VKM_I_Kap.8
Zündung beim Ottomotor
Zündung beim Ottomotor
8.6 Klopfregelung III
Eine Sicherheitsschaltung sorgt bei Ausfall der Klopfregelung dafür, dass der Motor nicht im klopfgefährdeten Bereich gefahren wird, indem der ZZP auf den Kennfeldwert für ungeregelten (konventionellen) Betrieb verstellt wird. Abbildung 8-43 zeigt den Zündhaken für einen Volllast-Betriebspunkt mit den Vorsteuerwerten für geregelten und ungeregelten Betrieb. Es wird deutlich, dass bei Verwendung der oben beschriebenen Klopfregelung ein höheres Moment erreicht werden kann. Außerdem zeigt die Darstellung, dass die Verwendung eines Kraftstoffs mit höherer Oktanzahl bei aktiver Klopfregelung das Motormoment erhöhen kann. Die Momentenerhöhung und damit die Leistungssteigerungen bei Volllastpunkten verschiedener Drehzahlen durch die Klopfregelung zeigt Abbildung 8-44
Die Klopfregelung kann entweder als selbstständiges Gerät mit der Transistorzündung kombiniert oder in ein komplexes System wie die Motronic oder ein Motorsteuergerät integriert werden. Der Klopfsensor besteht aus einer piezokeramischen Scheibe mit seismischer Masse im Kunststoffverguss, die am Motorblock angeschraubt ist. Aufbau und Applikationsmöglichkeiten des Sensors zeigen Abbildung 8-45 und Abbildung 8-46.
8.7. Weiterentwicklung von Zündsystemen
Zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs werden Brennverfahren mit Ladungsschichtung sowie Magerbetrieb entwickelt. Mit verbesserten Zündsystemen können dabei die Bereiche des Schicht- bzw. Magerbetriebs durch sicherere Entflammung deutlich erweitert werden.
Besonders interessante Vertreter sind dabei Mehrfachzündsysteme sowie Laserzündsysteme. Bei Mehrfachzündsystemen (multi spark ignition – MSI) wird grundsätzlich konventionelle Zündkerzentechnologie verwendet, die Elektronik unterscheidet sich aber von herkömmlichen Zündanlagen.
Das Grundprinzip besteht darin, in einem mit dem ersten Zündfunken gebildeten Plasmakanal mehrmals hintereinander Zündfunken auszubilden, womit die effektive Zünddauer deutlich erhöht wird. Damit steigt im geschichteten Betrieb die Wahrscheinlichkeit, dass zündfähiges Gemisch an den Zündort gelangt, außerdem ist das System robuster gegenüber Kraftstofftropfen. Neben dem erhöhten Elektronikaufwand besteht ein potentieller Nachteil in einem schnelleren Abbrand der Elektroden und damit verkürzter Kerzenlebensdauer.
Abbildung 8-47 zeigt die Zündcharakteristik eines Mehrfachzündsystems. Der erste Zündfunke schlägt an der Stelle des kürzesten Abstands zwischen den beiden Elektroden über. Durch die Luftströmung bewegt sich der gebildete Plasmakanal von der Zündkerze weg, sodass sich bei den anschließenden Zündungen der Zündfunken auf einem Bogen in den Brennraum hinaus ausbreitet. Für den ersten Durchbruch wird eine hohe Sekundärspannung benötigt. Durch den bereits ausgebildeten Plasmakanal ist bei den folgenden Zündungen nur eine geringere Spannung notwendig, bevor der Spannungsbedarf bei den späteren Zündungen durch die erhöhte Länge des Kanals wieder zunimmt. Das lässt sich in den Ausschlägen im Sekundärspannungsverlauf erkennen.
Bei dem in der Abbildung 8-47 gezeigten System handelt es sich um ein stromgeregeltes System. Der Zündfunke wird so lange aktiv gehalten (Zeit t
Burn), bis der Strom auf der Sekundärseite eine bestimmte Schwelle unterschreitet. Anschließend wird die Zündspule mit dem Primärstrom geladen, bis er seine Schwelle überschreitet und dadurch eine neue Zündung ausgelöst wird
8.7. Weiterentwicklung von Zündsystemen II
In den Daimler-Motoren M276 und 278, die seit Herbst 2010 eingesetzt werden, ist ein Mehrfachzünd-system verbaut. In Bereichen geringer Last werden diese Motoren geschichtet betrieben. Durch den Einsatz des MSI wird der Zündwinkelbereich erweitert, in dem eine robuste Entflammung erreicht wird. Damit können thermodynamisch günstigere, i.d.R. frühere, Zündwinkel eingestellt werden. Abbildung 8-48 zeigt, welche Verbesserungen bezüglich Verbrauchs- und Emissionswerten in statio-nären Betriebspunkten mit dem Mehrfachzündsystem gegenüber einer Transistor-Spulenzündung erreicht werden können.
Noch in der Forschungsphase befinden sich Laserzündanlagen, mit denen ebenfalls die Entflammung von mageren Gemischen verbessert werden soll. Vorteilhaft bei einem Laserzündsystem ist vor allem die – fokussierbare – Eindringtiefe des Laserstrahls in den Brennraum. Damit ist man nicht mehr an einen wandnahen und kleinräumigen Zündort gebunden. Ein erster Einsatz ist bei Großgasmotoren zu erwarten, die mit dieser Technologie noch magerer betrieben werden können, da die Verbrennung schneller und sicherer erfolgt. Damit können Vorteile bei der NOx-Emission erwartet werden, für den Betreiber reduziert der Wegfall des Elektrodenverschleißes den Wartungsaufwand.
Bei Fahrzeuganwendungen entscheidet vor allem die weitere Entwicklung von Kosten und Baugröße über den zukünftigen Serieneinsatz. Diesbezüglich konnten schon große Fortschritte erzielt werden, der Größenvergleich ist für einen DI-Ottomotor in Abbildung 8-48 ersichtlich. Auch der Leistungsbedarf von 125W ist bereits auf einem niedrigen Niveau. Aktuelle Untersuchungen analysieren u. a. den Einfluss des Zündortes bei strahlgeführter Verbrennung auf die Emissionen. Beste Ergebnisse werden einer Zündung im Randbereich zugesprochen.
-
- 1 / 35
-
Lernkarten
8.6 Klopfregelung III
Eine Sicherheitsschaltung sorgt bei Ausfall der Klopfregelung dafür, dass der Motor nicht im klopfgefährdeten Bereich gefahren wird, indem der ZZP auf den Kennfeldwert für ungeregelten (konventionellen) Betrieb verstellt wird. Abbildung 8-43 zeigt den Zündhaken für einen Volllast-Betriebspunkt mit den Vorsteuerwerten für geregelten und ungeregelten Betrieb. Es wird deutlich, dass bei Verwendung der oben beschriebenen Klopfregelung ein höheres Moment erreicht werden kann. Außerdem zeigt die Darstellung, dass die Verwendung eines Kraftstoffs mit höherer Oktanzahl bei aktiver Klopfregelung das Motormoment erhöhen kann. Die Momentenerhöhung und damit die Leistungssteigerungen bei Volllastpunkten verschiedener Drehzahlen durch die Klopfregelung zeigt Abbildung 8-44
Die Klopfregelung kann entweder als selbstständiges Gerät mit der Transistorzündung kombiniert oder in ein komplexes System wie die Motronic oder ein Motorsteuergerät integriert werden. Der Klopfsensor besteht aus einer piezokeramischen Scheibe mit seismischer Masse im Kunststoffverguss, die am Motorblock angeschraubt ist. Aufbau und Applikationsmöglichkeiten des Sensors zeigen Abbildung 8-45 und Abbildung 8-46.
8.7. Weiterentwicklung von Zündsystemen
Zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs werden Brennverfahren mit Ladungsschichtung sowie Magerbetrieb entwickelt. Mit verbesserten Zündsystemen können dabei die Bereiche des Schicht- bzw. Magerbetriebs durch sicherere Entflammung deutlich erweitert werden.
Besonders interessante Vertreter sind dabei Mehrfachzündsysteme sowie Laserzündsysteme. Bei Mehrfachzündsystemen (multi spark ignition – MSI) wird grundsätzlich konventionelle Zündkerzentechnologie verwendet, die Elektronik unterscheidet sich aber von herkömmlichen Zündanlagen.
Das Grundprinzip besteht darin, in einem mit dem ersten Zündfunken gebildeten Plasmakanal mehrmals hintereinander Zündfunken auszubilden, womit die effektive Zünddauer deutlich erhöht wird. Damit steigt im geschichteten Betrieb die Wahrscheinlichkeit, dass zündfähiges Gemisch an den Zündort gelangt, außerdem ist das System robuster gegenüber Kraftstofftropfen. Neben dem erhöhten Elektronikaufwand besteht ein potentieller Nachteil in einem schnelleren Abbrand der Elektroden und damit verkürzter Kerzenlebensdauer.
Abbildung 8-47 zeigt die Zündcharakteristik eines Mehrfachzündsystems. Der erste Zündfunke schlägt an der Stelle des kürzesten Abstands zwischen den beiden Elektroden über. Durch die Luftströmung bewegt sich der gebildete Plasmakanal von der Zündkerze weg, sodass sich bei den anschließenden Zündungen der Zündfunken auf einem Bogen in den Brennraum hinaus ausbreitet. Für den ersten Durchbruch wird eine hohe Sekundärspannung benötigt. Durch den bereits ausgebildeten Plasmakanal ist bei den folgenden Zündungen nur eine geringere Spannung notwendig, bevor der Spannungsbedarf bei den späteren Zündungen durch die erhöhte Länge des Kanals wieder zunimmt. Das lässt sich in den Ausschlägen im Sekundärspannungsverlauf erkennen.
Bei dem in der Abbildung 8-47 gezeigten System handelt es sich um ein stromgeregeltes System. Der Zündfunke wird so lange aktiv gehalten (Zeit t
Burn), bis der Strom auf der Sekundärseite eine bestimmte Schwelle unterschreitet. Anschließend wird die Zündspule mit dem Primärstrom geladen, bis er seine Schwelle überschreitet und dadurch eine neue Zündung ausgelöst wird
8.7. Weiterentwicklung von Zündsystemen II
In den Daimler-Motoren M276 und 278, die seit Herbst 2010 eingesetzt werden, ist ein Mehrfachzünd-system verbaut. In Bereichen geringer Last werden diese Motoren geschichtet betrieben. Durch den Einsatz des MSI wird der Zündwinkelbereich erweitert, in dem eine robuste Entflammung erreicht wird. Damit können thermodynamisch günstigere, i.d.R. frühere, Zündwinkel eingestellt werden. Abbildung 8-48 zeigt, welche Verbesserungen bezüglich Verbrauchs- und Emissionswerten in statio-nären Betriebspunkten mit dem Mehrfachzündsystem gegenüber einer Transistor-Spulenzündung erreicht werden können.
Noch in der Forschungsphase befinden sich Laserzündanlagen, mit denen ebenfalls die Entflammung von mageren Gemischen verbessert werden soll. Vorteilhaft bei einem Laserzündsystem ist vor allem die – fokussierbare – Eindringtiefe des Laserstrahls in den Brennraum. Damit ist man nicht mehr an einen wandnahen und kleinräumigen Zündort gebunden. Ein erster Einsatz ist bei Großgasmotoren zu erwarten, die mit dieser Technologie noch magerer betrieben werden können, da die Verbrennung schneller und sicherer erfolgt. Damit können Vorteile bei der NOx-Emission erwartet werden, für den Betreiber reduziert der Wegfall des Elektrodenverschleißes den Wartungsaufwand.
Bei Fahrzeuganwendungen entscheidet vor allem die weitere Entwicklung von Kosten und Baugröße über den zukünftigen Serieneinsatz. Diesbezüglich konnten schon große Fortschritte erzielt werden, der Größenvergleich ist für einen DI-Ottomotor in Abbildung 8-48 ersichtlich. Auch der Leistungsbedarf von 125W ist bereits auf einem niedrigen Niveau. Aktuelle Untersuchungen analysieren u. a. den Einfluss des Zündortes bei strahlgeführter Verbrennung auf die Emissionen. Beste Ergebnisse werden einer Zündung im Randbereich zugesprochen.
