Erfahrungsbericht zum Thema Konstantfahrruckeln (KFR) und Drosselklappenabgleich (Synchronisation) der BMW R1100R/GS (R259 Motor) mit Gaszugverteiler und asymmetrischem Krümmer
19.10.2004, Holger Wiemann
Voraussetzungen_benötigte_Hilfsmittel
Equipment_zur_Diagnose_der_Motronic
Die_asymmetrische_Krümmeranlage
Zusammenfassung_und_Lösungsansatz
Drosselklappensynchronisation_R1100R_GS
Wer das Glück hat, jemanden aus einem Metall-verarbeitenden Betrieb zu kennen, lässt sich natürlich eine Serie von Messplättchen-Paaren der Stärken 1.0 – 3.5 mm (auf 1/100 mm genau) aus Messing abdrehen (siehe Abbildung3).
Abbildung3
Die Paare von Scheiben werden dann bei Bedarf in die Anschläge der Drosselklappen gespannt und helfen eine exakte Bestimmung der Druckdifferenzen bei exakt gleichem Öffnungsgrad zu finden, ohne dass Verfälschungen der Seilzüge Einfluß nehmen können (siehe Abbildung4)
Abbildung4
Für meine BMW R1100R gilt ungefähr folgende Tabelle1. Bedingt durch evtl. Toleranzen bzgl. der Grundeinstellung des linken Drosselklappenanschlags (voreingestellten Öffnungswinkel), des Ventilspiels, des verwendeten Krümmers als auch der Leerlaufdrehzahl können/werden sich Abweichungen ergeben. Es sollte somit zumindest ein vollständiger Satz von Scheibenpaaren im Bereich 1.0 – 2.5 mm in Abständen von 0.1 mm vorhanden sein.
Tabelle1
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Drehzahl [U/min] |
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1.3 |
2500 |
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1.5 |
2800 |
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1.6 |
3000 |
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1.7 |
3200 |
Der Verlauf der Differenzdruckkurve ist alles andere als ich erwartet habe. Er lässt sich durch die reine Betrachtung der Differenz der Drosselklappenöffnungsflächen beider Seiten auch unter Annahme von grober Verstellung der Umluftschrauben und Drosselklappenanschlageinsteller nicht vollständig erklären (doch dazu später).
Eine Erklärung für das Konstantfahrruckeln kann nun anhand der Funktionsweise der Lambdasonde, deren Plazierung in der Abgasführung und der beobachteten Differenzdruckkurve gegeben werden:
Fazit: Im Teillastbetrieb (Fahren) und (hier) ca. 3000 U/min wird anscheinend der Unterschied im Zylinderfüllungsgrad so groß, dass es bei mindestens einem der Zylinder wegen des dort zu mageren oder zu fetten Gemisches nur zu unvollständigen Verbrennungen kommt.
Interessanterweise bestätigten mir viele BMW 4V Fahrer, dass auch das Zündkerzenbild ihrer Maschinen sehr unterschiedlich sei: Eine Seite normal (rehbraun) wogegen die andere Kerze ein untypisches sehr helles bis weißes Gesicht zeigte. Es liegt der Verdacht nahe, dass in diesem Zylinder das Luft-Kraftstoff-Gemisch häufig zu mager ist.
Beim Fahren wird sich die unvollständige/schlechte Verbrennung natürlich bemerkbar machen: Man hat das Gefühl von kleinen Zündaussetzern … es 'ruckelt‘!
Im folgenden wird versucht anhand des Modells in Abbildung6 eine Einschätzung zu bekommen, welchen Kurvenverlauf die Druckdifferenz überhaupt annähernd nehmen kann. Dabei wird angenommen, dass eine Flächendifferenz von Null der beiden Drosselklappenöffnungen auch eine Druckdifferenz von Null erzeugt. Wem das zu theoretisch ist, sollte direkt zu Abbildung7 gehen und ab dort weiter lesen.
Die Umluftschraube (Bypass) stellt eine konstante Fläche dar, deren Einfluss bei sich öffnender Klappe (steigender Drehzahl) auf die Gesamtfläche immer kleiner wird.
Sei D nun die Fläche der Klappe, U die Fläche der Umluftschraube, s der Grundwinkel der Klappenanschlagschraube und a der variable Verstellwinkel im Bereich 0..(90°-s), so wird die Öffnungsfläche A(a) berechnet durch:
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D cos(0°) = D |
Fläche der Klappe, wenn sie komplett geschlossen ist |
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D cos(90°) = 0 |
Fläche der Klappe, wenn sie komplett geöffnet ist (Randfläche vernachlässigt) |
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D-D cos(x) |
Öffnungsfläche der Klappe bei Öffnungswinkel x |
Also ist A(a) (Summe der Flächen Umluftschraube + Öffnungsfläche der Klappe) gegeben durch
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A(a) |
= |
U + (D – D cos(s + a)) |
|
|
= |
U + D (1 – cos(s + a)) |
Größen mit dem Index l sind Parameter der linken Drosselklappe, r die der rechten. Die Flächendifferenz Adiff: der Öffnungsflächen beider Drosselklappen kann dann bestimmt werden zu
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Adiff(a) |
= |
Al(a) – Ar(a) |
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= |
(Ul – Ur) + (Dl –Dr) + Dr cos(sr + a) – Dl cos(sl + a) |
Die Funktion Adiff(a) gibt also die Differenz der Drosselklappenöffnungsfläche in Abhängig der Gasbetätigung (Winkel a) an. Hierbei ist sogar berücksichtigt, dass (z.B. durch große Toleranzen oder andere Einflüsse) die Flächen D der Drosselklappen verschieden groß sein könnten.
Der Zusammenhang zwischen der gemessenen Druckdifferenz pdiff(a) und der Flächendifferenz Adiff(a) ist durch folgende Annäherung gegeben:
(Unter-)Druck p in der Drosselklappe ist (Saug-)Kraft F durch Öffnungsfläche A: p = F/A.
Bei konstanter Drehzahl des Boxer-Motors sollte die Saugkraft F(a) am Einlassventil eines jeden Zylinders ungefähr gleich sein, somit
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pdiff(a) |
= |
pr(a) - pl(a) |
= |
F(a) Ar(a)) |
- |
F(a) Al(a) |
= |
F(a) Al(a) Ar(a) |
(Al(a) - Ar(a)) |
= |
F(a) Al(a) Ar(a) |
Adiff(a) |
Für eine qualitative Betrachtung der Beziehung pdiff(a) und Adif(a) kann der Quotient F(a)/(Al(a)Ar(a)) vernachlässigt werden, da er nur die Auslenkung bei Adiff(a)<>0 beeinflusst. Es sollte hinreichend sein nur die Flächendifferenz zu betrachten um den Kurvenverlauf von pdiff(a) zu beurteilen.
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0 |
= |
(Dl –Dr) + (Dr cos(sr) – Dl cos(sl)) |
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=> |
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sr |
= |
acos((Dr – Dl (1 – cos(sl)))/Dr) |
Mit so bestimmten sr (Grundwinkel der rechten Anschlagschraube) kann nun Ur (Öffnungsfläche der rechten Umluftschraube) bei a=0 (im Leerlauf) in Abhängigkeit von Ul (Öffnungsfläche der linken Umluftschraube) festgelegt werden:
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Adiff(0) |
= |
0 |
|
|
|
ó |
|
|
|
0 |
= |
(Ul – Ur) + (Dl –Dr) + (Dr cos(sr ) – Dl cos(sl)) |
und mit oben gewählten sr |
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|
=> |
|
|
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Ur |
= |
Ul |
|
Ist ja auch klar: Wenn die Grundstellung der Klappen auf Null-Flächendifferenz (und damit Null-Druckdifferenz) eingestellt werden, muss folglich auf beiden Seiten die Öffnungsfläche (und damit der zugehörige Druckanteil) der Umluftschraube gleich sein.
Abbildung 7
In Abbildung7 sieht man mögliche Verläufe der Flächendifferenzen: Die rote und blaue Linie zeigen Differenzen, wenn etwas unterschiedliche Klappenflächen angenommen werden (Toleranzen oder sich ähnlich verhaltende Einflüsse wie z.B. ungleiches Ventilspiel), jedoch die Einstellung von sr (Grundwinkel rechter Anschlag) anhand von sl (Grundwinkel linker Anschlag) bei geschlossenen Umluftschrauben vorgenommen wurde.
Besonders interessant könnten die schwarze und grüne Linien werden: Hier wurde unter der Annahme unterschiedlicher Klappenflächen (und damit sich ähnlich verhaltende Auswirkungen) bewusst der Abgleich von sr verstellt und nachträglich durch Ur ausgeglichen. Es ergeben sich Differenzverläufe mit zwei Kreuzungen der Nullinie, die eine gewisse Ähnlichkeit der real gemessenen Druckdifferenzen aufweisen (zumindest im ersten Teil, siehe Abbildung5).
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Asymmetrischer Krümmer |
Symmetrischer Krümmer |
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Modell-Einsatz |
R850R |
R850RT |
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Prägedaten auf Krümmer |
ZEUNA 241 6755 101 |
ZEUNA 241 6397 101 |
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Rohrumfang in Biegung, links |
12,0 cm |
12,0 cm |
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Rohrumfang auf Geraden, links |
12,2 cm |
12,0 cm |
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Rohrumfang in Biegung, rechts |
12,0 cm |
12,0 cm |
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Rohrumfang auf Geraden, rechts |
- |
12,0 cm |
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Ungefähre Länge links |
Ca. 59 cm |
Ca. 63 cm |
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Ungefähre Länge rechts |
Ca. 35 cm |
Ca. 65 cm |
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Rechnerisch resultierende Abweichung rechte gegen linke Krümmerlänge |
Ca. - 41 % |
Ca. 3 % |
Fakt ist, dass BMW mit der R1100RS bereits zwei Jahre vor Erscheinen der R1100R/GS ein Modell auf dem Markt hatte, das über eine symmetrische Krümmeranlage für den R259 Motor verfügte. Mir ist nicht bekannt, ob diese ersten Maschinen den exakt gleichen Krümmer besitzen, wie der Rechte in obiger Tabelle.
Wie man in Abbildung20 sieht, ist der Vorteil des R/GS Krümmers der sehr schöne nahezu lineare Verlauf bis ca. 3000 U/min, bevor es zu diesem hässlichen Einbruch bis 4500 U/min kommt. Der RS/RT Krümmer zeigte gerade im unteren Drehzahlbereich bis 3000 U/min leichte Schwächen (kleine Dellen im Kurvenverlauf), glänzt dann aber insgesamt mit dem ausgewogeneren Bild über den gesamten Drehzahlbereich. Wegen der kleinen Dellen ist der RS/RT Krümmer aber mit sehr empfindlichen Manometern etwas schwieriger zu synchronisieren.
Insgesamt zeigt Abbildung20, dass der Boxer-Motor sehr empfindlich auf kleinste Staudruckänderungen durch verschiedene Abgasanlagen reagiert und dieses Bauteil einen höheren konstruktiven Aufwand erfahren sollte.
Welche technischen Probleme mag BMW dazu bewogen haben, einen asymmetrischen Krümmer bei den R/GS Modellen einzusetzen mit all seinen Nachteilen? Da der RS/RT Krümmer bis zumindest den R1150RS/RT Modellen verbaut wurde und ich keine weiteren plausiblen Informationen zur Existenz des R/GS Krümmers gefunden habe, kommen mir schon ab und an böse Gedanken, dass der Einsatz des R/GS Krümmer eher aus Marketing-technischen Gründen geschah, um die teureren Modelle RS/RT auf dem Markt dank der nun evtl. ausgewogeneren Motorcharakteristik gegenüber den R/GS besser zu plazieren ... aber die Wahrheit weiß allein BMW-Motorrad.
Auch ein Kontakt mit dem renommierten Zulieferer ZEUNA STÄRKER GmbH (http://www.zeunastaerker.de/) verstärkt meinem Verdacht, dass es keinen technischen Grund für die Asymmetrie des R/GS-Krümmers gibt: zeuna.jpg
Fraglich bleibt, wie man den Krümmer ohne Probleme in die Papiere eingetragen bekommt (eine Typenzulassung muss ja bzgl. R259 Motor der Modelle RS/RT bereits existieren). Für jeden hilfreichen Hinweis wäre ich sehr dankbar!
Am 25.2.2002 stellte ich eine Anfrage im BMW-Gästebuch:
" Hallo BMW-Motorrad,
aus rein technischen Interesse würde ich gerne folgende Information von Ihnen bekomme: Warum (technische Gründe) wurde bei den R1100-Modellen R/GS (auch die 850er) ein Krümmer mit ungleichen Längen benutzt, der nachweislich zu einer Druckdifferenzabweichung in den Ansaugtrakten zwischen 3000-4500 U/min führt? Alle R1100RS/RT-Modelle (auch die 850er) verfügen über den 'symmetrischen' Krümmer, der diese Delle im Einsatz an meiner R1100R (gleiche Motor wie die GS) nicht aufweist. Erstaunlicherweise ist dieser Krümmer bereits seit 1992 bis zum Schluss bei den RS/RT Modellen verwendet worden, also bereits 2 Jahre vor Erscheinen der R/GS Modelle mit den ungleich langen Abgasrohren. Beiden Hosenrohrkrümmern ('symmetrisch' und 'asymmetrisch') gemeinsam ist, dass sie von den Anschlüssen/Befestigungen kompatibel sind. Beim Einsatz des originalen R/GS-Krümmers sehe ich neben dem Drehmomenteinbruch in dem fraglichen Drehzahlbereich vor allen Dingen Probleme mit der Abgasreinigung, die trotz Lambdaregelung dann nicht optimal arbeiten kann, da die Lambdasonde den Sauerstoffgehalt aus der Summe beide Abgasströme ermittelt; evtl. wird die Gemischbildung nun auf einer Seite zu fett und auf der anderen zu mager; in der Summe führt dies zu dem gewünschten Lambdawert (Luftzahl), ist aber halt nicht optimal von den Schadstoffwerten. Als Käufer des R1100R Modells habe ich damals großen Wert auf die verwendete Technologie bzgl. der Abgasreinigung gelegt, bekomme aber nun meine Zweifel. Wäre eine Freigabe des RS/RT-Krümmers Ihrerseits auch für die R/GS-Modellen nicht im Hinblick auf die kommenden neuen Abgasvorschriften eine Möglichkeit, auch die gerade ausgelaufenen R1100R/GS Modelle umweltverträglicher zu machen, zumal es keiner zusätzlichen Entwicklungskosten bedarf?
Mit freundlichen Grüssen,
Holger Wiemann "
Leider ist seit dem 26.2.2002 das Gästebuch von BMW auf deren deutschen Internet-Präsenz geschlossen.
Die Extrempunkte bei 2900 U/min (grüner Pfeil) und 3800 U/min (roter Pfeil) eignen sich bzgl. Synchronisation nicht dazu, die Kurve in dem roten Bereich zu 'plätten‘ (man hat ja immerhin die zwei Einstellmöglichkeiten Anschlag und Umluftschraube mit denen exakt zwei Punkte und damit die ganze Kurve festgelegt werden kann). Zwei Argumente sprechen dagegen: Als erstes würde die Kurve zwischen 1100 – 2500 U/min unbrauchbar starke Auslenkungen haben und zweitens kann man annehmen, dass die Delle bei 3800 U/min durch die asymmetrischen Krümmeranlage erzeugt wird und nichts mit der eigentlichen Druckdifferenz im Drehzahlbereich davor zu tun hat. Wahrscheinlich wäre die Abweichung jenseits von 5000 U/min nun sehr groß.
Richtig ist es hier, die beiden Drehzahlpunkte 1100 und 2900 U/min (beide grünen Pfeile) zur Synchronisation zu benutzen.
