Verbrennung im Ottomotor

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Verbrennung im Ottomotor Powered By Docstoc
					3. Verbrennungsmotoren

3.1. Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt – Motors

Aufbau: Der Otto - Viertakt – Motor besteht im
wesentlichen aus 4 Baugruppen und zusätzlichen
Hilfseinrichtungen:
 Motorgehäuse: bestehend aus Zylinderkopf-
     haube, Zylinderkopf, Kurbelgehäuse, Ölwanne.
 Kurbeltrieb: bestehend aus Kolben,
     Pleuelstange, Kurbelwelle
 Motorsteuerung: bestehend z.B. aus Ventilen,
     Ventilfedern, Kipphebeln, Kipphebelwelle,
     Nockenwelle, Steuerräder, Steuerkette
     oder Zahnriemen
 Gemischbildungsanlage: Vergaser oder
      zunehmend Einspritzanlage, Ansaugrohr
     oder Sammelrohr.
 Hilfseinrichtungen: Zündanlage, Motor-
     schmierung, Motorkühlung, Auspuffanlage

Verbrennung im Otto – Viertakt - Motor

Der Ottomotor ist ein fremdgezündeter Verbrennungsmotor, der
die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie über die
Zwischenstufe der Wärmeenergie in mechanische
Bewegungsenergie umwandelt.
Beim Ottomotor bilden Gemischaufbereitungs-anlagen
außerhalb des Verbrennungsraums ein Luft – Kraftstoff –
Gemisch (auf der Basis von Benzin oder Gas). Das
Gemisch strömt, angesaugt vom abwärts gehenden
Kolben, in den Verbrennungsraum. Hier wird es während
der Aufwärtsbewegung des Kolbens verdichtet. Eine
zeitlich gesteuerte Fremdzündung leitet über die
Zündkerze die Verbrennung des Gemisches ein. Di
frei werdende Verbrennungswärme erhöht den Druck
im Zylinder, und der Kolben bewegt sich unter Arbeits-
abgabe an den Kurbeltrieb wieder nach unten. Nach jeder
Verbrennung werden die verbrannten Gase aus dem
Zylinder verdrängt und frisches Luft –Kraftstoff - Gemisch
angesaugt. Dieser Gaswechsel findet beim Kraftfahrzeugmotor
vorwiegend nach dem Viertakt - Prinzip statt. Ein Arbeitsspiel
benötigt dazu zwei Kurbelwellenumdrehungen.

Das Viertakt-Verfahren
Dieses Verfahren entwickelte Nikolaus August Otto (1832 bis 1891), der 1878 auf der
Pariser Weltausstellung erstmals einen Gasmotor mit Verdichtung nach dem Viertakt -
Arbeitsprinzip zeigte.

Beim Otto - Viertakt - Motor steuern Gaswechselventile den Gaswechsel. Sie öffnen
oder schließen die Ein- und Auslaßkanäle des Zylinders:
1. Takt: Ansaugen,
2. Takt: Verdichten und Zünden,
3. Takt: Verbrennen und Arbeiten,
4. Takt: Ausstoßen.
Ansaugtakt
Einlaßventil: offen,
Auslaßventil: geschlossen,
Kolbenbewegung: abwärts,
Verbrennung: keine.

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3. Energiemaschinen
3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors
Der abwärtsgehende Kolben vergrößert das Volumen im Zylinder und saugt frisches
Luft – Kraftstoff - Gemisch über das geöffnete Einlaßventil an.

Verdichtungstakt
Einlaßventil: geschlossen,
Auslaßventil: geschlossen,
Kolbenbewegung: aufwärts,
Verbrennung: Entflammungsphase (Zündung).
Der aufwärts gehende Kolben verkleinert das Volumen im Zylinder und verdichtet das
Luft – Kraftstoff - Gemisch. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes (OT)
entzündet die Zündkerze das verdichtete Luft – Kraftstoff - Gemisch und leitet so die
Verbrennung ein. Aus Hubvolumen Vh und Komressionsvolumen VC ergibt sich das
Verdichtungsverhältnis
                                       = (Vh+VC)/VC.

Das Verdichtungsverhältnis  beträgt je nach Motorbauweise 7...13. Mit der Erhöhung
des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors steigt dessen thermischer
Wirkungsgrad, und der Kraftstoff kann effektiver genutzt werden. Eine Erhöhung des
Verdichtungsverhältnisses von 6 auf 8 ergibt z. B. eine Steigerung des thermischen
Wirkungsgrades von 12%. Die Verdichtungshöhe ist durch die Klopfgrenze begrenzt.
Klopfen bedeutet eine unkontrollierte Gemischverbrennung mit steilem Druckanstieg.
Klopfende Verbrennung führt zu Motorschäden. Durch geeignete Kraftstoffe und
Brennraumgestaltung kann die Klopfgrenze zu höherer Verdichtung verschoben
werden.

Arbeitstakt
Einlaßventil: geschlossen,
Auslaßventil: geschlossen,
Kolbenbewegung: abwärts,
Verbrennung: Durchbrennphase.

Nachdem der Zündfunke an der Zündkerze das verdichtete Luft – Kraftstoff - Gemisch
entzündet hat, steigt die Temperatur durch die Verbrennung des Gemisches an. Der
Druck im Zylinder nimmt zu und treibt den Kolben abwärts. Es gibt über die
Pleuelstange an die Kurbelwelle Arbeit ab, die als Motorleistung zur Verfügung steht.
Die Leistung steigt mit zunehmender Drehzahl und zunehmendem Drehmoment (P =
M).
Die Leistungs- und Drehmomentencharakteristik des Verbrennungsmotors bedingen
ein Getriebe zur Anpassung an die Erfordernisse des Fahrbetriebes.

Ausstoßtakt
Einlaßventil: geschlossen,
Auslaßventil: offen,

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3. Energiemaschinen
3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors
Kolbenbewegung: aufwärts,
Verbrennung: keine.
Der aufwärts gehende Kolben stößt die verbrannten Gase (Abgase) über das
geöffnete Auslaßventil aus. Danach wiederholt sich der Zyklus. Die Ventil -
Öffnungszeiten überschneiden sich etwas, wodurch Gasströmungen und -
schwingungen zum besseren Füllen und Entleeren des Zylinders ausgenützt werden.

Arbeitsspiel des                                          Arbeitsdiagramm des
Otto - Viertakt – Motors                                  Otto – Viertakt - Motors




Gemischbildung

Einflußgrößen

Luft – Kraftstoff - Gemisch
Ein Ottomotor benötigt zum Betrieb ein bestimmtes Luft – Kraftstoff - Verhältnis. Die
ideale theoretisch vollständige Verbrennung liegt bei einem Verhältnis von 14,7:1 vor.
Dies wird auch als stöchiometrisches Verhältnis bezeichnet. Bestimmte
Betriebszustände des Motors erfordern eine Gemischkorrektur. Der spezifische
Kraftstoffverbrauch eines Ottomotors ist im wesentlichen vom Mischungsverhältnis
des Luft – Kraftstoff - Gemisches abhängig. Für die reale vollständige Verbrennung
und damit für möglichst geringen Kraftstoffverbrauch ist ein Luftüberschuß notwendig,
dem jedoch wegen der Entflammbarkeit des Gemisches der verfügbaren Brenndauer
Grenzen gesetzt sind.
Bei den derzeitig verfügbaren Motoren ist der
Kraftstoffverbrauch bei einem Luft –Kraftstoff –
Verhältnis von etwa 15...18kg Luft zu 1 kg
Kraftstoff am geringsten. Anschaulich dargestellt
bedeutet dies, daß zur Verbrennung von einem
Liter Benzin etwa 10 000 Liter Luft notwendig sind.

Da Fahrzeugmotoren die meiste Zeit im
Teillastbereich betrieben werden, sind die
Motoren in ihrer Bauweise auf geringen
Kraftstoffberbrauch in diesem Bereich ausgelegt.
Für die anderen Betriebszustände wie Leerlauf und
 Vollast ist eine kraftstoffreichere Gemischzusam-
mensetzung günstiger. Das Gemischaufberei-
tungssystem muß in der Lage sein, diese variablen
Forderungen zu erfüllen.

Luftzahl




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3. Energiemaschinen
3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors
Zur Kennzeichnung dafür, wieweit das tatsächlich vorhandene Luft – Kraftstoff -
Gemisch vom theoretisch notwendigen (14,7:1) abweicht, hat man die Luftzahl bzw.
das Luftverhältnis  (Lambda) gewählt:
 : zugeführte Luftmasse/Luftbedarf für stöchiometrische Verbrennung
 =1: Die zugeführte Luftmasse entspricht der theoretisch notwendigen.
  < 1: Es herrscht Luftmangel oder fettes Gemisch. Erhöhte Leistung ergibt sich
    bei  = 0,85...0,95.
  > 1: Luftüberschuß oder mageres Gemisch herrscht im Bereich =1,05...1,3. Bei
    dieser Luftzahl sind verringerter Kraftstoffverbrauch und verringerte Leistung zu
    verzeichnen.
  > 1,3: Das Gemisch ist nicht mehr zündwillig. Es treten Verbrennungsaussetzer
    auf. Die Laufunruhe nimmt stark zu.
Ottomotoren erreichen ihre Höchstleistung bei 5...15% Luftmangel und einwandfreien
Leerlauf bei  = 1,0.
Die Bilder zeigen die Abhängigkeit der Leistung und des spezifischen
Kraftstoffverbrauchs sowie der Schadstoffentwicklung von der Luftzahl .




Daraus läßt sich ableiten, daß es kein ideales Luftverhältnis gibt, bei dem alle
Faktoren den günstigsten Wert annehmen. In der Praxis haben sich Lufzahlen von
 = 0,9...1,1 als zweckmäßig erwiesen.
Zur katalytischen Abgasnachbehandlung durch einen Dreiwege - Katalysator ist die
exakte Einhaltung von  = 1 bei betriebswarmen Motor unbedingt erforderlich. Soll
aber das Luftverhältnis enge Grenzen einhalten, so muß die angesaugte Luftmenge
genau ermittelt und eine exakt dosierte Kraftstoffmenge zugemessen werden. Neben
der genauen Einspritzmenge ist für den Verbrennungsablauf auch ein homogenes
Gemisch erforderlich. Dazu ist eine gute Zerstäubung des Kraftstoffes notwendig. Wird
diese Voraussetzung nicht erfüllt, schlagen sich große Kraftstofftropfen am Saugrohr
nieder, was zu erhöhten HC - Emissionen führt.

Anpassung an Betriebszustände
Bei einigen Betriebszuständen weicht der Kraftstoffbedarf stark vom stationären
Bedarf des betriebswarmen Motors ab, so daß korrigierende Eingriffe in die
Gemischbildung notwendig sind.

Kaltstart
Beim Kaltstart verarmt das angesaugte Luft – Kraftstoff - Gemisch, es magert ab. Dies
ist zurückzuführen auf ungenügende Durchmischung der angesaugten Luft mit dem
Kraftstoff, auf geringe Verdampfung des Kraftstoffs und auf starke Wandbenetzung bei
niedrigen Temperaturen. Um dies auszugleichen und das „Anspringen“ des kalten
Motors zu erleichtern, muß im Augenblick des Starts zusätzlich Kraftstoff zugeführt
werden.

Nachstartphase
Nach dem Start ist bei tiefen Temperaturen für kurze Zeit ein Anreichern mit
zusätzlichem Kraftstoff notwendig, bis durch erhöhte Brennraumtermperatur eine
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3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors
verbesserte Gemischaufbereitung im Zylinder erfolgt ist. Zusätzlich ergibt sich durch
das fette Gemisch ein größeres Drehmoment und dadurch ein besserer Übergang auf
die gewünschte Leerlaufdrehzahl.

Warmlaufphase
An den Kaltstart und die Nachstartphase schließt sich die Warmlaufphase des Motors
an. Der Motor benötigt in dieser Phase eine Warmlaufanreicherung, weil ein Teil des
Kraftstoffs an den noch kalten Zylinderwänden kondensiert. Da die
Kraftstoffaufbereitung mit abnehmenden Temperaturen schlechter wird (z. B. wegen
geringerer Durchmischung von Luft und Kraftstoff sowie großer Kraftstofftröpfchen),
ergibt sich im Saugrohr eine Kraftstoffniederschlag, der erst bei höheren
Temperaturen verdampft. Diese genannten Einflüsse bedingen ein mit fallender
Temperatur zunehmendes „Anfetten“.

Teillast
Bei Teillast steht das Abstimmen der Gemischanpassung auf minimalen
Kraftstoffverbrauch im Vordergrund. Zur Erfüllung von strengen Abgasgrenzwerten
wird beim Einsatz des Dreiwege - Katalysators vermehrt eine Abstimmung auf  = 1
erforderlich.

Vollast
Bei vollständig geöffneter Drosselklappe soll der Motor sein größtmögliches
Drehmoment bzw. seine größtmögliche Leistung abgeben. Wie aus dem
vorangegangenen Diagramm ersichtlich, muß hierzu das Luft – Kraftstoff - Gemisch
auf  = 0,85...0,90 angereichert werden.

Beschleunigung
Beim schnellen Öffnen der Drosselklappe magert das Luft – Kraftstoff - Verhältnis
infolge eingeschränkter Verdampfungsneigung des Kraftstoffs bei erhöhtem
Saugrohrunterdruck (stärkere Wandfilmbildung) kurzzeitig ab. Um ein gutes
Übergangsverhalten zu erzielen, bedarf es einer von der Motortemperatur abhängigen
Gemischanreicherung. Mit dieser Anreicherung läßt sich ein gutes
Beschleunigungsverhalten erreichen.

Schiebebetrieb
Durch das Unterbrechen der Kraftstoffzumessung im Schiebebetrieb läßt sich der
Kraftstoffverbrauch beim Bergabfahren und bei jedem Bremsen, also auch im
Stadtverkehr, verringern. Zudem entstehen in diesen Betriebsphasen keine
schädlichen Abgase.

Gemischanpassung in großer Höhe
Mit zunehmender Höhe (z. B. bei Fahrten im Gebirge) nimmt die Dichte der Luft ab.
Das heißt: das vom Motor angesaugte Luftvolumen besitzt in Höhenlagen eine
kleinere Masse als in Niederungen. Wird dieser Zusammenhang in der
Gemischbildung nicht berücksichtigt, so ergibt sich eine übermäßige Anreicherung, die
zu einem Kraftstoffmehrverbrauch und erhöhtem Schadstoffausstoß führt.

Gemischaufbereitungsysteme
Vergaser oder Einspritzsysteme haben
die Aufgabe, ein dem jeweiligen Betriebs-
zustand des Motors bestmöglich ange-
paßtes Luft – Kraftstoff - Gemisch bereit-
zustellen. Seit einigen Jahren wird zur
Gemischaufbereitung hauptsächlich die
Einspritzung eingesetzt, begünstigt durch
die Vorteile, die das Einspritzen von Kraft-
stoff in Zusammenhang mit den Forde-
rungen nach Wirtschaftlichkeit, Leistungs-
fähigkeit, einwandfreiem Fahrverhalten und
nach geringerem Schadstoffgehalt des Abgases
bietet. Die Einspritzung läßt eine sehr genaue
Zumessung des Kraftstoffs in Abhängigkeit vom
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3. Energiemaschinen
3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors
Betriebs- und Lastzustand des Motors unter
Berücksichtigung der Umwelteinflüsse zu.
Die Gemischzusammen-setzung wird dabei so gesteuert, daß der Schadstoffanteil im
Abgas gering ist.

Einzeleinspritzung
Die Einzeleinspritzung bietet ideale Voraussetzungen für die Erfüllung dieser
Aufgaben.
Bei Einzeleinspritzanlagen ist jedem Zylinder ein Einspritz-ventil zugeordnet, das den
Kraftstoff direkt vor das Einlaßbentil des Zylinders spritzt.


Elektronische Einspritzsysteme
Elektronisch gesteuerte Einspritzsysteme
spritzen den Kraftstoff mit elektro-
magnetisch betätigten Einspritz-
ventilen intermittierend ein.
Beispiele: L-Jetronic, LH-Jetronic und
Motronic als kombiniertes Zünd- und
Einspritzsystem.

Zentraleinspritzung
Die Zentraleinspritzung ist ein elektronisch
gesteuertes Einspritz-system, bei dem ein
elektromagnetisches Einspritzventil an
zentraler Stelle oberhalb der Drosselklappe
den Kraftstoff intermittierend in das Saugrohr
einspritzt. Mono-Jetronic ist die Bezeichnung
des Bosch-Zentraleinspritz-systems.


Vorteile der Einspritzung:

Weniger Kraftstoffverbrauch
Das Erfassen aller für den Motorbetrieb notwendigen Betriebsdaten (z. B. Drehzahl,
Last, Temperatur, Drosselklappenstellung) ermöglicht eine exakte Anpassung an
stationäre und instationäre Betriebszustände. Dadurch ist sichergestellt, daß nur soviel
Kraftstoff zugemessen wird, wie der Motor unter den jeweiligen Betriebsbedingungen
gerade benötigt.

Höhere Leistung
Der Einsatz von K- und L – Jetronic - Anlagen ermöglicht eine optimale Gestaltung der
Ansaugwege, wodurch ein größeres Drehmoment aufgrund besserer Zylinderfüllung
zu erzielen ist. Das Ergebnis sind höhere spezifische Leistung und ein praxisgerechter
Drehmomentverlauf. Durch die bei Einspritzanlagen übliche Trennung von
Luftbedarfsmessung und Kraftstoffzumessung kann auch mit der Mono - Jetronic
aufgrund der weniger gedrosselten Ansaugwege eine höhere Leistung erzielt werden.

Verzögerungsfreie Beschleunigungen
Die Jetronic - Anlagen passen sich wechselnden Lastbedingungen nahezu
verzögerungsfrei an. Dies gilt sowohl für Einzel- als auch für Zentraleinspritz-anlagen.
Bei Einzeleinspritzung wird der Kraftstoff direkt vor die Einlaßventile des Motors
gespritzt, wobei sich eine Wandbenetzung weitestgehend vermeiden läßt. Bei
Zentraleinspritzung muß aufgrund des Gemischtransportes im Saugrohr der
Wandfilmaufbau und -abbau bei instationären Vorgängen berücksichtigt werden. Dies
wird durch entsprechende System- und Funktionsgestaltung bei der
Kraftstoffzumessung und Gemischbildung erreicht.

Verbesserter Kaltstart und Warmlauf
Durch die genaue Dosierung des Kraftstoffes, abhängig von der Motortemperatur und
der Startdrehzahl, ergeben sich kurze Startzeiten und ein rasches Hochlaufen in den
Leerlauf. Im Warmlauf stellen sich durch das exakte Anpassen der Kraftstoffmenge
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3. Energiemaschinen
3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors
ein gleichmäßiger Rundlauf des Motors und eine spontane Gasannahme bei möglichst
geringem Karftstoffverbrauch ein.

Schadstoffarmes Abgas
Die Konzentration der Schadstoffe im Abgas steht in direktem Zusammenhang mit
dem Luft – Kraftstoff - Verhältnis. Will man den Motor mit der geringsten Schadstoff-
emission betreiben, so setzt dies eine Gemischbildung voraus, die in der Lage ist, ein
bestimmtes Luft – Kraftstoff - Verhältnis sicherzustellen. Die Jetronic - Anlagen
arbeiten so präzise, daß die hierfür notwendige Genauigkeit der Gemischbildung
eingehalten wird.

Einspritz-Geschichte(n)
Die Benzineinspritzung hat eine lange, fast 100jährige Vergangenheit. Bereits 1898
fertigte die Gasmotorenfabrik Deutz Stempelpumpen zur Benzineinspritzung in kleinen
Stückzahlen. Nachdem man wenig später das heutige Vergaserprinzip entdeckte, war
die Benzineinspritzung beim damaligen Stand der Technik nicht mehr konkurrenzfähig.
Bei Bosch fiel bereits 1912 der Startschuß für die ersten Versuche
an Benzin - Einspritzpumpen. 1937 ging der erste Flugzeugmotor, 1200 PS Leistung,
mit Bosch-Benzineinpritzung in Serie. Die Unsicherheit der Vergasertechnik, wegen
Vereisung und Brandgefahr, hatte die Entwicklung der Benzineinspritzung gerade in
diesem Bereich gefördert. Die eigentliche Ära der Bosch - Benzineinspritzung begann,
doch bis zur Benzineinspritzung in einem PKW war es noch ein weiter Weg.
1951 wurde eine Bosch - Direkteinspritzung zum ersten Mal serienmäßig in einen
Kleinwagen eingebaut, und einige Jahre später folgte der Einbau im legendären 300
SL, einem Seriensportwagen von Daimler-Benz. In den Folgejahren wurden die
mechanischen Einspritzpumpen immer weiter entwickelt und 1967 gelang der
Benzineinspritzung ein weiterer Schritt nach vorn. Das erste elektronische Einspritz -
System - die Saugrohrdurck - gesteuerte D - Jetronic! 1973 kam dann die
luftmengenmessende L - Jetronic auf den Markt, zeitgleich mit der mechanisch -
hydraulisch gesteuerten K - Jetronic, ebenfalls ein luftmengenmessendes System.
1979 wurde ein neues System eingeführt: die Motronic mit der digitalen Verarbeitung
vieler Motorfunktionen. Dieses System verband die L-Jetronic und eine elektronische
Kennfeldzündung. Der erste Mikroprozessor in einem Automobil!
1982 wurde die um einen elektronischem Regelkreis und die Lambda-Sonde
erweiterte Kj - Jetronic als KE - Jetronic angeboten.
Ab 1983 kam von Bosch die Mono - Jetronic hinzu, ein besonders kostengünstiges
Zentraleinspritzsystem, das die Ausrüstung mit Jetronic auch bei kleineren
Fahrzeugen möglich machte. Bosch - Benzineinspritzungen fanden sich im Jahre 1991
weltweit in über 37 Millionen Kraftfahrzeugen.
1992 wurden 5,6 Millionen Motorsteuerungssysteme geliefert. Das Vordringen der
Einspritzung im Automobil ist unaufhaltsam.

Zündung

Aufgabe
Aufgabe der Zündung ist es, das verdichtete Luft – Kraftstoff - Gemisch im richtigen
Zündzeitpunkt zu entflammen und so seine Verbrennung einzuleiten. Im Ottomotor
geschieht das durch einen elektrischen Funken, d. h. durch eine kurzzeitige
Lichbogenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze. Eine unter allen
Umständen sicher arbeitende Zündung ist Voraussetzung für den einwandfreien
Betrieb des Katalysators. Zündaussetzer führen zur Schädigung oder Zerstörung des
Katalysators wegen Überhitzung bei der Nachverbrennung des unverbrannten
Gemisches.

Anforderungen:

Gemischentflammung
Zur Entflammung eines Luft – Kraftstoff - Gemisches durch elektrische Funken ist pro
Einzelzündung eine Energie von etwa 0,2 mJ erforderlich, sofern das Gemisch
stöchiometrisch zusammengesetzt ist. Fette und magere Gemische brauchen über 3
mJ. Diese Energie ist nur ein Bruchteil der im Zündfunken steckenden Gesamtenergie,
der Zündenergie. Steht zu wenig Zündenergie zur Verfügung, so kommt die Zündung
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3. Energiemaschinen
3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors
nicht zustande; das Gemisch kann nicht entflammen, und es gibt
Verbrennungsaussetzer. Aus diesem Grund muß soviel Zündenergie bereitgestellt
werden, daß selbst unter widrigen äußeren Bedingungen das Luft –Kraftstoff -
Gemisch mit Sicherheit entflammt. Dabei genügt es, wenn eine kleine zündfähige
Gemischwolke am Funken vorbei streicht. Die Gemischwolke entflammt, entzündet
das übrige Gemisch im Zylinder und leitet so die Kraftstoffverbrennung ein. Gute
Aufbereitung und leichter Zutritt des Gemisches zum Zündfunken verbessern die
Zündeigenschaften ebenso wie lange Funkendauer und große Funkenlänge bzw.
großer Elektrodenabstand. Funkenlage und Funkenlänge sind durch die
Anmessungen der Zündkerze gegeben, die Funkendauer durch Art und Auslegung der
Zündanlage sowie durch die augenblicklichen Zündverhältnisse.

Entstehung des Zündfunkens
Ein Funken kann nur dann von einer Elektrode auf die andere
überschlagen, wenn eine ausreichende Hochspannung wirksam
 ist. Zum Zündzeitpunkt steigt die Spannung an den Elektroden
der Zündkerze von Null sprunghaft an, bis die Überschlags-
spannung (Zündspannung) erreicht ist. Sobald der Funke
gezündet ist, sinkt die Spannung an der Zündkerze auf die
Brennspannung ab. Während der Brenndauer des Zünd-
funkens (Funkendauer) hat das Luft – Kraftstoff - Gemisch
Gelegenheit, zu entflammen. Nach dem Funkenabriß
schwingt die Spannung gedämpft aus. Die an sich
gewünschte starke Gemischturbulenz kann zum Ausblasen
des Funkens und damit zu unvollständiger Verbrennung
führen. Die in der Zündspule gespeicherte Energie sollte
deshalb für einen (oder je nach Bedarf) mehrere
Folgefunken ausreichen.

Hochspannungserzeugung und Energiespeicherung
Die zur Funkenzündung erforderliche Hochspannung wird bei Batteriezündanlagen
meist mit Hilfe einer Zündspule hochtransformiert. Sie hat aber bei der Spulenzündung
die weitere wichtige Funktion, Zündenergie zu speichern. Die Zündspule ist so
ausgelegt, daß die verfügbare Hochspannung ausreichend weit über dem
größtmöglichen Zündspannungsbedarf der Zündkerze liegt; das
Hochspannungsanbebot beträgt 25...30 kV bei einer in der Spule gespeicherten
Energie von 60...120 mJ.

Zündzeitpunkt und seine Verstellung

Vom Augenblick der Gemischentflammung bis zur
vollständigen Gemischverbrennung vergehen etwa
zwei Millisekunden. Bei gleicher Gemischzusammen-
setzung bleibt diese Zeit konstant. Der Zündfunke
muß deshalb so frühzeitig überspringen, daß der
Verbrennungsdruck in jedem Betriebszustand des
Motors optimal ist.
Es ist üblich, den Zündzeitpunkt auf die Stellung der
Kurbelwelle zum "Oberen Totpunkt" (OT) zu beziehen
und ihn als Winkel in "Grad vor OT" anzugeben.
Diesen Winkel nennt man Zündwinkel. Ein Verstellen
des Zündzeitpunktes in Richtung OT bezeichnet man
als Spätverstellung und ein Verstellen in entgegen-
gesetzter Richtung als Frühverstellung.

Der Zündzeitpunkt soll so gewählt sein, daß folgende
Forderungen erfüllt werden können:
 Maximale Motorleistung
 sparsamer Kraftstoffverbrauch
 "sauberes" Abgas.
Diese Forderungen sind aber nicht gleichzeitig erfüllbar; es müssen von Fall zu Fall
Kompromisse geschlossen werden. Der jeweils günstigste Zündzeitpunkt hängt von
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3. Energiemaschinen
3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors
vielen Faktoren ab, insbesondere von der Motordrehzahl, von der Motorbelastung, von
der Motorbauweise, vom Kraftstoff
und von besonderen Betriebsbedingungen
(z. B. Starten, Leerlauf, Vollast, Schiebebetrieb).
Die Grundanpassung des Zündzeitpunktes an
den augenblicklichen Betriebszustand des
Motors besorgen drehzahl- und lastabhängige
Zündverstelleinrichtungen. Die heute bevorzugte
hohe Gemischverdichtung in Ottomotoren birgt
eine wesentlich größere Klopfgefahr gegenüber
 früher üblichen Verdichtungsverhältnissen. Das
Klopfen des Motors entsteht durch stoßartige
Verbrennung von Gemischteilen, die die von
der Funkenzündung ausgehende Flammfront
noch nicht erfaßt hat. Der Zündzeitpunkt liegt in
diesem Fall zu weit in Richtung "früh".
Klopfender Betrieb führt zu Temperaturerhöhung
im Brennraum, wodurch Glühzündung auftreten
kann, und außerdem zu starkem Druckanstiegen.
Die stoßartige Verbrennung erzeugt
Druckschwingungen, die sich dem normalen
Druckverlauf überlagern.
Man unterscheidet zwei Arten von "Klopfen":
- Beschleunigungsklopfen bei geringen
     Drehzahlen und hoher Last
     (hörbar als "Klingeln") und
- Hochdrehzahlklopfen bei hoher Drehzahl
     und hoher Last.

Das Hochdrehzahlklopfen ist für den Motor besonders kritisch. Man kann es wegen
der Motorgeräusche nicht hören.
Deshalb vermittelt das hörbare Klopfen
kein vollständiges Bild des Klopfverhaltens;
es läßt sich aber mit elektronischen Mitteln
exakt messen. Anhaltendes Klopfen
verursacht schwere Motorschäden (zerstörte
Zylinderkopfdichtung, Lagerschaden, Löcher
im Kolben) und Schäden an den Zündkerzen.
Die Klopfneigung hängt unter anderem von
der Bauart des Motors (z. B. Brennraum-
gestaltung, gleichmäßige Aufbereitung des
Luft – Kraftstoff -Gemisches, strömungs-
günstige Ansaugwege) und vom Kraftstoff ab.
Zündzeitpunkt und Abgas
Die Abhängigkeit des spezifischen
Kraftstoff-verbrauchs sowie der Schadstoff-
emission vom Luftverhältnis und vom Zünd-
zeitpunkt zeigen die folgenden Bilder. Der
spezifische Kraftstoff-verbrauch nimmt zu-
nächst mit steigendem Luftverhältnis ab und
steigt von  = 1,1...1,2 wieder an. Der opti-
male Zündwinkel, bei dem sich der geringste
spezifische Kraftstoffver-brauch einstellt,
nimmt mit steigendem Luft-verhältnis zu. Die
Abhängigkeit des spezifischen Kraftstoff-
verbrauchs vom Luftverhältnis bei jeweils
optimalem Zündzeitpunkt erklärt sich daraus,
daß die Verbrennung im kraftstoff-reichen,
"fetten" Bereich wegen Luftmangels unvollständig abläuft und daß im mageren Bereich
bei Annäherung an die Laufgrenze verschleppte Verbrennungen und Verbrennungs-
aussetzer auftreten, was zu höherem spe-zifischen Kraftstoffverbrauch führt. Die
Zunahme des optimalen Zündwinkels mit
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3. Energiemaschinen
3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors
steigendem Luft-verhältnis ist darin begründet, daß
der Entflam-mungsverzug mit steigendem Luftver-
hältnis zunimmt; dies muß durch eine zunehmende
Verstellung in Richtung früh (steigende Vorzündung)
ausgeglichen werden.
Ähnlich verhält sich die HC-Emission, deren
Minimum ebenfalls bei   1,1 liegt. Der Anstieg
im mageren Bereich rührt zunächst von einer
Abkühlung der Wand des Verbrennungsraums.
Infolge der Kühlwirkung der Wand erlischt die Flamme.
Im extrem mageren Bereich treten verschleppte
Verbrennungen und Entflammungs-aussetzer auf,
die bei Annäherung an die Lauf-grenze immer häufiger
werden. Ein nach "früh" verstellter Zündzeitpunkt
bewirkt unterhalb von   1,2 eine Erhöhung der HC-
Emission, verschiebt jedoch die Laufgrenze weiter in
den magern Bereich. Daher ist im mageren Bereich
oberhalb von   1,25 bei früherem Zündzeitpunkt
die HC - Emission geringer.
Ganz anders verhält sich die Stickoxid(NOx)-Emission.
Sie nimmt mit steigender Sauerstoff(O2)-Konzentration
und mit der maximalen Verbrennungstemperatur zu.
Daraus ergibt sich die Glockenform der NOx-Emission:
Anstieg bis   1,05 aufgrund steigender O2 – Kon-
zentration und höherer Spitzentemperatur, danach
starker Abfall im mageren Bereich wegen des raschen
Absinkens der Spitzentemperatur auf Grund der
Verdünnung des Gemisches. Dies erklärt auch den
starken Einfluß des Zündzeitpunktes. Die Nox –
Emssion nimmt mit steigender Vorzündung stark zu.
Werden die Abgasvorschriften dadurch erfüllt, daß
der Motor im Bereich von  = 1,2...1,4 betrieben
wird, so ergeben sich erheblich höhere Anforderungen
an das Zündverstellsystem. Für Abgaskonzepte mit
Dreiwege - Katalysator wird die Gemischanpassung
auf  = 1 notwendig, so daß nur noch die Lage des
Zündwinkels als Optimierungskriterium herangezogen
werden kann.




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3. Energiemaschinen
3.1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten des Otto - Viertakt - Motors

				
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posted:12/10/2011
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