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Gasdynamik resonanter Auspuffrohre. Persönlicher Transport
Verzeichnis / Personenverkehr: Land, Wasser, Luft
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Der Einsatz resonanter Auspuffrohre bei Motormodellen aller Klassen kann die sportliche Leistung der Konkurrenz deutlich steigern. Allerdings werden die geometrischen Parameter von Rohren in der Regel durch Versuch und Irrtum ermittelt, da es bisher kein klares Verständnis und keine eindeutige Interpretation der in diesen gasdynamischen Geräten ablaufenden Prozesse gibt. Und in den wenigen Informationsquellen zu diesem Thema werden widersprüchliche Schlussfolgerungen gezogen, die eine willkürliche Interpretation haben.
Für eine detaillierte Untersuchung der Prozesse in den abgestimmten Auspuffrohren wurde eine spezielle Installation erstellt. Es besteht aus einem Ständer zum Starten von Motoren, einem Motorrohradapter mit Anschlüssen zur Messung des statischen und dynamischen Drucks, zwei piezoelektrischen Sensoren, einem C1-99-Zweistrahloszilloskop, einer Kamera, einem Resonanzauspuffrohr eines R-15-Motors mit einem „Teleskop“ und einem selbstgebauten Rohr mit geschwärzter Oberfläche und zusätzlicher Wärmedämmung.
Der Druck in den Rohren im Abgasbereich wurde wie folgt bestimmt: Der Motor wurde auf Resonanzdrehzahl gebracht (26000 U/min), die Daten der an die Druckabgriffe angeschlossenen piezoelektrischen Sensoren wurden auf einem Oszilloskop angezeigt, dessen Abtastfrequenz mit der Motordrehzahl synchronisiert war, und das Oszillogramm wurde auf einem Fotofilm aufgezeichnet.
Nach der Entwicklung des Films in einem Kontrastentwickler wurde das Bild im Maßstab des Oszilloskopbildschirms auf Pauspapier übertragen. Die Ergebnisse für das Rohr des R-15-Motors sind in Abbildung 1 und für ein selbstgebautes Rohr mit Schwärzung und zusätzlicher Wärmedämmung in Abbildung 2 dargestellt.
Reis. 1. Druckänderung im Resonanzauspuffrohr R-15
Reis. 2. Druckwechsel in einem selbstgebauten wärmeisolierten Auspuffrohr
Auf den Charts: P dyn – dynamischer Druck, P st – statischer Druck, OVO – Öffnen des Auslassfensters, BDC – unterer Totpunkt, ZVO – Schließen des Auslassfensters.
Eine Analyse der Kurven ermöglicht es, die Druckverteilung am Eingang des Resonanzrohrs in Abhängigkeit von der Kurbelwellendrehphase aufzuzeigen. Der Anstieg des dynamischen Drucks von der Öffnung der Auslassöffnung bei einem Durchmesser des Auslassrohrs von 5 mm erfolgt bei R-15 bis etwa 80°. Und sein Minimum liegt bei maximaler Spülung innerhalb von 50° – 60° vom unteren Totpunkt. Der Druckanstieg in der reflektierten Welle (vom Minimum) zum Zeitpunkt des Schließens des Auslassfensters beträgt etwa 20 % des Maximalwerts Р. Die Verzögerung der Wirkung der reflektierten Abgaswelle beträgt 80 bis 90°. Der statische Druck ist durch einen Anstieg von 22° vom „Plateau“ in der Grafik bis zu 62° ab dem Moment des Öffnens der Auslassöffnung gekennzeichnet, wobei ein Minimum bei 3° ab dem Moment des unteren Totpunkts liegt. Offensichtlich treten bei Verwendung eines ähnlichen Abgasrohrs die Abblaseschwankungen bei 3° ... 20° nach dem unteren Totpunkt auf und keineswegs bei 30° nach dem Öffnen des Abgasfensters, wie bisher angenommen.
Die selbst erstellten Rohrstudiendaten weichen von den R-15-Daten ab. Ein Anstieg des Staudrucks auf 65° ab dem Öffnen der Auslassöffnung geht mit einem Minimum einher, das 66° nach dem unteren Totpunkt liegt. In diesem Fall beträgt der Druckanstieg der reflektierten Welle vom Minimum aus etwa 23 %. Die Wirkungsverzögerung der Abgase ist geringer, was vermutlich auf die Temperaturerhöhung im wärmeisolierten System zurückzuführen ist, und liegt bei etwa 54°. Spülschwankungen werden bei 10° nach dem unteren Totpunkt festgestellt.
Beim Vergleich der Diagramme ist ersichtlich, dass der statische Druck im wärmeisolierten Rohr zum Zeitpunkt des Schließens des Abgasfensters geringer ist als bei R-15. Der dynamische Druck weist jedoch nach dem Schließen der Auslassöffnung ein reflektiertes Wellenmaximum von 54° auf, und beim R-15 ist dieses Maximum um bis zu 90" verschoben! Die Unterschiede hängen mit den unterschiedlichen Durchmessern der Auspuffrohre zusammen: Beim R-15 beträgt der Durchmesser, wie bereits erwähnt, 5 mm und beim wärmeisolierten 6,5 mm. Darüber hinaus weist das R-15-Rohr aufgrund der verbesserten Geometrie einen höheren Erholungsfaktor für den statischen Druck auf.
Befund
Die in zuvor veröffentlichten Studien präsentierten Daten geben keine verlässliche Vorstellung von der Abhängigkeit des statischen und dynamischen Drucks von den Drehwinkeln der Motorkurbelwelle und von den Eigenschaften von Resonanzrohren.
Die Effizienz eines resonanten Abgasrohrs hängt weitgehend von den geometrischen Parametern des Rohrs selbst, dem Querschnitt des Motorabgasrohrs, den Temperaturbedingungen und der Ventilsteuerung ab.
Durch den Einsatz von Gegenreflektoren und die Wahl des Temperaturregimes des resonanten Abgasrohres ist es möglich, den Maximaldruck der reflektierten Abgaswelle bis zum Schließen des Abgasfensters zu verschieben und so deren Effizienz deutlich zu steigern.
Wärmeisolierte Abgasrohre mit gut gewählter Geometrie führen bei gleichzeitiger Erhöhung der Motortemperatur zu einem Anstieg des Staudrucks im Moment des Schließens des Abgasfensters, was zu einer weiteren Steigerung der Motorleistung führt. Für ein umfassenderes Verständnis der Bedeutung physikalischer Größen wie statischem und dynamischem Druck in abgestimmten Abgassystemen sowie des Einflusses von Temperaturbedingungen können zwei aktuelle Ausgaben aus dem Literaturverzeichnis empfohlen werden.
Autoren: V.Fonkich, O.Kuznetsov
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