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Diplomarbeit

am Institut für Verbrennungskraftmaschienen und Thermodynamik an der Technischen Universität Graz

AUSLEGUNG UND KONSTRUKTION EINES ABGASREDUZIERTEN ZWEITAKT-MOTORS

Eingereicht im April 1989 / Unterliegt der Geheimhaltung bis 1992

Johann Oberdorfer

VORWORT

Im Herbst 1987 bot sich mir die Gelegenheit, an der Entwicklung von abgasreduzierten 2-Takt-Motorfahrzeugen der Kategorie Mofa mitzuwirken und diese Arbeit zum Thema meiner Diplomarbeit zu machen.

Der Auftrag gelangte von den Firmen Fichtel & Sachs (Motor) sowie KTM (Fahrwerk) an das Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik der Universität Graz.

Mein aufrichtiger Dank gilt dem Vorstand des Institutes, Herrn O.Univ. Prof.Dr. Rudolf Pischinger, der es mir ermöglicht hat, an dieser Arbeit mitzuwirken. Weiters möchte ich mich herzlich bei den Herren Dipl.-Ing. Dr. Franz Laimböck, Dipl.-Ing. Christian Landerl als meinem Betreuer, Dipl.-Ing. Helmut Eichlseder sowie Herrn Albin Sterbenz bedanken, die mich mit Ihrem umfangreichen Fachwissen stets bestens unterstützt haben.

Graz, im April 1988

Johann Oberdorfer


EINLEITUNG

Um den künftigen Gesetzesvorlagen gerecht zu werden, wurde es notwendig. die Modellreihe “Foxi” der Firma KTM zu überarbeiten. Bei diesem Fahrzeug handelt es sich um ein Eingang-Automatik-Mofa, das in zwei verschiedenen Varianten gefertigt wird: als Modell Schweiz und als Modell Österreich. Die Fahrwerkskomponenten werden von der Firma KTM mit Sitz in Mattighofen / Österreich hergestellt, der komplette Fahrantrieb stammt von der Firma Fichtel & Sachs aus Schweinfurt / BRD.

Die Aufgabe bestand nun darin, sämtliche leistungsbestimmenden Bauteile neu zu konstruieren. Eine solche Konstruktion mußte einerseits Rücksicht auf eine kostengünstige und einfache Herstellung nehmen (die Neukonstruktion sollte sich auf möglichst wenige beschränken) und andererseits ein rasches und sicheres Erreichen der geforderten Abgasgrenzwerte ermöglichen.

Aufgrund der Erfahrungen, die in jüngster Zeit am Institut für Verbrennungskraftmaschinen mit der Katalysatortechnik speziell auch in Verbindung mit dem 2-Takt-Motor gewonnen wurden, sowie aufgrund der bevorstehenden Katalysatorpflicht für Mofafahrzeuge in Österreich, kam praktisch nur das Konzept: Oxidationskatalysator in Verbindung mit einem mager abgestimmten Motor als Lösung in Frage. Dieses Konzept wurde auch ausgeführt, sowohl für die Ländervariante Schweiz. als auch für die Ländervariante Österreich.

A - ABGASPROBLEMATIK DES 2-TAKT-MOTORS

1. Allgemein

Aus einer Fülle von Stoffen. die die motorische Verbrennung begleiten, werden aus heutiger Sicht folgende Substanzen als Schadstoffe angesehen und daher gesetzlich beschränkt:

	Kohlenmonoxid (CO),
	Kohlenwasserstoffe (HC) ,
	Stickoxide (NOx).

Bisherige 2-Takt-Motoren weisen gegenüber vergleichbaren 4-Takt-Motoren wesentlich höhere Kohlenwasserstoff-Emissionen auf. Dieser Umstand sowie der relativ große Kraftstoffverbrauch hat den 2-Takt-Motor trotz seiner Vorteile wie:

  • geringer Bauaufwand und daher kostengünstig,
  • geringer Wartungsaufwand im Betrieb.
  • gute Drehmomentcharakteristik,

besonders in letzter Zeit in ein schlechtes Licht gerückt.

Es ist deshalb notwendig. durch ein geeignetes Motorkonzept diese Probleme zu lösen und somit den Fortbestand des 2-Takt-Motors auch in Zukunft zu gewährleisten!

2. Entstehung der Schadstoffe beim 2-Takt-Motor

2.1 Kohlenmonoxid

Zwischen 2-Takt- und 4-Takt-Motoren besteht beim Mechanismus der CO-Bildung kein wesentlicher Unterschied.

Kohlenmonoxid entsteht im Motor durch Sauerstoffmangel (unvollständige Verbrennung}, wobei beim 2-Takt-Motor die Abgaswerte durch Verdünnung infolge der Spülverluste und Aussetzer etwas günstiger liegen.

2.2 Kohlenwasserstoffe

Es liegen mehrere Mechanismen vor, bei denen Kohlenwasserstoffe entstehen können. Nachfolgend seien diese beschrieben.

2.2.1 Spülverluste

Durch die unmittelbare örtliche Nachbarschaft der Spülkanäle zum Auslaßkanal ergibt sich zwangsläufig eine Kurzschlußströmung des Frischgases und den damit verbundenen hohen Kohlenwasserstoff-Emissionen. Diese ist bei Vollast am größten und nimmt naturgemäß mit abnehmendem Frischgasaufwand ab, d.h. bei niedriger Last sind Massendurchsatz und Spülverluste geringer.

Die Abstimmung des Motors und insbesondere des schwingungsfähigen Auspufftrakts (Rückladung durch Überdruckwelle vom Auspuff) spielt hier eine wesentliche Rolle.

Oben beschriebener Vorgang trägt die Hauptschuld an den hohen HC-Emissionen des 2-Takt-Motors.

2.2.2 Aussetzerverluste im Teillastbereich

Mit abnehmender Last sinkt der Frischgasanteil im Zylinder. der Restgasanteil steigt. Dadurch werden die Zündgrenzen der Zylinderfüllung eingeengt. Ab einem bestimmten Restgasanteil ist das Gemisch nicht mehr zündfähig und es kommt zu Aussetzern. Bei jedem Aussetzer wird der Frischgasanteil wieder erhöht, sodaß nach einem bestimmten Intervall wieder eine Verbrennung stattfinden kann.

Dieser Vorgang führt ebenfalls zu hohen Kohlenwasserstoff-Emissionen.

2.2.3 Unverbrannte Kraftstoffrückstände

Durch schlechte Gemischbildung oder durch Abscheidung gelangt die flüssige Kraftstoff-Phase direkt in den Auslaßtrakt. Anteilsmäßig an den Gesamt-HC-Emissionen hat diese Form der HC-Emission jedoch geringere Bedeutung.

2.3 Stickoxide

Stickstoff ist ein relativ inertes Gas. d.h. es benötigt zur Dissotiation hohe Temperaturen. 4-Takt-Motoren haben demzufolge im Bereich um Lambda gleich Eins die größten Stickoxid-Emissionen.

Durch den hohen Restgasanteil des 2-Takt-Motors (Verdünnung des Frischgases), der bei Vollast je nach Motortyp in der Größenordnung von ca. 30% liegt und der bei Teil last noch zunimmt, ergeben sich geringere Brennraumtemperaturen. Der Restgasanteil wirkt praktisch wie eine natürliche Abgasrückführung. Aus diesem Grund ergeben sich beim 2-TaktMotor sehr geringe Stickoxid-Emissionen.

3. Schadstoff-Immissionen und Immissionsgrenzwerte

An dieser Stelle sei kurz auf den Problemkreis der Wirkung der Schadstoff-Immissionen auf den Menschen eingegangen.

3.1 Kohlenmonoxid

Die Giftigkeit des Kohlenmonoxid für den Menschen (Abb. IA-1) beruht darauf. daß CO eine wesentlich höhere Affinität zum Hämoglobin der roten Blutkörperchen aufweist als der Sauerstoff. Dadurch kommt es zur inneren Erstickung des Organismus. Schon bei einem Anteil von 0.1% CO in der Luft beginnt die Gefährdung.

Der Immissionsgrenzwert wird als Achtstunden-Mittelwert mit 9 ppm und als Einstunden- Mittelwert mit 30 ppm empfohlen. In diesem Zusammenhang ebenfalls wichtig ist die Bildung von Ozon aus CO-haltigen Abgasen durch e i nen oxidativen Reaktionsvorgang. Ozon wirkt auf den Menschen als starkes Reizgas. wodurch es schon ab 0.1 ppm zu einer Verengung der Atemwege kommt. Die Wirkungsschwelle von Ozon liegt vor NO2 und bedeutend vor SO2.

Abb_IA-1

3.2 Kohlenwasserstoffe

Von Interesse an dieser Stoffgruppe sind vor allem die polycyclischen aromatischen Verbindungen, wie z.B. das Benzpyren oder das Dibenanthracen. Diese Stoffe und ihre vielfältigen Verbindungen sind allesamt carzinogen und mutagen. Aufgrund der langfristigen möglichen Folgeerscheinungen ist eine realistische Bestimmung und Festlegung von Immissionsgrenzwerten nicht möglich. Selbst MAK-Werte können nicht ermittelt werden.

3.3 Stickoxide

Diese wirken als Reizstoffe auf die Schleimhäute des Menschen, wobei diese Stoffe beim Aufstieg in höhere Luftschichten durch Aufoxidierung noch eine wesentliche Wirksamkeitssteigerung erfahren.

Auch wirkt NOx an der fotochemischen Smogbildung und bei der Entstehung des “sauren Regens” mit, sowie möglicherweise bei der Entstehung von Nitrosaminen im menschlichen Körper (Nitrosamine wirken stark carzinogen).

Der in Österreich empfohlene Tagesmittelwert an Stickoxiden beträgt 0.25 mg/m3 Luft.

B - ZUKÜNFTIGE GESETZLICHE BESTIMMUNGEN UND ABGASGRENZWERTE

1. Gesetzeslage in der Schweiz

Die neuen Vorschriften, die ab Herbst 1988 in der Schweiz in Kraft treten werden, bringen eine weitere Reduktion der Abgas- und Geräusch-Emissionen, und zwar:

	0.5 g/km Kohlenmonoxid (CO;
	0.5 g/km Kohlenwasserstoffe (HC);
	0.1 g/km Stickoxide (NOx);

Jeweils gemessen im ECE-R47 Fahrzyklus.

Die Lärmregelung sieht eine Limitierung des Geräusches auf 65 db (A) vor.

Weitere gesetzliche Rahmenbedingungen, die die konstruktiven und abstimmungsmäßigen Freiheiten der Fahrzeugkonstruktion einschränken, sind:

  • die bauartbedingte Höchstgeschwindigkeit darf 30 km/h nicht überschreiten;
  • Limitierung der Maximalleistung des Motors auf 0.9 kW (1.2 PS), wobei die Drehzahl in diesem Punkt um 70% von jener Drehzahl entfernt sein muß, die sich bei Höchstgeschwindigkeit ergibt;
  • zwischen diesen beiden Punkten muß die Leistungskurve über die Drehzahl stetig abfallen;
  • im Übersetzungspunkt dürfen nicht mehr als 0 .44 kW (0.6PS) abgegeben werden.

2. Gesetzeslage in Österreich

Die österreichische Gesetzgebung zur Abgas- und Geräuschemission sieht einen Stufenplan vor, mit dem Ziel, die Grenzwerte möglichst weit ins europäische Spitzenfeld zu bringen. Die nächste Grenzwertabsenkung mit Katalysatorpflicht sieht folgende Grenzwerte vor:

	1.2 g/km Kohlenmonoxid (CO);
	1.0 g/km Kohlenwasserstoffe (HC);
	0.2 g/km Stickoxide (NOx);

jeweils gemessen im ECE-R47 Fahrzyklus (Abb. IB-1).

Der Grenzwert der Geräuschemission liegt ab 01.10.1989 bei 69 db (A). Die Messung erfolgt bei beschleunigter Vorbeifahrt, wobei die Motordrehzahl am Beginn der 1Om langen Meßstrecke 75% der Nenndrehzahl beträgt. Das Mikrophon des Meßgerätes wird dabei auf halber Meßstreckenlänge in einem Abstand von 7,5m von der Fahrbahn positioniert.

Weitere Bestimmungen sind :

  • Höchstgeschwindigkeit maximal 40 km/h;
  • maximale Motorleistung 2.0 kW (2.7 PS);
  • die Drehzahl bei Höchstgeschwindigkeit darf 6200 U/min nicht überschreiten;
  • der Vergaserquerschnitt ist mit maximal 150 mm2 (was einem Durchmesser von 13.8 mm entspricht) limitiert.
Abb_IB-1

C - ABGASREDUKTION DURCH KATALYTISCHE NACHVERBRENNUNG: DISKUSSION DER MÖGLICHEN KONSTRUKTIONSVARIANTEN

1. Allgemein

Die Voraussetzung für eine gute Funktion des Oxidationskatalysators ist eine schon von vornherein niedrige Schadstoffkonzentration im Rohabgas mit hohen Umsetzungsraten (und Temperaturen) im Katalysator. Um dies zu erreichen, ist es notwendig, den gesamten Motor abzumagern. Die Abhängigkeit zwischen dem Verbrennungsluftverhältnis Lambda und den relativen Mengenanteilen der einzelnen Schads toffkomponenten ist in Abb. IC-1 dargestellt. Diese Zusammenhänge werden außerdem noch von Last- und Drehzahleinflüssen überlagert.

Die Grundlage einer solchen Motorabstimmung ist ein “thermisch gesunder” Zylinder, mit dem die dabei auftretenden Probleme der Betriebssicherheit (Verringerung der “Innenkühlung” kann zum Durchbrennen oder Festgehen des Kolbens führen) und der Motorcharakteristik (schlechtes Ansprechverhalten beim Beschleunigen, Kaltstarteigenschaften) gelöst werden können.

Aus einer Vielzahl von konstruktiven Möglichkeiten seien nachfolgend jene beschrieben, die sich besonders für die Katalysatortechnik eignen.

Abb_IC-1

2. Einlaßseitige Steuerung

Beim vorliegenden Drosselmotor wäre eine Steuerung des Gashaushaltes durch ein druckabhängiges Membranventil oder durch die Kolbenkante denkbar. Die einfachste Möglichkeit, nämlich jene der Kolbenkantensteuerung, erweist sich hier zugleich als die günstigste. Neben dem Kostenvorteil durch den Wegfall eines Bauteils und der höheren Betriebssicherheit (kein Bruch von Membranlamellen) ergibt sich gegenüber der Membrane noch ein wesentlicher Aspekt: Der Membraneinlaß besitzt hinter dem Trägerkörper große Leerräume, was bei der vorherrschenden geringen Strömungsgeschwindigkeit dazu führt, daß sich hier der Kraftstoff abscheidet. Eine fettere Vergaserabstimmung ist die Folge, wodurch die Emissionen höher ausfallen.

Der Vorteil von membrangesteuerten Motoren gegenüber schlitzgesteuerten liegt darin, daß die Membrane erst dann schließt, wenn der Druckausgleich zwischen Ansaugtrakt und Kurbelkasten erfolgt ist, wodurch mehr Frischgas in den Motor gelangt. Es ergibt sich ein unsymmetrisches, druckabhängiges Steuerdiagramm, was zu einer besseren Zylinderfüllung und damit einer höheren Leistung führt. Dieser Umstand spielt jedoch beim Drosselmotor keine Rolle.

3. Zylinderspülung

Die bei der Umkehrspülung auftretende Kurzschluß-Strömung des Frischgases direkt in den Auspuffkanal wirkt sich ungünstig auf Abgas, Leistung und Kraftstoffverbrauch aus.

Es gilt daher, diese Schwachstelle durch eine möglichst effiziente Ausbildung der überströmkanäle (optimale Führung der Spülströmung) zu verbessern.

3.1 Zylinder mit zwei Überströmkanälen

Diese Ausführung birgt den geringsten Bauaufwand, kann aber den gestellten Forderungen nicht mehr gerecht werden. Zudem ergibt sich beim Vergleich mit einem Mehrkanalzylinder gleichen Zeitquerschnitts noch nachfolgender wesentlicher Nachteil: Durch die längere Steuerzeit weist ein solcher Zylinder höhere Kanalfenster auf, (der Vorauslaß wird verkleinert), wodurch sich die Zeitspanne, in der eine Kurzschluß-Strömung möglich ist, vergrößert.

3.2 Zylinder mit mehreren Überströmkanälen

Der Mehrkanal-Zylinder bietet, wie schon erwähnt, bessere Möglichkeiten, die Spülströmung zu lenken. Der Fünfkanal-Zylinder mit dem über dem Einlaßfenster gelegenem Aufrichtkanal hat in bezug auf die HC-Emissionen folgenden Nachteil: Durch die schlechte Dichtwirkung, die sich aus der geringen Steghöhe über dem Einlaßfenster ergibt, gelangen flüssige Kraftstoffteilchen in den Zylinder und in weiterer Folge unverbrannt direkt in den Auslaß.

Der Vierkanal-Zylinder erscheint aus diesem Grunde am vorteilhaftestem, auch deshalb, weil wegen der geringen benötigten Leistung des 50ccm Motors keine großen Zeitquerschnitte erforderlich sind.

3.3 Umkehrspülung im Vierkanal-Zylinder

Die Umkehrspülung stellt man sich im Idealfall als Verdrängungsspülung vor, wobei das Altgas während des Spülvorganges vom Frischgas aus dem Zylinder geschoben wird. In der Praxis wird dieses Ideal nicht erreicht, es kommt zur Verwirbelung und Durchmischung beider Gasanteile und zu Altgaseinschlüssen, wodurch sich der ungünstig hohe, für den 2-Takt-Motor charakteristische Restgasanteil ergibt.

Im Sinne der Umkehrspülung sind beim Vierkanal-Zylinder je zwei Haupt- und Nebenüberströmkanäle symmetrisch zur Zylindennittenebene angeordnet.

Die Hauptüberström-Kanalfenster sollen sich dabei in möglichst großer örtlicher Entfernung vom Auslaß befinden, um den Frischgasverlust durch Kurzschluß-Strömung zu vermindern. Diese Forderung ist bei leistungsschwachen Motoren wegen den geringen notwendigen Zeitquerschnitten und damit kleineren Fensterflächen leichter zu realisieren.

Wichtig für den Gaswechsel sind außerdem die Einströmwinkel in den Zylinder, wobei sinngemäß die Hauptilberströmkanäle flachere Winkel gegenüber den Zylindererzeugenden haben (wodurch sieh ein größerer Zeitquerschnitt ergibt). Die Nebenüberströmer übernehmen die Aufgabe, die Strömung im Bereich der hinteren Zylinderwand aufzurichten; sie erhalten deshalb steilere Einströmwinkel.

4. Zylinder

4.1 Allgemein

Wie schon eingangs erwähnt, muß der Zylinder “thermisch gesund” sein. Darunter versteht man eine möglichst gleichmäßige Dehnung am Zylinderumfang während des Betriebes.

Konstruktiv ist darauf zu achten, daß sich keine Rippen, Materialanhäufungen oder ähnliches auf der Zylinderlaufbahn abbilden. Dadurch kann das Kolbenlaufspiel relativ klein gewählt werden, was sich günstig auf die HC-Emissionen (bessere Dichtwirkung des Kolbens) sowie die Geräuschemissionen (Kolbenkippen im oberen Totpunkt) auswirkt.

4.2 Mögliche Ausführungsvarianten der Zylinderbauform

Nachfolgende Beschreibung soll die Eignung der verschiedenen Varianten für einen abgasarmen 2-Takt-Motor klarstellen.

4.2.1 Beschichteter Leichtmetallzylinder

Die Vorteile des beschichteten Leichtmetallzylinders sind: gute Wärmeleitfähigkeit, geringes Gewicht, günstige Herstellkosten. Nachteilig wirkt sich folgender Umstand aus:

Es sind keine exakt definierten Kanalkanten (im Bereich der Einlaßfenster) darstellbar dadurch, daß bei der elektrolytischen Oberflächenbehandlung (Nikasil- oder Hartchromschicht) eine “Spitzenwirkung” auftritt, wodurch sich an scharfen Kanten mehr Material ablagert, als an der Zylinderbohrung.

Es entsteht die Notwendigkeit, die Steuerkanten entsprechend stark zu entgraten, was sich ungünstig auf die exakte Führung der Spülströmung auswirkt.

4.2.2 Leichtmetallzylinder mit eingesetzter Graugußbuchse

Aufgrund der guten Gleiteigenschaften des Graugusses sowie der guten Wärmeleitfähigkeit des Leichtmetalles und der Möglichkeit, bei Kolbenschäden den Zylinder aufzubohren, empfiehlt sich eine Verwendung dieser Werkstoffe.

Da jedoch die Graugußbuchse beim Einsetzen vor dem Gießen des Zylinders die Kanalfenster schon aufweisen muß und die Überströmkanäle als Sandform hier eingehängt werden, entstehen in diesem Bereich durch die Fertigungstoleranzen Versetzungskanten. In diesem wichtigen Strömungsabschnitt ist dies jedoch besonders ungünstig, da hier der Spülstrahl möglichst stabil und ohne Verwirbelung in den Zylinderraum eintreten soll.

Die Anwendung einer solchen Bauweise für einen abgasreduzierten 2-Takt-Motor erscheint aus diesem Grunde nicht ziel führend.

4.2.3 Graugußinsert mit umgossenen Leichtmetallzylinder

Die Kombination der Vorteile des Graugusses als Zylinderlaufbahn mit den Vorteilen des Leichtmetalles (gute Wärmeleitung, geringes Gewicht, keine Korrosion der Oberfläche, siehe auch 3.2.2) wird durch diese Verbundbauweise erreicht. Beim separat gefertigten Graugußinsert können auch sämtliche Gestaltungsmöglichkeiten der Spülkanäle realisiert werden.

Besonders für luftgekühlte Motoren, die in großer Stückzahl hergestellt werden, erscheint diese Bauweise vorteilhaft.

4.2.4 Graugußzylinder

Die guten Dämpfungseigenschaften des reinen Graugußzylinders ergeben hinsichtlich der Geräuschemission Vorteile. Zudem wird noch durch das etwas größere Eigengewicht (gegenüber Leichtmetall) das abgestrahlte Frequenzspektrum in Richtung tiefere Frequenzen verschoben, was rein subjektiv, bei gleichem Lärmpegel, für das menschliche Ohr als angenehmer empfunden wird.

Die gestalterischen Möglichkeiten der Überström-Kanalform bleiben auch bei dieser Bauform uneingeschränkt. Die angesprochenen Nachteile des hohen Gewichtes und der Korrosion können durch entsprechende Formgebung (Leichtbau) bei der Konstruktion sowie einen Schutzanstrich berücksichtigt werden.

Abschließend kann gesagt werden, daß sich der reine Graugußzylinder in Verbindung mit Wasserkühlung (dabei kann der Nachteil der geringen Wärmeleitung ausgeglichen werden) hinsichtlich optimaler Gestaltungsmöglichkeiten der Kanalführung und Kostengünstigkeit für eine Anwendung im 2-Takt-Motor mit Katalysatortechnik besonders eignet.

5. Motorkühlung

Naturgemäß stehen zwei grundsätzliche Kühlungsvarianten zur Auswahl: die Luft- und die Wasserkühlung.

Eine gute Motorkühlung muß nicht nur die Betriebssicherheit des Fahrzeugs gewährleisten, sondern beeinflußt auch direkt die Warmleistung des Motors und somit die Steigfähigkeit am Berg. Im Zusammenhang damit steht auch das Kolbenlaufspiel und letztendlich das dadurch verursachte Kolbenkippgeräusch.

An dieser Stelle sei kurz auf die verschiedenen Möglichkeiten der Motorkühlung eingegangen.

5.1 Luftkühlung

5.1.1 Fahrtwindkühlung

Die in der Vergangenheit am häufigsten angewandte Kühlungsart bewährt sich für Motoren mit niedrigem Leistungsniveau als kostengünstige und bei richtiger Dimensionierung als betriebssichere Variante. Der Nachteil besteht in der ungleichförmigen Temperaturverteilung und der somit ungleichförmigen Wärmeausdehnung des Zylinderumfanges. Besonders kritisch ist der Bereich um den heißen Auslaßkanal.

Die Folge davon kann sein, daß ein relativ großes Kolbenlaufspiel gewählt werden muß.

5.1.2 Gebläseluftkühlung

Die Gebläseluftkühlung gewährleistet eine gleichmäßigere Temperaturverteilung als bei Kap. 5.1.1, besonders der bei der Fahrtwindkühlung schlecht gekühlte Auslaßbereich kann besser mit Kühlluft beaufschlagt werden. Nachteilig wirkt sich das lautere Betriebsgeräusch, verursacht durch das Kühlgebläse eines solchen Motors aus.

5.2 Wasserkühlung

Die Realisierung einer Wasserkühlung beim abgasreduzierten 2-Takt-Motor erscheint sinnvoll, da dadurch die wesentlichen Nachteile der Luftkühlung (siehe auch Kap. 3.2.1) verbessert werden können. Die gleichmäßigeren Wärmedehnungen des Zylinders während der Betriebsphase ermöglichen die Wahl eines kleinen Kolbenlaufspiels mit den vorhin beschriebenen Vorteilen.

Es stehen hier im Wesentlichen zwei Konstruktionsvarianten zur Verfügung, die nachfolgend beschrieben werden.

5.2.1 Wasserkühlung mit Pumpe

Die thermisch beste Möglichkeit der Motorkühlung stellt die Wasserkühlung mit Pumpe dar. Durch den Zwangsumlauf des Kühlwassers können kleine Querschnittsflächen der Kühlwasserkanäle sowie kleine Kühlerflächen verwendet werden.

Durch den erhöhten Platzbedarf und Bauaufwand (was sich letztlich in den Kosten niederschlägt) ist eine Anwendung der Wasserkühlung bei kleinvolumigen 2-Takt- Motoren nicht immer ausführbar.

5.2.2 ThermosiphonkUhlung

Die Wasserkühlung durch Thermosiphoneffekt stellt eine kostengünstigere Alternative zur Wasserkühlung mit Pumpe dar.

Damit der Naturumlauf des Kühlwassers sicher funktioniert und die Kühlwirkung gewährleistet ist, sind folgende Punkte von besonderer Bedeutung:

  1. Die Querschnitte der Kühlwasserführungen müssen ausreichend groß dimensioniert werden, um die Strömungsverluste möglichst gering zu halten. Das gleiche gilt sinngemäß auch für den Kühler selbst und für die Kühlerfläche.

  2. Der obere Wasserkasten des Kühlers muß ausreichend hoch sein und es muß sichergestellt werden, daß in jedem Betriebszustand der Flüssigkeitsspiegel in ausreichender Höhe über den Kühlerlamellen vorhanden ist. Dieser Sicherheitsabstand ist notwendig. um den Naturumlauf des Kühlwassers nicht zu unterbrechen.

Abschließend kann festgestellt werden, daß bei kleinvolumigen 2-Takt-Motoren wegen der beengten Platzverhältnisse die Thermosiphonkühlung die kostengünstigste Möglichkeit darstellt, hier eine Wasserkühlung zu realisieren.

6. Auspuffsystem

6.1 Chemische Reaktionen

Durch die Verwendung eines Katalysators werden chemische Reaktionen möglich, und zwar auf einem Temperaturniveau, bei dem normalerweise noch keine Umsetzung stattfindet. Es können im allgemeinen folgende Reaktionen ablaufen:

HC_CO_Konvertierung

Anders als bei gängigen PKW- Lösungen , wo für die Umsetzung der giftigen Abgasbestandteile sowohl eine Oxidation (HC und CO), als auch eine Reduktion (NOx) ablaufen muß, erfolgt die Konvertierung beim 2-Taktmotor wegen des geringen NOx-Anteiles nur durch eine Oxidation. Die Einhaltung eines engen Lambda-Fensters durch besondere konstruktive Maßnahmen (Lambda-Sonde) ist hier nicht erforderlich.

Der für die chemische Reaktion notwendige Sauerstoff muß im Rohabgas bereits vorhanden sein. Denkbar wäre hier, ein unterdruckgesteuertes Membranventil im Auspuffrohr anzuordnen. Insbesondere bei “fetter” Motorabstimmung ist diese Ausführung meist unumgänglich.

Günstiger ist es jedoch, den Motor schon von vornherein mager abzustimmen. Dadurch wird ein Druckventil, das eine mögliche Ausfallursache darstellt, nicht mehr benötigt.

6.2 Lebensdauer und Einflüsse auf den Katalysator

Voraussetzung für den Bertrieb mit Oxidationskatalysator ist die Verwendung von bleifreiem Benzin, da es durch die Bleiadditive im Kraftstoff zu einer dauerhaften Schädigung der chemisch aktiven Schichten des Katalysators kommt. Die Zumischung des für die Motorschmierung benötigten Öles zum Kraftstoff stellt jedoch kein Problem dar, soferne folgende Auflagen berücksichtigt werden:

Als Ölqualität kommt ein hochwertiges 2-Takt-Mischöl in Frage, das im Mischungsverhältnis 1:50 beigemischt wird. Dieser Wert hat sich in der Praxis bewährt, für eine höhere Beimischung besteht auch hinsichtlich Betriebssicherheit und Standfestigkeit kein Grund.

Sobald der Katalysator seine Anspringtemperatur von ca. 250-300° erreicht hat (den Zusammenhang zwischen Konvertierungsgrad und Abgastemperatur zeigt (Abb. IC-2), verbrennt der ölanteil vollständig. Die sonst für den 2-Takter charakteristische Abgastrübung ist dann ebenfalls nicht mehr feststellbar.

Während des Betriebes kommt es zu einer Alterung des Katalysators, d.h. zu einer Verschlechterung der Konvertierungsrate. Dieser Vorgang wird bei hohen Temperaturen (über 600-700°) beschleunigt, daher ist bei der Auslegung darauf zu achten, daß bei allen möglichen Betriebsfällen keine Spitzentemperaturen auftreten können.

Abb_IC-2

D - BESCHREIBUNG DER AUSGEFÜHRTEN KONSTRUKTION

1. Zylinder

1.1 Bauweise

Wegen der bereits oben beschriebenen Vorteile wurde ein reiner Grauguß-Zylinder in “open deck”-Bauweise ausgeführt, d.h. der innere Zylinderteil hat, soweit konstruktiv ausführbar, möglichst wenig Verbindungsrippen zur äußeren Zylinderwand (Abb. IIA-2: Model 1 CH, Abb.IIA-4: Model 1A).

Im Bereich der Zylinderkopfauflage ist dieser ganz freigestellt. Dadurch soll erreicht werden, daß unterschiedliche Wärmeausdehnungen und Verformungen des äußeren Gehäuseteils aufgefangen werden, die Zylinderbohrung während des Betriebes also möglichst kreisrund bleibt.

Um den kritischen Bereich der Auslaßseite möglichst gut mit Kühlwasser zu beaufschlagen, erfolgt die Wasserzuführung in den Zylinder (Rücklauf vom Kühler) direkt unter dem Auslaßkanal. Der Wasservorlauf befindet sich symmetrisch zum Zylinder über dem Einlaßflansch. Es wurde darauf geachtet, die Querschnitte der Wasserkanäle möglichst groß auszuführen, um die Strömungsverluste gering zu halten.

Zwei seitliche Querrippen im Wasserraum des Zylinders verhindern eine Kurzschluß-Strömung direkt vom Wasserein- zum Wasseraustritt. Die Abdichtung zum Brennraum und nach außen wird jeweils durch O-Ringe gewährleistet.

Als Zylinderwerkstoff kommt Grauguß von der Firma Fichtel & Sachs zur Anwendung . Dieser Werkstoff weist folgende Charakteristik auf:

	Gußeisen mit Lamellengraphit, erhöhter Phosphorgehalt,
	F&S Nr.: 20127, HB 200 - 240 N/mm2

	Analyse: C: 3.3 - 3.6 %, Si: 1.8 - 2.3 %, Mn: 0.4 - 0.8 %,
	P: 0.3 - 0.5 %, S: max.0.125

	Gefüge: Lamellengraphit Größe 3 - (5), überwiegend
	feinperlitische Grundmasse, hoher Steaditanteil
	in netzförmiger Anordnung, frei von Zementit
	bzw. nur in unbedeutenden Mengen (ca. 5%) an
	Kanten und dünnen Gußstückpartien zulässig.

Diese Sorte weist aufgrund des hohen Steaditanteil hervorragende Lauf- und Verschleißeigenschaften auf, ist jedoch wegen des hohen tolerierten P-Gehaltes für dynamisch beanspruchte Konstruktionsteile nicht geeignet.

1.2 Einlaßkanal

Der Einlaßkanal hat die Aufgabe, das über den Ansaugkrümmer rechtwinklig zu den Zylindererzeugenden einströmende Frischgas in das Kurbelgehäuse umzulenken.

Die dem Einlaßfenster gegenüberliegende Zylinderfläche wirkt bei zu flachen Einströmwinkeln wie eine Prallwand, an der sich flüssige Kraftstoffteilchen ablagern und in weiterer Folge durch die Kolbenbewegung in den Brennraum bzw. in den Auslaßtrakt gelangen.

Eine zu schräge Einströmrichtung hat neben der Verkleinerung des Kanalzeitquerschnittes noch den Nachteil, daß der Sandkern in der Form nicht genau eingehängt werden kann. Das führt zu einer größeren Serienstreuung, da das leistungsbeeinflussende Maß der Einlaßkanalsteuerkante bei der Produktion keine ausreichende Wiederholgenauikeit aufweist.

Der Einlaßkanal erhält im Bereich des Kanalfensters aus oben beschriebenen gußtechnischen Gründen eine 0,2 mm Fase. Die Einlaßkanaloberkante wird scharfkantig ausgeführt, am Kolben haftende flüssige Kraftstoffteilchen werden durch diese Maßnahme “heruntergeschabt”.

Das gilt sinngemäß auch für die horizontalen Kanalkanten der Überströmfenster und der unteren Kanalkante des Auslaßfensters. Einer möglichen Beschädigung des Kolbenringes und somit Verschlechterung der Dichtwirkung wird durch eine Beschichtung dieses Teiles Rechnung getragen.

1.3 Auslaßkanal

Die Oberkante des Auslaßkanals ist gegenüber der Zylinderauflagefläche um 17° geneigt. Bei der Expansion der Verbrennungsgase in den Auslaßtrakt werden diese durch die Kolbensteuerkante gebeugt. Die Ablenkung ist dabei eine Funktion der Kolbenstellung und ist bei geringer Schlitzöffnung am größten. Aus Versuchen ergab sich, daß ab einer geöffneten Schlitzhöhe von 20% die Ablenkung der Gasströmung konstant bleibt und ca. 10° beträgt. Obiger Wert von 17° stellt einen guten Kompromiß dar und hat sich außerdem in der Praxis bereits bewährt.

Das Auslaßfenster weist an der Oberkante eine Nase auf, was mehrere Vorteile hat. Gegenüber einem Fenster mit gerader Kante (der größere Zeitquerschnitt einer solchen Ausführung spielt nur bei leistungsstarken Motoren eine Rolle) mit schlagartiger Expansion der Gase beim Öffnen des Fensters erfolgt hier durch den Vorauslaß ein “sanfteres” Entweichen der Verbrennungsgase. Die Geräuschemissionen sind geringer und der Motor reagiert außerdem unempfindlicher auf die Vergaserabstimmung.

Bei der Behörde wird das Maß des Vorauslasses in den Zulassungspapieren als Auslaßgesamtsteuerzeit angesprochen. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, mit einfachen, kostengünstigen Mitteln die Leistung des Motors, falls erforderlich, noch anzuheben.

1.4 Überströmkanäle

Die Anordnung der Überströmkanäle (Abb. IIA-3: Modell CH, Abb. IIA-5: Modell A) erfolgt synmetrisch zur Ebene durch den Zylindereinlaß-/ Auslaßtrakt (Zylindermittenebene). Die Hauptüberströmkanalfenster sind dabei möglichst weit vom Auslaßfenster entfernt angeordnet, um die Spülverluste gering zu halten. Beim schweizer Modell ist das durch die kleineren erforderlichen Zeitquerschnitte leichter möglich als bei der leistungsstärkeren Österreich-Variante.

Die Einströmwinkel sind sowohl in bezug auf die Zylindermittenebene, als auch in bezug auf die Zylindererzeugenden ebenfalls für das gute Funktionieren der Umkehrspülung von besonderer Bedeutung. Die Hauptüberströmer besitzen dabei flachere Einströmwinkel mit größeren Zeitquerschnitten, die Nebenüberströmer haben die Aufgabe, die Strömung im Bereich der hinteren Zylinderwand im Sinne der Umkehrspülung aufzurichten und sind daher steiler angeordnet.

Bei der Auslegung der Strömungskanäle wurde darauf geachtet, daß sich der Querschnitt stetig verjüngt, es also zu einer Düsenströmung kommt. Unerwünscht ist eine Ablösung der Strömung an der Innenseite des Kanals nach der Umlenkung in Richtung Kanalfenster, wodurch der Strömungsquerschnitt eingeengt wird.

Die Fläche an der Oberseite des Strömungskanals ist in diesem Bereich (Einmündung vor dem Kanalfenster) möglichst gerade ausgeführt, um die Strömung zu stabilisieren. Ziel ist ein stabiler wirbelfreier Eintritt der Spülströmung in den Zylinder, um die Aufmischung mit dem Restgas gering zu halten.

Die Trennwand der Überströmkanäle ist bei der Zylinderauf lage so gestaltet, daß schon in diesem Bereich der Hauptüberströmer möglichst gut mit Frischgas beaufschlagt wird. Der Abstand der Kanalfenster soll wegen dem auftretenden Restgaseinschluß möglichst gering sein. Aus gußtechnischen Gründen kann jedoch eine Stegbreite von 3mm nicht unterschritten werden.

2. Zylinderkopf

2.1 Bauform

Für das Modell Österreich und das Modell Schweiz wird aus Kostengründen derselbe Zylinderkopf verwendet (Abb. IIA-61. Die Unterbringung des beim Schweizer Modell durch die geringere Verdichtung benötigten größeren Schadvolumens wird einfach durch eine Vergrößerung der Zylinderhöhe realisiert.

Wegen guter Wärmeleitung und geringen Gewichtes kommt als Werkstoff Leichtmetall (G-A1Si12CuNi wa nach DIN 1725) zur Anwendung . Die Herstellung des Zylinderkopfes erfolgt als Kokillenguß, wobei der Wasserraum als Sandform in die Kokille eingesetzt wird, die Außenform sowie die Brennraumform von der Kokille bereitgestellt werden. Zur Dämpfung des Verbrennungsgeräusches wurden zwischen Brenn- und Wasserraum dicke Wandstärken ausgeführt.

Die Verwendung einer Langgewindekerze bringt geräuschmäßig Vorteile, da sich dadurch ebenfalls größere Wandstärken im Zylinderkopf realisieren lassen. Zur Erreichung der Selbstreinigungstemperatur der Kerze wird diese im Bereich des Kerzensitzes freigestellt. Zur Anwendung kommt der Typ mit vorgezogener Elektrode (Bosch W9DC od. W10DC), der eine bessere Verbrennung begünstigt.

Die Abdichtung des Wasserraumes erfolgt durch O-Ringe. Aus Sicherheitsgründen wurde vom Brennraum zur ersten O-Ringnut eine Stegbreite von 4mm ausgeführt.

Der Zylinderkopf wird über die vier Stehbolzen zentriert. Für eine gute Verbrennung besonders wichtig ist eine genaue Lagefixierung des Brennraumes gegenüber der Zylinderbohrung. Verschiebt sich der Brennraum, kommt es zu überstehenden Kanten und somit zu kalten Stellen und einer gestörten Verbrennung. Dieser Effekt ist auch bei der Verwendung einer Zylinderkopfdichtung gegeben, weshalb es günstiger erscheint, O-Ringe einzusetzen.

Die Markierung der Auslaßseite dient zur richtigen Montage des Zylinderkopfes.

2.2 Brennraumform

Der Brennraum (Abb. IIA-7) besitzt über dem Auslaß eine Quetschkante, die zur Verwirbelung des Gemisches und somit zu einer guten Verbrennung beitragen soll. Der Abstand zwischen Kolbenbombierung und Quetschkante beträgt beim Modell Österreich ca. 1.5 mm, beim Modell Schweiz kann dieser Abstand durch das geringere Verdichtungsverhältnis nicht eingehalten werden, wodurch der günstige Effekt der Quetschkante nicht mehr in dem Maße zum Tragen kommt.

Über dem Einlaß ist der Brennraum halbkugelförmig ausgebildet, um die kühle Spülströmung direkt zur Zündkerze zu führen. Dadurch kann ein niedrigerer Wärmewert der Kerze realisiert werden. Der Brennraum ist beim Übergang zur Zylinderbohrung im Durchmesser mit 39mm angefast, damit es bei einer ungenauen Zentrierung auf keinen Fall zu einer, die Spülströmung störenden, überstehenden Kante kommt.

Insgesamt begünstigt eine solche Brennraumform eine weichere und effektivere Verbrennung, wodurch sich die Geräuschemissionen verringern. Auch kann das Abregelverhalten verbessert werden, d.h. das sonst beim Drosselmotor charakteristische “harte Anstehen” an der Nenndrehzahl wird abgeschwächt.

3. Kolben

Die wesentlichen Änderungen gegenüber dem ursprünglichen Kolben bestehen aus einer Verlängerung der Kolbenhemdlänge, der Änderung der Oberflächengüte und des Kolbenschliffbildes.

Der Kolben (Abb.IIA-8) wird wie üblich gegossen, wobei die Innenform durch einen dreiteiligen Schieber gestaltet wird. Als Kolbenwerkstoff kommt die Legierung Mahle 138 mit erhöhtem Si-Gehalt zur Anwendung, dieses Material weist folgende chemische Zusammensetzung auf:

	MAHLE 138: Al Si 18 CuMnNi
	Si: 17 - 19 %, Cu: 0.8 - 1.5 %,
	Mn: 0.8 - 1.3 %, Ni: 0.8 - 1.3%,
	Fe: < 0.7 %, Mg: < 0.2 %,
	Ti: < 0.2 %, Zn: < 0.2 %,
	Rest Al

Zur Verringerung der oszillierenden Massenkräfte wurde bei der Formgebung darauf geachtet, unnötige Materialanhäufungen zu vermeiden. Zwei seitliche Rippen leiten die Gaskräfte vom Kolbenboden zu den Kolbenbolzenaugen und versteifen gleichzeitig den Kolbenboden. Mit einem Gewicht von ca. 56g erweist sich der ausgeführte Kolben im Vergleich zu anderen Beispielen als Leichtgewicht. Geringe oszillierende Massen verringern einerseits die Vibrationen des Fahrzeuges, andererseits wird die Geräuschemission herabgesetzt. (Beim Kolbenkippen im oberen Totpunkt erfolgt ein schlagartiger Anlagewechsel des Kolbens. Die dabei in den Zylinder eingeleitete Energie regt diesen zum Schwingen an, es ist daher günstig, diesen Energieanteil gering zu halten).

Die Kolbenbolzenbohrung erhält zur besseren Schmierung des Kolbenbolzens auf der drucklosen Seite je eine Ölbohrung.

Auf dem Kolbenhemd sind Rippen angeordnet, die ein Weichwerden dieses Bereichs während des Betriebes vermindern sollen. Als bemerkenswertes Detail wäre zu erwähnen, daß sämtliche Steuerkanten des Kolbens scharfkantig ausgeführt sind, lediglich die Einlaßsteuerkante weist eine Fase von 0.2mm auf. Dadurch können die Steuerzeiten genau eingehalten werden (geringere Serienstreuung).

Die Verbesserung der Kolbenrauhigkeit bringt folgende Vorteile:

  • die sonst notwendige Einfahrzeit von einigen hundert Kilometern, in der sich ein Kolben mit großer Oberflächenrauhigkeit “glättet” und in der sich außerdem das Betriebsspiel weiter erhöht, kann wesentlich verringert werden;

  • bessere Wärmeübertragung vom Kolben in d:ie benachbarte Zylinderwand, wodurch ohne Einschränkung der Betriebssicherheit ein kleineres Kolbenlaufspiel gefahren werden kann.

Das in der Konstruktion festgelegte Kolbenschliffbild (ballig-rund) hat sich am Motorprüfstand und im praktischen Fahrversuch als betriebssicher erwiesen (Abb. IIA-9).

4. Motorgehäuse

Bis auf die Änderung der Überströmmulde (Abb . IIA-10), die durch die Verwendung des Vierkanalzylinders nötig wurde. werden sämtliche Gehäuseteile unverändert weiterverwendet.

Das gleiche gilt auch für alle Getriebeteile, Wellen, Zahnräder, etc. Nur die Sekundärübersetzungen beider Modelle müssen auf die neue Motorcharakteristik abgestimmt werden.

5. Ansaugkrümmer

Der Ansaugkrürnmer (Abb . IIA-11) ist ein Aluminiumgußteil (Werkstoff G-A1Si9). wobei der Unterschied zwischen Modell Schweiz und Modell Österreich lediglich in den verschiedenen Durchmessern des Strömungskanals besteht. Die kostengünstigste Lösung als reiner Kokillenguß ist wegen der räumlichen Gegebenheiten nicht gänzlich realisierbar, die Kanalform wird deshalb durch einen verlorenen Sandkern ausgeformt.

Problematisch hierbei ist die Übertragung von Motorschwingungen auf den Vergaser, wodurch der Flüssigkeitsspiegel in der Schwimmerkaimler angehoben wird und es zu einer ungewollten “Anfettung” des Gemisches kommen kann. Diesem Umstand trägt die Ansaugkrümmerkonstruktion, soweit ausführbar, Rechnung, der Vergaser ist möglichst “elastisch” gelagert, zwei Rippen tragen zur notwendigen Formstabilität bei.

6. Vergaser

Die Wahl des richtigen Vergasers ist die Voraussetzung für das Funktionieren des Magerkonzeptes. Es kommt dabei praktisch nur ein Vergaser mit eigenem Startsystem in Frage.

Die Betätigung desselben erfolgt mit einem Choke-Hebel, der aus Gründen der leichten Bedienbarkeit am Lenker des Fahrzeugs montiert ist.

6.1 Beschreibung

Es kommt ein Flachstrom-/Schrägstrom-Schiebervergaser Typ 17 der Firma BING zur Anwendung (Abb. IIA-12, IIA-13). Für das Modell Schweiz beträgt der Durchlaß 1Omm (Typ 17/10), für das Modell Österreich 14mm (Typ 17/14).

Dieser Vergasertyp soll folgenden Anforderungen gerecht werden (Abb. IIA-14): optimale Motorfunktion bei geringem Kraftstoffverbrauch, zuverlässiger Kalt- und Warmstart sowie robuster Betrieb bei jedem Wetter, einfache Bedienung und Wartung.

Der Vergaser weist folgende Merkmale auf: Nadeldüsen-Hauptkraftstoffsystem, Startvergaser mit Seilbetätigung und Vorkammer-Kaltstartanreicherung, einstellbares Leerlaufsystem mit Luftversorgung aus Beruhigungskammer, verschleißarmes, zuverlässiges Zulaufventil mit “Viton”-Nadel, Doppelschwimmer für starke Neigungen im Betrieb, Sicherheitsüberlauf im Schwimmergehäuse, wasser- und schmutzgesicherte Schwimmergehäusebelüftung, Kraftstoff-Feinfilter mit Zulauf, Zink-Druckgußgehäuse.

Die Abdichtung am Ansaugkrümmeranschluß erfolgt durch einen O-Ring, der Ansauggeräuschdämpfer wird mit einer Schlauchklemme befestigt.

Nachstehend erfolgt eine kurze Beschreibung der verschiedenen Reguliersysteme des Vergasers (Abb. IIA- 15, IIA-16).

6.1.1 Zulaufregelung

Der Kraftstoff tritt über den Kraftstoffschlauch durch den Filterdeckel (29) in den Vergaser ein, durchströmt den Kraftstoff-Filter (28) und fließt über das Zulaufventil in die Schwimmerkammer. Hat sich dort die vorgeschriebene Kraftstoffhöhe eingestellt, so ist der Schwimmer (22) soweit angehoben, daß er die Spitze der Schwimmernadel (24) gegen den Ventilsitz drückt und den Zulauf von Kraftstoff unterbricht. Die Entnahme von Kraftstoff aus dem Vergaser durch den Motor bewirkt, daß sich der Kraftstoffspiegel in der Schwimmerkammer senkt und der Schwimmer das Zulaufventil wieder öffnet. Der Raum über dem Kraftstoffspiegel steht durch eine Bohrung (E), die gegen Eintritt von Wasser und Schmutz abgeschirmt ist, mit der Umgebungsluft in Verbindung.

6.1.2 Hauptreguliersystem

Die vom Motor angesaugte Gemischmenge und damit seine Leistung werden durch den Querschnitt im Vergaserdurchlaß geregelt, der vom Gasschieber (8) freigegeben wird. Dieser Schieber wird über einen Seilzug gegen die Kraft der Rückholfeder (13) angehoben. Durch die Luftströmung wird im Vergaserdurchlaß ein Unterdruck gebildet, der Kraftstoff aus dem Schwimmergehäuse durch das Düsensystem hindurch angesaugt. Er durchströmt die Hauptdüse (1) und die Nadeldüse (2), in der er mit Luft vorgemischt wird, welche durch einen Korrekturluftkanal (KL) und Querbohrungen in der Nadeldüse eintritt.

Im Teillastbereich, also wenn sich der Gasschieber zwischen einem und drei Vierteln seines vollen Hubs befindet, wird weniger Kraftstoff benötigt als bei Vollgas. Der Zufluß des Kraftstoffs zum Vergaserdurchlaß wird deshalb mit einer Düsennadel (4) gedrosselt, die mit dem Schieber (8) verbunden ist und in die Nadeldüse eintaucht. Je nach Abmessung eines flachen Kegels am unteren Ende der Düsennadel wird ein größerer oder kleinerer Ringspalt zwischen Düsennadel und Nadeldüse freigegeben. Zur Feineinstellung kann die Düsennadel im Gasschieber (8) in mehreren verschieden hohen Positionen (Nadelstellungen) befestigt werden, welche wie der Kegel der Düsennadel die angesaugte Kraftstoffmenge beeinflussen.

Bei geringer Schieberöffnung beeinflußt zusätzlich die Form des Gasschiebers an seinem unteren Ende die geförderte Kraftstoffmenge. Die zylindrische Ausnehmung am Boden (Luftpolster) sorgt mit zunehmender Höhe für Abmagerung des Gemisches. Die filterseitige Aussparung (Ausschnitt) wirkt mit zunehmender Höhe in gleicher Weise, beeinflußt jedoch das Gemisch bis zu einem größeren Gasschieberhub.

6.1.3 Leerlaufsystem

Im Leerlauf des Motors ist der Gasschieber (8) so weit geschlossen, daß er die Gasschieberstellschraube (11) berührt. Mit dieser Schraube kann die Leerlaufdrehzahl verändert werden.

In der Leerlaufstellung ist der Unterdruck am Nadeldüsenaustritt so gering, daß über das Hauptreguliersystem kein Kraftstoff mehr gefördert werden kann. Die Kraftstoffzufuhr zur angesaugten Luft erfolgt dann über ein Hilfssystem, das Leerlaufsystem. Es besteht aus der Leerlaufdüse (5), der Luftregulierschraube (6) und der Leerlaufaustrittsbohrung (LA).

6.1.4 Startvergaser

Der Startvergaser ist ein einfacher Schiebervergaser, der parallel zum Hauptvergaser arbeitet. Sein Schieber besitzt auf der Unterseite eine weiche Dichtung, welche den Kraftstoffeintritt verschließt. Wird der Schieber (32) gegen die Kraft der Feder (33) über einen Seilzug angehoben, so öffnet er den Kraftstoffaustritt. Durch einen senkrechten Spalt in der Schieberführung tritt Luft aus der Beruhigungskammer (LK) ein, welche durch eine Bohrung zur Ansauggeräuschdämpferseite versorgt wird. Das im Startvergaser gebildete Vorgemisch strömt durch die Bohrung (A) in den Vergaserdurchlaß. Wichtig ist für die Funktion des Startvergasers, daß beim Startvorgang der Gasschieber (8) geschlossen wird.

Die Kraftstoffmenge für den Startvergaser wird durch die Startdüse (StD) bemessen . Bei geschlossenem Startvergaser stellt sich in der belüfteten Vorkammer (VK) der gleiche Kraftstoffspiegel ein wie in der Schwimmerkammer. Beim Starten mit geöffnetem Startvergaser wird als Kaltstartanreicherung zunächst der Kraftstoff aus der Vorkammer abgesaugt. Anschließend folgt nur noch so viel Kraftstoff nach, wie die Startdüse durchläßt.

6.2 Vergaserdaten beider Modellvarianten

Seilzugstartvergaser, Seilzüge mit 90°-Rohrbögen. Startvergaserrohrbogen geschraubt, Gasschieber gesteckt mit Staubkappe.

7. Ansauggeräuschdämpfer

Das Ansauggeräusch bildet einen wesentlichen Bestandteil in der Gesamtgeräuschemission und verdient deshalb besondere Beachtung. Wichtig für eine effektive Geräuschdämpfung ist ein ausreichend großes Dämpfervolumen. Gerade dieser Umstand bereitet aber am bestehenden Fahrzeug, bedingt durch die vorgegebene Rahmengeometrie sowie den bestehenden Verkleidungsteil, Schwierigkeiten (der für den Ansauggeräuschdämpfer ideale freie Raum innerhalb des Rahmenprofils bleibt leider ungenützt). Durch die Verschiebung der Verkleidung nach oben und bestmögliche Nutzung des Raumes konnte jedoch ein ausreichend großes Dämpfervolumen untergebracht werden.

Der für beide Modelle baugleiche Ansauggeräuschdämpfer besteht im wesentlichen aus drei Gehäuseteilen:

Gehäuse (Abb . IIA-17). Kappe (Abb. IIA-18) und Trennplatte (Abb. IIA-19). die im Spritzguß-Verfahren hergestellt werden. Als Material findet der Kunststoff Lupolen Verwendung, der durch seine Zähigkeit gute Dämpfungseigenschaften aufweist. Die schalltechnisch relevanten Außenteile sind mit Längsrippen versteift, die Abdichtung des Innenraumes erfolgt durch eine Moosgummi-Schnur und die Verbindung wird durch eine Metallspange aus Federstahl (Abb. IIA 20) gewährleistet.

Der Mittelteil trägt den Luftfilter (Abb IIA-21), der von außen nach innen durchströmt wird, um bei den Serviceintervallen sofort den Verschmutzungsgrad feststellen zu können.

Schwingungstechnisch ist der Ansauggeräuschdämpfer eine Anwendung des Helmholtz-Resonators, dem Analogon zum schwingungsfähigen Feder-Masse-System in der Mechanik. Eine Rohrlänge, die dabei die Feder repräsentiert, ist mit einem dazugehörigen Volumen verbunden, das die Masse darstellt. Durch Aneinanderreihung von unterschiedlichen Rohrlängen

und Volumina kann nun ein möglichst großes Frequenzspektrum gedämpft werden. Aus diesem Grund ist der Innenraum in drei Kammern unterteilt, die durch verschieden lange Rohrstücke miteinander verbunden sind.

Das Rohrstück, das direkt in den Vergaser mündet, ist oval ausgeführt und hat eine Länge von ca. 80mm (Abb. IIA- 22). Die Resonanzdrehzahl für beste Zylinderfüllung wird dadurch in einen Bereich niedriger Motordrehzahl gelegt, was sich günstig auf das Anfahrverhalten sowie auf die Bergsteigfähigkeit auswirkt.

Die räumliche Anordnung der Dämpfervolumina sowie das Gasflußschema wird in Abb. IIA-23 dargestellt.

8. Kühler

Ein ausreichend groß dimensionierter Kühler (Abb. IIA-24) mit geringen Strömungsverlusten sowohl für den Wasserkreislauf, als auch für die Kühlluft, ist maßgebend für die Betriebssicherheit und Standfestigkeit des Fahrzeugs. Ein weiterer Aspekt ist die ‘Warmleistung’ des Motors, die sich bei guter Kühlung entscheidend verbessert.

Wegen der ungünstigen Plazierung des Kühlers im Windschatten der Vorderradgabel und der naturgemäß schlechten Kühlung (geringe vorhandene Strömungsgeschwindigkeiten) ist man bestrebt, den Kühler möglichst groß auszuführen.

Oberstes Gebot ist das Erreichen einer großen Sicherheitsreserve für kritische Betriebszustände (z.B. lange Bergfahrten). Die obere Grenze bestimmt dabei der vorhandene Platzbedarf (das Einfedern des Vorderrades muß berücksichtigt werden), sowie ganz entscheidend die Optik des Fahrzeuges.

Der ausgeführte Kühler, der von der Firma KTM gefertigt wird, hat sich gegenüber mehreren Prototypvarianten, die am Motorprüfstand getestet wurden, als der betriebssicherste herausgestellt.

Wichtige konstruktive Details werden nachfolgend beschrieben.

Oberer Wasserkasten:

Wichtig für die Funktion des Thermosiphonprinzips ist die Höhe des Wasserkastens, der Flüssigkeitsspiegel muß immer über dem Wassereinlauf vorhanden sein, damit der Naturumlauf des Kühlwassers nicht unterbrochen wird.

Der Nachfüllstutzen ist zur besseren Handhabung schräg angeordnet. Der Kühlerverschluß ist für Drücke bis 1.4 bar geeignet (verstärkte Ausführung).

Kühlerlamellen:

Versuche mit Kühlerlamellen kleineren, freien Querschnitts haben am Prüfstand keine befriedigenden Ergebnisse gebracht. Die stranggepreßten Aluminiumlamellen weisen die Außenabmessungen von 4x32 mm auf, wobei die Blechstärke 1 mm beträgt.

Der Abstand der Lamellen darf nicht zu knapp bemessen werden und der freie Querschnitt, mit dem dazwischen angeordneten und gefalzten Kühlblech muß einen geringen Strömungswiderstand aufweisen.

Kühlerdaten:

Es wird also ein zusätzliches Expansionsvolumen von 39 cm3 benötigt, das durch die Anordnung eines Ausgleichsbehälters oberhalb des Kühlers (im freien Raum zwischen Scheinwerfergehäuse und Vorderradgabel) bereitgestellt wird.

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9. Auspuffsystem mit Oxidationskatalysator

9.1 Auspufftopf

Der Auspufftopf mit Katalysator und Trägerrohr ist für beide Modelle gleich ausgeführt (Abb. IIA-25). Unterschiedlich sind lediglich die Krümmerrohre, und zwar im Durchmesser und in der gestreckten Rohrlänge (Abb.IIA-26).

Die Anordnung des Katalysators erfolgt möglichst leistungsneutral, d.h. der Katalysator wird durch das Trägerrohr (Abb. IIA-27 und Abb. IIA-28) in Strömungsrichtung gehalten, der Strömungsverlust ist durch ausreichend große Dimensionierung gering und es wird auf die für den 2-Takt Motor typische Ausführungsform des Auspuffs Rücksicht genommen (zylindrischer Auspuffteil mit nachfolgendem Diffusor und Gegenkonus bzw. Prallwand). Bei dieser Konstruktion kann kein Leistungsverlust (und damit höherer Kraftstoffverbrauch) festgestellt werden.

Ein wichtiges Detail ist die Befestigung des Trägerrohres im Auspufftopf. Diese Stelle muß absolut dicht sein, da sich sonst die Schadstoffemissionen bei der Messung sprunghaft erhöhen. Erreicht wird dies durch eine Dichtung (Klingerit 1000) mit 4-Punkt-Verschraubung. Durch den Versatz einer Schraube gegenüber der 90”-Teilung wird außerdem erreicht, daß die Montage des Trägerrohres in nur einer Stellung möglich ist, der Katalysator also immer zentrisch im Auspufftopf positioniert ist.

Beim Schweizer Modell darf laut Gesetz “mit einfachen Mitteln keine Manipulation möglich sein”, die Kontermutter erhält deshalb einen Schweißpunkt.

Das Gas gelangt nach dem Katalysator über eine Querbohrung im Trägerrohr in ein Zwischenvolumen, das durch einen eingeschobenen Konus gebildet wird. Dieser Blechteil weist

ebenfalls Bohrungen auf, durch die das Gas in einen weiteren Raum gelangt, um von hier über ein in der Endkappe eingeschweißtes Rohrstück ins Freie zu strömen. Die Dämpfung der Frequenzen wird durch die Querschnittsänderungen erreicht, die in der Endkappe enthaltene Stahlwolle wirkt als Absorptionsdämpfer. Der gesamte Auspufftopf ist doppelwandig ausgeführt, wodurch sich ein dumpfes, sonores Auspuffgeräusch ergibt.

9.2 Katalysator

Im Vergleich zu gängigen PKW-Lösungen ist der Katalysator (Abb. IIA-29) groß dimensioniert, um die Strömungsverluste gering zu halten. Die katalytisch aktive Schicht besteht aus Platin-Rhodium im Verhältnis 5:1 und ist auf einem metallischen Trägerkörper aufgebracht, das Masseverhältnis beträgt mindestens 2.7 g/l. Der Metallträger besitzt eine wabenförmige Struktur (400 Zellen/inch2), ist um die Zylinderachse spiralenförmig gerollt und wird einseitig von einem dünnen Stahlrohr gehalten. Dieses Rohr umschließt den Katalysator nur bis zur Hälfte , um die Ansprechzeit durch bessere Wärmebeaufschlagung zu verkürzen.

9.3 Krümmerrohr

Die Auslegung des Krümmerrohres (Dimension, Rohrlänge) beeinflusst in Verbindung mit der saugseitigen Motorabstimmung (Länge des Ansaugrohres) wesentlich die Leistungs- Drehmoment- und Drehzahlcharakteristik des Motors. Je nach Modell wurden nachfolgend beschriebene Auspuffvarianten verwirklicht.

Modell Schweiz:

	Rohrhrdimension D15xlmm, gestreckte Rohrlänge 600mm.

Um das Ansprechverhalten des Katalysators beim leistungsschwächeren Schweizer Fahrzeug zu verbessern, wird das Krümmerrohr bis auf 25mm an die Katalysatorstirnfläche herangeführt (der Katalysator wird direkt mit dem Rohabgas beaufschlagt, außerdem ergibt sich ein geringerer Wärmeverlust durch FUhrung eines Teils des Krümmerrohres innerhalb des Auspufftopfes).

Modell Österreich:

	Rohrdimension D25xl.5mm, gestreckte Rohrlänge 410mm.

Die Auslegung erfolgt hier nach den Kriterien für höhere Leistung. Durch eine kürzere gestreckte Rohrlänge wird eine höhere Motordrehzahl erreicht, auch erfolgt die Einmündung des Krümmerrohres in den Auspufftopf direkt beim Diffusorteil.

E - Beschreibung der ausgeführten Fahrzeuge

Es folgt e:ine Darstellung wichtiger Daten der Motor- und Fahrzeugauslegung, sowie der erbrachten Meßergebnisse. Aus einer Fülle von Messungen, insbesondere am Motorprüfstand, wird jene Messung vorgeführt, die praktisch dem Stand des Typisierungsfahrzeugs entspricht.

1. Modell Schweiz

1.1 Auslegungsdaten

Beim Getriebeschema fällt die geringe Zähnezahl (11 Zähne) des Motorabtriebsritzels auf. Dies wirkt sich ungünstig auf die Geräuschentwicklung aus, kann aber durch die vorgegebenen Gehäuseabmessungen nicht beeinflußt werden. Die Ursache für diesen Umstand sind behördliche Vorlagen der deutschen Fahrzeugvariante, der sogenannte ‘Antimanipulationskatalog’.

	Motordaten .......................  Abb. IIB-1
	Steuerdiagramm .................... Abb. IIB-2
	Zylinderabwicklung ................ Abb. IIB-3
	Getriebeschema .................... Abb. IIB-4
	Schnittzeichnungen ................ Abb. IIB-5, Abb . IIB-6
	Fahrzeuggesamtansicht ............. Abb. IIB-7

1.2 Meßergebnisse

Die Messungen wurden zur Gänze auf den institutseigenen Prüfständen durchgeführt.

Am Motorprüfstand stehen dabei mehrere Leistungsbremsen zur Verfügung, die das gesamte Leistungsspektrum des Zweiradmotors abdecken. Die Abgasmessungen erfolgten auf der Zweiradrolle mittels CVS Anlage.

Gemessen wurde gemäß dem gesetzlich vorgeschriebenem ECE-R47 Test (Abb. IB-1).

	Geräuschmessung ................... Abb. IIB-8
	Leistungsmessung .................. Abb. IIB-11. Abb. IIB-12
	Abgasm. (Inst. VKM u. Thd.) ....... Abb. IIB-9,  Abb. IIB-10
	Abgasm. (Fichtel u. Sachs) ........ Abb. IIB-11. Abb. IIB-12

2. Modell Österreich

2.1 Auslegungsdaten

	Motordaten ..................... Abb. IIB-15
	Steuerdiagramm ................. Abb. IIB-16
	Zylinderabwicklung ............. Abb. IIB-17
	Getriebeschema ................. Abb. IIB-18
	Schnittzeichnungen ............. Abb. IIB-19, Abb. IIB-20
	Fahrzeuggesamtansicht .......... Abb. IIB-21

2.2 Meßergebnisse

	Geräuschmessung ................. Abb. IIB-22
	Leistungsmessung ................ Abb. IIB-23, Abb. IIB-24
	Abgasmessung .................... Abb. IIB-25, Abb. IIB-26

F - SCHLUSSBETRACHTUNG

Anhand des Schweizer Modells kann gezeigt werden, wie wirkungsvoll die schädlichen Abgasbestandteile mit Hilfe der Katalysatortechnik reduziert werden. Abb. IIC-1 zeigt den Vergleich der Abgasbestandteile mit den gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerten. Diese werden nicht nur erreicht, sondern noch deutlich unterschritten. Für die Serienproduktion ergibt sich somit auch eine ausreichende Sicherheitsreserve.

Durch die Mitwirkung und den vollen Einsatz aller beteiligten Personen konnten die gestellten Aufgaben erreicht werden. Abbildung IIC-2 zeigt das Schweizer Typisierungsfahrzeug. Besonders erfreulich ist auch die Tatsache, durch diese Arbeit einen Beitrag geleistet zu haben, die Umweltsituation zu verbessern.

Es ist zu hoffen, daß der 2-Takt-Motor, in dem zweifellos noch ein großes Entwicklungspotential steckt, sein schlechtes Image wieder verbessern kann und durch die Anwendung neuer Technologien auch in Zukunft weiterhin zum Einsatz kommen kann.