Messung an einem Viertakt-Ottomotor

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Hochschule Augsburg
Praktikum Verbrennungsmotoren
Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Semester BM7
Prof. Dr. Wieler
Messung an einem Viertakt-Ottomotor
Anleitung zum Praktikumsversuch an einem Ottomotor
1. Aufbau der Anlage
1.1 Beschreibung der Versuchsanlage
Zur Untersuchung des Betriebsverhaltens wird ein Ottomotor an einer elektrischen
Wirbelstrombremse in einer schallgedämpften Prüfstandskabine betrieben.
1.2
Technische Daten des Ottomotors
Hersteller
Opel
Typ
X20XEV
Arbeitsverfahren
4-Takt
Verdichtungsverhältnis 
10,8
Zündfolge
1:3:4:2
Gesamthubraum
1998 ccm
Bohrung / Hub
86 mm / 86 mm
Motorleistung DIN
100 kW (136 PS) bei 5600 1/min
Drehmoment DIN
185 Nm bei 4000 1/min
Motorsteuerung
Siemens Simtec 56/05
1.3
Funktion des serienmäßige Motorsteuergerätes (Siemens SIMTEC
56/05)
Beim serienmäßigen Betrieb des Opel-Motors erfolgt die Gemischaufbereitung über
ein digitales Einspritzsystem. Dabei wird die Luftmasse mL über einen HitzdrahtLuftmengenmesser und die Drehzahl n über einen Kurbelwellen-Sensor ermittelt.
Über ein im Steuergerät gespeichertes Kennfeld wird die einzuspritzende
Kraftstoffmenge mB berechnet und die Einspritzdauer der Düsen tB bestimmt. Das
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Luftverhältnis  wird dabei von einer Lamdasonde gemessen und vom Steuergerät
über die Einspritzdauer tB auf dem Wert 1 gehalten.
Das Steuergerät steuert ebenfalls die Zündung an. Dazu wird mit einem
Wirbelstromsensor und einer Zahnscheibe am Schwungrad die Stellung der
Kurbelwelle ermittelt. Ein weiterer Sensor an der Nockenwelle stellt fest, ob sich der
betreffende Zylinder im Zünd- oder Ladungswechsel-OT (oberer Totpunkt) befindet.
Über einen Beschleunigungssensor am Motorblock zwischen Zylinder 2 und 3,
ermittelt das Motorsteuergerät klopfende Verbrennungen. Um dies zu vermeiden,
wird der Zündzeitpunkt der einzelnen Zylinder über einen Regelalgorithmus nach
spät verstellt.
Zur Minderung der Stickoxidemission (NOx) und Reduzierung des Verbrauchs, wird
vom Motorsteuergerät eine Abgasrückführung (AGR) über ein Ventil, abhängig vom
Betriebspunkt, vorgesteuert. Da die rückgeführte Abgasmenge nicht geregelt ist,
würde sie im Versuch die Ergebnisse verfälschen, so dass das Ventil in den
Versuchen außer Funktion ist.
Da die Funktionen im Motorsteuergerät von außen nicht beeinflussbar sind, wird der
Motor im Versuch mit einer Handsteuerung betrieben.
1.4
Technische Daten und Funktion der Wirbelstrombremse
Leistungsbremse TYP
AVL Dyno Perform 240
Leistung
240 kW
Drehzahl
0 – 10.000 1/min
Die Leistungsbremse dient zur Aufnahme der vom Verbrennungsmotor erzeugten
Leistung. Das Motordrehmoment wird mit Hilfe von Magnetfelder (magnetische
Wirbelströme) vom Rotor auf den im Bremsengehäuse befestigten Stator übertragen.
Die Höhe der Erregung der Magnetfelder wird von der Automatisierung geregelt. Die
magnetische Feldstärke bestimmt das zwischen Rotor und Stator übertragene
Drehmoment.
Die
entsprechend
dem
Drehmoment
und
der
Rotordrehzahl
entstehend elektrische Verlustleistung wird in der Bremse in Wärme umgesetzt und
an ein Brunnenkühlsystem abgeführt.
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1.5
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Steuerpult
Der Prüfstand verfügt über ein Automatisierungssystem AVL PUMA. Dieses System
erlaubt alle Sicherheitsüberwachungen, die Messdatenerfassungen sowie
alle
Einstellungen für den Motorbetrieb. Am Steuerpult von PUMA können die folgenden
Größen eingestellt werden.
1.5.1 Stellung der Motordrosselklappe
Die Motordrosselklappe wird mit einem elektrischen Fahrhebelsteller eingestellt. Die
Stellung wird über den Drehknopf ALFA am Bedienpanel von PUMA als relative
Öffnung vorgegeben. Diese Sollwertvorgabe wird von PUMA als Spannungswert
ausgegeben und mittels Elektromotor über einen kurzen Seilzug auf die
Drosselklappe übertragen. Die tatsächliche Stellung wird als Öffnungswert am
PUMA-Bildschirm angezeigt. Die Verstellung kann über den Drehknopf kontinuierlich
erfolgen.
1.5.2 Zündwinkelverstellung
Am Zündeinstelleinschub der Handsteuerung kann der Zündzeitpunkt des Motors mit
BCD-Schaltern frei vorgegeben werden. Am linken Bedienfeld eingestellte Werte
(Leitwerte) verstellen die Zündung aller Zylinder gleichzeitig, das mittlere Bedienfeld
(Korrekturwerte) erlaubt die Einstellung abweichender Zündzeitpunkte für die
einzelnen Zylinder. Da im Gegensatz zum Seriensteuergerät klopfende Verbrennung
nicht automatisch erkannt und durch Spätzündung verhindert werden, hat die
Verstellung immer mit entsprechender Vorsicht zu erfolgen.
1.5.3 Einspritzdauerverstellung
Am Einspritzeinstelleinschub der Handsteuerung kann die Dauer der Einspritzung in
°KW sowie der Zeitpunkt des Einspritzbeginns bezogen auf die Zünd-OT-Stellung
der Zylinder mit BCD-Schaltern frei vorgegeben werden. Am linken Bedienfeld
eingestellte Werte (Leitwerte) verstellen die Einspritzung aller Zylinder gleichzeitig,
das mittlere und rechte Bedienfeld erlaubt die Einstellung abweichender Werte für die
einzelnen Zylinder. Da weder eine -Regelung noch eine Erfassung der angesaugten
Luftmasse erfolgt, müssen die Einspritzparameter bei der Einstellung eines
Motorbetriebspunktes immer kontinuierlich nachgestellt werden.
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1.5.4 Motorbremse
Gemäß der Reglerart „Drehzahl/Alpha“ (Soll:Drehzahl konstant, Einstellung: Stellung
der Drosselklappe) wird die Solldrehzahl mittels Drehknopf am Bedienpanel von
PUMA vorgegeben. Die Drehzahl wird durch die Automatisierung exakt gehalten.
1.5.5 Notausschalter
Bei Gefahr kann der Prüfstand inklusive Motor über die Notausschalter am
Bedienpanel, neben der Prüfzellentür sowie in der Prüfzelle abgeschaltet werden.
1.6
Kühlsystem
Der Motor hat ein geschlossenes Umlaufkühlsystem mit Glykol-Wasser-Gemisch.
Das Motorkühlwasser strömt durch den Motor und einen im Wasserbad stehenden
Fahrzeugkühler als Rückkühler, in dem das Kühlwasser mit einem offenen
Kühlwasserkreislauf wieder heruntergekühlt wird. Dieser offene Kühlwasserkreis führt
die Wärme an das Brunnenkühlsystem ab. Das Druckschmieröl wird von einem
Filteradapter aus durch eine Kühlschlange im Wasserbad wieder zum Filter
zurückgeleitet. Die Motor- und Öltemperatur werden jeweils mit einem Thermostat
konstant gehalten.
1.7
Kraftstoffversorgung
Von der Tankanlage fließt der Kraftstoff über eine Coriolis-Kraftstoffwaage und eine
Kühleinheit zu einer elektrischen Kraftstoffpumpe. Diese fördert ihn mit dem
erforderlichen Betriebsdruck zu der Verteilerleitung am Motor, welche den Kraftstoff
zu den einzelnen Einspritzdüsen führt. Über einen Druckregler am Ende der Leitung
wird überschüssiger Kraftstoff über eine Rücklaufleitung zurück zur Kraftstoffkühlung
geleitet. Die Kraftstoffversorgung stellt den Kraftstoff blasenfrei dem Motor zur
Verfügung.
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2.
Messeinrichtungen
2.1
Kontrolleinrichtungen
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Alle Kontrollgrößen werden von PUMA zum Schutz von Personen, Motor und
Prüfstand überwacht. Dazu wird die Kühlwassertemperatur und die Öltemperatur
durch PT100-Mantelwiderstandthermometer erfasst und von PUMA am Bildschirm
angezeigt. Der Motoröldruck
wird mit einem handelsüblichen Fahrzeugsensor
gemessen. Bei zu geringem Öldruck, wird die Zündung über einen Öldruckschalter
unterbrochen, um den Motor vor einem Lagerschaden zu bewahren. Die Bremse wird
von einem Wasserdurchflusswächter, der den Prüfstand bei Wassermangel
abschaltet, geschützt.
2.2
Motordrehmoment
Wie bereits bei der Beschreibung der Wirbelstrombremse dargestellt, wird das
Motordrehmoment vom Rotor auf den im Gehäuse befestigten Stator mit
elektromagnetischen Wirbelströmen übertragen. Wird nun das Gehäuse pendelnd
auf dem Fundament gelagert und das Reaktionsmoment mit Hilfe eines Hebelarms
abgestützt, so ist diese Stützkraft proportional dem Motordrehmoment. Diese Kraft
wird mit einer Kraftmessdose gemessen. Ein in der Kraftmessdose angebrachter
Deformationskörper wandelt die Kraft über Dehnungsmessstreifen und eine
Wheatstone’sche Vollbrückenschaltung in ein Spannungssignal. Dieses Signal wird
von PUMA in das entsprechende Drehmoment umgerechnet und angezeigt.
Voraussetzung für eine genaue Drehmomentmessung ist eine reibungsarme
Pendellagerung des Gehäuses.
2.3
Motordrehzahl
Die Drehzahl wird an der Bremse durch einen induktiven Sensor an einer
Zahnscheibe gemessen. Der Sensor liefert ein Digitalsignal an PUMA, wo es
ausgewertet und als Drehzahlwert ausgegeben wird.
Zusätzlich kann die Drehzahl auch auf dem Indizierrechner angezeigt werden. Die
Indizierung erhält die Kurbelwinkelmarken vom ROD-Geber an der Kurbelwelle.
Dieser misst die Kurbelwellenposition photooptisch durch eine Schlitzscheibe. Die
Indiziersoftware berechnet anhand der Impulse pro Zeiteinheit die Drehzahl.
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2.4 Zündwinkel
Der vorgesteuerte Zündwinkel kann direkt am Zündeinschub abgelesen werden und
wird zusätzlich durch die Indizierung erfasst.
2.5 Luftdurchsatz
Der Luftvolumendurchsatz durch den Motor wird mit Hilfe des AVL Flowsonix Air
gemessen. Das Gerät bestimmt den Luftmassenstrom mit Hilfe des UltraschallLaufzeitdifferenzen-Verfahrens.
Hierzu
sind
zwei
Ultraschall-Transiever
(=
kombinierte Sende- und Empfangseinheit) unter einem Winkel α zur Lotrechten auf
die Strömungsrichtung angeordnet.
Senden nun beide Ultraschallsensoren einen Impuls aus, legen beide Impulse die
gleiche Strecke zurück. Da jedoch ein Impuls in Strömungsrichtung läuft, überlagert
sich der Schallgeschwindigkeit c ein Teil der Strömungsgeschwindigkeit v.sinα,
sodass sich die Laufzeit verkürzt. Der andere Impuls läuft der Strömung entgegen
und die Laufzeit verlängert sich. Dieser Laufzeitunterschied wird gemessen und
daraus der Luftmassenstrom bestimmt. Weil durch Messrohrquerschnitt und
Strömungsgeschwindigkeit zunächst der Volumenstrom bestimmt wird, müssen für
die Umrechnung auf den Massenstrom zusätzlich Luftdruck und Temperatur im
Messrohr erfasst werden.
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2.6 Kraftstoffverbrauch
Der Kraftstoffverbrauch wird über das Volumen mit einer Coriolis-Kraftstoffwaage
gemessen.
Der Effekt der Corioliskraft lässt sich wie folgt erklären: Eine Scheibe rotiert mit einer
Winkelgeschwindigkeit ω. Bewegt sich eine Masse mit rein translatorischer
Geschwindigkeit von der Drehachse weg, ohne mit der Scheibe verbunden zu sein,
so sieht man aus Sicht der Scheibe die Masse auf einer rückwärts gebogenen Bahn.
Führt man nun diese Masse in einer geraden Radialnut (Radienstrahl), so muss die
Scheibe bei wachsendem Radius diese Masse in Umfangsrichtung beschleunigen.
Die dazu erforderliche Kraft nennt sich Corioliskraft. Grundsätzlich treten dies Kräfte
auch bei einer hin und her schwingenden Scheibe (oder auch einem U-Rohr) auf.
Kugel rollt kraftfrei mit v zum Rand
Scheibe dreht mit =konst

v

Bahnkurve auf
Scheibe
v


v
=>
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Die Messeinrichtung besteht aus einem U-förmigen Rohr, das an den Schenkeln des
U eingespannt ist und über die Einspannung zu Schwingungen angeregt werden
kann. Strömt Kraftstoff durch das schwingende U-Rohr, erfährt er eine Kraft als
Resultat seiner rein translatorischen Strömungsgeschwindigkeit durch das Rohr
relativ zur Schwingbewegung des Rohrs. Die Reaktionskraft auf diese verformt das
Rohr. Die Verformung ist proportional zum Massenstrom durch das Rohr und wird an
beiden Schenkeln gemessen.
Zusätzlich zum Massenstrom liefert das Gerät die Kraftstoffdichte als Messwert an
die Automatisierung, da die Dichte des Kraftstoffs die Eigenfrequenz des gefüllten URohrs verändert.
2.7
Luftzustand in der Prüfzelle
Ein Umweltmodul erfasst die Umgebungswerte in der Prüfzelle. Es werden
Temperatur, Druck und relative Luftfeuchte gemessen. Der Druck wird von einer
Dünnfilmzelle nach dem DMS-Prinzip erfasst. Die Temperatur mittels eines
Widerstandthermometers und die Luftfeuchte durch die Messung der Kapazität einer
porösen Masse im Sensor.
2.8
Abgasmessung
Zur Messung der Abgaskonzentrationen kommt die Abgasmessanlage AMA2000 der
Firma Pierburg zum Einsatz. Mit dieser Anlage werden die Konzentrationen von CO,
CO2, HC, NOx und O2 kontinuierlich gemessen. Die Messung erfolgt im Versuch vor
Katalysator.
Zur Messung von CO und CO2 wird ein Infrarotdetektor NDIR verwendet. In diesem
Detektor wird das zu messende Abgas sowie ein Vergleichsgas abwechselnd in einer
Leitung mit Infrarotstrahlung durchleuchtet. Das Vergleichsgas lässt die Strahlung S0
ungehindert durch. Das im Messgas enthaltene CO bzw. CO2 absorbiert einen
spezifischen Anteil der IR-Strahlung. Es geht nur noch S1 durch die Leitung. Die
absorbierte Menge an Strahlung ist annährend proportional zur Konzentration.
Nachdem die Strahlung Mess- und Vergleichsgas durchdrungen hat, trifft sie auf eine
Messkammer, die durch eine Kapillare mit einem Ausgleichsgefäß verbunden ist.
Fällt die höhere Vergleichsgas-Strahlung S0 auf diese Kammer, wird sie stärker
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erwärmt, das Gas strömt ins Ausgleichsgefäß. Fällt die schwächere MessgasStrahlung S1 auf die Kammer, kann diese etwas abkühlen, Gas strömt zurück. Die
Strömung wird gemessen und aus ihr die Gaskonzentration berechnet.
Unverbrannte Kohlenwasserstoffe werden einem Flammenoinisationsdetektor FID
zugeführt. Dort brennt eine Wasserstoffflamme zwischen zwei Elektroden. Dieser
Flamme wird das Messgas zugeführt. In der Flamme werden die enthaltenen
Kohlenwasserstoffmoleküle ionisiert. Dadurch entsteht ein Ionenstrom zwischen den
Elektroden, aus dem die Konzentration der Kohlenwasserstoffe bestimmt wird.
Die Stickoxide (NOx = NO + NO2) werden durch einen Chemolumineszenz-Detektor
CLD gemessen. Dieser kann nur NO nachweisen. Um auch NO2 messen zu können,
wird zunächst in einem Konverter NO2 zu NO reduziert. Das NO wird anschließend
mit Ozon (O3) einer Messkammer zugeführt. Dort reagieren NO und O3 zu NO2. Von
diesen NO2-Molekülen befinden sich ca. 10% in angeregtem Zustand. Fallen diese in
ihren Grundzustand zurück, wird Licht emittiert. Dieses Licht wird durch einen
Fotodetektor gemessen. Die Lichtintensität ist proportional zum NOx-Gehalt der
Gasprobe.
Bei der Messung von O2 kommt dessen Paramagnetismus im PMD zur Anwendung.
Liegt im Strömungsbereich des Sauerstoffs in eine Messkammer ein inhomogenes
Magnetfeld vor, bewegt sich O2 zum Bereich der größten Feldstärke hin. Werden
zwei symmetrische Strömungskanäle so angeordnet, dass der eine im Bereich des
Magnetfeldes in die Messkammer öffnet und der andere außerhalb des
Magnetfeldes, so entsteht durch den Sauerstoff in der Messkammer im Bereich des
Magnetfeldes ein höherer Druck auf die Kanalöffnung als am anderen Kanal. Sind
beide Kanäle über eine Kapillare verbunden, kommt des dort zu Strömung auf Grund
der Druckdifferenz. Diese Strömung ist proportional zur Sauerstoffkonzentration und
wird gemessen.
2.9
Messlambda-Sonde
Zur schnellen Einstellung des Motorbetriebspunktes ist es erforderlich, jederzeit das
eingestellte
Luftverhältnis
Messlambdasonde
zu
eingesetzt.
kennen.
Um
sowohl
Hierzu
im
wird
fetten
eine
wie
sogenannte
auch
mageren
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Betriebsbereich zuverlässige Messwerte zu erhalten, ist diese Lambdasonde
einerseits beheizt, um Einflüsse von themoelektrischen Spannungen zu vermeiden,
andererseits mit einer sogenannten Sauerstoffionen-„Pumpe“ erweitert. Hierbei
handelt es sich um eine chemische Zelle, die im fetten Bereich zusätzliche
Sauerstoffionen zur Verfügung stellt. Das Luftverhältnis wird
direkt auf einer Digitalanzeige dargestellt.
2.10 Indiziereinrichtung
In den Zündkerzen aller Zylinder befinden sich piezoelektrische
Druckaufnehmer, die elektrische Ladungen proportional zu den
Druckbelastungen
abgeben.
Diese
werden
von
einem
Ladungsverstärker in ein Spannungssignal umgewandelt und
von einer Datenerfassungsmodul aufgenommen. Die Erfassung
der Daten wird von einem optischen Drehgeber an der
Kurbelwelle ausgelöst, der, ausgehend vom oberen Totpunkt, in
1/10 ° Schritten Impulse abgibt. Zu jedem Impuls wird ein
Druckwert erfasst. Durch die Indiziersoftware werden die
aufgenommenen
Daten
ausgewertet
und
aus
mehreren
Druckverläufe 2600 1/min 4 bar
Verbrennung
Kompression
40
p(alfa) [bar]
30
20
10
0
0
180
360
540
720
alfa [°KW]
Arbeitsspielen gemittelt über den Kurbelwinkel graphisch dargestellt. Im Bild ist der
Zylinderdruckverlauf im zu vermessenden Betriebspunkt dargestellt. Man erkennt
deutlich,
den
Druckanstieg
Kompressionsdruckverlauf.
durch
Verbrennung
gegenüber
dem
reinen
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Aus den aufbereiteten Daten wird der indizierte Mitteldruck sowohl für das gesamte
Arbeitsspiel wie auch getrennt für die Hochdruck- und Niederdruckschleife berechnet.
Ferner wird der maximale Zylinderdruck und dessen Lage zum oberen Totpunkt
ermittelt.
Der Drehwinkelgeber für die Indizierung liefert ebenfalls die notwendige Stellung der
Kurbelwelle für die Vorsteuerung von Zündung und Einspritzung.
3. Versuchsaufgabe
In einem Teillast-Betriebspunkt des Motors wird der Einfluss des Luftverhältnisses 
sowie des Zündzeitpunktes auf den Verbrauch und die Schadstoffemissionen
ermittelt.
3.1 Theoretische Grundlagen
3.1.1 Leistung und Wirkungsgrad
Die mechanische Energie, die ein Verbrennungsmotor abgibt, wird durch die
Verbrennung von Kraftstoff mit Luftsauerstoff erzeugt. Die Verbrennung des
Kraftstoffes erzeugt Wärme in dem im Zylinder eingeschlossenen Gas. Da der
Brennraum zum Zeitpunkt der Verbrennung ein geschlossener Raum mit annähernd
konstantem Volumen ist, führt die zugeführte Wärme zur Drucksteigerung. Dieser
Druckgewinn wird durch den abwärtsgehenden Kolben (Volumenvergrößerung) in
mechanische Arbeit umgesetzt, die über die Kurbelwelle am Schwungrad abgegeben
wird.
Die Leistung am Schwungrad (effektive Leistung Pe) kann aus dem gemessenen
Abtriebsmoment M und der Drehzahl n berechnet werden:
Pe  M  2nM
[Nm/s=J/s=W]
Bei n Umdrehungen pro Minute (Drehzahl der Kurbelwelle) finden beim 4-Takt-Motor
n/2 Verbrennungen pro Minute statt, da eine zusätzliche Kurbelwellenumdrehung für
den Gaswechsel benötigt wird. Die Kraftstoffleistung PKr ergibt sich unter
Berücksichtigung des unteren Heizwertes Hu zu:
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PKr  m B , Aspiel H u
n
 m B H u
2
mit Hu = 43500 [kJ/kg]
Jede Energieumwandlung ist immer mit Verlusten behaftet. Diese Verluste setzen
sich aus folgenden Anteilen zusammen:
1. thermodynamische Verluste (Vergleichsprozess (Abgasverluste))
2. unvollständige Verbrennung
3. Wärmeverluste durch Kühlung
4. Zeitlicher Verlauf der Wärmezufuhr (Ort des Druckmaximums)
5. Undichtigkeiten
6. Reibverluste mit Nebenabtriebsleistung
Diese angeführten Verluste werden in der Energiebilanz als Verlustleistung PVerlust
dargestellt:
PVerlust  PKr  Pe  m B H u  Pe
Die ersten 5 angeführten Verluste werden den inneren Verlusten zugezählt, da sie
die Arbeit des Gases am Kolben verringern. Sie sind im wesentlichen von den hier zu
untersuchenden Betriebsparametern abhängig und sind nahezu proportional zur
geleisteten Gasarbeit Wgas.
Die Arbeit des Gases am Kolben wird durch das sogenannte „Indizieren“ ermittelt.
Dazu wird der Druckverlauf während eines Arbeitsspiels über dem Zylindervolumen
integriert. Man erhält die Gasarbeit Wgas am Kolben eines Zylinders:
W gas 
 p(t )  dV (t )
1 Arbeitsspiel
Mit dem Hubgesetz des Motors s() und dem Drehwinkel der Kurbelwelle (t) ergibt
sich:
r

1  cos 2 
V ( )  VK  A  s ( )  V K  A  r  1  cos   
4L


VK:
Kompressionsvolumen, kleinstes Volumen im Zylinder
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r:
Kurbelradius
L:
Länge der Pleuelstange
Die Berechnung übernimmt im Versuch der Indizierrechner. Die indizierte Leistung
des Motors berechnet sich zu:
Pi  z  W gas
n
a
Wendet man die allgemeine Definition des Wirkungsgrades
Wirkungsgr ad 
Nutzen
Aufwand
auf den zu untersuchenden Verbrennungsmotor an, erhält man den indizierten
Wirkungsgrad i (Nutzen= Gasleistung Pi am Kolben) und den effektiven
Wirkungsgrad e (Nutzen= Mechanische Leistung Pe am Schwungrad):
i 
z  W gas  n
Pi

PB 2  m b  H u
e 
Pe
Pe

PB m B  H u
Der Reibverlust PR ergibt sich aus der Differenz der indizierten Leistung Pi
(Gasleistung) und der abgegebenen Leistung Pe und beschreibt den unter 6.
aufgeführten Verlust und den Wirkungsgrad des mechanischen Systems
PR  Pi  Pe
m 
Pe
Pi
Diese mechanischen Verluste sind nahezu unabhängig von den Gaskräften.
3.1.2 Mitteldrücke
Sollen verschiedenste Verbrennungsmotoren hinsichtlich ihres Energieumsatzes pro
Arbeitsspiel miteinander verglichen werden, so muss die geleistete Arbeit auf die
Motorengröße bezogen werden. Dafür hat sich im Motorenbau traditionell der Begriff
„Mitteldruck pm“ eingebürgert. Die am Schwungrad pro Arbeitsspiel geleistete Arbeit
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aller Zylinder We ergibt sich aus der effektiven Leistung Pe multipliziert mit der Zeit für
ein Arbeitsspiel (eine Verbrennung):
We  Pe
2
n
Analog gilt für die indizierte Gesamtgasarbeit und die Reibarbeit:
W gas  Pi
2
n
WR  PR
2
n
Als Maß für die Motorgröße wird das Hubvolumen aller Zylinder VH = z Vh verwendet
und die Mitteldrücke ergeben sich zu:
p mi 
p me 
W gas
VH

2 Pi
VH n
2P
We
4
M
 e 
VH VH n VH
p mr 
2 Pr
4
MR

VH n VH
Bei gleicher Motorgröße ist pm also proportional zu dem entsprechendem
Drehmoment M.
Durch die Indizierung ergibt sich zusätzlich die Möglichkeit, eine Aussage über die
Ladungswechselverluste zu machen. Durch die Auftrennung der Gasarbeit in die
Phasen
der
Hochdruckschleife
und
der
Ladungswechselschleife
(Niederdruckschleife) wird der Einfluss der Drosselung des Ottomotors verdeutlicht.
3.1.3 Kraftstoffverbrauch
Der in den Motor strömende Kraftstoffmassenstrom m B ist für die Beurteilung des
Kraftstoffverbrauches nicht sonderlich aussagekräftig, da in ihm kein Bezug zum
erhaltenen „Nutzen“ enthalten ist. Daher wird der Kraftstoffmassenstrom immer auf
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die erreichte effektive Leistung bezogen und das Ergebnis effektiver, spezifischer
Kraftstoffverbrauch be genannt:
be 
m B
Pe
in der Einheit: g/kWh
Über die bereits angeführte Definitionsgleichung für den effektiven Wirkungsgrad
ergibt sich der Zusammenhang mit be zu:
e 
Pe
1

m B H u be H u
mit Hu= 43.500 kJ/kg
Damit ist e umgekehrt proportional zu be. Mit anderen Worten: ist der spezifische
Kraftstoffverbrauch be minimal, so ist der effektive Wirkungsgrad maximal.
3.1.4 Luftverhältnis
Das Mischungsverhältnis von Luft und Kraftstoff bestimmt sehr stark den inneren
Wirkungsgrad, damit die Höhe der ersten fünf angeführten Verluste. Grundsätzlich
wird zur vollständigen Verbrennung von 1 kg eines bestimmten Kraftstoffes
mindestens eine bestimmte Masse Sauerstoff benötigt. Da die Luft zu ca. 21% aus
Sauerstoff besteht, bedeutet dies, dass damit eine bestimmte Masse Luft erforderlich
ist.
Das
Verhältnis
aus
erforderlicher
Luftmasse
pro
zu
verbrennender
Kraftstoffmasse nennt man Mindestluftbedarf Lmin.
Wird nun die zur Verbrennung des Kraftstoffes erforderliche Luftmasse exakt
beigemischt, so beträgt das Luftverhältnis 1. Damit ergibt sich für das Luftverhältnis 
folgende Berechnungsvorschrift:

m L
m B Lmin
mit: Lmin = 14,7 für Super-Benzin
Wird der angesaugten Luft mehr Kraftstoff beigemischt als in der Luft verbrannt
werden kann, wird ein gewisser Teil des Kraftstoffes unverbrannt bleiben. Damit
verschwindet ein Teil der Kraftstoffenergie ungenutzt im Abgas. Diesen Betrieb nennt
man „fett“.
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Wird weniger Kraftstoff, als vollständig verbrannt werden kann, der Luft zugemischt,
so kann der gesamte Kraftstoff verbrennen. Die Verbrennung im Ottomotor wird
dadurch aber zunehmend langsamer, so dass die Verbrennung weit in die
Expansionsphase hineinreicht und die zugehörige Drucksteigerung zu spät erfolgt.
Die Kraftstoffenergie wird nicht optimal in mechanische Arbeit umgesetzt. Diesen
Betriebsbereich nennt man „mager“.
Neben der verzögerten Verbrennung kommt es bei starker Abmagerung zu
Schwierigkeiten bei der Entzündung des Gemisches durch die Zündkerze.
3.2 Verbrauchseinflüsse
Bei konstanten Reib- und Kühlungsverlusten wird der Verbrauch nur von der
Prozessführung
im
Brennraum
beeinflusst.
Neben
der
Vollständigkeit
der
Verbrennung und der Qualität der Wärmeumsetzung (vgl. Vergleichsprozess)
beeinflussen beim Ottomotor die Ladungswechselverluste den Wirkungsgrad
erheblich, da die Leistungsregelung über eine Drosselklappe den Druck beim
Ansaugen absenkt und damit die Verluste erhöht. Muss dem Ottomotor bei gleicher
Leistungsabgabe mehr Luft zugeführt werden, so ist dazu ein höherer Druck im
Zylinder
während
des
Ansaugens
erforderlich.
Die
dadurch
reduzierten
Ladungswechselverluste verbessern den spezifischen Verbrauch.
Günstiger Verbrauch bei geringer Drosselung
Je gleichmäßiger der Luftsauerstoff und die Kraftstoffmoleküle im Brennraum verteilt
sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass jedes Sauerstoffmolekül ein
Kraftstoffteilchen zur Verbrennung vor findet und somit eine vollständige
Ausnutzung erfolgt. Da dies nicht immer und überall der Fall ist, kann durch einen
leichten Kraftstoffüberschuss in der Luft nahezu jedes Sauerstoffatom genutzt
werden. Es wird bei vorgegebener Luftmasse im Zylinder die maximal mögliche
Kraftstoffmasse verbrannt, d.h. die maximal mögliche Gasarbeit erzeugt.
Der
Wirkungsgrad bzw. der Kraftstoffverbrauch ist jedoch schlecht, da Kraftstoff und
damit Energie ungenutzt verschwindet.
Daraus folgt:
maximale Leistung bei  < 1
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Wird der Motor noch fetter betrieben, sinkt die Leistung sogar wieder, da der
überschüssige
Kraftstoff
im
Brennraum
verdampft
werden
muss.
Diese
Verdampfungswärme wird dem Brennraum unnötig entzogen und die Verbrennung
erheblich verzögert.
Soll möglichst jedes Kraftstoffteilchen die notwendigen Sauerstoffmoleküle in seiner
Nähe vorfinden, so muss wegen der ungleichmäßigen Verteilung mit leichtem
Luftüberschuss gefahren werden. Da dann kaum Kraftstoffenergie ungenutzt im
Abgas verschwindet, ergibt sich dabei der geringste Kraftstoffverbrauch bzw. der
beste Wirkungsgrad:
Günstiger Verbrauch bei  > 1
Wird das Gemisch noch magerer eingestellt, wird die Verbrennung sehr langsam, so
dass der Wirkungsgrad wieder schlechter wird.
Hier wirkt sich die Qualität der Wärmeumsetzung auf den Verbrauch aus, wie der
bekannte
Vergleich
zwischen
Gleichraum-
und
Seiligerprozess
zeigt.
Die
schnellstmögliche Verbrennung liefert den günstigsten Verbrauch. Der Nachteil der
langsameren Verbrennung kann durch einen früheren Zündzeitpunkt minimiert
werden. Er rückt das Druckmaximum wieder in den wirkungsgradgünstigen Punkt bei
5-8° KW nach OT. Allerdings erfolgt nun die erste Wärmezufuhr bereits, wenn der
Kolben sich noch nach oben bewegt. Es wird gegen die Drucksteigerung an
verdichtet, während die letzte Wärmezufuhr erst erfolgt, wenn der Kolben bereits
einen erheblichen Weg nach unten zurückgelegt hat. Beide Aspekte verschlechtern
den Wirkungsgrad.
Günstiger Verbrauch bei schneller Verbrennung
und korrektem Zündzeitpunkt
Hinsichtlich eines minimalen Verbrauchs, muss der beste Kompromiss zwischen
einer geringen Drosselung, vollständiger Verbrennung und einer schnellen
Verbrennung gefunden werden.
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3.3 Schadstoffverhalten
Die Abgaszusammensetzung
ist im Wesentlichen vom Luftverhältnis  und in
Grenzen vom Zündzeitpunkt Z abhängig. Folgende Emissionen sind zu betrachten:
-
Kohlenmonoxid (CO), nicht vollständig aufoxidiertes CO2 aus der Flamme
-
Kohlenwasserstoffe (HC), unverbrannter Kraftstoff
-
Stickoxide (NOx), bei hohen Temperaturen oxidierter Stickstoff der Luft
3.3.1 CO-Emissionen
Mit zunehmendem Sauerstoffmangel steigt der Anteil von CO (Kohlenmonoxid) sehr
steil an, da keine vollständige Umsetzung des Kraftstoffs in der Flamme mehr
erwartet werden kann. Liegt in der Flamme ausreichend Sauerstoff vor, sinken die
CO-Emissionen um Größenordnungen auf einen sehr niedrigen Wert. Bei der
Variation des Zündwinkels sind keine Einflüsse auf die CO-Emissionen zu erwarten.
Die
beobachtbaren
Schwankungen
der
CO-Emissionen
sind
über
leichte
Schwankungen im λ (im steilen Ast der CO-Emissionen) während der Messreihe zu
erklären.
3.3.2 HC-Emissionen
Bei zunehmendem Sauerstoffmangel steigen auch die HC-Emissionen an. Die
Emissionen stammen allerdings nicht aus dem Bereich der Flamme, sondern aus
den Bereichen, die die Flamme nicht erreicht hat. In engen Spalten, z.B. oberhalb
der Kolbenringe, aber auch in wandnahen Bereichen erlischt die Flamme. Die
unverbrannten Kohlenwasserstoffe aus diesen Bereichen finden sich im Abgas
wieder. Bei fettem Gemisch ist in diesen Bereichen mehr Kraftstoff und damit mehr
HC enthalten (direkter Einfluss von λ). Während die Spaltbereiche oberhalb der
Kolbenringe immer gleich groß sind, verändert sich die Größe der wandnahen
Bereiche über dem Luftverhältnis. Je später nach OT die Flamme in die Wandnähe
kommt, desto niedriger ist die Brennraumtemperatur (sowie der Brennraumdruck)
und die Flamme erlischt bereits in größerem Abstand von der Wand. Gleichzeitig
vergrößert sich die Wandfläche, da der Kolben mehr Zylinderwand freigibt.
Andererseits reduziert der geringere Brennraumdruck die Dichte des in den
Bereichen befindlichen Gemisches. Insgesamt variieren die HC-Emissionen
wesentlich weniger (Faktor 3 bis 4) als die CO-Emissionen über dem Luftverhältnis.
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Das Minimum stellt sich ca. bei λ=1,2 ein. Ein fetterer Betrieb erhöht den HC-Anteil
pro Volumen in den nicht verbrannten Bereichen, ein magerer Betrieb führt über die
deutlich langsamere Verbrennung zu einem dominanten Wachstum des Volumens
der Bereiche.
Bei der Variation des Zündzeitpunktes ergibt sich ein leichter Anstieg der HCEmissionen, je früher gezündet wird. Das Ende der Verbrennung verschiebt sich zu
kleineren Brennraumvolumen und höheren Zylinderdrücken. Die höheren Drücke
erhöhen die Gemischdichte in den Spalten und damit den HC-Gehalt pro Volumen.
Andererseits werden die Wandbereiche, die von der Flamme nicht erreicht werden,
kleiner. Hier dominiert der Einfluss der höheren Dichte.
3.3.3 NOx-Emissionen
Stickoxide (NOx) entstehen bei hohen Temperaturen in der Flamme oberhalb von ca.
1500 °C. Zu jeder Temperatur oberhalb 1500 °C gibt es ein chemisches
Gleichgewicht zwischen den Konzentrationen von NOx und N2 + O2, welches sich mit
höherer Temperatur immer mehr in Richtung NOx verschiebt. Erfolgt die
Temperaturänderung langsam, folgen die Konzentrationen diesem Gleichgewicht,
sodass im Abgas mit Temperaturen von weniger als 1000 °C kaum Stickoxide
enthalten sind. Da die Rückreaktion aber mehr Zeit benötigt, als die Bildung von NOx,
ist die Rückbildung zu N2 + O2 unvollständig, sodass deutliche NOx-Konzentrationen
im Abgas nachgewiesen werden können. Je mehr NOx in der Flamme entstanden ist,
desto mehr Stickoxide sind im Abgas vorhanden. Dies bedeutet, dass höhere
Temperaturen in der Flamme die Emissionen steigen lassen. Die höchste
Temperatur ist bei ca. =0,85 zu erwarten. Hier liegt jedoch kaum freier Sauerstoff
für die Bildung vor, sodass die NOx-Konzentrationen in der Flamme von der
Kombination der hoher Temperaturen und Vorliegen von ausreichend freiem
Sauerstoffs abhängen. Die maximalen Emissionswerte sind bei ca. =1,1
festzustellen.
Der Zündzeitpunkt beeinflusst stark die im Brennraum maximal erreichten Drücke
und Temperaturen. Eine frühe Zündung steigert die Brennraumdrücke und damit
-temperaturen stark, sodass die NOx-Emissionen erwartungsgemäß stark ansteigen.
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3.4 Versuchsdurchführung
Der Motor wird bei dem gesamten Versuch in der Teillast mit konstanter Leistung
(Betriebspunkt Pe=17,65 kW
entspricht M=63,6 Nm, pme=4 bar , n=2650 min-1),
vergleichbar einer Autobahnfahrt bei 120 km/h im höchsten Gang, betrieben. Bei
einer solchen Autobahnfahrt interessieren weniger die Leistungsfähigkeit als viel
mehr der Verbrauch und die Schadstoffemissionen des Motors.
Zunächst wird in einer ersten Messreihe der Einfluss des Zündzeitpunktes bei einem
Luftverhältnis von 1,0 ermittelt. Das Gemisch wird zunächst recht spät (20 °KW vor
OT) gezündet. Anschließend wird der Zündzeitpunkt in Schritten von 4°KW nach früh
verstellt. Dabei wird jeweils der Verbrauch, der indizierte Mitteldruck und die
Emissionen von CO, HC und NOx einschließlich dem Luftverhältnis gemessen. Zur
Kontrolle des Luftverhältnisses der Lambdasonde wird zusätzlich eine volumetrische
Messung durchgeführt. Der Zündzeitpunkt mit minimalen Verbrauch wird im
Folgenden „optimierter Zündzeitpunkt“ genannt.
Die zweite Messreihe stellt den Einfluß des Luftverhältnisses dar. Beginnend mit
einem Luftverhältnis von =0,8 wird in 0,1-Schritten bei jeweils optimalen
Zündwinkeln abgemagert. Die optimalen Zündzeitpunkte wurden vorab ermittelt.
4. Messprotokoll und Auswertung
Während des Versuchs wird ein Messprotokoll erstellt, dessen Auswertung und
Diskussion Gegenstand des Versuchsberichtes ist. Dazu sind zum einen die Verläufe

des
effektiven,
spezifischen
Kraftstoffverbrauchs
zusammen
mit
dem
verbrauchsoptimalen Zündwinkels

die Kurven der Schadstoffemissionen
jeweils über dem Luftverhältnis aufzutragen und die Ursachen für die Verläufe
stichwortartig zu diskutieren, zum anderen der Einfluss des Zündzeitpunkts auf den
effektiven, spezifischen Kraftstoffverbrauch und den NOx-Emissionen darzustellen
und zu erklären.