Wirkung Fächerkrümmer
Das Funktionsprinzip:
Die Einzelrohre werden reflektionsfrei an den Zylinderkopf angepasst. Nun führt die sichtbare Länge des Einzelrohres bis zur Zusammenführung. Dort münden die Einzelrohre in das Hosenrohr mit vergrößertem Durchmesser. Der Durchmessersprung ist wichtig, damit an dieser Stelle das ausgestoßene Abgas eine reflektierte Welle mit negativem Vorzeichen erzeugt. Diese Unterdruckwelle läuft in dem Rohr zurück, aus dem das Abgas kam. Die Länge vom Auslass Ventil bis zum Hosenrohr ist nun so bemessen, das im relevanten Drehzahlbereich die Unterdruckwelle den Brennraum ausräumt.
Bei der Resonanzdrehzahl ergibt sich der Restdruck im Brennraum von Umgebungsdruck minus der reflektierten Druckamplitude plus Abgasgegendruck des Katalysators und der nachfolgenden Schalldämpfer und Abgasleitungen. Dieser Druck ist niedriger als der Umgebungsluftdruck. Der darauf folgende Ansaugvorgang hat günstigere Anfangsbedingungen, da im Brennraum leichter Unterdruck herrscht. Wenn das Einlassventil schließt, konnte eine etwas größere Frischgasmenge angesaugt werden. Ferner ist die Mischtemperatur aus Frischgasladung und Restgas niedriger. Die niedrigere Temperatur zum Zeitpunkt “Einlass schießt“ ermöglicht einen früheren Zündzeitpunkt. Früherer Zündzeitpunkt und größere Frischgasmenge führen zu einem höheren Drehmoment im relevanten Drehzahlbereich.
Wirkung mit Sportnockenwellen :
Sollten Nockenwellen mit größerer Ventilüberschneidung verbaut sein, facht der Unterdruck zusätzlich die Frischgaszufuhr aus dem Saugrohr an, da Ein- und Auslassventil gleichzeitig im Gaswechsel OT offen sind. Der Vorteil ist das vollständige Ausspülen der verbrannten Restgase aus dem Brennraum. So nimmt auch der Brennraum am Gaswechsel teil, der ohne Fächerkrümmer als Totraum immer mit Restgas der abgelaufenen Verbrennung gefüllt bliebe. Der Nachteil bei übermäßiger Ventilüberschneidung ist, das unverbrannte Frischgasmengen in den Abgastrakt gelangen. Damit verschlechtert sich der Schadstoffausstoß und erhöht unter diesen Umständen den Verbrauch des Motors. Die Frischgasmenge entzündet sich im Katalysator und kann ihn nachhaltig schädigen.
Ausführungen des Fächerkrümmers:
Bei 4 Zylindermotoren werden jeweils 2 Zylinder mit 360° Zündabstand zusammengefasst, damit sich deren Abgasströme nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Es schließt sich das Hosenrohr an, das an seinem Ende die Abgasströme der anderen beiden Zylinder vereinigen. Bei europäischen V6 und V8 Zylindermotoren werden die jeweiligen Zylinderbänke mit einem Fächerkrümmer zusammengefasst. Amerikanische V8 Motoren, erkennbar an ihrem charakteristischem Klang, verfügen über eine andere Zündfolge. Hier ist eine bankweise Zusammenfassung nicht optimal zur Erzielung des optimalen Drehmomentverlaufs. Bei R6 Motoren ist die Zündfolge so gestaltet, das abwechselnd ein Zylinder der vorderen 3 Zylinder und dann ein Zylinder der hinteren 3 Zylinder zündet. Damit werden die vorderen 3 Zylinder und die hinteren Zylinder durch jeweils einen 3 in 1 Fächerkrümmer zusammengefasst
Bemessung :
Aufgrund der Lage des Fächerkrümmers und des zur Verfügung stehenden Bauraums werden Fächerkrümmer für den oberen Drehzahlbereich ausgelegt. Die Länge entspricht hier der Summe der Laufzeiten des Abgases bis zum Hosenrohr und der Unterdruckwelle im Fächerrohr zurück zum Auslassventil. Mit dieser Laufzeit wird der Drehzahlbereich festgelegt, bei dem diese positive Wirkung auftritt. Der Durchmesser des Fächerrohrs ist gleich oder etwas größer als die Öffnung des Auslasskanals am Zylinderkopf. Zu große Durchmesser verringern die Geschwindigkeit der Abgasströmung und damit die Amplitude der reflektierten Welle. Scharfe Knicke des Fächerrohrs müssen vermieden werden, damit der Strömungswiderstand sich nicht erhöht. Krümmungsradien sollten größer als der 5 fache Innendurchmesser des Fächerrohrs gehalten werden. Die Zusammenführung der Fächerrohre zum Hosenrohr sollten in einem spitzen Winkel erfolgen, um ebenfalls den Strömungswiderstand gering zu halten.
Strömungswiderstände:
Der Abgasvolumenstrom erzeugt an den Strömungswiderständen den bekannten Abgasgegendruck. Das Produkt aus Abgasgegendruck und Volumenstrom entspricht einer Leistung die von der Kurbelwelle entnommen wird, um das Abgas gegen die Strömungswiderstände der Abgasanlage auszuschieben. Das Produkt ist von der Drehzahl abhängig. Bei heutigen Abgasanlagen sind das etwa 10% der Nennleistung bei Nennleistung.
Druckverhältnisse:
Druck im Brennraum bei Resonanzdrehzahl: po + Abgasgegendruck ~ 1,3 bar, die Unterdruckwelle erreicht bis zu P ~ 600 mbar. Damit kann der Druck im Brennraum von ca 1,3 bar auf ca. 600 mbar gesenkt werden. Gasgeschwindigkeit beträgt im Fächerrohr ca. 650m/s bei 800°C Abgastemperatur. Damit kann schon eine Grobauslegung erfolgen und eine erste Abschätzung welchen Füllungsgewinn der Krümmer hervorruft.
Beispiel einer groben Abschätzung:
Die Verdichtung des Motors soll 10:1 betragen. Die Ventilüberschneidung soll gering sein. Da in diesen Beispiel bei Nenndrehzahl der Abgasgegendruck 300 mbar betragen soll, ist der Restgasgehalt in Bezug auf Normaldruck 13% des Hubraums. Der Fächerkrümmer soll eine reflektierte Druckamplitude von 600 mbar erzeugen. Da der Fächerkrümmer den Restdruck im Brennraum von 1,3 bar auf 0,7bar reduziert, kann mit einem Füllungsgrad von 1,03 statt 0,97 gerechnet werden. Damit erhöhter sich der Füllungsgrad um 6 %. Bei diese Abschätzung sind zusätzliche Effekte durch eine niedrigere Mischtemperatur von Frischgas und Abgas ebensowenig berücksichtigt wie eine geringe Erhöhung der Gasdynamik im Ansaugtrakt.
Grüße, Stefan_
