Links

Startseite

Warum das Ganze?

3000GT Modelle

Technik

Tuning

Fahrzeugdaten

Glossar

Quellen

Impressum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Technische Eigenschaften

Die technische Konzeption des 3000GT

MotorraumDer 3000GT (zumindest die 4x4 Turbo oder VR4 Version) stellt einen Kompromiss auf dem Stand der Technik von 1991...1999 zwischen guten Fahrleistungen, hoher Sicherheit, guter Bedienbarkeit und Alltagstauglichkeit dar. Dabei ist ein schnelles, sicheres, bequemes, aber auch eher schweres Auto herausgekommen, das aus meiner Sicht aber dennoch vielen heute „modernen“ Fahrzeugen überlegen oder zumindest ebenbürtig ist (der Alfa Romeo Spider AWD ab 2006 ist z.B. genauso schwer, hat aber kaum Laderaum). Heute macht man mehr mit Elektronik, und es stehen leichtere und belastbarere Werkstoffe zur Verfügung.

Der 3000GT (Z16) verfügt über den weiter unten diskutierten Turbomotor, der ihm im Serienzustand 286 PS verleiht. Die Maschine hat knapp 3 Liter Hubraum, 6 Zylinder und 2 Turbolader. Diese Leistung verhilft dem GT zu einer Höchstgeschwindigkeit von deutlich über 250 Km/h. Ob hier abgeregelt wird, darüber streiten sich die Gurus – meiner läuft mit etwas Tuning nach Tacho deutlich über 290, und der Tacho zeigt ziemlich genau 10% mehr an als z.B.laut GPS anliegen. Auf dem Bild oben sieht man einen liebevoll "optimierten" Motor, die Serien-Optik ist eher unspektakulär.

Der permanente Allradantrieb sorgt dafür, dass das enorme (serienmäßige) Drehmoment von 407 Nm in jeder Fahrsituation auf die Strasse gebracht werden kann. Er trägt allerdings auch erheblich zum hohen Gewicht (ca. 1750 Kg) und zu den mechanischen Widerständen bei. Dennoch darf man mit einer Beschleunigung von 0 auf 100 Km/h in ca. 5,9 Sekunden prahlen. Die Kraftverteilung VA/HA liegt beim 3000GT übrigens bei 45:55, es geht also etwas mehr Drehmoment auf die Hinterachse.

Alternativen wären eine elektronische Traktionskontrolle bei nur einer angetriebenen Achse, auch z.B. ESP genannt. Ein solches System sorgt dafür, dass das Drehmoment begrenzt wird, das an die Antriebsräder weitergeleitet wird, sodass diese nicht durchdrehen. Das heißt aber auch, dass eben nicht immer das volle Drehmoment zur Verfügung gestellt wird! ESP ist wohl aus Kosten- und Gewichtsgründen die heute übliche Lösung.

Eine andere Alternative ist ein Automatik-Getriebe mit einem hydraulischen Drehmomentwandler anstelle der mechanischen Kupplung. Dieser Drehmomentwandler führt ebenfalls dazu, dass die angetriebenen Räder nicht oder nur sehr kurzzeitig durchdrehen, indem er das „überschüssige“ Drehmoment in Wärme umwandelt – es steht also auch nicht für die Beschleunigung zur Verfügung. Außerdem hat ein Automatikgetriebe auch ein hohes Gewicht und hohe mechanische Widerstände. Toyota ging diesen Weg im Supra Mk IV.

Durch die Allradlenkung und das elektronisch gesteuerte Hydraulik-Fahrwerk (Electronic Chassis Steering „ECS“) wird sichergestellt, dass die Reifen des 3000GT immer optimale Verbindung zum Fahrbahnbelag behalten, indem die Berührungsfläche immer so groß wie möglich gehalten wird und die Last möglichst gleichmäßig auf alle 4 Räder verteilt wird. Je höher die Geschwindigkeit, desto härter werden die Federbeine eingestellt, um die Seitenneignung zu minimieren. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit lenken die Hinterräder um ca. 1,5 Grad gleichsinnig mit, um die Kontaktfläche Reifen – Fahrbahn möglichst groß zu halten und den Antriebs-Vektor zum Kurveninnenradius zu richten.

Die hohe Endgeschwindigkeit verdankt der GT auch seiner günstigen Aerodynamik. Er ist niedrig und aussen relativ glatt und gerundet, außerdem verfügt er über aktive Spoiler (Frontschürze und Heckflügel), die ab etwa 80 Km/h ausfahren. Diese Mechanik macht ihn aber nicht eben leichter.

Nicht optimal gelungen sind nach Meinung einiger Fahrer Lenkung und Bremsen. Die Lenkung ist vergleichsweise leichtgängig, und bei einem großen Wendekreis von 12m bietet sie nur geringe Rückmeldung. Mich stört das weniger. Eher als Nachteil empfinde ich die Serien-Bremsanlage, die zwar beim Gen2 (den ich fahre) gegenüber dem Gen1 schon verbessert wurde, die aber für meinen Geschmack noch immer zu sehr zum Fading und zu Vibrationen neigt. In [gt-driver.de] findet man allerdings brauchbare Hinweise, wie das zu verbessern2 sei.

Turboaufgeladene Motoren am Beispiel 3000GT

Wozu ein Turbolader, und was tut er?

Ein Verbrennungsmotor schöpft seine Leistung und sein Drehmoment aus der Verbrennung eines Gemisches aus Luft und Kraftstoff (Benzin oder Dieselkraftstoff). Dabei wird eine sehr kleine Menge Kraftstoff mit einem vergleichsweise grossen Volumen Luft gemischt, und dieses Gemisch wird im Motor (genauer gesagt in den Brennräumen der Zylinder) verbrannt. Dabei dehnt es sich in erheblichem Maße aus und übt starken Druck auf die Kolben aus, die sich in den Zylindern auf und ab (hin und her, vor und zurück ...) bewegen. Gute und leicht verständliche Darstellungen der Funktionsweise von Kolbenmaschinen findet man z.B. bei Wikipedia.

TurbosWichtig für unsere Überlegungen ist (wie bereits oben erwähnt), dass Leistung und Drehmoment umso höher sind, je mehr Druck im Durchschnitt („Mitteldruck“) durch die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches auf die Kolben ausgeübt wird, d.h. je stärker sich das Gemisch bei der Verbrennung ausdehnt.

Leider kann man normalerweise3 nicht so einfach über die Zusammensetzung des Gemisches mehr Druck erzeugen, denn die Verbrennung soll möglichst vollständig sein (also müssen Luft- und Sprit-Menge genau zusammenpassen). Man darf den Spritanteil erhöhen, aber das erhöht nur den Verbrauch und nicht den Verbrennungs-Druck.

Aber es gibt einen anderen Weg: Man „quetscht“ mehr optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum als von alleine hineingesaugt werden würde. Dies erreicht man mit einem Gebläse: Einem mechanisch angetriebenen Kompressor (Mercedes SLK) oder (wie im Fall des 3000GT) mit einem bzw. zwei „Turboladern“.

Kurz zum Thema Kompressor: Dieser hat den Vorteil, dass er immer (auch bei niedrigen Drehzahlen) Ladedruck erzeugt, und den Nachteil, dass er dafür auch immer angetrieben werden muss und damit Leistung kostet. Neuer Trend: Kleine Kompressoren für niedrige Drehzahlen, Turbolader für den Drehzahlbereich darüber; der Kompressor wird dann abgeschaltet (TSFI-Motoren).

Ein Turbolader ist eine Art Kompressor, der aber im Gegensatz zu diesem nicht mechanisch sondern durch den Druck bzw. die Strömungsenergie der (sowieso entstehenden) Abgase des aufzuladenden Motors angetrieben wird. Der Turbolader besteht im Prinzip aus zwei Turbinenrädern, die über eine Welle miteinander verbunden sind: Das eine Rad wird von den Abgasen angetrieben und dreht die Welle und damit das andere Turbinenrad, und dieses wiederum verdichtet die für das Kraftstoff-Luft-Gemisch benötigte Luft vor dem Eintritt in die Brennräume der Zylinder.

Durch diese Verdichtung wird die Luft für das Gemisch aber stark erwärmt (vergleiche Fahrrad-Luftpumpe!). Im Zylinder erreicht man jedoch die stärkste Ausdehnung und damit den höchsten Verbrennungsdruck mit möglichst kaltem Gemisch, daher wird die verdichtete Luft hinter dem Turbolader zunächst erst einmal wieder abgekühlt. Dies besorgen sogenannte Ladeluft-Kühler. Das Volumen der verdichteten Luft reduziert sich dadurch noch zusätzlich, was weniger Widerstand für die Turbolader bedeutet und das Ansprechverhalten verbessert.

Danach wird der Kraftstoff in die verdichtete Luft „eingespritzt“. Die eingespritzte Menge muss zur Luftmenge passen, und die verdichtete Luft enthält mehr Sauerstoff pro Volumeneinheit als die unverdichtete Umgebungsluft. Das heißt, dass in Abhängigkeit vom Verdichtungsgrad mehr Kraftstoff eingespritzt werden kann (und muss!) als bei einem nicht aufgeladenen Motor. Dazu wird die Menge (also das Volumen) der angesaugten Luft vor dem Turbolader gemessen, damit die nötige Spritmenge berechnet werden kann.

Der Weg der Luft und des mit ihr vermischten Kraftstoffes sieht also grundsätzlich so aus:

  1. Umgebungsluft tritt durch den Luftfilter in den „Ansaugtrakt“ des Motors ein. (Der Luftfilter sorgt dafür, dass kein Dreck mitkommt, der den Motor zerstören würde.)

  2. Die angesaugte Luftmenge wird vom dahinter liegenden Luftmengen-Messer kontinuierlich gemessen. Korrektere Ausdrucksweise: Luftmasse, da thermodynamisch die Masse (d.h. die Anzahl der Sauerstoffmoleküle) ausschlaggebend ist. Menge könnte als Volumen missverstanden werden.

  3. Die Luft wird nun zunächst durch den (oder die) Turbolader verdichtet, es wird „Ladedruck“ erzeugt.

  4. Anschließend wir die verdichtete Luft in dem/den Ladeluftkühler(n) wieder abgekühlt, je stärker desto besser.

  5. Die verdichtete, abgekühlte Luft wird zur Drosselklappe geleitet. Die Drosselklappe wird über das Gaspedal gesteuert und reguliert so, wieviel Luft (und damit nachher Gemisch) tatsächlich in den Motor gelangt. Drosselklappe offen = Vollast, geschlossen = Leerlauf.

  6. Jetzt muss die passende Kraftstoffmenge zur verdichteten Luft hinzugegeben werden. Dies geschieht durch feine Einspritzdüsen unmittelbar vor dem Eintritt in den jeweiligen Zylinder, also vor dem bzw. im Zylinderkopf.

  7. Schließlich tritt das nun entstandene verdichtete, abgekühlte Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum ein, wird dort verbrannt und treibt durch seine Ausdehnung den jeweiligen Kolben an.

  8. Das verbrannte Gemisch („Abgas“) wird aus dem Brennraum über das „erste“ Turbinenrad des jeweiligen Turboladers geleitet, wodurch wiederum die Energie für die Aufladung durch das zweite Turbinenrad gewonnen wird.

Bei Vollast ist das auch eigentlich ganz einfach, weil der Motor in einem gleichmäßigen Betriebszustand bleibt. Spannend wird es erst, wenn wir uns im Alltagsbetrieb befinden und die Motorleistung variabel abgerufen wird. Dann gibt es an folgenden 2 Stellen Probleme:

  1. Geht man beim Beschleunigen z.B. zum Schalten vom Gas, schließt also die Drosselklappe (Punkt 5 oben), dann würde man die turboverdichtete Luft schlagartig blockieren. Dies würde „Rückstöße“ zum „zweiten“ Turbinenrad des Turboladers davor auslösen, die dieser vermutlich schon nach kurzer Zeit mit seinem Ableben quittieren würde.

  2. Außerdem macht es wenig Sinn, ständig die volle Energie der Abgase in Verdichtung der angesaugten Luft umzusetzen – meist bewegt man sich bei Alltagsbetrieb im Teillastbereich, und da wird eben nicht die volle Leistung und also auch kein Ladedruck benötigt.

Also werden Mechanismen gebraucht, die dafür sorgen, dass der Turbolader keine Rückstöße von der Drosselklappe bekommt und dass nur dann Ladedruck aufgebaut wird, wenn auch entsprechend hohe Leistung benötigt wird.

Diese Mechanismen sind das „Blow-Off-Ventil“ vor der Drosselklappe und das „Waste Gate“ vor dem „ersten“ (abgasseitigen) Turbinenrad des Turboladers. Das Blow-Off-Ventil hat die Aufgabe, die Rückstöße (Druckspitzen) entweder in die Umwelt oder in den Ansaugtrakt vor dem Turbolader abzulassen (offenes oder geschlossenes System), während das Waste-Gate die Abgase am „ersten“ Turbinenrad des Turboladers vorbei direkt in den Auspuff leitet, wenn der Ladedruck höher als ein dem Motor zuträglicher Wert wird.

Dieses ganze System benötigt offensichtlich eine Steuerung, die mindestens dafür sorgt, dass:

Diesen Job übernimmt die „Engine Control Unit“, abgekürzt „ECU“: Ein Computer, der permanent mit Messdaten versorgt wird und über elektromechanische „Stellglieder“ das Verhalten des Motors beeinflusst (v.a. Spritmenge, Zündzeitpunkt, Ladedruck).

Noch etwas gilt für „dieses ganze System:“ Der Frischluft- bzw. Abgas-Strom sollte möglichst wenig behindert werden, damit optimale Aufladung des Motors erreicht wird. Das ist für Tuningmaßnahmen von Bedeutung und grundsätzlich anders als bei nicht turboaufgeladenen Motoren, bei denen die Luftversorgung, Gemischaufbereitung und Abgas-Entsorgung „zwanglos“ nach strömungstechnischen Grundlagen erfolgt. Zum Beispiel könnte man bei einem Turbomotor durch ein einfaches gerades Auspuffrohr ab Waste-Gate/Turbolader den Strömungswiderstand minimieren und damit die Leistung verbessern (und den Lärm maximieren), aber beim „Sauger“ wäre dies in den meisten Fällen kontraproduktiv. Tuningmaßnahmen lassen sich also nicht vom Sauger auf den Turbo übertragen und umgekehrt.

Kommen wir nun zum Turbosystem des 3000GT.

Turboaufladung und Motormanagement beim 3000GT

Der 3000GT verfügt über einen 6-Zylinder V-Motor, also 2 „Bänke“ mit jeweils 3 Zylindern, die in einem bestimmten Winkel zueinander geneigt sind. Natürlich treiben die Kolben beider Bänke dieselbe Kurbelwelle an, die also an der unteren Spitze des „V“ liegt. Beide Zylinderbänke haben jeweils einen Einlass-Trakt für das frische Gemisch, eine Einspritzdüse pro Zylinder und einen Auslass-Trakt für die Abgase.

Aufgrund dieser Anordnung besitzt der 3000GT in der „Vollversion“ (in USA VR-4) zwei Turbolader mit je einem internen Waste-Gate und dahinter im weiteren Ansaug-Verlauf zwei Ladeluftkühler (LLK). Die Frischluft wird allerdings über einen Luftfilter und einen Luftmengenmesser (LMM) bereitgestellt, nach dem LMM verzweigt sich die Luftführung zu den beiden Turboladern. Die verdichtete und gekühlte Luft wird dann hinter den beiden LLK in der sogenannten Y-Pipe zusammengeführt. Diese Y-Pipe sitzt oben auf dem Motor und führt in das Drosselklappen-Gehäuse.

Das Blow-Off-Ventil sitzt unterhalb der Y-Pipe und verbindet diese mit dem Ansaugtrakt hinter dem LMM, um Druckspitzen aus der Y-Pipe in den Ansaugtrakt abzulassen, insbesondere beim plötzlichen Schließen der Drosselklappe z.B. bei Schaltvorgängen.

Die Steuerung der Waste-Gates (keine Regelung!) durch die ECU erfolgt über ein elektromechanisches Ventil, englisch „solenoid valve“ genannt. Es sitzt an der Rückwand des Motorraums und steuert beide Waste-Gates synchron, d.h. über einen verzweigten Druckschlauch (H-Verteiler). Details siehe auch hier: http://www.rtec.ch/turbo_basics.html . Die ECU gibt eine bestimmte Verhaltensweise des Ventils vor, misst aber nicht nach, ob diese auch zu der gewünschten Wirkung führt.

Ansatzpunkte für eine Leistungssteigerung bei diesem System sind u.a. die folgenden:

  1. Verringern der Strömungswiderstände im Ansaug/Abgas-Trakt (offenes Luftfilter, Katalysatoren entfernen oder Highflow-Kat's einbauen, strömungsgünstige Abgasanlage)

  2. Erhöhung des Ladedrucks (mechanischer oder elektronischer „Boost-Controller“, größere LLK)

  3. Änderung des Motormanagements (läuft auf einen Ersatz der ECU hinaus)

  4. Mechanische Modifikationen am „Innenleben“ des Motors

Insbesondere zu Punkt 2 ist einiges anzumerken, denn die Ladedruckerhöhung ist der „Bringer“ bei solchen Turbo-Systemen. Ansatzpunkt sind beim 3000GT die Steuerleitungen der Waste-Gates, die durch die ECU vom oben genannten Serien-Magnet-Ventil („stock solenoid valve“, SSV) manipuliert werden.

Ohne dieses Ventil (SSV) würde der maximale Ladedruck 0,4 Bar betragen. Es sorgt also dafür, dass bei bestimmten Drehzahlen (und evtl. Gaspedalstellungen?) etwas Druck aus den Steuerleitungen der Waste-Gates (der sonst die Waste-Gates öffnen und damit den Ladedruck begrenzen würde) abgelassen wird. Anscheinend sorgt die ECU aber auch dafür, dass das Ventil oberhalb bestimmter Drehzahlen keinen Druck mehr ablässt, sodass die Waste-Gates öffnen und der Ladedruck abfällt, was zu etwas trägem Verhalten bei höheren Drehzahlen führt4.

Nimmt man nun das SSV aus dem Spiel, sodass es nicht mehr in die Steuerung der Waste-Gates eingreifen kann, stehen max. 0,4 Bar (aber eben über den gesamten Drehzahlbereich) zur Verfügung. Das ist aber auch nicht das Wahre weil zu gering, also könnte man auf die Idee kommen, den Ablass immer offen zu lassen – das zerstört den Motor wegen der sich aufbauenden enormen Ladedrücke (Waste-Gates sind immer geschlossen) schnellstmöglich.

Also liegt die Wahrheit für die Ladedruck-Optimierung offensichtlich woanders, und die Möglichkeiten sind:

  1. Bleeder-Valve zusätzlich zum SSV: Lässt immer ein wenig Druck aus den WG-Steuerleitungen entweichen und verschiebt damit den vom SSV zugelassenen maximalen Ladedruck nach oben. Das SSV ist übrigens auch ein Bleeder-Valve!

  2. Manueller Boost-Controller: Ersetzt das SSV und reduziert durch ein fest einstellbares Ventil den Druck zwischen Y-Pipe und WG-Steuerleitungen. Das ist kein Bleeder-Valve, denn es wird kein Druck nach aussen abgelassen! Der Einsatz ist umstritten, da sich solche Ventile theoretisch durch Temperaturschwankungen und Vibrationen verstellen können.

  3. Elektronischer Boost-Controller: Wird mit der ECU gekoppelt, kennt also die Betriebsdaten des Motors, und steuert über ein eigenes Ventil die Waste-Gates; das SSV wird auch hier totgelegt. Es gibt sehr komfortable und „lernfähige“ EBC's, die aber auch entsprechend teuer sind; sie in der Regel haben eine eingebaute Ladedruck-Anzeige.

Achtung: In den Fällen 1+2 ist IMMER eine ZUVERLÄSSIGE LADEDRUCKANZEIGE erforderlich, die Serien-Anzeige ist ungeeignet.

Genaueres dazu ist im Kapitel Tuning beschrieben.

2 Bei meinem GT haben Bremsbeläge (vorn) von FERODO und „offene“ Felgen übrigens alle Probleme beseitigt!

3 Nitro-/Lachgas-Einspritzung ist meines Wissens nicht zulassungsfähig! Angeblich soll es aber eine deutsche Firma geben, die abnahmefähige NOx Systeme anbietet.

4 Das könnte politische Hintergründe haben, den in Japan gibt es eine freiwillige Selbstverpflichtung der Automobilhersteller, keine Fahrzeuge mit mehr als 280 PS serienmäßig anzubieten.