[Artikel] Motortuning A3Q R32 - Sauger vs Kompressor vs Turbo

00. Einleitung zum Motortuning des A3Q R32

Die Historie...

...da ich in letzte Zeit immer häufiger zum Thema Motortuning direkt oder indirekt
angesprochen wurde, hatte ich die Idee bzw. die Notwendigkeit war gegeben, diesen Artikel zu
verfassen. Es werden hier auch Fachbegriffe aus dem Automobilbereich erforderlich sein,
die entweder im Artikel hinreichend erklärt oder nochmals gesondert in der FAQ detailierter
ausgeführt werden.

Welche Voraussetzungen sollten eingehalten werden?

Ein Motortuning macht nur Sinn, wenn alles am Fahrzeug in Ordnung ist und keine
klappernde Kette oder Kettenspanner vorzufinden sind. Ebenso sollten Bremsen,
Kupplung/Getriebe, Elektrik, Elektronik, Fahrwerk und Karosserie völlig intakt sein.

Wie wird grundsätzlich eine Mehrleistung des Motors erreicht?

Laienhaft gesprochen: Vorne muss mehr rein (Kraftstoff/Luft-Gemisch),
verbrannt werden und hinten mehr raus.

Was kann ich hier erwarten?

Eine grundlegende Übersicht der Leistungssteigerung des R32 Motors mit
dem Fokus auf uneingeschränkte Alltagstauglichkeit.
Aus diesem Grund sind bei den aufgeführten Beispielen vorbestimmte Werte
der maximalen Leistungsangabe des Motors zu finden.
Ein weiteres Ziel ist es mit den bereits vorhandenen Bauteilen die
Motormehrleistung zu unterstützen.
Für die/den eine/n oder andere/n wird es auch eine Überraschung geben,
wenn es um die technischen Details oder den Kaufpreis geht.

Was gibt es hier nicht?

Wer hier eine Kaufempfehlung erwartet ist sicherlich enttäuscht, denn
es gibt keine Anleitung wie gehe zu Tuner X,Y oder Z und kaufe den Kit
oder Stufe I, II, III, usw. Ebenso ist hier keine Empfehlung
für Online-Shop oder Hersteller von Komponenten zu finden.

Welche Kapitel und welchen Umfang enthält die Motortuningübersicht?

00. Einleitung zum Motortuning
01. Sauger - Hochdrehzahlkonzept
02. Kompressor - Aufladung
03. Turbo - Aufladung
04. FAQ

Version: v0.01
Datum: 08.08.2012
Änderungen: Initialversion

01. Sauger - Hochdrehzahlkonzept

Ein Saugmotor erreicht die Füllung der Zylinder durch die Auf- und Abbewegung der Kolben.
Eine Leistungssteigerung kommt zustande, in dem wir die maximale Motordrehzahl erhöhen und Ventile
früher öffnen und länger offen halten, um die Füllung zu erhöhen.

Für eine Drehzahlerhöhung ist wichtig eine Verringerung der rotierenden (Kurbelwelle) und oszilierenden Massen
(Pleuel, Kolben, Ventile) zu ereichen, damit die mechnische Belastung gering gehalten wird oder eventuell
sogar unterhalb des Serienmotors liegt. Weiterhin ist wichtig die Verschiebung der Eigenresonanz des Ventiltriebes durch Erhöhung der Federkräfte (Ventilfedern). In diesem besonderen Fall schließen
die Ventile nicht mehr vollständig und druckdicht, sondern springen auf dem Ventilsitz hin und her.

Wenn die maximale Drehzahl die Grenze mit 7000 U/min überschreitet, haben wir einen Hochdrehzahlmotor?
Jein, es ist nicht klar definiert, ab wann sich ein Motor "Hochdrehzahlmotor" nennen darf.
Manche sagen ab 8000 U/min, andere finden das lächerlich, siehe Formel 1 Motoren mit max. 18.500 U/min.

Eine Besonderheit möchte ich hier noch erwähnen: Häufig gibt es die Empfehlung den Schwingungstilger
an der Kurbelwelle durch ein Aluminiumrad zu ersetzen. Vorsicht ! Das erzeugt Probleme in der
Zukunft, da die Kurbelle (Dreh-)Schwingungen erzeugt und sich diese auf die Lagerstellen, Verschraubungen
und Nebenaggregate (Generator, Klimakompressor) übertragen. Was sind die möglichen Folgen: Risse in
der Kurbelwelle und Lagerböcken der Kurbelwelle, Losvibrieren der Verschraubung des Schwungrades oder
Lagerschäden der Nebenaggregate.

Vorteile:
---------
- gleiche und bekannte, linear verlaufende Motorcharakteristik
- erweiteres Drehzahlband und breiter nutzbares Drehmoment
- durchschnittlicher Kraftverbrauch ähnlich der Serienverbrauchswerte
- seriennaher Zustand und dadurch einfache Wartbarkeit

Nachteile:
----------
- teuer, ungünstigstes Preis/Leistungsverhältnis im Vergleich zur Kompressor-/Turbo-Variante
- die Übersetzung der Nebenaggregate muss berücksichtigt werden (Überdrehzahl)

Hier findet ihr die Aufstellung der Modifizierungen am R32 Motor.

Motorbauteil ...................................................................Mehrleistung in PS .....................Kosten in €
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
- Zylinderkopf: Ventilsitzringe, Einlaß-/Auslaßkanäle ..............................10.................................. 2400
weiten und glätten; Saugrohr und Dichtungen anpassen;
Verbrennungsräume auslitern und angleichen, polieren
für höhere Klopffestigkeit; Auflagefläche planen und
Verdichtungsverhältnis erhöhen (12,0:1); strömungsgünstige
Ventilführungen verbauen; leichtere und stabilere
Ventile mit strömungsgünstiger Form und spezieller
Oberflächenbeschichtung (Lotusblüten Effekt)

- Kolben: wiegen und Gewicht angleichen; neue ...........................................................................250
Kolbenringe mit gleicher Vorspannung verbauen

- Pleuel: auswinkeln, Oberfläche polieren und strahlen ...................................................................200
für gleiches, geringeres Gewicht und höhere Stabilität

- Kurbelwelle: erleichtern, feinwuchten, Oberfläche der ..................................................................300
Lagerstellen härten

- Nockenwelle: andere Öffnungs-/Schließzeiten und Hub ............................10 .................................650
der Ventile, erfordert härtere Ventilfedern und
leichtere Ventilteller;

- Schwungrad/Kupplung: Gewichtserleichterung von .....................................................................350
von ca. 5-7kg durch Einmassenschwungrad

- Fächerkrümmer, Katalysatoren (200 Cells), Abgasanlage ..........................20 ...............................4000

- Software: Anpassung der Motorsteuerungssoftware und ...........................20 ...............................1000
deren Kennfeldern, Anhebung max. Drehzahl 7600 U/min

- Motorölkühler mit Thermostat und stahlummantelten .................................................................350
Schläuchen

- Einbau/Umbau .............................................................................................................1500
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Summe ...................................................................................60 ...............................11000

Preis/Leistung: 183 €/PS

Version: v0.01
Datum: 08.08.2012
Änderungen: Initialversion

02. Kompressor - Aufladung

Ein Kompressor ist ein mechanisch angetriebenes Bauteil, das Luft ansaugt und
in den Motor presst.
Es gibt verschiedene Varianten des Kompressorinnenaufbaus: Schrauben-, Flügelzellen-,
Schnecken- und Turbinenrad-Verdichter. Jede Variante hat seine Besonderheiten und
ist für seine Einsatzzwecke optimiert worden.
In neuster Zeit tauchen auch elektrisch angetriebene Kompressoren auf.

Der größte Vorteil der Kompressoren liegt in der sofortigen Abgabe von Mehrleistung
und keine Verzögerungen beim Ladedruckaubau im Vergleich zur Turboaufladung.
Ein Nachteil ist im Verbrauch von ca. 10 - 30 PS Motorleistung zum Antrieb des
Kompressors zu finden.

Bei diesem Beispiel bleibt der Ladedruck auf einem niedrigen Wert (0,30 - 0,45 bar),
damit das Motorinnere nicht verändert werden muss und um einer mechanischen
Überbelastung oder Fehlzündungen vorzubeugen. Weiterhin bleibt das Mehrleistungspotential
eines bearbeiteten Zylinderkopfes und Kurbeltriebes (siehe Sauger-Variante) ungenutzt.

Vorteile:
---------
- gleiche und bekannte, linear verlaufende Motorcharakteristik,
nur viel stärker (Leistung, Drehmoment) und schneller im Hochdrehen
- leicht vergrößertes Drehzahlband und breit nutzbares hohes Drehmoment (+100 NM)
- gutes Preis/Leistungsverhältnis im Vergleich zur Sauger-/Turbo-Variante
- sofortige Abgabe von Motormehrleistung

Nachteile:
----------
- teuerer, höhere Investition im Vergleich zur Sauger-Variante, aber günstiger als Turbo
- heulendes Laufgeräusch des Kompressors
- durchschnittlicher Kraftverbrauch ca. 1,5 - 2,5 l über den Serienverbrauchswerten
- aufwendigere Wartung (Kompressorantrieb, Kompressoröl, Wasserladeluftkühler)
gegenüber der Sauger-Variante
- aus Platzmangel wird oft der Aktivkohlefilter entfernt
- Verbrauch von Motorleistung zum Antrieb des Kompressors

Hier findet ihr die Aufstellung der Modifizierungen am R32 Motor.

Motorbauteil.........................................................................Mehrleistung in PS...................Kosten in €
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
- Kompressor mit Wasserladeluftkühler (WLLK), größere................................80...............................7000
Einspritzdüsen und größere Kraftstoffpumpe,
verstärkte Lager für Pleuel und Kurbelwelle

- Fächerkrümmer, Katalysatoren (200 Cells), Abgasanlage..............................20...............................4000

- Software: Anpassung der Motorsteuerungssoftware und................................................................1000
deren Kennfeldern, Anhebung max. Drehzahl 6800 U/min

- Motorölkühler mit Thermostat und stahlummantelten....................................................................350
Schläuchen

- Einbau/Umbau................................................................................................................2500
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Summe.........................................................................................100............................14850

Preis/Leistung: 148 €/PS

Version: v0.01
Datum: 08.08.2012
Änderungen: Initialversion

03. Turbo - Aufladung

Ein Turbolader ist ein vom Abgasstrom des Motors angetriebenes Bauteil, das die Luft
ansaugt und in den Motor presst.
Die Turbolader unterscheiden sich nur durch ihre Größe und der Art der Ladedruckregelung.
Es gibt eine interne (bereits im Abgasgehäuse des Turboladers integriert) und externe
Regelung, die als Bypassventil am Abgaskrümmer angeflanscht ist.

Der größte Vorteil eines Turboladers liegt in seinem "kostenlosen" Antrieb durch
die Motorabgase, als auch in der beinahe grenzenlosen Leistungssteigerungsmöglichkeit.

Der größte Nachteil liegt im Kompromiss seiner Baugröße, das bedeutet das ein kleiner
Turbolader bereits bei geringer Motordrehzahl ca. 1500 U/min mit dem Ladedruckaufbau beginnt
aber bei hohen Motordrehzahlen die Fördermenge rapide zur Neige geht. Genau umgekehrt
ist das Verhalten bei einem (zu) großen Turbolader, Ladedruckaufbau erfolgt erst sehr
spät (Turboloch) ab ca. 3500 U/min und die Fördermenge nimmt auch bis zur maximalen
Motordrehzahl nicht ab, steht also vollständig zur Verfügung.

Um diese Kompromisse zu umgehen, kombinieren die Hersteller verschieden grosse Turbolader,
verschiedene Anzahl (zwei, drei oder mehr) von Turboladern oder in ihrer Anordnung
(parallel = BiTurbo Aufladung, hintereinander = Register- oder Stufenaufladung) miteinander.
Seit Ende der 90er Jahren erfandt man einen weiteren Trick um den Kompromiss zu
umgehen: verstellbare Leitschaufeln im Turbinengehäuse (Abgasseite).
Hier wird einem mittelgroßen Turbolader dazu verholfen ein frühes Ansprechen (ab ca. 1750 U/min)
und Aufbau des Ladedrucks zu realisieren und bei maximaler Motordrehzahl die volle
Fördermenge zur Verfügung zu stellen. Diese Konstruktion wurde lange Zeit nur bei Diesel-Motoren
eingesetzt, gibt es aber auch seit ca. 2006 für Otto-Motoren.

Bei diesem Beispiel bleibt der Ladedruck auf einem niedrigen Wert (0,50 - 0,65 bar),
damit die Kolben und Ventile nicht verändert werden müssen und um einer mechanischen
Überbelastung vorzubeugen. Weiterhin bleibt das Mehrleistungspotential eines bearbeiteten
Zylinderkopfes und Kurbeltriebes (siehe Sauger-Variante) ungenutzt.

Vorteile:
---------
- neue und völlig andere Motorcharakteristik
- starker Schub sobald der Ladedruck einsetzt
- breites nutzbares Drehmomentband und starke Erhöhung des Drehmomentes (+200NM)
- durchschnittlicher Kraftverbrauch steigt stark an ca. 5,0 - 10,0 l, es wird
zusätzlicher Kraftstoff zur Kühlung des Motorinneren verbraucht
- keine Leistungsgrenze durch Turboaufladung (bis ca. 1200 PS beim R32 möglich)

Nachteile:
----------
- deutlich teuerer, sehr hohe Investitionsumme aber günstigeres Preis/Leistungsverhältnis
im Vergleich zur Sauger- und Kompressor-Variante
- aufwendige Wartung, die nur durch einen Spezialisten durchgeführt werden kann
- hohe bis sehr hohe Belastung für das Getriebe, eine Verstärkung wird hier empfohlen

Hier findet ihr die Aufstellung der Modifizierungen am R32 Motor.

Motorbauteil........................................................................ Mehrleistung in PS...............Kosten in €
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
- Turbolader mit Ladeluftkühler, größere Einspritzdüsen..............................140...........................12000
und größere Kraftstoffpumpe, zusätzliche Kraftstoff-
rücklaufleitung, verstärkte Lager für Pleuel und
Kurbelwelle, Stahlschmiedepleuel, Verdichtungs-
reduzierung durch dickere Kopfdichtung, Turbokrümmer,
spezielles verkürztes Ansaugrohr

- verstärkte Kupplung und Einmassenschwungrad......................................................................1300

- spezielles Vorrohr ab Turbo, Katalysatoren..............................................30............................650
(200 Cells), Turbo Abgasanlage..........................................................................................1260
...............................................................................................................................2500

- Software: Anpassung der Motorsteuerungssoftware und............................................................1000
deren Kennfeldern, Anhebung max. Drehzahl 6800 U/min

- Motorölkühler mit Thermostat und stahlummantelten................................................................350
Schläuchen

- Einbau/Umbau...........................................................................................................2500
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Summe........................................................................................170........................21560

Preis/Leistung: 127 €/PS

Version: v0.01
Datum: 08.08.2012
Änderungen: Initialversion

04. FAQ

Warum braucht mein Motor nach dem Tuning weniger Kraftstoff?

- Effizienzsteigerung durch höhere Gesamtverdichtung und bessere Verbrennung
- magerer Motorbetrieb gegenüber der überfetteten Serie möglich, da thermische Entlastung durch größere bzw. andere Abgasanlage
- Entdrosselung im Ansaug- und Abgasbereich erleichtern den Gaswechselvorgang im Motor und sorgen für weniger Verluste

Was ist mit fettem oder magerem Gemisch gemeint?

Ein optimales Mischungverhältnis ist erreicht, wenn 1kg Kraftstoff mit 14,7kg Luft verbrannt werden.
Diesen Zustand nennt man Lambda 1,0.
Ist der Lambdawert < 1,0, dann hat man mehr Kraftstoff also fettes Gemischverhältnis.
Ist der Lambdawert > 1,0, dann hat man mehr Luft also mageres Gemischverhältnis.

Warum macht das der Hersteller nicht gleich richtig?

Er muss viele Kompromisse eingehen und ein Gleichgewicht finden zwischen:
- Umwelt: ökologische Verträglichkeit
- Klima: Arktische Umgebung oder Wüste
- gesetzlich Regelungen: Abgasnormen der USA, Europa, Asien, usw.
- Ökonomie: Preis/Leistung/Gewinne
- Qualität der Kraftstoffe: Jeder Hersteller hat ein anderes Verständnis über seine Produktqualität und -zusätze
- Gesamtzustand des Fahrzeugs: Jeder kennt die unterschiedliche Pflege und Bedienungsweise eines Fahrzeuges

Kann ich die verschiedenen Leistungssteigerungen im A3 R32 kombinieren?

Jein, denkbar sind eine Kombination aus:
- Hochdrehzahl und Kompressor, einfach realisierbar
- Kompressor und Turbo, aus Platzgründen sehr schwer realisierbar
- Hochdrehzahl und Turbo, aus technischen (max. mittlere Kolbengeschwindigkeit) und Kostengründen schwer realisierbar

Wie definiert sich ein Kurzhub-, Langhub- und Quadrathub-Motor?

Die Einteilung in die korrekte Klassifizierung erfolgt durch das Verhältnis
des Zylinderdurchmesser (Bohrung) und Hub der Kurbelwelle.

Quadrathub: Bohrung = Hub
Kurzhub: Bohrung > Hub
Langhub: Bohrung < Hub

Was ist die max. mittlere Kolbengeschwindigkeit?

Die Kolbengeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit (v), mit der der Kolben eines Hubkolbenmotors
den Weg vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) und zurück zurücklegt
(Geschwindigkeit (v) = Weg in Meter (m) / Zeit in Sekunden (s).

vm = n x s : 30000

vm = Mittlere Kolbengeschwindigkeit in m/s
n = Motordrehzahl in 1/min
s = Kolbenhub in mm

Die maximale mittlere Kolbengeschwindigkeit ist durch die Werkstoffpaarung von Kolben und Zylinder begrenzt
und beträgt bei Großserienmotoren maximal 20m/s. Als technische Grenze betrachtet man 25m/s, da hier der
Abriss des Ölfilms sehr wahrscheinlich stattfindet. Es gibt moderne Motoren, die diese Regel nicht einhalten
und mittels speziellen Kolbenbeschichtungen (Graphit, Teflon) Notgleiteigenschaften für den Fall eines Ölfilmabrisses hinzufügen.

Woher kommt dieses Wissen für diesen Artikel?

Dieser Arikel komprimiert das Wissen aus
- Erfahrungen der Besitzern von leistungsgesteigerten Fahrzeugen
- Interviews mit Tunern und Herstellern von Komponenten
- Motorsport und Drag Racing Szene
- eigenen Erfahrungen aus Forschung & Entwicklung (Motorenbau, Motorprüfständen, Prototypenbau)
- A3Q Community

Wie kann ich mir weiteres Wissen zum Thema Leistungssteigerung aneignen?

- Fragen stellen
- Fachbücher aus dem Kraftfahrzeugbereich lesen und verstehen

Wie kommen die Preise zustande?

Es sind Auswertungen der Angebote verschiedener Anbieter vorgenommen worden.
Die aufgeführten Preise sind ein Mittelwert aus allen Angeboten (Stand 08.2012).

Version: v0.01
Datum: 08.08.2012
Änderungen: Initialversion