Prüfmotoren
Prüfmotoren zur Klopfwertbestimmung von Kraftstoffen
(Test engines for determining the knock value of fuels - Transcribed from VDI nr 39, 1938)
Von Prof. Dr.-Ing. W. Wilke VDI, Ludwigshafen a. Rh.1)
Als Maß für die Klopffestigkeit eines Ottokraftstoffs wird allgemein die Oktanzahl benutzt. Sie setzt wegen ihrer Abhängigkeit von der Motorbauart die einheitliche Festlegung eines Prüfmotors voraus.
Bisher diente als solcher allgemein der in den Vereinigten Staaten von Amerika entwickelte sog. CFR-Motor. Neuerdings hat der Reichs- und Preußische Verkehrsminister einen von der I. G. Farben-industrie entwickelten Prüfmotor als deutschen Prüfmotor für Ottokraftstoffe anerkannt. Sein Aufbau und seine Egebnisse werden nachstehend erstmalig mitgeteilt.
Für die Bewertung der motorischen Eignung der Dieselkraftstoffe hat sich als Maßstab die Cetenzahl neuerdings die Cetanzahl — weitgehend eingeführt, die die Zündwilligkeit des Kraftstoffs im D ieselm otor anzeigt. Flingegen ist das Meßverfahren zu ihrer Bestimmung noch In der Entwicklung begriffen. A m meisten zur Anwendung kommt das Zündverzugverfahren. Die Erfahrungen der I. G. Farbenindustrie bei der Entwicklung und Untersuchung eines Prüf-Diesel-motors dürften auch hier für die anzustrebende Vereinheitlichung der Prüfverfahren und -motoren wertvolle Unterlagen abgeben.
Ottokraftstoffe Entwicklung der Klopfmaßstäbe
Als im Jahre 1924 die I. G. Farbenindustrie mit der praktischen Erprobung des von ihr gefundenen Gegen-klopfmittels Eisenkarbonyl begann, war es notwendig, das verschiedenartige Klopfverhalten der einzelnen Kraftstoffe in eineri Maßstab einzuordnen. Die Einflüsse auf das Klopfverhalten waren zu jener Zeit noch sehr wenig bekannt, ebensowenig gab es damals in Deutschland Klopfprüfmotoren oder gar besonders ausgearbeitete Prüfverfahren. Nur wenige Stellen befaßten sich mit der Klopfwertprüfung, und jede einzelne hatte ihren eigenen Motor mit dazugehörigem Untersuchungsverfahren. Dieses bunte Bild spiegelt sich schon in der viel-seitigen Benennung des Klopfens wieder: Klopfen, Detonieren, Pinken, Klingeln, Boxen usw. waren damals die gleichzeitig gebrauchten Ausdrücke für ein und dieselbe Erscheinung.
Die Entwicklungsgeschichte des KlopfprüfStandes der I. G. ist zugleich die der Klopfmessung in Deutschland. Wir begannen unsere Versuche mit einem Vierzylinder-Benz-Motor. An dieser Maschine wurde das Verdichtungs verhältnis so eingestellt, daß bei gewöhnlichem Betrieb das damals übliche Benzin klopfte. Dieses Klopfen konnte mit Eisenkarbonyl als Zusatz beseitigt werden, und die hierzu benötigte Menge war ein Maßstab für das Klopfen. Ein Benzin war also um so klopffester, je weniger Eisen karbonyl bis zum Verschwinden des Klopfens gebraucht wurde. Diese erste Klopfskale ist, zusammen mit den später entwickelten Klopfmaßstäben, in Bild 1 dargestellt und umfaßte naturgemäß nur einen verhältnismäßig engen Meßbereich. Schon damals wurde ein Vergleichsbenzin bei den Untersuchungen verwendet, und es war eine müh selige Arbeit, nach dem Aufbrauchen eines Vorrats ein zweites geeignetes Vergleichsbenzin herzustellen. Die Zusammenarbeit mit der amerikanischen Standard Oil Co. brachte es mit sich, daß deren Klopfwerte in die I. G.-Werte zu übersetzen waren, was sehr umständliche und zeitraubende Vergleichsversuche als Voraussetzung hatte. Bei der Skale der Standard Oil Co. wurde als Vergleichskraftstoff ein Eichbenzin verwendet, dem bestimmte Mengen Bleitetraäthyl zugesetzt wurden. Man erkennt, daß z. B. der Klopfwert 15 der I. G.-Skale den gleichen W ert hatte wie etwa der von 4 der Standard-Skale. Die internationale Einführung der Oktan-Skale, die seit 1932 angewandt wird, war ein wichtiger Schritt zur Vereinheitlichung der Klopfprüfverfahren. Jetzt endlich konnte überall mit genau den gleichen Stoffen als Vergleichsgrundlage gemessen werden, und deren Ergänzung stellt keine Aufgabe mehr dar, weil sie als chemisch reine Stoffe immer und überall in gleicher Beschaffenheit
hergestellt werden können. Diese Eichstoffe sind das Normal-Heptan, ein unverzweigter Kohlenwasserstoff, und ein iso-Oktan, das 2-2-4-Trimethyl-Pentan, ein verzweigter Kohlenwasserstoff 2). Das Heptan ist der stark klopfende, das Oktan der klopffeste Kraftstoff. Der Gehalt an Oktan in der Mischung, d. i. die Oktanzahl, gibt den Klopfwert an. Diese Kohlenwasserstoffe, die herzustellen anfangs außerordentliche Schwierigkeiten machte, werden heute bei der I. G. synthetisch erzeugt. Wie sich diese internationale Skale zu den beiden anderen schon erwähnten Skalen verhält, ist in Bild 1 ebenfalls dargestellt. Zugleich ist angegeben, welche Klopffestigkeit unsere heute üblichen Kraftstoffe, wie sie an den Zapfstellen erhältlich sind, haben.
- ) Vgl. W. Gießmann, Z. V D I, Bd. 80 (1936) S. 833.
- ) Vgl. A . v. Phüippoeüh, D VL-Jahrbuch, München u. Berlin 1931.
E n t w i c k l u n g d e r P r ü f m o t o r e n
So bunt wie die angewandten Prüfverfahren und Klopfmaßstäbe, so mannigfaltig waren früher auch die Prüfmotoren. Die Mängel, die den Mehrzylindermotor zur Klopfwertbestimmung wenig geeignet machen, wurden schon frühzeitig erkannt, und wir gingen bald zur Verwendung von kleinen handlichen Einzylinder-Motoren über. Da solche in Deutschland nicht vorhanden waren, stellten wir diese seit dem Jahre 1929 selbst her, und zwar zunächst mit feststehendem, von 1930 an mit veränderlichem Verdichtungsverhältnis. Mit diesen Prüfmotoren beteiligten wir uns an den ersten deutschen Vergleichs versuchen 5)
Entscheidend beeinflußt wurde das Klopfprüfwesen durch den im Jahre 1932 von dem amerikanischen Cooperative Fuel Research Committee eingeführten CFR-Motor 2), der sich rasch als internationaler Einheitsmotor zur Klopfwertbestimmung entwickelte. Alle anderen Prüfmotoren traten diesem Gerät gegenüber in den Hinter grund, und bald dienten bei der internationalen Verständigung über das klopfverhalten ausschließlich Werte, die an diesem Motor und mit der Oktanzahl als Maßstab ermittelt worden waren.
Vergleichsversuche zwischen dem I. G.-Motor und dem CFR-Motor zeigten, daß es nur geringer Änderungen in den Betriebsbedingungen des I. G.-Motors bedurfte, um praktisch die gleichen Meßergebnisse wie am CFR-Motor zu erzielen. Danach arbeiteten wir jahrelang mit diesem Motor, von dem wir im ganzen vier Stück selbst an gefertigt hatten, zu unserer vollen Zufriedenheit.
Die durch Vereinheitlichung vom Prüfmotor und Prüfverfahren erzielte Übereinstimmung in den Meß werten von verschiedenen Prüfständen ist heute sehr befriedigend. In Bild 2 und 3 sind zwei Versuchsreihen dargestellt, die auf Anregung des Deutschen Verbandes für die Materialprüfungen der Technik vor und nach der Vereinheitlichung durchgeführt sind. Der große Fortschritt in der Genauigkeit der Klopfwertbestimmung während dieser drei Jahre ist klar ersichtlich, sinkt doch die Streuung — deren Höchstwert 27 Einheiten der Oktanzahl erreicht — von 13,3 auf 2,4 im Mittel aller Versuche.
Als es die Devisenlage des Reiches erschwerte, weitere CFR-Motoren ein zuführen, trat im Jahre 1936 der Deutsche Verband für die Materialprüfungen der Technik mit der Bitte an die I. G. heran, ihre Erfahrungen im Bau von Klopfprüfständen der Allgemeinheit zur Verfügung zustellen. Wir kamen diesem Wunsch nach und übergaben unsere Zeichnungen der Firm a Daimler-Benz, Werk Mannheim, die nunmehr die Geräte unter der Bezeichnung „I. G.-Prüf-motor“ anfertigt und vertreibt. Um den Anschluß an die CFR-Werte des Auslandes zu sichern, werden die Meßwerte eines jeden einzelnen Prüfmotors vor seiner Ablieferung gründlich geprüft.
Aufbau des I. G . - Prüfmotors für Otto kraftstoffe
Bild 4 und 5 zeigen den Prüfmotor im Schnitt, Bild 6 zeigt ihn in der Ansicht. Der Unterteil des ver schiebbaren Zylinders hat ein Flach gewinde. Die dazugehörige Mutter ist als Schneckenrad ausgebildet, in das eine Schnecke eingreift. Durch Drehen der Schnecke kann das Verdichtungsverhältnis von 4:1 bis 15:1 geändert werden. Den jeweiligen Stand des Verdichtungsverhältnisses zeigt die Trommel skale c an. Neben ihr ist eine Oktanskale, auf der an näherungsweise der Klopfwert der Probe nach dem CFR-Motor-Verfahren 2) abgelesen werden kann. In dem abnehmbaren Zylinderkopf befinden sich die hängenden, von gleicharmigen Kipphebeln gesteuerten Ventile und der Springstift- oder Sprungstabindikator 2) zum Messen der Klopfstärke. Die Änderung des Ventilspiels bei der Verschiebung des Zylinders wird dadurch ausgeglichen, daß der Drehpunkt der gleicharmigen Kipphebel die halbe Verschiebung mitmacht. Die in dem Kühlmantel eingesetzte „nasse“ Laufbüchse aus Grauguß ist auswechselbar. Der Kolben ist aus Leichtmetall; Pleuelstange und Hirth-Kurbelwelle 3) laufen in Rollen- bzw. Kugellagern. Für die Umlauf schmierung dient eine regelbare Pumpe, der Schmieröl stand kann durch ein Schauglas überwacht werden. Der Zündzeitpunkt wird auf einer nachstellbaren Teilung ab gelesen; die Vorzündung bleibt über den ganzen Meß bereich des Motors gleich. Eine 12 V-Zünd-Lichtmaschine, die zugleich den Strom für die Klopfmeßgeräte liefert, erzeugt die Zündspannung über einen Unterbrecher mit Spule. Der Zylinder wird durch Verdampfungskühlung je nach dem Untersuchungsverfahren mittels Wasser oder Glykol-Wasser-Gemisch gekühlt, wobei der Umlauf durch Schwerkraftwirkung geschieht und die entstehenden Dämpfe durch eine besondere Kühlschlange in einen Kondensator geführt und dort niedergeschlagen werden.
Der Vergaser ist.bei den neueren Ausführungen ein Dreischwimmer-Vergaser mit Umschalthahn und gemein samer Düse samt Trichter, Bild 7 und 8. Die Schwimmer nadelventile sind durch Drehen der Kraftstoffbehälter in der Höhe verstellbar, wodurch sich der Brennstoff spiegel und dadurch das Gefälle gegenüber der feststehen den Düsenmündung ändert. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch ist auf diese Weise in seiner Zusammensetzung viel feiner regelbar als z. B. durch Ändern des Düsenquerschnittes.
Die eingestellten Brennstoffspiegel werden an Marken ab gelesen, wobei eine Teilstrichänderung durch eine ganze Umdrehung des Kraftstoffbehälters hervorgerufen wird. Das Brennstoff-Luft-Gemisch kann in seiner Zuleitung durch einen Heizeinsatz elektrisch bis zu 150 ° vorgewärmt werden. Die Vorheizung ist über einen Wider stand an der Schalttafel regelbar. Die Gemischtempe ratur wird an einem Quecksilberthermometer abgelesen. Die Belastung des Prüfmotors geschieht über ein Keilriemenpaar durch einen gekapselten Drehstrom-Kurz schlußläufer, der zugleich zum Anlassen dient. E r sitzt verschiebbar auf Spannschienen, so daß Riemenscheiben von verschiedenen Durchmessern aufgebracht werden können. In der Regelausführung kann er auf 380 V oder 220 V Wechselspannung geschaltet werden. Die Drehzahl des Stromerzeugers bleibt unverändert, während die Drehzahl des Prüfmotors durch die Größe der Keilriemen scheibe bestimmt wird. Über dem Stromerzeuger sitzt die Zünd-Lichtmaschine; beide sind durch einen weiteren Keilriemen verbunden.
Die Schalttafel trägt den sog. Klopfstrommesser, den Heizstrommesser samt Regelwiderstand, die nötigen Schalter und ein Schreibpult. Ein Leistungsmesser zeigt die Stromentnahme beim Anfahren des Prüfmotors und dessen Leistung während des Betriebes an.
Der Klopfstrommesser mißt thermoelektrisch die Temperaturerhöhung eines Widerstandes durch den Klopf-strom, d. i. den zwischen den Kontakten des Springstift indikators bobachtung hat das Gerät eine Dämpfung, die zum rascheren Einstellen des Motors oder zum Prüfen des Spring stiftindikators abgeschaltet werden kann. Da der Indikator den Klopfstrom steuert, muß seiner Einstellung besondere Sorgfalt zugewendet werden, weil hiervon die Ergebnisse von Vergleichsmessungen mit anderen Prüfstellen stark abhängig sein können. Es handelt sich hier bei um die Einstellung der Spannung der beiden Blatt federn, die die Kontakte tragen, sowie der Spannung der Schraubenfeder für die Einstellschraube, ferner des Abstandes der Kontakte selbst. Hierfür sind besondere Hilfsgeräte entwickelt, wobei die gefühlsmäßige Einstellung durch eine meßtechnische ersetzt wird. Diese Meßgeräte sind in einem handlichen Kasten untergebracht, Bild 9. Die Untersuchungen über den Verlauf des Klopfstromes mit der Braunschen Röhre hatten übrigens das beachtenswerte Ergebnis, daß der Klopfstrom für eine Verpuffung nicht etwa aus einem einzigen Stromstoß besteht, sondern aus mehreren unregelmäßigen Im pulsen, Bild 10, die von der oben erwähnten Einstellung des Spring stiftindikators abhanden. ie Leistung des Prüfmotors beträgt bei 1 000 U/min rd. 1kW . Der Kraftstoffverbrauch ist mit etwa 0 ,5 1/h sehr gering, so daß es in der Regel möglich ist, mit 0,25 1 Kraftstoff die Klopffestigkeit zu bestimmen. Man kann mit dem I. G.-Prüfmotor Kraftstoffe sowohl für Kraftfahrzeuge als auch für Flugzeuge untersuchen 1).
E r g e b n is s e d e s P r ü f m o t o r s
Die gute Übereinstimmung der Mgeßergebnisse mit dem I. G.- und dem CFR-Motor zeigen Versuche, die die Arbeitsgemeinschaft für Kraftfahrwesen beim Reichs- und Preußischen Verkehrsministerium kürzlich durchführtela ). In Bild 11 und 12 sind aus der Fülle der Versuche für vier CFR-Motoren und vier I. G.-Prüfmotoren die Streuungen der gemessenen Klopfwerte verschiedener Kraftstoffe dargestellt. Im Mittel ergibt sich bei den CFR-Motoren eine Streuung von 3,4, bei den I. G.-Prüfmotpren. dagegen nur von 2 £ Einheiten der Oktanzahl. Man erkennt dem nach, daß zwischen dem CFR-Motor und dem I. G.-Prüfmotor praktisch kein Unterschied besteht. Aus diesem Grunde ist der I. G.-Prüfmotor nach dem Erlaß des Reichs- und Preußischen Verkehrsministers vom 25. März 1938 in Deutschland für die einheitliche Klopffestigkeits prüfung von Leichtkraftstoffen zugelassen. Wie groß das Bedürfnis nach einem deutschen Klopf-prüfgerät ist, ergibt sich aus der Verbreitung, die der Motor in der kurzen Zeit von zwei Jahren gefunden hat: Es sind heute über 100 Motoren im Betrieb oder- im Bau. In Bild 13 sind die Eichergebnisse der ersten 25 I. G.-Prüfmotoren zusammengefaßt. In jedem der Prüfmotoren wurden sechs Kraftstoffe (Erdölbenzine und Hydrier benzine), und zwar Fliegerbenzine (1, 2, 3) und Kraftwagenbenzine (a, b, c ) untersucht. Die Unterschiede betragen durchweg ebenfalls nur 2 bis 3 Oktanzahl-Ein heiten und sind damit nicht größer als die der CFR-Motoren. Weiter wurde für alle Prüfmotoren die Eich kurve mit I. G.-Eichbenzin in Mischung mit Reinbenzol nach dem CFR-Motor-Verfahren aufgestellt; die Streuung dieser Werte beträgt, ähnlich wie bei den Einzelunter-suchungen, nur 2 bis 3 Einheiten der Oktanzahl.
Dieselkraftstoffe
Auch bei den Dieselkraft stoffen spielt die Untersuchung des Verbrennungsablaufes eine große Rolle, wobei das Klopfen ebenfalls diejenige; Eigenschaft der Kraftstoffe ist, die bei der Erzeugung vorwiegend zu berücksichtigen ist. Ein Maß für die Neigung des Kraftstoffes zum Klopfen ist der Zündverzug, d. i. die Zeit vom Ein spritzbeginn bis zum Zündbeginn.' Man hat versucht, analytische Meßverfahren zur Beurteilung der Dieselkraftstoffe heranzuziehen; die, wenn auch nicht zahlreichen, Abweichun gen von dem vorausgesetzten Zusammenhang machen aber die analytischen Bestimmungen — ebenso wie bei den Ottokraftstoffen — unsicher. Im Gegensatz zu den Klopfprüf-verfahren für Ottokraftstoffe, die allgemein anerkannt sind, geht man indessen bei der Untersuchung der Dieselkraftstoffe in bezug auf ihr Klopfverhalten weder in Deutschland noch im Ausland einheitlich vor. E s hat sich zwar eingebürgert, die Diesel kraftstoffe nach Cetenzahlen 5) oder Cetanzahlen “) zu bewerten, jedoch sind über den Prüfmotor doch keine ein heitlichen Vorschläge vorhanden. Bekanntlich weist das Klopfverhalten der beiden Motorengattungen, des Otto- und des Dieselmotors, eine Gegensätzlichkeit auf, Übersichtstafel 1. Die wichtigsten Übersichtstafel
1. V o r a u s s e t z u n g e n d e s K l o p f e n s i m D i e s e l - u n d O t t o m o t o r .
Betriebsbedingungen, die von der Seite des Motors auf das Klopfen Einfluß haben, sind: Verdichtung, Drosselung oder Überladung, Belastung, Drehzahl und Wärmezustand der Maschine. Man sieht z. B., daß das Klopfen beim Ottomotor mit dem Verdichtungsverhältnis, der Belastung sowie mit der Betriebserwärmung der Maschine zunimmt, während beim Dieselmotor das Gegenteil der Fall ist. Diese Gegensätzlichkeit kann man auch in der Darstel lung der gegenseitigen Abhängigkeit der Oktanzahl und der Cetenzahl zeigen 7). Die Oktanzahl hat um so höhere Werte, je niedriger die Cetenzahl ist, d. h. die Klopffestigkeit und Zündwilligkeit stehen im umgekehrten Verhältnis zueinander. Einer Oktanzahl von 100 entspricht eine Cetenzahl von etwa 20 und einer Oktanzahl null eine Cetenzahl von etwa 55.
A u f b a u e i n e s P r ü f m o t o r s f ü r D i e s e l k r a f t s t o f f e
Bei der Untersuchung deutscher Dieselkraftstoffe, die bis in die Jahre 1929 und 1930 zurückgeht, benutzten wir bei der I. G. Farbenindustrie zunächst vorhandene langsamlaufende Einzylindermotoren an denen die Messungen mit gewöhnlichen Federindikatoren durchgeführt wurden. Wir mußten aber bald'zu schnellaufenden Motoren über gehen, wofür wir eine sehr geeignete Bauart in dem ^stehenden Einzylindermotor der Motorenwerke Mannheim von etwa 11 Hubraum fanden. Dieser Motor wurde auf veränderliche Verdichtung umgebaut; Bild 14 und 15 zeigen seinen Aufbau, Bild 16 zeigt seine Ansicht 8). Die Maschine läßt sich in einem Drehzahlbereich von etwa 500 bis 2 000 U/min verwenden und ihre Leistung beträgt bei 1 000 U/min rd. 3 kW. Auch hier sind die Kipp hebel für die Ventilbetätigung in gleicher Weise wie bei dem Prüfmotor für Leichtkraft stoffe gelagert. Der Zylinderkopf und die Zylinderbüchse werden durch Schnecke und Schneckenrad verschoben, so daß der Verbrennungsraum hierdurch verändert werden kann. Auf diese Weise läßt sich das Verdichtungsverhältnis von etwa 8 : 1 bis 25 :1 verändern. Der Zylinderkopf mit der Laufbüchse ist durch eine als Handrad ausgebildete Gegenmutter kräftig gegen das Gehäuse abgestützt, so daß die Maschine völlig erschütterungs frei läuft. Auch hier wird Verdampfungskühlung angewen det; eine elektrische Heizvorrichtung dient zum uftvor wärmern Bei der Ausbildung des Verbrennungsraumes war anzustreben, daß er bei der Verdichtungsänderung annähernd ähnlich blieb. Eine strenge geometrische Ähnlichkeit läßt sich allerdings wegen des gleich bleibenden Zylinderdurchmessers nicht erzielen. Am einfach sten ist wohl die in Bild 17 dargestellte Form. Der Verdichtungsraum befindet sich in der
Hauptsache im Zylinderkopf und kann durch einen zusätzlichen Kolben verändert werden. Doch läßt dieser Zylinderkopf bei dem vorgesehenen kleinen Zylinderdurchmesser zu wenig Platz für die Ventile.
Die besten Ergebnisse wurden mit der Brennraum gestaltung nach Bild 18 und 19 erhalten. Im Kolbenboden befindet sich eine annähernd halbkugelförmige Vertiefung, in die der Kraftstoff durch einen kegelförmigen Anschnitt
seitwärts von der Zylinderwand her eingespritzt wird. Die verwendete Einlochdüse spritzt mit einer Neigung von 12 ° gegen den Kolbenboden. Die Länge des Kegel einschnittes ist so groß, daß der Kraftstoffstrahl gut zer
stäuben kann. Die Kugelförm des Verbrennungsraumes wurde als Idealform angestrebt, weil hierbei der kleinste Durchbrennweg erzielt wird. Es wurde unmittelbare Einspritzung gewählt, da sie klar und deutlich Unterschiede der untersuchten Kraftstoffe in ihrem Verbrennungsverlauf erkennen läßt. Ein Vorkammermotor z. B. wäre infolge seiner Unempfindlichkeit gegenüber Kraftstoffänderungen weniger geeignet.
B e s t i m m u n g d e r C e t e n z a h l
Bei der Bestimmung des Zündverzuges wird die Verdichtung solange geändert, bis der Zündverzug einen be stimmten Wert erreicht hat, den wir auf 180 Kurbelwinkel festgelegt haben. Die Einspritzung geschieht dabei stets 20° Kurbelwinkel vor dem oberen Totpunkt. Durch Vergleich mit Ceten als zündwilligem und Alpha-Methylnaphthalin als stark klopfendem Be-zugskraftstoff läßt sich so die Cetenzahl des untersuchten Kraftstoffes bestimmen.
Vielfach wird der Zündverzug auch bei un veränderlicher Verdichtung gemessen. Die Beziehungen zwischen bei den Verfahren geben Bild 20 und 21 wieder. Die Cetenzahl ist hier einmal in Abhängigkeit vom Verdichtungsverhältnis bei unveränder tem Zündverzug und das andere Mal in Abhängig keit vom Zündverzug bei gleichbleibendem Verdichtungsverhältnis dar gestellt. Nach beiden Verfahren wurden für die gleichen Kraftstoffe die gleichen Cetenzahlen ermittelt. Der Nachteil des Verfahrens mit gleichbleibender Verdichtung liegt jedoch darin, daß der Meßbereich nur gering ist; z. B. liegt er bei dem Verdichtungsverhältnis 16 nur zwischen den Cetenzahlen 25 und 60, Bild 21. Bei Cetenzahlen unter 25 läuft die Maschine bei dieser Verdichtung nicht mehr ein wandfrei, und bei höheren Cetenzahlen als 60 ist kein meßbarer Unterschied im Zündverzug mehr vorhanden. Auf Grund dieser Erkenntnis wurde das Verfahren der Messung bei gleich bleibendem Zündverzug für die weiteren Untersuchungen angewendet.
E r g e b n i s s e d e s P r ü f - D ie s e l m o t o r s
Bild 22 gibt Eichkurven des I. G.-Prüf-Dieselmotors wieder. Als Eichstoffe dienten — an Stelle von Ceten und Alpha-Methylnaphthalin — ein badischer Dieselkraftstoff und ein Steinkohlenmittelöl. E s ergibt sich dabei, daß zwischen der Verdichtungsveränderung, ausgedrückt in mm Zylinderkopfverschiebung, und der Änderung der Cetenzahl praktisch eine geradlinige Abhängigkeit besteht. Infolge äußerer Einflüsse — Verkokung der Düse, Hängenbleiben der Nadel, Änderung des Wärmezustandes der Maschine — muß die Eichung wiederholt werden. Es ist bei uns Regel, daß vor und nach jeder Versuchsreihe diese Beziehung nachgeprüft wird. Dabei hat sich heraus gestellt, daß bei einer Veränderung des Zusammenhanges sich die Verdichtungslinie parallel zu sich verschiebt. Es genügt daher in der Regel, nur einen oder zwei Punkte dieser Geraden zu bestimmen, wodurch das Meßverfahren sehr vereinfacht wird und an Genauigkeit gewinnt. Während an der oberen Grenze die Dieselkraftstoffe in allen praktisch vorkommenden Fällen unmittelbar gemessen werden kömien, geht die untere Grenze für die unmittel bare Messung etwa bis zu der Cetenzahl 10. Kraftstoffe mit noch niedrigerer Cetenzahl können durch Mischungen bestimmt werden.
Bild 23 gibt die Ergebnisse von Vergleichsversuchen wieder, die am I. G.-Prüf-Dieselmotor und am CFR-Motor 8) nach dem Verfahren mit veränderlicher Verdichtung durchgeführt wurden. Die größten Abweichungen betragen 5 Cetenzahl-Einheiten. Die Übereinstimmung ist als gut zu bezeichnen, wenn man beachtet, daß die Motoren von verschiedener Bauart und nicht aufeinander abgestimmt sind.
M e s s u n g d e s Z ü n d v e r z u g s
Für die Messung des Zündverzugs sind verschiedene Verfahren anwendbar, Bild 24 bis 26. So wird an dem Prüfmotor des Forschungsinstituts für Kraftfahrwesen und Fahrzeugmotoren an der Technischen Hochschule Stuttgart 9) der Einspritzbeginn und der Zündbeginn durch je einen Quarzgeber bestimmt, die einen Stromkreis steuern, Bild 24. Die Dauer der Stromeinschaltung entspricht dem Zündverzug und wird durch ein Galvanometer angezeigt. An Stelle des Galvanometers läßt sich zur Messung des Zündverzugs auch eine auf dem Schwung rad angeordnete Glimmlampe verwenden. Die Deutsche Versuchsanstalt für Luftfahrt (DVL) gebraucht für Zündverzugmessungen den von ihr ent wickelten Druckgeber 10). Der Druckgeber spricht an, wenn der Verdichtungsdruck, auf den er durch Verbindung mit einer Druckluftflasche eingestellt ist, über schritten wird. Der Einspritzbeginn wird von einem elektrischen Unterbrecher an der Einspritzdüse angezeigt. Beide Vorgänge lassen sich durch eine Schaltung, z. B. nach Bild 25, verbinden. Wir verwendeten ursprünglich für Zündverzugs messungen die Ionisierungsstrecke, Bild 26 11). Erforderlich sind hierfür — ähnlich wie bei der Anordnung Bild 25 — zwei Stromkreise, deren Spannungen einander entgegengeschaltet werden. In dem mittleren Teil der Leitung, der beiden Stromkreisen gemeinsam ist, liegt eine Glimm lampe, die auf dem Schwung rad angeordnet ist. In dem ersten Stromkreis, dem linken in Bild 26, befindet sich der Einspritzkontakt. Wird nun die Brennstoffnadel angehoben, so leuchtet die Glimmlampe auf. Am Ende des Zündverzugs, also bei Zündbeginn, wird durch die heißen Verbrennungsgase die Ionisierungsstrecke im zweiten (rechten) Stromkreis leitend, so daß die Spannung in dem gemeinsamen Teil der Leitung wegen der Gegenschaltung der Stromquellen ausgeglichen wird und die Glimmlampe erlischt.
E r m i t t l u n g d e s Z ü n d v e r z u g s a u s d e m D r u c k v e r l a u f
Außer dem Zündverzug sind jedoch zur Beurteilung eines Dieselkraftstoffes auch der Druckanstieg und der Verbrennungshöchstdruck von Bedeutung. Hierzu ist es not wendig, den gesamten Druckverlauf aufzuzeichnen, wie dies nunmehr bei den Untersuchungen mit dem I. G.-Prüf-Dieselmotor geschieht. Am besten dürfte sich für die Druckaufnahme der Piezo-Quarzindikator 1'-’) mit der Braunschen Röhre eignen; gegenüber dem häufig ange wandten Schleifenoszillographen hat die Braunsche Röhre den Vorteil der Einfachheit und Billigkeit 13). Die Haupt teile der Anordnung sind: die Druckdose mit den Quarzen als Geber, die Braunsche Röhre als Beobachtungsgerät, der Verstärker und das Seitenablenkgerät für den Kathodenstrahl10. 14). Das Druckdiagramm erscheint auf dem Leuchtschirm der Braunschen Röhre und kann gegebenenfalls im Lichtbild aufgenommen werden. Zugleich mit dem Druckverlauf lassen sich Zeitmarken, Totpunkt marken, Kennzeichnungen des Einspritzbeginns usw. auf nehmen.
A b l e n k g e r ä t f ü r d e n K a t h o d e n s t r a h l
Bei den im Handel befindlichen Indikatoren wird für die waagerechte Seitenablenkung des Strahls vielfach ein
Kippschwinggerät verwendet, wobei die Druckvorgänge in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet werden. Man versucht dabei, dieses Gerät mit der Hand so einzuregeln, das es synchron mit dem Motor läuft. Dies läßt sich nur schwer erreichen, so daß das Diagramm auf der Bild fläche wandert, was die Auswertung erschwert. Wir haben ein besonderes Seitenablenkgerät entwickelt, das unmittelbar mit der Maschine gekuppelt ist. Dieses zeich net den Druck in Abhängigkeit vom Kurbelwinkel auf. Da der Kurbelwinkel der Zeit praktisch verhältnisgleich ist, erhalten wir hier in einfacher Weise ein Zeit-Druck-Diagramm; es hat zudem noch den großen Vorteil, daß es auf der Röhre nicht wandert. In einem Gehäuse aus Isolierstoff, das mit der Kurbelwellen-Drehzahl umläuft, befindet sich ein Wasser ring, der als Widerstand und Spannungsteiler verwendet wird und sich m it' dem Gehäuse infolge der Fliehkraft dreht, Bild 27. Durch zwei Schleifringe am Gehäuse wird dem Wasserring eine Gleichspannung zugeführt. Die Zu führungselektroden am Wasserring sind genau um 180° versetzt, wobei der Totpunkt in die Mitte des aufzunehmenden
Diagramms, Bild 28, zu liegen kommt. Der Abgriff der Spannung für die Seitenablenkung geschieht durch einen Finger, der fest angeordnet ist und im Wasserring schleift. Wir erhalten so den gesamten Druckverlauf gleichmäßig über dem Kurbelwinkel. Bei diesem Diagramm interessieren uns aber vorzugsweise die Vorgänge bei der Verbrennung um den oberen Totpunkt herum, die etwa einen Kurbelwinkel von 45 ° ein nehmen. In einfacher Weise lassen sich nun diese Vor gänge auf dem Schirm der Braunschen Röhre auf die ganze Diagrammlänge auseinanderziehen. Zu diesem Zweck werden die Elektroden am Wasserring um 45° gegeneinander versetzt, Bild 29. Man erhält dann das Diagramm, Bild 30, in dem man die Verbrennungs Vorgänge genau verfolgen kann. In ähnlicher Weise haben wir ein Seitenablenkgerät entwickelt, mit dem man das Druck-Weg-Diagramm zur Ermittlung der indizierten Leistung aufzeichnen kann, Bild 31 und 32. Bei dieser Anordnung stellt man ein Gleichspannungsfeld zwischen zwei Metallplatten her, zwischen denen sich Wasser befindet. Darin läuft ein kleiner Metallstift als Spannungsabnehmer um. Bei Verwendung von vollkommen ebenen Platten, die parallel zu einander angeordnet sind, hat die zwischen den Platten und dem Stift auftretende Spannung einen reinen Sinus verlauf. In diesem Fall würde die Seitenablenkung einer unendlich langen Schubstange entsprechen. Bei endlicher Schubstangenlänge kann man die Abweichung von der Sinuslinie dadurch erhalten, daß man die Platten krümmt. Anstatt einer Flüssigkeit kann ein fester Widerstand Verwendung finden, auf dem ein Stift schleift.
D r u c k a n s t i e g u n d V e r b r e n n u n g s h ö c h s t d r u c k
Der Verbrennungshöchstdruck und der Druckanstieg d p ! d p in at/° Kurbelwinkel sind für die Bewertung eines Kraftstoffes sehr wichtig, stellen doch beide ein Maß für die Beanspruchung des Dieselmotor-Triebwerkes dar. Hoher Verbrennungsdruck und steiler Druckanstieg er geben harten Gang des Motors. Der Höchstdruck wird unmittelbar aus den> Diagramm abgelesen, und zur Messung des Druckanstieges dient ein Neigungsmesser. Damit hat man die wichtigsten Größen des Verbrennungsvorganges bestimmt. Der Druckanstieg wird vielfach auch als d p /d t , also nach der Zeit, in at/s angegeben. Dieser Wert ist inso fern nicht ohne weiteres anwendbar, als darin die Drehzahl nicht erscheint. In Bild 33 ist in Abhängigkeit von der Motordrehzahl der Druckanstieg dpld<p für verschie dene Werte von dp/dt dargestellt. In Bild 34 erkennt man, wie sich bei unveränderlichem Druckanstieg d p i d t der Wert dp/dp, mit dem Kurbelwinkel also, mit der Motordrehzahl ändert. Bei niedrigen Drehzahlen ist ein stärkerer Anstieg vorhanden als bei hohen. Zweck mäßiger ist es daher, den W ert dp/dp als Maß für den Druckanstieg zu nehmen. Wie sich die Abhängigkeit von verschiedenen Kraftstoffen hinsichtlich des Druckanstieges und des Höchst druckes auswirkt, zeigt Bild 35. E s sind hier Kraftstoffe verschiedener A rt untersucht, deren Getenzahlen zwischen 25 und 60 liegen. Man sieht, daß der dp/dp-W ert sowie der Höchstdruck um so höher sind, je niedriger die Ceten-zahl ist, was im allgemeinen auch zu erwarten war. Während aber der Höchstdruck nahezu geradlinig mit abnehmender Cetenzahl ansteigt, wird die Zunahme des Wertes-dp/dp bei Cetenzahlen unter etwa 35 in schnell wachsendem Maße steiler. B 4956
1) Vorgetragen vor der Automobil- und Flugtechnischen Gesellschaft Im VDI in Stuttgart.
3) VGL. F. Gosslau YDI Bd. S2 (1938) Nr. 12 S. 333,insbes. S. 339. Behälter3