Thursday, July 15, 2010

Immer wieder gerne gefragt… Auspuffdurchmesser, Staudruck, Umkehrspülung, etc.


Es besteht die allgemeine falsche Auffassung, dass ein Motor einen gewissen Staudruck benötigt, um richtig zu laufen, damit er z.B. Drehmoment bei tiefen Drehzahlen hat. Das ist einfach falsch! Staudruck ist schlecht, immer!

Schauen wir uns z.B. einen Top Fuel Dragster an, wie viel Staudruck wird so ein Motor wohl aufweisen mit seinen Auspuffstummeln? Ganz bestimmt nicht ausgesprochen viel und solche Motoren leisten bis zu 6500 PS.

Was ist eigentlich Staudruck?

Am einfachsten kann man sich das anhand einer (Wasser) Leitung vorstellen. Flüssigkeit welche durch eine Leitung fliesst erfährt Widerstand an der Rohroberfläche. Dieser Widerstand variiert und ist abhängig vom Durchmesser der Leitung, der Oberflächenbeschaffenheit der Leitung und nicht zuletzt auch von der Viskosität der Flüssigkeit. Auch die Fliessgeschwindigkeit ist ein beeinflussender Faktor. Aus diesem Widerstand resultiert ein Druckabfall in der Leitung. Damit die Flüssigkeit überhaupt fliesst muss der Druck auf der einen Seite der Röhre grösser sein als auf der anderen Seite.
Bei (Ab) Gasen ist das genau gleich. In einem Auspuffsystem ist dieser Druckabfall das was wir Staudruck nennen.
Nun scheint es wahrscheinlich einleuchtend, dass dieser Druckunterschied durch den Motor erzeugt werden muss. Ergo, je weniger Leistung der Motor aufwenden muss um die Abgase ins Freie zu führen je mehr bleibt für die Hinterachse (respektive Antrieb) übrig.
In der Annahme dass das Auspuffrohr eine ziemlich glatte Oberfläche aufweist und dass wir die Viskosität des Abgases nicht beeinflussen können, bleiben bloss noch 2 Parameter übrig welche wir kontrollieren können: Der Auspuffdurchmesser und die Abgas (Fliess) Geschwindigkeit.
Unglücklicherweise stehen diese Parameter in einem direktem Zusammenhang. Der Rohrdurchmesser beeinflusst die Fliessgeschwindigkeit. Da das Abgasvolumen vom Motor bestimmt wird, haben wir eigentlich nur einen Parameter welchen wir verändern können. Das ist der Durchmesser.
Mit anderen Worten, ein fetter Auspuff erzeugt weniger Druckabfall bei einem gegebenen Volumen da die Fliessgeschwindigkeit tiefer ist.

Nun wird es richtig theoretisch…

Der Druckabfall (Staudruck) ist proportional zur potenzierten Abgas Fliessgeschwindigkeit. D.h. wenn der Auspuffdurchmesser halbiert würde, würde sich die Fliessgeschwindigkeit verdoppeln und der Staudruck würde sich vervierfachen.

Dafür gibt es doch eine einfache Lösung!? Machen wir einfach den Auspuff fetter… Fette Röhre, langsame Fleissgeschwindigkeit --> geringer Staudruck. Wow, wie bestechend einfach.

Aber halt, da gibt es ein Problem… Jetzt wo ich einen riesengrossen Auspuff habe, hat mein Auto kein Drehmoment mehr im unteren Drehzahlbereich!!! Warum bloss? Ah, ja klar, wir haben ja kein Staudruck mehr!! Ja jetzt ist alles klar, Staudruck macht Drehmoment!

FALSCH!

Ein Auspuffsystem ist weitaus komplexer. Wie?
Der Hauptgrund ist dass der Abgasfluss nicht linear ist sondern gepulst daher kommt. Dieser Umstand macht den Unterschied. Jedes Mal wenn ein Puls durch das Rohr wandert passiert Unglaubliches… Während der Abgaspuls fliesst erzeugt er gleichzeitig ein kleines Vakuum hinter sich. (Hat jemand schon mal ein NASCAR rennen gesehen und sich gefragt warum die Jungs so nahe hintereinander im Kreis fahren? Der hintere Fahrer nutzt das Vakuum im Windschatten des Vorderwagens. Der Luftwiderstand wird somit drastisch reduziert.

Gar nicht so blöd diese NASCAR Fahrer…

OK, wie gross das Vakuum ist, welches hinter jedem Abgaspuls erzeugt wird, hängt direkt von der Fliessgeschwindigkeit ab. Je grösser diese Fliessgeschwindigkeit ist je grösser ist auch der Vakuumeffekt hinter dem Abgaspuls.

Was bedeutet das?

Das bedeutet ich kann mit dem vorhergehenden Puls den kommenden nachziehen. Ähnlich wie beim NASCAR, hier sagt der Amerikaner „Drafting“ dazu was so viel heisst wie „Ziehen oder Strecken“.
Im Auspuff nennen das die Amerikaner "Scavenging" und wir nennen das die Umkehrspülung. Manche werden jetzt denken, der Käfer ist doch kein 2 Takter! Tatsächlich spricht man vor allem beim 2 Takt Motor von der Umkehrspülung. Ohne diesen Effekt würde der 2 Takter kaum richtig laufen. Da dem 2 Takter 2 Takte fehlen ist er abhängig von einer guten Umkehrspülung. Hier wird das mit der Auspuffresonanz im Schalldämpfer gemacht… (Kegel und Gegenkegel) aber das ist eine andere Geschichte.

Trotzdem die Umkehrspülung hat auch einen Effekt bei unserem 4 Takt Motor. Dieser Effekt ist am grössten wenn die Abgasgeschwindigkeit hoch ist. Durch eine maximierung dieses Effekts, helfen wir dem Ausstosstakt, in dem wir die Abgase quasi aus der Brennkammer herausziehen. Währen der Überlappungszeit der Einlass und Auslassventile also wenn beide kurzzeitig offen sind, (je nach Nockenwellenbeschaffenheit) wird sogar die Brennkammerfüllung verbessert. (Dynamische Kompression).

Das bedeutet natürlich, dass der Motor weniger Leistung benötigt um die Abgase auszustossen, (und anzusaugen) was dazu führt dass wir mehr Leistung an der Hinterachse…. Da waren wir doch bereits?

Der grösste Effekt tritt dann ein, wenn möglichst viel Zeit zwischen den Pulsen verstreicht, d.h. bei tiefen Drehzahlen. Wenn die Drehzahl erhöht wird dann werden die Pulse so schnell an einander gereiht dass die Abgase beinahe konstant fliessen. Bei hohen Drehzahlen hat die Umkehrspülung also keinen grossen Effekt mehr.

Was schliessen wir daraus?

Bei tiefen Drehzahlen benötigen wir einen kleinen Auspuff um den Umkehrspüleffekt zu nutzen und bei hohen Drehzahlen benötigen wir einen grossen Auspuff um den Staudruck zu minimieren.

Leider ist so etwas nur mit viel Aufwand realisierbar. Einige Fahrzeughersteller wie Porsche, Ferrari, Lamborghini oder bei Motorrädern z.B. Yamaha, Honda, Suzuki machen das.
Der geneigte Fussgänger hat dies bestimmt schon bemerkt oder wie kann ein brüllender Lambo bloss die heutigen, strengen, Lärmemissionswerte einhalten?

Bei einer regelmässigen Durchfahrtsmessung ist der Motor sehr leise und beim Aufreissen der Drosselklappe wird ab einer gewissen Drehzahl auch eine Auspuffklappe gesteuert und der Staudruck verschwindet (here comes the noise).

So ein Ventil nennt man „4 stroke power valve“. Es justiert den Auspuffdurchmesser konstant und passt ihn der Motordrehzahl an. (Ähnliches gibt es auch auf der Ansaugseite, hier gibt es variable Ansaugrohre, doch dazu ein ander Mal mehr)

Leider hat unser Auspuff aber nur eine Grösse, also müssen wir einen Kompromiss machen. Für einen bestimmten Motor bringt der richtige Durchmesser bei einem gegebenen Drehzahlband demnach die höchste durchschnittliche Gesamtleistung.

Der Drehmomentverlust hat also nichts mit dem Staudruck zu tun aber sehr wohl mit der Fliessgeschwindigkeit.

Es ist offensichtlich sehr wichtig Auspuffkomponenten (wie Auspuffschlange, Flanschverbindungen, Auspufftopf) zu wählen welche nicht einschränkend wirken und dabei auch den richtigen (passenden) Durchmesser haben. Das ganz individuell für den eigenen ganz speziellen Motor. Natürlich müssen wir auch hier gewisse Kompromisse eingehen denn neben einer möglichst hohen Leistung soll der Auspuff ja auch noch super leise sein.

Die uns bekannten Auspuffschlangen (sie heissen: Single/Double Quiet Pack, Turbo Muffler, Python, Super Competition, Sidewinder oder besonders einfallsreich Fat Boy Muffler) unterstützen die Umkehrspülung, da die einzelnen Auspuffkrümmer in der Länge auf einander abgestimmt sind und der Motorcharakteristik entsprechen.


So sollen möglichst alle Krümmer bis zum Sammelpunkt gleich lang sein. Wichtig dabei ist, dass der vorhergehende Puls sich noch im Auspuffrohr befindet wenn der nächste erzeugt wird.

Der 4 Zylinder, 4 Takt Motor eignet sich herforragend für so ein 4 in 1 System. Hier ist gewährleistet, dass immer ein Auslasspuls im Rohr ist welches dem nächsten Einlasstakt helfen kann den Brennraum zu entleeren und zu füllen. Buggy, VW 181 oder Trike Auspuffanlagen (2 in 1) können den Umkehrspüleffekt nicht nutzen.

Des Weiteren hilft das Umwickeln (Einpacken) der Auspuffschlange mit Keramikgewebeband. Die Abgastemperatur bleibt somit hoch und kann nicht über die Abgasanlage (Wärmestrahlung) abgegeben werden. Denn wenn die Abgase abkühlen verlieren sie an Geschwindigkeit und das soll ja möglichst verhindert werden.
Zusätzlich wird auch die Temperatur im nahen Motorbereich abgesenkt. Die Temperaturabsenkung verhindert dass die Aluminiumansaugrohre zuviel Umgebungshitze absorbieren und so das Ansauggemisch erwärmen. Ein ähnlicher Effekt wird auch durch die Keramikbeschichtung des Auspuffs erzielt.



Weiter oben habe ich geschrieben dass die Wahl des richtigen Auspuffs ein Kompromiss darstellt. Hier dürfen wir natürlich nicht vergessen dass die Verwendungsart des Motors massgebend ist. Muss die Grossmutter mit dem Motor am Sonntag „Gipfeli“ holen oder verwenden wir den Motor auf dem Dragstrip? Je nachdem muss man gössere oder kleinere Kompromisse machen.

Ausnahme der Regel

Natürlich gibt es wie immer auch eine Ausnahme der Regel. Diese gilt für den Turbo Motor. Da sich der Turbolader im Abgasstrom befindet und die Abgase den Impeller antreiben wird der Abgaspuls fast gänzlich vernichtet. Ein Umkehrspüleffekt ist vernachlässigbar und je grösser der Druckunterschied vor und hinter dem Turbo ist je mehr Leistung für den Lader kann aus den Abgasen gezapft werden. Hier gilt die Regel: Möglichst wenig Staudruck durch eine super fette Auspuffröhre nach dem Lader.

So was hilft dieses Wissen nun?

Da wäre einmal die Erkenntnis „Grösser ist nicht immer besser“…

Dieses Wissen soll die Frage beantworten ob eine 35mm, 38mm, 42mm oder sogar 48mm Schlangen angeschafft werden soll.

Hier habe ich dazu ein paar Anhaltspunkte und Entscheidungshilfen:

Die 35mm Schlange eignet sich gut für 1300-1800ccm mit einer maximalen Drehzahl von 5000 U/min. Das sind Motoren mit einem standart Solex Vergaser oder mit kleine Doppelvergasern. Auch die Köpfe sind mit standard Ventilen 35.5 x 32mm versehen.

Die 38mm Schlange eignet sich gut für 1300-2000ccm bis ca. 6000 U/min. Das sind Motoren mit Doppelvergasern und Köpfen mit max. 40 x 35.5mm Ventilen. (041 oder 044er zum Bsp.)

Die 42mm Schlange eignet sich für grossvolumige Motoren (ab 1900ccm) oder für Motoren mit einem Drehzahlband bis ca. 7500 U/min. Die Köpfe mit max. 44 x 37.5mm Ventilen bestückt sein.

Die 48mm Schlange eignet sich für Motoren mit stark bearbeiteten Köpfen oder für Super Flow oder sonstigen Strip Dominator Köpfen, mit einer Ventilgrösse ab 44 x 37.5mm. Solche Auspuffanlagen bieten die beste Leistung zwischen 5500 und 9000 U/min. Nichts mit Drehmoment bei tiefen Drehzahlen und auch nichts für das sonntäglich cruising mit der Grossmutter als Beifahrerin. Hier gibt es nur eine digitale Fahrweise, kein Gas oder Vollgas!


3 comments:

  1. Hallo und danke für diesen großartigen Artikel, der mir schonmal sehr bei den Gedanken zur Auslegung meiner Eigenbauanlage bei einem anderen Fahrzeug geholfen hat.

    Es ergibt sich bei mir aber folgendes Problem: Ich habe eine zweiteilige Auspuffanlage (vorderer Teil --> vor und Mittelschaldämpfer, hinterer Teil --> Endschalldämpfer), die im original komplett als 1 3/4 " ausgelegt ist. Leider gibt es den Dämpfer, welchen ich für den hinteren Teil benötige nur in der 2" Ausführung, weshalb ich die Anlage in der hinteren Hälfte als 2" auslegen würde. Vorne bleibe ich genau so wie beim Krümmer beim Originalquerschnitt. Frage ist nun: wirkt sich das irgendwie auf die Umkehrspülung aus? Ich würde vermuten nein, da die Reduzierung im vorderen Bereich ja schon für eine ordentliche Umkehrspülung sorgt...

    Wie ist denn Deine Meinung dazu? Würde mich wirklich brennend interessieren.

    Allerbeste Grüße und Danke schonmal
    Bijan

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  2. Traumhafter Artikel zu dem ich eine Frage hätte.

    Bsp: flanschverbindung von turbo und abgasanlage ist defekt.

    Somit entsteht ungewollt ein größerer Querschnitt in der abgasanlage und das Drehmoment im unteren drehzahlbereich erheblich geringer?
    Trotzdem gehen ja nicht 100% durch den Spalt verloren. Die restlichen Abgase ziehen nach beenden des Gasgebens frische Luft und somit mehr Sauerstoff (venturieffekt) in die abgasanlage. Die dort sitzenden lambdasonden melden dann den Fehler das das Gemisch zu mager ist.
    Kann mir das jemand bestätigen?
    Vielen vielen dank

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  3. eine kurze Frage Bringt der Grössere Querschnitt der anlage auch einen besseren Sound ?

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