Überlegungen zur Abgas-Anlage 4. 1. 2009

Alles Folgende sind meine amateurhaften Überlegungen, keiner sollte sich hiervon zu eigenen (eventuell fehlerhaften) Entscheidungen verleiten lassen

Die einfachste Form, die Abgase ins Freie zu leiten:

Kurze Flammrohre der Messerschmitt BF-109. Es entsteht praktisch kein Gegendruck, man kann sogar anhand der Abgasflamme leicht beurteilen, ob alle Zylinder richtig feuern (ab 1000PS brauchts mindestens einen Vollzeit-Mechaniker, aber das ist eine andere Liga...). Die Sound-Kulisse ist entsprechend infernalisch (dieser Sound hat schon was...)

Allgemeine Auffassung im "Amateur"-Bereich ist, es soll eine 'getunte' Abgasanlage sein, das bringt mehr Power. Die ganze Idee der getunten Abgasanlage geht davon aus, dass die einzelnen Auspuff- Impulse in gleichmäßiger Reihenfolge die Anlage durchlaufen sollen. Der Unterdruck-Bereich, den ein Impuls hinter sich herzieht, soll zu einer zusätzlichen Extraktion des folgeden Impulses führen. Hierzu müssen alle Rohrleitungen bis zu der Vereinigung gleiche Längen haben. Hiermit haben wir allerdings auch entsprechendes Mehrgewicht durch die teilweise recht verschlungenen Rohrkonstruktionen (und andere Nachteile wie z.B. hohe Temperatur im Motorraum etc.) . Ich will hier einige Überlegungen anstellen, ob an der Sache etwas dran ist und es sich eventuell lohnt dies für meine Sonex zu übernehmen.

Mechanik/Physik

Meine Auslegung für den 2L VW-Motor geht von einer max. Dauerdrehzahl von 3200 rpm aus. Für diese Drehzahl soll die Abgasanlage optimal abgestimmt sein.

Bemerkung:

ein Tuning ist je sinnvoller, je höher die Drehzahl ist, aus dem Grund sollen Betrachungen im Teilllast-Bereich hier vernachlässigt werden.

Der 4-Zylinder 4-Taktmotor hat zwei Arbeitstakte und damit 2 Auspuff-Impulse pro Umdrehung. Die Auspuff-Frequenz ist somit:

6400/min oder 107 Hz.

Nimmt man als Strömungsgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit an (die wirkliche Geschwindigkeit wird durch die Dämpfung im Angassystem geringer sein), so haben wir für die Abstände der einzelnen Impulse eine Länge von:

330 m/s / 107 1/s = 3 m

Interessant ist es jetzt zu betrachten, wie sich der Auspuff- Impuls auf diese Länge verteilt. Die "Breite" des Impulses wird durch die Öffnungszeit des Auslass-Ventils bestimmt. Nehmen wir 240 Grad an, dann sind das bei 3200rpm:

60 s / 3200 = 18.8 ms pro Umdrehung

18.8 * 240 / 360 = 12.5 ms für den Abgas-Impuls, oder auf die Wegstrecke umgerechnet:

330 m/s * 0.0125 s = 4 m

Der aktuelle Auspuff-Puls überlappr sich zu einem Viertel mit dem vorherigen Impuls. Dieses Ergebnis erklärt sich aus dem Umstand, dass die Motor-Steuerzeiten sich überlappen (größer als 180 Grad sind).

Technische Realisierung

Dies ist die übliche Nummerierung der Zylinder beim VW-Motor (Propelle auf der Riemenscheiben-Seite montiert). Alle Referenzen beziehen sich hierauf.

Eine andere Sache ist die Zündfolge. Diese ist beim VW-Motor so:

1 - 3 - 2 - 4

also feuern zuerst die beiden Zylinder auf der linken Seite, dann die beiden anderen auf der rechten Seite.

Eine mechanisch einfache Lösung für den Abgas-Sammler wäre, jeweils die Zylinder 1 und 3 sowie 2 und 4 mit einem Y-Stück zusammenzufassen und die beiden Rohre (A und B) dann mit einem weiteren Y-Stück zu vereinigen.

Betrachtet man dann aber die Abgas-Impulsfolge, dann sieht man, dass unregelmäßige Folgen auf der rechten und linken Seite (Abgasstrand A und B) entstehen. Das ist sicher nicht gut!

Eine symmentrische Pulsfolge in den Zwischen-Sammlern A und B ließe sich erreichen, wenn man die beiden vorderen Zylinder ( 1 und 2 ) sowie die beiden hinteren ( 3 und 4) zusammenfasen würde. Das ist aber konstruktiv fast nicht möglich, da unter dem Motor der Ölkühler angeordnet ist und über dem Motor auch kein Platz vorhanden ist. Bleibt also nur die "klassische" Lösung des 4-in-1 Sammlers.

Mögliche/idealisierte Druckverläufe. Zylinder 1 Auslass öffnet (A). Druck im Abgaskrümmer steigt zuerst stark an, fällt dann wieder ab, Auslass schließt (B). Darauf entsteht durch die Massenträgheit der bewegten Gas-Säule ein Unterdruck hinter den geschlossenen Auslassventil. Dieser Unterdruck soll die Extraktion von Zylinder 3 (dessen Auslass gerade öffnet) beschleunigen helfen.

So ungefähr könnte die Verrohrung aussehen. Der vordere Krümmer geht auf den kürzesten Weg zum 4-in-1 Sammler (hier nicht zu sehen, in der Mitte der beiden Abluft-Kanäle). Der hintere Krümmer macht eine Schleife mit großem Radius um auf die gleiche Länge zu kommen (jeweils ca. 75 cm, gleich für alle 4 Rohre).

Materialauswahl

Der Krümmer direkt am Zylinderkopf kommt auf 800 bis 900 °C. Das hält 'normales' Edelstahl nicht aus. Interessanterweise werden Rohre und Bögen von sogenannten "Tuning"-Firmen verkauft, die aus AISI 304 (entspricht 1.4301 deutsche Material-Nummer) hergestellt sind. Dieses Material verzundert schon bei 450 Grad (!).

Es exisitieren einige Hersteller/Händler, die "warmfestes" oder "hochtemperatur" Edelstahl vertreiben. Allerdings, wie in Deutschland allgemein üblich, nur in großen Handels-Mengen :-(((

Nach einigem Suchen habe ich folgende geeignete Materialien gefunden:

Material	Wärmefest bis °C	Bemerkungen
1.4742 / TP 430 (X 10 Cr Al 10)	850	ferritischer Stahl, grenzwertig
1.4749 / TP 446 (X 18 CrN 28)	1100	ferritischer Stahl
1.4762 / TP 446 (X 10 Cr Al 24)	1150	ferritischer Stahl
1.4821 / TP 327 (X 20 CrNiSi 25 4)	1100	austenitischer Stahl
1.4828 / TP 309 (X 15 CrNiSi 20 12)	1000	austenitischer Stahl, hohe mech. Festigkeit
1.4841 / TP 314 (X 15 CrNiSi 25 20)	1150	austenitischer Stahl, hohe mech. Festigkeit
2.4816 (NiCr15Fe) alloy 600	600-900	Chromnickel, (Inconel 600), grenzwertig
2.4851 (NiCr23Fe) alloy 601	1150	Chromnickel (Inconel 601)
2.4889 (NiCr28FeSiCe) alloy 45TM	950-1000	extra korrosionsbest.