Das Erfolgsgeheimnis
unserer Nockenberechnung
steckt unsichtbar im technischen Hintergrund
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30% mehr Ventilhub
bei gleichzeitiger Reduktion der Kräfte um 60%
Wie ist das möglich?
Auf dieser Seite wird das Geheimnis des Erfolgs gelüftet.
Alles, was man für den Erfolg braucht, ist eine richtig berechnete Form der Nocke!
Vorbemerkung
Ziel der Berechnung von Nocken des Verbrennungsmotors kann deren Neukonstruktion,
Ersatzbeschaffung oder Verbesserung sein. Die Leistungsfähigkeit unserer
Nockenberechnungen mit KnockSoft soll hier anhand eines
typischen, keineswegs extremen Normalfalls, an einer praktisch durchgeführten
Verbesserung demonstriert werden, da hier der vorher - nachher Effekt am Besten
zu erkennen ist.
Die
Ventilerhebungskurve
Sie stellt die Öffnung (Erhebung) eines Ventils in Abhängigkeit vom
Kurbelwellenwinkel dar. 0 Grad Kurbelwellenwinkel wird in den oberen Totpunkt -
OT - des Kolbens gelegt. Die Steuerzeit beschreibt wie viel Grad
Kurbelwellenwinkel das Ventil geöffnet ist. Sie wird meistens, so auch hier,
abgelesen indem man die Schnittpunkte der Ventilerhebungskurve mit einer
Parallelen zur KWW - Achse bei 1 mm Ventilhub bildet.
Obiges Bild zeigt Ventilerhebungskurven eines Viertakt - Motors, rot - original Hersteller, schwarz - neu berechnet von KnockSoft. Auf den ersten Blick 2 Ventilerhebungskurven ohne Extremwerte. Die Schwarze hat einen Steuerwinkel von 255 Grad, die Rote weniger Hub und weniger Steuerwinkel. Keinerlei Auffälligkeiten zu entdecken, vermutlich auch für die, die solche Kurven schon einmal selbst erfasst, ausgewertet oder sich damit beschäftigt haben.
Die äußerst
gravierenden Vorteile der KnockSoft Nocken werden weder bei Betrachtung der Nockenwellen
selbst, noch
bei Betrachtung der Ventilerhebungskurven sichtbar.
Nur eine Analyse der Beschleunigungen zeigt die enorme Überlegenheit der mit
KnockSoft berechneten Nocken, Bild unten.
Die zur Bewegung der Ventile notwendigen Kräfte wachsen proportional zu
Beschleunigung und bewegter Masse.
Newtonsches Gesetz F
= m
x a
Kraft = Masse mal Beschleunigung
Massen und Beschleunigungen sind Gradmesser für Belastbarkeit und Qualität des
Ventiltriebs.
Geringe Massen und geringe Beschleunigungen bedeuten geringe Krafterfordernisse zur Betätigung der Ventile
und stehen bekanntlich für drehzahlfeste, langlebige,
reibungsarme
Ventiltriebe. Anders ausgedrückt: zum Öffnen und Schließen des Ventils steht nur
eine bestimmte Zeit zur Verfügung. Die Form der Nocke sollte so berechnet sein,
dass dieser Vorgang bei der höchstzulässigen Drehzahl gerade soeben noch
kontrolliert stattfinden kann und das alles mit kleinstmöglichem Kraftaufwand.
Vor dem Öffnen des Ventils:
Das von KnockSoft beschleunigte Ventil -
schwarze Kurve - erfährt
zunächst die sanfte Aufhebung des
Ventilspiels rechtzeitig vor Öffnungsbeginn zur Minderung der Gefahr von
schädlichen Schwingungen. Bei der
roten Kurve erfolgt dies
nicht bzw. viel zu spät. Der Öffnungsvorgang kann von Schwingungen überlagert
werden.
Öffnung des Ventils:
Bei der schwarzen
Kurve wird die Beschleunigung so schnell wie möglich hochgefahren, jedoch nur
bis zu einem berechenbaren, zulässigen Grenzwert. Überschreitung von Grenzwerten kann
zum Verbiegen von Stößelstangen, Ventilen, zu Fressern oder frühzeitigem
Verschleiß führen. Zulässige Grenzwerte können genau berechnet werden. Ein
zulässiger Grenzwert kann z.B. die Knickkraft einer Stößelstange sein,
berechnet nach der Eulerschen Knickformel. Auch die Flächenpressung
zwischen Nocke und Tassenstößel kann ein berechenbarer zulässiger Grenzwert
sein. Die
rote
Kurve vergeudet wertvolle Öffnungszeit ohne nennenswerte Beschleunigung, um dann
später "aufzuholen" mit zwei unnötig hohen Beschleunigungsspitzen. Was lange
Zeit beschleunigt wird, erreicht eine hohe Geschwindigkeit, wie wir
vom Auto fahren oder aus dem Physikunterricht wissen. Deshalb wird der maximal zulässige Beschleunigungswert
bei der schwarzen
Kurve so lange als möglich gehalten.
Übergang zum maximalen Hub und
Beginn der Rückkehr zum Ventilsitz:
Am Ende der Öffnungsbeschleunigung wechselt
die
schwarze Kurve sofort das Vorzeichen.
Das Ventil wird nun so schnell es die Ventilfeder zulässt abgebremst, um zum
Zeitpunkt des maximalen Hubs kurz stehen zu bleiben. Der Wechsel des Vorzeichens
bei der
roten
Kurve verläuft zögerlich, es geht wieder wertvolle Zeit verloren. Sowohl die
Verlangsamung bis zur Erreichung des maximalen Hubs als auch die Beschleunigung
zurück zum Ventilsitz verläuft bei der
roten
Kurve mit mehreren Spitzen mit bis zu 30% über dem notwendigen Wert.
Schließen des Ventils:
Bevor das
von der Ventilfeder zum Ventilsitz zurück beschleunigte, schließende Ventil auf dem Ventilsitz aufschlägt, muss es wieder sanft "aufgefangen", also
abgebremst werden. Beide Beschleunigungskurven wechseln wiederum das Vorzeichen
und steigen nach oben in den positiven Bereich. Die
rote
Kurve geht dabei zwar nicht so zögerlich zur
Sache wie beim ersten Vorzeichenwechsel. Dafür überschreitet die
rote
Kurve den Wert der schwarzen
Kurve um 250% mit rund 5.700 m/sec². Nachdem das Ventil bei der
roten
Kurve dermaßen mit unnötig hohen Werten abgebremst wurde, wird
die verbleibende Zeit mit Beschleunigung weit unter dem zulässigen Grenzwert vergeudet.
Während am Ende des Vorgangs das Ventil der
schwarzen Kurve längst ohne
Kraftwirkung mit vollem Anpressdruck auf dem Ventilsitz ruht und seine Wärme an
den kühlenden Ventilsitz abgibt, werden bei der
roten
Kurve noch immer Kräfte ausgeübt. Die längere Wärmeabgabe führt zu kühlerem
Ventil und in der Folge zu mehr Leistung und weniger Schadstoffausstoß. Eine
klar definierte Aufhebung des Ventilspiels ganz am Ende ist bei der
roten
Kurve nicht zu erkennen.
Schlussbemerkung:
Die beschriebenen Verbesserungen durch Berechnungen sind selbstverständlich
nicht in jedem Einzelfall möglich. Wurde eine Nocke einmal richtig berechnet, so
kann sie selbstverständlich durch nochmalige Berechnung nicht noch weiter
verbessert werden.
Wichtig sich zu merken: Diese Berechnung ist eine Physikaufgabe deren
Lösung digital ist - richtig oder falsch!
Alle Lösungen die bekannte Schlagworte enthalten wie "rechnerisch abgeänderte
Ventilerhebungskurve" "abgeänderter Nocken" "Nocken umschleifen" "abgeänderter
Grundkreis" "erfolgreiches Nocken - Profil aus einem anderen Motor" haben eine
wichtige Eigenschaft: sie sind alle falsch.
Die Anzahl verbesserungsbedürftiger Nocken ist überraschend hoch. Auch ein
Baujahr 2004 bietet keine Gewähr für eine gute Nocke. Es gibt sowohl
"richtige" als auch noch schlechtere Nocken wie hier beschrieben. Nocken vor
Baujahr 1980 konnten allerdings ausnahmslos enorm verbessert werden.
Konnten wir Ihr Interesse wecken?
Als 1. Schritt könnten Sie
eine Analyse bei Gänssle in Auftrag geben.
Sie sehen dann "schwarz auf
weiß" ob Ihre Nocke richtig oder falsch ist.
Bei falschen Nocken oder Neukonstruktion gibt es hier die perfekte Lösung!
© Axel Gänssle
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