Leistungsphase EX500 mit neuem Lader R1900-TVS

Beitrag vom 20.06.2017

Leistungsphase EX500 für Exige S V6 und Sport 350

 

Leistungssteigerung bei aufgeladenen Motoren ist eigentlich

ganz einfach: Man erhöht den Ladedruck so lange, bis die

gewünschte Leistung erreicht ist und hofft, dass der Motor die massiv

gewachsene mechanische und thermische Belastung schon irgendwie

aushalten wird. Und, falls er mit einem kapitalen Motorschaden reagiert,

hat der Kunde eben Pech gehabt. Das ist die simple Methode.

 

Wir haben uns für die intelligente Methode entschieden:

500 PS und 530 Nm sollten mit einem möglichst geringen Ladedruck

und damit der geringstmöglichen zusätzlichen Belastung aller Triebwerkskomponenten

erreicht werden. Der zugehörige Entwicklungsprozess

hat uns dabei über viele Monate beschäftigt. Nach umfangreichen

Berechnungen, CFD- Strömungssimulationen, der Konstruktion

zahlreicher Prototypen und unzähliger Stunden auf dem Prüfstand

haben wir jetzt unser Entwicklungsziel erreicht.

 

EX500

 

500 PS mit einem maximalen Ladedruck von knapp über

0,8 bar, einem überschaubaren Aufwand an innermotorischen

Maßnahmen und einem standfesten Triebwerk.

 

Schwerpunkt der Entwicklungsarbeit war die Optimierung der Luftführung

im kompletten Einströmtrakt, beginnend mit dem Luftfilter und

dessen Gehäuse, über den Luftmassenmesser, und die Drosselklappe

bis hin zum Ansauggehäuse zwischen Lader und Einlasskanälen.

 

Dieses Ansauggehäuse muss einen hocheffizienten Ladeluftkühler

aufnehmen, gleichzeitig aber der einströmenden Luft einen möglichst

geringen Widerstand entgegensetzen und für eine gleichmäßige

Verteilung der Strömung auf alle 6 Zylinder sorgen. Falls der Ladedruck

auf die einzelnen Zylinder ungleichmäßig verteilt ist, wird der

Zylinder mit der größten einströmenden Luftmasse auch thermisch am

höchsten belastet. Die fatalen Folgen sind zerstörte Kolben und

Ventile.

 

Die Erkenntnisse der CFD- Analyse brachten nach zahlreichen

Versuchen den gewünschten Erfolg einer gleichmäßigen

Verteilung der Strömung. Messungen von Druck und Temperatur

der Strömung in den einzelnen Ansaugkanälen bestätigten auf dem

Prüfstand das positive Ergebnis.

 

Bei der Betrachtung der Gesamteffiziens eines aufgeladenen Motors

darf der Wirkungsgrad des Laders nicht vergessen werden. Im

Bereich seines höchsten Wirkungsgrads benötigt der „Eaton“ Lader

eine Antriebsleistung von etwa 60 PS.

Muss man diesen Bereich verlassen, um über eine angehobene

Laderdrehzahl einen höheren Ladedruck zu generieren, kann die

Antriebsleistung des Laders schnell um 10 PS ansteigen.

 

TVS Map

 

Im Laufe unserer Entwicklungsarbeit haben wir Leistungen bis zu

550 PS und 560 Nm gemessen, dabei aber auch grenzwertige

Triebwerkbelastungen ermittelt.

 

500 PS scheinen also eine „gesunde“ Basis zu sein,

die aber Raum für künftige Herausforderungen

bietet.

 

EX500 (1)

 

EX500-Leistungskit

Wesentliche Vorteile:

  • Reduzierung der Ansauglufttemperatur (gekühlt/ungekühlt) von ca. 35°C
  • Ladedruckverlust durch Kühlernetz 0,01 bar bei 0,8 bar Ladedruck
  • nur ein geringes Mehrgewicht (ca. 7,8 kg incl. Wärmetauscher – ohne Wasser)
  • erheblich mehr Drehmoment ( 130 Nm) und Leistung ( 150 PS) zum Serienfahrzeug

Leistungphase EX500 bestehend aus:

  • KT500 Carbon Airbox System mit K&N Sport-Luftfilter
  • neuer Harrop TVS1900-Kompressor
  • Schmiedekolben
  • Schmiedepleul
  • geänderte Riemenscheibe
  • Edelstahl-Fächerkrümmer mit optimierten Rohrlängen
  • 200-Zellen-Sportkatalysator HJS (Hauptkat)
  • Lambdasonden-Kabelverlängerung
  • Optimierung des Serien-Steuergerätes EX500
  • (Zünd-, Einspritzkennfelder und Nockenwellenphasenverstellung)
  • EX500 Decalset

EX500 Wasser-Luft-Ladeluftkühlsystem bestehend aus:

  • Wärmetauscher Kühler in Fahrzeugfront
  • elektrische Wasserpumpe
  • Aluminium Wassertank für Ladeluftkühler
  • komplettes Alu-Saugrohr mit integriertem Ladeluftkühlernetz
  • und Einspritzleiste, schwarz eloxiert, überarbeitet für Harrop TVS1900-Lader
  • Wasserschläuche

Lotus Exige, Tech talk

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

EX460 – Effizienztestung Ladeluftkühler

Beitrag vom 07.07.2016

Testfahrten zur Überprüfung der Effizienz des „Komo-Tec“ Ladeluft – Kühlsystems für V6-Motoren

 

Theoretische Untersuchungen, umfangreiche Berechnungen und  ausgedehnte Prüfstandläufe können die Verifizierung dieser Ergebnisse auf der Rennstrecke und im Straßenverkehr nicht ersetzen.

 

„Die Wahrheit liegt auf der Straße“ gilt in Abwandlung eines Bonmots eines berühmten Fußballtrainers auch für die Entwicklung des Ladeluft – Systems

für unsere „EX 460“ und „EX 500“(folgt demnächst)  Leistungsstufen für die Lotus Exige V6 und den Evora / Evora S.

 

Wir haben in den vergangenen Tagen daher ausgedehnte Testfahrten mit unserem „Komo-Tec Versuchsträger“ (Lotus Exige S) auf der Nürburgring – Nordschleife und in Spa durchgeführt.

 

Die Außentemperaturen zwischen 23°C und 29°C  und trockene Straßenbedingungen ließen repräsentative Messergebnisse erwarten.

 

Die Verwendung von Thermo-Sonden mit schnellen Reaktionszeiten erlaubten eine Daten-Frequenz von 5 Messungen pro Sekunde für die Temperatur vor und nach dem Ladeluftkühler,

Die Werte wurden neben zahlreichen anderen Daten (Lambda, Ladedruck vor und nach Kühler, Zündwinkel, Zündwinkel Kompensation des Steuergerätes…) gemessen und im Datenlogger

gespeichert.

 

Die Auswertung der Ergebnisse hat nicht nur unsere Berechnungen bestätigt (siehe auch „Technik Talk – Einfluss der Ladeluftkühlung auf die Leistung eines Verbrennungsmotors“ ),

sondern auch die Ergebnisse unserer Prüfstandläufe und ersten Testfahrten im Frühjahr übertroffen.

 

Zusammengefasst lässt sich sagen:

  • Bereits nach einer relativ kurzen Fahrtstrecke erreicht das Ladeluft-Gesamtsystem seine, von der Wärme-Ab oder Zufuhr der peripheren Ansaug-Komponenten unabhängige „Systemtemperatur“ ( ca 40°C)
  • Temperaturveränderungen sind dann – vereinfacht – nur noch vom jeweils anliegenden Ladedruck abhängig.
  • Bei Vollast (Kemmel Gerade in Spa) lag die Ladelft-Temperatur vor dem Kühler bei 85°C und nach dem Kühler bei max 48°C.
  • Damit war die angesaugte Luftmasse bei maximalem Ladedruck um 15% höher als bei einer Version ohne Ladeluft-Kühler.
  • Bei hohen Fahrtgeschwindigkeiten nahm die Differenz zwischen der Temperatur vor und nach dem Ladeluft-Kühler tendenziell zu, was auf einen hohen Anteil des externen Wasserkühlers an der Wärme-Balance des Gesamtsystems hinweist.

 

GP EX460

Spa EX460

 

 

 

 

 

 

 


Lotus Evora, Lotus Exige, Tech talk

Begrenzung des maximalen Ladedrucks bei aufgeladenen Motoren

Beitrag vom 31.03.2016

Die mechanische und thermische Belastung eines aufgeladenen Verbrennungs-Motors hängt wesentlich vom maximalen Druck der verdichteten Ansaug-Luft und von deren Temperatur ab.

Um eine Überlastung  kritische Motor-Komponenten, wie Kolben, Lager und Ventile zu vermeiden, muss also der maximale Ladedruck begrenzt werden.

Zu dessen Begrenzung bieten sich unterschiedliche technische Lösungen an, die wir bei „Komo-Tec“ auf Wirksamkeit, Funktion, Betriebssicherheit und „Value for Money“ untersucht haben.

Als Resultat haben wir uns bei der Auslegung unserer „ROTREX“ Lader-Systeme für einen „Restriktor“ in der Ansaugluft entschieden.

„Restriktoren“  zur Begrenzung des maximal möglichen Durchsatzes der Ansaugluft haben sich in zahlreichen Kategorien des internationalen  Motorsports durchgesetzt und werden in der Formel 3, der NASCAR-Serie, der DTM und der Rallye-Weltmeisterschaft eingesetzt.

So leistet der VW Polo in der Rallye-Weltmeisterschaf mit 1,6 Liter Direkteinspritzer-Turbo – Motor und dem vorgeschriebenen  33 mm Restriktor etwa 315 PS.

Das nahezu baugleiche Triebwerk für den Rallye-Cross Einsatz legt mit einem Restriktor von 45 mm Durchmesser um über 200 PS zu und kommt auf eine Leistung von 540 PS.

Wie aber, funktioniert ein „Restriktor“ und wo liegen seine Vor-und Nachteile ?

Der „Restriktor“ ist eine Düse im Saugtrakt des Motors, durch den der gesamte,angesaugte Luftmassenstrom fließen muss.

Mit zunehmendem Unterdruck im Ansaugsystem nimmt der Luftmassenstrom durch diese Düse kontinuierlich zu.

Mit einer optimal ausgelegten Form (Laval-Düse), wie man sie von Formel 3 Rennwagen kennt, werden dabei auch die Strömungsverluste gering gehalten.

Das funktioniert allerdings nur, bis im engsten Querschnitt der Düse die Schallgeschwindigkeit erreicht wird.

Auch mit weiter steigendem Unterdruck über das  kritische Druckverhältnis hinaus, ist eine Zunahme des Luftmassenstroms dann nicht mehr möglich.

Und da die Leistung eines Verbrennungsmotors direkt von der angesaugten Luftmasse abhängt, wird deren maximaler Wert damit wirksam begrenzt.

„Restriktoren“ zur Ladedruckbegrenzung lassen sich thermodynamisch sicher berechnen, können veränderten Ansprüchen an Ladedruck und Leistung einfach angepasst werden, erfordern keine elektronische Ansteuerung und sind in ihrer Funktion absolut „Narrensicher“

Als Beispiel kann das nachstehende Leistungsdiagramm einer Lotus Elise Mk1 mit Rover

Motor dienen.

leistung

Der Kunde legte Wert auf einen Motor mit einer „fülligen“ Drehmomentkurve und einem nur moderaten Zuwachs der maximalen Leistung auf  etwa 200 PS, die aber bereits bei einer Drehzahl von etwa 6.000 U/min anliegen musste.

Ein relativ niedriger Ladedruck von 0,4 bar sollte die Triebwerksbelastung in Grenzen halten und einen langen, störungsfreien Betrieb gewährleisten.

Nach Ermittlung des bestgeeigneten „ROTREX“ Laders und der zugehörigen Antriebsübersetzung, wurde der engste Querschnitt des Restriktors berechnet.

Der so gefundene Durchmesser von 28,2 mm wurde im Laufe der Prüfstandabstimmung dann auf 28,6 mm korrigiert.

Das Diagramm zeigt den Anstieg des Ladedrucks mit einem konstanten Gradienten bis auf  400 mbar bei 5.500 U/min. (braune Linie)

Der Luftdurchsatz durch den Restriktor fällt dann in dieSchallgeschwindigkeit und lässt keinen weiteren Anstieg des Massenstroms mehr zu.

Da das „Schluckvermögen“ des Motors aber weiter zunimmt, nimmtderLadedruck, relativ steil ab und mit ihm Drehmoment und Leistung.

Das höchste Drehmoment (blaue Linie) wird im Bereich des maximalen Ladedrucks erreicht und stellt mit 240 Nm einen ausgezeichneten Wert für eine 1,8 Liter Motor dar.

Und, die 200,3 PS (rote Linie) können sich auch sehen lassen.


Tech talk

Einfluss der Ladeluftkühlung auf die Leistung eines Verbrennungsmotors

Beitrag vom 31.03.2016

Die Forderung von Markt und Gesetzgeber nach immer effizienteren Motoren mit niedrigem spezifischen Verbrauch  und geringen Emissionswerten haben den Trend zu kleineren Motoren (Downsizing) verstärkt und den Anteil an  aufgeladenen Motoren deutlich erhöht.

Diese Entwicklung hat dieLadeluftkühlung  stärker in den Fokus der Ingenieure gerückt und zu einem wesentlichen Bestandteil moderner  Motoren-Konzepte gemacht.

Im Zuge der Entwicklung unserer Leistungsstufen „EX 460“ und „EX 500“ haben wir zahlreiche thermodynamische Berechnungen und anschließende Ergebniskontrollen auf dem Prüfstand durchgeführt.

Dabei sind wir zu einigen interessanten Ergebnissen gekommen, die wir Ihnen nachstehend kurz vorstellen möchten.

 

Bekanntlich hängen Drehmoment und Leistung eines Verbrennungs-Motors direkt von der Masse der einströmenden Luft ab

 

Gleichzeitig gilt:

  • Die polytrope Zustandsänderung der verdichteten Lade-Luft führt zu deren Temperaturerhöhung.
  • Das Maß der Temperaturerhöhung hängt im wesentlichen von der Größe des Ladedrucks ab.
  • Die Temperaturerhöhung verringert die Dichte der einströmenden Luft und damit deren Masse.

Die nachstehende Grafik zeigt den Anstieg der Ladeluft-Temperaturin Abhängigkeit von der Höhe des Ladedrucks.

(Basierend auf dem effektiven isotropen Wirkungsgrad des untersuchten Laders)

Ladeluft

 

Der Vergleich der einströmenden Luftmassen von 3 Varianten des gleichen Motors zeigt den großen Einfluss der Ladeluft-Kühlung auf die Leistung:

 

Variante 1

Saugmotor

Ansaugtemperatur = 20°C                       Luftmasse = 1,19 kg/m       =          100%

 

Variante 2

Motor mit Verdichter

Ladedruck = 0,8 bar

Temperatur der Ladeluft = 88°C               Luftmasse = 1,73 kg/m       =          145%

 

Variante 3

Motor mit Verdichter und Ladeluft-Kühler

Ladedruck = 0,8 bar

Temperatur der Ladeluft = 50°C               Luftmasse = 1,95 kg/m       =          163%


Die Reduzierung der Ladeluft-Temperatur um 38°C bringt also einen Leistungszuwachs

von 18%

 

Resultat:

Ohne Ladeluftkühlung müsste der Ladedruck von 0,8 bar auf 1,1 bar erhöht werden, um die gleiche Leistung zu erzielen.

Dabei handelt es sich allerdings um einen rechnerischen Wert, der folgende Einflussgrößen nicht berücksichtigt:

  • Höhere erforderliche Antriebsleistung des Verdichters um den erhöhten Ladedruck zu liefern.
  • Höhere Prozesstemperaturen, die eine Reduzierung des Vorzündwertes erforderlich machen.
  • Verlassen der Insel mit dem höchsten Wirkungsgrad im Verdichterkennfeld und damit eine Verschlechterung der thermischen Effizienz des Laders.

 

In der Praxis müsste der Ladedruck damit auf etwa 1,2 bar, also um 50%  steigen.


Ausblick

Die aktuellen Entwicklungsarbeiten an den Komo-Tec Leistungsstufen „EX 460“ und

„EX 500“ konzentrieren sich also auf die weitere Optimierung des Gesamtsystems der Ladeluft –Kühlung.

  • Weitere Reduzierung des luftseitigen Druckverlusts des Ladeluft-Kühlers durch strömungsoptimierte Kühlernetze
  • Reduzierung der Strömungsverluste im gesamten Ansaugtrakt.

„ Auch aufgeladene Motoren reagieren negativ auf  eine Drosselung im Ansaugsystem“

und als langfristige Studie

  • „chargeairsubcooling“ durch partielle Integration der Klimaanlage  in das Ladeluft-Kühlsystem, mit dem Ziel, die Ansaugtemperatur bis unter die Umgebungstemperatur zu kühlen.

 

 


Tech talk

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