Füllungsgrad

Der Liefergrad beschreibt bei einem Verbrennungsmotor mit innermotorischer Verbrennung das Verhältnis von tatsächlicher, nach dem Ladungswechsel im Zylinder verbleibender Frischladung zur theoretisch möglichen Füllung bei gegebenem Hubraum. Der Liefergrad beschreibt daher Güte des Ladungswechselvorgangs.

Ottomotor

Bei einem konventionellen Ottomotor wird Frischgas (Benzin-Luft-Gemisch) angesaugt. Das für die Füllung nötige Druckgefälle zwischen Zylinder und Saugrohr wird entweder alleine durch den Ansaughub des Kolbens oder durch Verdichter erreicht. Wenn der Ladungswechelvorgang unendlich langsam stattfände, würde das Volumen des angesaugten Gemisch genau dem Hubraum entsprechen, vorausgesetzt, dass die Einlassventile genau im unteren Totpunkt (UT) schließen und die Auslassventile während des gesamten Vorgangs verschlossen sind. Weil ein Ottomotor aber mit Drehzahlen von ca. 600 bis 17.000 1/min läuft, bleibt sehr wenig Zeit für den Einströmvorgang. Die Folge ist, dass das einströmende Gemisch erstens einen Strömungswiderstand erfährt und zweitens beschleunigt und wieder abgebremst werden muss. Durch im Ansaugtrakt und Zylinder pulsierende Druckwellen, ungünstige Strömungen und die Ventilüberschneidung vermindert sich des Weiteren die schon in den Zylinder eingebrachte Gasmenge. Dadurch kann nach Abschluss des Ladungswechsels im Zylinder verbleibende Frischgasmenge höher oder niedriger sein, als es dem Hubraum entspräche.

Die Zylinderladung ist jedoch maßgeblich für das Drehmoment und damit einhergehend auch für die Leistung des Motors verantwortlich. Ein Motor mit hohem Liefergrad hat folglich eine hohe hubraumspezifische Leistung.

Der Liefergrad für einen Ottomotor ist definiert:

$\lambda_l = \frac{m_{Z}} {m_{th}} = \frac{m_{Luft} + m_{Benzin}}{m_{th}} = \frac{m_{Luft} + m_{Benzin}} {V_{h} \cdot \rho_{th} }$

Dieselmotor

Bei einem Dieselmotor strömt nur Frischluft in den Brennraum. Der Dieselkraftstoff wird erst nach Abschluss des Ansaugtakts während des Kompressionstakts eingespritzt und hat damit keinen Einfluss auf den Liefergrad. Für einen Dieselmotor gilt dasselbe wie für einen Ottomotor. Um viel Drehmoment zu entwickeln, muss im Brennraum viel Luft vorhanden sein, damit viel Kraftstoff ausreichend Luftsauerstoff zur Verbrennung zur Verfügung hat.

Der Liefergrad für einen Dieselmotor ist definiert:

$\lambda_l = \frac{m_{Luft}}{m_{th}}$

Einstellmöglichkeiten

Es gibt viele Möglichkeiten, den Liefergrad zu erhöhen:

• Die Einlassventile schließen in der Regel erheblich nach dem UT, und durch die Bewegungsenergie des Gemischs strömt noch nach dem UT weiteres Gemisch ein (Nachlade-Effekt). Die Zylinderfüllung kann dadurch auch bei Saugmotoren größer sein als dem Hubraum entsprechen würde.
• Mit einem Schaltsaugrohr kann die Gasdynamik im Ansaugbereich an die Drehzahl angepasst werden, so dass der Nachladeeffekt in einem größeren Drehzahlbereich genutzt werden kann.
• Mehr Einlassventile geben mehr Strömungsquerschnitt frei (Dreiventil-, Vierventil-, Fünfventiltechnik).

Die Gasgleichung für Luft

$m_{Luft} = \frac{p \cdot\ V}{R_L \cdot\ T}$

führt auf zwei weitere Verfahren, die Füllung des Brennraumes zu erhöhen:

• Die Aufladung des Motors (z.B. Turbolader, Kompressor) erhöht den Druck p des Frischgases.
• Die Ladeluftkühlung senkt die Temperatur T des Frischgases.

Beide Maßnahmen vergrößern den Wert des Bruches und damit die dem Motor zugeführte Luftmasse.

Anmerkung: laut Definition wird die theoretische Luftmasse (m_th) mit den gleichen Werten für Dichte, Druck und Temperatur berechnet wie die Masse der tatsächlich zugeführten Luft (m_Luft). Das heißt: Aufladung und Ladeluftkühlung erhöhen zwar die Zylinderfüllung, jedoch nicht den Liefergrad.

weitere Begriffe

Luftaufwand

Der Luftaufwand ist die Menge Frischgas bezogen auf die theoretisch mögliche (geometrische) Frischgasmenge, die während eines Arbeitsspiels durch den Brennraum geht. Es werden also auch die Frischgasanteile mitgerechnet, die den Brennraum sofort wieder verlassen ohne an der Verbrennung mitgewirkt zu haben. Das kann während der Ventilüberschneidung passieren (gleichzeitiges Öffnen von Einlass- und Auslassventil) oder auch durch Zurückströmen von Gemisch in das Ansaugrohr.

Fanggrad

Das Verhältnis von tatsächlich im Brennraum verbleibendem Frischgas und Luftaufwand nennt man Fanggrad, weil der Anteil des Frischgases "eingefangen" wurde.

Spülgrad

Der Spülgrad hingegen gibt an, wie das Verhältnis von Frischgas zur Ladung (Frischgas und Restgas, das nicht ausströmen konnte) ist. Die Vorstellung, dass das Restgas (das ist das, was bei der Verbrennung am Ende übrig bleibt) nach der Verbrennung vollständig durch das Auslassventil entweicht, ist eine Idealvorstellung, die nicht ganz korrekt ist. Daher die Bezeichnung des Spülgrads.

Fanggrad und Spülgrad sind vor allem bei Zweitaktmotoren wichtige Größen, weil bei dieser Motorart der Auslass nahezu immer offen ist, wenn auch der Einlass offen ist. Es ist daher kaum zu vermeiden, dass Frischgas gleich wieder durch den Auslass entweicht. Entwicklungsziel ist immer, diesen Spülverlust klein zu halten.

Literatur

• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27.Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 2001, ISBN 3-8085-2067-1
• Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk: Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage, Holland+Josenhans Verlag, Stuttgart, 1997, ISBN 3-7782-3520-6