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

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2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 25

tikel auf. Seit Inkrafttreten der EU 3-Norm im Jahr 2000 werden Stickoxide und

HC getrennt limitiert. Für die USA und Japan gelten andere Grenzwerte, wobei

der fahrzeugspezifische Schadstoffausstoß auch nach anderen Prüfzyklen ermittelt

wird.

Abb. 2.14. Europäische Schadstoffgrenzwerte für Pkw

Für Nfz-, Hochleistungsdiesel- und Schiffsmotoren gelten je nach Anwen-

dungsfall eigene Testzyklen und Grenzwerte mit einer großen Anzahl an Varian-

ten für die einzelnen Länder. Grundsätzlich werden diese Grenzwerte energiebe-

zogen in g/kWh angegeben, da für einen Motor unterschiedliche Anwendungen,

Getriebekombinationen, Aufbauten etc. verfügbar sind und eine streckenbezogene

Grenzwertangabe daher nicht sinnvoll ist. Abb. 2.15 zeigt die europäischen

Schadstoffgrenzwerte für Nfz-Motoren im stationären und transienten Testzyklus.

Abb. 2.15. Europäische Schadstoffgrenzwerte für Nfz-Motoren

26 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Je nach Zyklus werden im Motorkennfeld verschiedene Betriebspunkte ange-

fahren und diese für die Abgaszertifizierung unterschiedlich gewichtet. Neben

stationären Testzyklen für Nutzfahrzeugmotoren (z.B. E

uropean Stationary Cycle

(ESC) und E

uropean Load Response (ELR)) gibt es auch transiente Testzyklen

(z.B. E

uropean Transient Cycle (ETC)). Die Einhaltung der zukünftig geltenden,

sehr niedrigen Schadstoffgrenzwerte stellt die Motorenhersteller vor große Her-

ausforderungen. Primäres Ziel ist, möglichst viele Schadstoffe mittels innermoto-

rischer Maßnahmen zu reduzieren (Schadstoffreduzierung), da eine nachmotori-

sche Abgasnachbehandlung hohe Kosten und häufig einen Kraftstoffmehr-

verbrauch verursacht. Hier stößt man jedoch zunehmend an Grenzen, die in erster

Linie durch das Brennverfahren bestimmt werden. Downsizing-Konzepte bieten

insgesamt gute Voraussetzungen, um die Rohemission von vorn herein abzusen-

ken. Unter bestimmten Bedingungen und speziell für den Dieselmotor, der beim

Downsizing mit hohen Zeitanteilen im oberen Lastbereich betrieben wird, ist

jedoch auch erhöhter Aufwand z.B. in Form von Abgasrückführung zu betreiben.

Abbildung 2.16 zeigt für den konventionellen Ottomotor und den Dieselmotor

die Abhängigkeit der Schadstoffemissionen vom Luftverhältnis. Zu beachten sind

die unterschiedlichen

Ȝ-Bereiche der beiden Brennverfahren.

Abb. 2.16. Schadstoffemissionen in Abhängigkeit des Luftverhältnisses beim

konventionellen Otto- und Dieselmotor (Rohemissionen ohne Abgasrückführung)

Die Bildung der Schadstoffe ist in erster Linie von den Parametern Luftverhält-

nis und Gastemperatur und damit vom Brennverfahren abhängig. Die chemischen

Prozesse sind in der Regel sehr komplexer Natur und noch nicht in allen Berei-

chen vollständig verstanden. Während beim Dieselmotor die problematischen

Stickoxid- und Partikelemissionen mit steigendem Luftverhältnis abnehmen, sind

die ansteigenden CO- und HC-Emissionen relativ einfach mittels Oxidationskata-

lysatoren zu beseitigen, sodass ein heterogener dieselmotorischer Betrieb hinsicht-

lich der Schadstoffemissionen mit möglichst hohem Luftüberschuss erfolgen soll-

te. Um dennoch hohe spezifische Leistungen bzw. Mitteldrücke darstellen zu

können, sind gleichermaßen hohe Ladedrücke erforderlich. Der konventionelle

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 27

Ottomotor mit Saugrohreinspritzung ist hinsichtlich der emittierten Schadstoffe als

unproblematisch zu bezeichnen, da im Falle eines homogenen, stöchiometrischen

Motorbetriebs hohe Konvertierungsraten mit Hilfe des bewährten, geregelten

Drei-Wege-Katalysators erreicht werden. Mit dieser Technologie sind die heute

geltenden Schadstoffgrenzwerte zuverlässig zu erfüllen. Anders stellt es sich je-

doch bei Ottomotoren mit Direkteinspritzung dar, die überstöchiometrisch d.h. mit

Luftüberschuss betrieben werden. Infolge der beim Magerbetrieb sehr schlechten

Konvertierungsraten ist der Drei-Wege-Kat nicht mehr einsetzbar, sodass DE-

NOX-Katalysatoren zusammen mit Oxidationskatalysatoren verwendet werden

müssen, um die Schadstoffe aus dem Abgas weitgehend entfernen zu können. Die

Notwendigkeit komplexer Abgasnachbehandlungstechnologien stellt einen erheb-

lichen Kostenfaktor dar. Zur Bewertung der im Rahmen dieser Arbeit beschriebe-

nen Maßnahmen und Verfahren zur Wirkungsgradsteigerung ist auch deren Ein-

fluss auf die Schadstoffbildung von Bedeutung. Dieses setzt jedoch die Kenntnis

der einzelnen Mechanismen zur Schadstoffbildung voraus. Im Folgenden sollen

daher die wesentlichen Einflussgrößen und Phänomene beschrieben werden, so-

weit sie für das grundlegende Verständnis erforderlich sind. Für detailliertere

Informationen zur Schadstoffbildung sei beispielsweise auf [MER99] verwiesen.

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC)

Bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen treten in den Bereichen, die bereits

von der Flamme erfasst worden sind, keine messbaren HC-Konzentrationen auf.

Die im Abgas vorhandenen unverbrannten Kohlenwasserstoffe stammen daher aus

Zonen, die nicht oder nur unvollständig von der Flamme erfasst worden sind.

Beim Ottomotor sind dies hauptsächlich wandnahe Schichten, in deren Bereich

die Brenngeschwindigkeit so stark abnimmt, dass die Flamme erlischt, bevor sie

die Wand erreicht (Quench-Effekt oder flame quenching). Das in diesen Zonen

vorhandene Gemisch verbrennt dann nicht mehr und wird bei der Aufwärtsbewe-

gung des Kolbens zusammen mit den übrigen Verbrennungsgasen ausgeschoben.

Beispiele für diese sogenannten Totvolumina sind Spalte der Zylinderkopfdich-

tung, Ventilsitze, Feuersteg, Kolbenringnut und Quetschflächen. Die wandnahe

Grenzschicht ist dabei umso größer, je kälter die Wand ist. Je kleiner die Zylin-

derhubvolumina sind, desto größer ist der Anteil von Spalten und kalten Wandbe-

reichen am gesamten Volumen. Motoren mit großen Zylindern sind daher hin-

sichtlich der HC-Emission vorteilhafter. Zudem verursacht die heiße Zylinderfül-

lung ein Abdampfen vornehmlich leichtflüchtiger Schmierölkomponenten von der

Zylinderwand. Diese Bestandteile nehmen aufgrund des Quench-Effektes eben-

falls nicht mehr an der Verbrennung teil.

Falls die Verbrennung weit in den Expansionstakt hineinreicht, z.B. verursacht

durch eine Spätverstellung des Zünd- oder Einspritzzeitpunktes, kann die Gastem-

peratur soweit absinken, dass die Flamme erlischt, bevor das gesamte Gemisch

verbrannt ist. Im Umkehrschluss bietet ein hohes brennraumseitiges Temperatur-

niveau gute Voraussetzungen für die Zündung und eine intensive Verbrennung der

Kraftstoffkomponenten. Beim heterogenen Dieselbrennverfahren werden unver-

brannte Kraftstoffanteile emittiert, wenn zu fette Gemischbereiche vorliegen und

28 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

diese durch raschen Druck- und Temperaturabfall während der Expansionsphase

nicht mehr umgesetzt werden können. Falls der flüssige Kraftstoff auf die Brenn-

raumwände trifft, wird der Verdampfungsprozess aufgrund der relativ niedrigen

Wandtemperatur verlangsamt und führt in Verbindung mit Quench-Effekten zu

hohen HC-Emissionen. Somit stellt das Diesel-Einspritzsystem mit den Eigen-

schaften Gemischbildungsqualität und Dosierbarkeit eine wesentliche Einfluss-

größe für die Emission unverbrannter Kohlenwasserstoffe dar. bhnliche Zusam-

menhänge gelten für Ottomotoren mit Direkteinspritzung.

In fetten Bereichen kann der Kraftstoff aufgrund Luftmangels nicht umgesetzt

werden, sodass die HC-Emission ansteigt. Geringfügig überstöchiometrische Ge-

mische (1,10 

Ȝ  1,25) ermöglichen beim Ottomotor eine sichere Entflammung

und aufgrund des leichten Luftüberschusses die Gewähr, dass ein Maximum des

eingebrachten Kraftstoffes umgesetzt wird. Bei sehr mageren Gemischen kommt

es beim Ottomotor zunehmend zu Zündaussetzern oder Flammenlöschungen auf-

grund zu niedriger Gastemperaturen, die ebenfalls zu einer Erhöhung der Emissi-

on unverbrannter Kohlenwasserstoffe führen [SPI82]. Dieselmotoren weisen bei

hohen Luftüberschüssen stets sehr geringe HC-Emissionen auf, da innerhalb der

Brennzone stets stöchiometrische Gemische und damit ideale Zündbedingungen

vorliegen.

Kohlenmonoxid (CO)

CO als ein Produkt unvollständiger Verbrennung entsteht stets bei lokalem Luft-

mangel. Sofern global genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, wird das Koh-

lenmonoxid im weiteren Verlauf der chemischen Umsetzung nachoxidiert und

damit abgebaut, wobei in Abhängigkeit des Luftverhältnisses unterschiedliche

Prozesse ablaufen. Insgesamt besteht bei der Oxidation von Kohlenmonoxid ein

starker Temperatureinfluss, der die Ursache für eine verzögerte Umsetzung wäh-

rend der Expansionsphase sowie in wandnahen Bereichen darstellt. Darüber hin-

aus ist die CO-Emission von den üblichen Einflussparametern wie z.B. Zündzeit-

punkt und Lastzustand weitgehend unabhängig. Aufgrund des hohen Luftüber-

schusses weisen Dieselmotoren sehr geringe Kohlenmonoxid-Emissionen auf.

Stickoxide (NO

)

Unter den Sammelbegriff NO

fallen mehrere Moleküle, die ausschließlich aus

Stickstoff und Sauerstoff zusammengesetzt sind. Die wichtigsten Vertreter dieser

Oxide sind NO und NO

, wobei während der Verbrennung hauptsächlich NO

gebildet wird. Von Bedeutung sind zwei wesentliche Bildungsprozesse, der soge-

nannte Zeldovich-Mechanismus („thermisches NO“) und der Fenimore-Mechanis-

mus („Prompt-NO“). Einen geringen Anteil an der NO-Bildung hat darüber hinaus

der im Brennstoff enthaltene Stickstoff.

Die chemischen Reaktionen zur Bildung laufen unter motorischen Randbedin-

gungen sehr langsam ab. Die NO-Bildung ist somit kinetisch kontrolliert, und der

Gleichgewichtszustand, der grundsätzlich höhere NO-Bildungsraten erzeugt, wird

nicht erreicht. Die thermische NO-Bildung nach dem Zeldovich-Mechanismus,

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 29

siehe [ZEL46, BAU91, MER99], läuft hinter der Flammenfront im sogenannten

Verbrannten ab. Hierfür sind drei Elementarreaktionen wichtig, wobei die erste

Reaktion die geschwindigkeitsbestimmende ist und aufgrund der starken Drei-

fachbindung von N

eine hohe Aktivierungsenergie (hohe Temperatur) benötigt.

Eine deutliche Zunahme der NO-Bildung erfolgt daher erst oberhalb von 2.000 K.

Der im ersten Schritt gebildete atomare Stickstoff wird im zweiten und dritten

Schritt sofort zu NO umgesetzt. Während der Expansionsphase findet nahezu

keine Reduktion des NO

statt, weil die deutlich niedrigere Temperatur im Ver-

gleich zur Verbrennungsphase die Rückreaktion „einfrieren“ lässt. Einmal gebil-

detes NO

lässt sich demnach nur durch Abgasnachbehandlung wirkungsvoll

reduzieren.

Die NO-Bildung nach dem Fenimore-Mechanismus, vergleiche [FEN79], er-

folgt in der Flammenfront und ist komplizierter als die thermische Stickoxidbil-

dung. Ein signifikanter Einflussparameter ist die lokale Brennstoffkonzentration.

Die Berechnung der Prompt-NO-Bildung ist mit deutlich größeren Unsicherheiten

verbunden als die Berechnung des thermischen NO. Aufgrund der geringen Akti-

vierungsenergie, die zum Ablauf der wesentlichen Reaktion erforderlich ist, er-

folgt die NO-Bildung nach dem Fenimore-Mechanismus schon ab Temperaturen

von etwa 1.000 K. Da unter motorischen Bedingungen etwa 90–95% der gesamten

Stickoxide nach dem Zeldovich-Mechanismus (thermisches NO) gebildet werden,

ist dies bei konventionellen Brennverfahren der mit Abstand dominierende Pro-

zess. Die NO-Bildung nach dem Fenimore-Mechanismus nimmt demnach einen

Anteil von etwa 5–10% ein.

Beim Dieselmotor hat die Art des Brennverfahrens über die lokale Verbren-

nungstemperatur einen erheblichen Einfluss auf Höhe und Verlauf der NO

Konzentrationen. Zu nennen sind hier Einspritzbeginn, Verdichtungsverhältnis,

Abgasrückführung etc. Charakteristisch beim konventionellen, heterogenen Die-

selbrennverfahren ist zudem die starke Wechselwirkung mit den Rußemissionen.

Die stetige Abnahme des NO-Bildung mit zunehmendem Luftverhältnis ist in dem

Abfall der Gastemperatur begründet.

Im Ottomotor tritt die höchste NO

-Konzentration nicht beim Luftverhältnis

mit den höchsten Verbrennungstemperaturen (

Ȝ = 0,95) auf, sondern im leicht

mageren Bereich, da sowohl hohe Temperaturen als auch eine ausreichende Sau-

erstoffkonzentration im Verbrannten erforderlich sind. Bei Ottomotoren mit Di-

rekteinspritzung, die im Schichtmodus betrieben werden, sind die NO

Emissionen aufgrund der in den lokal fetten Gemischbereichen hohen Verbren-

nungstemperaturen deutlich höher als bei homogen betriebenen DI-Ottomotoren

oder bei konventionellen PFI-Ottomotoren. Bei der homogenen ottomotorischen

Magerverbrennung spielt darüber hinaus auch das aus N

O gebildete NO eine

nennenswerte Rolle.

Partikel und Ruß (PM)

Unter dem Begriff Partikel werden all jene Abgasbestandteile zusammengefasst,

die unterhalb einer Temperatur von 51,7 °C auf einem definierten Filter abge-

schieden werden können. Sie bestehen aus festen organischen oder flüssigen und

30 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

löslichen anorganischen Komponenten. Dazu zählen Ruß (elementarer Kohlen-

stoff), Aschen, Additivrückstände, Salze sowie Abrieb und Korrosionsprodukte.

Hauptbestandteile sind jedoch Ruß sowie an den Rußteilchen angelagerte bzw.

kondensierte Kohlenwasserstoffe. Im Gegensatz zu Dieselmotoren mit ihrer Qua-

litätsregelung, die in ähnlicher Form auch beim DI-Ottomotor zum Einsatz

kommt, ist die Partikelemission von konventionellen, homogen betriebenen Otto-

motoren mit Saugrohreinspritzung unbedeutend.

Die Rußentstehung ist im Wesentlichen von den lokalen Größen der Tempera-

tur und des Luftverhältnisses abhängig. Ausgehend von einer chemischen Reduk-

tion einiger Brennstoffmoleküle kommt es zunächst zur Bildung eines Benzolrin-

ges und im Anschluss durch Polymerisation von einzelnen Ringen zur Bildung

polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK), deren Kohlenstoffgehalt

unter fortschreitender Dehydrierung zunimmt. Nach Kondensation und Bildung

von Rußkernen in der Größenordnung von 1–2 nm führt der Zusammenschluss

dieser Kerne zu Rußprimärteilchen mit Größen von 20–30 nm, die schließlich zu

langen kettenförmigen Strukturen agglomerieren. Die Partikelgröße innerhalb des

Abgases variiert daher in weiten Bereichen von 10–150 nm, wobei auch Partikel

mit Größen von 10 µm entstehen können. Besonders gefährlich sind wegen ihrer

Lungengängigkeit die Kleinstpartikel.

Abb. 2.17. Zeitlicher Verlauf der Rußkonzentration sowie Rußertrag als Funktion von

Luftverhältnis und Temperatur bei einem DI-Dieselmotor

Die Partikelemission von Verbrennungsmotoren ist um ein Vielfaches kleiner

als die zu Anfang der Verbrennung gebildete Partikelmasse, da ein Großteil im

Zuge der Haupt- und Nachverbrennung oxidiert bzw. abgebaut wird. Dieser Zu-

sammenhang ist im rechten Diagramm von Abb. 2.17 dargestellt. Infolge der

Notwendigkeit, sowohl die Rußentstehung (Pyrolyse) als auch den nachfolgenden

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 31

Rußabbrand modellieren zu müssen, wird die Berechnung der motorischen Ruß-

emission sehr erschwert. Allgemein anerkannt ist die These, dass die lokale Tem-

peratur und die lokale Gemischzusammensetzung die kontrollierenden Faktoren

für die Reaktionsgeschwindigkeiten sind. Fette Gemischzonen mit lokalen Luft-

verhältnissen unterhalb von 0,5 führen daher in Verbindung mit Temperaturen im

Fenster von 1.500–1.900 K zu einem vermehrten Rußertrag. Für homogene Gemi-

sche wurde durch [SPI92] nachgewiesen, dass unter optimalen Bedingungen ab

Ȝ = 0,6 keine Rußbildung zu beobachten ist. Höhere Temperaturen intensivieren

den Rußabbrand und führen daher zu geringeren Rußemissionen, jedoch zu stei-

gender Stickoxidemission. Auf die starke Wechselwirkung der Ruß- mit der

Stickoxidemission beim Dieselmotor wurde bereits hingewiesen. Neben der Ruß-

bildung als Partikelquelle stellt auch das Schmiermittel eine nicht unbedeutende

Quelle für die Partikelemission dar.

Schadstoffreduzierung

Unter dem Begriff Schadstoffreduzierung werden alle innermotorischen Maßnah-

men zusammengefasst, die zu einer Senkung der Rohemissionen führen. Für die

Einhaltung der zukünftig geltenden, sehr niedrigen Grenzwerte ist es erforderlich,

soviel Schadstoffe wie möglich innermotorisch zu reduzieren, da die meisten

Abgasnachbehandlungsverfahren nur eine begrenzte Konvertierungsrate aufwei-

sen und deshalb ein niedriges Rohemissionsniveau benötigen. Für Verbrennungs-

motoren gibt es in Abhängigkeit des Brennverfahrens verschiedene betriebsbezo-

gene Maßnahmen zur Schadstoffreduzierung, die in Folgenden kurz beschrieben

werden. Leider stehen viele dieser Möglichkeiten dem Erreichen eines hohen

Wirkungsgrades eher entgegen, sodass die Motorabstimmung i.A. kompromissbe-

haftet ist.

Beim Ottomotor lassen sich die Emissionen durch das Luftverhältnis, durch

Abgasrückführung, Aufladung, Zündzeitpunkt und Zündenergie sowie durch La-

dungsbewegung beeinflussen. Anstelle des Zündsystems wirkt beim Dieselmotor

das Einspritzsystem mit den Parametern Einspritzdruck, Einspritzbeginn und –

dauer sowie Einspritzratenverlauf und deren Art der Erzeugung auf die Emissio-

nen. Abgasrückführung (AGR), s. Kap. 4.2.1, ermöglicht die Absenkung der Gas-

temperatur und damit eine Reduzierung der Stickoxidemissionen. Im Fall einer

externen AGR kann eine zusätzliche Kühlung des Abgases den Effekt deutlich

verstärken. Da ein Teil des Abgases dem Brennraum erneut zugeführt wird, kön-

nen unverbrannte Kohlenwasserstoffe nachoxidiert werden, sodass auch die HC-

Emission spürbar absinkt. Für sehr hohe AGR-Raten kann die HC-Emission beim

Ottomotor infolge von Verbrennungsaussetzern wieder zunehmen.

Ein Betrieb bei hohen Luftverhältnissen hat ebenfalls eine temperatursenkende

Wirkung, da die Brennstoffenergie auf eine größere Ladungsmasse verteilt wird.

Beim konventionellen Ottomotor werden sowohl die Entflammung als auch die

Verbrennung ab einem Luftverhältnis von etwa 1,2 deutlich erschwert, sodass

vermehrt Zünd- und Verbrennungsaussetzer auftreten. Dieser Betrieb muss unter

allen Umständen vermieden werden. Eine wirkungsvolle Maßnahme zur Steige-

rung der Magerlauffähigkeit ist eine intensive Ladungsbewegung.

32 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Der Zündzeitpunkt beeinflusst neben den NO

- und HC-Emissionen auch den

Kraftstoffverbrauch. Eine frühe Zündung führt zu hohen Wirkungsgraden, steigert

jedoch auch die Emission von Stickoxiden und unverbrannten Kohlenwasserstof-

fen. Insbesondere unter ungünstigen Betriebsbedingungen (hohes Luftverhältnis,

geringe Ladungsbewegung, hohe Restgasanteile) sind für eine sichere Entflam-

mung hohe Zündenergien bzw. Mehrfachzündung vorteilhaft.

Beim Dieselmotor kann das Luftverhältnis aufgrund der Qualitätsregelung nur

mit erhöhtem Aufwand zur Senkung der Emissionen herangezogen werden. Bei

gleicher Last wäre eine Abmagerung des Gemisches nur durch eine deutliche

Ladedruckerhöhung zu realisieren. Der Einspritzbeginn stellt beim dieselmotori-

schen Brennverfahren – ähnlich wie der Zündzeitpunkt beim Ottomotor – einen

wichtigen Betriebsparameter dar. Mit ihm werden Brennbeginn und Verbren-

nungsablauf bestimmt. Grundsätzlich führt ein früher Einspritzbeginn aufgrund

hoher Zylinderdrücke zu hohen Stickoxidemissionen, gutem Wirkungsgrad und

geringem Partikelausstoß (bessere Rußoxidation). Lange Einspritzdauern ver-

schleppen die Verbrennung und bedingen höhere Partikelemissionen. Im Sinne

einer schnellen und intensivem Gemischbildung sind daher hohe Einspritzdrücke

und kleine Spritzlochdurchmesser vorteilhaft. Darüber hinaus gewinnt mit neuen

und flexiblen Hochdruck-Einspritzsystemen auch die zeitliche Steuerung des

Kraftstoffeintrags in den Brennraum, die sog. Einspritzverlaufsformung, an Be-

deutung. Hiermit ist eine gezielte Steuerung der Wärmefreisetzung und damit

auch eine Beeinflussung der Schadstoffbildung möglich. Eine Voreinspritzung

reduziert infolge sinkenden Zündverzug die NO

-Emission. Späte Nacheinsprit-

zung intensiviert den Rußabbrand und führt zu geringeren Partikelemissionen.

Grundsätzlich führen hohe Zylinderdrücke zu einer schnellen Verbrennung,

d.h. kurzen Brenndauern. Die bei Downsizing-Konzepten charakteristischen ho-

hen Aufladegrade ermöglichen daher in Verbindung mit höheren Luftverhältnis-

sen geringe Partikel-Emissionen und höhere Wirkungsgrade. Allerdings sind mit

dem Wunsch nach hohen Spitzendrücken ausgeprägte Triebwerksbelastungen und

-Emissionen verbunden, wobei letztere durch intensive Ladeluft- und AGR-

Kühlung auf ein erträgliches Niveau gebracht werden können. Aus den genannten

Gründen wird zukünftig ein Trend zu Motoren mit Spitzendrücken von deutlich

über 200 bar zu beobachten sein. Neben den betriebsbedingten Maßnahmen stel-

len auch konstruktive einen erheblichen Einflussparameter dar, die ihrerseits hin-

sichtlich der Emissionscharakteristik ähnlichen Wirkungsmechanismen unterlie-

gen. So führt eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses über die Steigerung

von Zylinderdruck und –temperatur zu geringen Brenndauern sowie höherem

Stickoxidausstoß und – aufgrund des größeren Anteils der Brennraumspalte am

Brennraumvolumen – zu höheren HC-Emissionen. Mit Hilfe variabler Ventilsteu-

erungen können die Emissionen über die Steuerung des Restgasanteils, der Turbu-

lenz und – bei Motoren mit Direkteinspritzung – des Liefergrades bzw. des Luft-

verhältnisses positiv beeinflusst werden.

2.1 Einzelprozesse motorischer Energiewandlung 33

2.1.6 Ladungswechsel und Ladungsbewegung

Der Ladungswechsel hat die Aufgabe, die verbrannten Abgase aus dem Zylinder

zu entfernen und Frischladung zuzuführen. Dieses soll möglichst effektiv erfol-

gen, das bedeutet möglichst wenig Restgas im Zylinder und viel Frischladungs-

masse bei geringer Ladungswechselarbeit. Darüber hinaus soll für die Gemisch-

bildung und Verbrennung ein geeignetes Strömungsfeld innerhalb des Zylinders

bereit gestellt werden.

Viele Motorkenngrößen und –charakteristiken werden durch den Ladungs-

wechsel beeinflusst. Zu nennen sind hier die maximale Leistung, das maximale

Drehmoment, die Abgasqualität, der Brennstoffverbrauch sowie das Laufverhalten

(Ottomotor). Beim 4-Takt-Verfahren steht für den Austausch des Zylinderinhaltes

etwa eine Kurbelwellenumdrehung zur Verfügung. Die Steuerung erfolgt in der

Regel über Hubventile, die sich aufgrund ihrer Zuverlässigkeit hinsichtlich Dicht-

wirkung und Lebensdauer durchgesetzt haben. Konventionelle Ventiltriebe sind

nockengesteuert und auch als teil- oder vollvariable Ausführungen bei Serienmo-

toren im Einsatz. Noch mehr Freiheitsgrade bieten elektromechanische Ventiltrie-

be, die jedoch besondere Anforderungen an das elektrische Bordnetz stellen und

einen erhöhten Platzbedarf beanspruchen.

Im Gegensatz zu Pkw-Motoren werden Nfz- und Hochleistungsdieselmotoren

aufgrund der Verwendung von Einzelzylinderköpfen mit untenliegenden No-

ckenwellen betrieben. Bei Mehrfachzylinderköpfen in Pkw bestehen Gewichtsvor-

teile bei obenliegenden Nockenwellen, was sich zudem positiv auf die Ventil-

triebsdynamik bei hohen Drehzahlen auswirkt. Beim realen Motor erfordert die

Trägheit des Ventiltriebs und der Gassäulen ein Ventilöffnen jeweils vor dem

Totpunkt und ein Ventilschließen jeweils nach dem Totpunkt, um einen möglichst

erfolgreichen Ladungswechsel realisieren zu können. Abb. 2.18 stellt die Ventil-

hubkurven eines 4-Takt-Motors als Funktion des Kurbelwinkels dar.

Im Bereich des Ladungswechsel-OT sind zeitgleich sowohl das Einlassventil

als auch das Auslassventil geöffnet. Durch diesen als Ventilüberschneidung be-

zeichneten Kurbelwinkelbereich wird ein effektiver Ladungswechsel ermöglicht.

Dabei kommt es neben der Dauer der Ventilüberschneidung auch auf die Lage an.

Abb. 2.18. Ventilhubkurven eines 4-Takt-Motors

34 2 Energieumsetzung im Verbrennungsmotor

Bei luftansaugenden Motoren, die über ein positives Spülgefälle verfügen (der

Druck im Einlasskanal ist höher als der Druck im Auslasskanal), kann bei langen

Ventilüberschneidungen über eine effektive Restgasspülung hinaus auch zusätzli-

che Frischluft durch den Zylinder strömen. Dadurch wird einerseits eine Abküh-

lung der brennraumbegrenzenden Bauteile erreicht und andererseits eine Absen-

kung der Abgastemperatur ermöglicht. Bei gemischansaugenden Motoren führen

lang andauernde Überschneidungsphasen zu geringeren Wirkungsgraden, da ein

Teil des Kraftstoffes direkt vom Einlasskanal in den Abgaskanal strömt, ohne an

der Verbrennung teilzunehmen. Zur Begrenzung dieser Spülverluste weisen auf-

geladene Ottomotoren mit Saugrohreinspritzung daher stets vergleichsweise ge-

ringe Ventilüberschneidungsphasen auf.

Ventilsteuerzeiten

Die Lage der Steuerzeiten hat wesentlichen Einfluss auf den motorischen Betrieb.

Hier bieten bereits teilvariable Ventiltriebe, die eine Verlagerung der einlass- und

auslassseitigen Steuerzeiten ermöglichen, große Vorteile beispielsweise hinsicht-

lich einer drehzahlabhängigen Füllungssteigerung oder einer gezielten Restgas-

steuerung. Die Steuerzeit Auslass öffnet (AÖ) liegt aus Verbrauchsgründen opti-

mal, wenn die Summe der Verlustarbeiten (Expansionsarbeit und Ausschiebear-

beit) minimal wird. Sie stellt daher immer einen Kompromiss zwischen einem

Gewinn an Expansionsarbeit und höherer Ausschiebearbeit dar. Wird AÖ in Rich-

tung „spät“ verschoben, kann das Arbeitsgas länger expandieren, und der Wir-

kungsgrad steigt. Zudem sinken die HC-Emissionen und die Abgastemperatur.

In Kombination mit der Steuerzeit Einlass öffnet (EÖ) regelt die Steuerzeit

Auslass schließt (AS) die Dauer der Ventilüberschneidung. Durch ein spätes AS

wird der Zylinder besser gespült, und bei Teillast führt die Saugwirkung des Kol-

bens zu einer ausgeprägten internen Abgasrückführung und damit verbundenen

Verbrauchs- und ggf. Emissionsvorteilen. Da insbesondere gegen Ende der

Verbrennung aus wandnahen Schichten hohe Anteile unverbrannter Kohlenwas-

serstoffe im Arbeitsgas vorhanden sind und diese relativ spät in den Abgaskanal

geschoben werden, führt eine interne Abgasrückführung durch spätes AS zu ei-

nem Ansaugen gerade dieses kohlenwasserstoffreichen Abgasanteils. Die heißen

Restgase führen darüber hinaus auch zu einer besseren Gemischaufbereitung des

Frischgemisches. Begrenzt wird die Abgasrückführung durch die Restgasverträg-

lichkeit der Verbrennung.

Bei einem spät öffnenden Einlassventil (EÖ) hat das in den Zylinder einströ-

mende Gas aufgrund des stärkeren Unterdruckes eine höhere Geschwindigkeit mit

der Folge intensiverer Gemischbildung und schnellerer Verbrennung. Da jedoch

die Ansaugarbeit erhöht wird, steigt der Verbrauch leicht an.

Der Festlegung der Steuerzeit Einlass schließt (ES) kommt eine besondere Be-

deutung zu, da sie den Liefergrad stark beeinflusst und damit leistungsbestimmend

ist. Je höher die Drehzahl, desto später sollte ES gelegt werden. Der Grund hierfür

ist die Ausnutzung gasdynamischer Effekte, in dem die infolge des Abwärtshubes

des Kolbens beschleunigte Frischgassäule erst verzögert werden muss und damit

innerhalb des Gases aufgrund der Trägheitskräfte eine Druckerhöhung stattfindet