Lastschnitt in einem Kennfeld

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Reinhold Arnold
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1 Lastschnitt im Kennfeld eines Ottomotors Im folgenden sollen die Ergebnisse einer Lastschnittbetrachtung an dem Beispiel eines realen Ottomotors gezeigt werden. Lastschnitt in einem Kennfeld pme Psaug=0.99 Psaug=0.9 Klopfen Psaug=0.7 ZZP opt. Psaug=0.5 Laufstabilität Psaug=0.3 Drehzahl Das vorstehende Bild zeigt das Prinzip eines Lastschnittes, d.h. bei konstanter Motordrehzahl werden mehrere Betriebspunkte so eingestellt, dass sie möglichst gleichmäßig innerhalb des Lastschnittes verteilt sind. Weiterhin sind die charakteristischen Bereiche für die Einstellung des Zündzeitpunktes zu erkennen. Bei hoher Last begrenzt das Klopfverhalten des Motors die mögliche Frühzündung, im untersten Kennfeldbereich ist die Laufstabilität des Motors durch eine ausreichende Füllung und einen späten Zündzeitpunkt sicherzustellen und im mittleren Kennfeldbereich ist es möglich die optimale Lage des Zündzeitpunktes über das Schwerpunktlagenkriterium (50% Energieumsatz bei ca. 10 KW nach Zünd-OT) einzustellen. Die Ergebnisse einer derartigen Betriebspunktvariation sollen betrachtet werden. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1

2 Als erstes soll der Verlauf des Zylinderdruckes der lastabhängigen mittleren Arbeitsspiele betrachtet werden. In diesem Bild ist der mittlere Saugrohrdruck der Lastparameter. Die dargestellten Druckverläufe sind bereits nullpunktkorrigiert, so dass ein unmittelbarer Vergleich stattfinden kann. Es ist zu erkennen, dass mit steigender Füllung der maximale Druck im Zylinder ansteigt und das der Hochdruckbereich deutlich breiter wird. Bei dem Volllastzyklus ist allerdings zu bemerken, das der Maximaldruck des Vorgängerbetriebspunktes bei etwas niedrigerer Last gerade so erreicht wird. Das ist die unmittelbare Auswirkung der Spätzündung aufgrund der Klopfgefahr bei Volllastbetrieb. Im nächsten Bild sind die zugehörigen Verläufe der Energieumsetzung dargestellt. Hier sind die aufgrund von Spätzündung deutlich langsameren Verbrennungen bei der niedrigsten und bei der höchsten Last zu erkennen. Insbesondere bei dem Bild mit den Linien konstanten Energieumsatzes ist die Spätverschiebung der Verbrennung aufgrund der Spätzündung deutlich zu bemerken. Die Auswirkung auf die Schwerpunktlage ist ebenso klar. Bei den mittleren Lasten wird die optimale Schwerpunktlage nahezu erreicht, ebenso ist erwartungsgemäß der Verlauf der maximalen Energieumsetzungsrate recht nahe an der jeweiligen Schwerpunktlage der Verbrennung. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 2

3 Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 3

4 Die beiden nächsten Bilder zeigen den Zylinderdruck bei Einlassschluss der individuellen Zyklen und den damit errechneten Luftliefergrad für jeden einzelnen Zyklus. Aus dem Druck ist zu erkennen, dass der Luftliefergrad gewissen Schwankungen unterliegen muss. Der Verlauf des Luftliefergrades zeigt eine gewissen Regelmäßigkeit beim Wechsel zwischen hohem und niedrigem Wert. Eine Ursache dafür ist in der Verbrennung zu suchen. Wenn ein starker Zyklus vorliegt, dann ist das Druckniveau zum Zeitpunkt des Ladungswechsels hoch und damit ist ebenfalls der Restgasanteil hoch. Demzufolge steigt für den nachfolgenden Zyklus das Temperaturniveau im Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 4

5 Zylinder an und die Frischgasfüllung nimmt aufgrund des hohen Restgasanteiles ab. Die Folge ist ein schwacher Zyklus. Da jetzt der Druck im Zylinder niedriger ist nimmt der Restgasanteil und das Temperaturniveau im Zylinder ab. Dadurch steigt die Frischgasfüllung und der Folgezyklus ist wieder ein starker Zyklus. Dies findet in stetigem Wechsel statt und erklärt zum Teil die Schwankungen im Luftliefergrad. Je nach Lastpunkt und Höhe des Restgasanteils wird dieser Effekt entsprechend verstärkt oder aber abgeschwächt, wie es dem vorstehenden Bild zu entnehmen ist. Weitere Einflussparameter ergeben sich durch das Strömungsverhalten im Saugrohr und anderen Bauteilen im Ansaug- oder Auspufftrakt des Motors. Das nächste Bild zeigt den Restgasanteil der einzelnen Zyklen in Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt. Es ist zu sehen, dass abnehmende Last die Streuung des Restgasanteiles deutlich ansteigen lässt. Das entsteht ganz einfach aus dem Zusammenhang heraus, das eine geringe Motorfüllung ein niedriges Druckniveau im Ladungswechsel und damit einen hohen Restgasanteil bewirkt. Dieser hohe Restgasanteil bewirkt eine gestörte Verbrennung und damit erhebliche zyklische Schwankungen die sich dann entsprechend auf den Restgasanteil auswirken. Im nächsten Bild wird die indizierte Arbeit für den Lastschnitt gezeigt wobei auch die Statistik mit dargestellt ist, um zu zeigen in welchem Umfang die Werte um den Mittelwert schwanken. Für einen gut applizierten Motor muss insbesondere die Standardabweichung um den Mittelwert herum klein sein, denn in diesem Fall ist der Lauf des Motors entsprechend ruhig und das ist in der Regel sehr gewünscht. Der Vollständigkeit halber ist auch noch der Zusammenhang zwischen Saugrohrdruck und Luftliefergrad dargestellt. Dieser Verlauf ist typischerweise linear. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 5

6 Der Verlauf von Niveau und Lage des maximalen Zylinderdruckes und der zugehörigen Statistik wird dann benötigt, wenn mit Hilfe einer sehr sensiblen Größe bei einem schon ruhig laufenden Motor auch kleine Störungen bei der Verbrennung erkannt werden sollen. Zusätzlich liefern beide Größen eine Information ob der Motor dicht ist und ob die OT-Lage stimmt, denn Verlagerungen des Maximaldruckes sind sofort zu erkennen, ebenso wie ein zu niedriger Druck. Allerdings ist bei befeuertem Betrieb die Maximaldrucklage nur für eine Fehlererkennung geeignet, eine absolute Winkelzuordnung des Druckverlaufs ist nur im Schleppbetrieb über den thermodynamischen Verlustwinkel möglich. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 6

7 Eine weitere wichtige Größe ist die Entflammungsphase, da sie unmittelbar das Ergebnis einer gelungenen oder aber nicht gelungenen Zündung zeigt. Für einen typischen Ottomotor gilt dass die Entflammungsphase ca KW betragen soll, dann läu ft der Motor in der Regel mit zufriedenstellender Laufruhe. Werden diese Werte deutlich größer, dann liegen in der Regel Fehler in der Gemischbildung vor oder aber Zündungsfehler z.b. durch eine unbefriedigend arbeitende Zündkerze. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 7

8 Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 8

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