Bauphase III: Optimierung der Luftansaugung

Oschis Luftansaugung unterzog ich schon früher einer Modifikation (selbstverständlich nach zeitgenössischen Kriterien). Damals ging es darum, am Leiterrahmen Platz für einen Abwassertank zu schaffen. Der Luftfilter wurde auf den Dachgepäckträger verlegt, der Ansaugweg mit Aluminiumrohren (Durchmesser 100 Millimeter) entsprechend angepasst. Da ich nicht am Bügel der Fahrerhauslagerung vorbei bauen wollte (prominentes Beispiel: die Excap-Airbox), legte ich den Ansaugweg per Rohrknie durch den Beifahrerkotflügel. Im Kotflügel sind dafür bereits ab Werk Befestigungsmöglichkeiten vorhanden. Beim Ansaugstutzen des Turboladers musste der Winkel um 180° gedreht werden. Diese Lösung tat bei uns jahrelang unauffällig ihren Dienst.

Wiederholt wurde mir jedoch nahegelegt, das Rohrknie zu ersetzen - mit seinen beiden 90°-Knicken sei es strömungsdymanisch eine Fehlkonstruktion und würde die Luftversorgung des Motors strangulieren. Ich wollte das nie so recht glauben, denn der Motor lief gut und der Unterdrucksensor im Rohrknie schlug nie an. Dieser Sensor warnt ab einem Unterdruck von 50 Millibar vor einem verstopften Luftfilter. Ob der Sensor ordnungsgemäß funktioniert kann man bei laufendem Motor einfach überprüfen, indem man die Luftzufuhr bspw. mit einem Holzbrett absperrt..

Im August 2018 knöpfte ich mir den Ansaugweg trotzdem erneut vor. Anlass war die Reparatur des Turboladers. Ich machte mir Sorgen, dass ein zu großer (aber immer noch unterschwelliger) Unterdruck möglicherweise Schuld am Defekt des Turbos war. Um das vorwegzunehmen: Es stellte sich heraus, dass der Turbolader zwar alt und etwas "eingelaufen" aber nicht wirklich defekt war. Die Reparatur hatte dennoch einen positiven Effekt. Der neue Garrett-Turbolader macht früher Druck, d.h. er setzt bereits bei vergleichsweise niedrigerer Drehzahl ein und liefert dann zu jeder Drehzahl einen höheren Ladedruck ab. 

Wenn der Motor bzw. der Turbolader Luft ansaugt, sinkt der Luftdruck im Ansaugweg. Je nach Höhe des Unterdrucks (in Millibar gemessen) fällt die Frischluftbeschaffung entsprechend schwer. Ist der Luftdurchsatz hingegen ausreichend groß, dreht der Turbolader nach Gas-Wegnahme frei weiter und wird nicht durch den Unterdruck im Ansaugweg gebremst. Da der Turbolader vom Abgassstrom angetrieben wird, kann die Effektivität nicht ohne Berücksichtigung der Abgasseite beurteilt werden. Der Luftdurchsatz kann auch durch Restriktionen in der Abgasanlage behindert werden.

Um das Ausmaß der Restriktion im Frischluftkanal zu bestimmen, fand ich auf den Webseiten von Mann+Hummel und Donaldson (beides Hersteller von Luftfilteranlagen) Hilfe in Form von Berechnungsformeln, Parametern und Widerständen verschiedener Rohrdurchmesser und Rohrformen. Es ist ein wenig Arbeit, aber sie lohnt sich. Mit Hilfe der Angaben konnte ich nicht nur den Unterdruck meiner bestehenden Lösung abschätzen, sondern auch verschiedene Alternativen durchrechnen. So fand ich schließlich eine Verbesserungsmöglichkeit, um den Unterdruck von 21 Millibar auf knapp 7 Millibar zu verringern. Das rechnerische Verbesserungspotential von rund Zweidrittel erscheint beeindruckend, aber was macht das in der Praxis aus? Die absoluten Ausgangsgrößen sind eher gering. Vielleicht ist der Effekt groß, vielleicht klein, vielleicht gar nicht da. Weil ich von Glauben nicht viel halte, wenn man Wissen kann, beschloss ich, die Optimierung zu realisieren.

Die Optimierung besteht aus folgenden Veränderungen:

  • Das Luftfilter-Gehäuse wurde dezent verändert: Anstelle des 100 Millimeter Rohrbogens besteht der Abgang aus einem 130 Millimeter Gummikrümmer. 
  • An der Unterseite des Gehäuses wurde ein zusätzlicher Lufteinlass eingearbeitet. Die Funktion des Staubabscheiders (Zyklon) kann dadurch beeinträchtigt werden, das würde sich in einem kürzeren Wechselintervall des Luftfilters äußern.
  • Der Durchmesser der Ansaugrohre wuchs von 100 auf 130 Millimeter. Mehr passte nicht zwischen Fahrerhaus und Kabine, aber 30% mehr Durchmesser ergibt 70% mehr Querschnittsfläche. Erst kurz vor dem Ansaugstutzen des Turboladers verjüngt sich der Durchmesser auf 100 Millimeter. 
  • Eine neu konstruierte Luftleitbox und ein strömungsdynamisch günstiger Gummikrümmer ersetzen das Rohrknie mit seinen beiden Knicken. 

Die Luftleitbox entspringt meiner Konstruktionsfeder und wird von unserem neuen Metallbaupartner aus 3mm Aluminium gekantet und sauber verschweißt. Zu- und Abgang passen mit 130 Millimeter Durchmesser  und fünf Zentimeter Länge zu den Ansaugrohren, mit denen sie per Doppelwulstverbinder bzw. Gummikrümmer verbunden sind. Die Box selbst ist aus pragmatischen Gründen (Kosten!) kantig geformt, aber der umbaute Raum zur Luftumlenkung ist so groß, dass kein Engpass mehr besteht. Dazu später mehr. Die Box passt (normalerweise) auf die werkseitig vorhandenen Befestigungspunkte im Beifahrer-Kotflügel. Eventuell ist etwas Beischleifen nötig. Der obere Zugang mit Doppelwulstverbinder ist die Trennstelle zum Kippen des Fahrerhauses. Damit beim Aufkippen des Fahrerhauses kein Schmutz in die Box gerät, decke ich sie mit einer HT-Rohr-Endkappe ab. Der Unterdrucksensor ist seitlich montiert.

Der gesamte Ansaugweg verläuft durch die Optimierung sichtbar harmonischer. Im Praxistest zeigt sich, dass der Turbolader noch früher auf Touren kommt und noch schneller Druck aufbaut. Ein schneller verfügbarer und höherer Ladedruck sorgt dafür, dass der Steyr "untenrum", also beim umtertourigen Beschleunigen, besser aus den Puschen kommt. Das ist natürlich alles relativ zu sehen, relativ für einen mit 180PS eher untermotorisierten Zehntonner.


Beim provozierten Lastwechsel ist deutlich zu hören, dass der Turbolader nachläuft und weiter Luft fördert. Insofern war die alte Lösung tatsächlich restriktiv, obwohl die errechneten Absolutwerte des Luftwiderstandes eher klein erschienen. Jetzt gehe ich von einem relativ widerstandsfreien Luftdurchsatz aus. Ob der Motor dadurch mehr leisten kann, weiß ich nicht. Oschis Einspritzpumpe wurde noch nicht auf den Ladeluftkühler abgestimmt. Die Ladedruckanzeige ist nicht geeicht. Es gibt kein Protokoll von einem Leistungsprüfstand. Mit objektiven Messwerten kann ich also nicht dienen. Mit dem Gehör nehme ich ein freies Auslaufen des Turbos war und auf dem Ladedruck-Manometer lese ich vergleichsweise mehr Druck ab. Und im grünen Bereich hat Oschi auch im achten Gang noch spürbare Reserven für Autobahnsteigungen.

Unterdruck ist eine Macht und mit Überdruck nicht vergleichbar. Es fällt dem Motor bzw. Turbolader deutlich schwerer, Frischluft gegen einen Widerstand anzusaugen, als Abgas gegen einen Widerstand auszublasen. Rein technisch gesehen ist es beim Steyr-Turbodiesel-Motor nützlicher, den Luftdurchsatz in der Ansaugung zu erhöhen, als Restriktionen im Abgasweg zu beseitigen. Noch besser ist natürlich, sowohl Frischluft- als auch Abgasweg zu optimieren (was bei Oschi mit der neuen VA-Auspuffanlage der Fall ist).

Wer den Ansaugweg seines Steyrs mittels unserer Luftleitbox optimieren will, dem bin ich gern behilflich. Aber man beachte das Kleingedruckte: Jeder Umbau erfolgt auf eigene Verantwortung und eine Leistungssteigerung ist nicht garantiert. Die Box würde einzeln angefertigt, mit 6 Wochen Lieferzeit wäre zu rechnen. Ein Kauf wäre nur als individuelle Auftragsfertigung gegen Vorkasse möglich (Rücknahme ausgeschlossen). Für den kompletten Umbau der Luftansaugung wird weiteres Zubehör benötigt: Gummikrümmer, Doppelwulstverbinder, Gelenkbolzenschellen, Aluminiumrohre. Voraussetzung für den Einbau ist ein passendes Luftfiltergehäuse und ein überarbeiteter Turbo-Ansaugstutzen. Weil jeder Steyr etwas anders ist, müssen die Rohre individuell zugeschnitten und am Fahrerhaus befestigt werden. In die Luftleitbox müssen passende Löcher zur Befestigung am Kotflügel und zur Aufnahme des Unterdrucksensors gebohrt werden. Wer sich davon nicht abschrecken lässt, darf mich gerne ansprechen. 

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