[NB/NBFL] MX5 Monsterkopf / Zylinderkopf

Hallo zusammen,
ich bin neu hier im Forum und freue mich darauf neue Kontakte zu knüpfen und hier und da meinen Senf dazu zu geben ;)
Kurz zu mir: Ich fahre einen 1.8 MX5 NB in Piniengrün und bin durch und durch Auto-/ Motorenverrückt.

Kommen wir zum eigentlichen Projekt. Dem "Monsterkopf". Das Ziel ist es einen reinrassigen Sauger für die Straße zu bauen.
Kraft kommt von Kraftstoff (den Spruch kennt mittlerweile jeder) und da wir bei einem Benziner quantitäts und nicht qualitäts geregelt (wie bei einem Diesel) fahren, bringt mehr Kraftstoff alleine nichts. Also brauchen wir auch mehr Luft. Zu unserem Glück fahren wir eine Kolbenhubmaschine und keine Strömungsmaschine (Turbine), sprich: Eine klassische Luftpumpe und kein Föhn. Dadurch gibt es für die Optimierung zwei entscheidende Stellgrößen:

1. Drehzahl: Je höher wir drehen, desto mehr Luft wird durch den Brennraum gepumpt
2. Strömungseffizienz: Wie viel Luft wird eigentlich pro Umdrehung gefördert?

Die anderen Faktoren wie Nockenwellen, Resonanzen usw. lassen wir erstmal außen vor, da diese am ende des Tages nur Stellgrößen für die finale Charakteristik des Motors sind.
Legen wir mal los. Zu meinem Glück habe ich Zugang zu verschiedenen Maschinen und messmitteln um den Istzustand zu analysieren. Dadurch kann anschließend mit den gewonnen Erkenntnissen an den richtigen stellen optimiert werden.

Erstmal ab auf die Flowbench (SF750) mit einem BP4W Kopf.
Aber davor sollten wir einen schönen Trichter drucken um einen wiederholgenauen Messaufbau zu erhalten:
Anhang 9472 Anhang 9472
Im Diagramm ist der Massenstrom [kg/h] auf der Y-Achse und der Ventilhub auf der X-Achse Dargestellt.
Anhang 9473 Anhang 9473
Was sehen wir hier?
Blau: Serie
Weiß: Deshroud
Gelb: Port-mod

Blau: Das ist der Serienkanal. Der Kopf wurde gründlichst gereinigt und sieht aus wie neu. Ab einem Ventilhub von 9mm verändert sich kaum etwas. AHA!!! Daher kommt also der Serienhub von 8,8mm. Da hat sich Mazda also schon etwas bei gedacht.

Weiß: Hier wurde der Brennraum modifiziert. Ein sogenannter Valvedeshroud. Da das Ventil die ersten Millimeter Hub vom Brennraum Zylinderseitig verdeckt wird, wurde hier kurzerhand (max30 Sekunden pro Ventil) der Brennraum etwas bearbeitet. Das Ventil ist nun bei kleinen hüben weniger verdeckt und die Luft strömt "freier" in den Brennraum. Resultat: Von Anfang an bis zu einem Ventilhub von 9mm konnte der Massenstrom erhöht werden. Abweichungen oberhalb von 9mm Ventilhub werden erstmal als Messabweichungen angesehen und können vernachlässigt werden.
Wird sind schonmal auf dem richtigen weg.

Gelb: Brennraum blieb original. Hier wurde lediglich der Kanal kurz bearbeitet. Dremel, Fächerschleifer und 5min pro Kanal reichen völlig aus. Wer euch da etwas anderes erzählt möchte nur Geld machen. Die Unebenheiten nach dem Gießen (links und rechts an den Kanalwänden) wurden geglättet. Die scharfe Kante am Kanalboden, also der Übergang von Kanal zu Ventilsitz wurde ebenfalls mit dem Fächerschleifer gebrochen und verrundet (maximal 30 Sekunden pro Kanal, danach wird zu viel abgetragen und die Strömung ist schlechter als original)
Resultat: Ab einem Ventilhub von 6mm konnte der Massenstrom durch den Kanal erhöht werden. Macht auch Sinn, da die Engstelle für die Luft sich bis dahin am Ventilspalt befindet. Was danach passiert ist einfach nur WOW!!! Die Massenstrom steigt bis zum maximal möglichen Hub von 13mm. Danach sind die Schaftdichtungen im Weg um größere Hübe zu fahren.
Anhang 9474
Rechts: Originaler Brennraum
Links: Nach der Brennraumbearbeitung (Valvedeshroud)
In diesem Winkel sieht man sofort, dass der Ventilsitzring nicht mehr Verdeckt wird. Folglich ist der Spalt zwischen Ventil und Brennraum bei Ventilhüben unter 9mm großer.

Ich bin schonmal auf dem richtigen Weg um mehr Luft in den Motor zu Pumpen. Bis auf, dass alle scharfen Kanten im Kanal geglättet und die Ventile im Brennraum freigelegt wurden, ist die Originale Kanalgeometrie noch erhalten geblieben. Das kann jeder der einen Dremel mit Fächerschleifern zuhause hat. Wir wollen aber MEHR!

Dann schauen wir uns doch einfach mal die Geometrie an:
Anhang 9475 Anhang 9476 Anhang 9477
Zuerst müssen Abgüsse von Kanal und Brennraum erstellt werden. Warum Brennraum? Nur mit dem Brennraum wird die Simulation auch genau. Wie bereits beschrieben, hat die Brennraumgeometrie auch einen Einfluss auf die Strömung.
Nach dem 3D-Scannen noch für das CAD "digitalisieren" und hier ist das Ergebnis:
Anhang 9478
Das schöne an einem Scan ist, dass man jetzt nicht im dunkeln Stochert und nach Gefühl mit den Fingern den Kanal ertasten muss. Jetzt kann die eigentliche Ingenieursarbeit erfolgen. Aber bis dahin lasse ich euch mit den ersten Impressionen und Erkenntnissen alleine und melde mich wieder wenn es etwas neues gibt.

Vielen Dank euch allen und bis bald✌️