Der perfekte LT-5 Motor Corvette ZR-1 1990 350 CUI

[Thomas ZR-1]

Hallo zusammen, im ersten Halbjahr 2018 habe ich wieder ein schönes ZR-1 Projekt durchgeführt, bei dem neben der normalen Motor-Revision auch eine große Leistungssteigerung des LT-5 durchgeführt wurde. Viel Spaß beim lesen des Bauberichtes…

[Thomas ZR-1]

In den letzten Jahren habe ich einige LT-5 Motoren überholt, teilweise standardmäßig, teilweise mit Leistungssteigerungen. Der hier beschrieben Motor-Umbau mit Leistungssteigerung ist aus meiner Sicht das Maximum, was man aus dem 5,7L DOHC Motor ohne Aufladung machen kann. Der Motor hatte ca. 130 Tkm gelaufen, der ursprüngliche Gedanke galt den Kettenführungsschienen, bei denen neben ihrem Alter von 28 Jahren auch als Grenze 150 Tkm gelten, bevor sich diese Kunststoffteile in Wohlgefallen auflösen. Dies hätte einen kapitalen Motorschaden zur Folge. Um diese zu erneuern, musste der Motor sowieso ausgebaut werden, warum also nicht neben der Standard-Revision auch die Leistung verbessern.

 

Um nun mal den Weg eines Luft-Elements durch den Motor zu verfolgen, bekam der Motor einen Ram-Air Luftfilter. Dabei erhält der Motor seine Frischluft nicht wie im Original irgendwo aus dem hinteren Bereich der vorderen Stoßstange, sondern mit angefertigtem Rahmen und K&N Plattenluftfilter (Porsche da C4 nicht passt) aus dem gut angeströmten Kühlerkastengehäuse. Somit wird die vom Motor angesaugte Luft quasi in den Motor „hineingedrückt“.

Weiterhin wurden die beiden originalen Drosselklappen von jeweils 59 mm auf 63 mm vergrößert. In Plenum, Injector-Housings und Zylinderköpfen wurden die Gaskanäle soweit es ging vergrößert und bearbeitet. Alle Ventile erhielten einen Backcut und alle Ventilsitze eine weitere Fase zur Rundung der Strömung. Die vier originalen Nockenwellen wurden umgeschliffen, um neben den Steuerzeiten auch den effektiven Ventilhub zu vergrößern. Der Motor behielt seine 16 Einspritzdüsen (8 im Primär-System und 8 im Sekundär-System), allerdings wurden die Sekundärklappen entfernt und die Umschaltung „kleine Leistungsstufe – große Leistungsstufe“ deaktiviert. Das vakuum-gesteuerte und fehleranfällige Sekundärsystem wurde komplett entfernt.  Die bereits vorhandenen Fächerkrümmer von OBX (Long-Tube 4 in 1) wurden wiederverwendet, ebenso die bereits offene 70mm Abgasanlage. Die Software wurde über ein geändertes EPROM an die neue Hardware angepasst. Das 24 kg schwere Zwei-Massen Schwungrad wurde durch ein drehmoment-freudigeres Ein-Massen Schwungrad mit knapp 13 kg ersetzt.
 
Zunächst aber wurde der Motor nach dem Ausbau komplett zerlegt, wobei sich zeigte, dass die Kettenführungsschienen zwar naturgemäß eingelaufen waren, aber bis auf eine Ausnahme noch keine Risse zeigten. Die Wasserpumpe war leicht undicht über die Wellenentlüftung, diese sollte aber sowieso ersetzt werden, ebenso die alten Zündkabel und Zündspulen. Der Spanner vom Poly-V Riemen konnte mit zwei Fingern anstatt Ratsche betätigt werden, er wurde überholt genauso wie die Kontakte im Anlasser. Nach dem zerlegen wurden alle Teile chemisch gereinigt und sahen danach aus wie neu….so kann man arbeiten.
 
Zur Leistungssteigerung wurden die vier originalen Nockenwellen umgeschliffen. Original haben die Einlasswellen einen Ventilhub von 9,9 mm an allen Nocken mit 214° @ 0,050 primärseitig und 228°@0,050 sekundärseitig. Die originalen Auslasswellen haben ebenfalls 9,9 mm Hub an allen Nocken sowie an allen Nocken 214°@0,050. Nach dem Umschleifen hatten die Einlasswellen an allen Nocken 10,8 mm Hub mit 236°@0,050 und die Auslasswellen an allen Nocken 10,8 mm Hub mit 230°@0,050.
 
Das Ansaugsystem wurde folgendermaßen zuerst mit Fräsern danach mit Fächerschleifern (40er – 240er Körnung) und am Ende mit Schleif-Polier Walzen bearbeitet: Da die Klappen im Drosselklappengehäuse von jeweils 59 mm auf 63 mm vergrößert wurden, musste auch der Flansch am Plenum angepasst werden.



Weiterhin wurden auch die zylinder-spezifischen Gaskanäle, die sich bereits im Plenum in jeweils Primär- und Sekundärkanal teilen, vergrößert. Dazu wurde vorher überlegt, welche Durchmesser am welchen Stellen jeder einzelne Gaskanal vom Beginn an im Plenum bis hin zum Einlassventil (Gesamtlänge ca. 300 mm) haben soll. Bei leistungsorientierten Motoren wie dem LT-5 sollte die Luft bzw. Kraftstoff-Luftgemisch konstant beschleunigt werden bis hin zum Eintritt in den Brennraum, was einen sich konstant konische verengenden Verlauf bedingt. Dies ist dann ein reiner Füllkanal.
 
Dazu muss man allerdings wissen, wie groß der minimalste Durchmesser gewählt werden kann. Diese Stelle befindet sich im Zylinderkopf auf Höhe der Ventilschaftführung, wo der Kanal in Richtung Ventil hin abknickt. Im Originalzustand sind es 32 mm, die Frage war nur, wie viel man dort weg fräsen kann, ohne in den Wasserkern des Zylinderkopfes hinein zu fräsen. Die Wandstärke des Kanals war also Ausschlag gebend dafür. Früher habe ich das immer undefiniert nach Gefühl gemacht.  Deshalb habe ich über einen Freund bei einem, an diesem Projekt interessiertem Radiologen dankenswerter Weise ein CT vom gesamten Zylinderkopf machen können. Im Ergebnis konnte man erkennen, das alle Gaskanäle (Ein-und Auslass) im Zylinderkopf eine Wandstärke von 4,0 – 4,5 mm aufwiesen. Somit sollte die Engstelle von 32 mm relativ gefahrlos auf 35 mm vergrößert werden können, hier ein Primär-Kanal im Querschnitt.

[Thomas ZR-1]

Nachdem das Plenum auf die größeren Drosselklappen angepasst wurde, wurden die Gaskanäle in Richtung Zylinder ab den Gabelungen (1x oval auf 2x rund) von jeweils 33 mm auf 37 mm erweitert.

[Thomas ZR-1]

Die Injector Housings (IH) mussten deutlich mehr Späne lassen, da im Originalzustand die Sitzbereiche der Einspritzdüsen so wulstig waren, das zum Teil sogar ca. 50% des Kanalquerschnittes verdeckt waren.



Komplett entfernt wurden diese Bereiche nicht, da diese ja dafür sorgen, dass die Austrittsöffnung der Einspritzdüse nicht einfach so in den Kanal ragt (ungünstige Kraftstoffzerstäubung), sondern etwas geschützt auf der Rückseite der den Kanal verengenden Wulst fein-zerstäubend einspritzen kann. Allerdings wurden die Engstellen um ca. 90% reduziert. Leider machen die Kanäle in den IH konstruktionsbedingt kurz vor dem Eintritt in den Zylinderkopf eine recht enge Kurve, sodass die Querschnitte nicht überall ideal vergrößert werden konnten. Der Durchmesser Eintritt IH liegt nun bei 37 mm und verjüngt sich zum unteren Ende hin auf 36 mm (im Original von 33 mm auf 32 mm).

[Thomas ZR-1]

In den Zylinderköpfen wurden vor der Kanalbearbeitung die je nach Motordrehzahl und Last den Sekundär-Kanal verschließenden Klappen samt ihrer Wellen und Lager entfernt und deren Bohrungen verschlossen. An der Flanschseite zum IH hatte der Primärkanal im Original einen Durchmesser von 32 mm (durchgehend bis zur Ventilschaftführung) und der Sekundärkanal 36 mm, allerdings nur im Bereich der Secondary-Klappen (obere 30 mm), danach ebenfalls 32 mm bis unten hin.



Nach der Bearbeitung waren alle Einlasskanäle gleich groß, von oben angefangen von 36 mm bis zu besagten Engstelle hin reduziert auf 35 mm.

[Thomas ZR-1]

Auf der Auslass-Seite wurden die Kanäle nur geglättet und nur minimal erweitert, allerdings wurde die ovale Austrittsöffnung aus den Zylinderköpfen heraus umlaufend um 2,5 mm erweitert. Somit ist die Öffnung 5 mm breiter und 5 mm höher geworden. Es wäre mehr möglich gewesen, es sollten aber die Öffnungen an die Größe der Rohre der Fächerkrümmer angepasst werden.

[Thomas ZR-1]

Alle Ventile wurden geschliffen und erhielten zum Schaft hin eine 30° Fase (Backcut), womit die strömungstechnisch ungünstige Kante gebrochen wurde



Die Ventilsitze wurden nachgefräst, dabei wurde aus dem originalen 1-Fasen Sitz ein gerundeter 3-Fasen-Sitz, was ein besseres Einströmverhalten in den Brennraum zur Folge hat.



Der Innendurchmesser der Ventilsitze wurde beibehalten (Einlass: 35 mm, Auslass: 33 mm), da die Wandstärken der Sitzringe recht gering waren und deren Vorspannung nicht durch Vergrößerung des Innendurchmessers reduziert werden sollten. Die Gefahr des Herausfallens im thermisch hochbelasteten Motorbetrieb ist dabei recht hoch.

Da es sich bei den Zylinderköpfen um den 90er Jahrgang handelt, hatten die Auslass-Ventilführungen keine Ventilschaftdichtungen. Da die Köpfe dort aber Abdichtungen erhalten sollten, hätte man die Führungen der Variante 91-95 einbauen können, dies wäre aber recht kostenintensiv gewesen. Da die vorhandenen Führungen vom Zustand her sehr gut waren, haben wir jeweils an das obere Ende der Auslass-Führungen einen Sitz zur Verwendung von Schaftdichtungen gefräst, somit mussten die Ventilschaftführungen nicht ersetzt werden.

[Thomas ZR-1]

Nach der Bearbeitung das Ansaugsystem wurden die Zylinderköpfe erneut im CT geröntgt, um die Wandstärke der Kanalwandungen zu überprüfen. Im Ergebnis habe ich festgestellt, dass die Wandstärken natürlich abgenommen haben, aber aus meiner Sicht speziell zum Kühlwasser-Bereich hin nicht kritisch geworden sind. Hier als Beispiel ein Sekundär-Kanal.



So sieht übrigens ein CT aus, wenn der Patient ein Zylinderkopf ist.

[Thomas ZR-1]

Abschließend habe ich die Zylinderköpfe auf einer Flowbench geströmt, um die Verbesserung des Strömungsverhaltens durch das Porting zu messen. Zu Vergleichszwecken habe ich diese Messungen auch vor Beginn der Bearbeitung der Kanäle durchgeführt.



Auf der Flowbench wird die Strömungsgüte eines Kanals gemessen und der so genannte Alpha-K Wert (je größer desto besser) ermittelt. Er ist ähnlich einem Cw-Wert (je kleiner desto besser) beim Auto und ist in der motorischen Gaswechsel-Analyse der maßgebliche Strömungs-Beiwert. Bei den Messungen werden die Ventile schrittweise in 1 mm Schritten bis 12 mm Ventilhub geöffnet, wobei einlassseitig Luft durch den Kanal von außen hineingesaugt und auslassseitig von innen nach außen geblasen wurde.  Der immer noch aktuelle Referenz-Zylinderkopf ist der des BMW 3,2L M3 Motor. Dessen Kanäle sind reine Füllkanäle, die in ihrer Auslegung fast unerreichbar sind. Einlassseitig liegt der M3 im Maximum bei 0,1975 und der LT-5 im Original-Zustand bei 0,1630. Nach dem Porting wies der LT-5 einen wirklich guten Wert von 0,1863 auf. Auslassseitig liegt der M3 bei 0,1650 und der LT-5 original bei 0,1282…nach der Bearbeitung bei immerhin 0,1392. Nebenbei war zu beobachten, dass ursprünglich sogar die Auslasskanäle des M3 strömungs-technisch besser sind, als die Einlasskanäle vom LT-5. Auslasskanäle sind in der Motoren-Konstruktion eher stiefmütterlich behandelt, da ja mit einem mittleren Überdruck von 3-5 bar ausgeblasen wird ganz nach dem Motto: Das Abgas findet schon irgendwie seinen Weg raus aus dem Zylinderkopf. Einlassseitig wird intensiver entwickelt, um die optimale Füllung, Gemischbildung und Verbrennung zu erreichen und ein Saugmotor nun mal gegen den atmosphärischen Druck ansaugen muss.



Alpha-K Einlass-Kanal LT-5 vs. BMW M3



Alpha-K Auslass-Kanal LT-5 vs. BMW M3

 

Zum Schluss wurden beide Zylinderkopf-Dichtungsflächen jeweils um ca. 1/10 mm geplant. Da der Motor keinen thermischen Schaden hatte, waren die Flächen nicht verzogen, die Verdichtung des Motors blieb von daher original bei 11:1.

[Thomas ZR-1]

Nach dem die Bearbeitung der Motorenteile abgeschlossen war, konnte mit dem Zusammenbau des Motors begonnen werden. Zunächst wurden die beiden Zylinderköpfe zusammengebaut.





Da die Ventile und die Ventilsitze bearbeitet wurden, wurde nach dem Zusammenbau die Dichtheit überprüft….alles bestens einlass- wie auslassseitig.