Gegendruck
Flüssigkeit fließt durch ein Rohr aufgrund des Druckunterschieds zwischen den beiden Enden einer Rohrleitung. Die Flüssigkeit fließt vom Hochdruckende zum Niederdruckende. Betrachten Sie zwei Systeme, wie in der folgenden Abbildung dargestellt. Die Strömung wird in jedem Fall durch einen Druckunterschied zwischen P1 und P2 verursacht. Rohr 2 weist einige Hindernisse auf (Schweißreste, ein Reduzierstück, Flächenveränderungen, scharfe Biegungen usw.), die einen Druckabfall verursachen, der zu einem geringeren Durchfluss und einer verringerten Durchflussrate führt.
Der Druckverlust oder Druckabfall wurde ursprünglich als Ergebnis eines Drucks betrachtet, der durch die Hindernisse in die entgegengesetzte Richtung ausgeübt wird und dadurch den angelegten Druck aufhebt oder verringert. Daher stammt auch der Begriff Gegendruck.
Ein gängiges Beispiel für Gegendruck ist der von der Auspuffanlage (bestehend aus Auspuffkrümmer, Katalysator, Schalldämpfer und Verbindungsrohren) eines Viertaktmotors eines Kraftfahrzeugs verursachte Druck, der sich negativ auf den Wirkungsgrad des Motors auswirkt und zu einer Verringerung der Leistungsabgabe führt, die durch einen höheren Kraftstoffverbrauch ausgeglichen werden muss.
Bei einem Zweitaktmotor mit Kolbenantrieb ist die Situation jedoch komplizierter, da verhindert werden muss, dass unverbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch direkt durch die Zylinder in den Auspuff gelangt. Während der Auslassphase des Zyklus ist Gegendruck sogar noch unerwünschter als bei einem Viertaktmotor, da weniger Zeit für den Auslass zur Verfügung steht und die Pumpwirkung des Kolbens fehlt, um den Auslass aus dem Zylinder zu drücken. Da jedoch die Auslassöffnung nach Beendigung der Spülung zwangsläufig eine Zeit lang offen bleibt, kann unverbranntes Gemisch dem Auspuff aus dem Zylinder folgen, wodurch Kraftstoff verschwendet und die Umweltverschmutzung erhöht wird. Dies kann nur verhindert werden, wenn der Druck an der Auspufföffnung größer ist als der Druck im Zylinder.
Diese widersprüchlichen Anforderungen werden durch die Konstruktion des Auspuffrohrs mit divergierenden und konvergierenden konischen Abschnitten in Einklang gebracht, um Druckwellenreflexionen zu erzeugen, die das Rohr wieder hinauflaufen und an der Auspufföffnung ankommen. Die Auslassöffnung öffnet sich, während im Zylinder noch ein erheblicher Druck herrscht, der den anfänglichen Ausstoß von Abgasen bewirkt. Während sich die Druckwelle des Abgasimpulses das Rohr hinunterbewegt, trifft sie auf einen divergierenden konischen Abschnitt; dadurch wird eine Unterdruckwelle das Rohr hinauf reflektiert, die gegen Ende der Abgasphase, wenn der Zylinderdruck auf ein niedriges Niveau gesunken ist, an der Auslassöffnung ankommt und dazu beiträgt, das restliche Abgas aus dem Zylinder zu ziehen. Im weiteren Verlauf des Auspuffrohrs trifft die Abgasdruckwelle auf einen konvergierenden konischen Abschnitt, der eine positive Druckwelle zurück in das Rohr reflektiert. Diese Welle ist so getaktet, dass sie nach Beendigung der Spülung an der Auslassöffnung ankommt, wodurch die Auslassöffnung „verstopft“ wird, um das Austreten von frischer Ladung zu verhindern, und sie kann auch bereits ausgetretene Ladung zurück in den Zylinder drücken.
Da der Zeitpunkt dieses Vorgangs hauptsächlich durch die Geometrie der Auspuffanlage bestimmt wird, die nur sehr schwer variabel gestaltet werden kann, kann der richtige Zeitpunkt und damit der optimale Wirkungsgrad des Motors in der Regel nur in einem kleinen Teil des Betriebsdrehzahlbereichs des Motors erreicht werden.
Eine äußerst detaillierte Beschreibung dieser Phänomene findet sich in Design and Simulation of Two-Stroke Engines (1996), von Prof. Gordon Blair von der Queen’s University Belfast, publish. SAE International, ISBN 978-1-56091-685-7.