Motorrevision L46 69'Corvette

[Yannick]

Also, kommen wir zu den Zylinderköpfen, für welche ich mich relativ früh entschieden habe - und zwar noch bevor mir klar war, dass ich den alten 350 er Block nicht mehr verwenden würde. Meine Intention war von Anfang an, die Atmungsfähigkeit des Motors zu erhöhen, dass ihm auch im oberen Drehzahlbereich die Puste nicht ausgeht. Wenn der originale L46-Motor bis 6000 rpm ausgedreht wird, dann merkt man, dass bis knapp vor 5000 etwas geht und dann nicht mehr viel kommt. Dies liegt einerseits an der Unterbrecherkontaktzündung, welche irgendwann schlapp macht, und andererseits daran, dass er in diesem Drehzahlbereich einfach Asthma kriegt. Die Unterbrecherkontaktzündung habe ich schon lange durch ein Hallgebersystem ersetzt (nicht Pertronix), was mir im oberen Drehzahlbereich viel gebracht hat. Die neuen Zylinderköpfe sollten dann auch noch das Asthmaproblem beseitigen.

Folgende Punkte beeinflussen die Atmungsfähigkeit:
- Ventildurchmesser, v.a. Einlassventil (Zylinderkopf)
- Intake Runner Volume (Zylinderkopf)
- Form des Brennraums im Zylinderkopf
- Ventilsteuerung (Nockenwelle)
- Atmungsfähigkeit Einlasskrümmer
- Atmungsfähigkeit Vergaser und Luftfilter
(- Exhaust Runner Volume bedingt, Zylinderkopf)

Die Auslassseite der Zylinderköpfe ist erstmal von untergeordneter Bedeutung. Die Ventildurchmesser beim L46 betragen für den Einlass 2.02 inch für den Auslass 1.60. Da die Ausatmung nach der Expansion der verbrannten Gase aber unter viel höherem Druck geschieht, hat der Motor weniger Arbeit zu verrichten um den Zylinder leerzuräumen. Ich hoffe, ich habe das korrekt erklärt.

Um den Zylinder zu füllen, muss er durch die Kolbenbewegung Gasgemisch in den Zylinder saugen (deshalb Saugermotor). Dieser Prozess kann massgeblich durch ein Phänomen unterstützt werden, welches drüben exhaust driven induction event genannt wird. Sehr frei übersetzt etwa: Durch Abgasausstoss bewirkter Ansaugprozess. Diesen Prozess blenden wir vorerst aus, der kommt dann bei der Besprechung der Nockenwelle und der Abgasanlage ins Spiel.

Für die weitere Betrachtung gehen wir davon aus, dass Einlasskrümmer und Vergaser optimal dimensioniert sind.

Die Ventilsteuerung betrachten wir für den Moment ebenfalls noch nicht. Kleiner Hinweis: sowohl Maximale Ventilöffnung (Hub), Dauer, Öffnungsrate als auch Zeitpunkt in Relation zur Kolbenposition beeinflussen das Atmen.

Damit bleiben noch 3 Punkte, welche durch den Zylinderkopf festgelegt werden: Ventildurchmesser Einlass, Intake Runner Volume und Brennraumform im Zylinderkopf.

Ventildurchmesser: Hier gilt in Bezug auf Atmungsfähigkeit: je grösser desto besser. Durch das Öffnen des Ventils entsteht ein zylindrischer Bereich, durch welchen das Gasgemisch in den Brennraum strömt. Je grösser die Mantelfläche dieses Zylinders, umso mehr Luft kann bei einem gegebenen Ventilhub einströmen. Die Mantelfläche hat die Formel Pi * Durchmesser * Ventilhub.

Die Brennraumform ist in Bezug auf Atmungsfähigkeit nur im Bereich der Ventile massgebend. Wenn die Ventile bereichsweise nahe an den Brennraumwänden des Zylinderkopfes liegen, dann kann in diesem Bereich das Potenzial der oben erwähnten Zylindermantelfläche nicht ausgeschöpft werden.

Intake Runner Volume: Ich benutze bewusst diesen Begriff, da er als Vergleichsmass zwischen Zylinderköpfen verwendet wird. Gemeint ist da Volumen des Einlasskanals zwischen Ventil und Einlasskrümmer. Warum Volumen? Weil ein Volumen leicht zu messen ist. Der Einlasskanal ist ein längliches gekrümmtes Volumen. Ein längliches gekrümmtes Volumen kann ganz grob bestimmt werden durch Länge x mittlere Querschnittsfläche. Die Länge des Einlasskanals ist bei allen Gen. 1 Chevy Smallblockköpfen aufgrund der Bauform etwa gleich. D.h. sie unterscheiden sich eigentlich nur in der Querschnittsfläche. Durchfluss (und dabei geht es bei der Atmung) ist definiert als Produkt von Durchflussquerschnitt x Geschwindigkeit. Also sind wir nun mitten im Themengebiet der Hydraulik angelangt.
Und zum ersten Mal verstehe ich als Bauingenieur mit Spezialisierung in Wasserbau etwas von dem, das ich hier mache   
Sorry, der musste sein.

Wollte man früher (und auch noch heute) mehr aus seinen Zylinderköpfen herausholen, hat man den Durchflussquerschnitt vergrössert, indem man mit Fräse und Stabschleifer Material aus dem Einlasskanal entfernt hat. Dieser Vorgang nennt sich Porten. Misst man den Durchfluss unter standardisierten Bedingungen, kann man die einzelnen Einlasskanäle und auch ganze Zylinderköpfe miteinander vergleichen. Mit der Volumenmessung kann man bestimmen, wieviel Material beim Vorgang entfernt wurde. und darüber lassen sich Zylinderköpfe untereinander vergleichen. Wer jetzt aber davon ausgeht, dass mehr Querschnittsfläche zwangsläufig besser ist, der irrt. Denn der Durchflussquerschnitt ist nicht der einzige Faktor, welcher über den Durchfluss entscheidet. Wie oben erwähnt spielt die Geschwindigkeit, in welcher das Medium sich durch den Kanal bewegt auch eine zentrale Rolle gemäss David Vizard hat die Geschwindigkeit, welche das Gasgemisch erreicht sogar den höheren Einfluss. Die Geschwindigkeit wird ihrerseits durch Reibungsverluste verringert und diese werden wiederum durch die Oberfläche und Formgebung des Einlasskanals beeinflusst.
Oberläche ist klar. Die rauhe Gusshaut ist hinsichtlich Reibung nicht das Optimum. Allerdings ist es mit einer polierten Oberläche auch nicht getan, da diese zu einem Strömungsabriss führen kann. Wenn es mir recht ist, versehen gewisse Hersteller aus diesem Grund die Oberläche mit einer Golfballstruktur. Die Formgebung des Einlasskanals, wurde früher vorallem durch die Erfahrung des Headporters gemacht. Heute stehen natürlich computergestütze Verfahren zur Verfügung.

Damit sind wir an dem Punkt angelangt, an welchem ich meine Wahl präsentieren will.

AFR (Airflow Research) 195cc SBC Race Cylinder Heads aus der Reihe der SBC Eliminator Heads mit dem Upgrade Titanium Retainer und Solid Roller Lifter Springs und 65 ccm Brennraum:
Zylinderkopf

Es ist schwierig, genaue Werte für originalen L46 Köpfe zu finden. Ich meine gelesen zu haben, dass die im Bereich von 161 ccm pro Einlasskanal liegen. 190-205 ccm ist so ein häufig verwendeter Wert für gängige Performancebauten. Diese Volumenzahlen gehen aber z.b. bei AFR rauf bis 245 ccm. Die spannendere Zahl ist allerdings die Flowkapazität bei einer bestimmten Ventilöffnung.

Anbei die Flowzahlen (cfm: Cubic Feet per Minute) für die originalen Köpfe im Vergleich zu den AFR Köpfen. David Vizard hat die originalen Köpfe mit Porten in den Bereich von 240 cfm bei maximaler Ventilöffnung gebracht. Diese Flowzahlen sind nicht der Wahrheit letzter Schluss. Aber sie geben einen Hinweis auf das Durchflusspotenzial.

Ventilöffnung   Einlass       Auslass
0.200            119 151       88 125
0.300            167 211     116 172
0.400            198 260     128 207
0.500            212 293     134 224
0.600            218 308     137 235

So, zur Auflockerung noch einige Bilder:

Direkt nach dem Auspacken. Aus Neugier habe ich mal 2 Rockerstuds mit den Stösselstangenführungen montiert.
Schön sichtbar sind hier die Retainer aus Titan.


Auslassseite, schön ist hier die Ausarbeitung des Exhaust Runners sichtbar. Ich habe noch vergessen zu erwähnen. Diese Köpfe sind CNC-geportet. Weshalb die Köpfe für CNC-geportete Köpfe immer noch verhältnismässig günstig sind, sieht man hier auch: am Finish wird eingespart. Das sieht man beispielsweise im Bereich der Schraubenlöcher, wo die Grate rund um die Bohrung stehen gelassen wurden. Die wurden in Eigenregie heruntergefräst.


Blick in die Einlassseite. Sehr schön zu sehen, die spezielle Form und die CNC-Frässtruktur. Auch ist hier die Einschnürung der Ventilschäfte zu sehen, welche ebenfalls der Optimierung Durchflusses dienen soll. Es handelt sich um leichte Ventile (kein Titan) mit 8mm Durchmesser, welche im Bereich des Kipphebels gehärtet wurden.


Unterseite. Der Brennraum ist bei den Racingköpfen besonders fein ausgearbeitet. Auch gut sichtbar sind die grossen Einlassventile. Hier handelt es sich um 2.08 inch Durchmesser für das Einlassventil und 1.60 für das Auslassventil. Diese Köpfe passen nicht mehr auf normale 350er Smallblöcke. Eine Mindestbohrung von 4.030 Inch war gefordert. Die effektive Bohrung von 4.125 ist aber noch optimaler, wie man auf dem nächsten Bilder sehen wird.


Blick durch das Kurbelgehäuse. Gut sichbar ist hier das Deshrouding, welches ich mit "Form des Brennraumes" bereits oben angesprochen habe. Deshrouding bedeutet, dass die Bereiche des Zylinderkopfbrennraums (rechts und links der Ventile) so abgetragen wurden, dass der Eintritt (und Austritt) des Gasgemischs an den Ventilen vorbei nicht zu stark gehemmt wird. Man kann aber auch erahnen, dass diese Köpfe für kleinere Bohrungen nicht optimal gewesen wären, da der Brennraum des Zylinderkopfes die Bohrung überlappt. Bei der 4.125 inch Bohrung ist die Überlappung nur noch marginal.


Einlassventil entfernt. Blick in den Intake Runner. Gut ersichtlich die beiden sogenannten Pocket Ports beidseits der Ventilführung und der gehärtete Ventilsitz mit 3 Winkel-Schliff.


Gemäss Angabe von AFR beträgt das Volumen des Brennraums 65ccm. Selbstverständlich habe ich das mit Bürette überprüft Nach dem 3. Brennraum hab ich's dann bleiben lassen - gibt jedesmal eine Sauerei und rauskommt: 65ccm. Falls sich jemand fragt, weshalb ich das mache... Weils so im Buche stand und ich zusätzliche Sicherheit für die Bestimmung des Verdichtungsverhältnisses wollte.

Bei der Flüssigkeit handelt es sich nicht um Campari sondern um Technischen Alkohol mit Lebensmittelfarbe. Das Hellrote ist nicht untergelaufene Flüssigkeit sondern rotes Lithiumfett. Bei dieser Gelegenheit habe ich auch noch geprüft, ob alle Ventile dicht schliessen. Tun sie - gibt aber auch bei Köpfen von AFR leckende Ventile! Drum Prüfen.

So, das wars fürs Erste von den Zylinderköpfen. Da gibts massenhaft sachen zu prüfen. Aber davon später mehr.