Tuning - Zweitakter Einspritzung, elektronische Motorsteuerung, Kennfelder

Eigentlich geht es hier einmal mehr um eines meiner kleinen privaten Projekte. Ziel ist es "heute" eine elektronische, über Kennfeld gesteuerte Zündung, die am besten auch noch selbstlernend ist, selbst zu entwickeln. Entstanden ist diese Idee ursprünglich wärend einer Vorlesung im Studiengang zum Dipl. Ing. Elektrotechnik im Fach Mikrocontroller Programmierung. Ausgehend vom Kauf eines Prozessors C167 aus dem Hause Infinenon auf einem Entwicklerboard bei Conrad Elektronik. Gedacht war das ganze für einen Rollenprüfstand zu Leistungsmessung. Formeln und Berechnung sowie Teile der Programmierung waren bereits fertig, als sich mir diese Überlegungen aufdrängten. Daher sind im folgenden die von mir gefassten Gedankengänge zur Problemlösung dieser neuen und selbstgestellten Aufgabe nachzulesen.

Wer keine Ahnung hat, kann keine vernünftigen Fragen stellen. Daher an dieser Stelle zuerst einmal ein paar Fachbegriffe. Oftmals scheitert die Suche nach Wissen und Antworten an der Kenntnis der allgemeinen Fachbegriffe - Frühzündung, genau - nicht Vorzündung, Vorherzündung oder gar Vorverzündung. Daher erst einmal ein paar Begriffe zum Thema. Vor hier aus kann dann auf dieser Seite oder im Internet weiter gelesen werden.

Als erstes wollen wir uns einmal ein paar Begriffe aneignen

Luftmassenmessung:

1. alpha/n Kennfeld (Grundkennfeld)
2. Luftmassenmesser
3. Saugrohrunterdruck

 

mögliche Drehzahlmessung:

Drehzahlgeber an KW, 1 Zahn Lücke
Drehzahlgeber an NW, 1 Zahn Lücke
Drehzahlgeber an NW, 4 Zähne bei 4.Zylinder
Drehzahlgeber an KW, OT-Geber an KW
Drehzahlgeber an KW, OT-Geber an NW
Drehzahlgeber an KW, 2 Zähne Lücke
Drehzahlgeber an NW, 2 Zähne Lücke
Drehzahlgeber an KW, 1 Zahn Lücke, OT-Geber an NW
Drehzahlgeber an KW, 2 Zähne Lücke, OT-Geber an NW

 

Eingänge für ein Steuergerät:

Drehzahlerfassung über Induktiv oder Hallsensor
OT-Erfassung über Induktiv- oder Hallsensor
Drosselklappenpoti
Luftmassenmesser
Luftdrucksensor
Motortemperatur
Lufttemperatur
Lambdasonde

 

Ausgänge eines Steuergerätes:

Einspritzdüsen
Zündausgänge
Benzinpumpenrelais
Drehzahlmesser

Was ist sonst noch denkbar?

Motor
Kabelbaum
Start
Drehzahlerfassung
Warmlauf
Lambda
Beschleunigungsanreicherung
Drosselklappe
Schubabschaltung
Luftmassenmesser
sanfte Beschleunigung
Motortemperatur
Traktionskontrolle
Lufttemperatur
Leerlaufsteller
Luftdruck
Ladedruckregelung
Einspritzung
Drehzahlmesserausgang
Zündung
Getriebe-Gangwechsel
Lambda-Regelung
Race-Schalter
Kennfeld ändern
Speicher
Leerlauf
Datalinklogger

Zündzeitpunkt:

Entscheidende Parameter sind hier: Motordrehzahl und Motorbelastung
Entzündetes Gemisch explodiert nicht, sondern verbrennt im Motor. Es vergeht eine annähernd konstante Zeit (laut Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik (siehe Bücher): 1 bis 2 ms) vom entzünden des Gemischs bis zum anliegen des maximalenVerbrennungsdrucks. Diese Zeit richtet sich nach Flammfrontgeschwindigkeit (unter Umständen auch als Flammenfrontgeschwindigkeit bezeichnet) und der mittleren Durchbrenngeschwindikeit. Die Durchbrennzeit kann durchaus bei gleichbleibender Flammfrontgeschwindigkeit kürzer werden, in dem das Gemisch stärker verwirbelt wird. Bei einem Zweitakter in hohen Drehzahlbereichen passiert genau das. (insbesonder bei Zylinderköpfen mit wirksamer Quetschspalte!). Die Flammfrontgeschwindigkeit bleibt gleich, es können jedoch bereits entflammte Teile schneller an weiter von der Zündkerze entfernte Bereiche kommen, als rein durch die Geschwindigkeit der Flammfront! Daher jedoch stets eine gewisse Zeit vergeht, muß vor dem oberen Umkehrpunkt des Kolbens oder Totpunkt (OT) genannt gezündet werden. Wieviel vor OT hängt von der Geschwindigkeit des Kolbens ab. Bewegt sich der Kolben langsam, muss erst kurz vor OT gezündet werden. Bewegt sich der Kolben aufgrund hoher Motordrehzahl sehr schnell, muss deutlich vor OT bereits gezündet werden. Allgemein kann gelten: ca. 0 bis ca. 40 Grad Vorzündung (Frühzündung). Bei 0 Grad wird allerdings schon kräftig der Krümmer geheizt.

Ziel ist es also, zu jeder Drehzahl und Lastkombination den richtigen Zündzeitunkt zu finden. Das ist allerdings noch nicht alles, Im Teillastbereich tritt eine Abmagerung des Gemisches auf, was zu einer insgesamt langsameren Durchbrenngeschwindigkeit führt. Daher muß auch hier der Zündzeitpunkt mehr in Richtung Früh verstellt werden.

Die Lage des günstigsten Zündzeitunktes wird für jeden Motor im Versuch ermittelt. Er ist abhängig von der Drehzahl, dem Verbrennungsluftverhältnis, dem Druck und der Temeratur des verdichteten Gemischs. Kriterium für einen guten Wirkungsgrad ist der Zeitpunkt, zu dem das Gemisch vollständig entflammt ist. Dieser Zeitunkt soll kurz nach dem oberen Totunkt (OT) erreicht werden.

Bei einem betriebswaremn Motor liegt die Temeratur des Gemischs (Kraftstoff, Luft und Abgasreste) zu Beginn der Verdichtung bei rund 350 bis 390 K und einem Druck von 0.08 bis 0.1 MPa. Gegen Ende der Verdichtung und vor Einleitung des Zündvorganges steigen diese Werte auf 650 bis 720 K und 0.8 bis 1.2 MPa. Bereits jetzt reagieren einige Teile des Gemischs bziehungsweise zerfallen durch Kracken oder Dehydrierung. Mit steigender Oktanzahl des verwendetetn Kraftstoffes sinkt der Anteil der Kraftstoffbestandteile, die vor dem eigentlichen Zündvorgang reagieren. Dies liegt an den unterschiedlichen Verdampfungsverhalten der Kraftstoffe.

Der Zündverzug (Ottomotor) oder Brennverzug ist die Zeitspanne zwischen der Zündung (an der Zündkerze) und dem Brennbeginn (Auftreten der Flamme im Gemisch). Diese Zeitspanne wird durch das Aufheizen des in Zündfunkennähe befindlichen Gemischs auf die Zündtemeratur bestimmt. Für Werte von Lambda im bereich 0.95 bis 1.15 gilt eine Zeit von etwa 1ms. In Richtung größerer Luftmangel steigt dieser Wert stärker an, als er in Richtung größerer Luftüberschuß ansteigt. Mit einem steigenden Verdichtungsverhältnis und steigender Temperatur nimmt der Verzug ab. Der Einfluß von Druck und Temperatur ist größer als der des Verbrennungsluftverhältnisses. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme beginnt ann der Zündkerze langsam und erreicht beim Verbrennungshöchstdruck 3.0 bis 4.0 MPa und Verbrennungshöchsttemperatur 2000 bis 2500 K ihr Maximum. Gegen Ende der Brenndauer wird diese wieder langsamer (Sauerstoffmangel und annäherung an die kühlere Zylinderwand. Die mittlere Geschwindigkeit beträgt etwa 10 bis 25 m/s. Allgemein kann angenommen werden:

Lambda=0.6 v=17m/s
Lambda=0.8 v=22m/s (maximal)
Lambda=1.0 v=20m/s
Lambda=1.2 v=15m/s

Während des Brennverzuges ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit sehr gering. Hier finden vorwiegend chemisch/physikalische Vorgänge statt. Der Wirkungsgrad der Verbrennung ist stark von der Turbulenz des Gemisches ängig.
Bedacht werden kann auch der Zusammenhang der benötigten Ladungsmenge abhängig von Drehzahl in Verbindung mit der Batteriespannung. Hieraus kann die erforderliche Ladungsmenge für die nächste Zündung und der resultierende Schließwinkel errechnet werden. Somit kann stets die benötigte Zündenergie (und nur diese) bereitgestellt werden. Problematisch ist, dass es teilweise etwas mehr Energie bedarf, damit der rußge Isolator duch den Zündfunken wieder freigebrannt wird...


Die Berechnung und Berücksichtigung der real benötigten Zündenergie wollen wir an dieser Stelle einmal beiseite lassen. Hautaugenmerk liegt vorerst beim Kennfeld der Zündung und dessen Berechnung.

Ein Zündkennfeld besteht üblicherweise aus drei Größen - sprich es ist dreidimensional: x(Drehzahl), y(Last) und z(Zündwinkel). Somit ergibt sich der gesuchte Zündwinkel z aus der aktuell vorherrschenden Drehzahl-Last Kombination.

Wie gehts jetzt weiter?
Naja, also generell müssen die ganzen Variablen per sensor erfasst werden, und dann mittels Kennfeld der nötige Zündwinkel bestimmt werden. Mhm, da werde ich mal noch etwas nachdenken müssen - aber an dem Projekt bin ich sozusagen gerade dran
Erweiterungen werden wie immer in der Einsiegsseite Zweitakter Tuning HOME bekanntgegeben. Bis bald.

Folgende Vorschläge hat Mario per email an mich gesendet, vielen Dank:
Parameter: Drehzahlerfassung, wie auch immer...
Drosselklappenpoti
Peltierelement
Piezoelement.

Das reicht schon. Da liegen aber auch die Probleme. Die letzten beiden halten nicht lange.

Warum das alles??

StVZO nicht mehr möglich. Leider zu laut. Da ist Bimota drann Pleite gegangen.
Leistung: Die Spritze bringt nichts. Vergaser funktionieren da prima.
Vorschlag:
Die Zündung programieren. Ggf. adaptiv. Im Ladebereich der Abgasanlage wird die Zündung auf grob 20Grad gefahren sonst bis vielleicht sogar 40Grad. die 20 sind jedoch die interessanten. Da rennt der Motor.

Verbesserungen:

Mit dem Peltier die Brenntemp. erfassen, muss ein schneller Rechner sein. Brenntemp. erfasst die Gemischzusammensetzung. Darf nicht zu heiß werden, sonst geht der Kolben fest.

Mit dem Piezo den Brennraumdruck erfasseen. Höchster Arbeitsdruck = höchste Leistung!!

Die LamdaSonde bringt gar nichts. Spülverluste beim Zweitakter HC ohne Ende oder bei Direkteinspritzer Spülverluste mit reiner Luft.

Quelle:  http://www.zweitaktertuning.de/zweitaktereinspritzung.html