POWER CONTROL

Know-how

Basierend auf über 10 Jahren Arbeitserfahrung als Ingenieur im Dienstleistungssektor der Automobilindustrie, wovon ich die meiste Zeit als Applikateur für Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen und an Motorfunktionsprüfständen verbracht habe, konnte ich mir weitreichende Fähigkeiten im Umgang mit Motoren und deren Steuerungen (BOSCH, Continental, Denso, Delphi, etc.) aneignen.

Die Projektarbeit in der Serienapplikation von Verbrennungsmotoren bringt bei heutigen Aufgabenstellungen ein hohes Maß an Komplexität mit sich. Ein erfolgreicher Projektabschluss ist ohne einen effizienten Umgang mit Prüfständen durch deren Automatisierung, der intelligenten Erfassung von Daten und deren Auswertung vor dem Hintergrund von Applikationsaufgaben, bzw. einer insgesamt effizienten Ressourcenplanung nicht möglich.

Die Planung von Messkampagnen, die Betreuung der Umsetzung, die Plausibilisierung der Messdaten, sowie deren Nutzung zur Kalibrierung komplexer Basis-Steuergeräte-Funktionen gehörten zu meinem Alltag. Die Arbeit in zahlreichen Projekten in Zusammenhang mit alternativen Kraftstoffen wie CNG, LPG, E0 bis E100 erlaubt mir ein weites Maß an Verständnis für erforderliche Soft- und Hardware bzw. einhergehende Probleme beim Einsatz von diversen Kraftstoffen in Kombination mit geeigneten Brennverfahren. 

Durch das Bestreben Fahrzeuge und insbesondere deren Motoren schneller und besser zu machen, jedoch unabhängig von der Entwicklung der Automobilindustrie agieren zu können, ist POWER CONTROL entstanden.

Als Einzelunternehmer für Engineering Dienstleistungen nehme ich gerne Aufträge aus der Industrie bis hin zum Privatkunden entgegen.

Tuning Guide

Vor der Umsetzung eines Projektes sollte immer die Zielsetzung abgesteckt werden.

Im Folgenden sind die grundsätzlichen Randbedingungen von beliebiger Motor-Hardware mit festgelegtem Hubraum schematisch dargestellt. Denn vor Beginn von Applikationsarbeiten (Chiptuning) sollte geklärt sein, welche Ziele mit welchem Hardware-Setup erreichbar sind und welche Komponenten die Zielsetzung entscheidend beeinflussen werden. Schließlich entscheidet natürlich die verbaute Hardware darüber, welche Leistungsdaten bei welcher Lebensdauer zu erwarten sind.

Allseits bekannt ist, dass zur Erzeugung von Drehmoment bzw. Leistung von Verbrennungsmotoren Kraftstoff notwendig ist. Der Kraftstoff wird mit Hilfe von Sauerstoff aus der Luft im Motor in Wärme umgewandelt, die bei der Expansion der Gase durch die Volumenänderung der Zylinder ein Drehmoment auf der Kurbelwelle verursacht. Folglich muss zur Steigerung des Drehmomentes an der Kurbelwelle mehr Kraftstoff umgesetzt werden. Damit ist auch klar, dass eine von vielen Grenzen auf dem Weg zur Leistung durch die Hardware des betroffenen Kraftstoffpfads und damit die Injektoren und die Kraftstoffpumpe /-en (Hoch-/Niederdruck) abgesteckt wird.

Das Verhältnis von Luft (Sauerstoff) zu Kraftstoff spielt ungeachtet des Brennverfahrens (Otto oder Diesel) eine entscheidende Rolle, da die Verbrennung aller Kraftstoffe nur innerhalb bestimmter Grenzen sinnvoll ist. So liegt das leistungsoptimale Luftverhältnis von Ottomotoren in etwa bei 0.87 und ist nach unten durch die Fettgrenze bei etwa 0.6 hart begrenzt. Bei Diesel Triebwerken kann das leistungsoptimale Luftverhältnis bedingt durch die Ruß-Grenze nicht erzielt werden, sodass hier in der Regel bei Werten im Bereich ~ 1.05 bis 1.10 das Leistungsmaximum limitiert ist. Unter der Voraussetzung der Einhaltung vom einem leistungsoptimalen bzw. minimal brennbaren Luftverhältnis ist also auch die dem Motor zugeführte Luftmenge begrenzend für das erreichbare Drehmoment und damit die Leistung.

Die einem Motor zugeführte Luft kann durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst werden. Grundsätzlich bedeutend ist der Unterschied zwischen Motoren solche die Luft aus der Umgebung frei ansaugen und solcher, jene mit komprimierter Luft durch einen vorgeschalteten Kompressor versorgt werden:

Frei ansaugende Triebwerke

Motoren die ihre Luft aus der Umgebung frei ansaugen sind aus Sicht der Steuerung dadurch leistungs- bzw. drehmomentbegrenzt, dass ihre Drosselklappe voll geöffnet ist. Bei voll geöffneter Drosselklappe entspricht der Druck im Saugrohr annähernd dem Umgebungsdruck, sodass bei optimaler Zündung und Kraftstoffzusammensetzung, außer einer Änderung von Nockenwellen-Hub und -Phasenwinkel (sofern vorhanden), keine weiteren Stellgrößen existieren die zu einer Erhöhung der Zylinderfüllung beitragen können.

Da bei in der Serie befindlichen Triebwerken bereits von einer optimalen Lage von Hub und Phase der Nockenwelle auszugehen ist, besteht außer durch die Verwendung von klopffesteren Kraftstoffen als zur Serienabstimmung verwendet und einer entsprechenden Zündwinkelkorrektur keine weitere Möglichkeit den Motor allein durch Softwareänderungen zu tunen.

Zur Leistungssteigerung von Saugmotoren sind dementsprechend die Luftwege, die Gaswechselorgane wie Nockenwellen-Hub und Phasenlänge, die Abgasanlage, sowie die Längen von Saug- und Abgaskrümmer-Rohrlängen und nicht zu Letzt der Kurbeltrieb auf eine vorher festgelegte Resonanzdrehzahl abzustimmen. In der Regel führen diese mechanischen Veränderungen zu einer geringfügigen Erhöhung des Drehmoments, jedoch zu einer deutlichen Erhöhung der Leistung infolge einer Verschiebung des Drehmoments hin zu höheren Drehzahlen.

Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, sind die Grenzen von frei ansaugenden Motoren mit festem Hubvolumen unter Vernachlässigung von katalysatorschädigenden Abgastemperaturen hauptsächlich durch die maximal erzielbare Drehzahl nach oben abgesteckt:


  

Aufgeladene Triebwerke

Motoren die unter Verwendung von Abgas-Turbo- oder mechanischer Aufladung mit Luft versorgt werden, bieten konzeptbedingt ein deutlich größeres Drehmoment- und Leistungs-Potenzial als frei ansaugende Motoren.  Der Luftdurchsatz von aufgeladenen Motoren ist hier durch die Grenzen des verwendeten Laders limitiert.

Besagtes Leistungs- und Drehmoment-Potenzial kann durch Veränderung von Steuer- und Regel-Funktionen der ECU erschlossen werden.

Der maximal erzielbare Ladedruck und damit Luftdurchsatz wird durch die drei unten dargestellten Grenzen eines beliebigen Turboladers bestimmt:

  1. Druckverhältnis/Pumpgrenze
  2. Verdichteraustrittstemperatur/maximale Laderdrehzahl
  3. Zulässige Temperatur vor Turbine/Stopfgrenze von Verdichter/Turbine



Diese oben beschriebenen  Grenzen bestimmen letztendlich jeden Turbolader. Lediglich die absolute Lage dieser Grenzen variiert anhängig von Geometrie und verwendetem Werkstoff des ausgewählten Fabrikats.

Bei der Entwicklung von Serienfahrzeugen wird eine stets konsistente Leistungs- und Drehmoment-Charakteristik angestrebt. Serienmotoren sollen unter möglichst alle kundenrelevanten Umgebungs- und Betriebs-Bedingungen konstantes Drehmomentverhalten liefern. Das bedeutet, dass die Auswahl des Turboladers unter Berücksichtigung der Höhenreserve erfolgen muss. Diese Reserve dient dazu, dass der Lader bei sinkendem Umgebungsdruck konstanten Ladedruck liefert ohne seine zulässige Verdichteraustrittstemperatur und Maximaldrehzahl nicht zu überschreiten. Das führt dazu, dass eine Vielzahl der verwendeten Lader unter Normbedingungen (0 Meter Höhe gegenüber dem Meeresniveau/25 °C Umgebungstemperatur) einen deutlich höheren Ladedruck erzeugen können, als sie es mit der serienmäßigen Kalibrierung tun.

Unter Einhaltung von Betriebsgrenzen kann bei solchen Motoren mit ausreichend Höhenreserve, entsprechend der unten dargestellten Abbildung, ohne Veränderungen der Hardware ein höherer Luftdurchsatz erzielt werden, als mit der Serienabstimmung der ECU:



#sizedoesmatter

Unter der Voraussetzung strömungstechnischer Ähnlichkeit und gleicher verwendeter Materialien wird durch die Größe des Turboladers für einen festgelegten Motor festgelegt, bei welchem Luftmassendurchsatz, bzw. welcher Motordrehzahl der Lader seinen Soll-Ladedruck erreicht und bei welchem Luftdurchsatz/Motordrehzahl der Ladedruck zur Einhaltung der Abgastemperatur- und Turbo-Lader-Drehzahl-Grenze  reduziert werden muss.

Somit bestimmt die Größe des verwendeten Turboladers im Wesentlichen die Lage des Drehmomentes im Drehzahlband und damit die Leistung eines Verbrennungsmotors:



Weiterhin spielen zulässige Temperaturen von Komponenten zur Abgasnachbehandlung wie Katalysatoren und Partikelfilter, so wie zulässige Spitzendrücke in den Zylindern, das Auftreten von Vorentflammungen bei Otto-Motoren und nicht zuletzt das zulässige Getriebe-Drehmoment eine Rolle bei der Abstimmung moderner Verbrennungsmotoren.

Durch Veränderungsmaßnahmen entsprechender Hardware-Komponenten kann auch der Höhe des Spitzendrucks mit einer Reduktion des Verdichtungsverhältnis, sowie durch Entdrosselung der Abgasanlage der Abgastemperatur entgegengewirkt werden.

Zusammenfassend:

  • Nicht alle Serienmotoren bieten das gleiche Potenzial für Tuning
  • Vor der Umsetzung von Änderungen sollte ihre Wirkung klar sein
  • Bei größeren Veränderungen sollte ein Konzept abgesteckt werden.

.....zu allen Themen in diesem Zusammenhang berate ich gerne und stimme ab!