Sie planen, den Hubraum Ihres Motors von 2,0 l auf 2,3 l zu vergrößern. Die Berechnungen für Bohrung und Hub haben Sie durchgeführt, aber die meisten Motorenbauer übersehen etwas Wichtiges: Die Ventile müssen mit dem größeren Hubraum mithalten können. Ein größerer Zylinder benötigt mehr Luft, und wenn Ihre Einlassventile nicht genügend Luft durchlassen, verschenken Sie Leistung.
Dieser Leitfaden erklärt, wie man den Hubraum eines Motors berechnet, den Unterschied zwischen der Vergrößerung der Bohrung und der des Hubs sowie warum die Ventiltriebkomponenten bei einer Hubraumänderung eine Rolle spielen.
Wie man den Hubraum eines Motors berechnet
Der Hubraum eines Motors ist das gesamte Volumen, das von allen Kolben in einem vollständigen Arbeitszyklus verdrängt wird. Die Formel ist einfach:
Hubraum eines einzelnen Zylinders = π × Bohrung² × Hub / 4
Gesamthubraum = Einzelner Zylinder × Anzahl der Zylinder
Wo:
Bohrung (D) = Zylinderdurchmesser in mm oder Zoll
Hub (S) = Kolbenweg in mm oder Zoll
π = 3,14159
Beispielrechnung
Berechnen wir einen Honda K20A-Motor:
Bohrung: 86,0 mm
Hub: 86,0 mm
Zylinder: 4
Einzylinder = 3,14159 × (86,0)² × 86,0 / 4 = 499,5 cm³
Gesamthubraum = 499,5 cm³ × 4 = 1.998 cm³ = 2,0 l
Bohrung vs. Hub: Zwei Wege zur Hubraumerhöhung
Wenn Sie mehr Hubraum benötigen, haben Sie zwei Möglichkeiten: Sie können die Bohrung (den Zylinderdurchmesser) oder den Hub (den Kolbenhub) vergrößern. Jede dieser Methoden beeinflusst die Motoreigenschaften auf unterschiedliche Weise.
Vergrößerung der Bohrung (überquadratischer Motor)
Durch das Aufbohren der Zylinder erhält man einen größeren Brennraum. Am Beispiel des K20A-Motors lässt sich dies verdeutlichen: Eine Vergrößerung der Bohrung von 86 mm auf 90 mm bei gleichbleibendem Hub von 86 mm ergibt einen neuen Hubraum von 2190 cm³ (2,2 l). Eine größere Bohrung ermöglicht größere Ventile für einen besseren Luftdurchsatz bei hohen Drehzahlen, und der kürzere Flammenweg führt zu einer vollständigeren Verbrennung.
Größere Kolben erhöhen jedoch die oszillierende Masse, was die maximale Drehzahl begrenzt. Durch das Aufbohren werden die Zylinderwände dünner, was die strukturelle Festigkeit beeinträchtigen kann. Der breitere Brennraum erhöht die Klopfgefahr, und vor allem erfordert die größere Bohrung größere Ventile, um den Luftdurchsatz zu decken – die Verwendung von Ventilen in Standardgröße verschwendet den Hubraumzuwachs.
Hubvergrößerung (Unterquadratmotor)
Durch die Verlängerung des Hubs legt der Kolben in jedem Zyklus eine längere Strecke zurück. Eine Hubverlängerung von 86 mm auf 94 mm bei gleichbleibender Bohrung von 86 mm ergibt 2.185 cm³ (2,2 l) – nahezu den gleichen Hubraum wie bei einer Aufbohrung, jedoch mit anderen Eigenschaften. Ein längerer Hub sorgt für ein besseres Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und eine effizientere Verbrennung, während die serienmäßige Bohrung beibehalten werden kann.
Die Nachteile betreffen die mechanische Belastung und den Einbau. Höhere Kolbengeschwindigkeiten begrenzen die maximal zulässige Drehzahl, und es wird entweder ein höherer Motorblock oder eine modifizierte Kurbelwelle benötigt. Selbst bei einem längeren Hub sind die korrekte Ventilsteuerung und hochwertige Ventiltriebkomponenten weiterhin unerlässlich, um die Hubraumerhöhung zu realisieren.
Bohrungs-/Hubverhältnis
Das Bohrungs-/Hubverhältnis gibt Auskunft über den Motortyp:
Verhältnis = Bohrung / Hub
Über 1,0 (Überquadratisch): Hochleistungsmotoren mit hohen Drehzahlen
Gleich 1,0 (Quadrat): Ausgewogenes Design
Unter 1,0 (Unterquadratisch): Drehmomentoptimierte Motoren
Warum die Ventilgröße bei Hubraumerhöhungen eine Rolle spielt
Hier ein wichtiger Punkt, den viele Motorenbauer übersehen: Bei einer Hubraumerhöhung von 15 % muss jeder Zylinder pro Zyklus 15 % mehr Luft ansaugen. Bleiben die Ventile gleich groß, werden sie zum Flaschenhals.
Das Luftstromproblem
Bei 6.000 U/min führt ein Viertaktmotor 3.000 Ansaugzyklen pro Minute durch – das sind 50 Ansaugvorgänge pro Sekunde und Zylinder. Wird der Hubraum erhöht, ohne die Ventile anzupassen, steigt die Luftgeschwindigkeit durch die Ventilöffnung deutlich an. Dadurch entstehen Turbulenzen um den Ventilkopf, die die effektive Durchflussfläche verringern.
Die erhöhte Reibung durch die schnellere Luftströmung führt zu einer höheren Ansauglufttemperatur und damit zu einer geringeren Ladungsdichte. Bei hohen Drehzahlen sinkt der volumetrische Wirkungsgrad, da die Ventile nicht genügend Luft durchlassen können, um die größeren Zylinder zu füllen. Die Folge: Leistungsverlust trotz des größeren Hubraums, für den Sie bezahlt haben.
Richtlinien zur Ventildimensionierung
Als allgemeine Regel gilt: Der Durchmesser des Einlassventils sollte etwa 38-42 % des Bohrungsdurchmessers betragen, der Durchmesser des Auslassventils sollte 32-36 % des Bohrungsdurchmessers betragen.
Für eine 86-mm-Bohrung:
Einlassventil: 33-36 mm
Auslassventil: 28-31 mm
Für eine 90-mm-Bohrung (nach dem Bohren):
Einlassventil: 34-38 mm
Auslassventil: 29-32 mm
Wärmemanagement in Motoren mit größerem Hubraum
Ein größerer Hubraum bedeutet mehr verbrannten Kraftstoff pro Zyklus und damit mehr Hitze. Die Auslassventile sind am stärksten betroffen; im Normalbetrieb erreichen die Temperaturen 800–900 °C. Bei einer weiteren Hubraumerhöhung können die Abgastemperaturen um weitere 50–80 °C ansteigen.
Standardmäßige Edelstahlventile verlieren oberhalb von 850 °C an Festigkeit. Der Ventilkopf kann sich verziehen, die Spindel kann sich dehnen und die Dichtfläche verschlechtert sich. Ab diesem Punkt ist die Materialqualität entscheidend.
TOPU-Ventillösungen für Hubraumerweiterungen
Wenn Sie in die maschinelle Bearbeitung investieren, um den Hubraum zu erhöhen, ist die Verwendung hochwertiger Ventiltriebkomponenten nicht optional – sie ist unerlässlich, um die Leistungssteigerungen zu erzielen, für die Sie bezahlen.
Hochleistungs-Motorventile
TOPU fertigt Ventile speziell für größere Hubräume und höhere Leistungsanforderungen. Die Einlassventile bestehen aus hochfestem Edelstahl 21-4N oder 21-2N mit einer Temperaturbeständigkeit bis 850 °C. Diese Ventile verfügen über ein optimiertes Ventilkopfprofil für verbesserten Durchfluss und sind in Übergrößen für aufgebohrte Motoren erhältlich.
Für Auslassventile verwendet TOPU die Nickellegierungen Inconel 751 oder Nimonic 80A, die Temperaturen bis zu 1.000 °C standhalten. Diese Werkstoffe bieten eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und sind auch bei dauerhaft hoher Hitze formstabil. Allein durch die Materialverbesserung werden die Betriebstemperaturen im Vergleich zu Standardventilen um 30–50 °C gesenkt, was eine längere Lebensdauer und gleichbleibende Leistung über den gesamten Betriebsbereich des Motors zur Folge hat.
Präzisionsventilstößel
Eine Hubraumerhöhung erfordert oft stärkere Ventilfedern, um die Ventile bei höheren Drehzahlen zu steuern. Dies belastet die Stößel stärker. Verschleißte oder unzureichende Stößel verursachen Fehler in der Ventilsteuerung, die den Hubraumzuwachs zunichtemachen.
TOPU-Stößel werden aus 20CrMo-Legierungsstahl gefertigt und verfügen über eine einsatzgehärtete und nitrierte Oberfläche mit einer Härte von HRC 58–62. Die Kontaktflächen sind präzisionsgeschliffen (Ra 0,1 µm) für gleichbleibende Leistung. Eine optionale DLC-Beschichtung reduziert die Reibung zusätzlich für Hochleistungsanwendungen. Zu den gängigen Anwendungen zählen die TP31-Serie für Toyota- und Lexus-Motoren wie den 2GR-FE 3,5-Liter-V6, die TP24-Serie für Mercedes-Benz M112- und M113-V6/V8-Motoren sowie die TP18-Serie für Volkswagen- und Audi-EA888-2,0-Liter-Treibstoffmotoren.
Wann sollten Ventiltriebkomponenten aufgerüstet werden?
Bei einer Hubraumerhöhung von 10 % oder mehr sollten Sie eine Optimierung des Ventiltriebs in Betracht ziehen, da der Luftbedarf proportional steigt. Eine Anhebung der Drehzahlgrenze erfordert eine präzisere Ventilsteuerung, um Ventilflattern zu verhindern, und die Zwangsbeatmung erhöht sowohl den Zylinderdruck als auch die Zylindertemperatur.
Wenn Sie für den Wettbewerb bauen, erfordert Zuverlässigkeit unter Belastung hochwertige Teile, die auch bei maximaler Drehzahl nicht versagen. Ventilflattern – wenn die Ventile bei hohen Drehzahlen nicht mehr korrekt dem Nockenwellenprofil folgen – ist ein deutliches Anzeichen dafür, dass die aktuellen Komponenten den Anforderungen Ihres Motors nicht mehr gerecht werden.
Die richtigen Komponenten auswählen
TOPU bietet technische Unterstützung bei der Auswahl der passenden Komponenten für Ihr Projekt. Für präzise Empfehlungen benötigen wir Informationen zu Ihrem Motormodell und -code, dem aktuellen und dem angestrebten Hubraum, der geplanten maximalen Drehzahl, ob es sich um einen Saugmotor oder einen Turbomotor handelt und für welchen Einsatzzweck – ob Straßenverkehr, Rennstrecke oder Wettbewerb.
Anhand dieser Informationen können die Ingenieure von TOPU die richtigen Ventilgrößen und -materialien für Ihre spezifischen Bedürfnisse, geeignete Stößelspezifikationen, die zu Ihren Federdrücken und Ihrem Nockenprofil passen, die Anforderungen an die Ventilfedern zur Steuerung der Ventile über den gesamten Drehzahlbereich sowie alle weiteren Komponenten empfehlen, die für die ordnungsgemäße Fertigstellung des Ventiltriebsystems erforderlich sind.
Abschluss
Die Berechnung des Hubraums ist unkompliziert, doch der Bau eines zuverlässigen Hochleistungsmotors erfordert ein tiefes Verständnis des Zusammenspiels aller Komponenten. Bei einer Hubraumerhöhung muss der Ventiltrieb dem erhöhten Luftdurchsatz und der gesteigerten thermischen Belastung gerecht werden.
Durch die Verwendung hochwertiger Komponenten von Anfang an – Ventile in der richtigen Größe aus geeigneten Materialien, Präzisionsstößel und aufeinander abgestimmte Ventiltriebteile – wird sichergestellt, dass sich die Hubraumerhöhung in tatsächlichen Leistungssteigerungen niederschlägt und nicht nur in höheren Zahlen auf dem Papier.
Ermitteln Sie mithilfe des Rechners den Hubraum Ihres Motors und kontaktieren Sie anschließend TOPU, um spezifische Komponentenempfehlungen für Ihr Projekt zu erhalten.