Für uns Membranfahrer ist wohl der letzte Satz "wichtig".
Gruss Holli
Zum Einlass:
Das Ziel ist wieder bei einer bestimmten Drehzahl n die maximale Füllung zu
erreichen. Würde man einen Motor auf maximale Leistung bei einer Drehzahl konstruieren, würde man Einlass- und Auslassresonanzdrehzahl gleich wählen.
Dumm ist dabei, dass die Einlassresonanzdrehzahl eine sehr untergeordnete Rolle spielt und mit steigender Resonanzdrehzahl im Gegensatz zur landläufigen Meinung das Leistungsband um die Drehzahl der höchsten Leistung divergiert und nicht konvergiert.
Abhängig ist die Resonanzdrehzahl vom Kurbelvolumen, von der Länge der
Ansaugleitung und von deren minimalen Querschnitt.
Aber nun erstmal zur Einlassschwingung, die wir in Resonanz bringen wollen, selbst:
Die Einlassschwingung als echte Gasschwingung kann mehrmals hin und her
schwingen, bis der Einlass wieder geschlossen ist (bei Membranmotoren nur
bedingt, da die Membran (besser Ventil) ein semipermeables Ventil ist...
Lassen wir die Membran aber mal aussen vor und gehen auf die Gasschwingungen
bei einem kolben- oder drehschiebergesteuerten Motor ein).
Wann hat man nun die beste Füllung bzw. wann muß der Einlass wieder geschlossen sein, damit die maximale Füllung erreicht ist?
Dazu müßen wir wissen, wie der Einlassvorgang abläuft: Der Einlass wird
geöffnet, Unterdruck im Kurbelraum liegt an. Druck ist immer Energie, egal ob Über- oder Unterdruck, das ist nur eine Frage des Vorzeichens. Dieser Druck setzt die Gassäule im Einlasssystem in Bewegung. Dies geschieht aber nur mit Verzögerung, da ja doch eine gewisse kinetische Energie nötig ist, um die Gassäule auch wirklich zu bewegen. Ist der Unterdruck abgebaut und es strömt kein Frischgas mehr ein, ist diese Energie nicht verloren (Energie geht höchstens mit Entropie "verloren"), sondern steckt in der Bewegungsenergie des Frischgases. Ist der Kurbelraum komplett gefüllt, sollte der Einlass wieder geschlossen sein. Ist dies nicht der fall, wird
die Gassäule aufgrund der vorher verliehenen kinetischen Energie weiter
einströmen, einen Überdruck herstellen (genauer die kinetische Energie in Überdruck verwandeln) und durch diesesn Überdruck wieder ausströmen. Das Ausströmen ist wieder mit kinetischer Energie verbunden und auch diese wird wieder in einem geänderten Druck im Kurbelraum resultieren, nämlich in einem Unterdruck. Und das Spiel geht wieder von vorne los, die Gassäule schwingt also laufend hin und her. Die Frequenz dieser Schwingung hängt von den oben genannten und uns bekannten Größen ab: Kurbelgehäusevolumen, Querschnitt und
Länge der Ansaugleitung. Diese hin und her laufende Gasschwingung hat theoretisch einen sinusförmigen Verlauf.
Bei Membranmotoren sollte die Membran schliessen, wenn Überdruck im Kurbelraum entsteht. Tut sie aber nicht wirklich, denn eigentlich funktionieren Membranen gar nicht so, wie man das eigentlich wollte, als man sie erfand: Membranen sind träge.
Membranmotoren schliessen bei Überdruck im Kurbelgehäuse den Einlass. Drehschieber- und kolbengesteuerte Motoren tun das nicht bei Überdruck, sondern zu einem definierten Zeitpunkt, und da ergeben sich lustige Eigenarten:
Für maximale Füllung sollte das beim höchst
möglichen Druck im Kurbelraum geschehen. Bei der Resonanzdrehzahl ist das auch der Fall, da wird der Einlass im moment des maximalen Drucks verschlossen.
Ist der Einlass aber doppelt so lang offen, wie er es bei Resonanzdrehzahl ist, ist wieder alles Gemisch ausgeströmt und wir haben die schlechteste Füllung. Läuft der Motor aber mit noch weniger Drehzahl und der Einlass steht noch ein wenig länger offen, kommt die Gassäule wieder zurück und
beginnt den Einlass wieder zu füllen, leider aber nicht mit der Intensität der ersten Gasschwingung, denn die Strömungswiderstände im Motor nehmen pro
vollständiger Schwingung etwa 30% Energie (von dem anliegenden Unterdruck bei der Öffnung können übrigens nur gut 75% in Bewegungsenergie beim Ansaugen genutzt werden).
Da die Füllung also abhängig von der Einlassöffnungsdauer ist, könnte man statt der Zeit auf der Abszisse genau so gut die Drehzahl eintragen, da diese umgekehrt proportional zur Öffnungsdauer ist (t = 1/n !).
Füllungsmaxima werden bei voller Resonanzdrehzahl nr, bei 1/3*nr, bei 1/5*nr
usw. erreicht. Bei geraden Teilern liegt jeweils ein Minimum.
Daran sieht man auch, wie wichtig geringe Strömungswiderstände sind: Je geringer mein Strömungswiderstand, desto besser der Grad der Energieumwandlung bei der hin und her laufenden Gasschwingung. 30% Verlust
pro vollständiger Schwingung ist übrigens schon ein sehr guter Wert, der nur recht schwer zu erreichen ist!).
Jetzt bringen wir mal unsere Membran ins Spiel, ein meiner Meinung nach saublödes und nicht gut funktionierendes Einlasssystem.
Die Kolbensteuerung macht nur symmetrische Einlasszeiten möglich (vor OT und nach OT gleich lang!). Daher arbeitet unser 2T nur dann gut, wenn wir die
Gasschwingung auf die Kolbenbewegung abstimmen können. Trotzdem passiert es
selbst bei perfekter Abstimmung, dass Gas hin und her strömen muß.
Um das zu unterbinden, wird mit einem Ventil (was wir fälschlicherweise als Membran bezeichnen) versucht, diese Schwingung zu unterbinden. Theoretisch funktioniert das auch toll, es kann nur noch Gas einströmen, aber nicht mehr aus...
Um das praktisch umzusetzen werden diese Ventile eingesetzt. Diese bestehen aus dünnem Federstahl oder Kunststoffplatten, die sich durch geringen Druck elastisch verbiegen lassen.
Ein Optimal funktionierendes Ventil wäre eine tolle Sache, leider hat eine Membran diverse gravierende Nachteile:
1. Eine Membran ist anfällig! Die Plättchen können reissen und erheblichen Schaden anrichten. Diese Gefahr wird zwar durch Kusntstoffe minimiert, allerdings bei weitem nicht beseitigt.
2. Membran setzen dem gasström einen direkt irrsinnigen Widerstand entgegen. Hier ist viel Arbeit nötig, um den Strömungswiderstand zu minimieren.
3. Der größte Fehler: Membran verhalten sich nicht so, wie man es sich theoretisch wünscht. Trotz der minimalen Stärke der Plättchen ist ein enormer Druck nötig, um sie von der Dichtfläche abzuheben. Ist der
Unterdruck zu niedrig, wird die Membran nur langsam auf einen nur geringen Querschnitt geöffnet und stellt so einen enormen Widerstand dar, anstatt minimale Druckunterschiede in Gehäusefüllung zu verwandeln.
4. Durch die bewegten Massen sind Membranen sehr träge!
Membranen eignen sich nur für Motoren, die keine enormen Drehzahlspitzen erreichen sollen, sondern den Druck "untenraus" bringen sollen.
Wie sich eine Membran genau verhält ist nach wie vor nicht 100% klar, allerdings kann man davon ausgehen, dass mit steigender Drehzahl immer mehr ungewollte Bewegungen auftreten. Membranmotoren sind für hohe Drehzahlen gänzlich ungeeignet. Daher wird im Kartsport und bei manchen Straßenrennern auf das ultimativ geilste Einlassprinzip gesetzt, den Drehschieber. Dieser ermöglicht asymmetrische Einlasszeiten verbungen mit minimalem Strömungswiderstand und nicht vorhandener Trägheit, da er eine absolut
perfekt genau regelnde Einheit bildet.
Jetzt nach dem ganzen theoretischen Verständniszeug aber zur Einlassresonanzlänge: Die Formel sieht etwas eigenartig aus, stimmt aber voll...
l = Fm * [(3062500 * p^2) / (n^2 * Vk)]
bzw.
n = (1750 * p) / [Vk * (l / Fm)]^(1/2)
p ist der Einlasswinkel [°KW]
Vk das Gehäusevolumen [cm³]
l die Länge der Ansaugleitung [cm]
n wie immer die Drehzahl [1/min]
Fm mittlerer Querschnitt der Ansaugleitung [cm²]
Das ist aber nur eine Näherungsformel, da der Strömungswiderstand hier keine Rolle spielt. Für unsere Zwecke aber mehr als ausreichend...
Die Einlasslänge ist vom Eintritt ins Kurbelgehäuse (sprich Membranblock) bis zum Anschluss des Vergasers an den Luftfilter, der Vergaser zählt also zur Resonanzlänge
Das exakte Kurbelhausvolumen lässt sich nuu durch Auslitern bestimmen (wenn man keinen Spaß an perversen Rechnungen und noch perverserer dreidimensionaler Vorstellungskraft hat). Für unsere Rechnereien kann man aber davon ausgehenen, dass es etwa das 2-2.5 Fache des Hubraums ist.
Bei der Abstimmung des Einlasssystems sollte man aber folgendes beachten:
Hohe Leistung und hohes Drehmoment gibt es bei hoher Drehzahl.
Für eine hohe Drehzahl braucht man einen langen Ansaugwinkel, für eine gute Füllung aber einen möglichst kurzen Ansaugwinkel.
Versucht man also mit einem möglichst kurzen Ansaugwinkel die Drehzahl zu erhöhen, muß man die anderen Größen auf Drehzahl auslegen.
Das Kurbelvolumen muß so klein wie möglich werden (allerdings MINIMAL das
1.5 Fache des Hubraums, weniger ist dann wieder schlechter), die Ansaugleitung so kurz wie möglich sein und einen möglichst großen
Querschnitt haben (der Vergaser setzt hier die Obergrenze).
Da die Einlassresonanz aber so verschwindend geringe Auswirkungen hat (gerade bei einem Membranmotor), kann man ganz einfach mal folgendes machen: Kurz und strömungsgünstig.
Damit liegt man nie falsch und es spart einem viel Rechnerei.
Warum man damit nie falsch liegt? Ein kurzer Einlass setzt die Resonanzdrehzahl nach oben, das wiederum vergrößert den nutzbaren Bereich ...
Auf Strömungsgünstigkeit lege ich mehr Wert, als auf eine absolut top richtige Einlassresonanzlänge, denn so lässt sich mehr holen.
! Mit pasender Endstufe unter der Rücksitzbank und richtig fetter Lima kein Problem 
-Gymnasium besuchte)
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