Studienarbeit T3100. Steigerung der Effizienz und Umweltfreundlichkeit eines Verbrennungsmotors

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1 Studienarbeit T3100 Steigerung der Effizienz und Umweltfreundlichkeit eines Verbrennungsmotors Fachrichtung Maschinenbau - Konstruktion und Entwicklung An der Dualen Hochschule Baden-Württemberg Stuttgart Campus Horb Eingereicht von: Ausbildungsbetrieb: Denny Roth EISENMANN AG Tübinger Straße Böblingen Studienjahrgang: 2009 Bearbeitungszeitraum: Betreuer Duale Hochschule: Prof. M.Sc. Antje Katona

2 Erklärung gemäß 5 (2) der Studien- und Prüfungsordnung DHBW Technik vom 18. Mai Ich habe die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet. Ort, Datum Unterschrift Verfasser Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum: I

3 0.1 Kurzreferat (Zusammenfassung) In dieser Arbeit wurde ein bestehender Einzylinder-Viertaktmotor auf ein elektronisches Einspritzsystem mit elektronischer Kennfeldzündung umgebaut. Es wird beschrieben, wie die einzelnen Komponenten des Ansaug- und Abgassystems ausgelegt und ausgeführt wurden. Außerdem wird auf die Einrichtung von Messeinrichtungen zur Aufnahme der Kurbelwellenwinkels und die Drosselklappenposition eingegangen. Für die Leistungsmessung über einen Leistungsprüfstand wurde die mechanische Anbindung ausgelegt. Nach einigen Testläufen bezüglich Leistungsentfaltung, Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen wurden die gewonnnen Messwerte ausgewertet und interpretiert. Dabei zeigte sich der Versuchsaufbau positiv hinsichtlich der Erwartungen. Lediglich beim Kraftstoffverbrauch wurden negative Werte ermittelt, was vermutlich der Konstruktion des Ansaugsystems geschuldet ist. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum: II

4 0.2 Abkürzungsverzeichnis BDE Benzin-Direkt-Einspritzung EFI Electronic Fuel Injection (dt. elektronisch gesteuerte Benzineinspritzung) GFK Glasfaserverbundkunststoff MPI Multi-Point-Injection (dt. Einzeleinspritzung) OHC Overhead-Camshaft (dt. obenliegende Nockenwelle) OT Oberer Totpunkt PKW Personenkraftwagen PU SPI UT Polyurethan Single-Point-Injection (dt. Zentaleinspritzung) Unterer Totpunkt ZZP Zündzeitpunkt 0.3 Formelgrößen und Einheiten a m/s Schallgeschwindigkeit L mm Länge L Saug mm Saugrohrlänge n min -1 Drehzahl T Nm Drehmoment T N Nm Nenn-Drehmoment T KN Nm Kupplungs-Nenn-Drehmoment T Kmax Nm λ Maximales Kupplungs-Drehmoment Luftzahl Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum: III

5 0.4 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abb. 1-1 Honda GX Abb. 1-2 Schnittdarstellungen des eingesetzten Motors vom Typ GX Abb. 2-1 Die vier Takte des Ottomotors (a Ansaugtakt, b Verdichtungstakt, c Arbeitstakt, d Austoßtakt, 1 Auslassnockenwelle, 2 Zündkerze, 3 Einlassnockenwelle, 4 Einspritzdüse, 5 Einlassventil, 6 Auslassventil, 7 Brennraum, 8 Kolben, 9 Zylinder, 10 Pleuelstange, 11 Kurbelwelle, α Kurbelwellenwinkel, s Kolbenhub, V h Hubvolumen, V c Kompressionsvolumen)...7 Abb. 2-2 Einfluss der Luftzahl λ auf die Leistung P und den spezifischen Kraftstoffverbrauch b e bei homogener Gemischverteilung...9 Abb. 2-3 Einfluss der Luftzahl λ auf die Schadstoffzusammensetzung im Rohabgas bei homogener Gemischverteilung...9 Abb. 2-4 Schematischer Aufbau des Vergasers im Schnitt...10 Abb. 2-5 Elektromagnetisches Einspritzventil (1 Filtersieb im Kraftstoffzulauf, 2 elektrischer Anschluss, 3 Magnetwicklung, 4 Ventilgehäuse, 5 Anker, 6 Ventilkörper, 7 Ventilnadel)...11 Abb. 2-6 Schematische Darstellung von Zentral- und Einzeleinspritzung...13 Abb. 2-7 Prinzip der Benzin-Direkteinspritzung (1 Zylindermit Kolben, 2 Einlassventil, 3 Zündspule mit Zündkerze, 4 Auslassventil, 5 Hochdruck-Einspritzventil, 6 Rail)...14 Abb. 2-8 Fiktiver Schalldämpfer mit allen Dämpfungsprinzipien...16 Abb. 2-9 Typische Abgaszusammensetzung bei Ottomotoren mit λ= Abb Katalysator...18 Abb Katalysatorwirkung in Abhängigkeit von der Luftzahl λ...19 Abb Einspritzventil und Druck- und Temperatursensor der Stihl Injection...21 Abb. 4-1 Inkrementalrad zur Erfassung der Drehzahl und des Drehwinkels...23 Abb. 5-1 Prinzip der Schwingrohraufladung...25 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum: IV

6 Abb. 5-2 Einfluss der Saugrohrlänge auf den maximalen effektiven Mitteldruck über die Drehzahl...25 Abb. 5-3 Luftsammler und Saugrohr mit Druckmessstutzen und Anschlussstutzen für die Drosselklappe...27 Abb. 5-4 Drosselklappe mit Potentiometer zur Erfassung der Drosselklappenstellung...27 Abb. 5-5 Aufnahme des Einspritzventils und des Luftfilters im Schnitt...28 Abb. 5-6 Das komplette montiere Ansaugsystem...29 Abb. 5-7 Schematische Darstellung der Kraftstoffversorgung...29 Abb. 5-8 Ausgeführte Kraftstoffversorgung...30 Abb. 5-9 Grundaufbau der Abgasanlage dargestellt als CAD-Modell...31 Abb Schnitt der Abgasanlage durch den Katalysator...32 Abb Schnitt durch den Schalldämpfer...32 Abb Einzelteile des Abgassystems (ohne Krümmer, Flansch und Rohrbogen) ohne Katalysator...33 Abb Gefertigtes Abgassystem mit Katalysator (Anschlussstutzen für Lambdasonde hier verdeckt)...34 Abb Bruch des hartgelöteten Krümmers...34 Abb Nachträglich angebrachte Stutzen für die Abgasmessung...35 Abb. 6-1 Schematischer Strömungsverlauf der Kühluft (gelbe Linien), ausgehend vom Radiallüfterrad (Abdeckung halbtransparent dargestellt)...36 Abb. 6-2 Zugeschnittene Wellkartonlagen vor dem zusammenkleben...37 Abb. 6-3 Verrunden der Kanten und glätten von Unebenheiten...38 Abb. 6-4 Mit PU-Schaum ausgeschäumte Wellkarton-Positivform...38 Abb. 6-5 Mit Glasfasergewebe ausgelegte Negativform...39 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum: V

7 Abb. 6-6 Fertige und lackierte Abdeckung; links: Saugseite und Kühlluftaustritt; rechts: Auspuffseite und Vorderseite (Durchbruch für Zündkerzenstecker)...40 Abb. 8-1 Leistungsverlauf über die Drehzahl im originalen Zustand, bei Kennfeldzündung mit Vergaser (El. Vergaser) und bei elektronischer Einspritzung (EFI)...41 Abb. 8-2 Drehmomentverlauf über die Drehzahl im originalen Zustand, bei Kennfeldzündung mit Vergaser (El. Zündung) und bei elektronischer Einspritzung (EFI)...42 Abb. 8-3 Kohlenstoffdioxid-Gehalt...42 Abb. 8-4 Kohlenstoffmonoxid-Gehalt...43 Abb. 8-5 Kohlenwasserstoff-Gehalt...43 Abb. 8-6 Sauerstoff-Gehalt...43 Abb. 8-7 Lambda-Wert...44 Abb. 8-8 Kraftstoffverbrauch bei n=5000min-1 und 5min Laufzeit (ohne Last)...45 Tab. 1 Technische Daten des Motors nach Honda-Werksangaben (Originalzustand)...4 Tab. 5-1 Technische Daten des verwendeten Abgaskatalysators...32 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum: VI

8 Inhaltsverzeichnis 0.1 Kurzreferat (Zusammenfassung)... II 0.2 Abkürzungsverzeichnis... III 0.3 Formelgrößen und Einheiten... III 0.4 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis... IV 1 Einleitung Aufgabenstellung Gegenstand und Ziel der Arbeit Stand der Technik Grundlagen Funktionsweise des Ottomotors Gemischbildung Abgasanlagen Einspritz- und Zündungssysteme bei Kleinmotoren STIHL Injection STIHL M-Tronic Mechanische Anbindung des Motors an den Prüfstand Drehwinkelerfassung Ansaug- und Abgaskrümmer Ansaugsystem Abgassystem Kühlung Analyse der gewonnen Messwerte Leistungsmessung Abgasmessung Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

9 7.3 Kraftstoffverbrauch Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

10 1 Einleitung 1.1 Aufgabenstellung Kleinmotoren für den Garten- und Baubetrieb werden aus Kostengründen häufig mit einfachsten Vergaser- und Zündvorrichtungen ausgestattet. Um die Potentiale von kleinen Verbrennungsmotoren aufzuzeigen, soll ein bestehender Kleinmotor mit einer Einspritzanlage und kennfeldgesteuerter Zündung ausgerüstet werden. 1.2 Gegenstand und Ziel der Arbeit Als Grundlage für das geplante Vorgehens soll ein Einzylinder-Viertaktottomotor vom Typ "Honda GX35" umgebaut werden. Abb. 1-1 Honda GX-35 1 Die folgende Tabelle (Tab. 1) zeigt die technischen Daten dieses Verbrennungsmotors. 1 Entnommen aus: (Aufgerufen am: ) Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

11 Tab. 1 Technische Daten des Motors nach Honda-Werksangaben (Originalzustand) 2 Motortyp Luftgekühlter 1-Zylinder, 4-Takt OHC Benzinmotor Bohrung x Hub 39 x 30 mm Hubraum 35.8 cm 3 Verdichtung 8.0 : 1 Netto-Leistung 1.0 kw (1.3 PS) / min -1 Max. Netto-Drehmoment 1.6 Nm / min -1 Zündsystem Elektronische Zündung Starter Reversierstarter Tankinhalt 0.63 l Benzinverbrauch bei Dauerleistung 0.71 l/h min -1 Schmierung Druckschmierung Motorölkapazität 0.1 Liter Maße (L x B x H) 198 x 234 x 240 mm Trockengewicht (ohne Kupplung) 3.33 kg Abb. 1-2 Schnittdarstellungen des eingesetzten Motors vom Typ GX Vgl. (Aufgerufen am: ) 3 Entnommen aus: (Aufgerufen am: ) Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

12 Um die Einspritzanlage zu realisieren ist es nötig den bestehenden Motor umzubauen. Hierfür muss der gesamte Vergaser durch eine Einspritzanlage mit Saugrohr, Luftsammler, Drosselklappe, Aufnahme des Einspritzventils und eines Luftfilters ersetzt werden. Für die Regelung der Verbrennung ist es außerdem nötig im Auspuff eine Lambda-Sonde zu platzieren, welche bei einem konventionellen Vergaser nicht benötigt wird und daher im Originalzustand nicht zur Verfügung steht. Durch den Einsatz eines Abgaskatalysators sollen die Abgasemissionen deutlich reduziert werden. Die kennfeldgesteuerte Zündung und Steuerung der Einspritzdüse soll hier mit Hilfe eines frei programmierbaren Motorsteuergerätes aus dem PKW-Bereich ausgeführt werden. Hierzu muss auch eine Drehzahlerfassung an der Kurbelwelle des Motors und die Sensorik zur Erfassung der Drosselklappenstellung angebaut werden. Gegenstand dieser Arbeit soll sein, alle diese Umbauteile zunächst auszulegen, zu konstruieren und zu fertigen. Hiernach sollen die Teile auf ihre Wirksamkeit erprobt werden und die Ergebnisse hieraus ausgewertet werden. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

13 2 Stand der Technik 2.1 Grundlagen Funktionsweise des Ottomotors Der Ottomotor ist ein, nach Nicolaus August Otto benannter Hubkolbenverbrennungsmotor der ein Luft-Kraftstoffgemisch verbrennt und die darin enthaltene chemische Energie in mechanische Energie umwandelt. Das Funktionsprinzip des Ottomotors kann im Zwei- oder Viertaktbetrieb beschrieben werden. Das Viertaktprinzip ist heute das gebräuchlichere Verfahren. Motoren im Zweitaktverfahren besitzen einen geringeren Wirkungsgrad und werden daher heute nur noch da eingesetzt, wo der Wirkungsgrad eine geringere, Gewicht und Kosten dagegen eine größere Rolle spielen. So zum Beispiel im Freizeitbereich oder bei tragbaren Geräten, wie Modellflugzeugen oder Motorsägen. In dieser Arbeit wird ein Motor nach dem Viertaktverfahren behandelt und daher wird hier nicht weiter auf das Zweitaktverfahren eingegangen. Das Viertaktverfahren Beim Viertaktverfahren wird der Ladungswechsel, also Ansaugen von Frischgas und Ausstoßen der Abgase, im Gegensatz zum Zweitaktverfahren durch Ventile gesteuert. Abbildung Abb. 2-1 zeigt die vier Takte: Im ersten Takt (a) wird das Einlassventil (5) geöffnet und Frischgas durch den sich nach unten bewegenden Kolben (8) angesaugt. Im zweiten Takt (b) wird das Gas durch den sich nach oben bewegenden Kolben und gleichzeitig geschlossenen Ventilen verdichtet. Im anschließenden dritten Takt, dem Arbeitstakt (c), wird das verdichtete Gemisch mit der Zündkerze (2) entzündet und die dadurch erfolgende Verbrennung (Expansion) des Gemisches der Kolben nach unten gedrückt. Nur in diesem Takt wird vom Motor Arbeit verrichtet. Im vierten Takt (d) wird das verbrannte Gas über das nun geöffnete Auslassventil (6) ausgestoßen. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

14 Abb. 2-1 Die vier Takte des Ottomotors (a Ansaugtakt, b Verdichtungstakt, c Arbeitstakt, d Austoßtakt, 1 Auslassnockenwelle, 2 Zündkerze, 3 Einlassnockenwelle, 4 Einspritzdüse, 5 Einlassventil, 6 Auslassventil, 7 Brennraum, 8 Kolben, 9 Zylinder, 10 Pleuelstange, 11 Kurbelwelle, α Kurbelwellenwinkel, s Kolbenhub, V h Hubvolumen, V c Kompressionsvolumen) Gemischbildung Bei der Gemischbildung gibt es verschiedene Verfahren. Man unterscheidet zwischen inneren und äußeren Gemischbildung. Die äußere Gemischbildung umfasst den konventionellen Vergaser und die Saugrohreinspritzung. Die innere Gemischbildung beschreibt die Direkteinspritzung. Ein Ottomotor benötigt zum Betrieb ein bestimmtes Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Für eine ideale, theoretisch vollständige Verbrennung wird ein Luft-Benzin- Masseverhältnis von 14,7:1 benötigt 5. Dieses wird auch als stöchiometrisches Verhältnis bezeichnet. Luftzahl Aus verbrennungstechnischen Gründen wird von diesem theoretischen Mischungsverhältnis abgewichen. Um diese Abweichung zu Beschreiben wird die 4 Entnommen aus: Reif, K. (2011a), S Vgl. Gnadt, W. (1982), S. 20 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

15 Luftzahl λ (oder Luftverhältnis) verwendet. Diese beschreibt das Verhältnis von zugeführter Luftmasse und dem Luftbedarf für eine stöchiometrische Verbrennung. Es gilt also: L zugeführte Luftmasse λ = tats = Gl L theoretischer Luftbedarf min Man unterscheidet dabei folgende Zustände: λ=1: Luftmasse entspricht der theoretisch erforderlichen Luftmasse (stöchiometrisches Verhältnis) λ<1: Verbrennung findet unter Luftmangel statt. Man Spricht von einem fetten Gemisch. Leistungsmaximum liegt bei etwa λ=0,8...0,95 λ>1: Es herrscht Luftüberschuss. Man spricht von einem mageren Gemisch. Das Gemisch-Verhältnis hat bedeutenden Einfluss auf den Verlauf der Verbrennung. So lässt sich über dieses die Leistung und den Spritverbrauch aber auch die Schadstoffemissionen deutlich beeinflussen, wie aus Abb. 2-2 und Abb hervorgeht. 6 Vgl. Kraemer, O. / Jungbluth, G. (1983), S. 29 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

16 Abb. 2-2 Einfluss der Luftzahl λ auf die Leistung P Abb. 2-3 Einfluss der Luftzahl λ auf die und den spezifischen Kraftstoffverbrauch b e bei Schadstoffzusammensetzung im Rohabgas bei homogener Gemischverteilung homogener Gemischverteilung 7 Hier zeigt sich, dass es keinen idealen Wert für die Luftzahl gibt. Je nach Gemischbildungsverfahren und Abgasnachbehandlung muss ein entsprechender Wert gefunden werden Vergaser Der Vergaser stellt eine einfache und günstige Möglichkeit dar, ein brennfähiges Gemisch zu bilden. Im KFZ-Bereich war die Vergasertechnik beim Benzinmotor bis etwas in die 1960er Jahre üblich, bevor sie langsam durch die Einspritztechnik bis 1980 fast vollständig verdrängt wurde. Heute werden Vergaser noch immer in den Bereichen verwendet, wo die Ansprüche hinsichtlich Kraftstoffverbrauch und Emissionen geringer sind oder wo man die besondere Robustheit dieses Gemischbildners benötigt wird (z.b. Moto-Cross-Motorräder). Der Vergaser besteht im Allgemeinen aus einer Mischkammer, einer Steuer- und Drosseleinrichtung (meist Drosselklappe) und einem Regelsystem für die Kraftstoffzufuhr. Die Mischkammer, meist bestehend aus einer Düse nach dem Venturiprinzip, welche einen Unterdruck durch die hindurch strömende Frischluft erzeugt und dadurch der Kraftstoff über die Düse zerstäubt und so zur Luft beigemischt wird. Die Drosselklappe fungiert dabei 7 Entnommen aus: Reif, K. (2011a), S. 46 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

17 als Stellglied für den Motor indem sie die Menge des für die Verbrennung zu Verfügung stehenden Luft-Kraftstoffgemischs begrenzt. Abb. 2-4 Schematischer Aufbau des Vergasers im Schnitt 8 Meist wird der Vergaser durch einen Choke ergänzt. Dieser wird verwendet um das Gemisch bei der Start- und Warmlaufphase anzufetten (Erhöhung des Anteils von Kraftstoff im Gemisch). Dieser wird in der Regel manuell betätigt. Des Weiteren lässt sich ein Vergaser noch durch weitere Zusatzeinrichtungen, wie z.b. Leerlaufsystem oder Volllastanreicherungssystem, optimieren. Eine weitere Anpassung des Luft-Kraftstoff-Gemisches an den Betriebszustand des Motors erfolgt hierbei nicht. Die Luftzahl λ wird lediglich über den Querschnitt der Düse bestimmt und ist daher quasi konstant. Ausnahmen bilden dabei elektronisch geregelte Vergaser Saugrohreinspritzung Im Jahre 1932 unternahm die Fa. Robert Bosch GmbH erstmals systematische Versuche zu Benzineinspritzpumpen. Bei den ersten Serieneinsätzen der Einspritztechnik in Flugzeugmotoren ab 1937 und ab 1945 auch im Kraftfahrzeug 8 Mit Änderungen entnommen aus: (Aufgerufen am ) Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

18 ging es rein um eine Leistungssteigerung. Die Begrenzung von Abgasemissionen war damals noch kein Thema. 9 Spätestens mit der Einführung von gesetzlichen Obergrenzen von Abgasemissionen setzte sich die Einspritzung gegenüber dem traditionellen Vergaser in fast allen Bereichen durch. Einspritzung ermöglicht jedoch neben der Erhöhung der Leistung und der Schadstoffreduzierung auch einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs, eine Verbesserung des Ansprechverhaltens, einen verbesserten Kaltstart und Warmlauf. Zunächst wurden mechanisch gesteuerte Einspritzungen gebaut, die heute jedoch keine Rolle mehr spielen. Nach und nach setzten sich elektromagnetisch gesteuerte Einspritzsysteme durch. Abb. 2-5 Elektromagnetisches Einspritzventil (1 Filtersieb im Kraftstoffzulauf, 2 elektrischer Anschluss, 3 Magnetwicklung, 4 Ventilgehäuse, 5 Anker, 6 Ventilkörper, 7 Ventilnadel) 10 9 Vgl. Kasedorf, J. (1995), S. 13 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

19 In Abb. 2-5 ist beispielhaft ein elektromagnetisches Einspritzventil im Schnitt dargestellt. Der Ventilkörper (6) des Einspritzventil bildet die Führung für die Ventilnadel (7) und besitzt einen gemeinsamen Dichtsitz. Im unbetätigten Zustand wird die Ventilnadel von einer Schraubenfeder in diesen Dichtsitz gedrückt und das Ventil ist verschlossen. Wird durch einen elektrischen Impuls die Magnetwicklung erregt, so hebt sich die Ventilnadel um etwa 0,1mm vom Sitz ab 11 und der kontinuierlich unter Druck stehende Kraftstoff tritt am Präzisionsspalt aus und wird dabei zerstäubt. Die Förderung und Druckerzeugung von typischerweise 2,5...3bar des Kraftstoffes erfolgt dabei außerhalb des Ventils durch eine Kraftstoffpumpe 12. Das Öffnen und Schließen des Ventil geschieht dabei im Bereich von 1...1,5ms. Durch die elektronische Ansteuerung lässt sich mit Einspritzventilen die Kraftstoffmenge über eine intermittierende Einspritzunterbrechungen sehr genau regeln und es können bestimmte Luftzahlen λ erreichen. Damit lässt sich die Verbrennung besser an die Gegebenheiten anpassen und die Vorteile gegenüber dem Vergaser erreichen. 10 Entnommen aus: Bauer, H. (1998), S Vgl. Bauer, H. (1998), S Vgl. Bauer, H. (1998), S. 13 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

20 Abb. 2-6 Schematische Darstellung von Zentral- und Einzeleinspritzung 13 Bei der Saugrohreinspritzung kommen entweder Zentraleinspritzungen (SPI, engl. für Single-Point-Injection) oder Einzeleinspritzungen (MPI, engl. für Multi-Point-Injection) zum Einsatz. Bei einer Zentraleinspritzung sitzt das Einspritzventil an zentraler Stelle, vor der Drosselklappe. Bei einer Einzeleinspritzung hingegen wird für jeden Zylinder eine Einspritzdüse unmittelbar vor dem Einlassventil platziert. Ein Nachteil der Zentraleinspritzung, nämlich das auskondensieren von Kraftstoff aus dem Gemisch an kalten Saugrohrwänden und eine ungleichmäßige Gemischverteilung zwischen den einzelnen Zylindern lässt sich so verhindern Direkteinspritzung Die Benzin-Direkteinspritzung (BDE) lässt sich als Weiterentwicklung aus der Saugrohreinspritzung ansehen, wenn auch bereits durch Nicolaus August Otto, der Erfinder des Ottomotors, bereits 1877 die Idee vom direkten Einbringen des Kraftstoffes in den Brennraum patentiert wurde 14. Im Jahre 1916 wurde bei Junkers zum ersten Mal eine Benzin-Direkteinspritzung verwirklicht 15. Trotzdem konnten sich 13 Entnommen aus: Bauer, H. (1998), S. 7f 14 Vgl. Hucho, W. H. (1997) 15 Vgl. van Basshuysen (2007), S. 6 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

21 Benzindirekteinspritzverfahren lange nicht durchsetzen und waren bis etwa 1990 nur als Randerscheinung wahrzunehmen. Erst um das Jahr 2000 etablierte sich diese Technik so, dass sich alle großen Fahrzeughersteller damit auseinandersetzen. Dabei wird über die Einlassventile reine Luft angesaugt und das Gemisch erst im Brennraum durch direktes einspritzen mit Hilfe eines in den Zylinderkopf integriertes Einspritzventils. Abb. 2-7 Prinzip der Benzin-Direkteinspritzung (1 Zylindermit Kolben, 2 Einlassventil, 3 Zündspule mit Zündkerze, 4 Auslassventil, 5 Hochdruck-Einspritzventil, 6 Rail) 16 Die Einspritzventile sind hierbei im Vergleich zur Saugrohreinspritzung einer sehr viel größeren Belastung ausgesetzt und müssen mit deutlich höheren Einspritzdrücken von etwa bar betrieben werden 17, um bei den höheren Gegendrücken, verursacht durch die Kompression, noch im ausreichenden Maße fein zu zerstäuben. Bei Direkteinspritzung wird meist mit sogenannter Schichtladung gearbeitet. Diese ermöglicht es ein relativ mageres Gemisch mit einer eher fetten Gemischwolke direkt an der Zündkerze zu bilden. Die relativ fette Mischung um die Zündkerze sorgt für ein sicheres Zünden. Dadurch lässt sich der Kraftstoffverbrauch weiter reduzieren. Durch das direkte Einspritzen wird auch eine Kühlung des Zylinders hervorgerufen, was eine geringere Klopfneigung zur Folge hat. Dies wiederum ermöglicht eine höhere Verdichtung. 16 Entnommen aus: Reif, K. (2011), S Vgl. Eichlseder, H. / Klüting, M. / Piock, W. (2008), S. 62 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

22 2.1.3 Abgasanlagen Abgasanlagen haben zur Aufgabe, die bei der Verbrennung im Motor entstehenden Abgase ins Freie abzugeben. Dabei sollen Schallemissionen durch Schalldämpfer verringert werden. Um die Schadstoffemissionen zu verringern werden Katalysatoren eingesetzt, die die Rohabgase reinigen. Durch eine Abstimmung der Abgasanlage auf den Motor lässt sich außerdem das Leistungs- und Drehmomentvermögen deutlich steigern Schalldämpfer Die Abgasgeräusche, die ohne jegliche Schalldämpfer einen Schallpegel von dB erreichen können 18, sind bei einem Verbrennungsmotor die größte Lärmquelle. Deshalb werden fast alle Verbrennungsmotoren mit Schalldämpfern im Abgassystem ausgestattet. Grundsätzlich werden zur Schallminderung drei Prinzipien verwendet. Besonders für hohe Frequenzen ab ca. 200Hz wird das Absorptionsprinzip verwendet 19. Hierfür wird poröses Material, wie z.b. Mineralwolle, in den Schalldämpfer eingebracht. Um zu verhindern, dass das Absorptionsmaterial ausgeblasen wird, muss das Abgas durch perforierte Rohre von diesem getrennt werden. Gegebenenfalls wird das Absorptionsmaterial zusätzlich durch Edelstahlgestrickmatten gesichert. Beim Reflexionsprinzip können auch niedrigere Frequenzbereiche von unter 100Hz gedämpft werden 20. Dazu werden mehrere Kammern gezielt angeordnet und mit Rohrleitungen verbunden. Die Querschnittsprünge und Interferenzen sorgen dabei für eine Reduzierung der Schallemissionen. In vielen Fällen werden diese beiden Prinzipien kombiniert um das gesamte Frequenzband abzudecken. Eher selten wird hingegen das Resonanzprinzip angewendet. Hierfür werden bestimmte Abzweigresonatoren, also Hohlräume mit einer bestimmten Eigenfrequenz gebildet. Da die Dämpfung dabei auf die Eigenfrequenz dieses 18 Vgl. Pflüger, M. / Brandl, F. / Bernhard, U. / Feitzelmayer, K. (2010), S Vgl. Braess, H.-H. / Seiffert, U. (2007), S Vgl. Braess, H.-H. / Seiffert, U. (2007), S. 319 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

23 Hohlraumes begrenzt ist wirkt sie auch nur in einem engen Frequenzbereich. Das benötigte Volumen steht damit nicht im Verhältnis zur erreichbaren Schalldämpfung und ist ein Hauptgrund für die geringe Verwendung. Abb. 2-8 Fiktiver Schalldämpfer mit allen Dämpfungsprinzipien Abgasnachbehandlung Motorenbenzin ist ein Gemisch aus Kohlenwasserstoffen. Werden diese Kohlenwasserstoffe mit dem Luftsauerstoff vermischt und verbrannt, kann man diese Reaktion vereinfacht wie folgt beschreiben: C m H n + (m+n/4) O 2 m CO 2 + (n/2) H 2 O Gl Demnach sollten die wesentlichen Bestandteile der Abgase lediglich Kohlenstoffdioxid und Wasser sein. Da jedoch nicht der gesamte Kraftstoff verbrannt wird, bleiben Kohlenwasserstoffe und aufgrund der unvollständigen Oxidation des Kraftstoffes, z.b. bei mageren Gemischen, werden Kohlenmonoxide ausgestoßen. Der in der Frischluft enthaltene Stickstoff (ca. 78%) verbindet sich außerdem bei den hohen Temperaturen von über 1500 C im Brennraum zu Stickstoffmonoxid. Eine Typische Zusammensetzung der Abgase von Ottomotoren bei λ=1 zeigt Abb Entnommen aus: Zeller, P. (2009), S Vgl. Hagelüken, C. (2001), S. 6 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

24 Abb. 2-9 Typische Abgaszusammensetzung bei Ottomotoren mit λ=1 23 Diese Nebenprodukte der Verbrennung schaden der Umwelt und sollten daher möglichst vermieden werden. Durch Beeinflussung z.b. der Gemischbildung lässt sich zwar der Ausstoß etwas beeinflussen (siehe Abb. 2-3 auf S. 9), gänzlich unterbinden lassen sie sich jedoch nicht. Aufgrund von immer höher werdenden gesetzlichen Grenzwerten für Schadstoffemissionen bei Verbrennungsmotoren wird eine Nachbehandlung der Rohabgase nötig, weil rein motorische Maßnahmen hier nicht mehr genügen. Dabei kommen sogenannte Katalysatoren zum Tragen. Dieser Konvertiert die verbleibenden Schadstoffe zu nicht schädlichen Komponenten. Drei-Wege-Katalysator Der Drei-Wege-Katalysator kommt bei Motoren mit stöchiometrischem Gemisch zum Tragen. Dabei werden die Schadstoffe Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und Stickoxide (NO x ) zu Wasserdampf (H 2 O), Kohlendioxid (CO 2 ) und Stickstoff (N 2 ) umgewandelt. Der Katalysator besteht hierbei aus in einem Gehäuse eingefassten Träger mit Trägerschicht (washcoat) und einer aktiven katalytischen Edelmetallbeschichtung. Durch den Träger wird eine besonders große Oberfläche erzielt. Die katalytische 23 Entnommen aus: Robert Bosch GmbH (2005) Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

25 Schicht enthält Platin und Palladium zur Umwandlung von HC sowie CO und Rhodium zur Reduktion von NO x. Abb Katalysator Die Umwandlung von CO und HC verläuft dabei nach folgender Gleichung 24 : 2 CO + O 2 2 CO 2 Gl C 2 H O 2 4 CO H 2 O Gl. 2.4 Die Reduktion von NO x wie folgt: 2 NO + 2 CO N CO 2 Gl. 2.5 Dies Funktioniert allerdings nur in einem sehr geringen Band um λ=1. Ist dies nicht der Fall, kann der Katalysator nicht im maximal erreichbaren Maße konvertieren. Daher muss für die Realisierung einer zufriedenstellend funktionierenden katalytischen Nachbehandlung eine Lambdasonde vor dem Katalysator in die Abgasanlage eingesetzt werden und in die Regelung der Gemischbildung einbezogen werden. 24 Reif, K. (2011), S. 586 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

26 Abb Katalysatorwirkung in Abhängigkeit von der Luftzahl λ 25 NO x -Speicherkatalysator Speziell für mager laufende Motorenkonzepte muss der Katalysator um eine zusätzliche katalytische Schicht, die Stickoxide (NO x ) speichern kann (z.b. Bariumoxid) ergänzt werden. Denn durch hohen Restsauerstoffgehalt im Abgas werden CO und HC oxidiert und stehen nicht zur Reduktion der Stickoxide zur Verfügung. Die Aufnahmefähigkeit von NO x nimmt mit zunehmendem Beladungzustand ab, weshalb der Katalysator nach einer gewissen Zeit regeneriert werden muss. Die vom Katalysator aufgenommenen Stickoxide werden dann durch kurzfristige Anfettung des Gemisches (λ<0,8) zu Stickstoff reduziert und abgegeben. Zur Ermittlung des Regenerierzeitraumes kommt dabei entweder ein modellgestütztes Verfahren oder eine zusätzliche Lambdasonde hinter dem Katalysator zum Einsatz. 2.2 Einspritz- und Zündungssysteme bei Kleinmotoren Weil Kleinmotoren meist für den Hobby- oder Freizeitbereich (z.b. Rasenmäher oder Kettensägen), seltener auch für Profigeräte, eingesetzt werden, dürfen diese nicht zu hohe Anschaffungskosten verursachen. Die Kosten für den Spritverbrauch und die Höhe der Schadstoffemissionen erhalten dabei vom Endverbraucher meist einen niedrigeren Stellenwert. Dies führt dazu, dass zum einen der 25 entnommen aus: Reif, K. (2011b), S. 586 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

27 Weiterentwicklungsdruck für die Hersteller gering ist und aufgrund des Kostendrucks aufwendigere Techniken nur schwer bis gar nicht umsetzbar sind. Von Seiten der Gesetzgebung sind die Vorgaben zu Schadstoffemission und Verbrauch im Vergleich zum Automobil, wo aufgrund dessen, moderne Einspritzsysteme und Abgasnachbehandlungen nicht mehr wegzudenken sind, eher lasch. Daraus resultierend, werden immer noch im überwiegenden Maße in diesem Marksegment die Verbrennungsmotoren mit einfachen Vergasern und Zündeinrichtungen mit festem Zündzeitpunkt ausgestattet. Im Bereich der professionellen Geräte werden jedoch mittlerweile auch elektronische Steuerungen und Einspritzsysteme eingesetzt STIHL Injection Die Firma Stihl, Hersteller von motorbetriebene Geräten für Forstwirtschaft, Landschaftspflege und die Bauwirtschaft, stellte kürzlich einen neuen Trennschleifer mit elektronisch gesteuerter Einspritzung, der so genannten Stihl Injection vor. Die Stihl Injection besteht dabei aus einem Motorsteuergerät für die elektronische Kennfeldsteuerung, einer Einspritzpumpe, einem Einspritzventil und für die Erzeugung des benötigten Stroms und die Erfassung der Kurbelwellenwinkel und Drehzahl einen Generator. Außerdem überwacht das Motorsteuergerät die Temperatur und den Druck im Kurbelraum um die Einspritzung und Zündung optimal zu regeln. Auch der Zündzeitpunkt wird hierbei über das Steuergerät vorgegeben Vgl. (Aufgerufen am: ) Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

28 Abb Einspritzventil und Druck- und Temperatursensor der Stihl Injection STIHL M-Tronic Eine weitere Entwicklung aus dem Hause Stihl ist die Stihl M-Tronic 28. Auch hier kommt ein Steuergerät zum Einsatz. Dieses steuert den Zündzeitpunkt und das optimale Kraftstoffgemisch. Die Kraftstoffdosierung geschieht dabei über ein Magnetventil. Auch hier kommt ein Generator zur elektrischen Versorgung des Steuergerätes zum Einsatz. 27 Entnommen aus : (Aufgerufen am: ) 28 Vgl. (Aufgerufen am: ) Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

29 3 Mechanische Anbindung des Motors an den Prüfstand Um eine Leistungsmessung durchführen zu können, ist es nötig eine mechanische Verbindung zwischen Kurbelwelle des zu prüfenden Motors und des Generators des Prüfstandes in Form einer Kupplung zu erzeugen. Wegen des relativ ungleichmäßigen Laufs des Motors, bedingt durch die Eigenheit eines Einzylinder-Viertaktmotors nur bei jeder zweiten Umdrehung zu Verbrennen und damit Drehmoment zu erzeugen, wurde hierfür eine drehelastische Kupplung gewählt. Als Generator wurde ein Bürstenloser Elektromotor der Fa. Torcman vom Typ: TM mit einer maximalen Leistung von PN = 1500W gewählt. Bei Annahme einer maximalen Leistung bei n = 7000 min 1 ergibt sich folgendes Nenn-Drehmoment: PN 1500W T = = 2,05Nm min = N Gl. 3.1 π n π Benötigtes Kupplungsdrehmoment ergibt sich mit einem Temperaturfaktor s = 1,2und Drehsteifigkeitsfaktor s = 2 aus: d T T s s = 2,05Nm 1,2 2 = 4,92Nm Gl KN = N t d t Gewählt wurde eine drehelastische Klauenkupplung der Fa. KTR vom Typ ROTEX GS 14 mit Zahnkranz 92 SHORE A mit einem Nenndrehmoment einem maximalen Drehmoment T = 15 K max Nm. 30 TKN = 7,5Nm und 29 Vgl. Fa. KTR (2011), S Vgl. Fa. KRT (2011), S. 140 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

30 4 Drehwinkelerfassung Zu Erfassung der Drehzahl und des Drehwinkels, der vom Motorsteuergerät benötigt wird, wurde ein Inkrementalrad erstellt, welches an die Kurbelwelle des Motors angebracht wurde. Auf der Seite des Seilzugstarters ist die Kurbelwelle vollständig verdeckt. Hier wäre ein aufwendiger Umbau des Starters nötig gewesen. Da auf der anderen Seite der Generator für die Leistungsmessung angebaut wurde, der Drehwinkel jedoch zwingend direkt an der Kurbelwelle aufgenommen werden sollte, musste das Inkrementalrad wie in Abb. 4-1 zu sehen durch eine kronenartig gekantete Blechkonstruktion gestaltet werden. Die Erfassung der Position geschieht hierbei über eine Dioden-Lichtschranke (in der Abbildung nicht zu sehen). Abb. 4-1 Inkrementalrad zur Erfassung der Drehzahl und des Drehwinkels Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

31 5 Ansaug- und Abgaskrümmer Der Ladungswechsel, also der Austausch der Zylinderfüllung, hat eine entscheidende Bedeutung für die maximale Leistung, das maximale Drehmoment, den Kraftstoffverbrauch und auch die Abgasqualität eines Hubkolbenmotors. Neben der Ausgestaltung der Ventile und des Ventiltriebs sind dabei auch die Ansaug- und Abgassysteme von großer Bedeutung. 5.1 Ansaugsystem Das Ansaugsystem hat zur Aufgabe, den Motor mit einem brennfähigen Luft- Kraftstoffgemisch zu versorgen. Dabei wirken sich verschiedene Faktoren des Luft- Kraftstoffgemisches, wie Luftdichte, Temperatur, Mischungsverhältnis u.a. deutlich auf die Güte der Verbrennung und damit die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors aus. Saugrohrlänge Da die Leistung eines Motors deutlich an den Luftmassendurchsatz gekoppelt ist und dieser durch ein Verdichten der angesaugten Luft bei gleichbleibendem Volumen erhöht wird, werden Aufladeverfahren zur Leistungssteigerung eingesetzt. Dies kann neben einer mechanischen Aufladung oder einer Abgasturboaufladung auch über dynamische Aufladung erfolgen. Bei der Schwingrohraufladung werden Unterdruckwellen ausgenutzt, die durch den abwärts gehenden Kolben verursacht werden. Diese Druckwelle, die sich entgegen der Strömungsrichtung ausbreitet, wird vom Ende des Saugrohrs als Überdruckwelle reflektiert und sorgt beim Eintreffen am Einlassventil kurz vor dessen Schließen für eine Erhöhung der Zylinderfüllung durch ein Anheben des Druckgefälles über dem Einlassventil. Dieser Effekt ist wegen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Druckwelle von Länge und Drehzahl des Motors abhängig. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

32 Die optimale Saugrohrlänge beträgt Abb. 5-1 Prinzip der Schwingrohraufladung 31 L Saug a Gl n Wie aus der Formel zu entnehmen, ist die optimale Saugrohrlänge umgekehrt proportional Abhängig von der Drehzahl. Dies hat zur Folge, dass die Saugrohrlänge auf einen Drehzahlbereich optimiert werden muss und nicht für alle Drehzahlen gleichermaßen gilt. Abb. 5-2 Einfluss der Saugrohrlänge auf den maximalen effektiven Mitteldruck über die Drehzahl Entnommen aus: van Basshuysen, R. / Schäfer, F. (2007), S Vgl. van Basshuysen, R. / Schäfer, F. (2007), S. 426 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

33 Abb. 5-2 zeigt einen deutlichen Zusammenhang zwischen Saugrohrlänge und effektivem Mitteldruck bei sonst gleichbleibendem Motor. Für das hier gebaute Ansaugsystem wurde für die Auslegung eine Drehzahl von n = min 1 Saugrohrlänge von gewählt. Dadurch ergibt sich nach Gl. 5.1 eine optimale L Saug m 343 s min = 1 343mm Gl. 5.2 Gestaltung des Ansaugsystems Unter Zugrundelegung der zuvor berechneten Saugrohrlänge wurde das Ansaugsystem wie folgt gestaltet. Das Saugrohr wurde aus einem gebogenen Kupferrohr an einen Anschlussstück, ausgestattet mit einer O-Ringdichtung gelötet. Auf der Luftsammlerseite wurde dieses direkt in den aus GFK gefertigten Luftsammler einlaminiert. Zum Anschluss der Drosselklappe wurde ebenso ein hierfür gefertigter Flansch ein laminiert. Der Flansch wurde mit einem zur Drosselklappe angepassten konisch dichtenden Stutzen und zwei Stehbolzen ausgestattet. 33 Entnommen aus: van Basshuysen, R. / Schäfer, F. (2007), S. 426 Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

34 Abb. 5-3 Luftsammler und Saugrohr mit Druckmessstutzen und Anschlussstutzen für die Drosselklappe Als Drosselklappe wurde ein gebrauchter Vergaser verwendet. Hier wurde die nicht mehr benötigte Kraftstoffversorgung entfernt und offenen Bohrungen verschlossen. Für die Erfassung der Drosselklappenstellung (zur Auswertung im Motorsteuergerät) wurde an die Drosselklappenbetätigung ein Potentiometer angebracht und hierfür mit einer Halterung versehen. Abb. 5-4 Drosselklappe mit Potentiometer zur Erfassung der Drosselklappenstellung Für das Einspritzventil musste eine Halterung erstellt werden. Dafür dient ein umgebauter Rohrbogen. Dieser wurde so um eine Aufnahme ergänzt, dass die Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

35 Einspritzung axial zur Drosselklappe und damit in Strömungsrichtung Ansaugluft erfolgt. Der fertig gekaufte Luftfilter kann durch eine Reduzierung auf das obere Ende des Rohrbogens montiert werden. Abb. 5-5 Aufnahme des Einspritzventils und des Luftfilters im Schnitt Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

36 Abb. 5-6 Das komplette montiere Ansaugsystem Kraftstoffversorgung Um Kraftstoff einspritzen zu können muss am Einspritzventil Kraftstoff mit einem Druck von etwa 3bar anliegen. Dafür wird eine Kraftstoffpumpe mit einem Druckregler kombiniert. Abb. 5-7 Schematische Darstellung der Kraftstoffversorgung Die Pumpe saugt den Kraftstoff vom Tank an und fördert den Kraftstoff weiter zum Kraftstofffilter. Ein in die Pumpe integrierter Blasenabscheider ist an die Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

37 Kraftstoffrückführung angeschlossen. Druckseitig wird die Leitung zu einem Druckregler abgezweigt. Der Druckregler lässt beim Übersteigen des benötigten Drucks einen Teil des Kraftstoffes über die Kraftstoffrückführung zum Tank zurück fließen. Somit liegt am Einspritzventil immer der benötigte Kraftstoffdruck an. Abb. 5-8 Ausgeführte Kraftstoffversorgung 5.2 Abgassystem Um die Verbrennung auswerten und regeln zu können war es nötig in der Abgasanlage eine Aufnahme der Lambda-Sonde zu installieren. Die bestehende Abgasanlage hätte hierfür zwar nur umgebaut werden müssen, da jedoch im Rahmen dieser Arbeit vergleichende Versuche durchgeführt werden sollten wurde eine neue Abgasanlage konstruiert und gefertigt. Die Reduzierung von Schadstoffemissionen wurde durch eine in die Abgasanlage eingebaute katalytische Nachbehandlung realisiert. Hierdurch war die Konstruktion der gesamten Abgasanlage sehr stark an die Geometrie des zugekauften Katalysators gebunden. Das Stahlgehäuse des Katalysators mit einem Durchmesser von 30mm und einer Länge von 40mm bildete die Grundform der Schalldämpfer vor (siehe Abb. 2-10). So bildet dieser verlängert durch zwei Rohrstücke, stirnseitig Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

38 angebrachten Blechen und einem Gewindestutzen für die Lambda-Sonde den ersten Topf. Bei der ersten Ausführung wurden die einzelnen Bauteile über Hartlöten miteinander verbunden. Es zeigte sich jedoch, dass dieses Fügeverfahren nicht den mechanischen und thermischen Belastungen genügt. Es kam bei den Testläufen zu mehrmaligen Aufbrechen der Lötverbindungen im Bereich des Krümmers (siehe Abb. 5-14). Daher wurde die Abgasanlage nochmals gefertigt und dabei über WIG- Schweißverfahren gefügt und gleichzeitig die Wandstärke des Krümmers erhöht. Abb. 5-9 Grundaufbau der Abgasanlage dargestellt als CAD-Modell Die Auspuffkomponenten, also auch der Katalysatortopf (siehe Abb. 5-10), wurden jeweils mit Prallblechen ausgestattet um mit Hilfe das Reflexionsprinzips eine Reduzierung der Schallemissionen zu erreichen und im Falle des Katalysators eine Durchströmung auf dem vollen Querschnitts zu erreichen, damit dieser mit seiner gesamten Oberfläche die Konvertierung der Schadstoffe vornehmen kann. Die Größe und den Typ des Katalysators wurde durch die Fa. Heraeus auf Grundlage der technischen Daten des Honda-Motors GX35 gewählt. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

39 Tab. 5-1 Technische Daten des verwendeten Abgaskatalysators Hersteller Maße Zelldichte Heraeus ØInnen 30mm x 25mm 400 cpsi Beschichtung 60 g/ft³ Pt:Rh (Verhältnis 5:1) Träger 50µm Metallfolie Abb Schnitt der Abgasanlage durch den Katalysator Beim Schalldämpfer kommt für die Reduzierung von höheren Frequenzen das Absorberprinzip zum Tragen. Der in Abb dargestellte Schalldämpfer ist zwischen dem perforierten Endrohr und dem Gehäuse mit Mineralwolle als Absorbermaterial gestopft. Abb Schnitt durch den Schalldämpfer Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

40 Für erste Tests um die Funktionsweise des Katalysators zu überprüfen wurde zunächst eine Ausführung der Abgasanlage ohne einen Katalysator gebaut. Dabei wurde statt des Katalysators ersatzweise ein leeres Rohrstück eingebaut, welches auf beiden Seiten mit durchlöcherten Blechen (siehe Abb. 5-12) abgeschlossen wurde. Hierdurch sollte der Strömungswiderstand des Katalysators imitiert werden. Abb Einzelteile des Abgassystems (ohne Krümmer, Flansch und Rohrbogen) ohne Katalysator Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

41 Abb Gefertigtes Abgassystem mit Katalysator (Anschlussstutzen für Lambdasonde hier verdeckt) Abb Bruch des hartgelöteten Krümmers Um eine Abgasmessung durchführen zu können, mussten noch weitere Änderungen vorgenommen werden. Durch die geringe Größe des Auspuffs kann die Sonde zur Messung der Abgasbestandteile nicht weit genug in den Auspuff hineinragen, was zur Folge hat, dass sich die Abgase mit der umgebenen Frischluft vermischt und damit das Ergebnis der Messung verfälscht. In der Version des Abgassystems mit integriertem Katalysator wurden jeweils ein Anschlussstutzen direkt vor und direkt nach dem Katalysator angeschweißt. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

42 Abb Nachträglich angebrachte Stutzen für die Abgasmessung Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

43 6 Kühlung Weil sich die Anbauteile zum Originalzustand deutlich unterscheiden passt im umgebauten Zustand die originale Motorabdeckung somit nicht mehr. Der Motor wird mit Hilfe eines in der Kurbelwelle integriertes Radiallüfter-Rad gekühlt. Der Luftstrom wurde über die Abdeckung umgelenkt und an den Kühlrippen des Zylinders vorbeigeleitet (siehe Abb. 6-1). Abb. 6-1 Schematischer Strömungsverlauf der Kühluft (gelbe Linien), ausgehend vom Radiallüfterrad (Abdeckung halbtransparent dargestellt) Um diese Kühlung übernehmen zu können war es nötig eine neue Abdeckung mit gleicher Funktion aber angepasster Geometrie zu erstellen. Diese Abdeckung wurde mit Glasfaserverbundkunststoff (GFK) gefertigt. Dieses zeichnet sich durch die freie Formgebung, die ausreichende Festigkeit bei einer dünnwandigen Gestaltung, eine ausreichende Wärmebeständigkeit aus. Um diesen Werkstoff in eine definierte Form zu bringen, musste zunächst eine Nagativform erstellt werden. Dazu wurden die Querschnittsformen in den relevanten Maßen auf ein mehrere Schichten Wellkarton übertragen (siehe Abb. 6-2) und zusammengeklebt. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

44 Abb. 6-2 Zugeschnittene Wellkartonlagen vor dem zusammenkleben Nach dem zusammenkleben wurden noch kleiner Unebenheiten entfernt und Verrundungen an den Kanten erzeugt (siehe Abb. 6-3). Diese so erzeugte Positivform wurde nun mit der Grundfläche (offene Seite der Abdeckung) nach oben in Polyurethan-Hartschaum ("Montageschaum") ausgespritzt. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

45 Abb. 6-3 Verrunden der Kanten und glätten von Unebenheiten Abb. 6-4 Mit PU-Schaum ausgeschäumte Wellkarton-Positivform Nach dem Aushärten des Montageschaums wurde die Positivform entnommen und leichte Unebenheiten in der Negativform mit Spachtelmasse ausgeglichen. Anschließend wurde ein Trennmittel aufgetragen und die Form mit in Polyesterharz getränkten Glasfasergewebe (Köper) ausgelegt. Nach längerer Aushärtezeit wurde die so erzeugte Abdeckung aus der Negativform entnommen und nach der Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

46 Nacharbeit (Löcher für Durchführungen und Luftaustritt erzeugen und Unebenheiten ausbessern) schließlich lackiert. Abb. 6-5 Mit Glasfasergewebe ausgelegte Negativform Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

47 Abb. 6-6 Fertige und lackierte Abdeckung; links: Saugseite und Kühlluftaustritt; rechts: Auspuffseite und Vorderseite (Durchbruch für Zündkerzenstecker) Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

48 7 Analyse der gewonnen Messwerte 7.1 Leistungsmessung Bei der Leistungs- und Drehmomentmessung ergaben sich nachfolgende Ergebnisse (siehe Abb. 7-1 und Abb. 7-2). Bei der Messung des Vergasers und der Einspritzung war es erst ab einer Drehzahl von n=6000min -1 möglich, mit dem eingesetzten Leistungsprüfstand korrekte Werte zu messen. Bei der Kennfeldzündung mit originalen Vergaser sogar erst bei ca. n=7500min -1. Grund hierfür ist, dass der Leistungsprüfstand unterhalb dieser Drehzahlen durch den zu gering dimensionierten Generator nicht die maximale Leistung erreicht. Dadurch lässt sich leider keine genaue Aussage über das Leistungsverhalten unterhalb dieser Drehzahlen treffen. Abb. 7-1 Leistungsverlauf über die Drehzahl im originalen Zustand, bei Kennfeldzündung mit Vergaser (El. Vergaser) und bei elektronischer Einspritzung (EFI) Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

49 Abb. 7-2 Drehmomentverlauf über die Drehzahl im originalen Zustand, bei Kennfeldzündung mit Vergaser (El. Zündung) und bei elektronischer Einspritzung (EFI) 7.2 Abgasmessung Bei der Abgasmessung mit dem Messgerät AVL DiGas 465 wurden folgende Werte ermittelt (siehe Abb. 7-3 bis Abb. 7-4Abb. 7-7). Abb. 7-3 Kohlenstoffdioxid-Gehalt Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

50 Abb. 7-4 Kohlenstoffmonoxid-Gehalt Abb. 7-5 Kohlenwasserstoff-Gehalt Abb. 7-6 Sauerstoff-Gehalt Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

51 Abb. 7-7 Lambda-Wert Die Messwerte zeigen recht anschaulich, dass eine Konvertierung der Schadstoffe durch den Katalysator besonders beim Einsatz der geregelten elektronischen Einspritzung funktioniert. Beim Einsatz des originalen Vergasers kann dagegen der Katalysator nur in einem geringen Maße seine Funktion erfüllen. Geschuldet ist dieser Umstand dem ungeregelten fetten Gemisch, was auch aus der Messung der Luftzahl λ hervorgeht. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

52 7.3 Kraftstoffverbrauch Abb. 7-8 Kraftstoffverbrauch bei n=5000min-1 und 5min Laufzeit (ohne Last) Bei der Verbrauchsmessung zeigte sich, dass die elektronische Einspritzung einen noch deutlich erhöhten Kraftstoffbedarf hat. Grund dafür könnte ein starkes Kondensieren von Kraftstoff an den Saugrohrwänden sein (kalte Saugrohrwände wegen Testlauf im Freien bei Temperaturen um den Gefrierpunkt). Es zeigte sich nämlich, dass sich nach längerem Betrieb eine nicht geringe Menge an Kraftstoff im Luftsammler gesammelt hatte. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

53 8 Zusammenfassung und Ausblick Die Umbaumaßnahmen zeigten sich als erfolgreich. Der Motor lief ohne große Schwierigkeiten mit dem elektronischen Einspritzsystem und der elektronischen Kennfeldzündung. Auch die Messergebnisse zeigen einen deutlichen Erfolg. Durch verschiedene Optimierungen lassen sich hier sicherlich noch bessere Werte erreichen. Besonders der hohe Kraftstoffverbrauch sollte näher untersucht werden. Möglicherweise könnte hier durch warme Abluft das Saugrohr vorgewärmt werden. Gegebenenfalls müsste auch über eine Verbesserung der Saugrohrgeometrie nachgedacht und eine Glättung der Innenflächen vorgenommen werden um diesen Effekt zu verringern. Alternativ wäre auch eine Umgestaltung des Ansaugsystems nach dem Vorbild der Einzeleinspritzung von Mehrzylindermotoren, bei das Einspritzventil unmittelbar vor dem Einlassventil platziert ist, zielführend. Dabei wäre das Ansprechverhalten der Lambdaregelung noch besser. Sollte es gelingen die gewonnen Ergebnisse weiter auszubauen und die Effizienz und Leistungsfähigkeit nochmals zu steigern, wäre hier denkbar, dies im Bereich der Freizeit- und Gartengeräte zu Nutzen. So könnte ähnlich dem beim Automobil seit Jahren als Trend zu beobachtenden Down-Sizing auf diese Kleinmotoren angewendet werden. Durch den Einsatz von kleineren Motoren bei gleicher Leistung durch Einspritzung könnte so der Gewichtsunterschied zu Zweitaktmotoren kompensiert werden und gleichzeitig der Schadstoffausstoß reduziert werden. Besonders auch durch die aktuellen Diskussionen zum Klima- und Umweltschutz ist denkbar, dass in naher Zukunft auch solche Kleinmotoren für Freizeit- und Gartengebrauch in die Diskussion mit einbezogen werden. Bei deutlicher Verringerung der gesetzlich zulässigen Schadstoffemissionen wäre dann der Einsatz von Einspritzsystemen in diesem Segment zwingend nötig. Dateiname: T3100_Denny Roth.doc / Ersteller: Denny Roth / Datum:

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