Die Resonanzen im Zweitaktauspuff

Hier möchte ich erklären, was die Abgase im Auspuff unserer Mopeds so machen und warum die Auspuffanlagen so sind wie sie sind. Vorab eine Skizze eines Zweitaktmotors mit Auspuf, damit Ihr wisst, von was ich spreche. Ja, ich weiß, hier ist wiedermal ein Kreidler Motor abgebildet, aber ich habe kein anderen. Ich verspreche das die Auspuffanlagen der anderen Mopedhersteller ganz genauso funktionieren.

Bei allen Zweitakt Auspuffanlagen ist am Ende, wo die Abgase nach außen treten, ein Engpass. Das ist Absicht und auch wichtig für die Funktion. Damit ist gewährleistet das im Auspuff immer ein leichter Überdruck besteht. Denn die leistungssteigernden Druckwellen, laufen in einem etwas höheren Druck energiereicher und schneller. Ein vergrößern dieses Engpasses führt immer zu einem niedrigeren Überdruck im Auspuff und zu einem Leistungsverlust des Motors.

Das passiert im Motor

Der Kolben steht oben und das Luft Benzingemisch ist verdichtet, jetzt wird dieses durch die Zündkerze angezündet. Wenn die Flammfront von der Zündkerze in der Mitte bis zum Zylinderrand durchgebrannt ist, entstehen Temperaturen im Brennraum von bis zu 2500°C. Durch den dabei entstehenden Explosionsdruck wird der Kolben nach unten gedrückt und die entstehende Energie über die Kurbelwelle an das Hinterrad weitergeleitet.
Der hinuntergehende Kolben erweitert den Brennraum und der Druck sinkt darin. Durch den sinkenden Druck sinkt auch die Temperatur der Verbrennungsgase. Beim Öffnen des Auslasskanals beträgt die Temperatur der Verbrennungsgase bei unseren Zweitaktmopeds durchschnittlich 600°C. Bei hochdrehenden Motoren etwas mehr, bei Drosselmotoren etwas weniger.

Mit der Öffnung des Auslasskanals jagen die Abgase explosionsartig mit einem lauten Knall in den Auspuff. Sie sind schneller als die Schallgeschwindigkeit. Die Schallgeschwindigkeit in normal temperierter Luft, bei üblichen Luftdruck beträgt rund 340m/s. Im Auspuff sind die Abgase durch die höhere Temperatur und den erhöhten Druck etwas schneller, so bei rund 400m/s. Das ist aber nur ein mittlerer Wert, weil die Temperatur und der Druck im Auspuff von Motortyp zu Motortyp unterschiedlich ist.

Der Kolben öffnet zuerst den Auslasskanal. Dabei jagt der erste Teil der Abgase mit angenommenen 400 m/s durch den Krümmer. Wenn die Abgase den Konus erreichen, werden sie nicht langsamer, aber sie dehnen sich aus. Durch diese Ausdehnung entsteht ein Unterdruck, der die restlichen Abgase aus dem Brennraum saugt.
Idealer weise erreichen die Abgase den Konus genau dann, wenn zusätzlich zu dem Auslass auch die Überströmkanäle öffnen. Dann ist nämlich der hohe Explosionsdruck im Auspuff und die verbleibenden Abgase müssen durch den viel niedrigeren Kurbelgehäusedruck durch die Überströmkanäle mit Frischgas rausgeschoben werden. Dabei hilft der temporäre Unterdruck im Krümmer so stark mit, das ein Teil des Frischgases in den Krümmer entweicht.

Die Druckwelle sollte die Prallplatte idealer weise dann erreichen, wenn der Kolben am unteren Totpunkt angekommen ist. Die Prallplatte ist gar keine Platte, sondern eine Halbkugel mit Löchern. Damit wirkt die Prallplatte wie ein kurzer Gegenkonus, der einen Teil der Druckwelle reflektiert und diese zurück Richtung Zylinder laufen lässt. Im Konus wird diese zurücklaufende Welle zusammengedrückt, was sie nochmal verstärkt und zurück in den Krümmer schiebt. Idealer weise kommt sie am Zylinder an, nach dem die Überströmkanäle wieder verschlossen sind, aber der Auslasskanal noch geöffnet ist. Dann schieben die rücklaufenden Abgase das in den Krümmer entwichene Frischgas zurück in den Zylinder, erhöhen so noch mal die Verdichtung und verbessern die Zylinderfüllung.

Jetzt wird das Frischgas vom Kolben weiter verdichtet, die Zündkerze zündet und das ganze geht wieder von vorne los. Mehrere tausend mal in der Minute.

Hier habe ich die "Zweitakt Steuerzeitenblume" um die Resonanzen im Auspuff ergänzt. Das erklärt nochmal das oben geschriebene und verdeutlicht es nochmal:

Hier in der Steuerzeitenblume ist der Idealfall abgebildet. Die Resonanzen im Auspuff passen nur bei der ausgelegten Nenndrehzahl optimal, da hat der Motor auch die größte Leistung. - Bei niedrigen Drehzahlen sind die Resonanzen zu schnell, sie sind zu früh zurück am Brennraum, es wird Abgas zurück in den Brennraum gedrückt. Bei ganz niedrigen Drehzahlen sind die Überströmer noch geöffnet, so das die Druckwelle aus dem Auspuff den Überströmvorgang behindert. Beides führt zu schlechten Zylinderfüllungen und zu einem mehr oder weniger großen Leistungsabfall. - Bei sehr hohen Drehzahlen, die man Bergab und bei Rückenwind erreicht, sind die Resonanzen zu langsam, die Druckwelle kommt zu spät, es verbleibt Frischgas im Krümmer, so das die Zylinderfüllung und somit die Motorleistung wieder abfällt. So erklärt sich auch das Zweitakttypische Leistungsdiagramm, bei der die Leistung bei Auslegungsdrehzahl immer am besten ist, darunter und darüber aber abfällt.  Mehr über die Kreidler Leistungskurven findet Ihr hier!

Diese in weiten Drehzahlbereichen ungünstige Zylinderfüllung und damit einhergehende schlechte Abgaswerte, sind auch der Grund, warum bei uns keine neuen leistungstarken Zweitakter mehr zugelassen werden!

Was bewirken Änderungen am Auspuff?

Betrachten wir uns mal einen Rennauspuff, auch Rennbirne oder Resonanzauspuff genannt, wobei der Begriff "Resonanzauspuff" auch für die meisten Serien-Zweitakt-Auspuffanlagen gilt, weil die auch mit Resonanzen arbeiten, nur nicht so effektiv.

Bei diesen "Tuning" Auspuffanlagen fällt auf, das diese im Mittelteil deutlich dicker sind, als die Serienanlagen. Das macht man deshalb, weil ein weiter aufgeweiteter Konus den Saug-Druckeffekt verstärkt und so den Motor noch stärker beim Spülen und Nachladen unterstützt. Diese Auspuffanlagen haben auch einen Gegenkonus, der die Prallplatte ersetzt. Dieser Gegenkonus verlängert die Zeit in dem die Druckwelle reflektiert wird und erhöht so die Elastizität der hochgezüchteten Motoren. Diese Auspuffanlagen werden von Profis aufwendig berechnet, getestet und speziell für leistungsgesteigerte Motoren ausgelegt. Auf einen Serienmotor montiert bewirken sie ohne Anpassungen meistens einen Leistungsverlust.
 
Am effektivsten ist ein Auspuff, wenn er auf die Drehzahlen des Motors angepasst ist. Verbaut man auf einem Mokick einen Kleinkraftradauspuff, kommt die Druckwelle viel zu früh zurück und behindert den Spülvorgang, was zu einem Leistungsverlust führt.

Hier habe ich die verschiedenen Kreidler Serien Auspuffanlagen beschrieben. Man kann da schön sehen, wie die Auspuffanlagen mit steigender Leistung und höherer Drehzahl immer kürzer wurden.

Eine Zusammenfassung der Lauflängen vieler Kreidler Auspuffanlagen habe ich hier zusammengestellt.

Jetzt betrachten wir mal rein theoretisch die Einzelteile der Auspuffanlage und was passiert, wenn man diese verändert:

Der Krümmer sollte idealer weise so lang sein, wie die Strecke, die die Abgase in der Zeit des Vorauslasses zurücklegen, also die Zeit von der Öffnung des Auslasskanals bis zur Öffnung der Überströmkanäle.
- Verkürzt man dem Krümmer setzt die Saugwirkung früher ein, obwohl man diese noch nicht benötigt, weil im Brennraum noch genügend Überdruck herrscht.
- Verlängert man den Krümmer, setzt die Saugwirkung später ein und man verliert etwas Unterstützung beim Spülvorgang.

Der Weg Anfang Konus (Diffusor) bis Prallplatte sollte idealer weise so lang sein wie die Strecke, die die Abgase von Öffnung der Überströmer bis Kolben unterer Totpunkt zurücklegt.
Der Abstand vom Ende Konus (Diffusor) bis Prallplatte sollte so Erfahrungsgemäß um die 10 bis 15cm liegen.
Der Konus erzeugt einen Unterdruck, die Prallplatte erzeugt einen Überdruck. Wenn der Konus die Prallplatte zu nahe aneinander sind, heben sich beide Drücke zum Großteil wieder auf und der Auspuff funktioniert nicht.
- Verkürzt man den Weg zur Prallplatte, ist die Abgasdruckwelle schneller zurück am Auslass und behindert den Spülvorgang.
- Verlängert man den Weg zur Prallplatte, braucht die Abgasdruckwelle länger und kommt erst dann zurück, wenn der Kolben den Auslasskanal schon verschlossen hat.

Schalldämpfer (Flöte) und Endkappe, sind beide extra als Engpass ausgeführt um den Druck im Auspuff selbst zu erhöhen. Im leichten Überdruck sind die leistungsteigernden Druckwellen schneller und entwickeln mehr Energie, was den Saug- und Nachladevorgang effektiv verstärkt. Der letzte RS Auspuff hatte 8 Löcher mit 11mm Durchmesser in der Prallplatte, im Schalldämpder aber nur 2 Löcher mit 8mm Durchmesser. Das war keine Drosselmaßnahme, Motoren mit zusätzlichen Löchern im Schalldämpfer sind lauter und haben weniger Durchzug.

Änderungen an der Auspuffanlage alleine sind immer Kontraproduktiv. Erst wenn der Motor so verändert wurde, das er höhere Drehzahlen erreicht, macht eine Anpassung der Auspuffanlage Sinn.

Sonderfall Drosselmotoren Die Mofamotoren sind auf 25km/h eingedrosselt. Moped und Mokickmotoren sind auf 40 km/h eingedrosselt. Diese Motoren sind so konstruiert, das beim Überström- und Spülvorgang kein Frischgas in den Krümmer gelangt. Die Steuerzeiten sind so "zahm" das der Kolben schon abriegelt, bevor der Zylinder komplett gefüllt ist. Für die geforderte niedrige Leistung ist so eine Teilfüllung durchaus ausreichend. Daher sind diese Drosselauspuffanlagen so konstruiert, das darin überhaupt keine Resonanzen entstehen. Bis Anfang der 70er Jahre hatten die Kreidler Mofas, Mopeds und Mokicks eine Auspuffanlage ohne Konus. Da keine Druckwelle entstehen sollte, brauchte diese auch nicht verstärkt werden, also hat man den Konus gleich weggelassen und die Auspuffanlagen sahen aus wie eine Zigarre. Trotz dem hat man den Krümmer weit in den Auspuff hinein ragen lassen, um gänzlich zu verhindern, das eine Druckwelle zurück zum Zylinder läuft. Hier zwei Beispiele so einer "Zigarre": Bei der Mofa Zigarre geht der Krümmer intern bis kurz vor die Prallplatte. Bei der Florett Mokick Zigarre ragt der Krümmer etwas weniger weit hinein, um den Motor nicht ganz abzuwürgen. Ab Anfang der 70er Jahre hat man bei den Mofa und Mokick Auspuffanlagen aus, meines Erachtens, optischen Gründen einen Konus verbaut. Dieser Konus wurde aber mit einem weit in den Auspuff reinragenden Krümmer ad absurdum geführt. Bei der Mofa Auspuffanlage mit Konus, ist der weit hineinragende Krümmer so verbaut, das man ihn nicht einkürzen kann. Bei dem Florett Mokick mit Konus ragt der Krümmer extrem weit in den Auspuff, so das der Konus auf keinen Fall etwas bewirken kann. Alle diese Drosselauspuffanlagen sind nur Schalldämpfer und Beruhigungskammer. Da spielt die Lauflänge keine Rolle. Man hat die Länge dieser Drosselauspuffanlagen ausschließlich nach optischen Gesichtspunkten schön kurz und kompakt gestaltet. Ein einkürzen des Krümmers bewirkt eine viel zu kurze Lauflänge, mit all ihren Nachteilen. Trotzdem werden dadurch die Drosselmotoren etwas entdrosselt, aber optimal laufen sie damit nicht.