Hallo,
im folgenden Beitrag soll dem interessierten 16 V Liebhaber die Komplexität der gasdynamischen Vorgänge welche das Drehmoment bzw. die Leistung entscheidend bestimmen am Beispiel eines 2.3-16 Standard Motors in kurzen Sätzen erläutert werden. Bei Fragen und Unklarheiten bitte ich euch nur um eins: Keine Scheu zu haben diese hier zu stellen!! Vielen Dank!!!
Den 16 Ventil Motor (Hubraum 2,299 Liter, Verdichtungsverhältnis 10,5:1; 185 PS bei 6200 U/min; 235 Nm bei 4500 U/min) unterschied bei seinem Erscheinen im Wesentlichen die Anzahl der Einlass- und Auslassventile pro Zylinder: Nämlich 4; und zwar 2 Einlass und 2 Auslassventile. Im Vergleich zu seinem damaligen Grundmotor (M 102.980 verbaut im Mercedes W123 mit der Verkaufsbezeichnung - 230 E mit 2,299 Liter; Verdichtungsverhältnis 9:1; 136 PS bei 5100 U/min; 205 Nm bei 3500 U/min) welcher mit 2 Ventilen pro Zylinder ausgestattet war (1 Einlass und 1 Auslassventil) wuchs die Ventiltellerfläche auf der Einlassseite um das 1,7 fache und auf der Auslassseite um das 1,6 fache. Diese Entdrosselung welcher der 16 Ventilmotor durch die Vergrößerung der Ventiltellerflächen erhielt ist jedoch sehr differenziert zu betrachten. Dazu wollen wir uns einmal die unterschiedlichen Drücke die im Saugrohr und im Zylinder bei einer Drehzahl von 6500 U/min (Vollast) vorherrschen genauer ansehen.
Das Drehmoment und die Leistung eines Ottomotors wird durch die angesaugte Frischgasmasse (Luft/Benzin Gemisch) im Wesentlichen bestimmt. Somit ist es die Aufgabe des Ansaug- und Abgassystems dafür zu sorgen, dass zum Einlassventilsöffnungsende der Zylinder maximal mit Frischgas gefüllt ist!
Bei der herkömmlichen Auslegung unseres Motors (Einlassbeginn 7 Grad nach OT; M 102.983 ECE; RÜF; KAT ) herrscht beim Öffnen des Einlassventils in dem Betriebspunkt 6500 U/min (Vollast) noch ein Zylinderdruck von ca. 1,8 bar welcher aus Abgas besteht. Da jedoch zum Öffnungszeitpunkt der Saugrohrdruck mit ca. 1,3 bar ungefähr 0,5 bar niedriger liegt strömt Abgas in das Ansaugsystem zurück . Dies führt zu einer Verminderung der Frischgasfüllung für das nächste Arbeitsspiel. Da jedoch der Saugrohrdruck während der Öffnungsphase der beiden Einlassventile nicht konstant abbaut sondern durch pumpen (die Frischgassäule schwingt) gekennzeichnet ist sinkt der Saugrohrdruck auf ca. 0,58 bar ab was ungefähr auch der maximalen Öffnung der Einlassventile entspricht. Da jedoch die nächste Druckwelle durch das Ansaugrohr in Richtung Einlassventile läuft (darum Schwingsaugrohr) steigt während des Schließens der Einlassventile der Saugrohrdruck und damit auch der Zylinderinnendruck an. Zum Zeitpunkt des Schließens der Einlassventile herrscht ein Zylinderdruck von ca. 1,2 bar. Interessant hierbei ist, dass der Saugrohrdruck nach dem Schließen noch um über 0,4 bar auf 1,6 bar ansteigt was bei einer entsprechenden Verlängerung der Einlasssteuerzeit zu einer deutlichen Erhöhung der dem Zylinder zugeführten Frischgasmenge führen würde. In der Konsequenz heißt das die Zylinderfüllung nicht vollständig an der dynamischen Nachladung der schwingenden Frischgassäule teilnimmt. Nun mag sich der geneigte Leser fragen warum die Konstrukteure den Einlassventilschluss nicht entsprechend in Richtung spät verändert haben. Da durch diese Veränderung die Leistung des Motors bei diesem Betriebspunkt ansteigen würde. Entscheidende Gründe liegen bei der Drehmomentcharakteristik über das gesamte Drehzahlband!!!!!
Da die Gasdynamik der Frischgassäule bei niedrigen Drehzahlen nicht sehr ausgeprägt ist würde ein spätes Schließen der Einlassventile dazu führen, dass der Kolben viel Frischgas in das Ansaugsystem zurückschiebt. Was zu einer deutlich reduzierten Frischgasfüllung im Zylinder führt! Somit ist auf ein Schließen der Einlassventile möglichst nahe am unteren Totpunkt bei niedrigen Drehzahlen zu achten! Da hiermit jedoch ein frühes Öffnen der Einlassventile einhergeht kommt es zu einer Vergrößerung der sogenannten Überschneidung (Gleichzeitige Öffnung von Auslass und Einlassventilen). Hieraus resultiert ein Rückströmen von Abgas in den Zylinder und damit in das Ansaugsystem und zu einer entsprechen Verminderung der Frischgasfüllung. Der Anteil der Abgasmenge durch das Rückströmen während der Überschneidungsphase ist unter anderem für die schlechte Leerlaufqualität hohem HC Gehalt und verschleppter Verbrennung verantwortlich!!!!!! So ließe sich durch die Überschneidungsverminderung von 24 Grad Kurbelwellenwinkel im Leerlauf der HC Gehalt um fast 70 Prozent senken!! Darüber hinaus würde die "stabilere" Verbrennung eine deutliche Absenkung der Leerlaufdrehzahl ermöglichen! Und genau hier liegt die "Schwäche" des 4-Ventilers: Ohne entsprechende Maßnahmen kann sich die Entdrosselung durch Vergrößerung des Ventilquerschnitts bei niedrigen Drehzahlen umkehren. Was bei hohen Drehzahlen zu Leistungssteigerung führt kann bei entsprechender Auslegung zu einer ausgeprägten Drehmomentschwäche von 4-ventiligen Konstruktionen im Vergleich zu 2-Ventilern bei niedrigen Drehzahlen führen! Deutlich wird dies bei einem Vergleich des Drehmomentes beider Konstruktionen (2-Ventiler vs. 4-Ventiler) so erzeugt der M 102.980 (2 Ventiler) bei 1000 U/Min ca. 170 Nm der 4-ventilige Bruder liegt mit ca. 135 Nm deutlich darunter! Aus meinen Ausführungen wird klar, dass jede Auslegung herkömmlicher Konstruktionen des Ingenieurs in Bezug auf hohe Nennleistung und befriedigendem Drehmomentverlauf bei niedrigen bis "mittleren" Motordrehzahlen einen großen Kompromiss darstellt
Ich hoffe mit meinem kleinen Beitrag ein wenig mehr Verständnis beim interessierten 16 V Liebhaber erzeugt zu haben.
Von Stern zu Stern ------------ der evoschrauber
im folgenden Beitrag soll dem interessierten 16 V Liebhaber die Komplexität der gasdynamischen Vorgänge welche das Drehmoment bzw. die Leistung entscheidend bestimmen am Beispiel eines 2.3-16 Standard Motors in kurzen Sätzen erläutert werden. Bei Fragen und Unklarheiten bitte ich euch nur um eins: Keine Scheu zu haben diese hier zu stellen!! Vielen Dank!!!
Den 16 Ventil Motor (Hubraum 2,299 Liter, Verdichtungsverhältnis 10,5:1; 185 PS bei 6200 U/min; 235 Nm bei 4500 U/min) unterschied bei seinem Erscheinen im Wesentlichen die Anzahl der Einlass- und Auslassventile pro Zylinder: Nämlich 4; und zwar 2 Einlass und 2 Auslassventile. Im Vergleich zu seinem damaligen Grundmotor (M 102.980 verbaut im Mercedes W123 mit der Verkaufsbezeichnung - 230 E mit 2,299 Liter; Verdichtungsverhältnis 9:1; 136 PS bei 5100 U/min; 205 Nm bei 3500 U/min) welcher mit 2 Ventilen pro Zylinder ausgestattet war (1 Einlass und 1 Auslassventil) wuchs die Ventiltellerfläche auf der Einlassseite um das 1,7 fache und auf der Auslassseite um das 1,6 fache. Diese Entdrosselung welcher der 16 Ventilmotor durch die Vergrößerung der Ventiltellerflächen erhielt ist jedoch sehr differenziert zu betrachten. Dazu wollen wir uns einmal die unterschiedlichen Drücke die im Saugrohr und im Zylinder bei einer Drehzahl von 6500 U/min (Vollast) vorherrschen genauer ansehen.
Das Drehmoment und die Leistung eines Ottomotors wird durch die angesaugte Frischgasmasse (Luft/Benzin Gemisch) im Wesentlichen bestimmt. Somit ist es die Aufgabe des Ansaug- und Abgassystems dafür zu sorgen, dass zum Einlassventilsöffnungsende der Zylinder maximal mit Frischgas gefüllt ist!
Bei der herkömmlichen Auslegung unseres Motors (Einlassbeginn 7 Grad nach OT; M 102.983 ECE; RÜF; KAT ) herrscht beim Öffnen des Einlassventils in dem Betriebspunkt 6500 U/min (Vollast) noch ein Zylinderdruck von ca. 1,8 bar welcher aus Abgas besteht. Da jedoch zum Öffnungszeitpunkt der Saugrohrdruck mit ca. 1,3 bar ungefähr 0,5 bar niedriger liegt strömt Abgas in das Ansaugsystem zurück . Dies führt zu einer Verminderung der Frischgasfüllung für das nächste Arbeitsspiel. Da jedoch der Saugrohrdruck während der Öffnungsphase der beiden Einlassventile nicht konstant abbaut sondern durch pumpen (die Frischgassäule schwingt) gekennzeichnet ist sinkt der Saugrohrdruck auf ca. 0,58 bar ab was ungefähr auch der maximalen Öffnung der Einlassventile entspricht. Da jedoch die nächste Druckwelle durch das Ansaugrohr in Richtung Einlassventile läuft (darum Schwingsaugrohr) steigt während des Schließens der Einlassventile der Saugrohrdruck und damit auch der Zylinderinnendruck an. Zum Zeitpunkt des Schließens der Einlassventile herrscht ein Zylinderdruck von ca. 1,2 bar. Interessant hierbei ist, dass der Saugrohrdruck nach dem Schließen noch um über 0,4 bar auf 1,6 bar ansteigt was bei einer entsprechenden Verlängerung der Einlasssteuerzeit zu einer deutlichen Erhöhung der dem Zylinder zugeführten Frischgasmenge führen würde. In der Konsequenz heißt das die Zylinderfüllung nicht vollständig an der dynamischen Nachladung der schwingenden Frischgassäule teilnimmt. Nun mag sich der geneigte Leser fragen warum die Konstrukteure den Einlassventilschluss nicht entsprechend in Richtung spät verändert haben. Da durch diese Veränderung die Leistung des Motors bei diesem Betriebspunkt ansteigen würde. Entscheidende Gründe liegen bei der Drehmomentcharakteristik über das gesamte Drehzahlband!!!!!
Da die Gasdynamik der Frischgassäule bei niedrigen Drehzahlen nicht sehr ausgeprägt ist würde ein spätes Schließen der Einlassventile dazu führen, dass der Kolben viel Frischgas in das Ansaugsystem zurückschiebt. Was zu einer deutlich reduzierten Frischgasfüllung im Zylinder führt! Somit ist auf ein Schließen der Einlassventile möglichst nahe am unteren Totpunkt bei niedrigen Drehzahlen zu achten! Da hiermit jedoch ein frühes Öffnen der Einlassventile einhergeht kommt es zu einer Vergrößerung der sogenannten Überschneidung (Gleichzeitige Öffnung von Auslass und Einlassventilen). Hieraus resultiert ein Rückströmen von Abgas in den Zylinder und damit in das Ansaugsystem und zu einer entsprechen Verminderung der Frischgasfüllung. Der Anteil der Abgasmenge durch das Rückströmen während der Überschneidungsphase ist unter anderem für die schlechte Leerlaufqualität hohem HC Gehalt und verschleppter Verbrennung verantwortlich!!!!!! So ließe sich durch die Überschneidungsverminderung von 24 Grad Kurbelwellenwinkel im Leerlauf der HC Gehalt um fast 70 Prozent senken!! Darüber hinaus würde die "stabilere" Verbrennung eine deutliche Absenkung der Leerlaufdrehzahl ermöglichen! Und genau hier liegt die "Schwäche" des 4-Ventilers: Ohne entsprechende Maßnahmen kann sich die Entdrosselung durch Vergrößerung des Ventilquerschnitts bei niedrigen Drehzahlen umkehren. Was bei hohen Drehzahlen zu Leistungssteigerung führt kann bei entsprechender Auslegung zu einer ausgeprägten Drehmomentschwäche von 4-ventiligen Konstruktionen im Vergleich zu 2-Ventilern bei niedrigen Drehzahlen führen! Deutlich wird dies bei einem Vergleich des Drehmomentes beider Konstruktionen (2-Ventiler vs. 4-Ventiler) so erzeugt der M 102.980 (2 Ventiler) bei 1000 U/Min ca. 170 Nm der 4-ventilige Bruder liegt mit ca. 135 Nm deutlich darunter! Aus meinen Ausführungen wird klar, dass jede Auslegung herkömmlicher Konstruktionen des Ingenieurs in Bezug auf hohe Nennleistung und befriedigendem Drehmomentverlauf bei niedrigen bis "mittleren" Motordrehzahlen einen großen Kompromiss darstellt
Ich hoffe mit meinem kleinen Beitrag ein wenig mehr Verständnis beim interessierten 16 V Liebhaber erzeugt zu haben.
Von Stern zu Stern ------------ der evoschrauber
