Falsche LMM-Temperaturkompensation? Oder nur simple Physik?

Hallo,

nachdem ich reichlich Logdaten verschiedener Fahrzeuge mit der EDC15 gesammelt hatte, wollte ich mal die Effizienz verschiedener Serienlader anhand der Relation Luftmasse / Ladedruck (Istwert) bei WOT vergleichen.
Zunächst ergaben die Daten eine generelle Drehzahlabhängigkeit der LuMa / LD Relation: bei 4500 rpm ist der Wert je nach Lader um ca. 15% des Ausgangswertes bei ca. 2000 rpm gesunken.

Zusätzlich fiel natürlich auf, dass diese Relation mit steigender LLT insgesamt immer schlechter wird.
Um diese Fehlerquelle zu eliminieren, habe ich die LuMa in allen Logs auf eine einheitliche Temperatur von 50°C (willkürlich gewählt) normiert, und zwar nach der Formel

LuMa(50) = LuMa-Logwert * (LLT + 273) / (50 + 273), wobei die LLT in °C eingesetzt wird.

Mit dieser normierten LuMa berechnete ich die LuMa / LD Relation neu und ging davon aus, dass das Ergebnis zumindest bei ein und demselben Fahrzeug keinen Einfluß der LLT mehr zeigen würde.
Aber falsch gedacht: Je höher die geloggten LLT’en liegen, umso höher ist auch die auf 50°C normierte LuMa / LD Relation!
Woran kann das liegen?

Habe ich einen gasphysikalischen Fehler in der o.a. Berechnung, indem das z.B. nur bei 1 bar Absolutdruck gilt und damit bei 2 bar oder höher hinfällig ist?

Oder spielt hier der weitgehend konstant temperierte Motorblock mit hinein, in den die Ladeluft strömt? So dass die o.a. Berechnung nur gilt, wenn sich die Temperatur des Motorblocks parallel zur LLT ändern würde?
Das würde aber bedingen, dass sich die LLT in dem kurzen Moment der geöffneten Einlaßventile schon deutlich in Richtung der Blocktemperatur ändert, und das kann ich mir kaum vorstellen.

Oder ist einfach die Temperaturkompensation der Bosch-HFM zu schwach ausgelegt?

Hallo Ulf,


ich kann Dir zwar keine Antwort auf deine wirkliche Frage liefern, aber dich zumindest insofern beruhigen als dass deine Normierungsformel korrekt ist:

Aus der ideales Gasgleichung, pV = nRT, folgt n ~ 1/T.
Mit Masse ~ n hat man dann für zwei Massen M_1, M2 bei Temperaturen T1, T2:

(1) M1 ~ 1/T1
(2) M2 ~ 1/T2

Teilst du eine Gleichung durch die Andere, gibt's

M2 = (M1 T1) / T2,

was genau deiner Umrechnungsformel entspricht.


Wie der Wirkungsgrad des Turbos von der Temperatur auf der Verdichterseite abhängt weiss ich leider auch nicht. Ich gebe aber zu bedenken, dass die Kompressibilität des Gases eine Funktion der Temperatur ist, und somit auf jeden Fall Temperaturabhängige Effekte auftreten werden.



LG Georg

Hallo Ulf,
daß die angesaugte Luftmasse (LM) mit steigender Ladelufttemperatur (LLT) und gleichbleibendem Ladedruck sinkt, ist schlicht die wirkende Thermodynamik. Also keine Fehlerquelle.
Ob sich das Verhältnis der Luftmassen genau umgekehrt zum Verhältnis der Temperaturen ändert, dürfte von mehreren Faktoren abhängen.
Sind die Meßbedingungen wirklich gleich, d.h. Drehzahl, Last, Motortemperatur? Die Blow-By Gase über die Kurbelgehäuseentlüftung werden im Luftmassenmesser nicht mitgemessen, tragen aber zur Zylinderfüllung bei. Der Abgasgegendruck verändert den Füllgrad der Zylinder.
Ggf. muß man die Ladeluft nicht als ideales Gas, sondern als reales Gas betrachten. Dann ergibt sich für den Zusammenhang zwischen LM Verhältnis und LLT Verhältnis näherungsweise ein Korrekturwert, der die LM etwas weniger als umgekehrt proportional zum Temperaturverhältnis sinken läßt. Ein Zahlenbeispiel: T1 =323 K, T2 = 343K, V=0,5l (d.h. ein 2l 4 ZylMotor) - T1/T2=0,942; abzuziehen sind 0,0035*M1(g).
Du siehst, die eigentliche Änderung spielt sich im Prozentbereich ab, die Korrektur ist eine Größenordnung kleiner. Die Physik dahinter ist, daß sich bei Kompression die Moleküle etwas mehr anziehen. Den Beitrag des Eigenvolumens der Moleküle habe ich erst mal weggelassen, da noch kleiner.
Das könnte deine Beobachtung erklären.
Da ich Deine Zahlen nicht kenne, kann ich das aber nicht weiter beurteilen. Die Frage ist auch, wie hoch die Genauigkeit der LM und LLT Messung ist.
hg
Herbert

Herbert hat folgendes geschrieben:

Sind die Meßbedingungen wirklich gleich, d.h. Drehzahl, Last, Motortemperatur?

Hallo Herbert,

innerhalb weniger Wochen mit meinem BUK geloggt, jeweils bei Vollgas @ 4000 rpm und 1,5 bar eingeregeltem LD, Motor warm:

Bei LLT 12°C -> LuMa / LD = 0,461, normiert auf 50°C = 0,407

Bei LLT 45°C -> LuMa / LD = 0,44, normiert auf 50°C = 0,432

Zitat:

Die Frage ist auch, wie hoch die Genauigkeit der LM und LLT Messung ist.

Spielt hier IMO keine so große Rolle, da die 100% gleiche Meß-Hardware verwendet wurde, und ich primär die relativen Daten betrachte: Die normierten LuMa / LD Relationen unterscheiden sich um 6,1% bei 33K Differenz der LLT.

Hi Ulf,
gib mir mal die Werte für die Luftmassen. Mit den Zahlenverhältnissen kann ich das nicht so rechnen.
hg
Herbert

Herbert hat folgendes geschrieben:

Hi Ulf, gib mir mal die Werte für die Luftmassen. Mit den Zahlenverhältnissen kann ich das nicht so rechnen. hg Herbert

Bitteschön:

Bei LLT 12°C -> LuMa = 1168 mg / LD = 2532 mbar

Bei LLT 45°C -> LuMa = 1071 mg / LD = 2436 mbar

Hi Ulf,
was Du mit der "Normierung" und dem Vergleich Deiner Daten machst, ist im Grundsatz die Anwendung von pV=nRT (gilt für ideales Gas) auf Wertepaare m,T unter der Voraussetzung pV=konstant, so daß m1/m2=T2/T1 gilt.
Die Voraussetzung pV=konstant trifft aber bei Deinen Messungen gar nicht zu, da wie Du selbst schreibst, bei der Messung 1 LD=2532 mbar, bei Messung 2 LD=2436 mbar.
Damit ist der Vergleich hinfällig.
hg
Herbert

Herbert hat folgendes geschrieben:

Die Voraussetzung pV=konstant trifft aber bei Deinen Messungen gar nicht zu, da wie Du selbst schreibst, bei der Messung 1 LD=2532 mbar, bei Messung 2 LD=2436 mbar. Damit ist der Vergleich hinfällig.

Hi Herbert,

bedeutet pV=konstant das Produkt von Druck (p) und Volumen (V) einer bestimmten Gasmasse?
Das sollte doch in der Ladeluftstrecke (zumindest annähernd) erfüllt sein?

Ich werde mal eine Grafik basteln, die den Verlauf der LuMa/LD-Relation während meiner Logs zeigt (samt dem auf 50°C normierten Verlauf): daran sieht man besser, was ich meine.

Hallo Ulf,
ich zitiere noch mal:

Zitat:

bedeutet pV=konstant das Produkt von Druck (p) und Volumen (V) einer bestimmten Gasmasse? Das sollte doch in der Ladeluftstrecke (zumindest annähernd) erfüllt sein?

Der Ausdruck p*V = konstant wird zum Vergleich zweier Zustände verwendet.
Erst mal gilt unter der Voraussetzung eines idealen Gases für die verdichtete Luft (was nicht stimmen muß) der Zusammenhang p*V=m/M*R*T. Dabei ist hier p der Ladedruck, V das Zylindervolumen pro 1 Hub, m die Luftmasse pro 1 Hub, M die molare Masse von Luft, R die Gaskonstante, und T die Temperatur der verdichteten Luft.
Jetzt vergleichst Du zwei Zustände mit p1, V1, m1, T1 und p2, V2, m2, T2 (nichts anderes machst Du, nur mit dem Zwischenschritt der "Normierung"). Sofern p1*V1=p2*V2 (=konstant) gilt, kannst Du unter der Voraussetzung "ideales Gas" die Relation m1/m2=T2/T1 anwenden. Im Prinzip machst Du genau das mit Deiner Normierung, mit der Du alle m-Werte auf T=50 umrechnest.
Wenn aber p1 nicht gleich p2 ist, wie in Deinem Beispiel, funktioniert das schon vom Grundsatz her nicht.
Was Du machen möchtest, geht nur mit Werten für M und T, die bei wirklich gleichem Ladedruck und Motorzustand (Motortemperatur, EM, Last ,Drehzahl) gemessen wurden. Bei gleichem Motorzustand würde ich erst mal V=konstant annehmen. Damit kann man auch erst sehen, wie gut die Annahme eines idealen Gases ist, oder ob mehr realistisch für reales Gas gerechnet werden muß.
hg
Herbert

Hm, im Moment kann ich Deinen Erklärungen nicht wirklich folgen . . .

Hier aber mal die Grafik, die mich stutzig macht.
Das 3. und 4. Log erscheint kürzer, weil ich da noch andere MWB laufen hatte, die hier aber uninteressant sind.

Das Verhältnis LuMa/LD (gelb dünn, Faktor = 100) läßt sich vom obenraus deutlich sinkendem LD offenbar nicht beeindrucken. Selbst der LD-Unterschied zwischen Serie und Tuning ändert die Relation nicht merklich - solange die LLT gleich bleibt, siehe 2. und 4. Log.
Umso mehr erwartete ich, daß die auf 50°C normierte LuMa bei allen Logs einen LuMa/LD-Verlauf auf gleicher Höhe zeigen würde . . . am deutlichsten ist mein persönliches Rätsel beim Vergleich zwischen dem 3. und 4. Log zu sehen

Hi Ulf,

Zitat:

Umso mehr erwartete ich, daß die auf 50°C normierte LuMa bei allen Logs einen LuMa/LD-Verlauf auf gleicher Höhe zeigen

Das genau ist Dein Irrtum. Du hast Dich da in einen Zusammenhang verrannt, der von der Thermodynamik her so nicht stimmt.
hg
Herbert

Herbert hat folgendes geschrieben:

Du hast Dich da in einen Zusammenhang verrannt, der von der Thermodynamik her so nicht stimmt.

OK, dann trotzdem danke.
Vielleicht verstehe ich es ja irgendwann . . .

Hi Ulf,
Du solltest das eigentlich noch nicht aufgeben. Du mußt nur Deine Messungen bei gleichen Randbedingungen machen (Ladedruck, Motorlast), und nicht zu früh eine Logik hineinbringen. Mich interessiert das auch, ich diskutiere gerne bei der Auswertung mit.
lg
Herbert

Herbert hat folgendes geschrieben:

Du mußt nur Deine Messungen bei gleichen Randbedingungen machen (Ladedruck, Motorlast) . . .

Hm, "gleicher" als die Logs zeigen, geht es eigentlich nicht. Der Motor war jeweils betriebswarm, und die unterschiedlichen Ladedruckverläufe über die Drehzahl resultieren aus den normalen Regeltoleranzen bzw. einer Reduzierung des LD-Solls bei "hohen" LLTen.

Mich verwirrt eben, daß die LuMa / LD-Relation in jedem Log so unabhängig vom Ladedruckverlauf ist, daß sie vom Abwärtsknick des LD ab ca. 3700 rpm überhaupt nicht beeinflußt wird, aber andererseits ein "Herausrechnen" der LLT per Normierung der Luftmasse z.B. auf 50°C so relativ deutlich fehlschlägt.

Hi Ulf,
Du kannst unterschiedliche Drücke nicht einfach ignorieren, und sagen, egal, ich rechne einfach alles auf 50°C um, und dann muß es zusammen passen.
Nimm mal an, Du willst das spezifische Gewicht von Wasser und Öl vergleichen. Du hast jeweils einen Liter, den einen in der schweren Blechdose, 80° warm, den anderen in der leichten Kunststoffdose, 10° warm. Auch wenn Du nun die Volumenwerte für die Wärmeausdehnung korrigierst, kannst Du nicht einfach mit den Behältern wiegen, und die unterschiedlichen Behälter ignorieren. So was ähnliches machst Du aber.
Bei den zwei angegeben Druckwerten ist das Verhältnis 2532/2436=1,04. Die zugehörigen Temperaturen verhalten sich wie 318/285=1,09 , also gleiche Größenordnung. Masse, Temperatur, Druck und Volumen hängen direkt zusammen.
Deshalb geht Deine Auswertung schon von der Methode her daneben.
hg
Herbert

So, ich habe mal ein wenig mit Exponenten in der Formel
LuMa(50°C) = LuMa-Logwert * (LLT + 273) / (50 + 273)
herumprobiert, weil der Korrekturfaktor (LLT + 273) / (50 + 273) die Auswirkungen der LLT auf den Volumenstrom offenbar überkompensiert.

Bremse ich aber den Korrekturfaktor sozusagen um 40% ein, indem ich mit
LuMa(50°C) = LuMa-Logwert * ((LLT + 273) / (50 + 273))^0,6
rechne, dann stimmen die "normierten" LuMa/LD-Werte im LLT-Bereich zwischen 14 und 48°C (für Pmax) beim gleichen Wagen nahezu perfekt überein. Anbei nochmal das Diagramm von oben mit den neu berechneten LuMa/LD-Verläufen für 50°C LLT.

Ich weiß zwar nicht warum das so klappt, aber das Ergebnis ermöglicht mir einen genaueren Vergleich verschiedener Ladertypen der 1,9l TDIs hinsichtlich ihrer Effizienz.