| Advanced Tuner Verified SA-Customer Sonstiges Modell
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| Habe es mal rausgesucht: Zitat: Original geschrieben von Max
Tach,
klar lassen sich die Resonanzschwingungen errechnen (zumindest sehr gut annähern).
Zum Auslass:
Die Zeit ta, in der der Auslassschlitz geöffnet ist, lässt sich wie folgt
berechnen:
...........60*w
ta = ________ [s]
..........n * 360°
n ist die Drehzahl, w ist Auslasswinkel (genauer gesagt die Auslasszeit minus der Vorauslasszeit!!!).
Jezt brauchen wir noch die Zeit, die die Gasschwingung im Auspuff benötigt,
um einmal vom Auslass zum Gegenkonus und wieder zurück zu laufen.
Dazu brauchen wie die Schallgeschwindigkeit C.
C= 331 + 0,6*T [m/s]
Die Temperatur ist in °c einzusetzen.
Um möglichst genau zu arbeiten, sollte man die Auslasstemperatur messen. Wenn man das nicht kann oder will, ist man mit rund 365°c ganz gut bedient.
Die Zeit tr, die die Gaswelle braucht, ist folgende:
..........2 * lr
tr = ________ [s]
............ C
lr ist die Resonanzlänge des Auspuffs in m
Nun soll die Öffnungszeit ta mit der Zeit tr gleich sein.
Setzt man beide Formeln gleich und löst nach lr auf, kommt folgendes raus:
.........w*60*C
lr = _________ [m]
.........n*360°*2
Dieser Wert ist ein brauchbarer Richtwert. Richtwert nur deshalb, weil man trotz der mathematisch exakten Berechnung einige Ungenauigkeiten hat: 1. Fertigungstoleranzen, 2. Gastemperatur (die Abgase kühlen im Auspuff auch noch ab, da die Wärme durch die Wand nach aussen abgegeben wird).
Zum Einlass:
Das Ziel ist wieder bei einer bestimmten Drehzahl n die maximale Füllung zu erreichen. Die Einlassresonanzdrehzahl und die am Auslass sollte die gleiche sein, was will ich mit guter Füllung im Kurbelraum, wenn sie weiter oben nicht verarbeitet werden kann bzw. mit schon wieder schlechterer Füllung im Kurbelraum, wenn viel mehr weiter oben verarbeitet werden könnte...
Abhängig ist die Resonanzdrehzahl vom Kurbelvolumen, von der Länge der Ansaugleitung und von deren minimalen Querschnitt.
Aber nun erstmal zur Einlassschwingung, die wir in Resonanz bringen wollen, selbst:
Die Einlassschwingung als echte Gasschwingung kann mehrmals hin und her schwingen, bis der Einlass wieder geschlossen ist (bei Membranmotoren nur bedingt, da die Membran (besser Ventil) ein semipermeables Ventil ist... Lassen wir die Membran aber mal aussen vor und gehen auf die Gasschwingungen bei einem kolben- oder drehschiebergesteuerten Motor ein).
Wann hat man nun die beste Füllung bzw. wann muß der Einlass wieder
geschlossen sein, damit die maximale Füllung erreicht ist?
Dazu müßen wir wissen, wie der Einlassvorgang abläuft: Der Einlass wird
geöffnet, Unterdruck im Kurbelraum liegt an. Druck ist immer Energie, egal ob Über- oder Unterdruck, das ist nur eine Frage des Vorzeichens. Dieser Druck setzt die Gassäule im Einlasssystem in Bewegung. Dies geschieht aber nur mit Verzögerung, da ja doch eine gewisse kinetische Energie nötig ist, um die Gassäule auch wirklich zu bewegen. Ist der Unterdruck abgebaut und es strömt kein Frischgas mehr ein, ist diese Energie nicht verloren (Energie geht höchstens mit Entropie verloren), sondern steckt in der Bewegungsenergie des Frischgases. Ist der Kurbelraum komplett gefüllt, sollte der Einlass wieder geschlossen sein. Ist dies nicht der fall, wird die Gassäule aufgrund der vorher verliehenen kinetischen Energie weiter einströmen, einen Überdruck herstellen (genauer die kinetische Energie in Überdruck verwandeln) und durch diesen Überdruck wieder ausströmen. Das Ausströmen ist wieder mit kinetischer Energie verbunden und auch diese wird wieder in einem geänderten Druck im Kurbelraum resultieren, nämlich in einem Unterdruck. Und das Spiel geht wieder von vorne los, die Gassäule schwingt also laufend hin und her. Die Frequenz dieser Schwingung hängt von den oben genannten und uns bekannten Größen ab: Kurbelgehäusevolumen, Querschnitt und Länge der Ansaugleitung.
Diese hin und her laufende Gasschwingung hat theoretisch einen sinusförmigen Verlauf.
Der Kolben kommt aber von OT auch irgendwann wieder hinunter und
verschliesst den Einlass bzw. der Drehschiebder dreht sich weiter und
verschliesst den Einlass. Für maximale Füllung sollte das beim höchst
möglichen Druck im Kurbelraum geschehen. Bei der Resonanzdrehzahl ist das auch der Fall, da wird der Einlass im moment des maximalen Drucks
verschlossen.
Ist der Einlass aber doppelt so lang offen, wie er es bei Resonanzdrehzahl ist, ist wieder alles Gemisch ausgeströmt und wir haben die schlechteste Füllung. Läuft der Motor aber mit noch weniger Drehzahl und der Einlass steht noch ein wenig länger offen, kommt die Gassäule wieder zurück und beginnt den Einlass wieder zu füllen, leider aber nicht mit der Intensität der ersten Gasschwingung, denn die Strömungswiderstände im Motor nehmen pro vollständiger Schwingung etwa 30% Energie (von dem anliegenden Unterdruck bei der Öffnung können übrigens nur gut 75% in Bewegungsenergie beim Ansaugen genutzt werden).
Da die Füllung also abhängig von der Einlassöffnungsdauer ist, könnte man statt der Zeit auf der Abszisse genau so gut die Drehzahl eintragen, da diese umgekehrt proportional zur Öffnungsdauer ist (t = 1/n !).
Füllungsmaxima werden bei voller Resonanzdrehzahl nr, bei 1/3*nr, bei 1/5*nr usw. erreicht. Bei geraden Teilern liegt jeweils ein Minimum.
Daran sieht man auch, wie wichtig geringe Strömungswiderstände sind: Je geringer mein Strömungswiderstand, desto besser der Grad der
Energieumwandlung bei der hin und her laufenden Gasschwingung. 30% Verlust pro vollständiger Schwingung ist übrigens schon ein sehr guter Wert, der nur recht schwer zu erreichen ist!
Die meisten Bastler glauben, dass eine Erhöhung der Resonanzdrehzahl einen kleineren nutzbaren Drehzahlbereich mit sich bringt. Dieser Aberglaube kommt aus der Beobachtung, dass hochdrehende Motoren meist "untenraus" wenig Leistung liefern. Der Grund dafür ist aber der, dass der niedrige Drehzahlbereich so weit von der Resonanzdrehzahl entfernt liegt, dass hier bei weitem nicht die beste Füllung erreicht wird.
Tatsächlich ist der nutzbare Drehzahlbereich bei höherer Resonanzdrehzahl größer als der bei kleiner nr. Um das zu konkretisieren: Den höchsten Füllungsgrad erreicht man bei 0.67 ... 2 * nr. Hab ich also 10000 U/min als Resonanzdrehzahl, hab ich unglaubliche 13300 U/min nutzbares Drehzahlband, in dem meine Kurbelraumfüllung maximal unterstützt wird!! Leider mit dem unangenehmen Beigeschmack, dass kein Motor mit einer Resonanzdrehzahl von
10000 U/min ernsthaft über ca. 14000 U/min drehen wird.... EGAL! Wir haben ab 6700 U/min eine bis 10000 U/min zunehmende Füllung, das ist doch einfach fabelhaft! Ein Motor mit nur 5000 U/min nr hat erst ab 3350 U/min geile Füllung und das auch nur bis 10000 U/min...
Jetzt bringen wir mal unsere Membran ins Spiel, ein meiner Meinung nach
saublödes und nicht gut funktionierendes Einlasssystem.
Die Kolbensteuerung macht nur symmetrische Einlasszeiten möglich (vor OT und nach OT gleich lang!). Daher arbeitet unser 2T nur dann gut, wenn wir die Gasschwingung auf die Kolbenbewegung abstimmen können. Trotzdem passiert es selbst bei perfekter Abstimmung, dass Gas hin und her strömen muß. Um das zu unterbinden, wird mit einem Ventil (was wir fälschlicherweise als Membran bezeichnen) versucht, diese Schwingung zu unterbinden. Theoretisch funktioniert das auch toll, es kann nur noch Gas einströmen, aber nicht mehr aus...
Um das praktisch umzusetzen werden Schnüffelventile (das ist eine seriöse korrekte Bezeichnung!!!!!) eingesetzt. Diese bestehen aus dünnem Federstahl oder Kunststoffplatten, die sich durch geringen Druck elastisch verbiegen lassen.
Ein Optimal funktionierendes Ventil wäre eine tolle Sache, leider hat eine
Membran diverse gravierende Nachteile:
1. Eine Membran ist anfällig! Die Plättchen können reissen und erheblichen Schaden anrichten. Diese Gefahr wird zwar durch Kusntstoffe minimiert, allerdings bei weitem nicht beseitigt.
2. Membran setzen dem Gasstrom einen direkt irrsinnigen Widerstand entgegen. Hier ist viel Arbeit nötig, um den Strömungswiderstand
zu minimieren.
3. Der größte Fehler: Membran verhalten sich nicht so, wie man es sich
theoretisch wünscht. Trotz der minimalen Stärke der Plättchen ist ein
enormer Druck nötig, um sie von der Dichtfläche abzuheben. Ist der
Unterdruck zu niedrig, wird die Membran nur langsam auf einen nur geringen Querschnitt geöffnet und stellt so einen enormen Widerstand dar, anstatt minimale Druckunterschiede in Gehäusefüllung zu verwandeln.
4. Durch die bewegten Massen sind Membranen sehr träge!
Membranen eignen sich nur für Motoren, die keine enormen Drehzahlspitzen erreichen sollen, sondern den Druck "untenraus" bringen sollen.
Wie sich eine Membran genau verhält ist nach wie vor nicht 100% klar,
allerdings kann man davon ausgehen, dass mit steigender Drehzahl immer mehr ungewollte Bewegungen auftreten. Membranmotoren sind für hohe Drehzahlen gänzlich ungeeignet. Daher wird im Kartsport und bei manchen Straßenrennern auf das ultimativ geilste Einlassprinzip gesetzt, den Drehschieber. Dieser ermöglicht asymmetrische Einlasszeiten verbungen mit minimalem Strömungswiderstand und nicht vorhandener Trägheit, da er eine absolut perfekt genau regelnde Einheit bildet.
Jetzt nach dem ganzen theoretischen Verständniszeug aber zur
Einlassresonanzlänge: Die Formel sieht etwas eigenartig aus, stimmt aber voll...
l = Fm * [(3062500 * p^2) / (n^2 * Vk)]
bzw.
n = (1750 * p) / [Vk * (l / Fm)]^(1/2)
p ist der Einlasswinkel [°KW]
Vk das Gehäusevolumen [cm³]
l die Länge der Ansaugleitung [cm]
n wie immer die Drehzahl [1/min]
Fm mittlerer Querschnitt der Ansaugleitung [cm²]
Das ist aber nur eine Näherungsformel, da der Strömungswiderstand hier keine Rolle spielt. Für unsere Zwecke aber mehr als ausreichend...
Das exakte Kurbelhausvolumen lässt sich nur durch Auslitern bestimmen.
Für Membranmotoren kann für die Einlasszeit zwischen 185° und 205° Einlasszeit annehmen, je höher der Motor dreht, desto länger muß man bei der Rechnung die Einlasszeit ansetzen.
Bei der Abstimmung des Einlasssystems sollte man aber folgendes beachten:
Hohe Leistung und hohes Drehmoment gibt es bei hoher Drehzahl.
Für eine hohe Drehzahl braucht man einen langen Ansaugwinkel, für eine gute Füllung aber einen möglichst kurzen Ansaugwinkel.
Versucht man also mit einem möglichst kurzen Ansaugwinkel die Drehzahl zu erhöhen, muß man die anderen Größen auf Drehzahl auslegen.
Das Kurbelvolumen muß so klein wie möglich werden (allerdings MINIMAL das 1.5 Fache des Hubraums, weniger ist dann wieder schlechter), die
Ansaugleitung so kurz wie möglich sein und einen möglichst großen
Querschnitt haben (der Vergaser setzt hier die Obergrenze).
Bei allem gilt aber zu beachten, dass ein so konsequent auf Drehzahl
ausgelegter Einlassbereich zwar ohne langen Steuerwinkel auskommt, aber sonst einfach nur Drehzahlgeil ist.
Soll heißen, der Motor liefert bei seiner Resonanzdrehzahl eine beachtliche Leistung und ein wahnsinniges Drehmoment, aber eben auch NUR dort, drüber nicht und drunter nicht. In einem Motorrad eingebaut heißt das: Rodeo erster Güte! Kräftiger Schlag beim Beschleunigen, sobald die Resonanzdrehzahl erreicht wird. Die Laufcharakteristik ist natürlich nun die reinste Katastrophe.
Gehen wir also lieber zu einem größeren Kurbelvolumen und einer längeren Einlasszeit mit einer längeren Ansaugleitung, die Charakteristik wird es uns danken, dafür werden wir aber etwas weniger Leistung und etwas weniger Drehmoment haben (das dann dafür gleichmäßiger verteilt).
Die Frage, was für ein Setup jetzt was für eine Vorverdichtung und Vergasergröße benötigt, lässt sich NICHT pauschal beantworten.
Fährt man z.B. einen Stage 6 Racing mit 128° Überströmer und 188° Auslass mit 365°c Auslasstemperatur mit einem Yasuni Carrera 16, hat man ne Auslassresonanzdrehzahl von 11141 U/min.
Will man nun das gleiche Setup einmal mit nem 24er und nem 19er Vergaser abstimmen, bedingt das auch, dass man den Rest entsprechend anpasst!
Geht man von nem Kurbelraumvolumen von 140cm³ mit Vollwange im unbearbeiteten Zustand aus, setzt die Einlasszeit mit 195° ein und der mittlere Querschnitt der Ansaugleitung ist gleich dem Vergaserdurchmesser, dann sollte der Weg vom Eintritt des Vergaser bis zur Spitze des Membranblocks ziemlich genau 19cm lang sein. Hört sich viel an, aber geht man davon aus, dass allein der Membranblock schnell mal 5cm lang ist und im Vergaser auch nicht unter 9cm, hat man da so in etwa die Länge eines kurzen Malossi MHR Stutzens für diese Konfiguration. Klingt plausibel und logisch.
Will man nun mit dem gleichen Stutzen den 24er Vergaser fahren, der nicht länger ist und die Resonanzdrehzahl soll erhalten bleiben, muß man den Kurbelraum auf 223cm³ vergrößern, also satte 83cm³ aufschlagen.
Nimmt man durch die Blockbearbeitung 20cm³ ab und es bleiben noch 63cm³, die man durch Ausspindeln beseitigen muß, wäre das, als würde man den Block von 70mm Durchmesser um die Welle auf 77 aufspindeln. Nur den Durchmesser wohlgemerkt, gar nichts in der Tiefe. D.h. es wären 3.5mm an jeder Seite weg, das ist verkraftbar... Verlängert man den Stutzen noch ein wenig, kann man auch weniger ausspindeln, allerdings ists aus Sicht der Strömungsgünstigkeit immer vorteilhaft, wenn man den Stutzen kurz lässt. |
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29.09.2005, 19:10
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