Speed-Density-Verfahren

Aus 3000GT
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Speed-Density-Verfahren vs. Luftmassen-Messung

Grundlagen

Für den Betrieb eines Verbrennungsmotors muss dem Verbrennungsprozess möglchst genau so viel Kraftstoff (Benzin, Diesel) zur Verfügung gestellt werden, dass gerade alle Sauerstoff-Moleküle der in den jeweiligen Zylinder gesaugten Luft zur Verbrennung verbraucht werden können. Dann ist die maximale Energie-Ausbeute gesichert. Dies ist nicht unbedingt der immer erwünschte Betriebsfall, aber für unsere Betrachtung genügt dieses vereinfachte Modell. Wir betrahcten nur turboaufgeladene Motoren mit Kraftstoff-Einspritzung und elektronischer Steuerung.

Die Anzahl der Sauerstoff-Moleküle im Zylinder hängt von der Masse der Luft ab, die durch Luftfilter, Turbolader, Ladeluftkühler, Drosselklappe, Einlaß-Krümmer und Einlaß-Ventil(e) in den Zylinder gelangt. Diese Luftmasse wird letztlich durch den rechten Fuß des Fahrers oder der Fahrerin bestimmt, also durch den Öffnungsgrad der Drosselklappe.

In Abhängigkeit der zu ermittelnden Luftmasse wird dann die jeweilige Einspritzdüse des Zylinders so lange geöffnet, bis die passende Kraftstoffmenge durchgeflossen und (hoffentlich) in den Brennraum des Zylinders gelangt ist.

Danach wird gezündet usw., dieser Prozess wird anderswo betrachtet.

Hier geht es nur um die Frage, wie man die Luftmasse und damit die richtige Düsenöffnungszeit (i.e. bestmögliche Kraftstoff-Menge) ermitteln kann. Dazu kommen verschiedene Verfahren in Frage:

  • Man mißt die Luftmasse direkt -> MAF, das ist das Verfahren, das im Serienzustand angewendet wird.
  • Man misst die Drosselklappen-Stellung und errechnet daraus die Luftmasse ("Alpha-N" Verfahren, lassen wir weg).
  • Man ermittelt den drehzahl- und ladedruck-abhängigen Luftdurchsatz (Volumetric Efficiency und bestimmt danach die Düsen-Öffnungszeit (Speed-Density-Verfahren).

MAF: Vor- und Nachteile

Das MAF Verfahren ist deshalb von Vorteil, weil es kaum Tabellen und Korrektur-Funktionen benötigt. Vielmehr kann die gemessene eintretende Luftmasse direkt in die gewünschte Spritmenge umgerechnet werden. Die Anzahl der Sauerstoff-Moleküle pro Masseneinheit kann nur aufgrund der Lufttemperatur und der barometrischen Höhe schwanken, also werden diese im MAF auch gemessen und zur Korrektur benutzt.

Der MAF sitzt beim 3000GT direkt hinter dem Luftfilter. Das bedeutet, dass die Temperatur der Ansaugluft der unter der Motorhaube bzw. der Umgebung entspricht, sie liegt also zwischen -60°C und +120°C maximal. Der barometrische Druck kann zwischen 1 Bar und 0,6 Bar liegen. Beide Werte haaben also keinen ungewöhnlich großen oder kleinen Wertebereich und erfordern keine besonders genauen Sensoren.

Die Motor-Abstimmung mit einem MAF ist (besonders im Teillast-Bereich, wo kleinere Massen auftreten) recht unproblematisch. Bei Hochleistungs-Anwendungen jedoch und damit sehr großen Luftmassen sind MAF-Sensoren ggf. überfordert (dies ist beim Serien-MAF des 3000GT ab etwa 1,0 Bar Ladedruck der Fall).

Ausserdem führt jede Änderung hinter dem MAF (also z.B. andere Ladeluft-Kühler) mglw. dazu, dass neu abgestimmt werden muss. Ein Leck hinter dem MAF macht das Auto i.d.R. unfahrbar: Wenn z.B. die Y-Pipe vom Drosselklappen-Gehäuse abrutscht, oder wenn der BOV-Schlauch sich verabschiedet.

Speed-Density-Verfahren

Beim Speed-Density Verfahren, das z.B. vom AEM EMS2 angeboten wird, geht man davon aus, dass ein gegebener Motor hinter (!) der Drosselklappe bei jeder möglichen Drehzahl/Last-Kombination (Last = Druck im Ansaugkrümmer hinter der DK) einen bestimmten, festen Luftvolumen-Durchsatz erlaubt, der nicht ganz den theoretisch möglichen Wert (Hubraum*Drehzahl/2) erreicht ("Volumetric Efficiency" < 100%). Aus diesen (einmal auszumessenden) Durchsatzwerten könnte die Luftmasse und damit die Anzahl der O2 Moleküle über eine Formel ad hoc berechnet werden, woraus sich dann eine Kraftstoff-Menge ergäbe.

Der Einfachheit halber kann man aber gleich die nötigen Öffnungszeiten der Düsen in einer Tabelle hinterlegen und spart sich damit Rechenleistung. Eine solche Tabelle aufgrund gemessener Werte muss man sowieso aufbauen.

Das AEM EMS2 z.B. führt also eine Tabelle ("Fuel-Map"), die auf der X-Achse die Drehzahl und auf der Y-Achse die Last (Messwert des MAP-Sensors) aufgetragen hat. In die einzelnen Zellen der Tabelle werden die Öffnungszeiten der Düsen eingetragen, sodass das gewünschte Verhalten resultiert (z.B. maximales Drehmoment bei 3000 U/min und 1 Bar Ladedruck); dies ist der eigentliche Abstimmungsprozess. Ein Leistungsprüfstand ermöglicht, den Betriebszustand Drehzahl:Last konstant zu halten, sodass man Zelle für Zelle optimieren kann.

Auch hier benötigt man aber Korrektur-Werte aufgrund des barometrischen Drucks und der Temperatur der Ansaugluft, die die Anzahl der Sauerstoff-Moleküle pro Volumeneinheit ändern. Die Ansaugtemperatur wird hier direkt vor der Drosselklappe gemessen, und der Druck (MAP) wird im Ansaugkrümmer gemessen. Dadurch spielen bauliche Änderungen VOR der Drosselklappe beim Speed-Density-Verfahren keine Rolle. Da sich aber bei Änderungen im Motor (z.B. grösserer Ansaugkrümmer, grössere Ventile, überarbeitete Köpfe) die Volumetric Efficiency ändert, muss bei solchen Modifikationen im Gegensatz zum MAF Verfahren die Abstimmung korrigiert werden.

Um den korrekten Zündzeitpunkt zu ermitteln, wird übrigens auch vom Serien-Steuergerät eine Drehzahl/Last-Tabelle verwendet.

Nachteilig beim Speed-Density-Verfahren ist, dass die Teillast-Abstimmung durch die vielen Korrektur-Werte aufwändig und schwierig ist. Oft ist auch die X-Achse der Fuel-Map linear skaliert, dabei würde man aber unterhalb von 2000 U/min eine höhere Auflösung benötigen (also mehr Zellen in X-Richtung). Bei hohem Luftdurchsatz fallen die ganzen kleinen Nicht-Linearitäten in der Luftführung nicht ins Gewicht, bei langsamer Strömung im Teillast-Bereich aber schon. Aber - man bekommt es am Ende ganz gut hin.