1.8l 16V Detailanalyse zur Leistungs- und Systembetrachtung - Ein Beitrag für eine Berufsschule

Heute was wassergekühltes im Blog. Kurz vor Weihnachten bekam ich eine eMail über www.golfers-paradise.de von einer technischen Berufsschule aus Süddeutschland die sich im Unterricht mit den 1.8l 16V Motoren im Golf II, sprich KR und PL, beschäftigen. Das nenn ich mal interessanten Unterrichtsstoff! Gerne helfe ich hier aus. Hier mal die Anfrage eMail:

Sehr geehrte Damen und Herren,

als Berufsschullehrer für Kfz-Technik möchte ich mich mit folgenden Fragen an Sie als Spezialist wenden.

Der Katalysator raubt beim Golf II GTI 1,8 L 16V etwa 10 PS, siehe Infoquelle.

VW Golf II GTI 1,8 L 16V – www.Autobild.de (Anm. vw-resto: Quelle ist AutoBild online)
- Exakt zwölf Monate nach dem Debüt des Golf II GTI präsentierte VW im Januar 1985 den GTI II 16V. Angetrieben wird der GTI II 16V durch den bewährten 1781 ccm-Motor, ergänzt um einen Vierventilkopf. Der wahlweise angebotene Dreiwege-Katalysator raubt 10 PS. Aus dem unveränderten gebliebenen Hubraum (1,8 Liter) schöpfte der Sechzehnventiler 139 PS ohne Kat.
− Der normale GTI wirkte insbesondere mit Katalysator nun ziemlich lahm. Kein Wunder, der Kat korrigierte die Leistungsausbeute weiter nach unten. So hatte der GTI II nur noch 107 PS.

Nach § 19 Abs. 2 Nr. 3 StVZO erlischt die Betriebserlaubnis, wenn Änderungen vorgenommen werden, durch die das Abgas- oder Geräuschverhalten verschlechtert wird.

Es stellt sich die theoretische Frage, welche technischen Folgen hätte der Ausbau eines Dreiwege-Katalysators? Die Lambda-Sonde würde nicht ausgebaut werden.

1. Welche Auswirkungen hat der geringere Staudruck (Gegendruck) beim Saugmotor mit Ventilüberschneidung?

2. Würde der Motor noch rund laufen oder ruckeln? Müssten die Kennfelder im Motorsteuergerät angepasst werden?

3. Wie groß wäre eine Leistungssteigerung bei modernen Kats? Würde sich der Kraftstoffverbrauch verändern?

Im Voraus vielen Dank für Ihre Bemühungen auch im Namen meiner Kollegen und Berufsschüler.

Mit freundlichen Grüßen

H.P. (Anm. vw-resto: Name unkenntlich gemacht)
Studienrat, Dipl.-Ing. (FH), amtl. anerk. Kfz-Sachverständiger a. D.


Meine Antwort darauf war folgende:

Sehr geehrter H.P.,

Vielen Dank für Ihre Anfrage. Gerne versuche ich diese mir soweit möglich zu beantworten. Bitte beachten Sie auch den letzten Abschnitt.

Grundsätzlich zu 1.: Dies würde theoretisch bei gleichmäßiger Überschneidung einerseits eine schnellere Befüllung des Brennraums, andererseits eine geringere Rückführung von Abgasen in den Brennraum bedeuten. Durch die individuelle Verschiebung der Überschneidungszeiten für Einlass und Auslass in Kombination mit nichtlinearem Nockenhub (genauer Beschleunigung, z.B. schnell offen, langsam zu) und Anpassung des ZZP kann man hier spielen, je nachdem was gewünscht ist. Diese Motoren sind jedoch nicht simuliert, geschweige denn zu der Zeit genauer analysiert worden hinsichtlich Gemischspülung im Zylinderkopf. Diese Technologien sind erst deutlich später verfügbar gewesen.

zu 2.: Der Motor läuft grundsätzlich rund, soweit es diese Technik zulässt (verglichen mit modernen Einspritzsystemen). Allein das Entfernen des Katalysators hat im ersten Schritt keinen unrunden Lauf zu begründen, es sind eher nachgelagerte Systeme der Abgasnachbehandlung (die Logik im Steuergerät) die Probleme machen, da die Lambdasonde nicht-normale Werte liefert. Da diese Motoren relativ simpel aufgebaut sind, gibt es außer der Kraftstoffmenge keine großen Stellhebel (ich denke hier vergleichsweise an zylinderselektive Einspritzung, Stauklappen, variable Nockenwellensteuerung, geregelte Abgasrückführung, etc. – so etwas haben die alten Motoren nicht). Erfahrungsgemäß wird das Steuergerät das Notlaufprogramm starten und den Lambda-Wert ignorieren. Die dann freigegebenen Kraftstoffmengen sind theoretischer Natur und je nach Umgebungsbedingungen (Wetter, Verschleiß, Toleranzen, etc.) kann es zu Rucklern kommen. Jedoch wird dies den Otto-Normalverbraucher nicht beeinträchtigen und nur sensibleren Personen auffallen. Andere Kennfelder werden nicht benötigt, lediglich die Funktion der Lambdaregelung müsste entweder komplett entfernt (permanenter Ideallauf (Notlauf)) oder entsprechend angepasst werden auf Werte die ein System ohne Kat liefern kann. Zu beachten ist, dass optimale Leistungsausbeute und Emissionsreduzierung konträr zueinander sind. Nicht ohne Grund sind moderne Systeme äußerst komplex. Vielleicht noch etwas zu den Steuerungen: KR und PL haben unterschiedlich Systeme namens K und KE Jetronik im Einsatz. Die KE eignet sich für Regelaufgaben besser als die K Jetronik. Da bei den Abgaswerten bestimmte Werte in bestimmter Zeit gefordert sind, wurde die KE auserkoren dieses zu übernehmen, mit all den Verbesserungen im Detail bei gleicher Funktionalität. Mitunter ist das spontanere Hochdrehen des KR auch auf die mehr oder weniger "digitale" Schaltung mit absichtlicher Anfettung des Gemischs ein Grund für das Leistungsplus und natürlich der Grund, warum man den PL mit der KE aufgrund von Emissionsthemen ausgestattet hat.
Hardwareseitig sind diese beiden Motoren auch weitestgehend identisch, es ist aber nicht nur der KAT der den Unterschied macht. Die Einlassnockenwelle ist anders, öffnet eher. Dies trägt dazu bei, dass der Motor "giftiger" hochdreht, spontaner loslegt. Hinzu kommt eine andere Ansaugbrücke im KR, die deutlich größer ist und ihr übriges beiträgt um mehr Leistung zu entwickeln. Allein zur Ansaugbrücke könnte man Abhandlungen über die verschiedenen Versionen und Auswirkungen schreiben.

zu 3.: Oben genannten Ausführungen zu Folge, hat der Ausbau des KATs beim PL keine direkte Leistungssteigerung zu bedeuten. Ohne es getestet zu haben, behaupte ich trotzdem, dass dies keine identische Leistungskurve wie beim KR ergeben wird. Vielleicht in der Spitze bei max. Drehzahl. Doch selbst in der Spitze werden es keine 10PS sein. Der Einbau eines modernen Kats mit geringerem Staudruck wird Erfahrungsgemäß bei hohem Abgasvolumenstrom, sprich Motor-Drehzahl den größten Vorteil bringen. Selbst wenn keine Mehrleistung in der Spitze entsteht, so steht mehr Drehmoment bei kleineren Drehzahlen an. Dies ist grundsätzlich förderlich für den Kraftstoffverbrauch. Allerdings gilt es den Arbeitspunkt zu betrachten (ich verweise hiermit auf die typischen Merkmale eines Muscheldiagramms). Bei 100% Leistung ändert sich der Verbrauch nicht. bei Teillast (z.B. 75%) hingegen schon. Typischerweise wächst das Muscheldiagramm etwas mit, so dass in Kraftstoffärmeren Zonen sich diese etwas ausweiten und somit diesen Betriebspunkt begünstigen. Auch wird bei der Effizienzberechnung durch das höher zur Verfügung stehende Drehmoment die spezifische Leistung positiv beeinflusst, was bei unveränderter Einspritzmenge einen Verbrauchsvorteil bewirkt. Man darf allerdings nicht die Größenordnungen außer Acht lassen, wir bewegen uns im unteren einstelligen Prozentbereich. Da seltenst der Arbeitspunkt (Drehzahl UND Leistungsabnahme) konstant bleibt, kann von lokal eingesparten 2% sind auf global eingesparten 2% geschlossen werden! Durchaus kann es auch passieren, dass das bei kleinen Drehzahlen zur Verfügung gestellte Drehmoment beim KAT-Ausbau sogar etwas abnimmt. Dies hängt jedoch alles sehr stark vom Grunddesign des Motors samt Abgasanlage ab. Man darf nicht außer acht lassen, vor über 35 Jahren, die Zeit zu der die 16Vs entwickelt (!) wurden, gab es nicht das umfassende Wissen und die technischen Möglichkeiten im Hinblick auf Analyse als auch Fertigungsverfahren wie heute. Worauf ich hinaus möchte, theoretische und praktische Werte sind hier oftmals nicht identisch, nicht weil die Theorie falsch ist, sondern weil es meist nur Teilaspekte sind die man im ganzen betrachten muß und theoretische Vorteile (einer Modifikation/eines Umbaus) bei kleinem Anteil oder Nichtnutzung einfach nur eine "Null" ergeben. Auch muß man gerade im Automobilbau, noch besonders in der Vergangenheit, extrem auf den Preis und die sich ergebenden Stückzahleffekte schauen.

Können Sie mir vielleicht noch sagen, wie sie auf mich aufmerksam geworden sind? Ich hoffe meine obigen Ausführungen sind sowohl für Sie als auch für Ihre Schüler verständlich. Ich denke Sie merken, hier schreibt kein reiner Schrauber. Bis vor kurzem habe ich im Bereich Powertrain-Engineering für namhafte Hersteller gearbeitet und bringe daher auch einiges an aktuellem Wissen und Erfahrung bei der Implementierung mit. Die Schrauberei ist ein Hobby, genauso wie die Webseiten (www.golfers-paradise.de, www.vw-resto.de). Das Projekt Golfers-Paradise ist momentan abgeschlossen, es ist eine statische Webseite, zu der aber immer wieder Anfragen kommen. Aktuelles finden Sie auf vw-resto.de, nicht ohne Grund mit Blick eines Entwicklers der auch mal gerne selbst Hand anlegt. Schauen Sie dort mal rein, hier gibt's bestimmt spannende Themen für den Berufsschulalltag ☺ Sollten Sie noch Fragen haben, stehe ich Ihnen gerne zur Verfügung. Da dies jedoch nur Hobby ist, ist auch die Zeit meist beschränkt, ich hoffe Sie haben für etwas längere Antwortzeiten Verständnis. Sollten Sie zum Angefragten Thema andere Ergebnisse oder deutlich andere Theorien haben, so bin ich daran auch interessiert und würde mich über Feedback freuen.

Mit freundlichen Grüßen

Dipl.-Ing. (FH)
Matthias Lenkeit
Betreiber vw-resto.de | owner vw-resto.de
...


Man könnte das Thema noch viel weiter ausufern lassen, ich hab daher versucht alles anzureissen, wollte jedoch nicht den Rahmen sprengen, vor allem mit Hinblick auf den mir unbekannten Hintergrund des Wissensstandes in der Berufsschule. Fragen, Anmerkungen, Vorschläge sind gern willkommen, nutzt die Kommentarfunktion hier im Blog! Bei Problemen, lasst es mich wissen...

Viel Spaß!
 

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