Stöchiometrie und Lambdaregelung
Ein Verbrennungsmotor funktioniert wie eine große Luftpumpe, die Kraftstoff benötigt, um zu laufen und Leistung für den Antrieb zu erzeugen. Der Schlüsselfaktor in diesem Prozess ist das Luft-Kraftstoff-Gemisch. Um die Effizienz zu maximieren und die Emissionen zu minimieren, strebt das Motorsteuergerät (ECU) ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis an (14,7:1 bei Benzin) – der Punkt, an dem der Kraftstoff vollständig verbrannt wird und kein überschüssiger Sauerstoff zurückbleibt. Dieser Idealzustand wird durch Lambda = 1,0 dargestellt. Die Abgassauerstoffsonde (Lambdasonde) misst kontinuierlich den Sauerstoffgehalt im Abgas, was es dem ECU ermöglicht, die Kraftstoffzufuhr dynamisch anzupassen und so ein optimales Gleichgewicht unter variablen Bedingungen sicherzustellen.
Präzises Kraftstoffmanagement mit ECUs
Moderne Motoren erfordern eine präzise Steuerung von Kraftstoff und Zündung, um die Anforderungen an Leistung, Kraftstoffverbrauch und Emissionen zu erfüllen. Das ECU überwacht mehrere Variablen, um das ideale Luft-Kraftstoff-Verhältnis zu berechnen, darunter:
- die Lastanforderung des Motors
- die Temperatur von Motor, Luft und Kraftstoff
- die Kraftstoffqualität und der Kraftstoffdruck
- der Ladedruck oder Saugrohrdruck
Beim Beschleunigen passt das ECU die Kraftstoffeinspritzung an, um eine gute Verbrennung aufrechtzuerhalten. Sensoren wie der Luftmassenmesser (MAF) und der Ladedrucksensor (falls der Motor aufgeladen ist) messen die einströmende Luft und den Füllungsgrad der Zylinder, was eine Echtzeitanpassung der Kraftstoffzufuhr ermöglicht. Diese dynamische Steuerung sorgt für maximale Leistung, wenn sie benötigt wird, während die Effizienz des Motors im Reisebetrieb erhalten bleibt. Bei Dieselmotoren ist die Regelung des Luft-Kraftstoff-Gemisches besonders wichtig, da dies die primäre Methode zur Steuerung der Leistungsabgabe eines Dieselmotors ist. Anstatt die Motorlast mit einer Drosselklappe zu steuern, wie bei Benzinmotoren, werden Dieselmotoren über die eingespritzte Kraftstoffmenge geregelt. Obwohl ein Dieselmotor technisch ein stöchiometrisches Luft-Kraftstoff-Verhältnis hat, wird dieses nie erreicht, da der Dieselmotor durch variable Luft-Kraftstoff-Verhältnisse gesteuert wird. Diese können von 100:1 im Leerlauf bis zu 16:1 bei Volllast mit aufgeladener Ansaugluft reichen.
Ein heikles Gleichgewicht
Aufgrund der strengen aktuellen Emissionsvorschriften laufen Motoren die meiste Zeit bei Lambda = 1,0. Einige Motoren schaffen es sogar, mit mageren Luft-Kraftstoff-Gemischen (Lambda > 1,0) zu laufen, was sehr effizient ist, aber unerwünschte Nebenwirkungen haben kann. Eine davon ist die höhere Produktion von NOx-Gasen aufgrund der sehr hohen Verbrennungstemperatur. Diese Gase sind als Treibhausgase etwa 300-mal schädlicher als CO₂. Aus diesem Grund verbietet die neueste EU6e-Norm NOx-Emissionen von mehr als 60 mg/km für Benzinmotoren und 100 mg/km für Dieselmotoren, basierend auf dem WLTP-Standard.
In Situationen mit niedriger und mittlerer Last sind Motoren darauf ausgelegt, so effizient wie möglich zu arbeiten, aber in Situationen mit hoher Last und bei Vollgas ist Lambda = 1,0 nicht mehr tragbar. Bei einem höheren Risiko von Klopfen oder Zündaussetzern und einem Anstieg der Zylinder- und Abgastemperaturen kann die Verwendung eines fetten Luft-Kraftstoff-Gemisches (Lambda < 1,0) diese Effekte abschwächen. Das Einspritzen von überschüssigem Kraftstoff in die Zylinder, der nicht verbrannt wird, absorbiert tatsächlich Wärme und kühlt die Zylinder und Abgase. Der zusätzliche Kraftstoff erzeugt auch ein klopffesteres Gemisch im Brennraum, was bei hoher Last und Leistung sehr vorteilhaft ist. Das Luft-Kraftstoff-Verhältnis für optimale Leistung kann mit 12,6:1 berechnet werden, was Lambda = 0,86 entspricht.
AutoTuner: Das Potenzial des ECUs freisetzen
Bei AutoTuner verstehen wir, dass das richtige Luft-Kraftstoff-Verhältnis ein heikles Gleichgewicht darstellt, aber auch einer der wichtigsten Parameter für ein effektives und leistungsorientiertes Motortuning ist. Mit Werkzeugen wie AutoTuner war es noch nie so einfach, auf die Daten Ihres Steuergeräts zuzugreifen und die geänderten Parameter in das Steuergerät zu schreiben, was es jedem ermöglicht, in die Welt des Tunings und der Neuprogrammierung einzusteigen.
