betrachtet, wird klar, dass sich zwei Möglichkeiten bieten, die Leistung auf einen möglichst hohen Wert zu bringen.

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1 Schwingungsvorgänge am Zweitaktmotor Eine der wichtigsten Forderungen an einen modernen Fahrzeugmotor ist die nach möglichst hoher Leistung bei kleiner Baugröße, d.h. bei möglichst kleinem Hubraum. Bis vor ein paar Jahren galt diese Forderung fast ausschließlich, heute ist daneben auch noch geringe Abgas- und Geräuschentwicklung sowie geringer Treibstoffverbrauch gefragt, vor allem im Automobilbau. Bei den Motorrädern, und hier vor allem im Rennbetrieb, der ja schon immer eine wichtige Vorreiterrolle für den Fortschritt der Technik gespielt hat, liegt jedoch der Leistungsgedanke nach wie vor im Vordergrund. Wenn man die einfache physikalische Leistungsdefinition P= W/t betrachtet, wird klar, dass sich zwei Möglichkeiten bieten, die Leistung auf einen möglichst hohen Wert zu bringen. a) Man lässt möglichst viele Arbeit Produzierende Vorgänge in der Zeit t ablaufen, indem man die Frequenz bzw. die Drehzahl des Motors erhöht. So erhält man die Arbeit W in einer kürzeren Zeit, also in einer gleichen Zeiteinheit mehr Leistung P. Dies lässt sich aber einmal technisch nicht unbegrenzt durchführen, und außerdem wäre eine zu hohe Drehzahl auch im Sinne einer geringen Geräuschentwicklung und einer günstigen Leistungscharakteristik unerwünscht. Aber es bleibt ja noch die Möglichkeit b) Man lässt das einzelne Arbeitsspiel wirkungsvoller ablaufen. Um zu erkennen, wie man dies bewerkstelligen kann, müssen wir uns kurz die Theorie der Vorgänge im Verbrennungsmotor vor Augen führen: Die Kraft, mit der der Kolben nach unten gedrückt wird und die somit die Leistung des Motors bestimmt, entsteht durch die Volumensvergrößerung des verbrennenden Gases, bzw., da das Volumen sich ja nur in engen Grenzen vergrößern kann, durch die (wegen p*v = const) dazu proportionale Druckerhöhung. Also sollte die Verbrennung möglichst vollständig erfolgen, d.h. die im Kraftstoff enthaltene Energie sollte möglichst vollständig in Wärmeenergie übergeführt werden. Wenn dies der Fall/ist, erreicht der sog. effektive Mitteldruck" seinen höchsten Wert. Mit Mitteldruck bezeichnet man den beim Verbrennungsmotor während des ganzen Kolbenwegs im Arbeitstakt auf die Kolbenoberfläche gleichbleibend wirkenden gedachten Arbeitsdruck in N/cm 2 bzw. kp/cm 2.

2 Selbstverständlich handelt es sich beim Mitteldruck um einen rein rechnerischen Wert, denn in Wirklichkeit ist ja der Verbrennungsdruck nicht über den gesamten Verbrennungszeitraum hinweg konstant, sondern die Druckkurve erreicht kurz nach Oberem Totpunkt (im folgenden immer mit OT bezeichnet) ein Maximum und fällt dann bis zu ihrem Minimum beim unteren Totpunkt (UT) stetig ab: Je höher der Mitteldruck ist, desto höher ist also Drehmoment und damit auch Leistung des Motors. Der Mitteldruck wird seinerseits in erster Linie durch das Verdichtungsverhältnis des Motors, sein Arbeitsverfahren, den Ablauf der Verbrennung und den Füllungsgrad bestimmt. Man unterscheidet zwischen induziertem, von den Gasen unmittelbar auf den Kolbenboden ausgeübten Mitteldruck p mi und dem nach Abzug der Reibarbeit übrig bleibenden effektiven Mitteldruck p me. Dieser lässt sich aus der Nutzleistung P, dem Hubraum Vh und der Drehzahl n nach folgender Formel rückrechnen: Für 4-Takt Motoren p me = 900 P/V h *n [kp/cm2] Für 2-Takt Motoren p me = 450 P/V h *n [kp/cm2] Wir haben also festgestellt, dass der Mitteldruck u.a. vom Füllungsgrad des Motors abhängt. Unter Füllungs- oder Liefergrad λ e eines Motors versteht man den Prozentsatz, zu dem das theoretische Hubvolumen auch mit verbrennungsfähigem Gas gefüllt wird, d.h. λe ist das Verhältnis der in den Zylinder gebrachten und auch dort verbleibenden Frischgasmasse m LZ zu der dem Hubvolumen V h entsprechenden Masse V h ρ th bei definierter Gasdichte ρ th. λ e = m LZ /V h ρ th Mit der guten Füllung steht natürlich auch eine möglichst vorher zu erfolgende vollständige Entleerung des Zylinders von Altgas in Zusammenhang. Dabei ist a) eine Vermischung von Altgas uns Frischgas(wegen des verringer-

3 ten Wirkungsgrades der Verbrennung durch den hemmenden Altgasrest) und b) ein Verlust von Frischgas durch den Auspuff (sinnlose Kraftstoffvergeudung, sofort einleuchtend) zu vermeiden. Ideal wäre also eine völlige Trennung der beiden Gase. Der Viertakter mit seinen getrennten Aus- und Einlaßtakten bietet hier recht günstige, wegen des nicht entleerbaren Verdichtungsraumes (das ist der Raum über dem im OT befindlichen Kolben)aber auch nicht ideale Voraussetzungen. Beim leistungsfähigeren (er produziert jede Umdrehung ein Arbeitsspiel) und kostengünstigeren und leichteren (er benötigt keine Ventile und Ventilsteuerung) Zweitakter, der ja eigentlich Sechstakter heißen müsste (siehe Arbeitsschema unten) ist die Sache schwieriger: 1.Ansaugen 2.Vorverdichten 3.Überströmen 4.Verdichten 5. Arbeitstakt (gleichzeitig (gleichz. noch (im Bild schon Auspuffen) Auspuffen) wieder 6. Beginn des Auspuffens) Durch die Überschneidung der Takte (s. a. Steuerdiagrammm unten) sind also Alt und Frischgas gleichzeitig im Zylinder: Dies bringt natürlich die Gefahr der Vermischung der beiden Gase mit sich.

4 Man versuchte dies in der Frühzeit des Zweitaktmotors durch Verwendung von Nasenkolben zu vermeiden. Diese Nasenkolben lenkten den aus dem (einen) Überströmkanal kommenden Gasstrahl nach oben ab, wo er das Altgas verdrängt und hinter der Nase in den Auslasskanal schiebt. Die ungünstige zerlüftete Brennraumform mit langsam sich ausbreitenden Flammfronten und die trotz der Nase noch starke Gasvermischung fund der hohe Frischgasverlust)ließen aber diese Bauart ebenso wieder verschwinden wie Versuche mit Ventilen und Doppel- und Gegenkolbenmotoren. Erst die nach ihrem Erfinder benannte Schnürle-Umkehrspülung, die heute (fast) ausschließlich verwendet wird, ermöglichte den Siegeszug des Zweitaktmotors, der allerdings (zumindest bei den Automobilen) bald wieder beendet war. Die Gründe des für das Verschwinden des Zweitakters aus dem Automobilbau verantwortlichen verdorbenen Rufes waren wohl die Fehler,die man heute aufgrund besseren Wissens über das Verhalten der am Gaswechsel des Zweitakters beteiligten Gassäulen vermeiden könnte. Eben auf dieses Verhalten, das sich aus den besonderen Eigenschaften der Gassäulen ergibt, möchte ich im Folgenden eingehen. Die Eigenschaften sind: 1) Gassäulen haben, wie jeder in Bewegung befindliche Körper definierter Masse, kinetische Energie. 2) Aufgrund der im Verhältnis zu festen Stoffen relativ losen Bindung der Gasmoleküle ist Gas sehr "elastisch". Man kann es gut komprimieren und dekomprimieren. 3) Also ist eine Gassäule ein Schwingungsfähiges System, vergleichbar mit einer Schraubenfeder. Sie kann also auch Wellen ausführen; bei den am Gaswechsel beteiligten Wellen handelt es sich um Longitudinalwellen: es wechseln sich Verdichtungen und Verdünnungen ab. Die Wellen werden durch erzwungene Schwingungen ausgelöst. Sie werden durch die beim Öffnen der Schlitze entstehendem Druck- bzw Unterdruckimpulse angeregt und müssen daher mit der Frequenz der Motordrehzahl ablaufen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen ist gleich der Schallgeschwindigkeit, da es sich um Schallwellen handelt. Wegen der von normaler Umgebungstemperatur abweichenden Temperaturen der schwingenden Gassäulen darf diese Geschwindigkeit jedoch nicht mit konstant 330 m/s angesetzt werden. Wir kommen später darauf zurück. Wegen der unterschiedlichen Bedingungen erscheint es sinnvoll, die an Ansaug-, Überström- und Auslassseite auftretenden Schwingungen getrennt zu behandeln. Ich gehe dabei in der Reihenfolge vor, in der auch das Gas den Motor passiert. 1. Der Einlassvorgang. Er ist verantwortlich für eine möglichst gute Füllung des Kurbelgehäuses, durch das ja beim Zweitakter das Gas erst muss, bevor es durch die Überströmkanäle in den Zylinder gelangen kann.

5 Die in Betracht kommende Gassäule ist der Gasinhalt des gesamten Einlasstraktes vom Ansaugschlitz am Zylinder bis zum Lufteinlass in den Vergaser. Wenn die Kolbenunterkante den Ansaugschlitz öffnet, setzt sich von diesem aus eine Schallwelle in Bewegung, die mit einer Verdünnung, also mit einem Unterdruck beginnt, weil ja beim Öffnen des Schlitzes im Kurbelkasten Unterdruck herrscht. Am offenen Ende des Ansaugrohres, also dem Lufteinlass vom Freien in den Vergaser, wird die Unterdruckwelle, analog einer Verdünnung einer mechanischen Longitudinalwelle am frei aufgehängten Ende einer Schraubenfeder, in Phasenumkehr als Verdichtung, also als Überdruckwelle reflektiert. Um nun eine möglichst gute Füllung des Kurbelgehäuses zu erreichen, muss die Überdruckwelle genau wieder am Einlassschlitz ankommen, wenn der Kolben den Schlitz wieder verschließt, denn dann kann sie noch zusätzlich Gas in das Kurbelhaus 'hineinpumpen'. Da es technisch schwierig zu machen wäre, einen Ansaugkanal mit variabler Länge zu bauen, kann diese optimale Füllung nur bei einer bestimmten Drehzahl erzielt werden. Entsprechend kann man die gewünschte Drehzahl mit der Ansauglänge variieren. Bei der Berechnung sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen: So ist die Drehzahl der besten Füllung außer von der Ansauglänge (= Weg, den die Welle von ihrem Loslaufen am Zylinder bis zu ihrer Rückkehr dorthin (zweimal) zurücklegen muss) auch vom Volumen des Kurbelgehäuses bei im OT stehenden Kolben V K-OT,von der mittleren Querschnittsfläche F m der Ansaugleitung, vom Durchmesser d des dem Ansaugschlitz flächengleichen Kreises und natürlich von der Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Welle abhängig. Eine Vergrößerung des Kurbelgehäusevolumens ergibt eine Verschiebung der Schwingungsfrequenz nach unten(und senkt damit die Drehzahl der besten Füllung). Eine Vergrößerung der Fläche F m erhöht f und damit die beste Drehzahl n 0, eine Vergrößerung der Fläche F a des Ansaugschlitzes, also eine Vergrößerung des Durchmessers des ihm flächengleichen Kreises, erhöht f und n 0, eine Vergrößerung der Länge l senkt die Drehzahl. Man kann die Lage der besten Füllung wie folgt berechnen: Die Frequenz der Ansaugschwingung ist : Hierbei ist: f = Frequenz der Ansaugschwingung in 1/s c = Ausbreitungsgeschwindigkeit in m/s V K-OT = Kurbelgehäusevolumen bei OT in cm 3

6 d = Durchmesser des dem Schlitz flächengleichen Kreises in cm. Die Frequenz der zu einer bestimmten Drehzahl n 0 und einem bestimmten Ansaugsteuerwinkel α passenden (halben) Ansaugschwingung ist: f = n 0 *360/60*α*2 Also: f = 3*n 0 /α Hierbei ist: n 0 = angestrebte Drehzahl der besten Füllung; α = Ansaugsteuerwinkel = Winkel, um den sich die Kurbelwelle weiterdreht, während der Ansaugschlitz offen ist Somit ist die Drehzahl n 0 der besten Füllung: Die für eine optimale Füllung geeignete Länge l der Ansaugleitung für den Ansaugsteuerwinkel α und die Drehzahl n 0 ist dann Die angestrebte Drehzahl n 0 richtet sich nach dem Verwendungszweck des Motors. Bei den heutigen Zweitaktern liegt sie für Drosselmotoren(zb. Mofa) bei /min,für Motorradmotoren bei /min, im Rennbetrieb bei bis zu 17000/min. (Zum Vergleich: Ein gleichgroßer und gleichstarker 4-Takter benötigt bis zu 26000/min.) 2. Der Überströmvorgang. Kommen wir nun zum nächsten Teil des Ladungswechsels, dem Überströmvorgang. Auch hier führen die in den Überströmkanälen befindlichen Gassäulen Longitudinalwellen aus, die durch das Öffnen des Überströmkanals ausgelöst werden. Grundsätzlich gilt auch hier, dass vom oberen Ende der Kanäle, wenn der Kolben sie öffnet, Unterdruckwellen loslaufen; vorausgesetzt, dass im Zylinder gegenüber dem Kurbelgehäuse Unterdruck herrscht (was Aufgabe der Auspuffanlage ist - s. später). Auch die Tatsache, dass die vom unteren Ende reflektierte Überdruckwelle wieder oben ankommen

7 muss, wenn die Schlitze gerade im Begriff sind, wieder zu schließen, zeigt Analogie zum Einlassvorgang. Unterschiedlich sind allerdings die Faktoren, die die Frequenzlage der besten Füllung bestimmen - wenngleich sich auch hier eine gewisse Parallelität zeigt. Da der Überströmvorgang vonstatten geht, wenn der Kolben im Bereich des UT ist, ist hier das V K-UT bestimmend, ebenso wie die Länge der Kanäle l. Auch die mittlere Fläche des Kanals hat wieder Einfluss, sowie Breite und Höhe b und h des Kanaleintritts in den Zylinder und wieder die Schallgeschwindigkeit c. Diese ist allerdings hier nicht mehr gleich 330 m/s, sondern wegen der höheren Temperatur bereits ca. 380 m/s. Dann läuft die Berechnung ganz ähnlich wie bei der Ansaugschwingung ab. Die Frequenz der Schwingung ist: Hierbei ist der Ausdruck 0,187 (b+h) die sog. Mündungskorrektur. Man kann dabei statt (b+h) mit brauchbarer Genauigkeit auch 2 F m einsetzen. Die passende Frequenz einer zu einer bestimmten Drehzahl und einem bestimmten Überströmsteuerwinkel gehörigen halben Schwingung ist wieder: So ist die Drehzahl der besten Füllung bei gegebenen Abmessungen der Spülkanäle: Die zu einer bestimmten Drehzahl n 0 und einem bestimmten Steuerwinkel passende Länge l des Ü-Kanals in Abhängigkeit von Kurbelgehäusevolumen V K-UT und Kanalfläche F m ist also:

8 Ein Rechenbeispiel mit V h =50 cm 3, V K =100 cm 3, F m =2,0 cm 2, n = 5000/min ergibt aber, dass die Ü-Kanäle, um für eine halbe Schwingung (gibt optimale Aufladung) richtig abgestimmt zu sein, übermäßig lang sein müssten (i.b. l=65 cm). Ein Zylinder mit so langen Kanälen wäre technisch unmöglich herzustellen. Aber selbst, wenn man es macht, bringt die abgestimmte Ausführung keine bessere, sondern sogar eher eine schlechtere Füllung, wie sich bei Versuchen mit Spezialzylindern mit auswechselbaren Spülkanälen gezeigt hat. Die Erklärung für dieses auf den ersten Blick unverständliche Phänomen: Zum einen ist das Kurbelgehäusevolumen durch die großen Kanäle zu stark angewachsen, so dass gar keine brauchbare Schwingung mehr zustande kommt(der Druckunterschied zwischen Kurbelhaus und Zylinder und damit der Druckimpuls ist zu gering); und zum anderen sind die langen Kanäle natürlich wenig strömungsgünstig, so dass die Strömungsverluste den evtl. durch die Schwingungsabstimmung erreichte Verbesserung der Füllung wieder aufzehren. Somit kommt der Schwingungsberechnung von Überströmkanälen am Zweitaktmotor nur geringe praktische Bedeutung zu. Vielmehr strebt man heute in erster Linie danach, die Spülkanäle so strömungsgünstig wie möglich zu machen. Moderne Rennmotoren haben daher oft bis zu sieben Überströmkanäle.

9 3. Der Auslassvorgang. Kommen wir nun zum hauptsächlich leistungsbestimmenden Teil des Gaswechsels. Im Vergleich zum Viertaktmotor, wo in erster Linie eine möglichst rasche Entleerung des Zylinders gefragt ist, stellt der Zweitakter wesentlich weitergehende Forderungen an die Auspuffanlage. Die Begründung dafür liegt in der Natur des Auslassvorganges beim Zweitakter: Man braucht für die nötige Auspuffsteuerzeit eine gewisse Schlitzhöhe, um den Zylinder von seinen Abgasen schnell genug befreien zu können. Dies bedeutet aber, dass die Verbindung des Zylinders zur Außenwelt geöffnet wird, bevor die verbrannten Gase sich ganz entspannt haben, d.h. bevor sie ihre Energie ganz an den Kolbenboden abgegeben haben. Also entweicht ein Teil des Verbrennungsdruckes vorzeitig und geht somit der Motorleistung verloren. Diesen verloren gegangenen Druck für die Motorleistung wieder nutzbar zu machen, ist Aufgabe einer richtig abgestimmten Auspuffanlage. Betrachten wir die Vorgänge nochmals unter der Zeitlupe: Wenn der Auslassschlitz öffnet, setzt sich eine Schallwelle in Bewegung, die mit einer Verdichtung beginnt. Lässt man diese Welle nun in ein Rohr mit offenem Ende laufen, so wird sie unter Phasenumkehr, also als Verdünnung reflektiert. Sie kommt als Unterdruckwelle zu Rohranfang, also zum Auslassschlitz zurück. Die Zeit, die sie vom Hineinlaufen (als Verdichtung) bis zu ihrem Wiederherauskommen (als Verdünnung) unterwegs ist, ist abhängig von der zurückzulegenden Strecke, also von der Rohrlänge, und von der Ausbreitungsgeschwindigkeit c. Wie oben schon angesprochen, ändert sich aber der Wert der Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur und der Zusammensetzung der Gase, in denen die Welle läuft. c ist für CO 2 etwa 250 m/s, für O 2 etwa 316 m/s, für N 2 etwa 278 m/s. In Luft bei 0 C beträgt sie etwa 331 m/s. Die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Luft lässt sich wie folgt berechnen: c = ,6δ [m/s]; hierbei ist δ die Temperatur in C. Man kann der Übersichtlichkeit halber etwa folgende Tabelle aufstellen: δ in C C in m/s

10 Die Temperatur der Gase ist ihrerseits wiederum vom Verdichtungsverhältnis des Motors und von der Auslasssteuerzeit abhängig: Längere Steuerzeit - heißere Gase. Aber zurück zur Auspuffleitung: Um also, wie wir es im Interesse eines großen Gasdurchsatzes haben wollen, einen möglichst niedrigen Druck im Zylinder zu erzeugen, muss die Unterdruckwelle recht bald wieder am Schlitz sein, um die Abgase rechtzeitig absaugen zu können. Es soll also l kurz sein. Den Zusammenhang Zwischen Rohrlänge und Druckverlauf im Zylinder zeigen folgende Diagramme, die den Druck im bzw. unmittelbar hinter dem Zylinder über dem Kurbelwinkel in KW angeben: Man erkennt, dass bei zu langem Rohr der Druck nicht schnell genug abgebaut wird, weil die Unterdruckwelle erst viel zu spät zurücklaufen würde; das zeigt sich deutlich am extremen Beispiel des 50 m langen Rohres, wo während der ganzen Auslass-, und mithin auch während der ganzen Überströmzeit Überdruck im Zylinder herrscht, was natürlich einer wirksamen Spülung sehr abträglich ist. (Der zweite Druckstoß auf dem Bild ist übrigens das Öffnen der Überströmkanäle.) Bei entsprechender Länge (1,25 m mittlere Darstellung) zeigt sich erst kurz vor Ende des Auslasstaktes ein (starker) Unterdruck. Dies ist natürlich erst recht unerwünscht: Erst hemmt der Überdruck das Überströmen, und dann saugt des Unterdruck das Frischgas ins Freie. Erst das kurze Rohr bringt bessere Ergebnisse: Der Druck fällt früh ab und es zeigt sich bei Auslassende nur noch geringen Unterdruck. Aber auch dieser ist schon schädlich. Besser wäre Überdruck, der sogar evtl. bereits in den Auslass entwichenes Frischgas wieder in den Zylinder zurückdrückt. Man bräuchte also ein geschlossenes Rohr, das ja die Überdruckwelle auch wieder als Überdruckwelle reflektiert. Ganz geschlossen darf das Rohr natürlich nicht sein, sonst kommt das Ab-

11 gas ja nie ins Freie, aber man kann an das Ende des Rohrs ja eine Blende mit relativ geringem Durchlass setzen. Nun läuft die reflektierte Welle als Überdruck zurück. Wenn nun Länge und Drehzahl im richtigen Verhältnis zueinander stehen, ergibt sich bei Auslassende der gewünschte Überdruck am Auslassschlitz. Folgende Graphiken stellen dies dar. Zur besseren Anschaulichkeit ist ein schematisierter Motor mit Auspuffrohr dargestellt; in das Rohr ist die Druckwelle bei verschiedenen Drehzahlen (8500/min, 9400/min, 10000/min) eingezeichnet: Bei n = 8500/min erreicht die rücklaufende Druckwelle den Zylinder zu früh: Wenn der Auslass schließt, ist der Druck im Zylinder schon wieder abgefallen. Bei n = 9400/min ist der Optimalzustand erreicht: Das Druckmaximum erreicht den Zylinder genau bei Auslassschluss. Steigert man die Drehzahl noch weiter, so wird die Sache wieder ungünstiger: Der Rücklauf der Druckwelle kommt zu spät an, so dass sie nichts mehr ausrichten kann, denn der Auslassschlitz ist bereits wieder zu. Bei n= 9800/min wäre gerade noch gute Füllung da gewesen.

12 Dies geht auch aus dem Druckdiagramm über dem Kurbelwinkel deutlich hervor. Wieder sind die drei Drehzahlen 8500/min, 9400/min und 10000/min erfasst: Man hat also nur ein Drehzahlband von 1300/min. Dies ist natürlich unbefriedigend. Man bräuchte also anfangs eine Unterdruck~ und später eine Überdruckwelle. Eine solche Kombination von offenem und geschlossenem Rohr wäre zum Beispiel eine solche Form: Damit hat man aber wieder nur das bekannte schmale Drehzahlband. Um eine breitere Unterdruckwelle zu erreichen, d.h. eine, die länger andauert, kann man in verschiedener Entfernung vom Zylinder immer wieder eine Erweiterung anbringen: So hat man mehrere, ihre Maxima bei verschiedenen Drehzahlen erreichende Unterdruckwellen. Lässt man nun die Anzahl der Absätze gegen unendlich gehen, so kommt man zum Konus: -'-...-" Natürlich gilt für die Reflexionsblende das gleiche wie für die Erweiterungsstufe. Somit erhält man anstatt einer einfachen Blende einen Gegenkonus und kommt damit etwa zu folgender Form, wobei zwecks gleichmäßigeren Abgasabflusses sowie aus anderen Gründen noch ein Stück Endrohr angesetzt wird : Den Druckverlauf in einem solchen Auspuff zeigt das nächste Bild:

13 Druckverlauf in einer Resonanz-Auspuffanlage mit Konus und Gegenkonus. Drehzahl n = 10000/min, Schallgeschwindigkeit c = 500 m/s. Schon nach 0,6 m (Eintritt der Druckwelle in den Gegenkonus) beginnt eine Druckwelle in Richtung Auspuffschlitz zurück zu laufen. Und das Ende der vom Zylinder weglaufenden Druckwelle schickt nach 0,9 m das Ende der zum Auspuffschlitz laufenden Druckwelle zurück. Diese lange, zurücklaufende Druckwelle kann den Zylinder aufladen. Bei n=10000/min wird jedoch nur der vorderste Teil der Druckwelle zur Aufladung des Zylinders ausgenutzt - dann schließt der Auspuffschlitz schon wieder. Bei 30 Kurbelwellendrehung nach Aö ist die Auspuffdruckwelle schon 0,05 m in den Konus eingedrungen. Die dadurch rückwärts reflektierte Unterdruckwelle (-..-)vermindert den Druck der Auspuffdruckwelle im Konus (---) auf den Druck der dick ausgezogenen Linie. Nach 60 hat die Auspuffdruckwelle den ganzen Konus durchlaufen. Durch die Querschnittserweiterung im Konus hat sich der ursprüngliche Druck (...) vermindert (---). Die zurücklaufende Unterdruckwelle (-..-) vermindert diesen Druck weiter auf den vorhandenen Druck (--). Bei 90 ist die Druckwelle schon 0,15 m in den Gegenkonus hinein gelaufen. Die dadurch reflektierte, rückwärts laufende Überdruckwelle (--..--) erhöht den sowieso durch die Querschnittsverringerung im Gegenkonus von(---) auf (-...-) erhöhten Druck weiter auf die dick ausgezogene Linie. Diese Druckerhöhung im Gegenkonus ist noch besser bei 120 zu sehen. Bei Schluss des Auspuffschlitzes (AS) nach 180 hat die Auspuffdruckwelle das schon 0,2 m lang passiert und eine ebenso lange zurücklaufende Unterdruckwelle reflektiert ( ). Hier sind die einzelnen Teile gut zu erkennen. Die ursprüngliche Auspuffdruckwelle (...), die sich im Druck verringert hat (----), hat im Gegenkonus wieder ihren Druck erhöht (-- --). Natürlich tritt im Gegenkonus nur die letztere Druckwelle ( ) auf, die durch die am offenen Rohrende reflektierte Unterdruckwalle (-- --) auf den dick ausgezogenen Druck im Rohr verringert wird. Die beiden Druckwellen ( ) und (----) sind nur zum besseren Verständnis der Vorgänge eingezeichnet. Die Druckverläufe wurden vom Institut für Verbrennungskraftmaschinen an der TH München gerechnet. Man erkennt also noch bei n=10000 die gewünschte Drucksteigerung. Aber auch schon bei n=7500/min ist eine Aufladung erkennbar - die rücklaufende Druckwelle hat ihr Ende noch nicht erreicht, wenn der Auslasskanal wieder schließt: Der Drehzahlbereich ist also wesentlich breiter geworden.

14 Bei dieser Art Auspuff treten also, wie aus dem Kommentar zu Bild 94 hervorgeht, vielfache Überlagerungen von Schwingungen auf, die die Höhe des Druckes bestimmen. Versuche mit gleicher Reflexionslänge (gemessen bis Mitte Gegenkonus) aber unterschiedlichen Diffusorkonuswinkeln zeigen den Einfluss der Konusform auf die Schwingungsvorgänge. Es zeigt sich, dass (wie ja anhand der Theorie durchaus einleuchtet,),ein längerer Diffusor mit einem kleineren Winkel länger anhaltende, in ihrer Maximalhöhe aber geringere Unterdruckwellen erzeugt, während bei kurzem Konus mit großem Winkel ein steiler, plötzlicher Druckabfall zu sehen ist, der recht schnell wieder aufhört: Unterschiedliche Diffusorkonuswinkel bzw -längen......und ihr Einfluss auf den Druckverlauf: Man sieht, dass die extremen Anlagen 1 und 4 keine optimalen Werte bringen, können. Bei Anlage 1 ist der Unterdruck zu abrupt und zu kurz, so dass er die Überströmschwingung nicht recht in Gang bringen kann. Bei Anlage 4 hingegen dauert die Unterdruckwelle zu lang, wodurch sie durch Überlagerung mit der rücklaufenden Druckwelle diese abschwächt und somit deren Wirksamkeit zur Aufladung herabsetzt.

15 Bei Anlage 4 lässt sich auch besonders schön die zweite Unterdruckwelle erkennen, die entsteht, wenn die erste Druckwelle den Ausgang des Gegenkonus ins Freie erreicht und somit als Unterdruck reflektiert wird. Dieser führt zu einem kurzen Zusammenbruch des Überdrucks bei der rücklaufenden Druckwelle. Hier liegt der vorhin angesprochene zweite Grund, warum man an den Gegenkonus noch ein Endrohr ansetzt: die zweite Unterdruckwelle kommt dann später und kann keinen Schaden mehr anrichten, weil bis dahin der Auspuffschlitz schon wieder geschlossen ist. Auch die Form des Gegenkonus hat Einfluss auf die Füllung des Motors. Das zeigte sich bei Versuchen mit nur am Gegenkonus veränderten Auspuffen: b) Unterschiedliche Gegenkonuswinkel bzw. -längen......und ihr Einfluss auf den Drehmomentverlauf: Auch hier beruht der Drehmomentverlaufunterschied auf den verschiedenen Überlagerungen der verschiedenen Wellen. Bei Ausführung 5 kann sich offenbar die kurze, starke Druckwelle gegen den langen Unterdruck nicht durchsetzen. Es kommt zu einer sehr schwachen Aufladung, vielleicht sogar im Endeffekt zu einem Frischgasverlust durch Unterdruck im Auslasskanal. (Leider liegen hier nur die Drehmoment-, nicht aber die Druckkurven vor.)

16 Je länger der Gegenkonus wird, desto länger wird auch die Druckwelle. - Natürlich kann man auch hier zu weit gehen, wenn nämlich die Druckwelle so früh kommt und so lang anhält, dass sie den für ein gutes Überströmen wichtigen Unterdruck behindert. Es fällt schwer, hierzu genaue Berechnungen anzugeben. Denn die zur Aufstellung solcher Formeln nötigen Annahmen können sich immer nur aus Messergebnissen rückbestimmen lassen. Und hier wirken so viele Faktoren eskalierend zusammen, dass sich nicht völlig eindeutig analysieren lässt, welches Ergebnis nun auf welchen Grund zurückführen lässt. Auch Ernst Ansorg, der sich über Jahrzehnte hinweg mit der Schwingungsberechnung von Zweitaktern beschäftigt hatte, kam hier zu keinem eindeutigen Ergebnis. Es hilft im Bezug auf die Form der Konen nur der Versuch weiter. Sehr schön kann man hingegen die Gesamtlänge bzw. die Reflexionslänge des Auspuffsystems berechnen. Letztere versteht sich als Länge vom Auslassschlitz bis zur Mitte des gesamten Gegenkonus von dessen Basis, d.h. dem zylindrischen Zwischenstück, bis zur imaginären Spitze. Wie vorhin schon erwähnt, kommt eine Aufladung, also ein Zurückschieben des Gases in den Zylinder mit Überdruck, nur zustande, wenn der Auslassschlitz gerade noch offen ist, wenn die Druckwelle zurückkommt. Andererseits kann vom Kurbelgehäuse erst dann keine Ladung mehr nachfließen, wenn die Überströmschlitze schon geschlossen sind. Genau dann muss also die Druckwelle zurückkommen. Es ist also als Bezugssteuerzeit der Winkel α m von Auslassöffnung bis Überströmschluss zu nehmen. Für diesen Winkel errechnet sich die Zeitdauer: t 1 = α m /6*n Damit t 1 =t 2 gilt, muss also sein: 2*l/c = α m /6*n Hieraus errechnet sich die Reflektionslänge l r = c* α m /12n Für die übrigen Abmessungen haben sich in Versuchsreihen folgende Abmessungen als günstig erwiesen: α 2 = 2α 1 d 2 =2.5d 1 F d =1,15...1,2F a

17 Krümmerlänge für Höchstleistungen: l 3 =6...8d 1 ; für breites Drehzahlband: l 3 =9...12d 1 d 3 =0,6d 1 l 7 =12d 3 Mit diesen Werten lassen sich erfahrungsgemäß gute Leistungen erzielen. Die Optimierung dieser Werte kann dann nur noch auf dem Prüfstand erfolgen, denn wie schon gesagt, sind die Zusammenhänge zu komplex, als dass es sich lohnen würde, jede Kleinigkeit bei den Berechnungen zu berücksichtigen. was rein theoretisch sogar möglich wäre, meines Wissens bisher aber noch von niemandem gewagt wurde. wohl vor allem, weil es den enormen Zeitaufwand nicht rechtfertigen würde. Wichtig ist nur, die fundamentalen Zusammenhänge zu erkennen und richtig auszuwerten. Eben hierbei spielt die Schwingungslehre eine Schlüsselrolle. Wie wichtig das Wissen über Schwingungsvorgänge für den Bau von Verbrennungsmotoren mit oszillierenden Gassäulen ist, möchte ich abschließend noch an einem besonderen Beispiel zeigen: Das Staustrahltriebwerk, eine besondere Form des Strahltriebwerks, das keine beweglichen Teile mehr hat, stellt einen abstrahierten Schwingungsberechneten Kolbenmotor dar. Bei diesem Triebwerk, das als Argus-Schubrohr des deutschen Ingenieurs Schmitt Ende der 30er Jahre gebaut wurde, wird der Gaswechsel ausschließlich durch die Schwingung der Gassäule gesteuert. (Einschränkung: Das zur Wirkungsgradverbesserung, zur besseren Startmöglichkeit und zur Vermeidung der Brandgefahr in den Ansaugtrakt geschaltete automatische Membranventil. Wenn die erste Verbrennung in diesem auch Schmitt-Rohr genannten Triebwerk vonstatten gegangen ist, was unter Zuhilfenahme von Fremdzündung und Fremdverdichtung des Gases geschehen muss, wird die entstandene Druckwelle am hinteren Ende als Unterdruckwelle reflektiert und wandert wieder nach vorn, wo sie das Ansaugen des Frischgases vornimmt. Dabei wird die Unterdruckwelle an der Ansaugöffnung wiederum als Überdruck reflektiert. Dieser Überdruck

18 verdichtet zusammen mit dem an der an der Hinterseite befindlichen Blende reflektierten Überdruck das zu verbrennende Gas, das sich daraufhin an den heißen Brennraumwänden bzw. während der Startphase an der Zündkerze entzündet. Ein neues Arbeitsspiel hat begonnen. Die Gemischbildung erfolgt bei diesem Triebwerk in einer Art vorgeschaltetem Vergaser. Damit die heißen Verbrennungsgase nicht in den Vergaser zurückschlagen können, ist zwischen dem Vergaser und der Brennkammer ein automatisches Membranventil angebracht. Die Vorzüge dieses Triebwerks liegen auf der Hand: Einfachster Aufbau, Wegfall aller beweglichen Teile, kaum Verschleiß, geringes Gewicht, billig. Heute wird dieses Triebwerk allerdings nicht mehr verwandt. Die Gründe: Als Raketen-Triebwerk ist es für große Höhen ungeeignet, weil es auf Luftsauerstoff angewiesen ist. Als Antrieb für Flugzeuge ist es aus zwei anderen Gründen unbrauchbar: Das Triebwerk macht enormen Lärm - und wegen der äußerst empfindlichen Gleichgewichte der Schwingungen ist es nicht möglich, irgendeine Art von Schalldämpfung einzubauen. Aus dem gleichen Grund ist es auch nicht möglich, eine Regelung der Schubstärke vorzusehen. Somit ist das Schmitt-Rohr aus heutiger Sicht nur noch ein interessantes Experiment, das zeigt, was mit konsequenter Nutzung der Schwingungseigenschaften von Gassäulen alles möglich ist.

19 Quellenangabe: - Ernst Ansorg: "Leistungssteigerung bei Zweitaktmotoren ; 15- teilige Artikelserie in der "Motor Rundschau" Heft-NR 24/1965; NR 1,2,4,6,8,10,11,15,17,19,21,25,/1966 Heft-nr 1,4 / H.W. Bönsch: "Motoren"; Begleitendes Skriptum zur Vorlesung Motorradtechnik der Fachrichtung Fahrzeugbau der FHS München - A.W. Hussmann: "Verbrennungsmotoren"; Skriptum zur Vorlesung des Lehrstuhls und Instituts für Verbrennungskraftmaschinen der TU München - Dr.Ing. Franz Zahren: "Entwicklung eines Mitteldruck-Einspritz- Zweitaktmotors" - Cesare Bossaglia: "Two-Stroke high performance engine - design and tuning" (Originaltitel~Il motore a due tempi di alte pretazioni") - Dipl.Ing.Dr.techn. Friedrich Gerstl: "Maßnahmen zur Abgas- und Verbrauchsverbesserug von kleivolumigen Zweitakt-Ottomotoren"; VDI-Verlag "Technik-Lexikon, Lexikon-Institut Bertelsmann "Auto-Lexikon Technik", Beilage der Zeitschrift "Auto, Motor und Sport", Heft 14,16,18,20,22,221,26/1973; Heft 2,4,6,8,10,12,14,16,18,20,22,24,26,28,30/1974