Ladungswechsel

Der Ladungswechsel umfasst die Takte 1 (Ansaugen) und 4 (Ausschieben)

Als Ladungswechsel wird das Austauschen des Arbeitsmediums in intermittierend arbeitenden Verdrängermaschinen bezeichnet. Wichtigste Vertreter sind Motoren mit innerer Verbrennung, bei denen verbranntes Abgas gegen verbrennungsfähiges Frischgas (die Frischladung) im Arbeitsraum ausgetauscht wird. Er ist also ein wesentliches Element des Arbeitsprozesses von Motoren mit unterschiedlichen Brennverfahren, also Ottomotoren und Dieselmotoren, sowie von Hubkolben- als auch Drehkolbenmotoren wie z.B. dem Wankelmotor.

Grundlagen

Die genauen Kenntnisse über den Ladungswechsel sind entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung moderner Motoren. Als Berechnungsgrößen sind hier vor allem der Luftaufwand und Liefergrad von Bedeutung. Beim Zweitaktmotor ist des Weiteren der volumenbezogene Spülgrad wichtig.

Beim Viertaktmotor wird die Volumensänderung des Arbeitsraumes abwechselnd zur Arbeitsleistung und zum Ladungswechsel herangezogen. Gesteuert wird der Ladungswechsel bei Viertaktmotoren üblicherweise durch Ein- und Auslassventile, die zusammengefasst als Ventiltrieb bezeichnet werden. Eine Ausnahme bildet der Wankelmotor. Obwohl er nach dem Viertaktverfahren arbeitet hat er wie Zweitaktmotoren eine Schlitzsteuerung. Ein vollständiges Arbeitsspiel umfasst vier Takte:

1.)		Ansaugen	Ladungswechseltakt
2.)	Arbeitstakt	Verdichten
3.)	Arbeitstakt	Expandieren
4.)		Ausschieben	Ladungswechseltakt

Der Verlauf des Gasdrucks im Arbeitsraum (Zylinder) kann in einem p-V-Diagramm oder in einem p-α-Diagramm dargestellt werden, wobei mit V das Hubvolumen und mit α der Kurbelwinkel bezeichnet werden.

Motorprozess eines Viertaktmotors, schematisch als p-V-Diagramm dargestellt

Bei Hubkolbenmotoren, die nach dem Zweitaktverfahren arbeiten, erfolgt der Ladungswechsel zwischen den Arbeitstakten durch Ausspülen der Abgase mit Frischladung. Sie haben Steuerschlitze, die der Kolben freigibt oder verschließt. Es ist dann kein Ventiltrieb notwendig wie bei den Viertaktern, wohl aber ein Förderaggregat für Spülluft. Bei kleinen Zweitakter ist das in der Regel das Kurbelgehäuse, diese Motoren werden auch mit Einlaßdrehschiebern gebaut. Besonders Dieselmotoren haben eine Ventilsteuerung auf der Auslassseite, während der Einlass weiterhin über Schlitze gesteuert wird.

Nur ein optimal auf den Motor und die Drehzahl abgestimmter Ladungswechsel ermöglicht einen umweltfreundlichen oder auf die maximale Leistung abzielenden Betrieb. Maßgebliche Kenngrößen eines sind dabei die Steuerzeiten, die Anzahl der Ventile je Zylinder, der Öffnungsquerschnitt (ergibt sich Ventilhub und -durchmesser) sowie der Druck vor dem Einlassventil (frei saugend oder aufgeladen). Diese Kenngrößen werden für den jeweiligen Einsatzzweck des Motors konzipiert.

Durch nicht angepasste Ladungswechsel kann das Betriebsverhalten des Motors maßgeblich negativ beeinflusst werden. So ist z.B. die Ventilüberschneidung, das ist der Kurbelwinkel, der zwischen den Steuerzeiten "Einlass öffnet" und "Auslass schließt" verstreicht maßgebend für die Menge an verbranntem Gas, die im Brennraum verbleibt. Ein Verbleib geringer Mengen Abgases im Arbeitsraum ist erwünscht, durch eine zu große Menge wird der Motorlauf jedoch unrund, das Gemisch brennt nicht mehr richtig durch, die Flamme im Brennraum erlischt vorzeitig, das Leistungsverhalten ist unbefriedigend, die Emissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen steigen stark an. Für einen optimalen Ladungswechsel ist die Auslegung aller Elemente des Ansaug- und Abgastraktes wichtig.

Ladungswechselverluste und Steuerzeiten

Die jüngsten Diskussionen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs von Verbrennungsmotoren betreffen neben vielen anderen Maßnahmen wie z.B. eine Verminderung der Reibungsverluste auch eine Reduzierung der Ladungswechselverluste. Der Ladungswechsel lässt sich nicht ohne Arbeitsverluste realisieren. Bezogen auf die nebenstehende schematische Darstellung eines Viertaktmotorprozesses lassen sich Ladungswechselverluste folgendermaßen aufteilen:

Nr.	von	bis	Benennung	Kommentar
1	AÖ	UT	Verlust an Expansionsarbeit	Arbeitsgas könnte theoret. noch Expansionsarbeit leisten; Auslass muss jedoch bereits geöffnet werden, um verbranntes Gas austauschen zu können
2	UT	OT	Verlust durch Ausschiebearbeit	Das Arbeitsgas wird durch das Auslassventil entfernt, dabei entstehen Drosselverluste am Ventil und Verluste durch den Abgasgegendruck im Abgassystem
3	OT	UT	Verlust durch Ansaugarbeit	Frischgemisch (oder Luft) wird durch das Einlassventil angesaugt. Verluste entstehen an der Drosselstelle des Ventils und durch den Unterdruck im Saugrohr. Dieser ist beim Ottomotor durch die mit Drosselklappe erfolgende Laststeuerung bei Teillast besonders hoch

Durch eine vollvariable Ventilsteuerung lassen sich die Verluste minimieren. Für die meisten Betriebszustände des Motors könnte man auf die Drosselung zur Laststeuerung verzichten. Der Motor bräuchte also das Gemisch nicht gegen den Unterdruck im Saugrohr ansaugen. Die Last wird dann durch einen angepassten Zeitpunkt "Einlass Schließt" eingestellt. Bei konventionellen Ventilsteuerung hat die Wahl der (dann festgelegten) Steuerzeiten auf die Leistungscharakteristik folgenden Einfluss:

• AÖ: Auslass öffnet: Frühes (spätes) AÖ verursacht hohe (geringe) Verluste an Expansionsarbeit und vermindert (vergrößert) die Ausschiebearbeit.
• ES: Die Wahl von ES beeinflusst die Füllungs- und damit die Drehmomentcharakteristik eines Motors sehr viel stärker als die anderen Steuerzeiten. Frühes ES ist günstig für hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich, bringt jedoch Füllungsverluste bei Nenndrehzahl; spätes ES ergibt hohe Nennleistung mit Füllungsverlusten bei niedrigen Drehzahlen (Sportmotor).
• EÖ und AS, Bereich der Ventilüberschneidung: Bei großer Ventilüberschneidung kann ein Teil des Ladungseinsatzes durch den Zylinder strömen, ohne an der Verbrennung teilzunehmen (Spülverluste), wodurch bei gemischansaugenden Motoren der effektive Wirkungsgrad schlechter wird und λ_l < λ_a ist. Neben diesen Nachteilen treten auch Vorteile auf: weitgehende Restgasausspülung, größere Zylinderfüllung und damit höhere Leistung. Dies wird besonders bei Sportmotoren angewandt.

Bei heutigen,modernen Motoren ohne variable Ventilsteuerung liegen die Steuerzeiten bei folgenden ungefähren Werten:

	Ottomotor	Dieselmotor
AÖ [°KW v.UT]	(70) 50 - 40	50 - 40
AS [°KW n.OT]	4 - 30 (40)	5 - 30
EÖ [°KW v.OT]	(40) 30 - (5) 10	25 - 0
ES [°KW n.UT]	40 - 60 (80)	30 - 40 (70)

Steuerzeiten in Klammern sind extreme Auslegungen; °KW bedeutet: Grad Kurbelwinkel.

Viertakt-Hubkolbenmotor

Beim Viertakt-Verfahren vollführt der Hubkolben in zweien der vier Takte die Arbeit des Ladungswechsels:Ausschieben und Ansaugen . In einem Hubkolbenmotor öffnen und schließen sich hierzu in den Zylinderkopf eingebrachte und den Brennraum abdichtende Ventile gesondert für Abgas und Frischgas. Das Abgas wird dann bei Aufwärtsbewegung des Kolbens in die Auslasskanäle geschoben, das Frischgemisch bei Abwärtsbewegung durch die Einlasskanäle angesaugt. Bei modernen Motoren kommen ausschließlich Hubventile zum Einsatz, deren Hubfunktion von Nocken ausgelöst werden. Übertragungsglieder zwischen Nockenwelle und Ventilen können sein Tassenstößel, Rollenstößel oder Kipphebel. Hubventile erfüllen eine Vielzahl von Anforderungen bei geringeren Kosten leichter und besser als beispielsweise Schiebersteuerungen.

Wichtig und in der Praxis vermehrt verwirklicht ist ein auf die Drehzahl abgestimmter Ansaugtrakt. Durch Öffnen der Einlassventile bildet sich eine Unterdruckwelle, die mit Schallgeschwindigkeit das Ansaugrohr durchläuft und an dessen Ende als Überdruckwelle reflektiert wird. Die Überdruckwelle sollte entweder in den Zylinder einlaufen und so zu einer Aufladung führen, oder aber kurz vor Einlassschluss ankommen, um ein Rückströmen der schon eingebrachten Frischladung zu verhindern. Die Effektivität bei einer Drehzahl ist somit von der Länge des Saugrohrs abhängig. Erste Systeme der sogenannten Schwingrohraufladung boten einen optimalen Ladungswechsel nur in einem engen Drehzahlspektrum, doch schon früh kamen erste variable Systeme mit zwei und später drei verschiedenen Saugrohrlängen auf. Inzwischen verwenden einige Motorenhersteller stufenlos variable Saugrohre. Der Drehzahl entsprechend kann die Länge des Saugrohres verkürzt oder verlängert und damit die Zeit, die eine Gasdruckwelle zum Durchlaufen des Systems benötigt, beeinflusst werden.

Weiterhin kann der Luftaufwand durch ein Resonanzsystem, bestehend aus kurzen Saugrohren und einer Resonanzkammer, erhöht werden. Die periodischen Saugzyklen der Zylinder erregen eine Schwingung in der Kammer, die am Anfang und am Ende der Einlassphase zu einem Druckgefälle zwischen Einlasskanal und Brennraum führt. Die Resonanzaufladung wird auch häufig mit der Turboaufladung verbunden, um die Drehmomentschwäche des Turboladers in den unteren Drehzahlen auszugleichen. Bei Sechs- und Zwölfzylindermotoren bietet sich die Kombination aus Resonanz- und Schwingrohraufladung an. Die Resonanzeffekte sind bei niedrigen Drehzahlen wirksam, während die Gasschwingungen auf Grund der kurzen Saugrohre dann im oberen Drehzahlbereich zur Geltung kommen. In diesem Falle sind die Saugrohre von sechs Zylindern über einen Sammelbehälter verbunden, in dessen Mitte sich eine Klappe befindet. Aus dem Behälter führen zwei weitere Resonanzrohre in einen Resonanzsammler. Die Klappe ist im unteren Drehzahlbereich geschlossen. Drei Zylinder saugen daher aus einem Sammelbehälter und über ein Resonanzrohr aus dem gemeinsamen Resonanzsammelbehälter; es ist ein lange Saugrohrlänge realisiert. In Leistungsstellung, also den höheren Drehzahlen, bei normalen Ottomotoren ab circa 4000/min, ist die Klappe geschlossen und alle sechs Zylinder werden über die kurzen Schwingrohre aus einem Behälter versorgt.

Wankelmotor

Im Wankelmotor, der immer nach dem Viertaktprinzip arbeitet, übernimmt der Kolben die Steuerung des Ladungswechsels, indem er in den Gehäusemantel oder Seitenscheibe befindliche Öffnungen freigibt oder verschließt.

Zweitaktmotor

Der Ladungswechsel im Zweitaktmotor läuft in der Regel nach dem Prinzip ab, dass das Frischgas das Abgas aus dem Motor schiebt. Da sich hier zur gleichen Zeit Frischgas und Abgas im Arbeitsraum befinden, findet eine gegenseitige Beeinflussung beider statt. Da die Vorgänge äußerst komplex sind, kann nur zwischen drei theoretischen Grenzfällen unterschieden werden.

• Verdrängungsspülung: Frischgas und Abgas vermischen sich zu keiner Zeit des Spülvorgangs. Es besteht immer eine genaue Grenze zwischen beiden. In diesem Fall ist die Spülwirkung maximal, das Frischgas schiebt das Abgas regelrecht aus dem Zylinder.
• Verdünnungsspülung: Frischgas und Abgas vermischen sich zu jeder Zeit vollständig. Nachströmendes Frischgas vermischt sich mit dem Frischgas-Abgas-Gemisch und schiebt eine zunehmend frischgashaltigere Füllung aus.
• Kurzschlussspülung: In diesem in der Praxis unbedeutendem Fall findet keine Spülwirkung statt. Das Frischgas strömt ohne weiteren Einfluss auf die Zylinderfüllung direkt zum Auslass.

Spülverfahren

Für den Zweitaktmotor sind eine Reihe Spülverfahren entwickelt worden. Die meisten beruhen auf der sogenannten Schlitzsteuerung. Das heißt, in der Zylinderlauffläche befinden sich Öffnungen, die der Kolben überfährt und damit schließt oder öffnet. Als Steuerorgan kann dabei nicht nur die Kolbenoberkante, sondern auch die Unterkante und oder eine Tasche im Kolbenhemd dienen.

• Querstromspülung: Einlass und Auslass befinden sich gegenüber. Der Frischgasstrom wird durch eine Erhöhung an der Kolbenoberseite, einer sogenannten Kolbennase, nach oben umgeleitet. Diese Art der Spülung kann auch mit einem Schieber im Auslasskanal verbunden werden, um unsymmetrische Steuerzeiten zu verwirklichen, doch ist der Aufwand sehr hoch.
• Bei der Umkehrspülung befindet sich auf einer Seite des Zylinders ein Auslass zwischen zwei Einlassschlitzen. Von den Einlassschlitz strömt das Gas durch den ganzen Arbeitsraum und wird von der gegenüberliegenden Zylinderwand zum Auslass hin umgelenkt.
• Längsspülung (Gleichstromspülung): Hierbei befindet sich meist ein Hubventil im Zylinderkopf, das für den Auslass zuständig ist, während der Einlass über Schlitze durch den Kolben gesteuert ist. So lässt sich erreichen, dass der Auslass früher öffnet und früher schließt als der Einlass, was Aufladung möglich macht. Sie weist von allen Verfahren die beste Spülwirkung auf. Der technische und damit finanzielle Aufwand bei der Herstellung ist jedoch bedeutend höher als bei einer Schlitzsteuerung.
• Längspülung mit Gegenkolben: Zwei Kolben laufen in einem Zylinder. Während bei einem Kolben schlitzgesteuert das Frischgas zugeführt wird, entweicht es bei zweitem ebenfalls durch Schlitze. Nachteilig ist der hohe Herstellungsaufwand und die starke Temperaturdifferenz beider Kolben.

Zur Unterstützung der Spülung kommen bei den meisten 2-Takt-Ottomotoren Spülsysteme zum Einsatz, die als Arbeitsraum das Kurbelgehäuse benutzen. Die Einlassöffnung wird über die Kolbenunterkante beim Verdichten zum Kurbelgehäuse geöffnet, durch den sich aufwärtsbewegenden Kolben entsteht im Kurbelgehäuse ein Unterdruck, welcher Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugt. Im Arbeitshub verdichtet der Kolben das Gemisch im Kurbelgehäuse geringfügig und öffnet vom Kurbelgehäuse zum Arbeitsraum führende Überströmer, durch die das Frischgas mit Überdruck in den Arbeitsraum strömt und das Abgas ausschiebt. Um Spülverluste zu vermeiden, können im Kolben eingelassene Taschen kurzzeitig die Überströmer mit weiteren Reinluftkanälen verbinden, so dass im Überströmkanal eine Reinluftsäule ansteht. Öffnet nun der Kolben den Überströmkanal, strömt erst die darin befindliche Reinluft in den Arbeitsraum und teilweise auch wieder zum Auslass hinaus. Das eigentliche Gemisch wird somit nicht (oder nur ín sehr geringem Maße) zum Spülen verwendet.

Große Zweitaktmotoren, vor allem Dieselmotoren, werden meist mit externen Gebläsen befüllt, um so den maximalen Spülgrad zu erreichen. Ebenfalls wichtig bei Zweitaktmotoren sind die Gasschwingungen und Resonanzwellen im Abgassystem. Durch entsprechende Geometrien wird erreicht, dass eventuelle verlorenes Gemisch im Abgassystem durch Resonanzwirkung wieder in den Brennraum zurückgedrückt wird.

Literatur

• Hans-Hermann Braess, Ulrich Seiffert: Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 2. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 2001, ISBN 3-528-13114-4
• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3
• Pischinger, Franz: Verbrennungsmotoren, Vorlesungsumdruck; Lehrstuhl für Angewandte Thermodynamik, 1987, Selbstverlag