompressors. Denn während der Kompressor mechanisch mit dem Motor gekoppelt ist und somit auch dessen Antriebsleistung nutzt, um die Frischluft zu verdichten, arbeitet der Turbolader weitgehend ohne Energieverlust. Der Turbolader verwertet zur Aufladung den Druck und die Energie des heißen Abgasstroms, während der Kompressor durch eine mechanische Verbindung zur Kurbelwelle einen niedrigeren Gesamtwirkungsgrad erzielt.
Abgasturbolader
Die ausströmenden Auspuffgase treiben das Turbinenrad des Abgasturboladers an, das wiederum durch eine Welle mit dem Verdichter verbunden ist. Die Turbine und der Verdichter erreichen ihre volle Drehzahl und somit den maximalen Ladedruck jedoch erst bei höheren Motordrehzahlen. Das zeitlich etwas verzögerte Ansprechverhalten (bis eine höhere Drehzahl erreicht ist) nennt man „Turboloch“, deshalb wird bei niedrigen Drehzahlen nur wenig Ladedruck aufgebaut, das bedeutet, es steht nur wenig Leistung zur Verfügung. Durch speziell geformte Turbinenräder und einer je nach Motor angepassten Größe des Turboladers, wurde das Ansprechverhalten erheblich verbessert, so das heute kaum noch ein „Turboloch“ zu spüren ist. Dank der Turboaufladung ist es sogar möglich, den Hubraum zu reduzieren und trotzdem die gleiche Motorleistung bei verringertem Kraftstoffverbrauch zu erzielen. Dieses Prinzip machen sich heute fast alle Automobilhersteller zunutze, und das nicht nur für Diesel- sondern auch für Benzinmotoren.
https://youtu.be/KMqv1G7Kt_I (Funktionsweise Turbolader)
https://youtu.be/LqGMR7KSLKQ (Funktionsweise Turbolader)
Kompressor
Im Gegensatz zum Abgasturbolader wird die mechanische Aufladung des Kompressors durch einen Zahnriemen vom Motor direkt angetrieben. Das bedeutet, sobald sich der Motor dreht, arbeitet auch der über die Kurbelwelle/Zahnriemen angetriebene Kompressor und es steht bereits bei niedrigen Drehzahlen ein ausreichend hoher Ladedruck (somit auch Mehrleistung) zur Verfügung – ohne zeitliche Verzögerung.
https://youtu.be/TOV5ipii_4I?list=TLPQMTgxMTIwMTlo4kJdfjZZyg (Video zur Funktionsweise des Kompressors)
Der nachträgliche Einbau eines Turboladers ist relativ aufwendig, denn die Nachrüstung ist mitunter nicht nur teuer sondern erfordert auch noch weitere Maßnahmen, wie z. B. einen entsprechenden Platzbedarf im Motorraum oder die Anpassung der Mehrleistung an den Motor (zusätzlicher Ladeluftkühler und Ölkühler), den Antriebsstrang (verstärkte Kupplung und Differential) oder die Bremsanlage (größere, innenbelüftet Bremsscheiben mit Belägen) und ein verstärktes Fahrwerk, etc. In der Drift- und Time Attack-Szene ist die Aufladung zur Leistungssteigerung sehr beliebt, denn bei diesen Disziplinen steht primär die Erzielung der Maximalleistung im Vordergrund und weniger die Alltagstauglichkeit und der Einsatz auf öffentlichen Straßen. Einige Tuner bieten für spezielle Fahrzeugmodelle (besonders beliebt sind die jap. Hersteller) komplette Turbo-Kits an.
Vorteile der Abgasturboaufladung:
- Hohe Leistungs- und Drehmomentsteigerung bei gleichbleibender Motordrehzahl und gleichbleibenden Motorabmessungen
- Sehr günstiges Leistungsgewicht (kg/kW) und absolut geringes Gewicht des Turboladers
- Geringerer Raumbedarf und dadurch günstigere Einbaumöglichkeiten
- Besserer Gesamtwirkungsgrad und dadurch geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch (gilt vor allem für Diesel)
- Günstigeres Leistungsverhalten in großen Höhen
- Geringere Geräuschemission
- Kein besonderer Wartungsaufwand des Abgasturboladers
Nachteile der Abgasturboaufladung:
- Höhere thermische und mechanische Belastung des Motors
- Ungünstiger Drehmomentverlauf und verzögertes Ansprechverhalten
- Hoher Bauaufwand und unverhältnismäßig hohe Kosten bei kleinen Maschinen
- Zusätzlicher Aufwand für Öl- und Ladeluftkühlung
- Reduzierung des Verdichtungsverhältnisses wegen Klopfgefahr und dadurch bedingte Wirkungsgradverschlechterung bei Ottomotoren
- Aufwendige Zündzeitpunktregelung
Rote Linie: GT86 Kompressor 234PS / 251Nm
Blaue Linie: GT86 Turbo CR280 297PS / 359Nm
https://i0.wp.com/www.chip-racing.ch/wp-content/uploads/2015/05/GT86-supercharger-vs-turbo.jpg (Bild von Chip Racing)
Kopfarbeit
Um den Füllungsgrad (Kraftstoff/Luftgemisch) zu verbessern, kann man zahlreiche leistungssteigernde Maßnahmen vornehmen. Die Gaskanäle werden zwecks besserer Füllung erweitert und geglättet, die Brennräume – sofern möglich und nötig – umgestaltet, das Verdichtungsverhältnis erhöht, die Ventile bzw. Ventilsitze erfahren eine Feinbearbeitung und die Saugrohr- und Auspuffflansche werden an den Zylinderkopf angepasst.
Am Zylinderkopf beginnt die Tuningarbeit im eigentlichen Sinne, ohne die andere Maßnahmen weitgehend sinnlos wären, außerdem ist der Leistungsgewinn bei einer guten Zylinderkopfbearbeitung oft beträchtlich. Grundsätzlich gilt, dass die Kanalquerschnitte auf der Einlass- und Auslassseite im Hinblick auf den größeren Gasdurchsatz erweitert werden. Für die Bearbeitung benötigt man als wichtigstes Werkzeug eine biegsame Welle mit Antrieb oder einen Pressluftschleifer mit den zur Bearbeitung notwendigen Fräs- und Schleifzusätzen. Mit diesen Werkzeugen ist die Bearbeitung der Leichtmetallzylinderköpfe relativ einfach.
https://www.slstuning.de/zylinderkoepfe/ablauf-einer-bearbeitung/
Die Ventil- und Ventilsitzbearbeitung gilt grundsätzlich für alle Ventilgrößen. Es spielt also im Prinzip keine Rolle, ob nachträglich größere Ventile eingebaut werden. Es kommt darauf an, dem durchströmenden Gas so wenig Widerstand wie möglich entgegenzusetzen, was man durch möglichst weite Querschnitte und durch die Feinbearbeitung der Ventile selbst erreicht. Eine Feinbearbeitung (Polieren) der Einlassventile ist vorteilhaft, bei den Auslassventilen kann auf diese Bearbeitung verzichtet werden.
Ein höheres Verdichtungsverhältnis bringt eine Leistungssteigerung durch den höheren Verbrennungsdruck und den günstigeren thermischen Wirkungsgrad. Andererseits kann diese Maßnahme einen Motor wesentlich stärker belasten, so dass eine deutliche Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses einen einwandfreien Zustand des gesamten Triebwerks voraussetzt. Maßgebend für die Höhe ist die Größe des Brennraumvolumens bei der Stellung des Kolbens im oberen Totpunkt (OT). Brennraum und Verdichtungsverhältnis stehen also in engem Zusammenhang, denn je kleiner das Brennraumvolumen ist, umso höher ist das Verdichtungsverhältnis.
https://www.slstuning.de/zylinderkoepfe/ablauf-einer-bearbeitung/
Die Verkleinerung des Brennraumes kann man zum Teil durch höhere Kolben erreichen, ein höheres Verdichtungsverhältnis lässt sich auch durch eine Verringerung des Brennraumvolumens durch Abfräsen der Zylinderkopfunterseite erzielen. Das Abfräsen der Zylinderkopfunterseite oder der Zylinderblockoberseite hat in jedem Fall eine Verschiebung der Steuerzeiten zur Folge, da die Nockenwelle um den abgefrästen Betrag näher zur Kurbelwelle rückt. Dadurch ergibt sich eine Verschiebung der Ventilöffnungszeiten in Richtung spät. Welches Verdichtungsverhältnis überhaupt angestrebt wird, hängt weitgehend vom Einsatz des Motors ab.
Alles in allem ist die Bearbeitung des Zylinderkopfs mit erheblichem Aufwand verbunden, deshalb ist es oft günstiger, fertig bearbeitete Zylinderköpfe zu kaufen. Viele Tuner liefern komplett bearbeitete Zylinderköpfe mit größeren Ventilen im Austausch an – nachfragen lohnt sich auf jeden Fall.
Eine „schärfere“ Nockenwelle mit anderen Öffnungszeiten, eine größere Drosselklappe, ein Sportluftfilter sowie eine Sportauspuffanlage inkl. Krümmer sorgen dann für den richtigen Durchsatz und runden die leistungssteigernde Tuningmaßnahme ab.
Hubraumvergrößerung
Die Hubraumvergrößerung ist eine weitere Möglichkeit, eine Mehrleistung zu erzielen, denn er ist einer der leistungsbestimmenden Faktoren. Mit einer Hubraumvergrößerung erreicht man ein höheres Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich. Ganz nach dem Motto von „Tuning-Papst“ Oettinger „Hubraum ist durch nichts zu ersetzen, außer durch noch mehr Hubraum“. Allerdings streiten sich die Gelehrten, ob es sich bei einer Hubraumvergrößerung um eine Tuningmaßnahme handelt. Nichtsdestotrotz werden wir hier kurz erläutern, was es damit auf sich hat. Um eine Hubraumvergrößerung zu erreichen, stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: das Aufbohren des Zylinders oder der Einbau einer Kurbelwelle mit mehr Hub.
Aufbohren
Beim Aufbohren wird die Zylinderbohrung vergrößert, hierbei ist darauf zu achten, dass die Restwandstärke und die Abstände der Stege zw. den Zylindern noch ausreichend bemessen sind. Für die aufgebohrten Zylinder benötigt man auch entsprechend dimensionierte Kolben mit einem größeren Durchmesser. Teilweise bieten Automobilhersteller Kolben in einem Übermaß an, die für die Revision eines Motors verwendet werden. Alternativ sind auch größere Kolben direkt bei den Kolbenherstellern erhältlich oder, je nach Fahrzeugmodel, werden auch sogenannte „big bore kits“ angeboten.
Geänderte Kurbelwelle
Eine Alternative, um eine Hubraumvergrößerung zu realisieren, ist mit dem Tausch der serienmäßigen Kurbelwelle gegen eine mit verlängertem Hub möglich. Zu beachten ist hierbei, dass auch passende Kolben und/oder verkürzte Pleuel benötigt werden. Auch muss der Freigang der Kurbelwelle im Kurbelgehäuse geprüft werden, denn durch den größeren Kurbelradius wird mehr Platz benötigt. Die Kolbengeschwindigkeit und die Lateralkräfte in der Zylinderwand steigen durch den längeren Hub ebenfalls an. Alles in allem ein relativ aufwendiger Umbau, der ein gewisses technisches Know-How und Spezialwerkzeug voraussetzt, deshalb sollte man solche Umbauten dem Fachmann überlassen.
Eigenes Bild
Tauschmotor
Auch, wenn es nicht unbedingt als Tuningmaßnahme bezeichnet werden kann, ist eine Leistungssteigerung durch den Austausch eines größeren, stärkeren Motors machbar. Einige Fahrzeughersteller bieten Modelle mit unterschiedlicher Motorisierung an, so ist es zum Beispiel relativ einfach möglich in einen BMW (E36, E46 etc.) den serienmäßigen 6 Zylindermotor mit 2000ccm gegen einen mit 2500ccm oder mit 3000ccm zu tauschen.