Indizieren eines Verbrennungsmotors

Prof. Dr.-Ing. T. Seeger
Universität Siegen
Fakultät IV
Department Maschinenbau
Technische Thermodynamik
Meßtechniklaborversuch 4
Indizieren eines Verbrennungsmotors
Raum D 0103
Die Indiziertechnik hat die Entwicklung des
Verbrennungsmotors von Anfang an begleitet:
Indikatordiagramm des ersten Viertaktmotors
von Nikolaus August Otto vom 9. Mai 1876
INDIZIERUNG VON VERBRENNUNGSMOTOREN
1. Einführung
Verbrennungsmotoren zählen zu den diskontinuierlich arbeitenden Maschinen, d.h. ihre Arbeitsleistung vollzieht sich in aufeinanderfolgenden Arbeitsspielen oder - wie man auch sagt Arbeitszyklen. Bei einem Viertaktmotor (vergl. Bild 1 oben) besteht ein Arbeitsspiel aus
vier Kolbenhüben (-takten). Auf jeden Hub (Takt) entfällt eine Halbdrehung der Kurbelwelle,
so daß ein Arbeitsspiel insgesamt zwei Kurbelwellenumdrehungen benötigt (Kurbeldrehwinkel 720 grd).
Ansaugtakt: Der Kolben bewegt sich vom oberen zum unteren Totpunkt und saugt dabei
durch das geöffnete Einlaßventil Frischgas an. Wegen der Drosselverluste im Einlaßventil ist
der Druck im Zylinder stets kleiner als der vor dem Einlaßventil im Ansaugsystem des Motors.
Verdichtungstakt: Der Kolben hat den unteren Totpunkt (uT) durchlaufen und bewegt
sich nun bei geschlossenen Ventilen unter Arbeitsaufnahme von der Kurbelwelle in Richtung
des oberen Totpunktes (oT). Dabei steigen der Druck und die Temperatur im Zylinder wegen
der zunehmenden Kompression durch den aufsteigenden Kolben über dem Kurbeldrehwinkel
an (vergl. Bild 1 unten). Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes wird die Verbrennung eingeleitet: durch externe Zündung des bereits im Zylinder befindlichen Kraftstoff-LuftGemisches (Ottomotor) bzw. durch Einspritzung von flüssigem Kraftstoff mit anschließender
Selbstzündung in der hochverdichteten Luft (Dieselmotor).
Arbeitstakt: Die in der Nähe des oberen Totpunktes (bei zunächst nur wenig bewegtem
Kolben) rasch fortschreitende Verbrennung führt zu einem starken Anstieg der mittleren
Gastemperatur im Zylinder, was nach den bekannten Gasgesetzen einen entsprechend starken
Druckanstieg nach sich zieht. Demzufolge wird an dem jetzt in Richtung des unteren Totpunktes abtauchenden Kolben beträchtlich mehr Arbeit geleistet als zuvor während der Verdichtung aufgewendet werden mußte. Hier entsteht die von einem Verbrennungsmotor abgegebene Nutzarbeit. Kurz bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, öffnet das Auslaßventil. Da zu diesem Zeitpunkt der Druck im Zylinder noch deutlich größer ist als der Druck
hinter dem Auslaßventil, bläst der Zylinder nun einen Großteil seines Gasinhaltes in das Abgassystem des Motors ab. Dieser Vorgang ist von einem raschen Druckabfall über dem Kurbelwinkel begleitet.
Ausschiebetakt: Der bei geöffnetem Auslaßventil in Richtung des oberen Totpunktes bewegte Kolben schiebt das nach dem Abblasen noch im Zylinder verbliebene abgearbeitete
Verbrennungsgas aus. Wegen der Drosselverluste im Auslaßventil ist der Druck im Zylinder
während des Ausschiebens immer größer als der Druck hinter dem Ventil im Abgassystem
des Motors. Die Drosselverluste in den Ventilen haben Arbeitsverluste zur Folge.
Aus dem unteren Teil von Bild 1 ist zu erkennen, daß sich der Druck p im Zylinder eines
Verbrennungsmotors sehr schnell mit dem Drehwinkel ϕ der Kurbelwelle verändert. Die dabei erreichten Spitzenwerte und der Verlauf p(ϕ ) über dem Kurbelwinkel werden bei der
1
Entwicklung eines Motors im Hinblick auf ein möglichst günstiges Leistungs-, Wirkungsgrad-, Geräusch- und Emissionsverhalten nach verschiedenen Kriterien festgelegt.
Zur Überprüfung und Analyse des Prozeßablaufes in Versuchs- oder Serienmotoren muß man
den Zylinderdruck in Abhängigkeit des Kurbelwinkels meßtechnisch aufnehmen. Die hierzu
an einem laufenden Motor durchzuführenden Messungen bezeichnet man als Indizierung (im
engeren Sinne). Ähnliche Druckmessungen werden oftmals auch an Kolbenpumpen und Kolbenverdichtern durchgeführt, deren Arbeitsweise ebenfalls durch schnell mit dem Kurbelwinkel veränderliche innere Drücke gekennzeichnet ist. Zumindest bei Verbrennungsmotoren
wird heute der Begriff Indizierung meistens etwas weiter gefaßt als vorstehend angegeben:
Unter der Indizierung eines Motors versteht man die meßtechnische Aufnahme des
Zylinderdruckes und anderer periodisch veränderlicher Größen (z.B. Zündspannung
oder Einspritzdruck) in Abhängigkeit des Kurbelwinkels.
Im folgenden wird nur die Zylinderdruckindizierung betrachtet.
Die Ursprünge der Indizierung finden sich bereits in der Dampfmaschinenentwicklung und
Indiziermessungen haben auch die Entwicklung des Verbrennungsmotors von Anfang an begleitet. Das Deckblatt zeigt ein Indikatordiagramm, das Nicolaus August Otto am 9. Mai 1876
an seinem ersten Viertaktmotor aufgenommen hat. Die zum Indizieren eingesetzte
Meßtechnik hat sich allerdings seit diesen Anfängen von zunächst rein mechanischen Systemen immer mehr in die Richtung der heute vorherrschenden weitgehend elektronischen Systeme mit speziellen Meßsensoren fortentwickelt.
2. Meßtechnik
Eine zur Motorindizierung geeignete Meßkette, wie sie heute häufig verwendet wird, ist in
Bild 2 dargestellt. Ein piezoelektrischer Druckaufnehmer, der am Brennraum im Zylinderkopf des zu untersuchenden Motors angebracht ist, wandelt den zeitlich veränderlichen Zylinderdruck p(t) in eine proportionale elektrische Ladung Q(t), die anschließend durch einen
Ladungsverstärker in eine wiederum proportionale Spannung U(t) umgeformt wird. Diese
Spannung wird auf den Eingang eines Analog / Digitalwandlers geführt.
An der Kurbelwelle des Motors ist eine Geberscheibe mit 600 Hell-Dunkel-Schlitzen angeordnet, die über optoelektrische Einrichtungen ein rechteckförmiges Spannungssignal erzeugt.
Die Flanken des Spannungssignals werden zum Takten des Analog / Digitalwandlers benutzt,
so daß die dem Zylinderdruck zugeordnete Spannung U(t) in festen Kurbelwinkelabständen
∆ϕ digitalisiert wird. Da die Kurbelwelle eines Motors stets mehr oder weniger ungleichförmig dreht (ω = ω (t)), sind die zugehörigen Zeitabstände ∆t = ∆ϕ / ω veränderlich.
Das Ergebnis der Digitalisierung ist eine Wertetabelle (ϕi , pi ), die unmittelbar zur graphischen Darstellung auf einem Bildschirm und für verschiedene nachgeschaltete Auswertungsund Ausgabezwecke herangezogen werden kann.
Die nachstehend beschriebene Druckmeßtechnik wird heute nicht nur an Kolbenmaschinen
sondern generell in Anwendungsgebieten eingesetzt, die die Messung und Registrierung von
schnell verlaufenden Druckänderungen verlangen. Dabei wird allerdings anstelle der Kur-
2
belwinkelgeberscheibe ein Zeitmarkengeber verwendet, der den Analog / Digitalwandler in
festen Zeitabständen taktet. Bei Messungen an Kolbenmaschinen erweist sich der Kurbelwinkelgeber aus verschiedenen Gründen als vorteilhaft. Ein wichtiger Grund besteht darin, daß
sich das bei wichtigen Auswertungen (siehe Kap. 4) benötigte simultan zum Druck veränderliche Arbeitsraumvolumen dieser Maschinen leicht über rein geometrische Beziehungen in
Abhängigkeit des Kurbelwinkels angeben läßt.
2.1 Druckaufnehmer
Heute werden für Messungen an Verbrennungsmotoren praktisch nur noch Druckaufnehmer
verwendet, deren Funktionsweise auf dem piezoelektrischen Effekt von Quarz ( SiO2 ) basiert. Quarz ist ein kristallines Material und besitzt die Eigenschaft, bei einer Deformation
seines Kristallgitters durch eine mechanische Beanspruchung an bestimmten Gitterflächen
elektrische Ladungen zu erzeugen, die der Belastungsänderung gegenüber einem ladungsfreien Bezugszustand proportional sind. Bild 3 zeigt z.B. den sogenannten Longitudinaleffekt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Ladung Qx an den Angriffsflächen der Kraft
Fx entsteht. Durch Hintereinanderschaltung mehrerer Quarzscheiben zu einem Paket läßt sich
die Ladungsausbeute proportional zur Anzahl der Scheiben erhöhen. Neben dem Longitudinaleffekt gibt es auch noch den sogenannten Transversaleffekt, der bei einer anderen Belastungsrichtung relativ zum Quarzgitter entsteht und der Ladungen an Flächen senkrecht zur
Richtung der Belastung erzeugt. Beide Effekte werden bei modernen Druckaufnehmern genutzt.
Aus dem unteren Teil von Bild 3 und aus Bild 4 ist der Aufbau eines Quarzdruckaufnehmers nach dem longitudinalen Effekt zu ersehen. Der zu messende Druck belastet das Quarzpaket über eine biegeweich am Aufnehmergehäuse angekoppelte, mit diesem gasdicht verschweißte Membrane, deren Ausführung bei verschiedenen Aufnehmern durchaus variieren
kann. Kompensationseinrichtungen für Beschleunigungswirkungen bei sprungartiger Belastung und für Temperaturausdehnungseffekte sollen mögliche Verfälschungen des Meßsignals weitgehend unterdrücken. Präzisionsdruckaufnehmer für hochgenaue Messungen benötigen zur Beherrschung unerwünschter thermischer Effekte eine intensive Wasserkühlung.
Deshalb kann man bei solchen Aufnehmern eine gewisse Mindestbaugröße kaum unterschreiten.
Zur Druckmessung am Motor wird der Quarzdruckaufnehmer in eine eigens dafür vorzusehende Gewindebohrung im Zylinderkopf eingeschraubt und dann mit den erforderlichen elektrischen und Kühlwasseranschlüssen versehen. Da im Zylinderkopf eines Motors die Einlaßund Auslaßventile sowie je nach Motortyp auch noch eine Zündkerze bzw. eine Einspritzdüse
untergebracht sind, kann wegen der beengten Platzverhältnisse die zusätzliche Anbringung
einer Bohrung für den Druckaufnehmer sehr problematisch sein. Das gilt vor allem bei kleineren Zylindern mit Vierventiltechnik und nochmals verstärkt dann, wenn man zur Steigerung der Meßgenauigkeit relativ große wassergekühlte Aufnehmer einsetzen möchte. Der
Einbau des Aufnehmers sollte für genaue Messungen grundsätzlich möglichst bündig zur
Oberfläche des Brennraums erfolgen (siehe Bild 5).
Der im Versuch verwendete Quarzdruckaufnehmer ( Bild 18 ) ist ungekühlt. Er ist in einem
Adapter verbaut, dessen geometrische Abmessungen exakt den Abmessungen der im Motor
eingebauten Glühkerzen entsprechen. Der Nachteil der fehlenden Wasserkühlung des
Quarzdruckaufnehmers wird jedoch kompensiert durch den exakten Serienzustand des
Motors. Es wurden keine Änderungen der geometrischen Abmessungen im Arbeitsraum des
3
Motors vorgenommen. Damit kann der Serienzustand des Verbrennungsmotors – bis auf die
fehlende Funktion der Glühkerzen, welche in Laborbetrieb jedoch keine Rolle spielt –
gemessen werden.
Die Kalibrierung der Druckmeßkette (Quarzdruckaufnehmer mit Ladungsverstärker und
Meßkabeln) wird meistens unter Verwendung einer Druckwaage vorgenommen (siehe
Bild 6), die es gestattet, den Aufnehmer mit bekannten Drücken zu beaufschlagen. Im Zustand der mit einem Gewicht der bekannten Masse m hergestellten Druckbelastung p=m g/A
wird zunächst am Quarzdruckgeber über eine dafür vorgesehene Taste am Ladungsverstärker
ein Ladungsausgleich herbeigeführt (Spannungsanzeige 0 am Digitalvoltmeter). Dann wird
durch Betätigung des Schnellentlastungsventils der Druck am Aufnehmer in sehr kurzer Zeit
auf den Umgebungsdruck pu abgesenkt (quasidynamische Kalibrierung durch Drucksprung).
Unmittelbar nach dem Erreichen von pu wird die Spannung ∆U am Digitalvoltmeter
abgelesen.
Damit ist der Kalibrierfaktor CKal = ( p − pu ) / ∆U
bekannt, der für die betreffende Meßkette den Zusammenhang zwischen einer Druckänderung am Aufnehmer und der korrespondierenden Spannungsänderung am Ausgang des Ladungsverstärkers beschreibt.
Hier wird deutlich, daß mit einem Quarzdruckaufnehmer immer nur Druckänderungen gegenüber dem Druck bei ∆U = 0 gemessen werden können. Bei einem im Stillstand befindlichen Motor kann der letztere zwar leicht auf den Umgebungsdruck gesetzt werden; im Motorbetrieb stellen sich aber dann sehr schnell Belastungsänderungen an den Quarzelementen
ein, die auf die thermische Ausdehnung der Aufnehmerkonstruktion infolge von steigenden
Betriebstemperaturen zurückzuführen sind. Dadurch verliert die zuvor getroffene Zuordnung
p = pu bei ∆U = 0 ihre Gültigkeit, mit der Folge, daß die Messung den gewünschten Zylinderdruckverlauf zunächst nur bis auf eine unbekannte additive Konstante liefern kann. Man
spricht hier von einer thermischen Nullpunktdrift, die durch geeignete Maßnahmen am Aufnehmer gemildert, aber nicht ausgeschaltet werden kann.
Dem Problem der mangelhaften thermischen Nullpunktstabilität läßt sich durch eine zusätzliche bei jedem Arbeitsspiel durchzuführende Absolutdruckmessung begegnen, die den zu
einem bestimmten Kurbelwinkel gehörigen Absolutdruck ermittelt und so den gesamten
Druckverlauf festlegt. Da dieser Weg einen nicht unbeträchtlichen gerätetechnischen Mehraufwand erfordert, wird er nicht gern beschritten. Es hat sich gezeigt, daß man auch mit der
nachstehend beschriebenen Verfahrensweise der thermodynamischen Nullinienbestimmung
(siehe Bild 7) zu sehr zufriedenstellenden Resultaten gelangt.
Unter der Voraussetzung, daß der Zylinderdruckverlauf zwischen zwei geeignet gewählten
Punkten 1 und 2 durch eine Polytrope mit konstantem Polytropenexponent n approximiert
werden kann, leitet man aus p 1V1n = p 2V n2 durch einfaches Umformen und mit der Setzung
∆p = p2 − p1 die in Bild 7 angegebene Beziehung ab. Diese Beziehung gestattet es, den gesuchten Absolutdruck p1 aus der von der Nullpunktproblematik nicht betroffenen Druckdifferenz ∆p zu berechnen. Die dazu desweiteren benötigten Zylindervolumina V1 , V2 lassen sich
leicht aus der bekannten Kolbenweggleichung für einen Kurbeltrieb ermitteln und für den
ebenfalls benötigten Polytropenexponent n sind recht zuverlässige Anhaltswerte bekannt
(siehe Angaben in Bild 7).
2.2 Kurbelwinkelmarkierung und Ermittlung des oberen Kolbentotpunktes
Die Erfassung der Kurbelwinkelmarken, die zur Steuerung des Analog / Digitalwandlers
benötigt werden, erfolgt optisch nach dem Lichtschrankenprinzip. Zusätzlich wird noch eine
4
Bezugsmarke - man sagt auch Triggermarke - erzeugt, von der aus der Kurbelwinkel gezählt
wird. Der hierzu verwendete Markengeber enthält zwei Infrarotsender mit gegenüberliegend
angeordneten Empfängern; dazwischen dreht sich eine auf die Kurbelwelle des Motors aufgesetzte Geberscheibe (siehe Bild 8), auf der zwei Spuren angebracht sind. Die äußere Spur
trägt 600 Hell-Dunkel-Schlitze zur Kennzeichnung der Winkelgrade. Auf der inneren Spur
befindet sich ein Hell-Schlitz zur Bestimmung des Triggerpunktes. Die erzeugten Lichtimpulse werden durch einen Phototransistor (Empfänger) in elektrische Impulse umgesetzt und
über Verstärker und Komparator in entsprechende Rechtecksignale aufbereitet. Mit den 600
Hell-Dunkel-Schlitzen auf der äußeren Spur der Geberscheibe erhält man zunächst eine Kurbelwinkelauflösung von 0,6°. Unter Verwendung einer Vervielfacherschaltung kann die Auflösung auf 0,2° oder sogar 0,1° gesteigert werden. Der bei der Messung jeweils gewünschte
Kurbelwinkelmarkenabstand läßt sich über einen Schalter einstellen (mit dem im Labor
verwendeten System sind möglich: /0,2°/0,5°/0,6°/1°/5° und etliche höhere Werte). Bei den
meisten motorischen Anwendungen verwendet man einen Kurbelwinkelmarkenabstand von
1°.
Zur Fixierung der Kurbelwinkelskala muß der Triggerpunkt noch einer bestimmten Drehwinkelstellung des Kurbeltriebes zugeordnet werden. Dies erfolgt heute häufig mit Hilfe eines
kapazitiven oT-Sensors, wie er in Bild 9 dargestellt ist. Der Sensor besteht aus einer Sonde
und einer Sensorelektronik. Die Sonde wird mit Hilfe eines Adapters und eines Klemmsatzes
in den Zylinderkopf des zu untersuchenden Motors eingebaut, so daß der am vorderen Ende
des Sondenstabes befindliche Sensorkopf in den Zylinderraum hineinragt, wobei auf einen
ausreichenden Sicherheitsabstand zum Kolbenboden zu achten ist. Die Untersuchung erfolgt
bei drehendem Motor, aber stets auf einem nichtgezündeten Zylinder (Schleppbetrieb mit
Fremdantrieb oder teilgefeuerter Motorbetrieb). Somit können für den Sondeneinbau meistens
die bereits im Zylinderkopf vorhandenen Bohrungen für Einspritzdüsen oder Zündkerzen benutzt werden.
Bei drehendem Motor kommt es zwischen dem festen Sensorkopf und dem bewegten Kolbenboden zu Kapazitätsänderungen (ähnlich wie bei einem Plattenkondensator mit veränderlichem Plattenabstand), die von der Sensorelektronik in ein Spannungssignal ∆U ausgewertet
werden. Bei einem Viertakt-Motor zeigt dieses Spannungssignal (vergl. Bild 10) über dem
Kurbelwinkel zwei ausgeprägte Spitzen unterschiedlicher Höhe, die jeweils mit dem Kolbendurchgang durch den oberen Totpunkt (minimaler Abstand zwischen Kolbenboden und Sensorkopf) zusammenfallen. Die niedrigere Signalspitze korrespondiert mit dem KompressionsoT (hoher Druck und hohe Dichte im Zylinder nach voraufgegangener Kompression) und die
höhere mit dem Ladungswechsel-oT (niedriger Druck und niedrige Dichte im Zylinder beim
Übergang vom Ausschieben zum Ansaugen). Die verschiedene Signalhöhe in den beiden
Totpunktstellungen ist auf die unterschiedliche Luftdichte zurückzuführen, die auch einen
Einfluß auf die Kapazität der Anordnung Kolbenboden-Sensorkopf ausübt.
Die Spannung ∆U wird anstelle des Drucksignals auf den Eingang des Analog / Digitalwandlers (vergl. Bild 2) gelegt (oder auf einen anderen noch freien Eingangskanal des Wandlers). Die Kurbelwinkelskala läßt sich nun relativ zuverlässig fixieren, indem man bei einer
Winkelauflösung von 0,2° den Kurbelwinkelabstand ∆ϕoT zwischen einer der beiden Signalspitzen und dem Triggerpunkt feststellt, der durch den Hellschlitz auf der inneren Spur der
Geberscheibe für die Kurbelwinkelmarken erzeugt wird.
Die Fixierung der Kurbelwinkelskala kann zumindest näherungsweise auch ohne oT-Sensor
mit Hilfe des Drucksignals von einem geschleppten Zylinder vorgenommen werden. Dabei
5
hat man allerdings zu beachten, daß der Zylinderdruck seinen Maximalwert nicht exakt im
Kompressions-oT (bei kleinstem Zylindervolumen) erreicht, sondern schon ein wenig vorher
(siehe Bild 11). Das ist vor allem auf die Wärmeverluste während der Kompression und in
geringem Umfang auch auf Leckageverluste zurückzuführen. Deshalb wird der Kurbelwinkelabstand ∆ϕV zwischen dem Druckmaximum und dem Kompressions-oT häufig als Verlustwinkel bezeichnet. Für diese Winkeldifferenz liegen heute aus Messungen und aus Berechnungen gute Anhaltswerte vor (siehe Bild 12). Der Verlustwinkel zeigt eine merkliche
Abhängigkeit von der Motordrehzahl und steigt mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis
und größerem Oberfläche / Volumenverhältnis des Brennraums (im Kompressions-oT) etwas
an. Aus Bild 12 liest man z.B. ab, daß bei einer Motordrehzahl von 3000 min-1 ein Verlustwinkel von 0,7 bis 0,8° zu berücksichtigen ist.
3. Fehlerquellen
Fehler bei der Quarzkalibrierung, bei der Fixierung der Kurbelwinkelskala und in der Verkabelung der Meßketten lassen sich bei sorgfältiger Durchführung und Kontrolle weitgehend
vermeiden, so daß ihnen in der Regel keine besondere Bedeutung zukommt. Die wichtigsten
Fehlerquellen, mit denen man sich bei Indiziermessungen immer wieder auseinanderzusetzen
hat, betreffen insbesondere den Quarzdruckaufnehmer an sich und seinen Einbau im Zylinderkopf des zu untersuchenden Motors. Hier sind vor allem folgende Fehlerquellen zu nennen, die Verzerrungen des Drucksignals hervorrufen können:
Ungünstige Einbaulage. Häufig läßt die gewünschte oder die eventuell unter gegebenen
Umständen einzig realisierbare Meßstellenlage keinen zur Brennraumoberfläche bündigen Einbau zu. Hierdurch können Brennraumdruckschwingungen ausgelöst werden.
Verformungen im Bereich der Einbaustelle.
Veränderliche thermische Spannungen, die beim Warmlauf eines Motors, bei Last- und
Drehzahländerungen und selbst im Verlauf eines einzelnen Arbeitsspiels zu einer relativen Entlastung oder Belastung des Quarzdruckaufnehmers führen (Temperaturdriften).
Elektrische Einstreuungen.
Die im Verlauf eines einzelnen Arbeitsspiels auftretende Temperaturdrift (auch als Kurzzeittemperaturdrift oder Thermoschock bezeichnet) erweist sich oftmals als besonders problematisch. Während der Brennphase eines Arbeitsspiels wird der Membrane des Quarzdruckaufnehmers kurzzeitig eine sehr hohe Wärmestromdichte aufgeprägt (siehe Bild 13), die zu einer zeitlich veränderlichen inhomogenen Temperaturverteilung innerhalb der Membrane
führt. Die mit den Temperaturänderungen verbundenen Längenausdehnungen haben in der
Regel über eine Membranauswölbung eine Entlastung des Quarzes zur Folge, wodurch ein zu
geringer Zylinderdruck angezeigt wird. Dieser Effekt macht sich bei ungekühlten Quarzdruckaufnehmern meistens recht stark, bei intensiv mit Wasser gekühlten Aufnehmern hingegen in deutlich verringertem Maße bemerkbar.
Der Kurzzeittemperaturdrift läßt sich weitgehend (aber nicht vollständig) durch spezielle
Quarzdruckaufnehmer entgegenwirken, die vor der Membrane einen von dieser durch einen
schmalen Spalt getrennten Hitzeschild tragen. Allerdings zeigen solche Aufnehmer eine recht
hohe Verschmutzungsempfindlichkeit, die ihrerseits schon nach relativ kurzer Betriebszeit zu
Signalstörungen führen kann.
6
4. Meßergebnisse / Weiterführende Auswertung
Die Indiziermessung liefert zunächst einmal das pϕ - bzw. das pV -Diagramm (siehe
Bilder 14 und 15) des untersuchten Motors (in dem jeweils betreffenden Betriebspunkt).
Diese Diagramme liefern bereits viele Informationen über den Prozeßablauf während des
Hochdruckteils und während des Ladungswechsels. So lassen sich z.B. der Zeitpunkt des
Brennbeginns und der Maximaldruck des Prozesses unmittelbar ablesen; außerdem sind auch
eventuelle Störungen der Verbrennung oder des Ladungswechsels direkt zu erkennen.
Durch nachgeschaltete Auswertungsrechnungen können aus den gemessenen Druckverläufen
auch noch weitere Informationen zur Prozeßarbeit und zum zeitlichen Brennverhalten des
Motors erhalten werden. Die Integration des Druckes über dem Arbeitsraumvolumen (siehe
Bild 16) führt z.B. auf die innere Arbeit Wi , die während eines Arbeitsspiels im Innern eines
Zylinders an den Kolben abgegeben wird. Wenn gleichzeitig mit der Indizierung das effektive
Drehmoment Mde an der Kupplung des Motors gemessen wurde, kann man über die in
Bild 16 angegebenen Beziehungen die Reibarbeit und den mechanischen Wirkungsgrad des
Motors berechnen. Bild 17 zeigt die auf solche Weise gewonnene spezifische (auf das Zylinderhubvolumen bezogene) Reibarbeit eines PKW-Ottomotors in Abhängigkeit der Motordrehzahl.
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Bild 1: Viertakt-Arbeitsspiel eines
Verbrennungsmotors
Einlaß
Auslaß
oT
oT
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uT
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Ansaugtakt
p,T
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ϕ
Verdichtungstakt
Arbeitstakt
Ausschiebetakt
   
Zylinderdruck p in bar
oT
uT
oT
uT
oT
50
40
p
30
3000
20
2000
T
10
1000
0
0
180
360
0
720
540
Mittlere Gastemperatur T in K
60
Kurbelwinkel ϕ in grd
Bild 2: Schema einer Indizierkette
piezoelektrischer
Druckaufnehmer
oT
uT
600
Marken
;;;
p(t) ;;;
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Ladungsverstärker
ω(t)
Kurbelwinkel- und
Triggermarkierung
U
Q(t)
Speicher
t
A
D
Analog/Digital
Wandler
(×3)
Impulsvervielfacher
∆t = 0,2°/ω(t)
U
t
8
Digitales Messdatenerfassungssystem mit übergeordnetem Rechner
Bild 3: Piezoelektrischer Effekt bei
Quarz (SiO2) (Longitudinal)
Quarzkristallgitter
unbelastet
belastet
−
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Si
Fx
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O
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+
Ladung Qx ~ n ( Fx − FQ =0 )
−
Fx
Quarzdruckaufnehmer
+
Fx
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Fx
Quarzpaket
Bild 4: Quarzdruckaufnehmer
zum Ladungsverstärker
Kühlwassernippel
Gehäuse
Isolator
Beschleunigungskompensationsmasse
Kühlwasserraum
Quarzscheiben
Kompensationsscheibe
Membrane
Druck
AVL 12 QP 300cvk
9
Bild 5: Einbaubeispiele für Quarzdruckaufnehmer
Gut
Weniger gut
Quarzdruckaufnehmer
Quarzdruckaufnehmer
Brennraum
Bild 6: Druckwaage zur Kalibrierung von Quarzdruckaufnehmern
m
Gewicht
Quarzdruckaufnehmer
Druckkolben
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Druck p =
mg
A
Drucköl
10
Kolbenfläche A
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;;;;;;Schraubenpresse
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Bild 7: Thermodynamische Nullinienbestimmung
n ≈ 1, 3 bei Ottomotoren
10
n ≈ 1, 35 bei Dieselmotoren
Druck p in bar
8
 V (ϕ1 )  n  −1
p1 = ∆p 
 − 1
 V (ϕ 2 ) 

6
p2
4
2
0
180
2
∆p
p1
1
ϕ1
270
ϕ2
oT
360
450
Kurbelwinkel ϕ in grd
540
Bild 8: Optische Kurbelwinkelmarkiereinrichtung
Montagebeispiel
Anschlag
Markenscheibe
(600 Marken)
Druckstück
Aufnahme als Röntgenbild um die Markenscheibe zu zeigen
11
Markengeber
Bild 9: Kapazitiver oT-Sensor; Einbaubeispiel in Zündkerzenbohrung
Sensorelektronik
Sonde
Klemmsatz
max.
30°
Normalabstand
Adapter
Kolben
AVL OT-Sensor 428
Bild 10: Fixierung der Kurbelwinkelskala mit Hilfe eines
oT-Sensors
Sondenspannung ∆U
Ladungswechsel-oT
Kompressions-oT
360°
∆ϕ oT
Triggerpunkt
Kurbelwinkel ϕ
12
Bild 11: Verlustwinkel im Motorschleppbetrieb
A
20
Druck p in bar
10
19,4
19,3
5
oT
oT
0
180
270
360
450
540
19,2
356
357
358
359
360
Kurbelwinkel ϕ in grd
Bild 12: Verlustwinkel bei PKW-Ottomotoren
Motorschleppbetrieb mit Luft
1,0
Verlustwinkel ∆ϕV in grd
Druck p in bar
Vmin
∆ϕ V
;;;;;;;;;
;;;;;;;;;
;;;;;;;;;
;;;;;;;;;
;;;;;;;;;
;;;;;;;;;
15
Ausschnitt A
19,5
V, p
0,9
0,8
Oberfläche/Volumen-Verhältnis
Verdichtungsverhältnis
0,7
0,6
0
1500
3000
4500
Motordrehzahl n in min-1
13
6000
361
362
Bild 13: Kurzzeittemperaturdrift bei
Quarzdruckgebern
PKW-Otto-Motor, Vollast
bei niedriger Drehzahl
Quarz
Wärmestromdichte in kW/m
2
3500
Membrane
;;;;;;;;;;;;;;;;
;;;;;;;;;;;;;;;;
;;;;;;;;;;;;;;;;
;;
;;;;;;;;;;;;;;;;
;;
;;;;;;;;;;;;;;;;
;;;;;;;;;;;;;;;;
A
Gehäuse
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
oT
270 360 450 540
Kurbelwinkel in grd
Thermische Spannungen beinflussen
die Quarzbelastung
C
400
188
184
420
450
380
540
Brennraumseite
192
Kühlmittelseite
Wandtemperatur im Bereich A
-500
180
Kurbelwinkel 360 grd
180
Abstandskoordinate
Bild 14: pϕ - und pV-Diagramm eines PKW-Ottomotors
(mittlere Last und mittlere Drehzahl)
Zylinderdruck p in bar
35
35
pϕ - Diagramm
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
pV - Diagramm
5
5
oT
uT
oT
uT
oT
180
360
540
720
0
uT
oT
0
0
0
0,2
0,4
0,6
Zylindervolumen V in dm3
Kurbelwinkel ϕ in grd
14
Bild 15: pV-Diagramm eines PKW-Ottomotors
(mittlere Last und mittlere Drehzahl)
35
2,5
Hochdruckdiagramm
Zylinderdruck p in bar
30
Niederdruckdiagramm
2,0
25
1,5
20
15
1,0
10
0,5
5
uT
oT
uT
oT
0
0
0
0,2
0,4
0,6
0
0,2
0,4
0,6
3
Zylindervolumen V in dm
Bild 16: Reibarbeit und mechanischer Wirkungsgrad
eines Viertaktmotors
Innere Arbeit pro Arbeitsspiel
Wi = −
∫
AS
p
● Arbeitsteilung
Wi z
= Mdr 4π



dV
dϕ
dϕ
+
Mde 4π

Innere Arbeit
Reibarbeit Effektive Arbeit
(jeweils über 2 Kurbelwellenumdrehungen)
z Zylinder
● Reibarbeit pro Arbeitsspiel
1
1
Wr = Mdr 4π = Wi − Mde 4π
z
z
● Mechanischer Wirkungsgrad
Mittleres
Reibmoment Mdr
Mittleres
effektives
Drehmoment Mde
15
ηm =
effektive Arbeit Mde 4π
=
Wi z
innere Arbeit
Spezifische Reibarbeit Wr / Vh in kJ/dm3
Bild 17: Reibverluste bei PKW-Ottomotoren
0,20
PKW-Ottomotor mit
Zweiventiltechnik
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Hohe Last
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Tiefe Last
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0,15
0,10
0,05
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Motordrehzahl n in min -1
Bild 18: Ungekühlter Quarzdruckaufnehmer
16
6000