Teil 8
Hallo zusammen,
Der Moment auf den wir alle gewartet haben, es bewegt sich was am Prüfstand und die ersten Messwerte erscheinen am Bildschirm
Hier ein Einblick wie es am Motorprüfstand abläuft. Man sitzt hinter der Panzerglasscheibe, zieht am Gashebel, fährt entsprechende Lastpunkte an und genießt gedämpfte Röhren vom Motor.
Am Anfang ist das natürlich sehr aufregend. Man rechnet jeden Augenblick damit, dass der Motor plötzlich mit einem großen Knall in seine Bestandteile explodiert. Die Belastung ist allerdings auch nicht größer, als wenn man auf der Landstraße fährt. Da müsste man schon einen groben Fehler gemacht haben, wenn er bei mittlerer Last bereits kaputt geht. Bei voller Drehzahl und Last später gibt es aber durchaus die Möglichkeit vom großen Knall. Am Anfang stand aber sowieso erstmal das sanfte Einfahren auf dem Plan, mittlere Drehzahl und wenig Verbrennungsdruck, damit sich die neuen Kolbenringe und gehohnte Zylinderbohrung einlaufen können und richtig abdichten.
Das wird dann nach einigen Stunden etwas monoton und man fängt an mit den unzähligen Funktionen der Megasquirt Steuerung zu spielen.
Hier möchte ich Euch den Einfluss des Zündzeitpunktes live in der Zylinderdruck-Indizierung zeigen. Der Motor läuft bei 3000 Umdrehungen und niedriger Last. Der erste Anstieg in der Kurve ist die Kompression des Gemisches in Richtung OT. Zehn Grad bevor er oben angekommen ist, da erfolgt die Zündung. Im Gegensatz zum Drehen mit dem Anlasser, ist die Kurve jetzt nicht mehr symmetrisch, sondern auf der rechten Seite erhöht nach dem OT. Das ist die Verbrennung, welche sich Ausdehnen möchte, aber durch Raumbegrenzung nicht kann, es steigt also der Druck und der Kolben wird nach unten geschoben.
Der Zündzeitpunkt ist am Anfang vom Video im eher späten Bereich für die aktuell herrschende Verbrennungsgeschwindigkeit. Die Verbrennung findet dann erst dann statt, wenn der Kolben bereits nach unten fährt. Man könnte meinen das wäre nicht so tragisch, Hauptsache der Kolben wird runtergedrückt, oder?
Im Anschluss wird der Zündzeitpunkt auf 27° vor OT verlegt und man sieht einen direkten Unterschied im Druckverlauf. Dieser ist jetzt höher und dafür kürzer, genau das möchte man erreichen. Am Anfang hat der Motor im Schnitt 1,8bar Mitteldruck erzeugt und mit dem angepassten Zündzeitpunkt sind daraus 2,7bar bei gleicher Kraftstoffmenge geworden. Zuerst war die Verbrennung verschleppt und das führt dazu, dass wenig Druck auf den Kolben kommt und die im Kraftstoff enthaltene Energie sich in großer Wärme breit macht. Die Abgastemperaturen können dann schnell über 1000°C steigen und das mag das Material überhaupt nicht. Bauteile können schmelzen oder ganz versagen. Es können sich auch heiße Stellen im Brennraum bilden, welche wieder zur Glühzündung oder gar zum Klopfen führen können. Das bringt also vorallem Nachteile.
Die Verbrennung mit 27° vor OT Zündung verhält sich da ganz anders. Sie hat ihren Scheitelpunkt bei 11° nach OT, was ein sehr guter Wert für die Ausnutzung ist. Der Kolben ist zu diesem Zeitpunkt noch fast ganz oben und das Volumen im Brennraum entsprechend klein, deshalb bildet sich durch die Verbrennung ein hoher Druck aus und verbrennt auch noch schneller. Der Knackpunkt ist dann die folgende Expansion vom Brennraum. Wie uns die Thermodynamik lehrt, kühlt sich das Gas dadurch ab und die Abgastemperatur kann schnell mal auf 700°C sinken. Wir wissen dadurch zwangsweise, dass wir mehr von der im Kraftstoff enthaltenen Energie in mechanische Arbeit umgesetzt und nicht ungenutzt in den Auspuff geblasen haben. Demnach wäre es also anzustreben, die Zündung würde überall im ganzen Brennraum gleichzeitig stattfinden und die Verbrennung dann ohne Verzögerung ablaufen. Dann könnte man noch mehr Energie nutzbar machen, aber leider geht das in der Wirklichkeit nicht. Daher sind die sogenannten Verbrennungsverfahren und die Optimierung immer noch Gegenstand der aktuellen Forschung.
Schauen wir uns doch so eine Messung im Bestpunkt der Miller Verbrennung mal genauer an. Das pV-Diagramm zeigt den gemessenen Druck im Brennraum über die Kolbenposition an bzw. das Volumen, was mit der vorher gezeigten Berechnung ermittelt wurde. Im oberen Teil sieht man den kompletten Verlauf aus Arbeitsdruck und Ladungswechsel zusammen. Wegen des Größenunterschiedes wird im unteren Teil nur die Ladungswechselschleife vergrößert dargestellt. Wir gehen die 4 Takte einzeln durch und betrachten die Eigenschaften des Verlaufs. Der Motor läuft mit 3000 Umdrehungen in der Minute und die Drosselklappe ist voll geöffnet.
Im 1. Takt wird das Einlassventil geöffnet und der Kolben fährt nach unten. Ein leichter Unterdruck wird erzeugt und das Gemisch strömt in den Zylinder. Rechts, kurz vor UT sieht man den leicht nach unten geneigten "Miller Zipfel". Im 2. Takt sind die Ventile geschlossen und es wird komprimiert, indem der Kolben nach oben fährt. Man kann erkennen, dass der Zylinder eine deutlich reduzierte Füllung hat, denn bei Position 0,1 also 90% des Kolben-Weges nach oben, ist gerade mal ein Druck von 6bar aufgebaut. Der Otto-Betrieb hätte da schon einen deutlich höheren Gegendruck auf den Kolben, denn er müsste schon sehr früh zünden, durch die langsame Verbrennung. Im Kennfeld der Suzuki Hayabusa steht an der Stelle 70° Zündung vor OT, so langsam läuft da die Verbrennung als Extrembeispiel. Der Versuchsmotor mit dem Miller Zyklus und sehr hohen Strömungsturbulenz verbrennt sehr viel schneller und kann dadurch auch erst kurz vor OT gezündet werden, wodurch mehr Energie in Arbeit umgesetzt werden kann und nicht gegen den Kolben aufwärts wirkt. Details dazu schauen wir uns gleich an.
Kurz vor OT wird gezündet und der Druck im Brennraum steigt schnell auf 48bar, während der Kolben den oberen Totpunkt überschreitet und der 3.Takt beginnt. Der Brennraum expandiert und der Druck wird in mechanische Arbeit umgesetzt. Die Expansion kühlt das Gas zwangsläufig ab, eben das Gegenteil der Wärme durch Kompression. Die Verbrennung sollte abgeschlossen sein, während der Brennraum noch ein kleines Volumen hat. Eine verzögerte Nachverbrennung möchte man nicht, eine möglichst schnelle Verbrennung wird angestrebt. Als Letztes kommt der 4.Takt mit dem Ausschieben. Man sieht, bei der Aufwärtsbewegung wird ein leichter Druck aufgebaut und das Abgas in den Auspuff geschoben. Das ganze könnte noch unterstützt werden mit einer Abgasanlage, welche mit Gasdynamik und Saugwirkung bestimmte Bereiche beim Ausstoßen und der Ventilüberschneidung begünstigt, aber das war nicht Teil der Arbeit.
Erinnern wir uns nochmal an die pV Skizzierung aus TEIL 2. Der normale Ottomotor müsste bei so einem niedrigen Lastpunkt durch die Drosselklappe stark am Ansaugen gehindert werden. Denn mit voll geöffneter Drosselklappe würde er einen Verbrennungsdruck in die Richtung 100bar erzeugen und entsprechend viel zu viel Drehmoment abgeben. Er muss also gedrosselt werden, was einen großen Unterdruck im Brennraum erzeugt und der dem Kolben deutlich mehr Arbeit abverlangt (rote Fläche). Gleichzeitig wird die Verbrennungsgeschwindigkeit im gedrosselten Otto Betrieb stark verschlechtert und das erfordert extreme Vorzündung. Viel von der im Kraftstoff enthaltenen Energie wird also schon auf dem Weg nach oben verbraucht und Spitzendruck ist nicht gerade hoch. Der Wirkungsgrad in diesem Bereich ist entsprechend schlecht und bewegt sich im Bereich von ~5-15% anstatt der 35-37% bei Last im oberen Drittel. Leider wird der schlechte Bereich im normalen Betrieb am häufigsten benutzt.
Quelle: quizlet.com/de/grundlagen-der-technischen-verbrennung
Die Automobil-Hersteller betreiben seit Jahrzehnten einen großen Entwicklungsaufwand, diese Bereiche zu verbessern, ohne Spitzenleistung einzubüßen zu müssen. Denn sind wir ehrlich, der Großteil der Kunden möchte diese hohe Leistung haben, ob sinnvoll oder nicht. Siehe Audi A2 oder der Lupo 3L, was wirklich tolle Niedrigverbrauch-Ansätze gewesen sind, aber es waren absolute Ladenhüter. Wenn man sich die Zulassungszahlen heute anschaut, hat sich da nicht viel geändert. Der Trend zu großen, schweren Autos mit starken Motoren ist ungebrochen. Die Hersteller könnten sehr wohl sparsame Fahrzeuge bauen, aber der Markt wird von den Kunden bestimmt und der Politik, die das indirekt fördert.
Wenn ich seit dem Jahr 2000 mit alleine der Kraftstoffsteuer eine Billion(!) Euro eingenommen hätte, dann hätte ich wohl auch wenig Interesse daran, dass Fahrzeuge gebaut werden, die nur die Hälfte des Kraftstoffes verbrauchen. Steuern zu Hubraum, Leistung, Abgas, Umwelt etc. sind da noch garnicht berücksichtigt. Aber das ist ein anderes Thema, zurück zum Motor.
Jetzt kommen wir zur thermodynamischen Auswertung des pV Diagramms. Rechts sieht man die Mitteldrücke der Arbeits-Schleife und der negativen Ladungswechsel-Schleife. Zählt man diese mit der Arbeit zusammen, dann bleibt der resultierende Mitteldruck im Brennraum. Dieser kann genutzt werden, um daraus mechanische Arbeit zu erzeugen. Dieses Potenzial muss sich allerdings noch der innermotorischen Reibung stellen, bevor es den Motor verlassen kann. Das ist heutzutage ein ziemlich großes Thema geworden, was zu speziellen Leichtlauf-Ölen und allerhand Beschichtungen geführt hat. Das ist jedoch ein sekundäres Thema, da es beim indizierten Wirkungsgrad um die Entfaltung der im Kraftstoff enthaltenen Energie in nutzbaren Druck geht. Ohne erzeugten Druck, hilft die beste Beschichtung nichts.
Der linke Teil vom Bild ist allerdings viel interessanter, die Auswertung des Brennverlaufes. Die lila Kurve zeigt die Energiedichte der Verbrennung pro Grad Kurbelwelle. Und die gelbe Kurve summiert diesen Wert auf, das ist der sogenannte Summenbrennverlauf. Diese Kurven geben einem sehr nützliche Informationen, wie lange die Verbrennung dauert, wie stark sie ist, aber vorallem wo sich die Schwerpunktlage befindet.
Man möchte nicht, dass die 50% Schwerpunktlage der Verbrennung direkt im OT liegt, denn dann steht das Pleuel in der Flucht zum Kurbelradius und es kann keine Arbeit verrichtet werden. Außerdem müsste dafür sehr früh gezündet werden und der entstehende Druck wirkt dem Kolben auf dem Weg nach oben entgegen. Die Mittellage liegt üblicherweise bei 8-18° nach OT, je nach Anwendung und was die Klopfneigung zulässt. Wie farblich markiert, beginnt die Verbrennung in Höhe von 5% bei 4,5° vor dem oberen Totpunkt. Das ist ein sehr später Wert und kommt durch die geringe Frühzündung. Wie das möglich ist, ohne eine verschleppte Verbrennung zu erhalten, kommt gleich im Anschluss.
Die 50% Schwerpunktlage liegt bei knapp 8° so früh wie es gerade noch geht, ohne Einbußen zu erleiden. Und die Verbrennung endet, bei 90% des Summenbrennverlaufes definiert, schon bei 18° nach OT. Es ergeben sich die knapp 23° Brenndauer bei 6bar Mitteldruck und 3000 Umdrehungen. Aber was genau ist jetzt daran besonders, es sind doch nur irgendwelche Werte?
Durch diesen Winkel und die Drehzahl lässt sich rückwärts rechnen, wie lange die Flammenfront braucht, um den Brennraum zu durchlaufen. Man kommt auf eine Geschwindigkeit von 40m/s und das ist ziemlich außergewöhnlich für diesen Betriebspunkt. Vergleicht man es mit normalen, drehfreudigen Motoren, dann zeigt sich das bereits beschriebene Verhalten der Verbrennungsgeschwindigkeit. Normale Motoren verbrennen bei niedriger Drehzahl und geringer Turbulenz im Brennraum deutlich langsamer. Bei Drosselung sogar noch weitaus schlechter.
Mit dem Miller Zyklus ist das Drosseln nicht notwendig, die Drosselklappe bleibt offen und der frühe Einlassschluss steuert die Gasmenge. Hier zeigt sich die Auswirkung vom Hochturbulenz Konzeptes vom Versuchsmotor, eine so schnelle Verbrennung kann spät gezündet werden und entfalten dadurch einen hohen Druck in kleinen Brennraum, wo die Verbrennung auch möglichst bald wieder endet. Hervorragende Bedingungen, um viel Energie aus dem Kraftstoff in Druck umzusetzen.
Quelle: media.springernature.com/lw685/springer-static/image/chp%3A10.1007%2F978-3-658-39885-9_1/MediaObjects/394493_1_En_1_Fig4_HTML
Jetzt kommt der Moment, was drückt denn der 5-Ventil Motor, der aber nur auf einem Einlassventil im Miller-Zyklus läuft?
Am Getriebeausgang kommen 31Nm bei 2200rpm und 10PS bei 3000rpm an. Das ist von der Strömung her eine ziemliche Punktlandung von dem, wie der Einlasskanal ursprünglich mit der CFD Simulation ausgelegt wurde. Das war schonmal ein erster Teilerfolg.
Obwohl die Drosselklappe voll geöffnet ist, wird lediglich ein maximaler Mitteldruck von 5,7bar abgegeben, also für den Hubraum ein sehr kleines Drehmoment. Ein sportlicher Saugmotor könnte über das Doppelte an Mitteldruck erzeugen im besten Fall, das ist hier jedoch nicht gewollt, es geht um Effizienz.
Man erkennt durch das sehr früh anliegende Drehmoment das Miller-Zyklus Verhalten. Durch den frühen Einlassschluss vor UT, tritt die größte Füllung bei niedriger Drehzahl ein und fällt danach schnell ab. Ab ungefähr 2500 Umdrehungen ist der maximale Massenstrom im Einlasskanal erreicht und hält sich noch bis zur maximalen Leistung. Danach kann nicht mehr Luftmasse hindurchgesaugt werden, um die steigende Drehzahl zu bedienen. Außerdem steigt mit der Drehzahl auch die innere Reibung im Motor an, von daher sinkt die abgegebene Leistung ab 3000rpm wieder. Ohne Aufladung/Variablen Ventiltrieb beim Miller -Zyklus kann man daher nie zu einem Motor mit ausreichend Leistung oder breit nutzbaren Drehmoment kommen. Deshalb nutzt Toyota den Atkinson-Zyklus mit 14:1 Verdichtung und kommt auf einen indizierten Wirkungsgrad von 41% im Bestpunkt. Es war allerdings nicht das Ziel ein breites Drehzahlband oder hohe Leistung zu erzeugen, dafür gibt es hier den Otto-Betrieb mit der elektrischen Drosselklappe.
Mit den am Getriebeausgang abgegeben 10PS lassen sich je nach Reifen und Luftwiderstand eine Geschwindigkeit von 100-110km/h erreichen, also Überlandfahrten auf der Landstraße, genau dafür war das Ganze ausgelegt. Die Frage ist jetzt, welchen Wirkungsgrad erreicht der Motor und wie hoch wäre der Kraftstoffverbrauch? Das finden wir gleich heraus.
Zuvor noch ein Beispiel, damit keine Verwirrung aufkommt, wenn die ganze Zeit zwischen Mitteldruck und Drehmoment gesprungen wird. Bei beiden Begriffen geht es um das Drehmoment, allerdings ist der Mitteldruck quasi unabhängig vom Hubraum und somit lassen sich damit wunderbar Saugmotoren von verschiedener Größe vergleichen. Ein sportlicher Benziner Saugmotor kann bis in den Bereich von 15bar Mitteldruck an der Kurbelwelle gehen, was um die 120Nm pro Liter Hubraum entspricht. Wenn jemand mit seiner 1000er vom Prüfstand zurückkommt und umgerechnet 16,2bar an der Kupplung anliegen, dann wisst ihr schon was los ist
Um die Ausbeute des Miller Motors ins Verhältnis zu setzen, wurde ein sportlicher V6 Bootsmotor aus dem Speicher darüber gelegt. Dieser hat ein ähnliches Drehzahl-Niveau und zeigt im Mitteldruck, wie verringert die Füllung durch den Miller-Zyklus ist. Genau das sollte erreicht werden. Die Leistung von dem Bootsmotor ergibt sich dann aus seinem Hubraum und dem Mitteldruck, das ist hier aber irrelevant, da es nur um die Füllung geht. Und jetzt kommen wir zum Verbrauch des Versuchsmotor.
An der Stelle noch vielen Dank an den Prüfstands Dipl.-Ing. Bernhard W. für die Hilfe bei der Kalibrierung des Prüfstandes, Aufnahme der Daten und Auswertung dieser.
Es wurden verschiedene Drehzahl und Lastpunkte angefahren, um den Motor konstant dort zu betreiben. Man orientiert sich an dem Kraftstofffluss und der erzeugten Leistung und justiert noch Feinheiten an der Zündung, Kraftstoffmenge und Einspritzbeginn. Dann wurden alle Daten in dem Zustand für mindestens 60 Sekunden aufgezeichnet, da ein Ottomotor immer leichten Zyklusschwankungen unterliegt und man kein schwankendes Ergebnis haben möchte. Die oberen Messpunkte bilden wieder die Drehmomentlinie ab, angegeben in Mitteldruck pme. So konnte ein Kennfeld über die Punkte aufgespannt werden, die sogenannten Schlucklinien verbinden gleiche Bereiche. Knapp unter Volllast kommt der Motor auf einen indizierten Wirkungsgrad von 43%. Also wenn 1kg Kraftstoff knapp 10kWh an Energie beinhaltet, dann können davon 4,3kWh in nutzbaren Druck gewandelt werden. Ein üblicher Ottomotor müsste diesen Punkt gedrosselt anfahren und liegt dann im Bereich von 1-1,5kWh Ausnutzung, selbst im besten Punkt schafft er lediglich 3,7kWh. Das ist genau das, was mit dem Projekt gezeigt werden sollte, man kann bei geringer Last deutlich effizienter sein, als es ein normaler Motor bei hoher Last ist.
Ein Motorrad mit diesem Motor könnte auf der Landstraße mit ~1,8l/100km fahren, während die 1000er mitfährt und kaum unter 5l Verbrauch kommt. Auch ein Auto hätte auf der Landstraße einen ziemlich ähnlichen Verbrauchswert, da ein Kleinwagen bei 100km/h schon weniger Luftwiderstand hat als ein Motorrad, dafür ist die Reifenreibung größer, insgesamt also im ähnlichen Bereich.
Das war ein voller Erfolg! Der Motor verhält ziemlich genauso wie vorher ausgelegt und hat quasi ab kleinster Last immer einen Wirkungsgrad von mindestens 35%
Jetzt wartet noch der letzte Teil, in dem es darum geht, wie sich der Motor im Otto-Betrieb mit allen fünf Ventilen unter voller Last und Drehzahl verhält. Wird er das überleben und kommt er überhaupt auf die Serienleistung? Schaltet nächste Woche wieder ein
