Ursache Zylinderkopfriss

[capo]

In der Hoffnung, dass, das hier noch einigermaßen neu ist, verweise ich auf das u.a Youtube Video. Das 30 minütige Video selbst ist angenehm zu sehen. Ich fand´ es absolut spannend. Wesentlich und informativ dort ist die These zur Ursache der Zylinderkopfrisse beim M20. Die Herrschaften behaupten: Korrosion wegen zu lange nicht getauschter Kühlmittel. Die begründen das plausibel und behaupten der durch Zeitablauf erfolgte Abbau des Korrosionsschutzmittels in der Kühlflüssigkeit verursache massiven Materialabbau am Kopf. Und man sagt, das ganz deutlich messen zu können. ("Von 3,5 mm auf 2mm"). 

 

Ich weiß´ nicht was da dran ist, aber plausibel hört sich das erstmal an.

 

BMW E30 325i Erneuerung des Zylinderkopfes. Kopfarbeit mit Köpfchen bei Redhead Zylinderkopftechnik

 

So, Mitteilungsbedürfnis befriedigt. Vielleicht kann nochmal jemand den LINK reinstellen. Ich bekomme das nicht hin.

 

Gruß Capo

Bearbeitet: 9. Oktober 2020 von capo

[Nr7Stürzt]

meinst du den hier

https://www.youtube.com/watch?v=-gB-yexvq6c

[Georg]

Nur mal als Anregung zum selbst weiter denken:

 

Im E21 war der M20 noch um einiges berüchtigter was Risse im ZK anging und das war teilweise noch während bzw. kurz nach der Bauzeit des E21

Zu dem Zeitpunkt hatte sicher nahezu kein Motor jahrelang ein völlig überaltertes Kühlmittel eingefüllt.

Da das Kühlmittel im Normalfall beim ZR-Wechsel getauscht wird, dürfte diese Situation sowieso nur bei absolut ungepflegten Motoren mit einem XX Jahre alten Motorzahnriemen auftreten.

 

Aber:

Der Motorblock beim M20 ist Grauguss, während der Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung ist.

Diese beiden Materialien haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Je schneller man den kalten Motor auf Betriebstemperatur bringt, desto schneller wird das eine Teil warm und dehnt sich aus, während das noch kalte Teil nachhinkt.

Dadurch treten - da die beiden Teile felsenfest über X Schrauben miteinander verbunden sind, Spannungen auf, weil das eine Teil sich bewegen (ausdehnen) will, das gegengeschraubte kalte Teil sich aber (noch) nicht mit dehnt.

Das sind zwar nur minimale Maßunterschiede, aber wer sich mit Materialkunde etwas auskennt weiß, wie schnell die Spannungen im Material da ansteigen können weil Metall an sich ja ein fester Stoff ist.

Dieses hin und her hält der Zylinderkopf eine Zeit lang aus - aber irgendwann gibt er an einer Stelle wo vielleicht auch noch das Materialgefüge etwas schwächer ist, einfach auf.

Wir reden hier ja nicht von klaffenden Löchern sondern von Rissen durch die nur aufgrund der im Motor vorhandenen Überdrücke überhaupt was durchgepresst wird.

Bei einem langsamen warmfahren ist der Wärmeübergang größer so dass die Teile nicht so unterschiedlich schnell warm werden

Diese - mir auch logisch plausible - Aussage stammt übrigens von jemand der vom Fach ist.

 

Das Thema der unterschiedlichen (Spalt)Maße kalt/warm wegen der Ausdehnung is auch ein Thema in Sachen Öl (siehe dort) weil der Ölverbrauch bei irgendwelchen "Wasserölen" 0W... bei kaltem Motor höher ist, da die sich gerade bei verschlissenen Dichtringen da gerne vorbeimogeln.

 

Um Metall abzubauen braucht es IMHO etwas das sich im Motor in Säure verwandelt und da is Kühlmittel auch nicht gerade aggressiv.

Was schädlich ist, wenn es lange im Motor ist, ist altes Öl in dem sich durch die Blow-By Gase bereits Säuren gebildet haben - die greifen das Material an.

 

Klar kann ich auch mit dem Schwamm den ich zum Auto waschen verwende den Lack und die Grundierung bis aufs blanke Blech durchschleifen - aber wie lang brauch ich dazu?

von 3,5 auf 2mm sind 43% Materialverlust. Bei Metall!! Hallooooh?!

 

JM2C

Georg

(Setzt nen Helm auf wenn ihn jemand steinigen will)

[touringDani]

Wenn wir dann noch betrachten, wo 99 Prozent aller Risse entstehen...

Ich vertrete auch eher die Temperaturtheorie.

[ripeete]

Es gibt halt ein kleines problem mit der theorie: es gibt zig andere motoren mit eisenblock und alukopf, aber ohne reißenden köpfe (da wäre der M50 z.B, oder halt andere hersteller)

Die physik ist dort auch nicht anders.

 

(Das heißt übrigens nicht, dass ich an der kühlmitteltheorie glaube)

[touringDani]

Kopfriss hatte ich sowohl am M50 als auch am M43.

Am M20 dagegen nicht einen.

[capo]

 

 

Um Metall abzubauen braucht es IMHO etwas das sich im Motor in Säure verwandelt und da is Kühlmittel auch nicht gerade aggressiv.

 

Ich vertrete auch eher die Temperaturtheorie.

 

 

 

Kopfriss hatte ich sowohl am M50 als auch am M43. Am M20 dagegen nicht einen.

 

Interessante Debatte. Seit fast 30 Jahren wird der Motor nicht mehr gebaut und trotz der langen Zeit seitdem weiß man immernoch nicht genau warum die Köpfe rissen und reißen. Altbekannt sind ja die  Theorien vom dünnen Öl, den schwingenden Nockenwellen, und den termischen Spannungen wegen der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten, der Notwendigkeit den Motor langsam zu erwärmen.

 

Die neuere Korrosionstheorie ist insofern charmant als dass man sie durch das Zersägen eines Kopfes falsifizieren oder auch bestätigen könnte. Die Herrschaften von diesem Zylinderkopfladen sagen ja im Video, dass sie schon Köpfe zersägt haben, querdurch, genau da wo der Riss saß. Und dass man genau dort eben von vornherein wenig Material, wenig  Wandungsstärke habe und diese sich, messbar und signifikant, durch Korrosion vermindert habe. ("Von 3.5 auf 2mm")

 

Nun, ich kann leider wenig beitragen zur Klärung: Eine geeignete Bandsäge habe ich. Aber hoffentlich habe ich noch recht lange kein Altteil für die Prüfung der These (!)

[Scheineiliger]

Auch der zeitgleich hergestellte 6-Zylinder von Mercedes weist die Riss-Problematik auf.

Dort natürlich weniger “deutlich“ weil die Klientel weniger die “brachiale Geschwingikeitszunahme“ ausnutzen.

[clemens]

Fahre seit 1996 durchgehend E30.

M40, M42 und M20, letzteren am längsten.

Den einzigen Riss in all den Jahren hatte ich am M42-Kopf.

[MartinE30]

Was man aus dem älteren Beitrag der o.g. Firma aber schon mitnehmen kann ist der Umstand, dass der Wechsel der Kühlflüssigkeit auch regelmäßig erfolgen sollte,

 

Der Wechsel der Kühlmittel wird in der Tat bei vielen nur recht stiefmütterlich behandelt - oft ist das 10 Jahre und ältere Plörre drin.

[Laafer]

Wenn das ein Problem mit altem Kühlmittel wäre bzw. wirklich so krass ist, müsste jeder Leichtmetall Zylinderkopf reißen, auch M30 oder M50.... Dort ist das Thema aber nicht so sehr wie beim M20. Und wie schon geschrieben, wenn Risse schon zu Lebzeiten ein Thema war, kann es kein 10 Jahre altes Kühlmittel sein...

 

[KMME30]

Ich habe in 2019 das Kühlmittel wechseln lassen und auf Anraten der Werkstatt den gesamten Kühlkreislauf mit einer Zitronsäurelösung spülen lassen. Nach 2-3 Durchläufen war das Wasser einigermaßen sauber und dann wurde Kühlmittel eingefült. War schon erstaunlich viel Schlamm im Kreislauf.

Bearbeitet: 16. Oktober 2020 von KMME30

[capo]

 

 

wenn Risse schon zu Lebzeiten ein Thema war, kann es kein 10 Jahre altes Kühlmittel sein...

 

Ein schmerzhaft logischer Schluss: Da ist wohl was dran.

[Georg]

Der Schlamm is aber ne andere Sache.

 

Zum Thema "aufgesägt am Riss": Woher wollen die wissen, ob da die Materialstärke nicht ab Werk so gering war?

Damals wurde nicht jeder Kopf wie in der F1 geröngt und hat 786 Prüfstufen durchlaufen.

Möglicherweise waren damals einfach öfter mal Fehler im Guss, die sich dann irgendwann auswirken und vielleicht ist das ein Mit-Grund.

 

Warum modernere bzw. andere Motoren dieser Bauart die Risse nicht haben, dafür gibt es zwei mögliche Gründe.

1. Bei 4-Zylinder-Motoren ist der Block deutlich kürzer und damit auch die maximale Ausdehnung. Wenn ich auf 40cm nen Ausdehnungsunterschied von (beispielsweise) 1mm hätte, sind es bei 60cm bereits 1,5mm und wenn 1mm gerade noch in der Elastizität des Materials liegt dann hat man halt erst bei 1,5mm ggf. Pech.

 

2. Es kommt hier sicher auch auf die Position der Schrauben und der Kanäle sowie die Materialstärke zwischen den Kanälen etc. an.

Möglicherweise ist hier der M20 besonders anfällig oder eben etwas zu dünn konstruiert oder die Wärmeausdehnung erfolgt genau so, dass das Material nicht "ausweichen" kann.

Bei moderneren Motoren wurde auch viel mehr bereits am Computer simuliert um solche Probleme ggf. ausschließen zu können. Das war bis in die 70er/80er Jahre noch etwas hemdsärmlich.

Da wurden Nockenwellen auch noch per Hand berechnet - daher hat auch der "Nocken-Paule" seinen Spitznamen.

 

Apropos Nocken-Paule - wie damals vorgegangen wurde sieht man an folgender wahren Geschichte:

Als Eberhard von Kuenheim einen sportlichen Motor im E30 als Ersatz für die E21/E24 gefordert hat, wurde ein M10 Block genommen und mit einem abgesägten und mit einer Platte seitlich verschlossenen Vierventilkopf vom M88 garniert, damit die ersten Fahrversuche unternommen und letztendlich bei Kuenheim so präsentiert.

Erst danach wurde der "echte" Kopf konstruiert.

(Wers nicht glaubt - steht so in offiziellen Büchern)

 

Georg

[Onkel Geri]

Meine Vermutung ist das einfach der Kopf mit dem Alter Spröder wird und reißt. Da zwischen 5 und 6Zylinder wird schon eine empfindliche Stelle sein.... 

[checkcontrol]

Gab es nicht mal auch die Theorie, dass die Nockenwelle in Schwingungen gerät, wenn sie längere Zeit im gleichen oberen Drehzahlbereich gehalten wird und dann die Risse mitverursacht?

 

Und dann gab es doch auch mal die Aussage, dass ein bestimmtes Baujahr (1989?) besonders betroffen ist, weil der Zulieferer gewechselt wurde und die Gussqualität sank?

 

Wird vermutlich nie geklärt werden, was die eigentliche Ursache ist. An die Geschichte mit dem Kühlwasser mag ich allerdings nicht so recht glauben - aus meiner (Laien-)Sicht trifft es Georgs Erklärung am ehesten, verbunden mit schwankender Qualität beim Material.

Bearbeitet: 17. Oktober 2020 von checkcontrol

[lebeuhcsan13]

Hallo Georg,

 

habe mein Cabby jetzt 14 Jahre und habe von Anfang an peinlich darauf geachtet, den Motor bis höchstens 2500 U/Min warm zu fahren.

 

Damit bin ich bis heute gut gefahren!

 

Stefan

[checkcontrol]

Hallo Georg,

 

habe mein Cabby jetzt 14 Jahre und habe von Anfang an peinlich darauf geachtet, den Motor bis höchstens 2500 U/Min warm zu fahren.

 

Damit bin ich bis heute gut gefahren!

 

Stefan

Wenn das so einfach wäre....

 

Es gibt Leute, die sind immer sorgsam mit dem Motor umgegangen, haben die Warmfahrphase beachtet etc....und der Zylinderkopf ist gerissen.

 

Und dann gibt es Fälle, da wurde der Wagen nur getreten und alle Jubeljahre gewartet, und es ist nach 300.000 km immer noch der erste Zylinderkopf drauf.

 

Interessant finde ich auch, dass wohl primär der M20B25 betroffen ist....vom M20B20 hört man seltener was und vom eta eigentlich nie. Drehzahlniveau kann es ja dann eigentlich nicht sein, der M20B20 wird ja eher mehr als der B25 gedreht.

[bpfi]

Hallo,

 

es ist doch immer noch so wie ganz früher bei den E21 B20 und B23. Der B23 verreckte immer schnell, der B20 lief weiter. Die B23 wurden halt immer nur getreten, meist auch kalt. Und was hatten die Lagerschäden! Und so ist das eben auch beim B25. Da wollte mir mal einer einen verkaufen, als er mir erzählte daß nach der Autobahnfahrt der Krümmer geglüht hatte, hatte ich kein Interesse mehr. Warum läuft wohl der B25 im E34 ohne Probleme und sogar ohne Ölkühler? Allein am größeren Motorraum wir es wohl nicht liegen. Es sind/waren eben andere, gesittetere Fahrer. Auf jeden Fall fahre ich einen Motor auch erst langsam warm, allerdings bis  3000 Umdrehungen. Und wie viele M20-Köpfe habe ich schon getauscht? Einen, aber wegen Ventilabriss.

 

Tschüß,

 

Bernd

[Sebastiano]

Meine Vermutung ist das einfach der Kopf mit dem Alter Spröder wird und reißt. Da zwischen 5 und 6Zylinder wird schon eine empfindliche Stelle sein....

Da es meist an dieser Stelle ist, wie ist es mit Hitzestau? Wärme lässt sich im hinteren Bereich schlechter ableiten, wegen der Platzverhältnisse. Würde vielleicht auch erklären, warum es bei den 5ern weniger auftritt. Mehr Platz im Motorraum, mehr Platz zur Spritzwand. Nur mal so theoretisch gedacht...

[Janosch]

Da es meist an dieser Stelle ist, wie ist es mit Hitzestau? Wärme lässt sich im hinteren Bereich schlechter ableiten, wegen der Platzverhältnisse. Würde vielleicht auch erklären, warum es bei den 5ern weniger auftritt. Mehr Platz im Motorraum, mehr Platz zur Spritzwand. Nur mal so theoretisch gedacht...

 

 

Irgendwo habe ich schon mal den Tipp eines alten BMW Meisters geschrieben:

 

Die Heizung immer ein klein wenig auf warm lassen, weil der Zulauf zum Heizungswärmetauscher am hinteren Teil des Zylinderkopfs sitzt und dadurch dieser gefährdete Teil des Zylinderkopfs besser mit Kühlwasser durchflossen wird.

 

 

Gruß

Jan 

[Scheineiliger]

Wenn man bedenkt, das sich dort auch noch die Krümmerhitze staut. ist was an der Theorie dran.

Bei bestimmten Autos wird mit Krümmerband oder zusätzlicher Wärmeabschottung gearbeitet.

Bearbeitet: 19. Oktober 2020 von Scheineiliger

[e30 convertibel]

Elektrochemische Korrosion in Aluköpfen ist sicherlich ein Thema, auch die Tatsache, dass der Korrosionsschutz im vorgeschriebenen Kühlmittel des M20 mit der Zeit verloren geht ist unbestreitbar. Bei VW hat diese Thematik dann zur Entwicklung der Lebensdauer Kühlmittel auf Basis organischer Säuren und Salze geführt. Darüber habe ich jede Menge Literatur. 

Eine weitere und sehr viel effektivere Ursache von Materialabtrag im Zylinderkopf ist Kavitation an den Wänden des Kühlmantels. Diese wird gefördert, wenn sich die Stömungsquerschnitte schlagartig erweitern und die Wandung des Kühlmantels besonders heiß ist, z.B. weil dort gerade der Auslasskanal in unmittelbarer Nähe ist, oder der Brennraum. Bei der Kavitation, also dem Implodieren von Dampfblasen mit Schallgeschwindigkeit von Wasser an der Wandung werden Atome aus dem Material herausgerissen und ein Materialabtrag geht zügig von statten.

Ich selber habe die M20 Köpfe noch nicht in der Hand gehabt und kann nicht sagen, ob diese Bedingungen dort in Frage kommen, aber zur Streuung der Vorfällen könnte z.B. eine unterschiedliche Form der Formkerne des Kühlmantels beitragen oder mehr bzw. weniger vorhandene Gussgrate an den Trennstellen der Formkerne um dort Kavitation zu begünstigen und hier nicht. Heutzutage kann das alles simuliert werden, damals wurden Motoren-Kühlmäntel anhand empirisch ermittelter Kennwerte ausgelegt und z.B. bei Porsche kuriose Versuche mit transparenten Motorimitationen und gefärbtem Wasser durchgeführt.

 

Wenn der Zylinderkopf unter Temperatur sich stärker ausdehnen will als der Block und durch die Schrauben + (Zylinderstifte? gibts da welche?) daran gehindert wird, tritt im Zylinderkopf primär eine Druckspannung auf die zunächst mal nicht zu Rissen führen kann, dazu braucht es Zugspannung, Biegespannung oder Torsion. Der Motorenentwickler ist auch bestrebt den Zylinderkopf mit deutlich höherer Temperatur zu fahren als den Block, weshalb zumeist das Kühlmittel vom Kühler erstmal in den Block läuft, von dort in den Zylinderkopf und dann über den Thermostat zurück in den Kühler. 15 - 20°C Differenz sind da erwünscht! Tendenz steigend für einen besseren Wirkungsgrad => Stichwort Kennfeldthermostat.

 

Woher ich das alles weis? ich war dabei.