Was ist ein Diffusor?

Der Abtrieb, der aus der Tiefe kam.

06.08.2015 Online Redaktion

Kaum ein aktuelles Serienauto, das sich als Mitglied der sportlichen Kaste versteht, kommt ohne einen, zumindest angedeuteten, Diffusor in der Heckschürze aus. Augenscheinlich funktioniert die Assoziationskette der interessierten Öffentlichkeit hier ähnlich wie beim ewigen Zubehördominator Spoiler: Diffusor = schnell.

Der Diffusor in der Theorie

Fluidmechanisch gesehen ist ein Diffusor ein Gerät, das (Unterschall-)Strömung möglichst verlustfrei verlangsamt und gleichzeitig den statischen Druck erhöht. Das Gegenstück ist übrigens die Düse, beide funktionieren über stetige Querschnittsänderung.

Zum besseren Verständnis seien zwei fundamentale Beziehungen aus der Strömungslehre herangezogen, nämlich die Kontinuitäts- und die Bernoulligleichung. Erstere besagt im Grunde, dass die Masse, die pro Zeiteinheit in ein Rohr strömt, gleich der Masse sein muss, die in derselben Zeit aus dem Rohr strömt. Logisch eigentlich. Geht man nun von konstanter Dichte des Mediums aus – eine Annahme, mit der Luft bei den für Automobile relevanten Geschwindigkeiten durchaus einverstanden ist – so gilt folgendes:

Strömunsgeschwindigkeit × Rohrquerschnitt = konstant.

Oder anders ausgedrückt:

Strömunsgeschwindigkeit und Rohrquerschnitt sind zueinander invers proportional.

Das bedeutet schlicht, dass Luft in Rohrverengungen beschleunigt wird und wir dürfen dem Italiener Giovanni Battista Venturi für die Entdeckung dieses nach ihm benannten Effektes dankbar sein.

Das Venturirohr //// Grafik: Alessandro Holler

Das Venturirohr //// Grafik: Alessandro Holler

Der Schweizer Daniel Bernoulli hat seinerseits herausgefunden, dass sich die Energiemenge, die ein sich entlang eines bestimmten Pfades – seiner Stromlinie – bewegendes Fluidteilchen inne hat, nicht ändert. Erlaubt man gewisse Vereinfachungen und Einschränkungen, deren Erklärung hier den Rahmen sprengen würde, ergibt sich diese bedeutungsschwere Bilanz:

Gesamtenergie = Druckenergie + kinetische Energie (proportional der Geschwindigkeit) = konstant.

Die Bernoulligleichung sagt somit, dass der Druck in der oben erwähnten Rohrverengung abfallen muss, damit die nötige Energie für die von der Kontinuitätsbedingung verlangte Strömungsbeschleunigung bereit gestellt werden kann. Eine Kontraktion führt hier also zu höherer Geschwindigkeit bei niedrigerem Druck. Man spricht hier passenderweise von Venturirohren.

Der Diffusor in der Praxis

So viel (oder eigentlich wenig) zur Theorie. Praktisch haben diese Effekte zum Beispiel dem Vergaser zu seiner gemischbildenden Funktion verholfen. Außerdem sind in den Siebzigern ganz findige F1-Aerodynamiker draufgekommen, dass sich durch entsprechende Ausführung des Unterbodens eine Art Venturirohr unter dem  Fahrzeug schaffen lies, das – nach ein paar Jahren des Tüftelns – enorme Abtriebswerte bei bescheidenem Luftwiderstand erlaubte. Die Wingcars waren geboren und gingen daran die Grenzen der Haftung neu zu definieren. In der folgenden Grafik zur Erläuterung der Diffusor-Funktion wird ebenfalls auf diese große Motorsportära Bezug genommen, denn Ehre wem Ehre gebührt.

In der engsten Stelle wird die Luft stark beschleunigt und damit geht ebendort ein Druckabfall einher, der das Auto auf die Straße saugt. Der dahinterliegende Diffusor hat nun die Aufgabe, die schnelle Luft unter dem Auto möglichst ohne Verwirbelungen wieder auf Umgebungsgeschwindigkeit zu bringen. Der Hauptteil des Abtriebes wird also nicht im Diffusor erzeugt, sondern in  besagter Engstelle davor. Da die Strömung im Bereich der Querschnittsvergrößerung aber erst verzögert wird, ist sie dort logischerweise im Durchschnitt immer noch schneller als in der Umgebung, weshalb auch im Diffusor selbst ein gewisser Unterdruck erzeugt wird. Außerdem wird die Luft – je nach geometrischer Ausführung –  an der Hinterkante oft stark nach oben abgelenkt. Diese Richtungsänderung der Luft erzeugt eine Gegenkraft auf das Fahrzeug, die ebenfalls zum Abtrieb beiträgt. Das ist zugegebenermaßen nicht ganz leicht vorstellbar, aber Aerodynamik ist nach wie vor ein Feld voller Unbekannter und gerade deshalb so interessant.

Abtrieb ist  in praktisch allen Motorsportserien unverzichtbar geworden

Jedenfalls hat die FIA nach dem tragischen Tod von Gilles Villeneuve in Zolder 1982 entschieden, dass Maßnahmen zum Einhalt der offenbar gefährlich schnellen F1-Geräte ergriffen werden mussten. Fortan war ein zwischen den Achsen komplett flacher Unterboden obligat, die Zeit der Formel-1-Autos als motorisierte Flügelprofile somit passé. Die Freiheit der Konstrukteure war selbstverständlich eingeschränkt, aber man enthielt sich des Zagens, denn die glatten Unterseiten der Autos waren nach wie vor in der Lage gewissen Abtrieb zu erzeugen und der Diffusor – zwar vollständig hinter die Hinterachse verbannt –  spielte seine Rolle als Downforce-Zulieferer immer noch überzeugend. Das tut er noch heute, denn der von den Rennwagenböden erzeugte Abtrieb ist  in praktisch allen Motorsportserien unverzichtbar geworden – zumindest im Falle halbwegs toleranter Reglements.  Speziell in der Königsklasse  liefern sich die Ingenieure kraft geballter Kreativität und der einen oder anderen Stunde im Windkanal einen Schlagabtausch mit den Regelmachern. In kurzen Abständen führt dieses Räuber-und-Gendarme-Spiel zu interessanten technischen Lösungen.

Und auch wenn die schönen Diffusoransätze in den Serienheckschürzen Unterdruck (meist) nur vom Hörensagen kennen, so wird der Unterflurströmung bei der Auslegung von Fahrwerk und Auspuff durchaus Aufmerksamkeit zuteil. Neben dem Luftwiderstand soll vor allem der Auftrieb im Zaum gehalten werden.

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