Resonanzschalldämpfer von Walter Schmidt   In der Motorhaube meiner Kitfox war einfach nicht genügend Platz um den Originalauspuff des Motorenherstellers unterzubringen. Außerdem waren 2 x 4 kg Gewicht also 1/5 des Motorengewichtes einfach zu viel, es mußte eine andere Lösung her. Auf einem OUV Treffen sah ich eine Me 109 mit einem F30 und Resonanzschalldämpfern von einem Gokart. Ich hatte mir umgehend die gleichen Schalldämpfer beschafft. Gewicht 2 x 0,9 kg größter Durchmesser 100 mm, die Schalldämpfer konnte ich unter dem Rumpf anbringen. Ein Wermutstropfen blieb, die Abgastemperaturen waren furchterregend hoch. Nach einer langen Suche nach Informationen zur Berechnung von Resonanzschalldämpfern bin ich dann vor Jahren im Internet fündig geworden. Ein Berechnungsprogramm http://www.mh-aerotools.de/airfoils/javapipe_en.htm allerdings nur für Modellmotore. Was bei kleinen Motoren richtig ist, muß auch bei großen Motoren funktionieren. Ich habe dann meine Steuerzeiten ermittelt, die Resonanzlänge von meinem F30 nachgerechnet – ein Plus von 400 mm – ist das alles richtig? Die Resonanzlänge ist nur für einen kleinen Drehzahlbereich optimiert – was geschieht bei den anderen Drehzahlen – Anlassen – Leerlauf. Mit dem neuen Wissen und den Daten meines F30 habe ich ein Berechnungsprogramm geschrieben um Zusammenhänge zwischen Temperatur, Öffnungswinkel und Schallgeschwindigkeit zu erkennen. Mit der Verlängerung um 380 mm und Modifikationen hat sich der Schub kräftig erhöht, die Abgastemperaturen sind gesunken, der Brennstoffverbrauch bei 70 – 100% Motorleistung ist gesunken, beim Bummelflug (3.800 U/min 50 kt) ist der Brennstoffverbrauch leider angestiegen.   Der Aufbau von Auspuffanlagen ist bei Zwei- und Viertaktmotoren ähnlich, Abgaskrümmer, Konus/ Diffusor, Schalldämpfer und Endrohr. Im Konus/ Diffusor wird die hohe Strömungsgeschwindigkeit reduziert und Energie abgebaut, im Schalldämpfer wird dann durch eingebaute Schikanen (Lochbleche) der größte Teil der Abgasenergie abgebaut, und die Restenergie durch das Endrohr in Form von Lärm entlassen. Beim Zweitakter übernimmt der Auspuff nicht nur die Abgasentsorgung und Schalldämpfung sondern auch einen Teil der Motorsteuerung. Am nachfolgenden Beispiel wird beschrieben was sich im Resonanzauspuff abspielt. Kurbelwelle bei 101°: Wenn der Kolben die Abgasschlitze freigibt, hat das Verbrennungsgas seine Arbeit getan und verläßt mit etwa 590 °C und 580 m/s den Zylinder in Richtung Schalldämpfer. Kurbelwelle bei 127°: Im Konus/ Diffusor verringert sich die Geschwindigkeit der Abgassäule, dadurch entsteht im Abgaskrümmer ein Unterdruck, sobald der Kolben die Einlaßschlitze freigibt, strömt Frischgas in den Zylinder und weiter in den Abgaskrümmer. Kurbelwelle bei 180°: Die Abgassäule hat den Gegenkonus erreicht und Frischgas strömt nach und füllt den Abgaskrümmer. Kurbelwelle bei 233°: Beim aufprallen auf die Prallwand bzw. dem letzten Drittel des Gegenkonus, bewegt sich die Abgassäule wieder zurück zum Zylinder und schiebt das im Abgaskrümmer befindliche Frichgas in den Zylinder und teilweise auch in den Kurbelraum zurück, Abgaskrümmer und Zylinder werden hierbei gekühlt. Kurbelwelle bei 259°: Wenn der Kolben beim Aufwärtsgang die Einlaßschlitze schließt, wird der Motor bis zum schließen der Auslaßschlitze aufgeladen (Turboladeeffekt).

Ist die Resonanzlänge, (die Länge vom Abgasflansch bis zur Prallwand bzw. Ende des Gegenkonus) zu kurz, findet keine bzw. nur geringe Aufladung statt. Ist die Resonanzlänge zu lang, bleibt Frischgas im Abgaskrümmer. Ist der Querschnitt des Endrohres zu groß, baut sich kein Gegendruck auf, der Rückprall reicht nicht aus um eine Rückströmung auszulösen, ist der Querschnitt zu klein, kann das zu einem gefährlichen Wärmestau führen.   Ist der Auspuff mit einer Prallwand ausgerüstet, (Rotax 582), stimmt die Resonanzlänge nur bei einer bestimmten Drehzahl, das Drehmoment steigt steil an und fällt steil ab. Ist der Auspuff mit einem Gegenkonus ausgerüstet, stimmt die Resonanzlänge für einen Drehzahlbereich, das Drehmoment steigt flach an und fällt flach ab. Im Resonanzschalldämpfer wird die Schallwelle an der Prallwand oder im Gegenkonus reflektiert, läuft zurück zum Abgaskrümmer, reflektiert am Kolben (Pos 259°) die Abgasschlitze sind geschlossen, die Aufladung ist beendet. Wenn zwei Zylinder um 180° versetzt auf einen Auspuff wirken, rast 22° später die nächste Abgaswelle der ersten Rück- Welle hinterher. Wirkt nur ein Zylinder auf einen Auspuff läuft die erste Rückwelle nach dem zweiten Aufprall auf die Prallwand erheblich geschwächt zum Abgaskrümmer zurück, ohne etwas zu bewirken, vielleicht eine Schallschwächung durch Energieabbau. Die Resonanzlänge ist der halbe Weg den die Abgaswelle, vom öffnen der Auslaßschlitze (101°) zur Prallwand bzw. Gegenkonus, dann in Gegenrichtung zur Kolbenkante zurücklegt, die Einlaßschlitze (233°) sind jetzt gerade geschlossen. Vom Schließen der Einlaßschlitze (233°) bis zum Schließen der Auslaßschlitze 259° erfolgt die Aufladung.

Auspuff ausgeführt: Bei Auslegungslänge und Auslegungsdrehzahl wird die Schallwelle am Ende des Gegenkonus reflektiert. Bei gleicher Resonanzlänge und höheren Drehzahlen verschiebt sich die Reflektionszone, bedingt durch höhere Gasgeschwindigkeit, höherer Temperatur und größerer Gasmenge, zur Mitte des Gegenkonus. - Bei niedrigeren Drehzahlen und gleicher Resonanzlänge kommt die Resonanzwelle zu früh zurück und schiebt das Frischgas teilweise durch Zylinder in den Kurbelraum zurück. Obwohl die Resonanzwelle schon geschwächt ist, kann sie beim Rückgang erneut ungenutztes Frischgas in den Abgaskrümmer mitreißen (der unruhige Lauf nach Zweitaktmanier im Leerlauf). Wird die Resonanzlänge z.B. für 5.050 U/min mit 1.260 mm festgelegt, ist der Auspuff von 4.700 U/min bis Vollgas gut angepaßt. Das bedeutet ein beträchtlicher Leistungszuwachs bei gleichzeitiger besserer Brennstoffausnutzung und Lärmreduzierung. Abgasenergie die zur Aufladung zurückgewonnen wird, muß nicht mehr im Schalldämpfer vernichtet werden. a) Leerlauf kalt, b) Leerlauf warm, c) Anlassen Motor heiß, d) Anlassen Motor kalt   Unter 4.000 U/min reißt die zweite Resonanzwelle evtl. Frischgas mit in den Auspuff, 1-2 L/h Mehrverbrauch. Das ist der Preis für den Leistungszuwachs (150 ft/min mehr Steigen). Ab 4.500 U/min ist dafür der Brennstoffverbrauch 1- 2 L /Stunde geringerer. Wenn man einmal bei der 50 Stunden Kontrolle (Jugend forscht) den Motor ohne Luftfilter laufen läßt wird man feststellen, daß sich beim Anlassen und beim Leerlauf über dem Vergaser eine feine Tröpfchen Wolke bildet, - wenn man etwas Gas gibt ist alles vorbei. Die Erklärung dafür ist: die erste und zweite Resonanzwelle (150° + 199° Leerlauf kalt) schieben Frischgas durch den Zylinder –> Kurbelraum -> in den Vergaser zurück, erst die dritte Resonanzwelle (248° Leerlauf kalt) besorgt die Zylinder- füllung. Deswegen ist die Abgastemperatur im Leerlauf so extrem niedrig und der Brennstoffverbrauch sehr hoch. Von Leerlauf bis 3.000 U/min sinkt der Brennstoffverbrauch sogar um dann wieder anzusteigen, ab 4.500 U/min kann sich der Brennstoffverbrauch mit jedem Viertakter messen.   Der Auspuff des Rotax 582 ist mit einer Resonanzlänge RL = 980 mm auf die max. Drehzahl (6800 U/min) abgestimmt, der Drehschieber verhindert die Rückförderung von Frischgas in den Kurbelraum und stellt die Aufladung sicher. Bei niedrigeren Drehzahlen kann die Resonanzwelle beim Rückprall am Kolben, Frischgas aus dem Zylinder mit in den Abgaskrümmer mitreißen, wenn der Auslaßschlitz noch nicht geschlossen ist. Eine Anpassung der optimalen Resonanzlänge auf 5800 U/min und Austausch der Prallwand gegen einen Gegenkonus würde das maximale Drehmoment über einen größeren Drehzahlbereich strecken und den Brennstoffverbrauch im Teillastbereich reduzieren.   Zum Download: Auspuff.zip (100 kB). Programm zur Berechnung der Resonanzlängen für den Hirth F30 und den Rotax 582. Walter Schmidt, fliegerschmidt@t-online.de

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