Aerodynamik der Sechzehnventiler

Sechzehnventiler
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Aerodynamik der Sechzehnventiler
Die Vorstellung des Sechzehnventilers 1983
durch Mercedes-Benz löste bei der Fachpresse
großes Erstaunen aus. Und zwar auf eine Art
und Weise wie sie in Untertürkheim nicht
beabsichtigt war. Es war nicht der neue
Vierventilmotor und auch nicht die kürzlich
eingefahrenen Rekorde im süditalienischen
Nardo. Es war das Äußere des Wagens was
vielen Journalisten missfiel und so gar nicht
zum dezenten Stil des Hauses Daimler-Benz
passen wollte. Dabei wurde oft übersehen,
dass die geradezu revolutionär anmutende
Erscheinung mit Spoilern und Flügeln nicht
darauf aus war optisch Eindruck zu schinden.
Vielmehr dienten die sorgsam entwickelten
Einzelteile dem Gesamtkonzept des
Sechzehnventilers.
Rückblickend mag man die Aufregung der
Presse Anfang der 80er Jahre nachvollziehen.
Aerodynamisches Zubehör fand man damals
nur bei den Tunern oder Veredlern. Dass die
aerodynamische Effizienz dieser Angebote
teilweise mangelhaft und nur auf den
optischen Eindruck gerichtet war, trug der
Ablehnung von Heckflügeln und dergleichen
Rechnung. Andere Wege beschritt man im
Hause Daimler-Benz. Der erst kürzlich
vorgestellte Typ W201 sollte für Geschwindigkeiten über 200km/h, die mit dem
Vierventilmotor zu erwarten waren, fit gemacht
werden. Die bloße Reduzierung des
Luftwiderstandes spielte nicht die alles
entscheidende Rolle. Fahrstabilität bei hohen
Geschwindigkeiten garantierte erst eine
Reduzierung der Auftriebswerte. Mercedestypisch wurde auch auf die Details geachtet. So
musste die Seitenscheibe auch bei
Verringerung des Luftwiderstandes schmutzfrei bleiben, was einen Zielkonflikt in der
Entwicklung darstellt .
Nachfolgend wird die aerodynamische
Entwicklung vom 190E 2.3-16 bis zum EVO II
nachgezeichnet. Ohne ein klein wenig Theorie
geht auch das nicht vonstatten.
Mercedes-Benz W201 16V Club e.V.
Sechzehnventiler
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Jeder sich bewegende Körper verdrängt das
Medium in dem er sich befindet. Bei einem Schiff
z.B. das Wasser oder bei einem Auto die es
umgebende Luft. Das Medium setzt dem Körper
einen Widerstand entgegen, der überwunden
werden muss. Dabei bewegt sich das Medium um
den Körper herum und falls möglich auch durch ihn
hindurch. Bei einen Auto strömt die Luft nicht nur
um das Auto herum, sondern auch darunter
hindurch oder z.B. durch den Motorraum. Dabei
entstehen Kräfte, die den Körper nicht nur
abbremsen, sondern auch in eine Richtung ziehen
können. Aus diesem Grund können Flugzeuge
fliegen. Wird eine Tragfläche eines Flugzeugs
umströmt, entsteht eine Druckdifferenz zwischen
Ober- und Unterseite der Tragfläche. Oben
entsteht ein Unterdruck und unten ein Überdruck.
Dieser Unterschied bewirkt den Auftrieb um das
Flugzeug abheben zu lassen.
Bei einem Landfahrzeug ist dieser Effekt jedoch
unerwünscht. Zu jeder Geschwindigkeit soll ein
Fahrzeug sicher zu beherrschen sein. Ohne
aerodynamische Hilfsmittel wird ein Auto mit
steigender Geschwindigkeit scheinbar immer
leichter, da es von der umströmenden Luft
angehoben wird. Ziel der Entwickler ist es nun, den
Auftrieb des Wagens zu reduzieren oder ihn gar in
einen Abtrieb zu wandeln, der den Wagen mit
steigender Geschwindigkeit
immer stärker auf die
Fahrbahn drückt. Einige
Rennfahrzeuge produzieren so viel Abtrieb, dass
sie bei rund 250km/h an der
Decke fahren könnten ohne
herunterzufallen. Doch so
viel Abtrieb hat auch eine
Kehrseite. Den Luftwiderstand. Daher muss für
ein Straßenfahrzeug eine
gute Balance zwischen
geringem Auftrieb für die
Fahrsicherheit und Luftwiderstand für den Kraftstoffverbrauch gefunden
werden.
190E 2.3-16
Bei den Sechzehnventilern
kamen dazu eine
Kombination aus Front- und
Heckschürzen, sowie
Seitenverkleidungen und
einem Heckflügel zum
Einsatz. Diese Komponenten funktionieren nur
in Kombination miteinander.
190E im Windkanal
Kommen diese einzeln zur Verwendung kann sich
dies sogar negativ auf die Fahrstabilität auswirken.
Die Verwendung von Breitreifen der Dimension
205/55 VR 15 führte zu einer Verschlechterung des
Luftwiderstandes gegenüber dem Basismodell
190E, die durch die Tieferlegung der Karosserie
nur teilweise ausgeglichen werden konnte. In
Summe konnte trotz der Verschlechterung durch
die Breitreifen der Luftwiderstand mit den
Anbauteilen um 4% gesenkt werden. Dies war eine
190E 2.3-16 und die Ausgangsmodelle 190E
Mercedes-Benz W201 16V Club e.V.
Sechzehnventiler
6
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
Legende
n Frontschürze
n Seitenschweller und Türverkleidungen
n Heckschürze
n Heckflügel
n Reifen
n Summe
R e l a t i v e Ve r ä n d e r u n g d e s L u ft w i d e r s ta n d e s
(2.3-16)
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
R e l a t i v e Ve r ä n d e r u n g d e s A b t r i e b s a n d e r
Vo r d e r a c h s e ( 2 . 3 - 1 6 )
positive Begleiterscheinung des reduzierten
Auftriebs an der Vorder- und Hinterachse um 47%
bzw. 40%. Im Fahrbetrieb schlagen sich diese
Werte in einer erhöhten Lenkpräzision und einer
geringeren Seitenwindempfindlichkeit nieder.
Durch die Bugschürze wird weniger Luft unter das
Auto geleitet. Neben einer Verbesserung des
Luftwiderstandsbeiwertes cw um 4% geht dies mit
einer Reduzierung des Auftriebs um 57% an der
Vorderachse einher. Gleichzeitig erhöht sich der
Auftrieb an der Hinterachse um über 20%. Bereits
an diesem einen Bauteil wird sichtbar, dass alle
aerodynamischen Maßnahmen aufeinander
abgestimmt sein müssen. Ein Fahrzeug welches
nur mit der Bugschürze ausgerüstet wäre, ließe
sich bei hohen Geschwindigkeiten nur noch
unsicher bewegen, da die Hinterachse als
spurführende Achse entlastet würde. Bereits
durch die Verwendung der Seitenschweller und
Türverkleidungen verringert sich der Auftrieb an
der Hinterachse wieder um 10 Prozentpunkte
ohne die Vorderachse nennenswert zu
b e e i n f l u s s e n . E i n e Ve r b e s s e r u n g d e s
Luftwiderstandes um 2 Prozentpunkte geht damit
einher. Auch ohne einen glattflächigen Unterboden
kann die Heckschürze in gewissem Umfang als
Diffusor wirken und reduziert den Luftwiderstand
30
20
10
0
-10
-20
-30
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-60
-70
R e l a t i v e Ve r ä n d e r u n g d e s A b t r i e b s a n d e r
Hinterachse (2.3-16)
Druckverlauf in der Fahrzeugmitte (2.3-16)
Mercedes-Benz W201 16V Club e.V.
Sechzehnventiler
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H e c k f l ü g e l d e r Ty p e n 2 . 3 - 1 6 u n d 2 . 5 - 1 6
um weitere zwei Prozentpunkte. Vollständig wird
der aerodynamische Feinschliff erst durch den
Heckflügel, der den durch die Frontschürze
vergrößerten Auftrieb an der Hinterachse eliminiert
und sogar um 40% gegenüber dem Basis 190E
verringert. Der Heckflügel selbst reduziert den
Luftwiderstand um weitere 2 Prozentpunkte, in
dem er einen Vorstau hinter der Heckscheibe
produziert und den Unterdruck verringert.
Tuner
Neben der Daimler-Benz AG machten sich Mitte
der 80er Jahre auch zahlreiche namhafte
Zubehörhersteller daran aerodynamische
Anbauteile für die Baureihe 201 zu entwickeln. Den
Käufern dürfte es vorrangig um eine Veränderung
des Erscheinungsbildes gegangen sein. Mitunter
s ta n d e n d i e s e E n t w i c k l u n g e n i n i h r e r
aerodynamischen Wirksamkeit dem Schürzenund Flügelpaket ab Werk in nichts nach.
Beispielhaft werden drei Karosseriebausätze von
Zender, AMG und Brabus mit dem 2.3-16
verglichen. Mitunter musste sich der
Sechzehnventiler nachsagen lassen, er sehe aus
wie von einem Tuner. Wie eingangs erwähnt,
stellte er die Denkweise der konservativen
Mercedesklientel auf den Kopf. Nicht alles was
windschlüpfrig aussieht ist es auch. Bei
Nachmessungen stellte sich schnell heraus, dass
der 190E von Brabus im wahrsten Sinne des
Wortes eine Luftnummer war. Bereits bei niedrigen
Geschwindigkeiten fingen die Anbauteile an zu
flattern und konnten so ihrer Funktion als
Windleitelemente nicht nachkommen. Besonders
das Fehlen eines Heckflügels machte sich negativ
bemerkbar. So lag der Auftriebsbeiwert der
Hinterachse bei 0,16 und damit fast drei Mal so
hoch wie beim Serien-Sechzehnventiler. Gerade in
schnell gefahrenen Autobahnkurven dürfte sich
dieser Umstand negativ bemerkbar gemacht
haben. Ganz anders zeigte sich der Bausatz von
Zender. Zahlreiche Stunden im Windkanal
machten sich hier bezahlt. Der Luftwiderstand
konnte sogar unter das Niveau des 2.3-16
gebracht werden, bei gleichzeitig deutlich
reduziertem Auftrieb an der Vorderachse. Erkauft
wurde dies durch eine etwas geringere
Bodenfreiheit durch die voluminöse Frontschürze.
Bereits breitere Räder und eine entsprechend
angepasste Karosserie ließen bei der AMGAusführung den Luftwiderstand deutlich
ansteigen; er lag fast 10% über dem Bestwert des
Zender Umbaus.
190E 2.5-16 EVO I
Ende der 80er Jahre war die Karosserie des 2.3-16
für den Einsatz im Rennsport ausgereizt. Mit der
Entwicklung der beiden Evolutionsmodelle wurde
die Aerodynamik der Sechzehnventiler weiter für
die Bedürfnisse im Motorsport angepasst.
Auffälligste Änderung waren die neu entwickelten
Anbauteile. Bereits beim EVO I mussten die
Kotflügel verbreitert werden um die 20mm
breiteren Reifen im Radhaus unterzubringen.
Dadurch verschlechterte sich im ersten Schritt der
Luftwiderstandsbeiwert. Die Methoden, die bereits
bei der Entwicklung des 2.3-16 zu einer
Verbesserung des Luftwiderstandsbeiwertes und
einem geringeren Auftrieb führten, wurden nun
auch auf die Evolutionsmodelle angewandt. Eine
tiefer heruntergezogene Frontschürze reduzierte
den Luftwiderstand und den Auftrieb an der
Luftwiderstandsbeiwert cw
190E 2.3-16
(Serie)
0,32
190E
AMG
0,35
190E
Brabus
0,33
190E
Zender
0,31
Auftriebsbeiwert vorne cav
0,10
0,09
0,11
0,03
Auftriebsbeiwert hinten cah
0,06
0,06
0,16
0,07
A e r o d y n a m i k k e n n w e r t e d e r K a r o s s e r i e b a u s ä t z e i m Ve r g l e i c h m i t d e r
Serienausführung (2.3-16)
Mercedes-Benz W201 16V Club e.V.
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Sechzehnventiler
wurden die Evolutionsmodelle mit dem 3-Stufen
Fahrwerk ab Werk serienmäßig ausgerüstet.
Damit konnten in der obersten Niveaustellung
auch steile Rampen ohne ein Aufsetzen des
Unterbodens befahren werden.
Der Entlastung der Hinterachse wurde durch einen
in Breite und Höhe vergrößerten Heckflügel
entgegengewirkt. Erstmals war dieser beim EVO I
verstellbar. Ein Dreieckprofil konnte in vier
verschiedenen Positionen auf oder unter dem
Druckverlauf in der Fahrzeugmitte
(2.5-16 EVO I)
Vorderachse in Verbindung mit einem zweifach
verstellbaren Splitter unterhalb der Schürze. Um
trotz der verringerten Bodenfreiheit die
Alltagstauglichkeit weiterhin zu gewährleisten,
Rückansicht des Heckflügels
(2.5-16 EVO I)
Heckflügel befestigt werden, sodass entweder ein
höherer Anpressdruck wirksam wurde oder
alternativ der Luftwiderstand gesenkt und damit
eine höhere Endgeschwindigkeit erreicht werden
konnte.
.
Draufsicht des Heckflügels
(2.5-16 EVO I)
190E 2.5-16 EVO II
Weiteren Feinschliff erfuhr der EVOII, der durch
nochmals breitere Reifen noch größere
Kotflügelverbreiterungen erhielt. Unterhalb der
2.5-16 EVO I in DTM Ausführung
Mercedes-Benz W201 16V Club e.V.
Sechzehnventiler
Frontschürze befand sich nun ein dreifach
verstellbares Schwert, welches es möglich machte
nun auch an der Vorderachse die aerodynamische
Balance feiner einzustellen. Da der Kühlluftbedarf
bei Fahrzeugen ohne Klimaanlage durch die groß
dimensionierten Öffnungen in der Frontschürze
gedeckt werden konnte, wurden die Lamellen
hinter dem Kühlergrill teilweise verschlossen und
der Luftwiderstand somit erneut ein wenig
verbessert.
Augenscheinlichstes Merkmal des EVO II war
sicherlich der größte Heckflügel an einem
Serienfahrzeug seit dem Dodge Charger Daytona
von 1969. Dieser wurde von einem ebenfalls nur
dem EVO II vorbehaltenen Heckscheibenspoiler
angeströmt. Die Höhe des Flügels war allerdings
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Strömungsverlauf am Heckflügel
(2.3-16)
Druckverlauf in der Fahrzeugmitte
(2.5-16 EVO II)
nicht optimal, da er einer Forderung des
Kraftfahrtbundesamtes genügen musste. Danach
musste gewährleistet sein, dass ein erwachsener
Fußgänger zwischen Heckdeckel und Flügel
„hindurchfliegen“ kann. Eine weitere Schutzmaßnahme war die zusätzliche Befestigung des
Flügels mittels Stahlseilen, um ein Verlieren bei
einem Unfall zu verhindern.
Sowohl die Abrisskante am Heckdeckel, wie auch
die am Heckflügel waren mehrfach verstellbar. Die
Höchstgeschwindigkeit von 250km/h wurde nur in
der Stellung des minimalsten Widerstands
erreicht. In der anderen Extremstellung des
maximalsten Abtriebs erhöhte sich der
Luftwiderstandsbeiwert bei 200km/h auf 0,37 und
war damit schlechter als der 190E mit
Serienkarosserie. Dafür wurden über 500N Abtrieb
an der Hinterachse generiert, was zu einer
verbesserten Fahrstabilität bei steigenden
Geschwindigkeiten führte. Im öffentlichen
Straßenverkehr darf gemäß Betriebsanleitung
ausschließlich mit der Einstellung des geringsten
Mercedes-Benz W201 16V Club e.V.
Strömungsverlauf am Heckflügel
(2.5-16 EVO I)
Strömungsverlauf am Heckflügel
(2.5-16 EVO II)
Sechzehnventiler
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2.5-16 EVO II mit Flügeln in der Stellung geringsten Abtriebs
Abtriebs gefahren werden. Eine Besonderheit
betraf die Fahrzeuge, die in die Schweiz
ausgeliefert wurden. Aus zulassungsrechtlichen
Gründen durfte dort der Serienheckflügel des EVO
II in manchen Kantonen nicht verwendet werden,
und diese Sechzehnventiler wurden mit dem
Flügel des EVO I ausgeliefert. Erstmals wurde
beim EVO II ein teilweise verkleideter Unterboden
verwendet. Wie bei einem modernen Formel1Rennwagen wird Luft gezielt unter dem Wagen
hindurch geleitet. Im Bereich der Heckschürze
wirkt der ansteigende Unterboden wie ein Diffusor
und saugt das Fahrzeug regelrecht auf den Boden.
Rückansicht des Heckflügels
(2.5-16 EVO II)
Unterbodenverkleidung im Heckbereich
(2.5-16 EVO II)
Mercedes-Benz W201 16V Club e.V.
Sechzehnventiler
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Te i l w e i s e v e r k l e i d e t e r U n t e r b o d e n
(2.5-16 EVO II)
Fazit
Z a h l l o s e St u n d e n i m
Windkanal machten aus
dem biederen 190E nicht
nur ein optisch ansprechendes Fahrzeug,
sondern führten zu einer
Balance zwischen Luftwiderstand und Abtrieb, die
sich auch heute noch nicht
hinter modernen Fahrzeugen verstecken muss.
F r o n ts p l i t t e r i n d e r S t e l l u n g m a x i m a l e n
Abtriebs (2.5-16 EVO II)
0,33
Auftrieb an der
Vorderachse bei
200km/h [N]
293
Auftrieb an der
Hinterachse bei
200km/h [N]
249
0,343
0,37
164
291
211
-63
0,341
0,37
117
212
-337
-571
Luftwiderstandsbeiwert cw
2.3-16
2.5-16 EVO I
min. Abtrieb
max. Abtrieb
2.5-16 EVO II
min. Abtrieb
max. Abtrieb
Aerodynamische Kennwerte der Evolutionsmodelle
Text: Max Lotz
Bilder: Daimler AG, Christoph Rieger, Oliver Scherrers, Max Lotz
Evolution der Aerodynamik vom 2.3-16 bis zum 2.5-16 EVO II
Mercedes-Benz W201 16V Club e.V.