⢠⢠⢠⢠⢠Lastschnitt in einem Kennfeld
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<strong>Lastschnitt</strong> im <strong>Kennfeld</strong> e<strong>in</strong>es Ottomotors<br />
Im folgenden sollen die Ergebnisse e<strong>in</strong>er <strong>Lastschnitt</strong>betrachtung an dem Beispiel e<strong>in</strong>es realen Ottomotors<br />
gezeigt werden.<br />
<strong>Lastschnitt</strong> <strong>in</strong> e<strong>in</strong>em <strong>Kennfeld</strong><br />
pme<br />
ZZP opt.<br />
Psaug=0.99<br />
•<br />
bar<br />
•<br />
Psaug=0.9<br />
bar<br />
•<br />
Psaug=0.7<br />
bar<br />
•<br />
Psaug=0.5<br />
bar<br />
Klopfen<br />
Laufstabilität<br />
• Psaug=0.3<br />
bar<br />
Drehzahl<br />
Das vorstehende Bild zeigt das Pr<strong>in</strong>zip e<strong>in</strong>es <strong>Lastschnitt</strong>es, d.h. bei konstanter Motordrehzahl werden<br />
mehrere Betriebspunkte so e<strong>in</strong>gestellt, dass sie möglichst gleichmäßig <strong>in</strong>nerhalb des <strong>Lastschnitt</strong>es<br />
verteilt s<strong>in</strong>d. Weiterh<strong>in</strong> s<strong>in</strong>d die charakteristischen Bereiche für die E<strong>in</strong>stellung des Zündzeitpunktes zu<br />
erkennen. Bei hoher Last begrenzt das Klopfverhalten des Motors die mögliche Frühzündung, im untersten<br />
<strong>Kennfeld</strong>bereich ist die Laufstabilität des Motors durch e<strong>in</strong>e ausreichende Füllung und e<strong>in</strong>en<br />
späten Zündzeitpunkt sicherzustellen und im mittleren <strong>Kennfeld</strong>bereich ist es möglich die optimale<br />
Lage des Zündzeitpunktes über das Schwerpunktlagenkriterium (50% Energieumsatz bei ca. 10°KW<br />
nach Zünd-OT) e<strong>in</strong>zustellen. Die Ergebnisse e<strong>in</strong>er derartigen Betriebspunktvariation sollen betrachtet<br />
werden.<br />
Kap. 22 <strong>Lastschnitt</strong><br />
Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 1
Als erstes soll der Verlauf des Zyl<strong>in</strong>derdruckes der lastabhängigen mittleren Arbeitsspiele betrachtet<br />
werden.<br />
In diesem Bild ist der mittlere Saugrohrdruck der Lastparameter. Die dargestellten Druckverläufe s<strong>in</strong>d<br />
bereits nullpunktkorrigiert, so dass e<strong>in</strong> unmittelbarer Vergleich stattf<strong>in</strong>den kann. Es ist zu erkennen,<br />
dass mit steigender Füllung der maximale Druck im Zyl<strong>in</strong>der ansteigt und das der Hochdruckbereich<br />
deutlich breiter wird. Bei dem Volllastzyklus ist allerd<strong>in</strong>gs zu bemerken, das der Maximaldruck des<br />
Vorgängerbetriebspunktes bei etwas niedrigerer Last gerade so erreicht wird. Das ist die unmittelbare<br />
Auswirkung der Spätzündung aufgrund der Klopfgefahr bei Volllastbetrieb.<br />
Im nächsten Bild s<strong>in</strong>d die zugehörigen Verläufe der Energieumsetzung dargestellt. Hier s<strong>in</strong>d die aufgrund<br />
von Spätzündung deutlich langsameren Verbrennungen bei der niedrigsten und bei der höchsten<br />
Last zu erkennen. Insbesondere bei dem Bild mit den L<strong>in</strong>ien konstanten Energieumsatzes ist die<br />
Spätverschiebung der Verbrennung aufgrund der Spätzündung deutlich zu bemerken. Die Auswirkung<br />
auf die Schwerpunktlage ist ebenso klar. Bei den mittleren Lasten wird die optimale Schwerpunktlage<br />
nahezu erreicht, ebenso ist erwartungsgemäß der Verlauf der maximalen Energieumsetzungsrate<br />
recht nahe an der jeweiligen Schwerpunktlage der Verbrennung.<br />
Kap. 22 <strong>Lastschnitt</strong><br />
Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 2
Kap. 22 <strong>Lastschnitt</strong><br />
Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 3
Die beiden nächsten Bilder zeigen den Zyl<strong>in</strong>derdruck bei E<strong>in</strong>lassschluss der <strong>in</strong>dividuellen Zyklen und<br />
den damit errechneten Luftliefergrad für jeden e<strong>in</strong>zelnen Zyklus. Aus dem Druck ist zu erkennen, dass<br />
der Luftliefergrad gewissen Schwankungen unterliegen muss.<br />
Der Verlauf des Luftliefergrades zeigt e<strong>in</strong>e gewissen Regelmäßigkeit beim Wechsel zwischen hohem<br />
und niedrigem Wert. E<strong>in</strong>e Ursache dafür ist <strong>in</strong> der Verbrennung zu suchen. Wenn e<strong>in</strong> starker Zyklus<br />
vorliegt, dann ist das Druckniveau zum Zeitpunkt des Ladungswechsels hoch und damit ist ebenfalls<br />
der Restgasanteil hoch. Demzufolge steigt für den nachfolgenden Zyklus das Temperaturniveau im<br />
Kap. 22 <strong>Lastschnitt</strong><br />
Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 4
Zyl<strong>in</strong>der an und die Frischgasfüllung nimmt aufgrund des hohen Restgasanteiles ab. Die Folge ist e<strong>in</strong><br />
schwacher Zyklus. Da jetzt der Druck im Zyl<strong>in</strong>der niedriger ist nimmt der Restgasanteil und das<br />
Temperaturniveau im Zyl<strong>in</strong>der ab. Dadurch steigt die Frischgasfüllung und der Folgezyklus ist wieder<br />
e<strong>in</strong> starker Zyklus. Dies f<strong>in</strong>det <strong>in</strong> stetigem Wechsel statt und erklärt zum Teil die Schwankungen im<br />
Luftliefergrad. Je nach Lastpunkt und Höhe des Restgasanteils wird dieser Effekt entsprechend<br />
verstärkt oder aber abgeschwächt, wie es dem vorstehenden Bild zu entnehmen ist. Weitere<br />
E<strong>in</strong>flussparameter ergeben sich durch das Strömungsverhalten im Saugrohr und anderen Bauteilen<br />
im Ansaug- oder Auspufftrakt des Motors.<br />
Das nächste Bild zeigt den Restgasanteil der e<strong>in</strong>zelnen Zyklen <strong>in</strong> Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt.<br />
Es ist zu sehen, dass abnehmende Last die Streuung des Restgasanteiles deutlich<br />
ansteigen lässt. Das entsteht ganz e<strong>in</strong>fach aus dem Zusammenhang heraus, das e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge<br />
Motorfüllung e<strong>in</strong> niedriges Druckniveau im Ladungswechsel und damit e<strong>in</strong>en hohen Restgasanteil<br />
bewirkt. Dieser hohe Restgasanteil bewirkt e<strong>in</strong>e gestörte Verbrennung und damit erhebliche zyklische<br />
Schwankungen die sich dann entsprechend auf den Restgasanteil auswirken.<br />
Im nächsten Bild wird die <strong>in</strong>dizierte Arbeit für den <strong>Lastschnitt</strong> gezeigt wobei auch die Statistik mit dargestellt<br />
ist, um zu zeigen <strong>in</strong> welchem Umfang die Werte um den Mittelwert schwanken. Für e<strong>in</strong>en gut<br />
applizierten Motor muss <strong>in</strong>sbesondere die Standardabweichung um den Mittelwert herum kle<strong>in</strong> se<strong>in</strong>,<br />
denn <strong>in</strong> diesem Fall ist der Lauf des Motors entsprechend ruhig und das ist <strong>in</strong> der Regel sehr gewünscht.<br />
Der Vollständigkeit halber ist auch noch der Zusammenhang zwischen Saugrohrdruck und<br />
Luftliefergrad dargestellt. Dieser Verlauf ist typischerweise l<strong>in</strong>ear.<br />
Kap. 22 <strong>Lastschnitt</strong><br />
Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 5
Der Verlauf von Niveau und Lage des maximalen Zyl<strong>in</strong>derdruckes und der zugehörigen Statistik wird<br />
dann benötigt, wenn mit Hilfe e<strong>in</strong>er sehr sensiblen Größe bei e<strong>in</strong>em schon ruhig laufenden Motor auch<br />
kle<strong>in</strong>e Störungen bei der Verbrennung erkannt werden sollen. Zusätzlich liefern beide Größen e<strong>in</strong>e<br />
Information ob der Motor dicht ist und ob die OT-Lage stimmt, denn Verlagerungen des<br />
Maximaldruckes s<strong>in</strong>d sofort zu erkennen, ebenso wie e<strong>in</strong> zu niedriger Druck. Allerd<strong>in</strong>gs ist bei<br />
befeuertem Betrieb die Maximaldrucklage nur für e<strong>in</strong>e Fehlererkennung geeignet, e<strong>in</strong>e absolute<br />
W<strong>in</strong>kelzuordnung des Druckverlaufs ist nur im Schleppbetrieb über den thermodynamischen<br />
Verlustw<strong>in</strong>kel möglich.<br />
Kap. 22 <strong>Lastschnitt</strong><br />
Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 6
E<strong>in</strong>e weitere wichtige Größe ist die Entflammungsphase, da sie unmittelbar das Ergebnis e<strong>in</strong>er gelungenen<br />
oder aber nicht gelungenen Zündung zeigt. Für e<strong>in</strong>en typischen Ottomotor gilt dass die Entflammungsphase<br />
ca. 11-16°KW betragen soll, dann läu ft der Motor <strong>in</strong> der Regel mit zufriedenstellender<br />
Laufruhe. Werden diese Werte deutlich größer, dann liegen <strong>in</strong> der Regel Fehler <strong>in</strong> der Gemischbildung<br />
vor oder aber Zündungsfehler z.B. durch e<strong>in</strong>e unbefriedigend arbeitende Zündkerze.<br />
Kap. 22 <strong>Lastschnitt</strong><br />
Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 7
Kap. 22 <strong>Lastschnitt</strong><br />
Prof. Dr.-Ing. P.-W. Manz 8