Nun Kommt viel Text
Beim 1.Takt des Zylinders, Ansaugen, entsteht ein Unterdruck im Zylinder und in der Ansaugbrücke. Dieser Unterdruck ist bestrebt sich auszugleichen und zieht somit Luft durch die Drosselklappe. Je grösser der Druckunterschied zwischen Zylinder und vor der Drosselklappe ist desto grösser ist die Kraft mit der die Luft gezogen wird. Im Leerlauf, wenn die Drosselklappe zu ist, stellt sich daher ein Gleichgewicht mit Unterdruck ein, da nicht genug Luft durch den schmalen Spalt der Drosselklappe fliessen kann. Ursache dafür ist die Geschwindigkeit, welche die Luft im Spalt hat. Denn wenn ich einen konstanten Volumenstrom (m²/s) druch eine Verängung schicke sollt man noch aus dem Physikunterricht kennen, dass diese sich beschleunigt. Das diese Geschwindigkeit nicht gegen Unendlich gehen kann ist ebenfalls noch klar, dass es allerdings einen speziellen Wert gibt ergibt sich nicht unbedingt gleich. Bei Strömungsgeschwindigkeiten um unteren und mittelerem Bereich, 0-600km/h, kann man mit dem Randwiderstand rechnen, der sich im Quadrat der Geschwindigkeit vergrössert. Ist Widerstand gleich der Kraft kann die Strömung nicht weiter beschleunigt werden. Darüber kommen noch Wellenwiderstände infolge der Kompressibilität der Luft ins Spiel. Schwerer zubeschreiben, führen sie aber dazu dass bei exakt Mach 1 eine Sperrwirkung erzeugt wird, Widerstand geht gegen unendlich, infolge der Stosswellen. Um die Geschwindikeit durch Querschnittsänderung trotzdem noch zu steigern müsste man den Querschnitt wieder vergrössern in eine Konvex-Konkav-Düse (Raketentriebwerke).
Das bedeutet nun also für uns das immer ein Druckgleichgewicht in der Ansaugbrücke einstellen wird, welches das ECU als MAP-Wert bekommt. Bei vollgeöffneter Drosselklappe errechnet sich bei einer Drehzahl von 6000u/min die Strömungsgeschwindigkeit wir folgt: 1300cm³ = 0,0013m³ / 2 (zwei Zylinder saugen pro Umdrehung an) multipliziert mit der Umdrehungszahl z.B. 6000u/min = 100u/s ergibt den Volumenstrom = 0,13m³/s .
Dieser Volumenstrom muss die Drosselklappe mit 48mm = 0,00181m² passieren. Volumenstrom durch die Fläche dividieren ergibt die Geschwindigkeit von 71,82m/s = 258km/h. Das sind aber idealisierte Werte, ohne das die Drosselklappe selbst im Kanal ist, mit dieser erhöht sich die geschwindigkeit auf: ca. 280km/h.
Wie extrem diese Werte sein können zeigt sich wenn man die Rechnung mal für eine geschlossene Drosselklappe mit 1mm Aussensplat macht. Die Fläche reduziert sich extrem, beide Kreisflächen 48mm und 46mm voneineander abziehen. Die Geschwindigkeit liegt dann bei 1634m/s !!! = 5882 km/h, grob Mach 4,9. Das liegt entsprechend bereits oberhalb der Sperrgrenze und wer bei Volllast schon mal vom Gas gegangen ist weiss auch das der Motor keine Leistung mehr erzeugt, da er nicht die Luft bekommt die er eigentlich braucht.
Nun könnte man aber sagen "bigger is better", also möglichst grosse Querschnitte nehmen. Insgesamt nicht ganz von der Hand zu weisen, doch zeigt sich das ein Kolbenmotor anders arbeitet als eine Turbine. Durch die Taktung wird der Luftstrom mal in Bewegung gesetzt (Ansaugen) und mal bleibt er stehen (alle andern Takte). Dieses Stop&GO hassen wir auch als Fahrer in der Innenstadt wenn wiedermal an jeder Ampel anhalten müssen und dass dieses Verfahren nicht gerade öknonimisch ist sehen wir am Spritverbrauch. Mit der Luft ist es nicht viel anders, denn jede Geschwindigkeitsänderung kostet zusätzliche Energie, Beschleunigung aus dem Stillstand am meisten. Daher versucht man die Ansaugwege so zu gestallten das der Luftfluss so kontinuierlich wie möglich verläuft. Bei zu grossen Durchmessern hat man kaum Luftbewegung überhaupt, bei zu kleinen grössere Widerstandsverluste. Hinzukommt das man das Anhalten der Luft ausnutzen kann. Denn wenn man die gesamte Luftsäule in Bewegung gebracht hat und nun das Einlassventil schliesst entsteht dort ein Stau, da Luft kompressibel ist und die noch in Bewegung befindliche Luft von hinten schiebt (siehe Auffahrunfall) verdichtet sich die Luft vorne. Durch diesen Druckunterschied wird dann eine Rückwärtsbewegung der Luft erzeugt, die ganz übel ist da wir ja die Luft beim nächsten Ansaugen nicht nur beschleunigen sondern abbremsen und zurückbeschleunigen müssen. Der Trick ist aber das man den Stau ausnutzen kann in dem man kurz bevor sich die Rückwärtsbewegung einstellt das Ventil wieder öffnet. Dann begint die Luft sogar von alleine in den Zylinder zuströmen was weniger Energie erfordert bzw. komprimierte Luft angesaugt werden kann. Der Füllungsgrad das Zylinders erhöht sich, die Leistung steigt. Da dieses System aber exakt ausgelegt sein muss braucht man theoretisch für jede Drehzahl eine andere Röhre, denn Durchmesser und Länge sind entscheident für diese Stau oder auch Stossaufladung genannt. Der Ansaugkrümmer ist also immer ein Kompromiss. Je Dünner und Länger die Röhre desto mehr Leistung wird im unteren - mittlerem Drehzahlband generiert, dick und Kurz gibt Schub oben raus. Nur die ACIS Brücke kombiniert beide Konzepte.
Wichtig dabei ist allerdings das Luft alleine keine Leistung bringt, denn sie muss mit der richtigen Menge an Kraftstoff gemischt und verbrannt werden. Dieser Wert liegt bei 14,7kg Luft auf 1kg Treibstoff, auch AFR-Wert oder Lambda 1 genannt. Die maximale Leistung holt man bei einem AFR von ca. 13 also mehr Treibstoff als für das optimale Gemisch, ist aber abhängig von der Konstruktion des Motors. Das ECU als Gehirn des Motors versucht meist 14,7 einzustellen da es am ökologischten ist. Wird mehr Luft angesaugt erteilt das ECU den Befehl mehr einzuspritzen, allerdings kommen irgendwann die Einspritzventile an ihr Grenzen. Im 4efe sind 165ccm = 165cm³/min Ventile verbaut, welche bei hohen Drehzahlen einfach nicht mehr genug Treibstoff einspritzen können und somit das Gemisch abmagert ,AFR über 14,7 und somit keine Leistung druch mehr Luft generiert werden kann. Im gegenteil, weniger Luft würde mehr Leistung erziehlen.
0,13m³/s war der Luftverbrauch bei 6000u/min also 0,1677Kg/s , womit man bei AFR =14,7 eine Treibstoffmasse von 0,0114Kg/s benötigen würden. Mit einem Tankvolumen von 40l und Treibstoffdicht von 0,75 g/cm³ = 0,75kg/l ergibt sich eine maximale Laufzeit von 43,86min, so nützlich ist Mathe
. Unsere Düsen müssten dabe ein Volumen von 15,2cm³/s = 912cm³/min. Aufgeteilt auf vier Düsen müsste jede 228cm³/min bringen, was die 4efe Düsen nicht schaffen. Zudem ist zubeachten das ein Orginal ECU Düsen nie über 80% Dutycylce laufen lässt, also auch nur 80% der Menge zur Verfügung stehen.
Deutlich zu sehen ist aber das sich kein optimales Gemisch mehr einstellt, Leistungsoptimiert schon erst recht nicht.
Bitte beachten das ich hier nur Abschätzformel genommen habe, der Luftvolumenstrom des Motors ist schon noch etwas komplexer, hoffe aber das man das Fachchinesisch nun aber besser versteht.
