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TeLC Fa. TeLC, A.Kutschelis und Sohn, Dipl.-IngenieureGlaszylinder- Motortechnik-Stand mit völlig variabler Ventilsteuerung (Transparent engine technique stand with variable valve actuator)

Gemischbildung/(mixture)n=1500 Upm (Rpm)

Fett(rich) Laufgrenze fett (limit rich)

Spezifischer Kraftstoffverbrauch (specific fuel consumption)

1000

1500

2000

2500

3000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Einspritzmenge pro Artbeitstakt [µl/AT](injection quantity per power stroke[µl/PS])

be[

g/k

wh

]

Motorleistung (engine power)

0

50

100

150

200

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Einspritzmenge pro Artbeitstakt [µl/AT] (injection quantity per power stroke[µl/PS])

P [

W]

Lambdasonden-Spannung (voltage of oxygene probe)

0

200

400

600

800

1000

15 20 25 30 35 40 45 50 55

Einspritzmenge pro Artbeitstakt [µl/AT](injection quantity per power stroke[µl/PS])

lam

bd

a[m

V]


Ansaugluft-Volumenstrom (intake airflow)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Kurbelwellenstellung alpha (crank shaft angle) [°]

Ans

augl

uft-

Vol

umen

stro

m (i

nta

ke a

ir f

low

) [l/

min

] S

teu

erze

iten

(c

on

tro

l tim

ing

s)

Einlassventil (intake valve) Einspritzen (injection)

Zündung (ignition) Auslassventil (outlet valve)

TeLCGlaszylinder- Motortechnik-Stand mit völlig variabler Ventilsteuerung (Transparent engine technique stand with variable valve actuator)

Kaltstartverhalten (cold start)Kaltstart (cold start) Warmlauf (warm up) Betrieb (normal running)

spezifischer Kraftstoffverbrauch (specific fuel consumption)

0500

10001500200025003000350040004500

0 50 100 150 200 250 300

Zeit (time) t[s]

be[g

/kw

h]

Motorleistung (engine power)

0

20

40

60

80

100

120

0 50 100 150 200 250 300

Zeit (time) t[s]

P [

W]

Abgastemperatur (exhaust temperature)

0

50

100

150

200

250

300

0 50 100 150 200 250 300

Zeit (time) t[s]

Tab

g[°C

]

Lambdasonden-Spannung (oxygene probe voltage)

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 50 100 150 200 250 300

Zeit (time) t[s]

lam

bda[

mV

]

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Kurbelwellenstellung alpha [°]

Zyl

ind

erin

nen

dru

ck p

i [b

ar]

VerdichtungslinieS

teu

erz

eit

en

Einlaßventil Einspritzen Zündung Auslaßventil

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 10 20 30 40 50 60 70

Zylindervolumen V [ccm]

Zyl

ind

erin

nen

dru

ck p

i [b

ar]


Zün

dung

(ig

nitio

n)

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Kurbelwellenstellung (crank shaft angle) alpha [°]

Dre

hm

om

ent

(to

rqu

e) M

[Nm

]

Ungleichförmigkeit der Drehmomentabgabe beim 4-Takt-Einzylindermotor

(indicated torque on mono cylinder 4 stroke Otto engine)

Ste

uer

zeit

en

(co

ntr

ol t

imin

gs)

Einlassventil (intake valve) Einspritzen (injection)

Zündung (ignition) Auslassventil (outlet valve)


Einfluss des Zündzeitpunktes auf den Zylinderinnendruck(influence of ignition point on internal cylinder pressure)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Kurbelwellenstellung (crank shaft angle) alpha [°]

Zyl

inde

rinne

ndru

ck (

inte

rnal

cyl

inde

r pr

essu

re)

pi [

ba

r]

ZZ=-19° vor OT (bef. UDC)

ZZ=0° vor OT (bef. UDC)



0

1

2

3

4

5

6

7

0 10 20 30 40 50 60 70

Zylindervolumen (cylinder volume) [ccm]

Zyl

inde

rinne

ndru

ck

(inte

rnal

cyl

inde

r pr

essu

re)

pi [

bar]

ZZ=-19° vor OT (bef. UDC)





Verluste in der Gaswechselschleife(deficit in gas exchange phase)

n=1500 Upm

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 10 20 30 40 50 60 70

Zylindervolumen (cylinder volume) V[ccm]

Zyl

ind

erin

nen

dru

ck (

inte

rnal

cyl

ind

er p

ress

ure

) p

i[b

ar]

Drosselklappenteillast (partial load with throttle)Ventilsteuerungsteillast (partial load with valve actuator)


Einfluss der Drehzahl auf den Zylinderinnendruck(influence of engine speed on internal cylinder pressure)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 200 400 600

Kurbelwellenstellung (alpha crank shaft angle) [°]

Zyl

ind

erin

nen

dru

ck p

i (i

nte

rnal

cyl

ind

er p

ress

ure

) [b

ar]

n=360

n=500

n=700

n=1000

n=1500

n=2000

n=2500

Einfluss der Drehzahl auf den Zylinderinnendruck(influence of engine speed on internal cylinder pressure)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 20 40 60

Zylindervolumen (cylinder volume) V[ccm]

Zyl

ind

erin

nen

dru

ck p

i[b

ar]

(in

tern

al c

ylin

der

pre

ssu

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n=360n=500n=700n=1000n=1500n=2000n=2500

Zündzeitpunktn=1550 Upm

Motorleistung

0

20

40

60

80

100

120

140

160

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

Zündzeitpunkt[° vor OT]

P [W

]

spezifischer Kraftstoffverbrauch

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55


be[

g/k

wh

]

Lambdasonden-Spannung

820

840

860

880

900

920

940

960

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55


lam

bda[

mV

]

Abgastemperatur

300

310

320

330

340

350

360

370

380

-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55


Tabg

[°C

]

Untersuchungen mit dem TeLC-Glaszylinder-Motor Bastian Minnig (Diplomarbeit an der FH Konstanz im Sommersemester 2002)

1 Warmlaufverhalten (cold-start-process)

-1.50

-0.75

0.00

0.75

Zeit t in s

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Leis

tung

P in

Wat

t

-150

-75

0

75

0.000

0.075

0.150

0.225

Lam

bda

in m

V

0

1500

3000

4500

60000

250

500

750

1000

Mitt

eldr

uck

pmi i

n ba

r

-1

0

1

2

0

1000

2000

3000

Luftv

olum

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Q in

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in0

10

20

30

0

50

100

150

Dre

hmom

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m

Kraf

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m B

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/min

spez

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g/k

Wh

Abga

stem

p. T

abga

s in

°C

Fachhochschule Konstanz Fachbereich Maschinenbau (MK)

Institut für Verbrennungsmotoren Prof. Dr.-Ing. Klaus Schreiner


Diskussion der Diagramme: Abschnitt 1 (0 – 3 Sek.) : Abschnitt 1 beschreibt den stehenden Motor.

Drehzahl, Drehmoment, Mitteldruck, Leistung, Kraftstoffvolumenstrom, Luftvolumenstrom und Lambda sind somit null. Die Abgastemperatur von ca. 45 °C entspricht nicht ganz Umgebungstemperatur, da der Motor vorher schon gelaufen ist und sich der Abgasstrang nicht lang genug abkühlen konnte. Der spezifische Kraftstoffverbrauch zeigt einen Offset-Wert von 4000 g/kWh an. Dieser Wert wird angezeigt, sobald der Motor sich gedreht hat, egal ob mit oder ohne Zündung bzw. Einspritzung.

Abschnitt 2 (4 – 11 Sek.) : In Abschnitt 2 befindet sich der Folgeschalter auf Position „Zündung“.

Der Drehmomentgraf zeigt einen negativen Wert, da der Drehstrommotor den Glasmotor antreibt und deshalb die Drehmomentabstützung entgegen der positiven Richtung (Glasmotor treibt Drehstrommotor an; Drehstrommotor wirkt dann als Bremse) wirkt. Der Mitteldruck zeigt einen negativen Wert, da

eriuB

ii

Gaii

PPPmitHmP

Hp

+=⋅

=

⋅⋅=

η

λη

und in diesem Abschnitt einen negativen Wert hat, da M negativ ist und sich eP

ϖ⋅=MPe berechnet. Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist null, da auf Folgeschalterposition „Drehen“ kein Kraftstoff eingespritzt wird. Die Luftmenge pendelt sich auf einem Wert um 32 l/min ein, da durch die Verdrängungswirkung des sich bewegenden Kolbens und einer passenden Ventilbewegung ein Ladungsaustausch stattfindet und damit eine Strömung im Ansaugrohr entsteht. Die Abgastemperatur ist leicht tiefer als bei Stillstand, da die durchströmende Frischluft kälter ist und somit Wärme vom Abgaskrümmer an die Frischluft abgegeben wird. Lambda steigt auf einen konstanten Offset-Wert an, da die Sonde erst ab einer Temperatur > 170° anspricht. Die Drehzahl steigt auf die charakteristische Startdrehzahl n = 800 U/min an.




Die Kolbenkühlung ist hier noch nicht aktiv. Abschnitt 3 (12 – 55 Sek.) :

In Abschnitt 3 befindet sich der Folgeschalter in Position „Einspritzung“. Zu erkennen ist dies am Graf des Kraftstoffvolumenstroms. Erst ab Abschnitt 3 wird Kraftstoff gefördert und eingespritzt. Da ab jetzt Kraftstoff eingespritzt, mit Luft vermischt, komprimiert und gezündet wird, wird ab hier Energie im Zylinder umgewandelt, eine Gaskraft wird erzeugt und somit Arbeit am Kolben verrichtet. Somit nehmen ab hier Drehmoment, Leistung und Mitteldruck positive Werte an, da alle unmittelbar miteinander zusammenhängen, siehe oben. Der unregelmäßige Drehmomentverlauf ist so zu erklären, dass noch kein ausreichend homogenes Gemisch vorliegt, um eine gleichmäßige Verbrennung hervorzurufen. Es gibt noch Aussetzer. Die zwei Extremwerte des Mitteldruckgrafen können mit der großen Schwung-masse des Glasmotors erklärt werden. In diesen zwei Bereichen findet keine Verbrennung des Gemisches statt. Da die Schwungmasse des Glasmotors aber sehr groß ist, dreht der Motor trotzdem weiter durch die große Trägheit, weshalb kein Drehmoment- oder Leistungsverlust zu erkennen ist. Ebenfalls ist kein Einbruch der Drehzahl in diesen Bereichen zu erkennen. Der spezifische Kraftstoffverbrauch ist zu Beginn des Abschnittes unendlich groß, da Kraftstoff eingespritzt wird, aber Leistung erst verzögert auftritt. Da Leistung in diesem Abschnitt nur unregelmäßig auftritt, hat auch einen ebunregelmäßigen Verlauf. Die Abgastemperatur steigt durch die heißen Verbrennungsgase kontinuierlich an. Die Lambdasonde wird erst ab einer Temperatur > 170°C aktiv. Die Drehzahl befindet sich auf Startniveau, ca. 800 U/min.

Abschnitt 4 (56 – 99 Sek.): Abschnitt 4 beschreibt den Warmlauf des Glasmotors.

Der Motor läuft jetzt ohne Aussetzer, somit zeigt der Mitteldruck einen gleichmäßigen Verlauf, somit auch das Drehmoment und die Leistung. Da Leistung und Einspritzmenge konstant sind, ist auch der spezifische Kraftstoffverbrauch konstant. Die Abgastemperatur steigt durch die heißen Verbrennungsgase weiter an, wird aber nicht wesentlich größer werden. Trotzdem ist die Temperatur für die Lambdasonde noch zu gering. Sie zeigt weiterhin einen Offset-Wert. Die Drehzahl befindet sich auf Warmlaufniveau, ca. 900 U/min.

Luftmengenstrom Abschnitt 3 und 4 :

Der Luftmengenstrom in Abschnitt 3 und 4 zeigt einen sehr unregelmäßigen Verlauf. Einer möglichen Erklärung für diesen Umstand zeigt die folgende Grafik.




-150

-100

-50

0

50

100

150

200

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Kurbelwellenstellung alpha [°]

Ans

augl

uft-

Vol

umen

stro

m [l

/min

]

Sie zeigt den Ansaugluft-Volumenstrom, aufgetragen über dem Kurbelwinkel, hier ein Arbeitsspiel. Dabei ist zu sehen, dass im Bereich 45° bis ca. 230° Kurbelwinkel Luft angesaugt wird, danach aber noch Schwingungen im Ansaugrohr auftreten, die im weiteren Verlauf des Arbeitsspiels abklingen. Mit diesem Charakteristikum ist auch der Verlauf des Luftmengenstroms des Kaltstarts bzw. Warmlaufs zu erklären. Es treten Druckschwingungen im Ansaugrohr auf. Da die Analogwerte zwanzig mal pro Umdrehung gemessen werden, in der MegatechSoftware dann aber gemittelt wiedergegeben werden, kann keine Aussage darüber getroffen werden, welchen Schwingungsabschnitt ein solcher Software-Messpunkt wiedergibt. Somit kann auch keine Aussage darüber getroffen werden, inwieweit der von der Software gemittelte Wert mit dem eigentlichen Mittelwert übereinstimmt.




2 Einfluss des Zeitpunktes „Einlass schließt“ auf die

Betriebswerte

Dre

hzah

l n in

1/m

in

500

1000

1500

2000

2500

0

0.5

1.0

1.5

°Kurbelwinkel

400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520

Leis

tung

P in

Wat

t

0

100

200

300

0

0.125

0.250

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bda

in m

V

0

500

1000

1500

0

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50

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r

0

1

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500

1000

1500

2000

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enge

Q in

l/m

in0

25

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75

0

100

200

300

Dre

hom

ent M

in N

mKr

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toffv

erbr

auch

B in

l/h

Kolb

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hlun

g in

%sp

ez. K

rafts

toffv

. be

in g

/kW

hAb

gast

emp.

Tab

g in

°C




3 Einfluss des Zeitpunktes „Einlass schließt“ auf den

Zylinderdruck

blau = früher (400°)rot = Referenz (430°)

dunkelgrün = später (510°)

Zylin

derin

nend

ruck

p in

bar

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Zylindervolumen V in ccm

0 10 20 30 40 50 60 70

Zylin

derin

nend

ruck

p in

bar

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Kurbelwinkel alpha in °

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720




4 Volllastkurve unter der Randbedingung λ ≈ 1

Eins

pritz

men

ge in

%

0

25

50

75

100

0

0.5

1.0

1.5

Drehzahl n in 1/min

500 700 900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 2500

Leis

tung

P in

Wat

t

0

100

200

300

0.100

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0.350

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100

Mitt

eldr

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toffv

. be

in g

/kW

hAb

gast

emp.

Tab

gas

in °

C






5 Variation der Einspritzmenge unter Volllast bei 1500/min

Mot

ordr

ehza

hl n

in 1

/min

0

500

1000

1500

2000

2500

0

0.5

1.0

1.5

Einspritzmenge in %

30 40 50 60 70 80 90 100

Leis

tung

P in

Wat

t

0

100

200

300

0.1

0.225

0.350

0.475

Lam

bda

in m

V

400

600

800

1000

0

25

50

75

100

Mitt

eldr

uck

pmi i

n ba

r

0

1

2

3

500

1125

1750

2375

Luftv

olum

enst

rom

Q in

l/m

in0

25

50

75

100

175

250

325

Dre

hmom

ent M

in N

mKr

afts

toffv

olum

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rom

B in

l/h

Kolb

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%sp

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. be

in g

/kW

hAb

gast

emp.

Tab

gas

in °

C

Kontakt, Contact

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A.Kutschelis und Sohn, Dipl.-Ingenieure

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