Resonanz bei Auspuffanlagen

[Alrik]

Hi,

ich wollte mal wissen wie das mit der Resonanz bei Zweitaktern aussieht. Wie entsteht sie und wodurch wird sie beeinflusst. Soweit ich weis haben ja einige Auspuffanlagen einen größeren Resobereicht, dafür weniger Performance und andere eine super Performance, die dann aber nur in einem kleinen Bereich.

Letzteres dürfte ja bei MotoX Motorrädern der fall sein oder wie auch bei der Anlage der Crsten Fichtel (wenn der so heißt). Soweit ich mich erinnern kann war das aber auch ein umgebauter Crosserauspuff.

MFG

[manni]

Guckst du hier. Hier gibts 37 Seiten Diskussion über Resonanzauspüffe. Ansonsten gibts gute Tuningliteratur.

[Alrik]

So hab den schnellaufenden Zweitakter und Norrie Kerr gelesen aber genutzt hats nicht. Ich weis jetzt wie die Wellen laufen und was eine positive und was eine negative Welle ist. Aber wie sich der Überdruck um Auspuff aufbaut weis ich immer noch nicht.

Der Überdruck gegenüber der Atmosphäre führt ja dazu, dass die Abgase rausgesaugt werden, wenn ich das richtig verstanden habe. Aber was hat das mit Resonanz zu tun?

Es scheint mir eher, dass durch den verengten Auslassquerschnitt und die sich im Auspuff ansammelnden Gase der Überdruck entsteht. Oder nicht?

MFG

[manni]

Guckst du auch noch hier. Da wurden auch noch interessante Sachen angesprochen, die dir bestimmt weiterhelfen. Wenn du dann noch Fragen hast, poste sie einfach nochmal.

[Millord]

Ich gebe dir mal eine Kurzversion:

Also wenn unser Kolben in Richtung unterer Totpunkt maschiert, wird irgendwann der Auslaßschlitz vom Kolben freigegeben und das verbrannte Gemisch kann in den Auspuff einströmen. Soweit dürfte es noch keine Fragen geben.

In der Zeit in der der Kolben nach unten geht werden nach dem Auslaß irgendwann mal die Überstomkanäle aufgemacht. Durch die Abwärtsbewegung des Kolbens wird (bei verschlossenem Einlaß) das frische Gemisch unter dem Kolben durch die Überstromkanäle in den Zylinder gedrückt. Auch das sollte klar sein.

Aber jetzt wird es interessant. Der Auslaß hat sich ja als erstes geöffnet und schließt sich logischer weise wenn der Kolben nach oben geht auch als letztes wieder. Also der Kolben ist jetzt ganz unten und hat alles Gemisch aus dem Kurbelhaus in den Zylinder gedrückt (Ich übergehe mal vorerst die Masseträgheit des Gemisches bei meinen erklärungen). Jetzt ist also der ganze Zylinder mit frischem Gemisch gefüllt und der Kolben ganz unten. Preisfrage: Was passiert jetzt wenn der Kolben nach oben geht und der Auslaß noch offen ist?? Genau, das gute frische Gemisch wird durch den Auslaß in den Auspuff geblasen und zwar so lange bis der Auslaß zu ist. (warum nicht auch in den Einlaß, der ist auch noch offen? Gut aufgepaßt, aber das kommt später zusammen mit der Masseträgheit!) Wenn soweit alles klar war, dann können wir zum Auspuff kommen.

Wie wir oben gelernt haben befindet sich jetzt im Auspuff etwas von unserem frischen Gemisch. Jetzt kommt die Aufgabe des Auspuffs zum tragen. Wenn der Kolben nach oben saust, baut sich im Zylinder ja ein Druck auf, der dafür verantwortlich ist das das Gemisch in den Auspuff einströmt. Wenn wir jetzt aber einen Auspuff haben, der einen Rückstau, sprich einen Gegendruck aufbaut der in etwa gleich groß ist wie der der sich im Zylinder aufbaut, gibt es zwischen Zylinder und Auslaß kein Druckgefälle mehr und das Gemisch bleibt im Zylinder bis der Auslaßschlitz zu ist. (Wenn unser Auspuff ein ganz lieber ist, dann baut er in dem Moment in dem der Auslaßschlitz nach dem OT öffnet sogar einen Unterdruck auf, damit das alte Zeug rausgesaugt wird.)

So, wir brauchen also einen Auspuff der einmal einen Unterdruck aufbaut und einmal einen Überdruck und das ganze auch noch zum richtigen Zeitpunkt.

So, jetzt wissen wir also was ein guter Auspuff leisten sollte. In der Praxis ist es aber nicht möglich diese Aufgabe über alle Drehzahlen zu erfüllen, sondern nur in einem gewissen Bereich, dem sogenannten Resonanzbereich, der hängt von der Bauart des Auspuffs zusammen zu der wir jetzt kommen.

Wie erzeugt man aus einem Abgasstrom einen Überdruck bzw. einen Unterdruck? Ganz einfach haben wir ein normales Rohr durch das Abgas strömt das in ein größeres Rohr mündet, hat die selbe Menge Abgas ja jetzt ein viel größeres Volumen

auf das es sich verteilen kann, das heißt, der Druck sinkt. Dieser Unterdruck wandert jetzt Rückwärts durch den Krümmer bis zum Auslaßschlitz. Wie schnell er da ankommt hängt vom Abstand des Rohrendes zum Auslaßschlitz ab, die Stärke des Unterdrucks hängt vom Durchmesser und dem Grad der Aufweitung ab.

Jetzt hat also der geneigte Auspuffbauer die Aufgabe dafür zu sorgen, das die Länge des Rohres genau so lange ist das eine der zurücklaufenden Unterdruckwellen zufällig genau dann ankommt wenn der Auslaß offen ist und der Kolben sich zwischen OT und UT im Abwärtsbewegung befindet. Die Zeit die die Unterdruckwelle braucht ist immer die selbe, aber die Zeit die der Kolben für einen Takt braucht ändert sich mit der Drehzahl. Also muß sich der Auspuffbauer überlegen bei welcher Drehzahl er den Effekt haben will. Aber es gibt noch einen Trick: Wie dir sicher aufgefallen ist haben die guten Auspuffanlagen kein dünnes Rohr das plötzlich in ein dickes Rohr mündet sondern einen Konus zwischen dem dünnen und dem dicken Rohr. Warum? Einen konus mit einem alten PC mit 320*480 Auflösung angesehen sieht ja eher aus wie eine Treppe oder anders gesagt wie lauter dünne Rohre, die in dickeren münden, dann in noch dickeren und dann in noch dickeren. Vorhin haben wir gelernt, das die größe des Unterdrucks davon abhängt wie groß der Unterschied vom kleinen in das große Rohr ist . Jetzt haben wir lauter kleine Unterschiede aber auf einer Vielzahl verschiedener Längen. In der Praxis heißt das jetzt, die Unterdruckwelle ist nicht so stark bei einem Konus aber dafür ist die Zeitspanne in der sie wirkt größer und somit der Resonanzbereich breiter. Also weniger stark ausgeprägter Effekt aber dafür bei einem größeren Drehzahlbereich. Der Auspuffbauer kann jetzt mit der Steilheit des Konuses etweder auf Leistung oder auf wirkungsbreite optimieren.

So, den Unterdruck haben wir jetzt also erzeugt und unser Auspuff besteht jetzt aus dem Krümmer und einem Konus und einem Dicken Rohr. Jetzt brauchen wir noch den Überdruck. Da verhält sich im Prinzip alles so wie bei der Unterdruck erzeugung nur Umgekehrt! Also Länge des Dicken Rohres bestimmt die Zeit zwischen unterdruck kommt am Auslaß an und Überdruck kommt am Auslaß an. Der Winkel die Stärke des Effektes.

Jetzt noch der Nachschlag für die Leute die es ganz genau wissen wollen mit der oben vernachläßigten Maseträgheit des Gemisches: Der Einlaß kann noch offen sein obwohl der Kolben sich schon im Abwärtshub befindet, da das Gemisch das durch den Einlaß strömt mit viel Geschwindigkeit und einer hohen Trägheit ankommt und erst abgebremst werden muß bevor es wieder vom Kolben rückwärts durch den Einlaß rausgeschoben werden kann. Je schneller das Gemisch einströmt, je schlechter kann es gebremst werden, weshalb bei hohen Drehzahlen eine Längere Einlaßsteuerzeit möglich ist als bei niederen. Der Nutzen einer längeren Einlaßsteuerzeit? Die Trägheit sorgt dafür, daß noch Gemisch einströmt obwohl sich der Kolben bereits nach unten bewegt und eigentlich das Zeug Rückwärz duch den Gaser schieben sollte. Im idealen Fall macht der Einlaß genau dann zu wenn die Geschwindigkeit des Einströmenden Gemisches gerade Null ist.

Für die Überstromkanäle gilt das selbe, das Gemisch saust vom Kurbelhaus extrem schnell nach oben während des Übersromvorganges. Durch die Masseträgheit ist im OT nicht plötzlich Ruhe, sondern die Geschwindigkeit ist noch voll da und deshalb geht das frische Gemisch lieber in den Auspuff bevor es zurück in den Überstromkanal einströmt

O.K. war doch keine kurzversion, aber dafür sollten alle Fragen geklärt sein!

Viel Spaß beim Lesen

[Alrik]

so, vielen Dank an euch beide!

Den Text muss ich mir erst noch mal ganz in Ruhe bei einem Glas Rotwein zu Gemüte führen .

Aber so im groben hab ich das jetzt glaub ich verstanden, sonst frag ich noch mal nach den Einzelheiten!

MFG

[HerrDerKolbenringe]

und unterstützend von mir dazu ein feines animated gif

sieht man schön ... frischgase sind grün

:love: :love: :love:

Bearbeitet 21. September 2003 von HerrDerKolbenringe

[Alrik]

danke HDK, hatte ich aber schon!

MFG

[Lucifer]

Nun alles klar?

Im Grunde expandierst du das durch den Zündvorgang extrem erhitzte und danach Arbeit leistende Gas im Auspuff wieder, kühlst es ab, und benutzt den Nebeneffekt, daß das ganze eigentlich einen Schwingungsprozeß darstellt!

Eine periodische Druckänderung in einem Gas stellt nämlich die Basis einer longitudinalen Schwingung dar, wie ja auch Musik,... (denke an Blasinstrumente!)! Jede Änderung diese Prozesses stellt wiederum den Ausgangspunkt einer neuen Schwingung dar (bei transversalen Wellen nent man das das Kugelwellenprinzip!)!

Wellenberge stellen Bereiche erhöhter Gasdichte (Drucks) dar, Wellen täler solche geringer Dichte (Drucks)...

Wenn sich nun die Wellenberge der einzelnen Schwingungen positiv überlagern, so verstärken sie sich (Druck potenziert sich quasi), fallen negative und positive übereinander so löschen sie sich - zumindest teilweise aus! Alles klar bisher?

Wenn du das Abgas nun zunächst im Auspuffrohr expandierst und anschließend wieder leicht komprimierst, entstehen an jeder Querschnittänderungen einzelne Druckwellen, deren Überlagerungen eine gesamte Druckwelle ergibt, die auch wieder in Richtung des Auslaßschlitzes zurückwandert! Wegen der hohen Temperaturen und kurzen Zeiten erfolgt da i.a. eine mehrmalige Hinundherschweingung, bevor das Gas endgültig beim Dämpfer ins Freie gelangt!

Wie nutzt man diesen Effekt nun Positiv?

Dadurch, daß man die Längen und Geometrien des Auspuffs entsprechend gestaltet, kann man (zumindest bei bestimmten Drehzahlen!) den Zylinder neuerlich aufladen und so den Druck darin weiter erhöhen! Dafür muß das Abgas (genau: ein teil davon) im optimalen Fall wieder dann am noch offenen Auslaß ankommen, wenn die ÜS gerade wieder geschlossen sind! Umso länger also der Vorauslaß ist, umso mehr Zeit hat man dafür, und umso breiter kann der Bereich positiver Resonanz werden! All das hat freilich auch negative Nebeneffekte: Öffnet der Auslaß bereits sehr früh (bzw. schließt sehr spät!), bleibt wenig Nutzhub und somit effektive Verdichtung übrig! Sind die ÜS-Zeiten zu kurz, verringert sich deren Zeitquerschnitt drastisch (bei zunehmenden Drehzahlen geht da nichst mehr durch!)! Zu beachten ist auch: beim Öffnen der ÜS sollte nämlich bereits wieder kein Druck (oder besser: wenig Unterdruck) im Zylinder herrschen, sonst zieht es das Frischgas gleich wieder beim Auslaß raus bzw. findet es zuviel Widerstand beim Einströmen....!

Optimal ist es, wenn das einströmende Frischgas das letzte verbliebene Altgas als "Kern" beim Auslaß rauschieben würde, und das ist verdammt schwer zu erreichen! Im günstigsten Fall verliert man etwas Frischgas (Spülverlust), wenn's übel hergeht, verliert man die ganze Spülung und somit die Leistung! Daher spült man heute vorallem via die Boostports sehr steil in den Zylinder, durch die Hauptüberströmer fast parallel zum Kolbenboden ein....!

Dies nur als einer von zahlreichen Begleitprozessen, die man leider nicht wirklich von einender trennen kann....!

Aber ich hoffe, du hast jetzt zumindest einen Bildausschnitt der Vorgänge.....

Bearbeitet 8. Oktober 2003 von Lucifer

[Millord]

Hihi, da ist wohl voll der Physiker durchgebrochen Lucifer?? Hoffe man versteht auch was wir beide meinen. Wenn's zu unverständlich war, gerne nochmal Nachfragen. Die Schwingungs und Berechnungsformlen fehlen noch, aber die sind eh nur sehr grobe Nährungen. Vielleicht sollte mal einer ein Buch rausgeben mit den gesammelten Weisheiten der GSF'ler

Bearbeitet 22. September 2003 von Millord

[Millord]

Mal wieder nach oben heben, wird vielleicht noch den einen oder anderen interessieren

[Alrik]

Ich glaube ich habs fast, aber ich bin noch nicht zufrieden, denn ich glaube es scheitert u.a. an der exakten Definition des Wortes "Resonanz".

Dafür muss es ja eine deutsche Umschreibung geben.

Wenn ich lese:

"den Zylinder neuerlich aufladen und so den Druck darin weiter erhöhen! Dafür muß das Abgas (genau: ein teil davon) im optimalen Fall wieder dann am noch offenen Auslaß ankommen, wenn die ÜS noch nicht offen sind!"

Darin sehe ich noch keinen Sinn. Wieso soll der der Zylinder aufgeladen werden und der Druck erhöht während sich der Kolben nach unten bewegt? Bei aufgehendem Auslass vermindert sich doch der Druck. Es müsste doch eigentlich ein Unterdruck erzeugt werden um die Frischgase in den Zylinder zu "ziehen", oder?

Oh weia bis ich das kapier habt ihr lange Bärte!

MFG

[vespa_user]

sie mal hier

[manni]

Hast recht Alrik, ich denke der Autor hat sich verschrieben. Die aufladene Druckwelle soll im optimalen Fall genau dann ankommen wenn die Überströmer beim Aufwärtshub gerade geschlossen haben und der Auslass noch auf ist.

[Lucifer]

So sollte es sein!

Hab ich mich da verschrieben? Muß ich was editieren?

Dann sorry... Danke für's mitdenken!

[Lucifer]

Hab's rasch editiert, paßt es jetzt?

Danke euch für den Hinweis!

[Millord]

Ich glaube ich habs fast, aber ich bin noch nicht zufrieden, denn ich glaube es scheitert u.a. an der exakten Definition des Wortes "Resonanz".

Dafür muss es ja eine deutsche Umschreibung geben.

Wenn ich lese:

"den Zylinder neuerlich aufladen und so den Druck darin weiter erhöhen! Dafür muß das Abgas (genau: ein teil davon) im optimalen Fall wieder dann am noch offenen Auslaß ankommen, wenn die ÜS noch nicht offen sind!"

Darin sehe ich noch keinen Sinn. Wieso soll der der Zylinder aufgeladen werden und der Druck erhöht während sich der Kolben nach unten bewegt? Bei aufgehendem Auslass vermindert sich doch der Druck. Es müsste doch eigentlich ein Unterdruck erzeugt werden um die Frischgase in den Zylinder zu "ziehen", oder?

Oh weia bis ich das kapier habt ihr lange Bärte!

MFG

Also den Begriff Rasonanz mal Schnell erklärt:

Jedes Schwingende System egal ob Auspuff oder eine Kugel an einer Feder hat eine sogenannte Eigenfrequenz. Bei einer Kugel an einer Feder ist das einfach zu bestimmen, man mißt die Zeit zwischen zwei UT's der Kugel und nimmt den Kehrwert davon. Beim Uhrenpendel ist es gleich, beim Auspuff auch.

Die bisher betrachteten Schwingungen sind aber nur einmal angeregt worden und dann sich selbst überlassen. Bei unserem Auspuff wird aber jedes mal, wenn Abgas einströmt eine Schwingung angeregt.

Was heißt angeregt? Wenn wir bei unserem Beispiel bleiben, dann hältst du jetzt die Feder an der die Kugel hängt in der Hand und bringst die Kugel durch hoch runter Bewegung zum schwingen (und wehe jemand denkt jetzt was falsches!!). Wenn du jetzt aber deine hoch runter Frequenz der Eigenfrequenz des Pendels angleichst wirst du folgendes feststellen:

Die Kugel hat eine immer extremere Auslenkung und knallt dir irgenwann gegen das Handgelenk (mathematisch wird die Auslenkung ohne Verluste sogar unendlich)

Das ist die sogenante Resonanz! Resonanz heißt also das die Erregerfrequenz einer Schwingung der Eigenfrequenz entspricht. Ein Rennauspuff hat ja wie oben geschrieben seine Eigenschwingung die von den Winkeln und Längen seiner Bauteile abhängt.

Resonanz Auspuff heißt er halt einfach deswegen, weil er sich diesen physikalischen Effekt zu nutze macht und bei Resonanzdrehzahl seine Wirkung am besten ist.

Hier mal was zum Spielen für dich, dann siehst du was ich meine:

Feder-Masse Pendel

Die Eigenfrequenz ist mit w=3,16 rad pro sekunde angegeben, versuch mal was passiert wenn du im Feld Kreisfrequenz diesen Wert angibst und die Simmulation startest. Am extremsten, wenn du auch die Dämpfung = 0 setzt

[Lucifer]

Das ist die sogenante Resonanz! Resonanz heißt also das die Erregerfrequenz einer Schwingung der Eigenfrequenz entspricht.

So ist es nicht ganz: Resonanz heißt vorallem "Gleichphasigkeit"!

Damit ist gemeint, daß für positive Wellenmaxima der Erreger.- und der Eigenfrequenz zusammenfallen, und ebenso Minima; es ist also auch ein ganzzahliges Verhälnis der Frequenz (bzw. Wellenlänge) möglich, um Resonanz zu erreichen!

Dies verdeutlichst du dir am einfachsten, wenn du zwei Sinusschwingungen mit Wellenlängen in ganzzahligem Verhältnis untereinander aufzeichnest, und dann daraus eine "Summenwelle" bildest, indem du an jedem Punkt die beiden Amplituden der ersten beiden Wellen addierst...! Mache das mal für verschiedene Wellen, für geradzahlige, ungeradzahlige Wellenlängenverhälnisse, mit verschobenen Anfangspunkten,...und dann für zwei Schwingungen mit nicht geradzahligem Wellenlängenverhältnis....

Im Auspuff ist jeder Punkt quasi Ausgangspunkt einer Welle, die Überlagerung aller ergibt die resultierende Welle....

[Millord]

Das ist die sogenante Resonanz! Resonanz heißt also das die Erregerfrequenz einer Schwingung der Eigenfrequenz entspricht.

So ist es nicht ganz: Resonanz heißt vorallem "Gleichphasigkeit"!

Damit ist gemeint, daß für positive Wellenmaxima der Erreger.- und der Eigenfrequenz zusammenfallen, und ebenso Minima; es ist also auch ein ganzzahliges Verhälnis der Frequenz (bzw. Wellenlänge) möglich, um Resonanz zu erreichen!

Dies verdeutlichst du dir am einfachsten, wenn du zwei Sinusschwingungen mit Wellenlängen in ganzzahligem Verhältnis untereinander aufzeichnest, und dann daraus eine "Summenwelle" bildest, indem du an jedem Punkt die beiden Amplituden der ersten beiden Wellen addierst...! Mache das mal für verschiedene Wellen, für geradzahlige, ungeradzahlige Wellenlängenverhälnisse, mit verschobenen Anfangspunkten,...und dann für zwei Schwingungen mit nicht geradzahligem Wellenlängenverhältnis....

Im Auspuff ist jeder Punkt quasi Ausgangspunkt einer Welle, die Überlagerung aller ergibt die resultierende Welle....

Naja, daß du als Physiker da genauere Definitionen hast war mir klar, aber ich wollte es einfach halten

[Lucifer]

Nein, wollte hier gar nicht klugscheißen oder mit großen Formeln ankommen...!

Es geht alleine um für uns relevante Aspekte, und sich die hier einwenig zu veranschaulichen!

Mir wurde das damals auch am einfachsten klar, wenn man simple Sinuswellen (Transversalwellen) mal graphisch übereinaderlegt...., oder sich ein simples Wellenbad in einem Kübel oder Badewanne macht und mit infantiler Freude testet ! Schallwellen sind zwar Longitudinalwellen (wie bei Musikinstrumenten), wo Wellenberge Bereiche großer Materialverdichtung (zB. hohe Gasdichte) und Wellentäler solche großer "Materialverdünnung" (geringe Gasdichte) darstellen, aber diese Unterscheidung ist im Grunde für uns gar nicht so wichtig.....