Teil 1:
Übersicht der Themen:
1) Wissenswertes zum Zündzeipunkt
2) Oktanzahlen und Verdichtung
3) Klopfen und andere Verbrennungsanomalien
4) Klopferkennung und Regelung
5) Zusammenfassung und Ausblick
(u.a. mit Kraftstoffkompnenten zur Oktanzahlsteigerung und deren Einfluss auf das Lambda)
Also, los geht es mit der Zündung:
Jeder weiß, dass es beim Benziner auf den richtigen Zündzeitpunkt ankommt. Doch da tut sich schon die erste Frage auf, nämlich nach welchen Kriterien wähle ich den aus? Verbrauch, Leistung, Klopfgrenze oder Katheizen ?
Kriterium Leistung und Verbrauch
Nehmen wir zuerst Verbrauch und Leistung. Hier ist einfach, denn beides mal ist es ein und derselbe Zündwinkel der Optimale. Dieser Zündwinkel wird dann folgerichtig auch als optimaler Zündwinkel bezeichnet.
Doch wie kann man den finden? Früher hat man das mit einem Zündhaken auf dem Prüfstand gemacht und dabei solange nach früh verstellt, bis das Leistungsmaximum gefunden war. Heute geht das wegen den hohen Verdichtungen und die sich davor einstellende Klopfgrenze leider nicht mehr. Dafür gibt es jetzt aber tolle Indiziersysteme, mit denen man den Verbrennungsschwerpunkt ermitteln kann. Unter Verbrennungsschwerpunkt versteht man genau die Kurbelwellenstellung, an der die Hälfte der eingebrachten Energie (also Benzin) umgesetzt (verbrannt) ist.
Das tolle daran ist, dass der Verbrennungsschwerpunkt für eine optimale Zündung immer ziemlich genau bei 8 Grad nach dem oberen Totpunkt liegt. Völlig unabhängig von Last, Drehzahl Temperaturen oder Lambda. Das hat nun den Vorteil, dass man auf dem Prüfstand den Zündhaken nur noch bis zur Klopfgrenze fahren muss und sich nur den Abstand des dabei einstellenden Verbrennungsschwerpunktes zum 8 Grad nach OT Wert anschauen muss, um zu wissen, wo der theoretisch optimale Zündzeitpunkt liegt.
Diesen optimalen Zündzeitpunkt zu wissen, ist unendlich wichtig für jegliche Momentenberechnung innerhalb des Motorsteuergerätes. Denn ohne sie ist keine vernünftige Fahrdynamikregelung wie ASR, ESP und MSR möglich !
Kennt man den optimalen Zündzeitpunkt (hier wird der Zündwinkelwirkungsgrad mit 100% definiert ! ), kann man sehr leicht den Leistungsabfall mit zurückgezogener Zündung bestimmen. Dazu einmal ein paar Anhaltswerte:
Bei -10 Grad Zündwinkel beträgt der Verlust etwa 2 %, bei -30 Grad ca -50 % und bei -50 Grad volle 100%. Das heißt, der Motor liefert dann keine Leistung mehr an Kupplung oder Wandler, sondern produziert nur noch Abwärme.
Kriterium Klopfgrenze:
Bei neuen Motoren ist die effektive Verdichtung (also die geometrische Verdichtung im Zusammenspiel mit dem Zylinderfüllungsgrad) so hoch, dass man den opitmalen Zündzeitpunkt wegen Klopfens oder anderen Verbrennungsanomalien nicht mehr anfahren kann, ohne dass der Motor auf Dauer Schaden nehmen würde. Diese Obergrenze wird von der Klopfregelung, auf die ich in Punkt 4 näher eingehen werde, dem Motorsteuergerät als Grenze vorgegeben. Je weiter diese nun weg vom optimalen Zündzeitpunkt liegt, desto größer sind die hinzunehmenden Verluste. (Die Wirkungsgradverlust- über die Zündungsrücknahme Kurve gleicht übrigens einer auf dem Kopf stehenden Parabel). Die Verluste steigen also überproportional mit zunehmenden Abstand !
Hinweis: Damit lässt sich übrigens bereits sagen, ob und wie viel Potenzial ein hochoktanigeres Benzin hat.
Zündwinkelvorsteuerung und Katheizen (Momentenreserve) :
Nachdem nun bekannt ist, dass sich der optimale Zündwinkel bei einem Verbrennungsschwerpunkt von 8 Grad nach OT einstellt, muss nur noch die Verbrennungsgeschwindigkeit berücksichtigt werden, um den gewünschten Winkel vorsteuern zu können. Streng genommen muss dabei auch noch eine nahezu konstante Entflammphase von 1-2 ms an der Kerze berücksichtigt werden.
Die Geschwindigkeit steigt mit der Füllung und Ladungsbewegung im Zylinder, daher nimmt der Vorzündungsbedarf im Zündkennfeld mit steigender Last immer ab. Da der Verbrennungsschwerpunkt sich an einem bestimmten Kurbelwellenwinkel einstellen soll, aber mit steigender Drehzahl die Zeit für die Verbrennung abnimmt, muss sich mit steigender Drehzahl logischerweise der Vorzündungbedarf erhöhen. Im Bereich des maximalen Motordrehmomentes können sich die 2 Abhängigkeiten gegenseitig überlagern, so dass die Kontinuität des Vorzündungsbedarfes dort im Zündkennfeld nicht immer gegeben ist.
Um eine schnelle Aufheizung des Katalysators zum Einhalten der Grenzwerte zu erreichen, wird dem Motor nach dem Start mehr Luft zugeführt und gleichzeitig die Zündung soweit reduziert, dass sich das vom Fahrer mittels Fahrpedal vorgegebene Wunschmoment einstellt. Dieser Luftüberschuss führt mit der passenden Kraftstoffmenge und dem späten Zündwinkel zu einer Verbrennung bis in den Abgastrakt. Dadurch heizt sich natürlich der Kat schneller auf.
Gibt der Fahrer etwas mehr Gas, so kann die jetzt höhere Momentenanforderung allein durch eine frühere Zündung realisiert werden, ohne dass sich die Drosselklappe bewegen muss. Diese Reserven über die Zündung werden gemeinhin als Momentenreserve bezeichnet. Sie haben den Vorteil, viel schneller geregelt werden zu können, als über irgendwelche Drosselklappenbewegungen. Deshalb werden sie überall auch im Leerlauf genutzt. Dort fährt nämlich kein Fahrzeug mit optimaler Zündung, obwohl in der Regel keine "Klopfgefahr" besteht.
Soweit für heute ! Wenn ich wieder einmal etwas mehr Zeit habe und auch Interesse besteht, werde ich mich dem Teil 2 zuwenden.