Rover-K-Reihe-Motor

Der Rover-K-Serien-Otto-Motor ist viel besser, als sein Ruf!

Durch seine Kompaktheit und dem geringen Gesamtgewicht, ist er unter anderem, der ideale Motor für die 1995 vorgestellte Lotus Elise.

Der aus Leichtmetall bestehende Motor, wurde ursprünglich als 1.4 Liter, mit Zahnriemengetriebenen, zwei oben liegenden Nockenwellen, incl.Vierventilkopf , konzipiert. Später wurde diese Version durch eine Größere Zylinder-Bohrung (80mm) und einen veränderten Hub, auf 1.6 Liter und schließlich auf 1.8 Liter, für den MGF (1995) vergrößert.

Das Motordesign geht bereits auf das Jahr 1973 zurück. Das Gewicht liegt bei ca.130kg incl. Getriebe und erzeugte in der 1.8 Liter Standartversion 120PS, welches ein ausgezeichnetes Verhältnis zu „Gewicht/Leistung“ darstellt.

Neben der Mehrpunktkraftstoffeinspritzung von Bosch wurden die Ventile mit selbstanpassenden Hydrostößel betätigt. Der Motor selbst besteht komplett aus  Aluminium und ist im Prinzip wie ein Butterbrot, aufgebaut (Kopf-Block-Lagerleiter,Ölverteiler ). Diese Segmente werden durch zehn über ca. 400mm lange Dehnschrauben zusammengehalten. Diese Bauweise erzeugt einen tiefen Schwerpunkt und ist durch seine Kompaktheit sehr steif! Dadurch kann er vom Gewicht her, leichter konzipiert werden.

Neben der 1.8 Liter K16-Standartversion, gab es auch noch eine 145PS (1999) und 160PS (2002) leistende Version, mit variabler Ventilsteuerung (VVC-Version). Zusätzlich erhielt der Zylinderkopf größere Ein-und Auslaßventile und einen Aluminiumluftsammler (Plenum).

Als Höhepunkt zeigte Lotus 1997 die Hochleistungsversion (VHPD). Dieser K-Motor hatte einen modifizierten Zylinderkopf mit festen Stößeln, Einzeldrosselklappe mit Carbon-Luftsammler und erst eine Drehzahlgrenze von 8000 Rpm. Diese Version wurde in der Elise „Sport190“ (190PS), 340R (179 PS) und in der Exige (179PS) verwendet.

FUNKTIONSWEISE

Die Motoren der K-Reihe bauen sich aus miteinander verschraubten Aluminiumgußteilen auf. Dabei handelt es sich um drei größere Gußteile

- Zylinderkopf, Zylinderblock und eine für die Hauptlager in Reihe gebohrte Lagerleiter
- sowie drei kleinere Gußteile:
Auf dem Zylinderkopf sitzen der Nockenwellenträger und der Nockenwellendeckel, und unter der Lagerleiter befindet sich eine Ölschiene.
Die zehn Zylinderkopfschrauben führen durch den Zylinderkopf, den Zylinderblock und die Lagerleiter und sind im Ölverteiler verschraubt. Zylinderkopf, Zylinderblock und Lagerleiter werden durch die Spannungslasten der Zylinderkopfschrauben zusammengedrückt. Bei Entfernung der Zylinderkopfschrauben werden die Lagerleiter und der Zylinderblock sowie der Ölverteiler und die Lagerleiter durch zusätzliche Befestigungselemente zusammengehalten.

K16-Motor:
Der Querstromkopf basiert auf einem Brennraum mit vier Ventilen und zentral angeordneter Zündkerze, wobei die Einlaßöffnungen so konstruiert sind, daß sie Wirbelströmungen erzeugen und die Geschwindigkeit der Ansaugladung regulieren. Dies dient der verbesserten Verbrennung und somit dem wirtschaftlichen Kraftstoffverbrauch, der Leistungssteigerung und der Abgasentgiftung. Die beiden obenliegenden Nockenwellen betätigen die Ventile über Hydrostößel, wobei eine Nockenwelle die Auslaßventile steuert und die andere die Einlaßventile. Die Nockenwellen werden von der Kurbelwelle über einen Nockenwellenantriebsriemen getrieben, der durch einen federbelasteten, manuell verstellbaren Spanner oder (bei neueren Motoren) durch eine automatische Spannvorrichtung gespannt wird. Die beiden Nockenwellen werden von einem Nockenwellenträger gehalten, der mit dem Zylinderkopf in Reihe gebohrt ist.
Neuere Motoren weisen eine Kerzenspulenzündanlage auf, in der anstelle des herkömmlichen Verteilers ein Nockenwellensensor im Nockenwellenträger neben der Auslaßnockenwelle vorgesehen ist. Die Nockenwellen bei einigen älteren Motoren und alle Motoren mit Kerzenspulenzündung verfügen über einen integrierten Reluktorring, der dem Nockenwellensensor einen Eingang liefert. Oben auf dem Nockenwellendeckel sind Doppelzündspulen angeordnet, die jeweils ein Zündkerzenpaar versorgen.

Variable Ventilsteuerung (VVC):
Manche K16-Motoren sind mit diesem System ausgestattet. VVC dient dazu, die Ventilöffnungs- und -schließperioden durch die unabhängige Anordnung der zwei Einlaßnockenwellen-Baugruppen zu variieren und dadurch optimale Fahreigenschaften bei niedriger Geschwindigkeit zu bieten ohne die Leistung bei hoher Geschwindigkeit zu beeinträchtigen.

Während die Auslaßnockenwelle der bei K16-Motoren ohne VVC ähnlich ist, sind vier paarweise angeordnete Einlaßnockenwellen vorgesehen, die jeweils die Einlaßventile eines Zylinders betätigen. Das vordere Nockenwellenpaar wird über den vorderen VVC-Mechanismus vom Nockenwellenantriebsriemen angetrieben; das hintere Nockenwellenpaar wird über den hinteren VVC- Mechanismus vom hinteren Antriebsriemen angetrieben, der seinerseits von der Auslaßnockenwellen angetrieben wird. Die Einlaßnockenwellen werden unabhängig voneinander jeweils durch einen eigenen VVC-Mechanismus gesteuert. Die VVC-Mechanismen vorn und hinten sind über die Steuerwelle miteinander verbunden. Die Bewegung der Steuerwelle wird von der Kolben- und Zahnstangengruppe im Hydrauliksteuergerät gesteuert. Die Kolben- und Zahnstangengruppe bewegt sich in Abhängigkeit von Motordrehzahl- und Lastsignalen, die vom MEMS-Steuergerät über zwei am Gehäuse des Hydrauliksteuergeräts befestigte Magnetventile empfangen werden. Während sich Kolben und Zahnstange signaltreu nach oben oder unten bewegen, dreht die Steuerwelle und verstellt die Ventilsteuermechanismen.

Alle Motoren:
Über jedem Ventil sind selbstnachstellende Hydrostößel angeordnet, die direkt durch die Nockenwelle(n) betätigt werden. Die Ventilschaftdichtungen befinden sich auf einer Metallplatte, die auch als Ventilfedersitz am Zylinderkopf fungiert.

Bei jüngeren Motoren sind selbstreinigende Auslaßventile eingebaut. Ein maschinell bearbeitetes Profil an den Ventilschäften entfernt Kohlerückstände am brennkammerseitigen Ende der Ventilführung und verhindert dadurch das Klemmen der Ventile. Diese Ventile können bei allen älteren Motoren eingebaut werden. Die aus Edelstahl gefertigte Zylinderkopfdichtung weist Siebdruckdichtungen an allen Kühlmittel-, Entlüftungs- und Ölöffnungen auf und verfügt über herkömmliche Stahlzylinderbohrungsöffnungen. Die Dichtungskompression wird durch Druckbegrenzer an beiden Enden der Dichtung bestimmt. Der Zylinderblock ist mit ’feuchten’ Zylinderlaufbuchsen versehen, die mit der unteren, abgestuften Hälfte Schiebesitz im unteren Teil des Zylinderblocks haben. Die Buchsen werden an der Stufe mit einer Hylomar-Raupe im Block abgedichtet. Für die Abdichtung am Zylinderkopf sorgt die Zylinderkopfdichtung, wobei die oberen Buchsenränder zwischen die Brennräume und die Dichtung treten.
Die aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Wärmedehnungskolben verfügen über einen schwimmenden Kolbenbolzen, der zur Druckseite hin versetzt ist und mit Übermaß im Pleuelkopf sitzt. Die Kolben und Zylinderlaufbuchsen sind in zwei Sorten lieferbar. Das Radialspiel der Pleuelfüße wird durch drei Sorten von Pleuellagern in Wählstärke bestimmt. Die fünffach gelagerte Kurbelwelle mit acht Gegengewichten wird im Axialspiel durch halbe Druckscheiben über dem mittleren Hauptlager begrenzt.
Das Lagerradialspiel wird durch drei Sorten von Lagerschalen in Wählstärke reguliert. Die Hauptlager 2, 3 und 4 verfügen über Ölnute, durch die über Bohrungen in der Kurbelwelle Öl zu den Pleuelfußlagern gelangt.

Trotz vieler Vorteile, kam der Motor hauptsächlich durch seine Zylinderkopfschäden, zu einem nagativen Ruf. Hierbei wahren vor allem die schlechte Zylinderkopfdichtung, die Kunststoffpaßstifte, der Ölvereteiler und das konstruktiv, schlechte Kühlungssystem verantwortlich!

Deshalb wurden folgende Verbesserungen (Upgrades)eingeführt:

 Multi Layered Steel (MLS) Zylinderkopfdichtung

Eine interessante Entwicklung war die neue MLS-Dichtung - hier im Bild oben.

Die neue Dichtung besteht aus insgesamt 5 Schichten Stahl. Die mittlere Schicht ist wie bei den früheren Dichtungen, von innen nach außen vernietet. Somit bildet sich ein sehr stabiler Metall-Dichtungs-Ring um die Zylinderbohrung. Die größte Verbesserung ist aber,  das Sandwich-Design. Hierbei wird als Dichtungsmasse nicht wie bei den früheren Dichtungen, Silikon, sondern eine Elastomere verwendet. Diese Dichtmasse wird umhüllt von zwei Lagen Stahl (Sandwich). Somit wird das bei den früheren Silikondichtungen übliche Unterwandern der  Silikondichtschicht (vor allem durch Hitze an der Zylinderauslaßseite) im Öl-und Wasserkreislauf unterbunden, welches zu den häufigsten Zylinderkopfschäden führte!

Die andere interessante Funktion der neuen Dichtung ist die sogenannte "sechste Schicht" oder „Shim“ genannt (siehe Skizze oben). Dieses 0,3mm starke Blech, wird zwischen der MLS-Dichtung und dem Zylinderkopf gelegt (schwarze Schicht nach oben). Das „Shim“ ist auf beiden Seiten mit einer dünnen Schicht Elastomere beschichtet, wobei die oberste Seite schwarz (wie MLS-Dichtung) und die untere Seite grau gefärbt ist!

Das Shim hat zwei Aufgaben: Erstens, es verhindert, dass sich die beweglichen Liners (Zylinderlaufbüchsen) bei einem hohen Drehmoment, über den Zylinderdichtungsring der MLS-Dichtung, in den Zylinderkopf drücken (Abdrücke).

Zweitens gibt dieses Shim der Zylinderkopfoberfläche ein zusätzliche Oberflächen-Festigkeit. Denn vor allem hat die Gußqualität ab Jahrgang 2001 deutlich nachgelassen. Hierbei kam es immer wieder zu Lunker (Lufteinschlüssen), welches dann an der Oberfläche zu Unebenheiten geführt hat und somit auch ebenfalls zu häufigen Zylinderkopfschäden führte!

Neuer Ölverteiler (Oil Rail)

Eine weitere interessante Weiterentwicklung, ist der neue Ölverteiler. Dieser „Oil Rail“ ist niedriger, aber dafür kompakter gebaut (20% höheres Gewicht), als die frühere Version (siehe Vergleich Bild  unten).

Die neue Version ist im Bild oben, die Alte unten!                                         

Der Oil Rail befindet sich unter dem Kurbelwelle-Lagerleiter (Zugang bei Abnahme der Ölwanne), an der Unterseite des Motors (siehe Skizze unten). Er ist so genannt die "Bodenplatte" des Motors, und spielt somit eine wichtige Rolle in der Steifigkeit des montierten Motors als Ganzes ("Sandwich-Bauweise"). Der Oil Rail hat neben der Ölverteilung auch noch die sehr wichtige Aufgabe, die 10 langen Dehnschrauben, vom Zylinderkopf aufzunehmen. Hierzu wurde die Legierung verändert (von LM25 zu 356), um eine bessere Steifigkeit (Haltbarkeit) der Gewindebuchsen im Oil Rail gegenüber der Alten Version, zu gewährleisten!

Pressure Remote Thermostat (PRT):

Als einen weiteren Schwachpunkt des K-Serien-Otto-Motors zählt auch das Kühlsystem bzw. der Kühlkreislauf  in Verbindung mit dem Standart-Thermostat. Wie schon bei der Motorenbeschreibung beschrieben, war der Motor ursprünglich als 1.4L-Variante und als Frontmotor konzipiert. Durch den Einbau in die Mittelmotorsportwägen MGF und Lotus Elise war somit die Kühlung durch den Fahrtwind eingeschränkt und auch der Weg der Kühlflüssigkeit von Kühler (Front) zum Motor (Heck) hat sich deutlich verlängert. Durch die ständig steigende Motorleistung des Motors (160-200PS) und auch die dadurch erzielten höheren Motor-Drehzahlen, stieg auch die thermische Belastung an die Materialien. Da der K-Serien-Motor ja aus verschiedenen Materialien besteht (Motorblock aus Aluminium, Zylinderlaufbuchsen aus Metall), führten die unterschiedliche Material-Ausdehnungen bei hoher Motorerwärmung, zu Zylinderkopfschäden.  Des weiteren ist der Bypassdurchmesser vom Thermostat-Gehäuse, für die Fördermenge, zu klein (siehe Bildvergleich PRT-Links und Standart-Rechts).

Da auch noch das Standart-Thermostat nur "öffnen" oder "schließen" kann und somit auch nicht noch auf die steigende Thermische Belastung bei steigender Motordrehzahl (Hitze) reagieren kann, wurde von Rover, das PRT-Thermostat entwickelt. 

Neben der Vergrößerung des Bypassdurchmessers, wanderte auch das Thermostat von der Vorderseite des Motors (Kofferraumseite), hinter die Fahrzeugspritzwand (Fahrgastraum). Dadurch sitzt jetzt das Thermostat in der Kühlsystem-Mitte. Dies hat jetzt folgenden großen Vorteil. Anders als beim Standart-Thermostat, welches ja nur öffnen und schließen kann, reagiert jetzt das PRT auf den Druckanstieg des Kühlsystems,bei Erhöhung der Motordrehzahl (Wasserpumpe wird ja vom Zahnriemen der Nockenwellen angetrieben). Durch eine besondere Feder öffnet jetzt das Thermostat variabel (Öffnungsweg siehe Skizze unten) und nimmt somit Druck aus dem Kühlsystem.

Durch diese Maßnahme wird die Temperatur im Motorblock deutlich reduziert, was natürlich eine erhebliche Verschleißminimierung des Materials (Block,Liner,Kopfdichtung) bedeutet (siehe Schaubilder unten)!

Standart-Thermostat:

Pressure Remote Thermostat (PRT):

Anbei noch das PRT-Thermostat eingebaut in der Lotus Elise Mk1: