The next Generation: The Big Bang

Wie kommt die Power auf die Straße?
 
Irgendwann konnte der Siegeszug des 4-Takters in der Motorradwelt auch in den obersten Wettkampfklassen nicht mehr aufgehalten werden. Was schon durch die AMA-Superbike-Championship ihren Schatten weit vorausgeworfen hatte, sollte dann in der Moto-GP ihre logische Krönung erhalten – zumindest aus heutiger Sicht … (wer weiß, was noch kommt …) ;-)

Der Umschwung war ein völliger Neuanfang. Auch wenn verschiedene Hersteller, wie auch Yamaha, zunächst auf erprobte 2-Takt-Chassis setzen, in die sie neue 4-Takt-Motoren hängten – Richtwerte gab es so gut wie keine.  

Als Yamaha 2000 dann mit der M1 in die Moto-GP einzog, sollte sich das Motorrad vor allem durch Fahrfreundlichkeit auszeichnen. Auch mit „nur“ 924 cm3 – und damit 66 cm3 unter der erlaubten Obergrenze war man wettbewerbsfähig. Die Erfahrungen aus 30 Jahren 2-Takt-Rennen hatte immer deutlicher gezeigt, daß Erfolg nicht unbedingt ein Thema der Leistung des Motors war. Tatsächlich war die Yamaha-Philosophie nicht auf maximale Kraft ausgelegt, sondern auf maximale Fahrbarkeit. Insofern konzentrierten sich die Yamaha-Ingenieure – statt die Erzielung von Höchstleistungen zu erreichen – auf die Maximierung der nutzbaren Leistung. Man war der Überzeugung, daß höhere Spitzenwerte zwar durchaus möglich waren, diese aber nicht bessere Rundenzeiten hervorbringen würden. Der Blick wurde gezielt auf die Optimierung der Kraftübertragung von Hinterrad auf Straße gerichtet.

Von dieser Philosophie ausgehend, lag es auf der Hand, sich Gedanken darüber zu machen, was zu Gripverlusten des Hinterrades führen könnte. Der Blick wurde auf zwei Wirkungsfaktoren gelegt:

  1. Bauartbedingte Vibrationen
  2. Die enorme Gewalt, die rund 250 Pferde auf den Reifen ausüben

Aus dem Blickwinkel Masao Furusawas gesprochen – Leiter der Konstruktionsabteilung und Vibrationsexperte bei Yamahastößt jeder einzelne Vibrationsausschlag den Reifen aus seinem Asphalt-Kontakt. Aus der Menge dieser Mikro-Effekte entsteht eine anhaltende Traktionsschwächung. Insofern richtete sich der Blick schnell auf die im Kompressionstrakt sinkende Geschwindigkeit der Kolben, die stets zu Umdrehungsverzögerungen der Kurbelwelle führt, was bei  14.000 U/min schnell als maßgebliche Ursache von Schwingungen identifiziert war. Um nun diese Oszillation zu kompensieren und eine gleichmäßige  Leistungsabgabe zu erreichen, experimentierten die Yamaha-Techniker mit unterschiedlichen  Hubzapfenversätzen und entsprechenden Zündfolgen. Ziel war es, eine Verdichtungs- und Zündfolge zu entwickeln, die die bremsenden Kräfte weitgehend kompensieren würde.

Gleichzeitig wurden – aus der Beobachtung heraus, daß die Hondas mit Ihren V-Motoren scheinbar besser traktierten – umfangreiche Untersuchungen unternommen, wie der Reifen mit der brachialen Kraft klarkommt, wodurch er Grip verliert und wie man diesem Abbauprozeß entgegenwirken könnte.   

In dieser Experimentalphase wurde auch das „Big Bang – System“ analysiert, das schon in den 500er-Zweitaktern der 90er-Jahre seinen Einsatz gefunden hatte. Hierbei wurden auf einer 180°-Kurbelwelle (die Hubzapfen sind also paarig im 180°-Abstand)

jeweils zwei der 4 Zylinder synchron gezündet, um dann eine 540°-Pause als Doppel-Leertakt (2 ungezündete Kolben-OT-Stellungen) einzulegen. Schematisch beschrieben heißt das, daß nach Zündung der Kolben 1+4 die Kolben 2+3 ohne Zündung und danach die Kolben 1+4 ebenfalls ohne Zündung durchlaufen, um dann erst nach weiteren 180° die Kolben 2+3 synchron zu zünden. Danach vergehen wieder 540° Kurbelwellenumdrehung bis 1+2 erneut zünden usw.

Zum Vergleich zünden in einem Standard-Reihenvierzylinder die parallellaufenden Kolben immer abwechselnd alle 360° Kurbelwellenumdrehung – also erst Kolben 1, dann 180° weiter 2, dann 4 und dann Kolben 3.

180°- Big Bang: beide parallelen Kolben zünden synchron

Yamaha Zündfolge Big Bang Kurbelwelle 4-Zylinder 4-Takt

1. Doppelzündung   2. Zündpause 180°   3. Zündpause 360°   4. Doppelzündung nach 540°

Zum Vergleich der 180° – Serien-4-Takter: alle 180° wird ein Kolben gezündet

Yamaha Zündfolge Big Bang Kurbelwelle 4-Zylinder 4-Takt

 

1. Zündung       2. Zündung nach 180°      3.  Zündung nach 360°      4. Zündung  nach 540°

Dadurch ergaben sich mit der Modifikation statt der lückenlosen Einzel-Kolben-Zündungen (alle 180°-KuWe-Umdrehung eine Zündung)  eben die Big-Bangs mit Pause (alle 540° KuWe-Umdrehung wechselt sich eine Synchronzündung mit einer Pause ab). Erfahrungen hatte Yamaha mit solchen Hubzapfenversätzen bereits mit der TRX 850 gemacht, die mit ihrer 270°-90°-Kurbelwelle von Fahr-, Vibrationsverhalten und Sound einer V-Motorcharakteristik entspricht. Insofern wurde dieses Prinzip nur auf den Reihen-Vierer übertragen (s.u. aktueller R1-Hubzapfenversatz).

Die Überlegung, die dahinter lag, war recht einfach: Bekommt der Reifen unablässig Leistungsimpulse, was sich zu ständigem Mikro-Durchdrehen auswirkt, bringt er seine Traktionsfläche nie ungestört auf den Asphalt. In Kombination mit den bauartbedingten Vibrationen erscheint es nur logisch, daß hier ganze Sekunden auf der Strecke bleiben können … Der Pneu radiert sich also pausenlos  durch das gesamte Rennen. Insofern wurde sachlogisch korrekt neben dem immensen Reifenverschleiß der Rückschluß auf instabiles und grenzwertiges Fahrverhalten mit kaum kontrollierbaren Folgen gezogen. Mittels Big Bang sollte dem Reifen nun nach jeder Zündung, die ja das Rutschen auslöst, eine Erholungsphase gegönnt werden, in der er sich mit einem frischen Stück Gummi wieder in die Piste krallen konnte. Furusawa betonte, „der Reifen soll ruhig die erste Verbrennung spüren“. Während also der starke Leistungsimpuls den Reifen regelrecht in den Asphalt rammt, gönnt ihm die folgende Pause, wieder Traktion aufzubauen.

Der konkrete Nutzwert liegt neben der nachhaltig gesteigerten Traktion vor allem bei der Beschleunigung aus der Kurve heraus. Allerdings wird nicht – wie vielfach und unserer Meinung nach nicht ganz richtig beschrieben – eine Optimierung des Drehmomentes oder eine andere Form der Kraftmaximierung gesucht, sondern schlichtweg die Schonung des Reifens und Erhalt seiner Traktionskraft! In der Kurve unterliegt der Reifen nämlich maximaler Belastung und die Gefahr des Abschmierens ist am höchsten. Kann er zum Kurvenausgang  (respektive am Kurveneingang – logisch! ;-) ) dagegen mehr zupacken, so daß der Fahrer nicht mit einem störrischen Hinterrad zu kämpfen hat, lassen sich eingeleitete Überholmanöver unzweifelhaft leichter abschließen oder Vorsprünge ausbauen. 

So die Theorie … Ob diese Effekte bei all den relativierenden Faktoren (Dämpfungen im Antriebsstrang) tatsächlich oder nur subjektiv zur Entfaltung kommen, soll an anderer Stelle erörtert werden. Die Reifenhersteller konnten jedenfalls keine Veränderungen im Verschleiß feststellen. Mit Sicherheit kann man dagegen konsternieren, daß in der Zeit mit Valentino Rossi der grollende V-Sound in Yamahas Boxen Einzug hielt.

Gleichwohl hat alles seine Zeit. So stellen auch Innovationen vielfach lediglich Trends dar, denn auch das Big-, Long- oder auch “Smooth”-Bang-Prinzip (s.u.) wurde schon schnell wieder von den hochfrequent zündenden Schreihälsen (“Screamer”) eingeholt. Mittlerweile hört man beide Konzepte und es gibt auch Rennteams, in denen der Fahrer entscheidet, womit er besser klarkommt.

Daß sich der Blick dennoch konsequent weiter den Vibrationen und der Verbesserung der Kraftübertragung auf die Straße zuwandte, zeigt die Weiterentwicklung solcher Technologien, auch wenn heutige Big Bangs grundsätzlich – also von der Kurbelwelle her – anders konstruiert sind. Aus dem 180° Big Bang entwickelte Furusawa das Prinzip der ungleichmäßigen Zündfolge. Vom Ansatz her ein eindeutiger Abkömmling der Urform, sieht die Zündfolge ebenfalls „Impulspausen“ für den Reifen vor. Diese werden allerdings durch eine Kombination verschiedener Hubzapfenwinkel  erzielt. Yamaha verbaut dafür Kurbelwellen, die wie in der aktuellen R1 Hubzapfenversätze von 270°-180°-90°-180° haben.

Gut erkennbares "Treppenprofil"

 Herzlichen Dank an Yamaha Deutschland für die Bereitstellung des Fotomaterials!

Das bewirkt, daß nach einem durch dichte Zündungsfolge zweier Kolben ausgelösten Big Bang zwei weitere sanfte in größeren Abständen folgen. Die zwei folgenden Impulse unterstützen insofern den anfänglichen starken Leistungsimpuls, ohne den Reifen dabei zu überlasten. Furusawas Philosophie löste sich also vom reinen Big Bang-Prinzip zu einer Folge aus einem großem Schlag mit anschließendem sanften Schlag: das „Long Bang-Prinzip“. Effekt: Hohe Traktion bei stetiger Leistungsabgabe!

Anfänglich mußten die Big Bang-Motoren mit Leistungseinbußen bezahlen. Mit der Optimierung und feineren Anpassung von Auspuffanlagen und Airboxen konnte dies jedoch behoben werden. Erst diese so gewonnenen Erkenntnisse der Optimierung des Gaswechsels bewogen Furusawa,  die 5-Ventil-Ära zu beenden und Yamaha zurück zu den 4 Ventilen zu führen. Damit hatte die FZ-Idee fast 20 Jahre der technischen Entwicklung Impulse geben können – bis sie auf diesem Wege ihren würdigen Abschluß fand.