Verdichtungsverhältnis: Unterschied zwischen den Versionen

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===Geometrisches Verdichtungsverhältnis===
 
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Die geometrische Verdichtung ist eine rein theoretische Angabe. Sie geht davon aus, dass das gesamte Gasvolumen zu Beginn des Verdichtungstaktes (im UT) auf das Brennraumvolumen zum Ende des Verdichtungstaktes komprimiert werden kann, siehe <ref>H.W.Bönsch, Der schnellaufende Zweitaktmotor-Grundlagen, S102ff</ref>  bzw. <ref>2-takt Motoren Tuning, Teil 1, Christian Rieck, Seite 32 ff</ref>. Das geometrische Verdichtungsverhältnis wird beschrieben als das Verhältnis aus der Summe von Hubvolumen und Brennraumvolumen zu Brennraumvolumen.
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Die geometrische Verdichtung ist eine rein theoretische Angabe. Sie geht davon aus, dass das gesamte Gasvolumen zu Beginn des Verdichtungstaktes (im UT) auf das Brennraumvolumen zum Ende des Verdichtungstaktes komprimiert werden kann, siehe <ref>H.W.Bönsch, Der schnellaufende Zweitaktmotor-Grundlagen, S102ff</ref>  bzw. <ref>Zweitakt Motoren Tuning, Teil 1, Christian Rieck, Seite 32 ff</ref>. Das geometrische Verdichtungsverhältnis wird beschrieben als das Verhältnis aus der Summe von Hubvolumen und Brennraumvolumen zu Brennraumvolumen.
 
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Typische Grössenordnungen sind von 8:1 für originale Motoren bis 13:1 für getunte Vespa Motoren. Oberhalb 12:1 nimmt der Wirkungsgrad nur noch gering zu, während die mechanischen und thermischen Belastungen stark ansteigen!<ref>2-takt Motoren Tuning, Teil 1, Christian Rieck, Seite 38ff</ref> .
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Typische Grössenordnungen sind von 8:1 für originale Motoren bis 13:1 für getunte Vespa Motoren. Oberhalb 12:1 nimmt der Wirkungsgrad nur noch gering zu, während die mechanischen und thermischen Belastungen stark ansteigen!<ref>Zweitakt Motoren Tuning, Teil 1, Christian Rieck, Seite 38ff</ref> .
  
 
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Streng genommen sind aber beide Angaben falsch, da durch Gasschwingungen des Ein- und Auslasses (Resonanzauspuffanlagen) im Idealfall eine Aufladung erfolgt <ref>H.W.Bönsch, Der schnellaufende Zweitaktmotor-Grundlagen, S102ff</ref>.
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Streng genommen sind beide Angaben (eff./geom.) falsch, da durch Gasschwingungen des Ein- und Auslasses (Resonanzauspuffanlagen) im Idealfall eine Aufladung erfolgt <ref>H.W.Bönsch, Der schnellaufende Zweitaktmotor-Grundlagen, S102ff</ref>.
  
 
Je höher das Verdichtungsverhältnis ist, desto höher auch der Verbrennungsdruck und das Drehmoment und somit die Leistung. Allerdings steigt auch die thermische Belastung auf den Motor, weshalb in einigen Fachbüchern ein geom. Verdichtungsverhältnis von 12:1 und ein eff. Verdichtungsverhältnis von 7.5:1 als Richtwert für die Obergrenze genannt wird. Was nicht bedeutet, dass im Motorsport nicht wesentlich höhere Verdichtungsverhältnisse gefahren werden! Das Verdichtungsverhältnis beeinflusst die Motorcharakteristik in Bezug auf Drehmomentverlauf, maximaler Leistung und Drehfreudigkeit stark.
 
Je höher das Verdichtungsverhältnis ist, desto höher auch der Verbrennungsdruck und das Drehmoment und somit die Leistung. Allerdings steigt auch die thermische Belastung auf den Motor, weshalb in einigen Fachbüchern ein geom. Verdichtungsverhältnis von 12:1 und ein eff. Verdichtungsverhältnis von 7.5:1 als Richtwert für die Obergrenze genannt wird. Was nicht bedeutet, dass im Motorsport nicht wesentlich höhere Verdichtungsverhältnisse gefahren werden! Das Verdichtungsverhältnis beeinflusst die Motorcharakteristik in Bezug auf Drehmomentverlauf, maximaler Leistung und Drehfreudigkeit stark.
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# Bei ausgebautem Zylinderkopf: Über die Einzelvolumen des Kopfs und der Zylinder-Kolben-Kombination
 
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Die Variante 1.) ist zu bevorzugen, wenn der Motor noch auf der Werkbank steht, da diese sehr genaue Messergebnisse ergibt. Die Variante 2.) wenn der Motorblock bereits eingebaut ist und man z.B. einen neuen Zylinder testen will. Die Variante 3.) wenn man nur den Kopf abnehmen will. Sie etwas aufwändiger, weil man mehr Auslitern muss. Vor allem bei Kolbenüberstand muss man etwas mehr überlegen.  
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Die Variante 1.) ist zu bevorzugen, wenn der Motor noch auf der Werkbank steht, da diese sehr genaue Messergebnisse ergibt. Die Variante 2.) wenn der Motorblock bereits eingebaut ist und man z.B. einen neuen Zylinder testen will. Die Variante 3.) wenn man nur den Kopf abnehmen will. Sie etwas aufwändiger, weil man mehr Auslitern muss und unter Umständen auch etwas ungenauer. Vor allem bei Kolbenüberstand muss man etwas mehr überlegen. Will man wenig Ausbauaufwand haben, bietet sich diese Variante allerdings an.
Will man wenig Ausbauaufwand haben, bietet sich diese Variante allerdings an.
 
  
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Der zusammengebaute Motorblock steht ohne Kopf, am besten in einem schwenkbaren Ständer, stabil vor einem. Laufbahn im oberen Bereich etwas einfetten und Kolben auf OT bringen. Das Fett soll den Brennraum etwas abdichten, aber den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand nicht ausfüllen. Das Lüfterrad mit entsprechendem Werkzeug im OT blockieren:
  
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Version vom 19. Mai 2020, 18:59 Uhr

Einleitung

Beim Verdichtungsverhältnis unterscheidet man zwei Begriffe:

  • Geometrisches Verdichtungsverhältnis
  • Effektives Verdichtungsverhältnis

Das Verdichtungsverhältnis ist nicht zu verwechseln mit der Kompression, die zwar einen Zusammenhang mit dem Verdichtungsverhältnis hat, aber es gibt weitere Faktoren die die Kompression beeinflussen! Im Wesentlichen die Dichtigkeit des Motors, z.B. Zustand der Kolbenringe, Kolbenspiel, Kolbenringstossspiel, Menge an Öl zwischen Kolben und Zylinderlaufbahn, aber auch wie schnell komprimiert wird.

Verdichtungoa2.jpg

Geometrisches Verdichtungsverhältnis

Die geometrische Verdichtung ist eine rein theoretische Angabe. Sie geht davon aus, dass das gesamte Gasvolumen zu Beginn des Verdichtungstaktes (im UT) auf das Brennraumvolumen zum Ende des Verdichtungstaktes komprimiert werden kann, siehe [1] bzw. [2]. Das geometrische Verdichtungsverhältnis wird beschrieben als das Verhältnis aus der Summe von Hubvolumen und Brennraumvolumen zu Brennraumvolumen. p=(Vh+Vb)/Vb Vh=Hubvolumen Vb=Brennraumvolumen

Typische Grössenordnungen sind von 8:1 für originale Motoren bis 13:1 für getunte Vespa Motoren. Oberhalb 12:1 nimmt der Wirkungsgrad nur noch gering zu, während die mechanischen und thermischen Belastungen stark ansteigen![3] .

Effektives Verdichtungsverhältnis

Im Gegensatz zum geometrischen Verdichtungsverhältnis berücksichtigt das effektive Verdichtungsverhätnis die Tatsache, dass beim Zweitakter Auslass und Überströmer während des Verdichtungstaktes noch einige Zeit offen stehen und Gas damit entweichen kann. Das zuletzt schliessende Auslassfenster bestimmt hier die Grösse der effektiven Verdichtung: Je länger die Auslasssteuerzeit ist, bzw. je höher das Auslass liegt, um so geringer ist der sogenannte Nutzhub und damit auch die effektive Verdichtung. Der Wert der "wahren" bzw. effektiven Verdichtung hängt zudem vom Füllungsgrad ab und ändert sich mit Drehzahl, Betriebszustand und Wetterverhältnissen [4]

p_e=(Ve+Vb)/Vb Ve=Vh(1-ha/s) ha=Höhe Auslasskante s=Hub

Praxisbezug

Streng genommen sind beide Angaben (eff./geom.) falsch, da durch Gasschwingungen des Ein- und Auslasses (Resonanzauspuffanlagen) im Idealfall eine Aufladung erfolgt [5].

Je höher das Verdichtungsverhältnis ist, desto höher auch der Verbrennungsdruck und das Drehmoment und somit die Leistung. Allerdings steigt auch die thermische Belastung auf den Motor, weshalb in einigen Fachbüchern ein geom. Verdichtungsverhältnis von 12:1 und ein eff. Verdichtungsverhältnis von 7.5:1 als Richtwert für die Obergrenze genannt wird. Was nicht bedeutet, dass im Motorsport nicht wesentlich höhere Verdichtungsverhältnisse gefahren werden! Das Verdichtungsverhältnis beeinflusst die Motorcharakteristik in Bezug auf Drehmomentverlauf, maximaler Leistung und Drehfreudigkeit stark. Je höher die Verdichtung, desto höher ist (abhängig von Brennraumform, Zündung und Gemischaufbereitung) die Klingel- bzw. Klopfneigung und umso geringer die Ausdrehfreudigkeit. Voraussetzung für eine hohe Verdichtung ist, dass entsprechend gute Kühlungsverhältnisse herrschen.

Erhöhen kann man die geometrische und effektive Verdichtung, indem man das Brennraumvolumen verkleinert, was durch entnehmen von Zylinderfuss- oder Kopfdichtungen bzw. Abdrehen selbiger erfolgen kann. Gleichzeitig wird die effektive Verdichtung verringert, wenn man die Steuerzeiten verlängert, sprich: den Zylinder höher setzt und umgekehrt Bitte hierzu jedoch den Artikel "Brennraum" beachten.

Je höher ein Motor verdichtet ist, umso wichtiger ist die Ermittlung des exakten Verdichtungsverhältnisses, um Rückschlüsse auf die Belastungen des Motors führen zu können.

Um eine grobe Vorstellung davon zu bekommen, in welchen Grenzen sich die Verdichtungsverhältnisse im Vespa-Bereich in etwa bewegen, sind in der nachfolgenden Tabelle exemplarisch einige Werte für die beiden üblichen Largeframe-Klassen 177ccm und 210ccm berechnet. Originalzylinder haben teilweise weitaus geringere geom. Verdichtungsverhältnisse, in der italienischen Typbeschreibung wird für eine Sprint 150 z.B. 7.4:1 genannt. Bei den meisten Tuningzylindern liegt das geom. Verdichtungsverhältnis wohl über 10:1. Hinweis: Die Auslasshöhe ist das Mass zwischen Kolbenstellung OT und Auslassöffnung.

Verdichtungsverhältnisse 177 210.jpg

In der Tabelle kann man gut erkennen, dass allein die Verwendung einer 60mm Langhubwelle auf einem 177er Kit (mit 57mm Hub und 12:1), ohne das Brennraumvolumen anzupassen, zu einer Erhöhung der geometrischen und effektiven Verdichtung führt (bei gleicher Quetschspalte!). Durch das Hochfräsen des Auslasses wird die effektive Verdichtung wiederum verringert. Gleichzeitig bewirkt das Tiefersetzen des Zylinders neben kürzeren Steuerzeiten eine Erhöhung der effektiven Verdichtung. Im Kopf behalten sollte man, dass durch Aufladungseffekte wie z.B. durch (Resonanz-)Auspuffanlagen sich ebenfalls die eff. und geom. Verdichtung erhöht.

Als Grenzwert für die geometrische Verdichtung werden in verschiedenen Quellen 12:1 genannt, weil darüber der Wirkungsgrad nur mässig ansteigt, die thermische Belastung aber umso mehr. Ab ca. 14:1 sinkt der effektive Wirkungsgrad sogar wieder. Zu diesem Thema sei der Klassiker Zweitakt-Tuning Teil 1 von Christian Rieck ab Seite 32 ff oder das Handbuch für Verbrennungsmotoren, 5. Aufl. von Richard van Basshuysen/MTZ Fachbuch, Seite 15ff. empfohlen!

Ob man nun die geometrische oder die effektive Verdichtung beurteilt, muss jeder für sich selbst herausfinden. Die Beurteilung und Eineziehung beider Grössen erscheint sinnvoll: Ist die geometrische UND die effektive Verdichtung sehr hoch, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass der Motor eher heiss läuft und starker mechanischer Belastung ausgesetzt ist. Dies beeinträchtigt die Lebensdauer.

Durch Vergrösserung des Kopfvolumens (Ausdrehen der Kalotte) verringert man die Verdichtung. Das Vergrössern des Brennraumvolumens durch Unterlegen weiterer Dichtungen ist dagegen nur begrenzt möglich: Gerade bei hochverdichteten Motoren sollte man die Quetschkante nach Möglichkeit im Bereich zwischen 1.0 und 1.2 mm halten, um Klingeln und Hitzenestern vorzubeugen (siehe [6]).

Ermittlung des Brennraumvolumens

Das Ermitteln des Verdichtungsverhältnisses erfolgt über die Bestimmung des, meist unbekannten Brennraumvolumens. Dies kann durch geometrische Verfahren oder Auslitern (Volumenbestimmung) ermittelt werden. Beide Verfahren bergen eine gewisse Ungenauigkeit und man muss sehr genau Arbeiten und idealerweise mehrmals Messen, um eine gewisse statistische Sicherheit zu haben. Hat man das Volumen mal bestimmt, kann man nach dem Herausnehmen von Dichtungen das neue Verhältnis relativ einfach und genau geometrisch bestimmen. Das herausgenommene "Dichtungsvolumen" errechnet sich zu Vd=PI*D^2/4*Hd.

Zu allererst: Für ein ausreichend genaues Messergebnis muss der Motor meist ausgebaut oder mindestens teilzerlegt werden, weil der Zylinder je nach Brennraumform und Kerzenlochposition senkrecht stehen muss! Bei den meisten Brennraumformen bleibt im Bereich der Quetschfläche immer etwas Luft zurück und man erhält zu kleine Ergebnisse. Natürlich kann man das in Kauf nehmen, denn der wahre Wert wird vermutlich 1 2 ml grösser sein, also liegt man bei der Berechnung der Verdichtung „auf der sicheren Seite“. Für eine schnelle Analyse ob man unter 12:1 liegt, mag das ausreichend sein, als Basis für eine solide Motoreinstellung aber nicht.


Werkzeuge:

  • Spritze 20ml (min. 1ml Teilung)
  • Spritze 5ml (0.2ml Teilung)
  • Niedrigviskoses, also sehr flüssiges Öl (vollsynth. 2T)
  • Optional: Spritze 1ml (0.01ml Teilung)
  • 10cm Schlauch für Spritze
  • Halbwegs genauer (!) Messschieber
  • Lüfterradblockierer
  • Optional: Plexiglasscheibe ca. 5mm, ca. 100x100mm
  • Lötzinn (D=1.5-2.5mm) + gutes Gewebe-Klebeband

Für die Angabe des Volumens kann entweder [ml] oder [ccm] als Einheit verwendet werden. 1ml entsprechen 1ccm

Drei mögliche Varianten zum Auslitern:

  1. Bei komplett montiertem aber aus dem Rahmen ausgebauten Motor
  2. Bei ausgebauter Zylinder-Kolben-Kopf Kombination (mit Abstandshalter in der Quetschspalte)
  3. Bei ausgebautem Zylinderkopf: Über die Einzelvolumen des Kopfs und der Zylinder-Kolben-Kombination

Die Variante 1.) ist zu bevorzugen, wenn der Motor noch auf der Werkbank steht, da diese sehr genaue Messergebnisse ergibt. Die Variante 2.) wenn der Motorblock bereits eingebaut ist und man z.B. einen neuen Zylinder testen will. Die Variante 3.) wenn man nur den Kopf abnehmen will. Sie etwas aufwändiger, weil man mehr Auslitern muss und unter Umständen auch etwas ungenauer. Vor allem bei Kolbenüberstand muss man etwas mehr überlegen. Will man wenig Ausbauaufwand haben, bietet sich diese Variante allerdings an.

'1.) Ausgebauter Motorblock' Der zusammengebaute Motorblock steht ohne Kopf, am besten in einem schwenkbaren Ständer, stabil vor einem. Laufbahn im oberen Bereich etwas einfetten und Kolben auf OT bringen. Das Fett soll den Brennraum etwas abdichten, aber den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand nicht ausfüllen. Das Lüfterrad mit entsprechendem Werkzeug im OT blockieren:


---Under Construction---


Die Kolbenringe müssen hierzu eingefettet werden, anschliessend stellt man den Kolben an den oberen Totpunkt (OT). Jetzt stellt man den Motor mit dem Zylinder senkrecht auf. Jetzt wird, am besten mit einer Spritze mit kleiner Skalenaufteilung, Öl in den Brennraum gegeben, bis das Öl die hälfte des Zündkerzengewindes erreicht. Nun lest ihr ab, wie viel in den Brennraum gepasst hat. Bei 50ccm Motoren liegt dies meist im Bereich zwischen 4-9cm³ (nur als Richtwert, kann abweichen).

Jetzt wird gemäß oben stehender Rechnung gerechnet: Hubraum + Brennraum / Brennraum

Bei unserem 50ccm Motor mit 5ccm Brennraumvolumen wären das dann: (50+5) / 5 = 11 Nun haben wir ein geometrisches Verdichtungsverhältnis von 11:1.

by redroostervogel

Literaturnachweise

  1. H.W.Bönsch, Der schnellaufende Zweitaktmotor-Grundlagen, S102ff
  2. Zweitakt Motoren Tuning, Teil 1, Christian Rieck, Seite 32 ff
  3. Zweitakt Motoren Tuning, Teil 1, Christian Rieck, Seite 38ff
  4. Zweitakt-Motoren Tuning, Teil 2, Roy Bacon, S28 ff
  5. H.W.Bönsch, Der schnellaufende Zweitaktmotor-Grundlagen, S102ff
  6. 2-takt Motoren Tuning, Christian Rieck, S.139ff