Leistungssteigerung durch mehr Sprit?

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Veröffentlicht am Samstag, 22. Dezember 2007 17:35

Geschrieben von gerd_

"Mehr Sprit" ist relativ ---und zwar zur Luftmenge.  

In einen 1150 ccm - 2 Zylinder Motor passen nun mal pro Verbrennungsvorgang nur 575 ccm Gasgemisch. Dieses besteht aus Luft und Benzin. Turboaufladung soll unbesehen sein und Resonanzaufladung (erst mal) außen vor bleiben.
Während des Einlassvorgangs, also einer halben Motorumdrehung, kann ein Kolben als maximal 575 ccm ansaugen. Eingeschränkt wird dieser Wert durch die Strömungsverluste in Form von (zu?) kleinen Querschnitten, dem Einlassventil und, in erster Linie, der Drosselklappe. Ist diese geschlossen wird der Luftstrom behindert. Wenig Luft kann einströmen und braucht dazu auch noch lange. Das heißt: Niedrige Drehzahl oder "Motorbremseffekt".
Für eine saubere Verbrennung kann der Luft nur eine begrenzte Menge Benzin zugemischt werden.

Lambda01t.gif

Das optimale Verhältnis besteht aus 14,7 mal so viel Luft wie Sprit oder, anders herum ausgedrückt bei ca. 7% Benzinanteil im Gasgemisch. Angegeben sind diese Werte für die Gewichtsanteile!!
1000 Liter Luft wiegen in Meereshöhe etwa 1,29 Kg, in 3000 Meter Höhe nur  0,74 kg, Benzin wiegt ca 0,7Kg / Liter
Also passen in Meereshöhe zu 1000 Liter Luft etwa 87,5 g, oder in 3000m Höhe etwa 50,0 g Benzin.
Pro Zylinderfüllung mit 0,575 Liter sind das dann 0,05 bzw. 0,03 Gramm.
In diesen Fällen ist Lambda = 1 (in Grafik "Lambda01t" ist links "fett" und rechts "mager")

Die Älteren kennen noch den Effekt, dass die Vergasermotoren auf dem Stilfser Joch schlecht laufen, kurz vor dem Ersaufen sind und nach Sprit stinken.
Einspritzer haben eine barometrische Regelung und wissen dass die Einspritzmenge reduziert werden muss wenn die Luft dünner wird. Ohne die barometrische Regelung läge auf dem Stilfser Joch der Spritanteil, für einen auf Meereshöhe optimierten Motor, bei ca. 12,5%. Dieses Gemisch wäre nicht mehr zündfähig!

lean01.gif

Wie ist Grafik "lean01.gif" zu lesen?
Hier ist links(!) ist der magere Bereich, also wenig Gewichtsanteile Benzin relativ zur Luft oder eben viel Luftanteil relativ zum Benzingehalt.
Das Optimum für die schadstofffreie Verbrennung liegt bei 7% Kraftstoff oder der 14,7-fachen Luftmenge, sprich Lambda =1.
Das Optimum für die Leistungsausbeute ist etwas fetter und liegt bei 8%, bzw. der 12,5-fachen Luftmenge (Lambda =0,9).
Das Optimum für die Wirtschaftlichkeit ist magerer und liegt bei 6,6%, der 15,6-fachen Luftmenge (Lambda =1,15)
Die blaue Kurve zeigt (in etwa) die mögliche, relative Leistung.
Bei 12,5%, bzw. der 8,5-fachen Luftmenge (Lambda =0,6) ist die Kraftstoffmenge so gross, dass das Gemisch nicht mehr zündert, der Motor ersäuft
Bei 5%, bzw. der 20-fachen Luftmenge (Lambda =1,4) ist die Kraftstoffmenge so gering, dass das Gemisch ebenfalls nicht mehr zündert, der Motor verhungert.

Lambda02t.gif

Test: (Bitte nur im Freien!) Giesst man etwas Benzin in ein Schälchen und wirft ein Streichholz hinein, so geht dieses aus! Ist es sehr warm, kann sich das Benzin auf eine große Fläche verteilen, oder hält man das (gaaaanz lange) Streichholz eine Weile über das Benzin, wird es sich entzünden und dann relativ kommod abbrennen. Macht man den Test nachts, stellt man fest, dass die "Pfütze" gar nicht brennt, sondern zuerst eine nicht brennende Schicht darüber "liegt" und erst weiter oben Flammen zu sehen sind.
Grund: Die Pfütze ist viel zu "fett" um zu brennen, es ist nicht genügend Luft (Sauerstoff) untergemischt. Erst wenn das Benzin verdunstet,

Lambda03t.gif

das Gas aufsteigt und sich etwas höher mit immer mehr Luft vermischt hat wird es brennbar! Die entstehende Wärme (zuerst durch' s Streichholz!!) hilft bei der Verdunstung, die aufsteigenden Verbrennungsgase saugen Luft von unten, und es brennt heftiger. Eine Explosion ist nicht zu befürchten.
Ein kleiner, bescheidener Leistungszuwachs läßt sich erzielen indem man das Gemisch fetter macht (Grafik "lean01.gif"). Erkauft wird dies durch überproportional mehr Spritverbrauch bei schlechterem Abgasverhalten (Grafiken "Lambda02t" und "Lambda03t". In beiden ist der fette Bereich links!).

"Meine Maschine HAT mehr Leistung, braucht aber NICHT mehr Sprit" sagen nur diejenigen die das Perpetuum Mobile erfunden haben. Wir sprechen im Moment nur über die relative Spritmenge, nicht über andere Möglichkeiten der Leistungssteigerung!
Betroffen sind hier Wunder(vorschalt)geräte die dem Motor z.B. vorgaukeln er wäre kalt, deshalb der jeweilig angesaugten Luftmenge mehr Benzin zumessen als notwendig und ihn somit im fetten Bereich betreiben. Gleichzeitig allerdings müssen sie einen anderen Lambdawert simulieren

lean09.gif

da sonst die Motronik mit dem Regeln beginnen würde. Der KAT lässt bei dieser Gelegenheit grüssen da ihm die Gaukeleien egal sind und u.U. er mit unverbranntem Sprit fertig werden muss und das überhaupt nicht leiden kann ….
Bild lean09.gif zeigt den Druckverlauf in einem Zylinder wie er verliefe wenn die Zündung fehl, wenn "normal gezündet wird und wenn der Ladedruck durch einen Turbolader zu hoch ist. Im letzten Fall ist der Druckverlauf nicht sauber und es klingelt.

lean12.gif

Bild lean12.gif zeigt die unterschiedlichen Verläufe in einem Zylinder wenn man das Gemisch immer weiter anfettet (bis der Motor ersäuft). Hier ist zu sehen, dass, obwohl immer zum gleichen Zeitpunkt gezündet wird, der Druck schon sehr hoch steigt bevor der Kolben den OT erreicht hat! Somit geht a) jede Menge Energie verloren bzw. behindert den Kolben zum OT zu gelangen, und b) steigen die Lagerdrücke stark an.
Minimale Massnahme wäre also --entgegen der Zündungstheorie-- etwas später(!!) zu zünden!

Wenn die Wundergeräte diesen Effekt nur in den oberen Drehzahlbereichen verursachen, ist der Mehrverbrauch nicht sehr stark spürbar, die Mehrleistung aber messbar. Doch wer fährt dauernd an der Drehzahlgrenze? Wenn die Wundergeräte in den unteren Bereichen die Lambdasonde nicht besch…en, zieht der Motor auch dort subjektiv besser, wird aber kurz darauf von der Regelung auf den Boden der optimalen Verbrennung zurückgeholt. Auch hier ist der Mehrverbrauch im Rahmen der Toleranzen.
Aus Sicht der relativen Schadstoffentwicklung wäre ein Motorenbetrieb bei Lambda 1,25 am besten. Leider sind dort die Leistungsentfaltung und somit auch der Wirkungsgrad nicht sonderlich toll. Das würde bedeuten: Bei gleichbleibender(!) Leistung erhöhter Spritbedarf mit vielen, dafür aber relativ saubereren  aber heissen Abgasen. Also ein schlechter Kompromiss wenngleich man die Lambdasonde etwas weiter vom Motor entfernt einbauen könnte um sie weniger zu belasten.
Will man das Leistungsmaximum und nimmt keine Rücksicht auf die Abgaswerte, betriebt man den Motor bei Lambda 0,85. Der Motor braucht dann scheinbar nur wenig mehr Sprit und belastet die Lambdasonde höher obwohl die Abgastemperatur etwas sinkt. Relativ zum Leistungsgewinn ist ziemlich viel mehr Sprit notwendig.

Dazu gibt es eine recht interessante Darstellung von TeledyneContinental Motors (TCM) im “Operator and Installation Manual” Continental IO 550
Das ist zwar ein Flugmotor, doch lässt sich an diesen Dinosaurieren Einiges recht klar nachweisen und an praktisch jedem Sportflugplatz auch beweisen. Die eigentlich vorsintflutlichen Einstellmöglichkeiten der Flugmotoren machen es möglich.
Zündverstellung? Haben sie nicht (den "Klicker" unterschlage ich absichtlich)!
Gemisch? Kann man regeln; muss man sogar! Der Normalfall heisst "fett" (volle Leistung zum Abheben) und danach wird "geleaned".
Verdichtung? Naja, ganz ohne geht es ja nicht :-), aber eine alte Harley ist dagegen ein Sportmotor! Verbrauch? Ja, reichlich! (eben ein alter Amimotor :-) mit -Grössenordnung- 6 Liter Hub und 235 PS )
Also ganz ideal zum Demonstrieren.

Nachdem die Hersteller wissen, dass sie einfachste Technik verwenden, schwatzen sie dem Kunden auch noch Instrumente rauf mit denen man Abgas- und Zylinderkopftemperatur jedes einzelnen Zylinders anzeigen kann. Das in erster Linie weil sie nicht in der Lage sind jeden Zylinder mit gleichem Gemisch zu versorgen und auch gleichmässig zu kühlen! Da verbessert man nix sondern zeigt den Mist nur an!

lean07.gif

4 Kurven sind in einer gemeinsamen Grafik dargestellt. Der Motor läuft  in dieser Grafik immer mit 0,6 bar "Ladedruck" (heisst nur so) bei 2500U/min. Der "Ladedruck" ist ein Mass für die Drosselklappenöffnung und das was wir an einer "Unterdruckuhr" am Saugrohr ablesen würden. Man kann diesen Druck (beim Flieger) im Verhältnis zur Drehzahl variieren. Das klingt für uns unverständlich. Tatsächlich liegt es daran, dass die Jungs verstellbare Propeller haben die man mit einem stufenlosen Getriebe vergleichen kann. Stellt man die Propellersteigung auf steiler, so muss man mehr Gas geben um auf gleicher Drehzahl zu bleiben (Last und Geschwindigkeit steigen) und der Unterdruck im Saugrohr ändert sich
Jetzt machen die das Gemisch magerer oder fetter. Der Normalwert liegt bei einem Verbrauch von ca 41Kg/h (sparsame 59 Liter/h!). Dabei leistet der Dino etwa 235PS (blaue Kurve). Die Zylinderkopftemperatur (orange) beträgt dabei ca 195 °C, die Abgastemperatur(rot) 820 Grad.
Die maximale Leistung von 250 PS ist bei 48 Kg/h (69 l/h) erreicht. Allerdings liegt da die Kopftemperatur bei 215 Grad und das Abgas ist kälter(!; 810°C)
Stellt man jetzt auf "vollfett", also den Wert der noch gut gezündet werden kann, dann säuft das Ding 54Kg/h (77l/h), hat nur noch 240PS und die Temperaturen sind gesunken.
Das heisst, dass man für ca 6% mehr Leistung 17% mehr Sprit reingiessen muss (vor den Abgaswerten verschliessen wir höflich die Augen). Das drückt die violette Kurve aus.

lean05.gif

Dann kommt eine Kleinigkeit dazu: Die temperaturabhängige Festigkeit von AL-Werkstoffen (Bild lean05.gif) das ist auch der bunte Streifen in Bild lean07.gif. Da lässt sich auch mit Kühlung nur schwer etwas erreichen weil die Wärmeleitung entweder nicht nachkommt (aussen stimmt die Temperatur, innen, auf der Feuerseite fackelt das Material ab) oder das Temperaturgefälle derart hoch wird, dass sich der Werkstoff verspannt. Aussen könnten wir mit flüssigem Stickstoff kühlen dann passt wohl auch innen die Temperatur. Wenn aber die Temperatur innen abnimmt haben wir ein tatsächliche Kühlproblem. Es wird zu kalt!

(Satire Anfang) Wir sehen: Tuning ist vollkommen einfach und absolut risikofrei :-) (Satire Ende)

Links
Leistung - Drehzahl - Drehmoment
Leistung und Zündzeitpunkt
Leistungssteigerung durch mehr Sprit?
Leistungssteigerung ganz einfach?
Leistungssteigerung mit Ansaugrohren