von Jan Andel 18.06.2009
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[Diskussion] 1990-1999 4G63 Nockenwellen Grundlagen

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Nockenwellen Grundlagen
Du bist auf der Suchen nach einem Satz Nockenwellen für deinen 4g63. Save that chill down your spine for after you drive your revised car. Wenn du deine Hausaufgaben gemacht hat wirst du mit einem lächeln auf den Lippen in deinem Auto sitzen, wenn nicht wirst du die Nockenwellen umtauschen müssen. Wie auch immer, die Auswahl der Nockenwellen für deinen 4G63 ist deine Entscheidung.

Wo soll man nun Anfangen? Nun, starten wir damit warum man Nockenwellen will. Mehr Leistung. Aber was ist mehr Leistung? Mehr Luftmenge. Was hat die Luftmenge mit Leistung zutun? Denk an diese Schätzung:

450g/min Luft = 10,5 PS

Ein Motor mit 400PS an der Kurbelwelle benötigt ungefähr 17,2 kg Luft pro Minute.

Was hat das ganze mit Nockenwellen zutun? Was ist eine Nockenwelle? Der 4G63 hat zwei Nockenwellen, eine Einlassnocke und eine Auslassnocke. Die Wellen sind gerade Stahlstangen mit exzentrichen Nocken. Diese sind mit dr Kurbelwelle über einen Zahnriemeen verbunden, der sie mit der halben Kurbelwellendrehzahl rotieren lässt. Die Schlepphebel oder Rollenschlepphebel üebrsetzen die Rotationsbewegung in eine auf und Abbewegung, welche die Ventile öffnet und schließt. Diese ganze Einheit muss mit sehr hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit funktionieren.


Die Nockenwelle kontroliert die Ventilöffnung und schlie0ung über die Form der extentrischen Nocken. Die Einlassnockenwelle steuert die Einlassventiele, die Auslassnockenwellen die Auslassventile. Original and die meisten Nachrüstnockenwellen sind auf ein Grad der Kurbelwellen umdrheung genau geschlieffen um sicher zustellen das die Ventile genau zum gewünschten Zeitpunkt angesteuert werden. Ventilöffnung und schließung lässt Luft in den Motor (Einlass) und Abgase (Auslass) wieder hinaus.

Nun aber genug der Grundlagen. Wie beneinflussen Nockenwellen die Leistung? Wie wähle ich die richtigen Nockenwellen für meinen Anwedungszweck? Wir müssen die Charaktersistik einer Nockenwellen kenn um die richtige auszuwählen.


Hub
Als erstes schauen wir uns den Hub an. Hub ist unterteilt in zwei Arten. Nockenhub und VEntilhub. Nockenhun ist der maximale Abstand der Nocke des vom Grundkreis. Grundkreis ist der Teil der Nocke welchen der keine Auf und Ab Bewegung verursacht (Gegenüber des Nockenprofils). Das Nockenprofil ist die Kontur der Nocken welche den Abstand zum Grundkreis und die Hubdauer bestimmt die der Schlepphebel bewegt wird. Ventilhub ist Nockenhub mit dem Schlepphebelverhältniss mutipliziert. Im 4g63 hat der Schlepphebel ein Verhältniss von 1,7:1. Das ist der mathematische Weg um festzustellen wie weit das Ventil vom Kopf entfernt wird. Je weiter das Ventil wegbewegtz wird desto mehr Luft kann rein oder aus strömen. Es geht immer um die Luftströmung. Aber je extremer der Hub wird desto schwerer ist es die entsprechende Ventilfeder zufindnen. Eine die sicht nicht durch den extremem Hub dauerhaft verformt und trotzdem hohe Drehzahlen aushält.


Let’s see what higher than stock lift does for a 1g stock head with no intake and a ¾” radius entry. Polk Performance did a flow test on the #3 intake runner:

1G head flow numbers and intake designs...long


Orginal Hub ist ungefähr 9,53 mm. Es gibt einen 7%igen Zuwachs wenn den Hub auf 11,43mm erhöht. Das sind ungefähr 14PS an einem orginalen Turbo-4g63. Dies ist nur eine Art um mehr Leistung raus zu holen. Kombiniert mit anderen Verbesserungen, sieht man warum Nockenwellen einen so großen Unterschied machen.


Öffnungsdauer
Der nächste Aspekt ist die Öffnungsdauer. Öffnungsdauer kann nicht vesprochen werden ohne zuverstehen was volumetrischer Wirkungsgrad (engl volumetric efficiency oder VE) bedeutet. Volumetrischer Wirkungsgrad wird benutzt um die Menge des Benzin/Luft Gemisches im Verhältnissed zum regulären atmospherischen Ausdruckes zubeschreiben. Wenn der komplette Zylinder mit einem Benzin-Luft-Gemisch bei atmospärischem Druck gefüllt ist spricht man von einem volumetrischer Wirkungsgrad von 100%. Auf der anderen Seite erhöhen turbogeladene Motoren den Druck des Gemisches welches in den Zylinder strömt. Dies gibt diesen Motoren einen volumetrischer Wirkungsgrad höher als 100%. Wenn der Zylinder Vakum zieht, hat der Motor weniger als 100% Wirkungsgrad. Saugmotoren haben typischweiße einen Wirkungsgrad von 80-100%.
Was hat dies mit Öffnungsdauer zutun hat: Längere Öffnungsdauer gibt einen besseren Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen und nimmst etwas vom wirkungsgrad bei niedrigeren Drehzahlen weg. Viele sagen mit anderen Öffnungzeiten verschiebt man das Drehmoment Band. Aber es gibt einem noch mehr Top Leistung bei einer höheren Drehzahlt wenn man die Öffnungsdauer erhöht, da der Motor dann mehr Luftdrucksatz hat. Wenn der 4G63 bei 5000U dreht, kann er 5000 Liter Luft pro Minute ansaugen.

2,0 Liter x 5000 U/min /2 (4-takt Motor) = = 5000 Liter pro Minute

Das sind 100% Wirkungsgrad, beidem 100% vom Zylinder gefüllt sind. Bei 7000U geht dieser Wert hoch auf 7000 Liter.
Leute die Leitung bei sehr niedrigen Drehzahlen wollen, sollten eie Nockenwelle wählen die ein gutes VE at 3000 U erzeugt. An diesem Punkt hat der Motor nur das Potential vom 3000 Liter Luft bei 100% VE. Schauen wir uns nun ein paar Beispiele an.

Nockenwelle A: straßen taugliche Nockenwelle, niedrige Öffnuungsdauer z.b. 264 Grad

VE = 95% bei 3000U/min, 95% x 3000 Liter pro Minute = 2850 Liter pro Minute
VE = 70% bei 7000U/min, 70% x 7000 Liter pro Minute = 4900 Liter pro Minute

Nockenwelle B: aggressive Nockenwelle, lange Öffnungszeit z.b. 272 Grad

VE 70% bei 3000U/min, 70% x 3000 Liter pro Minute = 2100 Liter pro Minute
VE 95% bei 7000U/min, 95% x 7000 Liter pro Minute = 6650 Liter pro Minute

Zur Errinerung je mehr Luft desto mehr Leistung wird erzeugt. Die längere Öffnungzeit von Nockenwelle B lässt 26% mehr Luft druch als als Nockenwelle A. Aber es geht nicht nur um maximale Leistung wie man sehen kann. Für straßentaugliches Verhalten muss das Drehmoment gleichmässig und möglichst über ein langes Drehzahlband anliegen. Bei Rennwägen muss möglichst viel Leistung anliegen, dabei spielt nur die maximale Leistung eine Rolle.

Das Beispiel oben zeigt das wenn nur die Öffnungsdauer geändert wird, es zu einem Leistungszuwachs kommt.

Was genau ist Öffnungsdauer? Öffnungsdauer wird in Grad gemessen, diese Gradzahl gibt an wie lange ein Ventil offen ist. Um vergleichbare Werte unterschiedlicher Nockenwellen zuerhalten muss man die Öffnungsgeschwindigt einberechnen. Dazu werden verschiedene Arten der Öffnungzeit angegeben. Advertised und .050 Öffnungzeit sind die belibtersten Zeiten die Hersteller angeben.

.050 Öffnungsdauer wird in Grad der Kurbelwellenumdrehung gerecht, von dem Punkt an dem die Nocke der Welle 1,27mm vom Grundkreis angehoben wird bis zu dem Punkt wo die Nocke erneut 1,27mm vor dem schießen steht. Diese Art der Messung ist heutzutage standart.
.050 duration is measured in CRANKSHAFT degrees from the point where the lift.

Die advertised Öffnungdauer kann zu jeder frei festgelegten Nocken Hubhöhe erfolgen. Je niedriger der Hub des Messpunktes desto größer ist die Öffnungsdauer. Diese Angabe ist für Leute gedacht die frei nach dem Motto viel hilft viel einkaufen. Jede adcertised Öffnungsdauer kann nur mit Nockenwellen des gleichen Herstellers verglichen werden, da meistens die Hubhöhe dabei nicht angegeben wird. Aber selbst beim gleichen Hersteller können verschieden Hubhöhen bei verschieden Nockenwellen typen benutzt werden. Daher gibt Grund auf die angegebe Öffnungsdauer ohne Hub zuachten.

Das Einlassventil kann noch offen sein wenn der Kolben den kompletten Hub zurückgelegt hat und schon in der Aufwärtsbewegung des Kompressionsvorgangs ist. Sollte das nicht die Luftfüllung zurück durch das Einnlassventil drücken und Leistung verloren gehen? Ja, in bestimmten Drehzahlen. Luft ist ein elastisches Medium, es kann komprimiert (Ladedruck) oder gedeht (Saugbereich) werden. Luft hat eine Masse und daraus resultiert eine Trägheit. Bei hohen Drehzahlen fällt die Trägheit von Luft stärker ins Gewicht. Obwohl der Kolben die Luft richtung geöffnetem Einlassventil drückt, wird die Luft nicht durch das Ventil gedrückt. Die Trägheit der Luft verhindert eine Beschleunigung stattdessen wird die Luft bereits kompremiert.
Bei hohen Drehzahlen muss das Ventil länger offen bleiben, damit der Einlasstakt genug Luft ansaugen kann vor der Kolben die Luft Kompremiert. Man muss die Trägheit der Luft stärker nutzen je höher die Drehzahlen werden, damit die Luftmenge hoch bleibt.



Hubgeschwindigkeit (Ramp Rate)
Im idealfall wünscht man sich eine Ventil das augeblicklich öffnet und am Ende schließt. Aber es gibt keine Ventilfeder die diesen Schlag aushalten würde. Man muss das Ventil sanft öffnen, indem man die Hubgeschwindigkeit langsam steigert. Die Öffnungsdauer kontrolliert die Zylinderfüllung. Die Hubgeschwindigkeit ist eine möglichkeit das Verhältniss von ein und Auslass gleichzulassen und dabei die Zylinderfüllung zusteigern.
Im Grunde ist es so, das je früher man das Ventil auf einen höheren hub bringt desto mehr Luft kann in den Zylinder eindringen. Mehr Luft = Mehr Leistung.
Abhänig von den Flußgeschwindigkeiten des Einlasses in Kombination von verschiiedenen Ventilhüben, Drehzahlen und Kurbelwellenwinkel, kann eine schnelle Hubgeschwindigkeit nicht nur von Vorteil sein. Es geht alles darum den Zylinder vollständig zufüllen, zuentleeren und den maximalen Druck herzustellen. Der 1G Zylinderkopf und Einlasskrümmer reagiert besser auf eine hohe Hubgeschwindigkeit. Forced Performance hat viele Test um die Hubgeschwindigkeit gemacht. Auf der Homepage wird eine Nockenwellenprofil gezeigt das sie für die beste lösung halten. Eine beschleunigte Hubgeschwindigkeit benötigt eine bessere Ventilfeder.