Zündzeitpunktvariation in einem Kennfeld

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1 Einfluss des Zündzeitpunktes auf die ottomotorische Verbrennung In diesem Beispiel soll der Einfluss des gewählten Zündzeitpunktes auf die Verbrennung im Ottomotor diskutiert werden. Für diese Betrachtung ist es wichtig, den Betriebspunkt in allen Einstellungen konstant zu halten und lediglich den Zündzeitpunkt zu variieren. Diese Darstellung ist für Optimierungsläufe nicht üblich da in diesem Fall das Drehmoment des Motors auf einem festen Wert gehalten wird um den Kraftstoffverbrauch zu bewerten, um aber den Einfluss auf die Verbrennung zu beurteilen ist diese Darstellung vorteilhaft. Zündzeitpunktvariation in einem Kennfeld pme Klopfen Versuchsbedingungen Luftliefergrad=konst. Drehzahl=konst. Luftverhältnis=konst. Laufstabilität opt. ZZP ZZP zu früh / spät Drehzahl Im vorstehenden Bild ist der Versuchablauf dargestellt. Es wird vereinbarungsgemäß nur der Zündzeitpunkt verstellt, alle anderen Betriebsgrößen bleiben auf dem Vorgabewert. Demzufolge wird beim optimalen Zündzeitpunkt das maximale Drehmoment erreicht, alle anderen Einstellungen liefern schlechtere Werte, d.h. die Variationsbreite der Momentenänderung ist ausschließlich über die Zündwinkelverstellung gegeben. Das nachfolgende Bild zeigt den Verlauf der Mittelwerte von Gesamtmasse im Zylinder, Frischgasmasse und Restgasmasse für den gesamten Versuchsablauf. Es ist zu erkennen dass die vorgegebenen Bedingungen genau eingehalten wurden, eine Abweichung der Massen von Sollwert sind nicht zu bemerken. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1

2 Trotz des konstanten Luftliefergrades zeigt der Druck bei Einlassschluss eine gewissen Streuung um den Mittelwert. Diese Streuung ergibt sich aufgrund der zyklischen Schwankungen, die nach heutigem Kenntnisstand bei Ottomotoren unvermeidbar sind. Als Folge davon existiert folglich auch ein Streuband für den Luftliefergrad des Motors. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 2

3 Im vorstehenden Bild ist die indizierte Arbeit des Motors über dem gewählten Zündzeitpunkt aufgetragen, ebenso wie die zugehörige Statistik. Ein wesentliches Merkmal ist hierbei die Standardabweichung der indizierten Arbeit, deren Wert ein Kriterium für die Laufruhe des Motors darstellt. Die angestrebten Werte liegen zwischen 0,005 J/cm 3 und 0,01 J/cm 3. Das nachstehende Bild liefert die Erklärung, warum die indizierte Arbeit mit späterem Zündzeitpunkt abnimmt. Da die indizierte Arbeit das Integral über den Kreisprozess darstellt, repräsentiert die eingeschlossene Fläche die errechnete Ar- Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 3

4 beit. Der Unterschied der eingeschlossenen Flächen im pv-diagramm ist somit die anschauliche Erklärung für dieses Verhalten. Eine weitere interessante Information ist die Lage und das Niveau des maximalen Zylinderdruckes. Diese Größe reagiert sehr sensibel auf Änderungen in der Verbrennung und demzufolge steigt die Standardabweichung rasch an. Es ist zwar nicht so üblich diesen Wert zu betrachten, aber um geringe Veränderungen im Brennverhalten zielsicher zu erkennen sind diese Größen sehr gut geeignet. Weiterhin ist auch eine Überprüfung der Dichtigkeit des Motors gut möglich. Wenn die Lage des maximalen Zylinderdruckes eindeutig vor Zünd-OT angesiedelt ist, dann liegt in jedem Fall eine Undichtigkeit vor. Das kann unter anderem die folgenden Ursachen haben: eine defekte Zylinderkopfdichtung ein gebrochener Kolbenring ein beschädigter Kolben ein undichtes Ventil ein verschobener Winkelmarkengeber usw. Bei derartigen Befunden ist der Versuch in jedem Fall abzubrechen und nach der Ursache zu forschen, weil jede weitere Messung ohne Klärung der Ursache Zeit- und Geldverschwendung wäre da die Daten nicht brauchbar sind. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 4

5 Das nachfolgende Bild zeigt den Einfluss des Zündzeitpunktes auf den Verlauf des Zylinderdruckes. Mit abnehmender Vorzündung wird der Spitzendruck und auch der Druckanstieg durch die Verbrennung immer weiter nach spät verschoben, bis zu guter letzt das Kompressionsdruckmaximum über dem des Verbrennungsdruckes liegt. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 5

6 Aus dem Verlauf der indizierten Arbeit ist zu erkennen, dass die Zündzeitpunktverstellung sich nur auf den Hochdruckteil des Zyklus auswirkt, die Ladungswechselarbeit (wi_nd) bleibt für alle Arbeitspunkte konstant. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 6

7 Ein weiterer wichtiger Parameter ist der maximale Druckgradient im Zyklus im Hinblick auf die Akustik des Motors. Hier zeigt sich, dass der Druckgradient im gleichen Maß wie die Vorzündung abnimmt, wobei sich auch die Lage in Richtung spät verschiebt. Lediglich bei dem sehr späten Zündzeitpunkt verschiebt sich die Lage nach früh, weil aufgrund der verschleppten Verbrennung der maximale Druckgradient während der Kompressionsphase auftritt. Diese Betrachtungsweise ist für den Ottomotor nicht so sehr von Bedeutung, sehr wohl aber für den Dieselmotor mit seinen deutlich höheren Zünddrücken (z.z bar). Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 7

8 Die Energieumsetzungsrate und die Energieumsetzung verschiebt sich mit abnehmender Vorzündung ebenfalls in Richtung spät, dass lässt sich recht gut von dem Maximalwert der Energieumsetzungsrate und der 50%-Lage der Energieumsetzung ablesen. Im Fall der späteren Zündzeitpunkte verlängert sich auch die Dauer der Verbrennung, zu erkennen an der 90% Lage der Energieumsetzung. Weiterhin gilt aber, dass sich die 50%-Energieumsatzlage und die Lage der maximalen Energieumsetzungsrate weitgehend decken. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 8

9 Die Entflammungsphase hat bekanntermaßen ein breites Streuband, aber die Standardabweichung bewegt sich in dem üblichen Rahmen für Ottomotoren. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass die Spätzündung zu einer kürzeren Entflammungsphase führt weil in diesem Fall das höhere Temperaturniveau und der höhere Druck, bedingt durch die längere Kompressionsdauer, bei der zylinderinternen Gemischbildung hilft, so dass die Enflammungsbedingungen besser und damit die Entflammungsphase kürzer wird. Wird der Zündzeitpunkt darüber hinaus nach spät verschoben, verschlechtern sich die Enflammungsbedingungen wieder und die Entflammungsdauer nimmt zu. Bei Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 9

10 einem Zündzeitpunkt von 351 KW z.b. und einer Entfl ammungsdauer von ca. 17,5 KW liegt der eigentliche Verbrennungsbeginn dann bei 368,5 KW un d damit in der Expansionsphase. In diesem Fall läuft schon zu Beginn der Hauptenergieumsetzung die Expansion und damit geht eine Abkühlung der Ladung einher. Zuletzt soll noch der Einfluss auf die Verbrennungs- und die Massenmitteltemperatur betrachtet werden. Hier zeigt sich, dass ein sehr früher Zündzeitpunkt von 320 KW die höchste Verbrennungstemperatur ergibt und zwar ca. 125 K me hr als beim optimalen ZZP von 326 KW. Alle späteren Zündzeitpunkte liefern beständig niedrigere Temperaturwerte und die Lage des Temperaturmaximums verschiebt sich stetig nach spät. Bei der Massenmitteltemperatur bietet sich ein in etwa ähnliches Bild, die Temperaturmaxima verschieben sich kontinuierlich nach spät. Allerdings unterscheidet sich das Temperaturniveau sehr deutlich von dem der Verbrennungstemperatur, wie es sich aber auch aufgrund der Definition ergeben muss. Das liefert noch einmal den eindeutigen Hinweis, dass mit dieser Temperatur eine Betrachtung der Reaktionskinetik der Abgaskomponenten im Brennraum nicht möglich ist. Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 10

11 Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 11

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