Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

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4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung 215

Abb. 4.51. Ladungszusammensetzung bei Einlass-Schluss

Der Abgasgehalt der gesamten Zylinderladung ist definiert als Quotient aus ge-

samter Abgasmasse und Ladungsmasse und kann Werte bis über 50% annehmen.

Hierbei ist zunächst unwesentlich, wie das Abgas in den Brennraum gelangt ist.

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(4.60)

Daneben wird für den Fall externer Abgasrückführung eine Abgasrückführrate

definiert, die nur die rückgeführte Abgasmasse auf die gesamte Zylinderladung

bezieht und damit stets kleiner oder gleich dem Abgasgehalt ist.

AGRAAGRA

AGR



(4.61)

Die Wirkung der Abgasrückführung auf das globale Luftverhältnis und die

Temperatur der Zylinderladung ist bei luftansaugenden und gemischansaugenden

Motoren unterschiedlich. Es wird angenommen, dass für unterschiedliche Abgas-

rückführraten bzw. Abgasgehalte stets die gleiche Last gefahren wird, was gleich-

bedeutend ist mit konstanter, zugeführter Brennstoffmasse.

Bei luftansaugenden Motoren sinkt das globale Luftverhältnis linear mit stei-

gendem Abgasgehalt, da von einer konstanten Ladungsmasse ausgegangen wird

und die Abgasmasse zu Lasten frischer Luft zunimmt.

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(4.62)

Abgasrückführung führt bei luftansaugenden Motoren demnach immer zu einer

Reduzierung des Luftverhältnisses. Da weniger Frischluft benötigt wird, sinkt bei

gleicher, zugeführter Brennstoffmasse zudem der ausgestoßene Abgasmassen-

strom linear mit steigendem Abgasgehalt. Hochlastpunkte beinhalten daher keine

216 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

oder nur geringe Abgasanteile in der Zylinderladung. Dennoch ist auch bei luftan-

saugenden Motoren eine Steuerung der Ladungs-zusammensetzung durch den

Ladedruck möglich, sodass mit steigenden Abgasgehalten bzw. AGR-Raten die

Ladungsmasse unter Beibehaltung des Luftverhältnisses zunehmen kann. Das

stellt jedoch grundsätzlich höhere Anforderungen an das Aufladesystem.

Auch beim gemischansaugenden Motor wird zunächst von einem gleichen

Lastpunkt ausgegangen, d.h. Brennstoffmasse und Luftmasse bleiben für unter-

schiedliche Abgasgehalte konstant. Da das Luftverhältnis bei gemischansaugen-

den Ottomotoren (stöchiometrischer Betrieb) immer konstant ist, führt ein zuneh-

mender Abgasanteil zu einer Erhöhung der gesamten Ladungsmasse. Im Teillast-

betrieb drosselgesteuerter Ottomotoren führt das zu einer spürbaren Reduzierung

der Ladungswechselverluste, da zum Ansaugen der gewünschten Luftmasse weni-

ger gedrosselt werden muss. Damit wird deutlich, dass die Abgasrückführung bei

drosselgesteuerten, gemischansaugenden Motoren auch zu einer Wirkungsgrad-

steigerung bei Teillast führt. Allerdings erfährt die Abgasrückführung bei der

ottomotorischen Verbrennung Grenzen durch die bei zunehmenden Abgasgehalten

immer stärkere Verschleppung der Verbrennung. Dabei wird die Entflammung

erschwert, und sowohl die Brenndauer als auch die zyklischen Schwankungen

nehmen zu.

Abbildung 4.52 zeigt den Verlauf des globalen Luftverhältnisses von luft- und

gemischansaugenden Motoren in Abhängigkeit des Abgasgehaltes unter der Vor-

aussetzung gleicher Motorlast.

Abb. 4.52. Luftverhältnis von luft- und gemischansaugenden Motoren in Abhängigkeit des

Restgasgehaltes

Die Abgasrückführung ist in erster Linie als effektives Verfahren zur Senkung

der Stickoxidemissionen bekannt geworden. Da die NO

-Bildung hauptsächlich

von der Spitzentemperatur des Arbeitsgases abhängt, greift die AGR vor allem

durch eine Temperaturabsenkung in den NO

-Bildungsmechanismus ein. Dabei

lassen sich mehrere Effekte beobachten, die grundsätzlich vom Brennverfahren

4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung 217

abhängen und unter anderem durch [FUN01] beschrieben werden. Generell führt

die AGR zu einer Reduzierung des Sauerstoffanteils der Zylinderladung. Das

geschieht entweder dadurch, dass die Ladungsmasse bei unveränderter Luftmasse

durch das rückgeführte Abgas erhöht wird (Gemischansaugung) oder durch Ab-

senkung der Luftmasse bei unveränderter Ladungsmasse (Luftansaugung). Die

dadurch bedingte Reduzierung des Sauerstoff-Partialdruckes verlangsamt die

Flammenausbreitung, erhöht die Brenndauer und führt zu geringeren Spitzendrü-

cken und –temperaturen. Den größten Beitrag an der temperatursenkenden Wir-

kung durch AGR hat der sogenannte Verdünnungs- oder Inertgaseffekt [LAD96a].

Die chemisch umgesetzten und rückgeführten Abgasbestandteile nehmen nicht

erneut an der Verbrennung teil. Die durch die chemische Reaktion freigesetzte

Wärme verteilt sich daher auf eine größere Ladungsmasse, sodass insgesamt ge-

ringere lokale und globale Gastemperaturen erreicht werden. Ein weiterer Effekt

stellt sich durch die bnderung der kalorischen Stoffgrößen des Arbeitsgases infol-

ge geänderter Ladungszusammensetzung ein. Da bei der Abgasrückführung ein

Teil der Ansaugluft durch die dreiatomigen Verbrennungsprodukte H

O und CO

ersetzt wird und diese Abgasbestandteile höhere spezifische Wärmekapazitäten

aufweisen als Luft, führt die AGR in Summe zu einem Anstieg der Wärmekapazi-

tät bzw. einem Absinken des Isentropenexponenten der Zylinderladung. Das ge-

steigerte Energieaufnahmevermögen wird auch aus thermische Drosselung be-

zeichnet und äußert sich in niedrigeren Verdichtungsend- und lokalen Verbren-

nungstemperaturen.

Sofern es zu einer Dissoziation des Verbrennungsgases kommt, bei dem CO

und H

O unter Wärmeaufnahme (endotherm) zerfallen, werden die Temperaturen

ebenfalls reduziert. Nach [LAD96b, LAD97a, LAD97b] liegt der Einfluss durch

Dissoziation auf die NO

-Absenkung in etwa gleicher Größenordnung wie der

Einfluss durch thermische Drosselung.

Die Wirksamkeit der Abgasrückführung steigt mit fallender Temperatur der zu-

rück geführten Abgase, weshalb gerade im Dieselbereich zusätzlich eine Abgas-

kühlung zum Einsatz kommt [KLO03]. Diese Kühlung verbessert die Zylinderfül-

lung und erhöht die AGR-Verträglichkeit [LUT03]. Neben einer drastischen Ab-

senkung der Stickoxidemissionen ist durch Abgasrückführung bei drosselgesteuer-

ten bzw. gemischansaugenden Ottomotoren in der Teillast auch eine Senkung des

Kraftstoffverbrauches möglich. Infolge des Anstiegs der Ladungsmasse durch

AGR ist eine geringere Drosselung erforderlich, sodass die Ladungswechselver-

luste insbesondere in der Teillast entsprechend abnehmen. Zu hohe Restgasanteile

führen bei Ottomotoren jedoch zu einer erschwerten Entflammung, ggf. zu Zünd-

aussetzern sowie zu einem unrunden Motorlauf mit entsprechend hohen HC-

Emissionen. Die dadurch bedingten Komforteinbußen wirken sich bei Motoren

mit geringer Zylinderzahl besonders stark aus. Um die Restgasverträglichkeit zu

steigern, ist eine gezielte Ladungsbewegung z.B. in Form eines Dralls nötig.

Abbildung 4.53 zeigt den Einfluss einer drallbehafteten Ladungsbewegung auf

die Restgasverträglichkeit im Teillastbetrieb eines kleinvolumigen Ottomotors.

Bei geöffneter Drallklappe tragen sowohl der Tangentialkanal als auch der zweite

Einlasskanal zur Füllung des Zylinders mit Frischgemisch bei. Aufgrund der da-

durch bedingten, geringen Ladungsbewegung ist nur ein Restgasanteil von etwa

218 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

10% ohne Zündaussetzer darstellbar. Durch Deaktivierung des zweiten Einlasska-

nals (Drallkappe geschlossen) strömt das Frischgemisch mit einer ausgeprägten

Drallbewegung in den Zylinder ein. Dies bietet den Vorteil einer auf 20% gestei-

gerten Restgasverträglichkeit mit der damit verbundenen Kraftstoffverbrauchssen-

kung. Im Teillastbereich kann damit trotz hoher Restgasanteile eine sichere Ent-

flammung des Gemisches erreicht werden, sodass der Kraftstoffverbrauch deutlich

absinkt.

Abb. 4.53. Einfluss einer gezielten Ladungsbewegung auf die Restgasverträglichkeit und

den Kraftstoffverbrauch eines drosselgesteuerten Ottomotors [GRE04]

Bei der Benzin-Direkteinspritzung (BDE) mit Luftüberschuss (Magerkonzept)

ist die Abgasrückführung unbedingt erforderlich, da der vermehrten NO

-Bildung

durch magere Verbrennung innermotorisch begegnet werden muss, um die DE-

NOX-Phasen zur „Entleerung“ des NO

-Speicherkatalysators und damit den

Kraftstoffverbrauch zu reduzieren. Das AGR-System hat bei der BDE höhere

Anforderungen zu erfüllen als bei der Saugrohreinspritzung, da zum einen das

Abgas beim Magerbetrieb eine nicht unerhebliche Sauerstoffmenge beinhaltet und

zum anderen infolge geringerer Gastemperaturen mit erhöhten Ablagerungen

gerechnet werden muss [ROB03a].

Ein Problem bei Dieselmotoren ist die bei hohen AGR-Raten steigende Emissi-

on der unter Luftmangel entstehenden Abgasbestandteile wie Ruß, CO und HC.

Aufgrund des geringeren Temperaturniveaus sowie des niedrigeren Sauerstoffan-

teils wird die Rußoxidation behindert und damit die Rußemission erhöht. Abhilfe

kann eine Erhöhung des Ladedruckes schaffen; dies erhöht jedoch die Anforde-

rungen an das Aufladesystem beträchtlich.

4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung 219

4.2.2 Variable Ventilsteuerung

Wie bereits in Abschn. 2.1.6 beschrieben wurde, hat der Ladungswechsel einen

beträchtlichen Einfluss auf den motorischen Verbrennungsprozess und damit auf

vielen Kenngrößen und Betriebscharakteristiken des Motors. Mit Hilfe einer vari-

ablen Steuerung der Ein- und Auslassventile stehen nun weitere Freiheitsgrade zur

Verfügung, um die motorische Energieumsetzung hinsichtlich der wesentlichen

Ziele Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemissionen zu verbessern. Aus diesem

Grund entwickeln sich die variablen Ventiltriebsysteme (VVT – V

ariable Valve

rain) in ihrer unterschiedlichen Ausprägung und Komplexität zunehmend zum

Standard moderner Ottomotoren mit Saugrohr- und Direkteinspritzung.

Aufgrund seiner drosselfreien Qualitätsregelung sind beim Dieselmotor insbe-

sondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs geringere Potenziale zu erschließen,

jedoch sind mit einer möglichen Steigerung der Luftversorgung im unteren Dreh-

zahlbereich sowohl Drehmomentanhebungen als auch Schadstoffreduzierungen

realisierbar. Im Gegensatz zum Ottomotor kommt beim Dieselmotor erschwerend

hinzu, dass im oberen Totpunkt aufgrund der hohen Verdichtung nur wenig Ven-

tilfreigang vorhanden ist und ein Öffnen der Auslassventile trotz der hohen Zylin-

derdrücke möglich sein muss.

Beim Ottomotor steht die drosselfreie Laststeuerung durch variable Ventiltriebe

in direkter Konkurrenz zur geschichteten Benzindirekteinspritzung [KRE02] und

zu klassischen Downsizing-Konzepten. Seitens der VVT müssen jedoch keine

Restriktionen hinsichtlich Kraftstoffqualität, Zylinderzahl und Abgasnachbehand-

lung eingegangen werden. Die Kombination der genannten Technologiebausteine

bietet beachtliche Potenziale sowohl für Saugmotoren als auch für aufgeladene

Motoren [SAL02]. Zudem ist die variable Ventilsteuerung Voraussetzung für die

Umsetzung neuartiger Brennverfahren wie z.B. CAI oder HCCI [WOL03].

Grundlagen und Prozessbeeinflussung

Unter einer variablen Ventilsteuerung versteht man die Möglichkeit, den Ventil-

öffnungsquerschnitt in seiner Größe, seinem zeitlichen Verlauf oder seiner kur-

belwinkelbezogenen Lage gezielt steuern zu können. Als Parameter dienen somit

der Ventilhub in seiner Größe und zeitlichen Funktion sowie die Phasenlage und

Dauer der Ventilöffnung. Abb. 4.54 verdeutlicht diese Parameter, wobei reale

variable Ventilsteuerungen in der Regel zeitgleich über mehrere Parameter verfü-

gen. Sofern die Parameter stufenlos verstellbar sind, hat man es mit kontinuierlich

verstellbaren Systemen zu tun. Bei diskontinuierlich variablen Systemen kann nur

zwischen zwei oder drei festen Zuständen gewählt werden. Mit Bezug auf die

Anzahl der Freiheitsgrade spricht man von teil- oder vollvariablen Ventilsteuerun-

gen. Diskontinuierlich arbeitende Systeme sind stets teilvariabel. Eine weitere

Unterteilung kann nach der Art der Ventilbetätigung mit oder ohne Nockenwelle

erfolgen.

220 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Abb. 4.54. Zusätzliche Freiheitsgrade zur Prozessbeeinflussung bei variablen Ventilsteue-

rungen

Maximale Variabilität bieten Systeme ohne Nocken, da hierbei auch hinsicht-

lich der zeitlichen Ventilhubfunktion eine stufenlose Verstellung und gleichzeitig

eine komplette Ventilabschaltung möglich ist. Hierbei sind grundsätzlich mehrere

Funktionsprinzipien denkbar, wobei das elektromechanische System (EMVT –

lektromechanischer Ventiltrieb) als am meisten geeignet erscheint, jedoch das

volle Potenzial aufgrund des hohen Energiebedarfs erst in Verbindung mit einem

42-Volt-Bordnetz erschlossen werden kann. Nachteilig wirken der erhebliche

Regelungsaufwand sowie die komplexe Leistungselektronik. Ein weiterer, gene-

reller Nachteil nockenfreier Systeme ist die hohe Geräuschemission, die einerseits

durch die Anregung saugseitiger Druckschwingungen [PIS03a] sowie durch das

schlagartige Aufsetzen von Ventil und Anker [KOC99, SCH00a] erzeugt wird.

Letzteres kann durch eine angepasste Ansteuerung deutlich reduziert werden.

Auch dem elektrohydraulischen System (EHVT – E

lektrohydraulischer Ventil-

rieb) werden durchaus Chancen eingeräumt. Bisher sind jedoch keine nockenfrei-

en Ventilsteuerungen in der Serie zu finden.

Variable Ventilsteuerungen haben im Pkw-Bereich bereits Anfang der 80er

Jahre des letzten Jahrhunderts in Form von Phasenstellern Einzug in die Serie

gehalten. Im Laufe der Jahre wurde die Komplexität und Leistungsfähigkeit stetig

verbessert. Alle heutigen Systeme und der Serie basieren auf nockengesteuerten

Systemen. Bekannte Systeme sind „VarioCamPlus“ (zweistufige Ventilhubum-

schaltung + Phasensteller auf Einlassseite) der Firma Porsche, die „Valvetronic“

(stufenlos variable Einlassventilhübe + Phasensteller auf Ein- und Auslassseite)

von BMW oder „VTEC“ (zweistufige Ventilhubumschaltung + Phasensteller) von

Honda. Das System von BMW ist das erste, vollvariable Ventilsteuersystem, das

auf den Markt gebracht wurde. Darüber hinaus sind zahlreiche, weitere Patente zu

4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung 221

variablen Ventilsteuerungen angemeldet worden. In Abb. 4.55 sind die Einfluss-

möglichkeiten aufgeführt, die mit Hilfe von Variabilitäten im Ventiltrieb realisier-

bar sind. Über die Beeinflussung der motorischen Prozessabläufe sowie die Nut-

zung unkonventioneller Möglichkeiten, wie z.B. die Ventil- oder Zylinderabschal-

tung sowie die drosselfreie Laststeuerung, können sowohl das Betriebsverhalten

sowie die Kenngrößen des Motors gezielt positiv verändert werden.

Abb. 4.55. Einflussmöglichkeiten auf den motorischen Prozess durch variable Ventilsteue-

rungen

Die Anpassung der Steuerzeiten zur Beeinflussung von Ladungsmenge, La-

dungsbewegung und Ladungszusammensetzung ermöglicht eine signifikante Re-

duzierung der Emissionen während unmittelbar nach dem Kaltstart und während

des Warmlaufes. So können beispielsweise die HC-Startemissionen durch das

Steuerverfahren SEÖ signifikant verringert werden [PIS99].

Bei Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung und Drosselsteuerung sind im Leer-

lauf kleine Ventilüberschneidungen erforderlich, damit aufgrund des durch die

Androsselung verursachten hohen, negativen Druckgefälles keine hohen Restgas-

gehalte im Brennraum zu verzeichnen sind. Diese führen unweigerlich zu einem

unbefriedigendem Leerlaufverhalten durch verstärktes Auftreten zyklischer

Schwankungen, was insbesondere für Motoren mit geringer Zylinderzahl proble-

matisch ist. Ein Anstieg der zyklischen Schwankungen ist zudem mit einem An-

wachsen der HC-Emissionen verbunden. Kleine Ventilüberschneidungen im Leer-

lauf bieten damit die Möglichkeit einer Absenkung der Leerlaufdrehzahl. Ande-

rerseits kann der Restgasgehalt durch Variation der Ventilüberschneidung und in

Abhängigkeit der Drücke im Ansaug- und Abgaskanal in bestimmten Grenzen

beeinflusst werden. Im mittleren Teillastbereich bewirken hohe Restgasgehalte

eine Senkung der Spitzentemperaturen und führen damit zu niedrigen NO

Emissionen.

222 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Geringe Lasten und Drehzahlen sind bei konventionellen Ventiltrieben mit

niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten im Ansaugsystem verbunden. Eine Redu-

zierung des Ventilhubs führt in diesen Betriebsbereichen zu einer Erhöhung der

Strömungsgeschwindigkeit im Ventilspalt und damit zu einer Verbesserung von

Gemischbildung und Ladungsbewegung, sodass die Verbrennung stabiler abläuft

und eine Verbrauchsreduzierung möglich ist. bhnliche Effekte haben Maskierun-

gen im Sitzbereich der Einlassventile oder die Kanalabschaltung, bei der die La-

dungsbewegung durch die Deaktivierung eines Einlasskanals mittels Klappe er-

zeugt wird [GRE03]. Beide Systeme ermöglichen die Generierung ausgeprägter

Turbulenzen. Bei direkteinspritzenden Ottomotoren erlaubt diese, durch die vari-

able Ventilsteuerung intensivierte Ladungsbewegung eine Ausweitung des

Schichtladebetriebs.

Für die Volllastcharakteristik eines Motors sind die Minimierung des Restgas-

anteils und die Maximierung der Zylinderfüllung entscheidend. Die für die Zylin-

derfüllung bestimmenden Parameter sind in erster Linie die Steuerzeit ES sowie

die Ventilöffnungs- und Schließflanken im Zusammenspiel mit der Schwingungs-

charakteristik der Luft im Saugrohr. Der Restgasgehalt wird durch Lage und Dau-

er der Ventilüberschneidung beeinflusst. In Bezug auf die maximale Zylinderfül-

lung können insbesondere im unteren Drehzahlbereich respektable Verbesserun-

gen erzielt werden, wie in Abb. 4.56 anhand eines freisaugenden und eines aufge-

ladenen Motors mit elektromechanischem Ventiltrieb deutlich wird.

Abb. 4.56. Steigerung des Low-End-Torque durch einen vollvariablen, elektromechani-

schen Ventiltrieb (EMVT) an einem Saug- und einen aufgeladenen Motor [MOR04,

GEO04]

Die Gasdynamik im Ansaugkanal eines turboaufgeladenen Motors läuft physi-

kalisch genauso ab wie beim Saugmotor, nur auf einem höheren Druckniveau. Die

insbesondere bei turboaufgeladenen Motoren charakteristische Drehmoment-

schwäche bei niedrigen Drehzahlen kann durch eine angepasste ES-Steuerzeit

4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung 223

noch wirkungsvoller reduziert werden als bei einem Saugmotor. Der Einsatz von

VVT kann damit speziell bei Downsizing-Konzepten zu einem besseren Anfahr-

verhalten und zu einer gesteigerten Kundenakzeptanz führen.

Ein weiterer Vorteil, den aufgeladene Motoren mit drosselfreier Laststeuerung

nutzen können, ist die im Vergleich zur Drosselsteuerung mögliche Reduzierung

des Ladedrucks. Dies führt zu kleineren Ladern, die generell über ein besseres

Ansprechverhalten verfügen [KRE03]. Im Gegensatz zum drosselgesteuerten

Motor startet das drosselfrei betriebene Aggregat bei Umgebungsdruck im Saug-

rohr. Der damit realisierte geringe Zeitbedarf zur Füllung des Saugrohres mit Luft

führt in Verbindung mit dem reduzierten Massenträgheitsmoment des Laders zu

einem deutlich spontaneren Ladedruckaufbau. Somit hilft die variable Ventilsteue-

rung, das transiente Betriebsverhalten zu verbessern.

Bei direkteinspritzenden Motoren kann eine signifikante Ausweitung der Ven-

tilüberschneidung im Volllast- und Nennleistungsbereich zu einer weiteren Steige-

rung der Zylinderfüllung, einer Absenkung des Temperaturniveaus und zu intensi-

ver Restgasausspülung genutzt werden, da hier nicht die Gefahr eines hohen

Kraftstoffverbrauchs und hoher HC-Emissionen durch große Spülverluste gegeben

ist.

Hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchsreduzierung im NEFZ sind mit den ver-

schiedenen variablen Ventiltriebskonzepten unterschiedliche Größenordnungen zu

realisieren. Ausgehend vom heutigen Stand der Technik mit Phasenstellern kön-

nen für ein Mittelklassefahrzeug mit Vierzylindermotor nach [DUE04] mit einem

zusätzlichen Einlassventilteilhub 5-7%, mit der Zylinderabschaltung 8%, mit

einem vollvariablen mechanischen Ventiltrieb 10% und mit einem elektromecha-

nischen Ventiltrieb (EMVT) bis zu 16% Kraftstoff eingespart werden. Letzterer

ermöglicht neben einer Abschaltung von Ventilen und kompletten Zylindern auch

eine von der Kurbelwellenumdrehung vollkommen unabhängige Wahl aller Steu-

erzeiten.

Laststeuerverfahren (Quantitätsregelung)

Drosselgesteuerte Ottomotoren weisen im Teillastbetrieb beträchtliche Ladungs-

wechselverluste auf, die auf die Androsselung der Ansaugluft zur Regelung der

Gemischmasse (Quantitätsregelung) zurückzuführen sind. Es liegt daher nahe,

nach anderen Möglichkeiten zur Laststeuerung zu suchen.

Um die Verbrauchsvorteile einer drosselfreien Laststeuerung beim Ottomotor

nutzen zu können, ist eine gute Gemischbildung Voraussetzung. Dies kann ein-

spritzseitig durch eine intensive Zerstäubung des Kraftstoffes mit dem Ziel kleiner

Tropfendurchmesser erfolgen. Einen wesentlichen Einfluss auf die Güte der Ge-

mischbildung übt jedoch auch das umgebende Strömungsfeld aus. Untersuchun-

gen von [PIS01] haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad des Hochdruckprozesses

im Vergleich zur Drosselsteuerung niedriger ausfällt, falls keine Maßnahmen zur

Darstellung einer intensive Ladungsbewegung getroffen werden. Es sind demnach

hohe Strömungsgeschwindigkeiten während des Ansaugtaktes sowie intensive

Ladungsbewegungen erforderlich, die u.a. durch Ventil-Teilhübe bzw. durch Ven-

til- oder Kanalabschaltung realisiert werden können. Damit kann auf die Drossel-

224 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

klappe zur Laststeuerung mit dem Ziel geringer Ladungswechselverluste prinzi-

piell verzichtet werden.

Um den gewünschten Betriebspunkt darstellen zu können, muss die entspre-

chende Gemischmasse durch die variable Ventilsteuerung gezielt eingestellt wer-

den können. Hierfür eignen sich grundsätzlich die Laststeuerverfahren Frühes-

Einlass-Schließen (FES), Spätes-Einlass-Schließen (SES), Spätes-Einlass-Öffnen

(SEÖ) sowie die Steuerung durch variable Einlassventil-Teilhübe. Abb. 4.57 zeigt

anhand des

p,V-Diagramms die wesentlichen Unterschiede.

Abb. 4.57. Einfluss der Laststeuerverfahren FES, SES und SEÖ auf den Zylinderdruckver-

lauf (schematisch)

Beim Laststeuerverfahren FES wird das Einlassventil bereits dann geschlossen,

wenn sich die für den Betriebspunkt erforderliche Gemischmasse im Zylinder

befindet. Je niedriger der Lastpunkt, desto früher schließt das Einlassventil und

desto kürzer ist dessen Öffnungsphase. Die im Brennraum vorhandene Ladung

wird dann während der weiteren Abwärtsbewegung des Kolbens expandiert und

das effektive Verdichtungsverhältnis reduziert. Im Vergleich zur Drosselsteuerung

beginnt die Kompression zwar ebenfalls bei niedrigen Drücken, aber von einem

deutlich niedrigeren Temperaturniveau, sodass auch die Spitzentemperaturen zum

Ende der Kompression und während der Verbrennung geringer ausfallen und

somit eine thermische Entlastung der Bauteile erfolgt. Infolge der fehlenden Dros-

selklappe liegt der Ansaugdruck bei Saugmotoren nur geringfügig unterhalb des

Umgebungsdruckes, sodass die Gemischbildung zunächst nachteilig beeinflusst

und die interne Abgasrückführung durch das reduzierte Druckgefälle erschwert