Verluste und Ventilsteuerzeiten im Verbrennungsmotor

Verluste im Verbrennungsmotor: Theorie und Praxis

Gaswechselverluste (Pumpverluste)

Im realen Betrieb eines Motors treten signifikante Verluste auf. Diese Gaswechselverluste entstehen durch die Arbeit, die der Kolben aufwenden muss, um die Gase während des Ansaug- und Ausstoßtaktes zu bewegen. Im praktischen Indikatordiagramm zeigt sich, dass der Ansaugdruck unter dem atmosphärischen Druck liegt und der Abgasdruck diesen übersteigt.

Verluste durch unvollständige Zylinderfüllung

Die Zylinderfüllung ist niemals vollständig, daher ist der Kompressionsdruck geringer als theoretisch erwartet.

Wärmeverluste

Ein Teil der Wärme wird an den Kühlkreislauf abgegeben. Dies führt zu Druckverlusten und einem geringeren Wirkungsgrad im Vergleich zum theoretischen Zyklus, der keine Wärmeverluste berücksichtigt.

Verluste durch Verbrennungszeit

In der Theorie findet die Verbrennung instantan bei konstantem Volumen statt. In der Realität benötigt die Verbrennung jedoch Zeit, um den maximalen Druck zu erreichen. Während dieser Zeit bewegt sich der Kolben, was zu einem Volumenanstieg führt.

Ein weiterer Verlust entsteht durch die notwendige Vorverlegung des Auslassventilöffnungszeitpunkts. Dies führt zu einem schnellen Druckabfall, bevor der Kolben den unteren Totpunkt (UTP) erreicht, was einen Energieverlust darstellt und die nutzbare Arbeit reduziert.

Zündzeitpunkt und Vorzündung

Die Gasverbrennung erfolgt nicht sofort; es wird Zeit benötigt, um den maximalen Druck zu erreichen. Die Zündung sollte mit einer gewissen Vorverlegung eingeleitet werden, bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht, um den maximalen Druck kurz nach dem OT zu erzielen.

Die Frühzündung liegt typischerweise zwischen 5 und 40 Grad vor dem oberen Totpunkt (OT), abhängig von Drehzahl und Motorlast. Je höher die Drehzahl, desto früher erfolgt die Zündung.

Ventilsteuerzeiten (Steuerdiagramm)

Die Ventilsteuerzeiten sind entscheidend für die Effizienz des Gaswechsels im Motor:

• Auslassventil öffnet früh (EPA)

  Der Kolben bewegt sich während der Expansion nach unten. Das Auslassventil öffnet, bevor der Kolben den unteren Totpunkt (UTP) erreicht. Zu diesem Zeitpunkt beträgt der Druck im Zylinder noch 3 bis 4 bar, was dazu führt, dass die Abgase schnell entweichen. Der Innendruck nimmt rapide ab, was die Aufwärtsbewegung des Kolbens erleichtert und die Abgase bis auf etwa 0,2 bar ausspült.

• Einlassventil öffnet früh (AAA)

  Während der Kolben im Auspufftakt nach oben steigt, öffnet das Einlassventil einige Grad, bevor der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht. Das Auslassventil ist zu diesem Zeitpunkt noch offen. Diese Überlappung nutzt die Geschwindigkeit der entweichenden Abgase, um frisches Gas in den Ansaugkanal des Zylinders zu ziehen (Spüleffekt). Wenn der Kolben seine Abwärtsbewegung beginnt, ist das Einlassventil bereits weit geöffnet, und die Füllung beginnt fast vollständig.

• Auslassventil schließt spät (RCE)

  Das Auslassventil schließt erst, nachdem der Kolben den oberen Totpunkt (OT) überschritten hat. Zu diesem Zeitpunkt ist das Einlassventil bereits geöffnet, und der Kolben hat seine Abwärtsbewegung begonnen. Die Abgase verlassen den Zylinder aufgrund ihrer Trägheit, die durch die hohe Ausströmgeschwindigkeit erzeugt wird, was eine gute Spülung der Abgase ermöglicht. Der Winkel, in dem beide Ventile geöffnet sind, wird als Ventilüberschneidung bezeichnet.

• Einlassventil schließt spät (RCA)

  Das Einlassventil schließt erst, nachdem der Kolben den unteren Totpunkt (UTP) überschritten hat. Der Kolben hat bereits eine hohe Geschwindigkeit erreicht, und die Trägheit der Frischgassäule im Ansaugkanal bewirkt, dass weiterhin Gas in den Zylinder strömt, obwohl der Kolben bereits begonnen hat, sich nach oben zu bewegen. Dies führt zu einer verbesserten Zylinderfüllung. Wenn das Einlassventil schließt, beginnt die Kompression.

Ventilüberschneidung

Die Ventilüberschneidung findet zwischen dem frühen Öffnen des Einlassventils (AAA) und dem späten Schließen des Auslassventils (RCE) statt. Am Ende des Auspufftaktes haben die Abgase eine bestimmte Trägheit. Während der Kolben den oberen Totpunkt (OT) erreicht und seine Geschwindigkeit verlangsamt, entsteht durch diesen Geschwindigkeitsunterschied ein leichter Unterdruck im Zylinder. In diesem Moment öffnet das Einlassventil, und die frischen Gase strömen ein, was die Zylinderfüllung verbessert.