Komo-Tec im Windkanal von „MIRA“ in England

Beitrag vom 20.02.2017

Komo-Tec im Windkanal von „MIRA“ in England

Eine seriöse Leistungssteigerung von Verbrennungsmotoren erfordert exakte Messmethoden, mit denen jeder Entwicklungsschritt verfolgt und dokumentiert werden kann. Deshalb haben wir schon vor Jahren einen „Schenck“ Leistungsprüfstand für Motoren und einen „SuperFlow“ Scheitelrollenprüfstand für Fahrzeuge angeschafft.

Die Optimierung und Messung aerodynamischer Modifikationen an einem Fahrzeug erfordert jedoch einen ungleich höheren Aufwand. Windkanäle, in denen Fahrzeuge in Originalgröße gemessen werden können, sind äußerst selten, da deren Betrieb mit einem sehr hohen baulichen und finanziellen Aufwand verbunden ist.

In kaum einer anderen fahrzeugtechnischen Disziplin liegen Vermutung und Fakten so weit auseinander, wie bei der Aerodynamik. Das haben auch wir im „MIRA“ Windkanal nach über 50 Messzyklen mit unserer „Exige 460“ erkennen müssen.

Verschiedene Flügelprofile in unterschiedlichen Anstellwinkeln und Positionen und zahlreiche Modifikationen an der Fahrzeugfront und dem Unterbodenverfolgten das gleiche Ziel:

Die optimale aerodynamische Konfiguration zu ermitteln, mit der sowohl für das „Track“ als auch für das „Race“ Aero-Paket der beste Kompromiss zwischen Abtrieb und Luftwiderstand erreicht wird. Dabei stand eine ausgewogene Balance des aerodynamischen Abtriebs auf Vorder–und Hinterachse im Vordergrund. Dieses Abtriebs-Verhältnis soll der statischen Gewichtsverteilung des Fahrzeugs möglichst nahekommen, um die mechanische Fahrwerksauslegung auch in hohen Geschwindigkeitsbereichen unverändert zu unterstützen.

Zu Beginn der Messungen wurden folgende Fahrzeugdaten ermittelt:

Gesamtgewicht: 1.140,80 kg
Gewicht auf der Vorderachse: 412,40 kg
Gewicht auf der Hinterachse: 728,40 kg
Gewichtsverteilung: 36 % / 64 %
Stirnfläche: 1,70 m^2
Luftwiderstandbeiwert cw 0,41   (ohne Heckflügel)
Luftgeschwindigkeit im Kanal: 36 m/s
Alle Kräfte und Momente bei: 160 km/h

 

Die Eingangsmessung – als Basis aller folgenden Untersuchungen – wurde ohne Heckflügel durchgeführt und ergab einen geringen Auftrieb an der Hinterachse.

Die folgende Messung mit dem originalen Heckflügel der „Exige Sport 350“ ergab bereits einen geringen Abtrieb an der Hinterachse von 11,8 kg, dabei stieg gleichzeitig der cw-Wert auf 0,44 und entspricht damit dem Serienstand der „Exige Sport 350“.

Das „Track“ Aero-Paket besteht aus dem 1.350 mm breiten Heckflügel mit einem speziellen, geschwungenen Profil, das ein besonders gutes Verhältnis von Abtrieb- und Luftwiderstand generieren soll, sowie dem „Lotus Motorsport“ Front-Splitter. Die Messungen wurden mit einem Anstellwinkel des äußeren Flügelprofils von 6°, 9°, 12°, 14° durchgeführt.

Der höchste aerodynamische Wirkungsgrad des Systems, also das Verhältnis von Zunahme des Abtriebs zu Zunahme des „Luftwiderstands“ (L / D), wurde mit einem Anstellwinkel des Heckflügels von 12° erreicht.

Der Abtrieb an der Hinterachse beträgt: 50,2 kg (160 km/h)
Der Abtrieb an der Vorderachse beträgt 28,3 kg (160 km/h)
Damit ist die aerodynamische Verteilung 36% / 64%
Die statische Achslastverteilung ist identisch 36% / 64 %
Die erforderliche Antriebsleistung zur
Überwindung des aerodynamischen Widerstands =
61 PS (160 km/h)

Zum Vergleich:

Aerodynamische Antriebsleistung „Sport 350“ 55 PS (160 km/h)
Aerodynamische Antriebsleistung ohne Heckflügel 52 PS (160 km/h)
Effizienz (L / D) -78,5 kg / 101,4 kg = -0,775

Die Abtriebskräfte an Vorder – und Hinterachse nehmen mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zu, so dass bei einer Geschwindigkeit von 250 km/h der Abtrieb auf der Hinterachse bereits 122 kg beträgt. Die Befestigung des Flügels auf der Heckklappe durch spezielle Komo-Tec Flügel- Abstützungen trägt dieser Belastung aber Rechnung.

Beim anschließend gemessenen „Race“ Aero-Paket erreicht der maximale Abtrieb auf der Hinterachse mit dem „Race“- Flügel in der 14° Position und einem 5 mm Gurney bei 250 km/h eine Abtriebskraft von 260 kg. Die Befestigung auf der Haube muss daher einer Halterung weichen, die durch die Oberseite des Hecks bis zum Chassis reicht.

Die enormen Abtriebskräfte des „Race“ Heckflügels mit Gurney lassen sich zum aktuellen Entwicklungsstand aber nicht in eine ausgewogene Balance mit dem Abtrieb der Vorderachse bringen.

Der beste Kompromiss aller Forderungen, die an ein Aero-Paket für die Rennstrecke gestellt werden, wurde daher mit dem „Race“ Heckflügel ohne Gurney mit einem Anstellwinkel von 14° und in folgender Konfiguration erreicht:

  • „Race“ Heckflügel (ohne Gurney)
  • Front Splitter „Lotus Motorsport“
  • „Canards“ vorn
  • Splitter Fences
  • Abdeckung der hinteren, unteren Querlenker
  • Anstellwinkel des Unterbodens (Rake) um 0,25° angehoben.

 

Der Abtrieb an der Hinterachse beträgt: 72,5 kg (160 km/h)
Der Abtrieb an der Vorderachse beträgt 44,2 kg (160 km/h)
Damit ist die aerodynamische Verteilung 38% / 62%
Die erforderliche Antriebsleistung zur
Überwindung des aerodynamischen Widerstands =
67,3 PS (160 km/h)

Zum Vergleich:

Aerodynamische Antriebsleistung „Track“ 61,0 PS (160 km/h)
Aerodynamische Antriebsleistung „Sport 350“ 55,0 PS (160 km/h)
Aerodynamische Antriebsleistung ohne Heckflügel 52,2 PS (160 km/h)
Effizienz (L / D) -116,7 kg / 110,4 kg = – 1,057

 

Die Messung in der Gesamtkonfiguration „Track“ – jedoch mit einem Gierwinkel des Fahrzeugs (Yaw angle) von 6° – reduzierte den Gesamtabtrieb um 8,1 kg, verschob aber die aerodynamische Balance geringfügig in Richtung der Hinterachse. Dieser Effekt ist gewünscht, da bei hohen Kurvengeschwindigkeiten und großen Gierwinkeln („Driftwinkeln“) eine zusätzliche Stabilisierung der Hinterachse willkommen ist.

Neben der riesigen Anzahl von Messwerten, konnten wir auch viele interessante Erfahrungen zur komplexen Aerodynamik des Automobils sammeln. Wollfäden an zahlreichen Stellen der Karosserie und Rauchfahnen in den kritischen Bereichen trugen effektiv zur Visualisierung der Strömungsvorgänge rund um unsere „Exige 460“ bei.

Unsere künftigen Entwicklungsschwerpunkte werden auf diesen Erfahrungen aufbauen und sich auf weitere Optimierungen der Fahrzeugfront, des Unterbodens und des Heckdiffusors fokussieren.

 

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Lotus Exige, Tech talk

Entwicklungsstand EX500-Leistungsphase für Exige V6

Beitrag vom 04.02.2017

Entwicklungsstand des EX 500 Projekts.

 

Nach einjähriger Entwicklungsphase des EX460 Kits konnten wir dieses im Februar 2016 dem Kunden anbieten durch Einsatz auf europäischen Rennstrecken und einigen tausend Kilometern im Alltagsbetrieb konnten wir bis heute viele Erkenntnisse aus dieser intensiven Zeit sammeln und auf die Entwicklung des EX500 Kits anwenden , schon seit Anfang an stand die EX500 Lösung auf unserer Agenda konnte allerdings noch nicht seriös angeboten werden. Wir möchten Ihnen in den folgenden Zeilen einen Einblick in unsere Testarbeit geben.

 

Die gewonnen Daten werden uns in Zukunft die Möglichkeit geben eine hochperformante und standfeste Lösung im Markt zu platzieren die auf Supersportwagen Niveau liegen wird und die Performance des EX460Kits noch überragt. Allerdings stellt dies besondere Anforderungen an die Hardware des Motors die wir in diesem Umfang selbst nicht erwartet haben. Dies stellt allerdings die Grundlage für weitere Entwicklungsschritte da.

 

  • Die erhebliche Zunahme an mechanischer, vor allem aber thermischer Belastung der Triebwerks –Komponenten erfordert umfangreichere innermotorische Maßnahmen als ursprünglich angenommen. So erfordern beispielsweise die geschmiedeten Kolben, die im EX500 Kit zum Einsatz kommen, zusätzliche Modifikationen im thermisch hochbelasteten Feuersteg und  im Bolzenbereich. Parallel dazu müssen Abmessungen und Material Auswahl der Pleuel geändert werden.
  • Die ersten Prototypen des Ansauggehäuses mit integriertem Luft / Wasser Wärmetauscher erforderten überproportional hohe Zuwächse an Ladedruck, um die Leistung von 460 auf über 500 PS zu steigern. War für den Anstieg von der Serienleistung auf  460 PS nur eine Erhöhung des  Ladedrucks um 0,2 bar erforderlich, wurden plötzlich mehr als der doppelte Wert, nämlich zusätzliche 0,5 bar benötigt um die 500 PS zu erreichen.

Dabei haben unsere Feld – Erfahrungen mit einer großen Zahl von EX 460 Umbauten doch gezeigt, dass  das zugehörige Ansaugsystem effizient arbeitet und  die Motoren auch unter  hoher Belastung standfest sind. Der gegenüber der EX 460 Variante geänderte Lader hat aber offensichtlich größeren Einfluss auf die Strömungsvorgänge im Einlasssystem als ursprünglich erwartet. Messungen des Druckabfalls der Ladeluft zwischen dem Kompressor Austritt und den einzelnen Ansaugrohren ergaben erhebliche Unterschiede für die einzelnen Zylinder. Es war also offensichtlich, dass die Strömungsvorgänge innerhalb des Ansaugkasten / Kühlersystems optimiert werden mussten. Ein flacheres Kühlernetz mit gesteigerter Kühleffizienz brachte ebenso wie geänderte Strömungsverhältnisse innerhalb des Ansaugkastens deutliche Verbesserungen.

Der Durchbruch gelang aber erst, nachdem das Gesamtsystem einer CFD –  Strömunganalyse (Computational Fluid Dynamics) unterzogen worden war. Der Raum und die Form oberhalb und unterhalb des Kühlernetzes haben dabei den dominierenden Einfluss auf die gleichmäßige Verteilung des Ladeluft-Stroms auf die einzelnen Zylinder. Die dramatischen Folgen einer schlechten Verteilung zeigt der Kolben des überlasteten Zylinders 5 einer 500 PS Version eines Mitbewerbers

 

Defekter Kolben 5 (1) Defekter Kolben 5 (2)

  • Last but not least, haben wir festgestellt, dass eine seriöse Entwicklungsarbeit einen eigenen Leistungsprüfstand mit hoher Reproduzierbarkeit aller Entwicklungsschritte zwingend erforderlich macht.

„Try and error“  wollen wir unseren Kunden nicht zumuten.

 

Wir haben daher entschieden unsere Entwicklungsarbeit am „Projekt EX 500“ so lange fortzuführen, bis wir eine sichere Standfestigkeit des Motors erreicht haben. Um auch weiterhin dem Kunden ein Hohes Maß an Sicherheit bieten zu können.

 

 

2200-006 EX500 Leistungsdiagramm

 


Lotus Exige