SV650 aus dem letzten Jahrtausend

[torbinho]

Hab so Bock das weiter zu lesen!

[Knubbler]

Teil 3

Und weiter geht's, diesmal wird es etwas handfester, versprochen

Hier ist das Objekt der Begierde, der Zylinderkopf der 660er. Egal ob MZ oder Yamaha XT/SRZ, es ist immer der gleiche Motor.



Wie schon erwähnt wurde, an dem Kopf ist serienmäßig nicht viel Besonderes dran. War auch kein besonderes Motorrad damals mit 48PS. Er wurde nur wegen 5V und getrennten Einlass-Kanälen ausgewählt und diese sollten verändert werden. Schauen wir uns zuerst den einzelnen Kanal als Abguss an. Der hat für mich eher was vom berühmten Habeckbogen
Erstens tut sich der Motor schwer den Kanal hindurch anzusaugen, was einen erhöhten Differenzdruck im Zylinder erzeugt. Dann sind wir wieder bei der Drosselung und der Unterdruck-Auswirkung auf den Kolben. Zweitens knallt die träge, beschleunigte Gassäule gegen die obere Kanalwand anstatt den Brennraum nachzuladen, also für hohe Leistung ist der Kanal definitiv nicht gemacht worden. Der Größenverlauf ist auch nicht gerade schön, der wird groß in der Umlenkung und am Ventil ist es dann ein Nadelöhr.

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Diese Form musste abgeändert werden. Erstens für weniger Saugwiderstand und dann für die gewünschten Bedingungen des Miller-Zyklus. So eine Form schüttelt man sich aber nicht aus dem Ärmel, sie muss entsprechend entwickelt werden. Dazu wurde der ganze Zylinderkopf inkl. der Kanäle digitalisiert und zu einem kompletten Modell kombiniert.



Im CFD (Strömungssimulation) wurden zunächst grundsätzlich verschiedene Verläufe von Kanälen auf ihr Verhalten getestet. Die Strömung auf dem Bild fließt von links nach rechts, die Form ähnelt einer Lavaldüse, allerdings im < Mach 1 Betrieb. Man sieht die Strömung konzentriert sich beim Austritt nach rechts verstärkt im Zentrum und wurde demnach beschleunigt. Die Grenzschicht hat sich vergrößert und an den Wänden ist die Strömung langsamer. Das ist aufgrund der Massenstromerhaltung auch logisch, es kann ja nicht mehr raus als hineingekommen ist, bei konstantem Durchfluss. Kurz gesagt, der Brennraum wird besser gefüllt, als es ohne die Verengung der Fall wäre. Allerdings kommt es stark auf das Größenverhältnis im Kanal an.



Der ermittelte Verlauf sollte in den echten Kanal übernommen werden, anhand der geometrischen Gegebenheiten und das mit einer möglichst sanften Biegung, dazu gleich mehr. Das Umsetzen geschah zuerst im CAD, indem der Kopf aufgeschnitten und ein neuer Verlauf entwickelt wurde (lila Linie). Die Problemfrage dabei, woher weiß man, wie knapp der Kühlwassermantel den Kanal umgibt?



Angesichts dessen wurde der Kopf geröntgt aus verschiedenen Ansichten und mit unterschiedlichen Intensitäten. Dabei wurde ersichtlich, die Wandstärke ist nirgends dünner als 3,5mm und somit konnte eine finale Kanalform entwickelt werden, welche nicht durch den Wassermantel bricht. Denn dann wäre der Kopf hinüber, in dem engen Kanal kann man kaum Schweißen.



Die Umsetzung begann damit, dass die Nadelöhr-Ventilsitze aufgespindelt und +1mm Ventile verbaut wurden, um schneller den Durchflussquerschnitt freizugeben. Das ist immer gut, wenn der Platz vorhanden ist. Die Ventile sind auch noch ein paar Gramm leichter als Serie und strömungsgünstiger geformt.



Im Anschluss wurde schon mal der Doppelkanal am Eingang vergrößert und rund gestaltet für die Einspritzung später. Man sieht hier, wie weit die Ventilführungen in den Kanal stehen, dahinter ist sozusagen nur toter Raum, durch die zu große Fläche in der Umlenkung. Das musste deutlich kleiner werden.



Die Kanäle wurden an den entsprechenden Stellen mit Kaltmetall aufgefüllt, wo vorher kein Material vorhanden war. Auch die Ventilführungen sind im Kleber verschwunden, so viel musste das verkleinert werden.



Das war dann der fertige Doppelkanal, mit größerem Umlenkradius, aber kleinerer Fläche in der Umlenkung. Der Eingang in den Kanal ist von der Größe des 38er Vergasers auf die Größe einer 43mm Einspritzung gewachsen.



Der Einzelkanal ist hier noch nicht ganz fertig, aber man erkennt bereits, was geändert wurde. Auf der Unterseite ist ein großer Buckel dazu gekommen und der Kanal ist insgesamt etwas nach oben gewandert. Die Umlenkung kann so einen viel entspannteren Radius einnehmen. Auch hier wurde wieder einmal die D-Shape Form gewählt. Die Ventilführung ist komplett verschwunden, da auch auf der Oberseite der Biegung viel Material dazu gekommen ist, man sieht es in der lila Skizze gut.



Hier der direkte Vergleich. Die Formen haben nicht mehr viel miteinander zu tun. Links das Original und rechts der neue Kanal. Unten übereinandergelegt, mit der gleichen Ventilachse als Vergleich.





Nur schön anzuschauen, ist aber oft nicht ausreichend, kennt man aus dem Alltag
Das neue Konzept musste noch überprüft und gegebenenfalls angepasst werden. Dazu wurde erneut das CFD benutzt. Die Strömung fließt von links-oben nach unten. Man sieht links schön, wie sich wieder der Beschleunigungseffekt einstellt und genau in Richtung Tornado in den Brennraum strömt. Was auch ziemlich wichtig war, das ist die Vermeidung von Strömungsablösung, was den Durchfluss massiv reduzieren und den Saugwiderstand erhöhen würde, was man unter keinen Umständen haben will. Deshalb auch der große Radius im neuen Kanal. Man kann das allerdings in der Druck Darstellung der Mitte gut überprüfen. An der Stelle der höchsten Geschwindigkeit, da ist der Druck logischerweise am geringsten (blau) und danach geht der Druck auf das Niveau von davor zurück. Das soll genauso aussehen und bedeutet, bei diesen Bedingungen des sehr hohen Durchflusses, kommt es trotzdem zu keiner Ablösung mit entsprechender Verwirbelung. Bei den Strömungslinien sieht man auch noch einmal, dass sie ihre Bahn auf der Innenseite nicht verlassen, nur beschleunigt (rot) werden. Zur Einschätzung wann es kritisch wird, da zieht man im Allgemeinen erst einmal die lokale Reynoldszahl einer Strömung im Rohr heran und überschlägt mit dem maximal üblichen Differenzdruck. Das bleibt aber eine Abschätzung, da man die genauen Bedingungen nie kennen kann im Vorfeld. Eine gute Abgasanlage kann zB. einen weit größeren Unterdruck im Brennraum erzeugen, als es der Kolben je schaffen wird, mit seinen lediglich ~100mbar.



Jeder der mit CFD schon mal zu tun hatte, weiß dass man da von Hunderten Parametern erschlagen wird und jeder Einzelne kann das Ergebnis deutlich verfälschen. Im "besten" Fall konvergieren die Iterationen beim numerischen Lösen nicht und im schlechtesten wird etwas Falsches als plausibel dargestellt. Angesichts dessen sollten die Simulationsergebnisse überprüft und schnell veränderbar gemacht werden. Der Entwurf vom Kanal wurde also in eine Form überführt, um den Durchfluss zu echt messen zu können inkl. dem Einlassventil und schnell etwas verändern zu können.



So sah das Ganze dann 3D gedruckt aus. Darauf wurde die Einspritzung mit Trichter gesetzt und auf der Flow Bench überprüft.



Als erstes wurde der Kanal ohne Einlassventil gemessen und der echte Durchfluss bei gleichem Druck mit dem CFD Ergebnis verglichen. Das liegt schon ziemlich nah beieinander und verifiziert das Ganze somit, das letzte Prozent ist dabei nicht entscheidend, wenn man schnell mal um mehrere Größenordnungen daneben liegen kann. Als nächstes wurde getestet, wie weit man das Ventil öffnen kann, bis zum höchsten Durchfluss. Das passiert schon bei 7mm. Sportliche Köpfe mit 31mm Einlassventil schaffen 10-11mm und das ist genau, was der neue Kanal machen soll, entsprechend der kleinen Größe schnell und viel Durchfluss, ohne zu großen Widerstand.
Es wird schnell ein großes Ventil (im Bezug auf Kanalgröße) geöffnet und es wird dann zügig der Maximaldurchfluss erreicht. Mit den Daten dieser Messung und Simulation konnte dann eine entsprechende Nockenwelle für den Miller-Zyklus entwickelt werden.



Am Brennraum selbst hat sich wenig geändert, nur ein paar Klopf gefährliche Kanten mussten weichen. Wir wollen ja die Verdichtung nicht unnötig reduzieren
Die eigentliche Erhöhung der Kompression übernimmt dann der Kolben, nächstes Kapitel.



Freut mich, wenn es Euch gefällt, bald geht's weiter

[doctorvoll]

Sehr cool, weiter so, macht Spaß zu lesen!

[saflo]

...faszinierend !!! Für mich, als "normaler" Kfz'ler ganz großes Kino!

Grüße - Stefan

[Rennsemme-Fahra]

Welches Kaltmetal verwendest du?
JB-Weld?

[wizzard]

puuh --- kann nur bedingt folgen --- zuviel zum sideways recherchieren - es ist aber wirklich interessant und spannend zu lesen - Respekt!

Ich bin gespannt aufs Ergebnis und wunder mich das das keine Doktorarbeit ist - bei dem gefühlten Umfang...

Weitermachen!

[Tom-ek]

Sehr geil das !

[Chef_Koch]

Super Bericht!

[Black Jack]

Ich versteh nicht immer alles, aber ich bin fasziniert!

[Knubbler]

Ja das stimmt, der Umfang von dem Projekt hat den Rahmen ein klitzeklein wenig gesprengt und böse Zungen behaupten, da hätte man drei Masterarbeiten draus machen können
Leider gab's bei mir organisatorisch auch nicht die Möglichkeit, die 6 Monate Frist inkl. den 100 Seiten schreiben, zu verlängern. Daher hieß es Gas geben und gleichzeitig Schreiben. Fühlte sich aber in der Zeit, mit dem Ziel vor Augen, sehr motivierend an. Und wann bekommt man schon einmal die Möglichkeit an einem Motorenprüfstand arbeiten zu dürfen, auf dem sonst auch europäische Zulassungen zertifiziert werden? Den zu mieten, mit Peripherie und technischer Betreuung kostet für Externe an die 20 Riesen im Monat. Da kann ich mich schon sehr glücklich schätzen, dass ich die Möglichkeit dazu bekommen habe.
Ich wollte unbedingt für mich herausfinden, ob diese Hypothese so stimmen kann. Wollte die Abläufe in den Kanälen und dem Brennraum besser verstehen. Die Vorgänge sind am Ende ja überall gleich, egal ob in den Motoren der MotoGP oder einem Rasenmäher, den jemand tunen möchte. Umgesetzte Luftmasse, Kraftstoff und der Systemwirkungsgrad bestimmen, was hinten raus kommt. Die Physik begrenzt alle gleich und wenn man es richtig anstellt, gibt sie einem entsprechende Möglichkeiten. Das fasziniert mich einfach

JB-Weld?

Ja genau. Chemisch und thermisch sollte es halten. Ob es allerdings eine dauerhafte Lösung ist, das kann ich noch nicht sagen. Die paar Hundert Stunden am Prüfstand sind ja keine Dauer-Erprobung.