Motorentechnik

Arbeitsprozess

Zweitakter:

Die Zeiten der Zweitakter sind im Automobilbau schon lange gezählt. Der Trabbi lässt als letzter Veteran grüßen!
Anfang der Neunziger ging in der Automobilbranche das Gerücht um, die zukünftige Revolution liege im Zweitakter. Tatsächlich griffen damals einige Hersteller die Idee neu auf. Man versprach sich durch Modifizierung ungekannt hohe Wirkungsgrade von annähernd 50 %.

Tatsächlich werden gut 50 % Wirkungsgrad bei langsam laufenden Schiffsdieseln erreicht. Hierbei handelt es sich durchwegs um Zweitakter mit Ladern. Im Gegensatz zu herkömmlichen, selbst ansaugenden Zweitaktern (z.B. Motorradmotoren) werden Schiffsdiesel über externe Lader beatmet. Außerdem verfügen sie über Auslassventile. Sie kommen daher vom Bauprinzip dem aufgeladenen Viertakter sehr nahe. Nur dass sie halt bei jeder Kurbelwellenumdrehung gezündet werden.

Von diesem Bauprinzip versprach man sich Anfang der 90er-Jahre auch im Automobilbau viel. Mehrere japanische Hersteller planten die Einführung. Was daraus wurde ist unbekannt. Möglicherweise hat auch die Verschärfung der Abgasgrenzwerte hin zu Euro 3 und 4 für die Kehrtwendung gesorgt.
Gute Abgaswerte sind halt nur mit einer vollständigen Verbrennung zu erzielen. Und die kontrolliert man am besten in einem abgeschlossenen Brennraum. Da es auf absehbare Zeit keine Zweitakter im Automobilbereich geben wird, gehe ich nicht näher darauf ein.

Viertakter:

Wie der Name schon sagt, besteht der Arbeitsprozess aus vier Takten (Schritten) die im folgenden für den Ottomotor dargestellt sind:

• Ansaugen
• Verdichten
• Verbrennen
• Ausstoßen

Viertakt-Arbeitsprozess beim Ottomotor

Ansaugen:
Das Einlassventil öffnet sich wenn der Kolben sich im Bereich des oberen Totpunkts (OT) gefindet. Der Kolben saugt bei seiner Abwärtsbewegung das Verbrennungsgemisch an.

Verdichten:
Steht der Kolben im Bereich des unteren Totpunkts (UT) schließt sich das Einlassventil und der Kolben verdichtet das Verbrennungsgemisch bei seiner Auswärtsbewegung.

Verbrennen:
Steht der Kolben im Bereich des oberen Totpunkts (OT) erfolgt die Zündung des Verbrennungsgemischs mittels eines Hochspannungsfunkens über die Zündkerze. Die Verbrennung breitet sich nun geradezu schlagartig aus sodass der Explosionsdruck auf den sich abwärts gewegenden Kolben einwirkt.

Ausstoßen:
Ist der Kolben im Bereich des unteren Totpunkts (UT) angelangt, öffnet sich das Auslassventil und die Gase strömen per Überdruck aus. Bei seiner Aufwärtsbewegung stößt der Kolben die verbleibenden Verbrennungsgase in den Auspufftrakt.

Soweit die große Betrachtung des Arbeitsprozesses. Zur genaueren Betrachtung ziehen wir nun das p, V-Diagramm heran.

p, V - Diagramm (Viertakter)

Das p, V-Diagramm stellt den im Zylinder herrschenden Druck in Abhängigkeit vom Zylindervolumen dar:

• auf der X-Achse ist das Zylindervolumen eingetragen
• auf der Y-Achse der zugehörige Zylinderinnendruck

Dem Diagramm entnehmen wir für einen Viertaktmotor zwei Arbeitsschleifen:

• die Hochdruckschleife (große Schleife)
• die Ladungsschleife (kleine Schleife)

Die Hochdruckschleife beinhaltet die Arbeitstakte "Verdichten" und "Verbrennen".
Die Ladungsschleife beinhaltet die Arbeitstakte "Ansaugen" und "Ausschieben".

p,V-Diagramm des Viertakt-Arbeitsprozess

Betrachten wir wieder die Arbeitstakte im Einzelnen so stellen wir einige Abweichungen von der vorangegangenen, idealisierten Betrachtung der Arbeitstakte fest.

Ansaugen

Eö: Das Einlassventil öffnet kurz bevor der Kolben den OT erreicht. Dies ist wegen der Massenträgheit der Bauteile erforderlich. Somit steht schon bei Beginn der Abwärtsbewegung des Kolbens der volle Ventilquerschnitt für die Ansaugung zur Verfügung.
Es: Das Einlassventil schließt erst nachdem der Kolben den UT durchfahren hat. Die Gassäule des angesaugten Gemischs hat ebenfalls eine Massenträgheit. Sie strömt also verzögert ein und strömt noch nach wenn der Kolben sich schon wieder in Richtung OT bewegt. Das Schließen von Es nach UT dient der Verbesserung des Füllgrads des Zylinders.

Verluste:
Beim Ansaugen erzeugt der Kolben einen Unterdruck im Zylinder. Ansaugrohre, Ventile und nicht zuletzt die Drosselklappe (im Teillastbetrieb) stellen Strömungswiderstände dar die den Frischgasstrom drosseln. Es muss also Arbeit aufgewendet werden.

Verdichten und Verbrennen

Nun wechseln wir von der Ladungsschleife in die Hochdruckschleife. Der Kolben verdichtet das Gemisch. Und wir sehen, dass die Zündung des Gemischs kurz vor Erreichen des OT erfolgt. Das Gemisch brennt bereits wenn der Kolben den OT erreicht. Ziel ist hierbei, dass der höchste Verbrennungsdruck kurz nach Durchfahren des OT auf den Kolben wirkt. So wird der Gasdruck optimal auf den Kolben übertagen.

Das Verbrennungsende wird erreicht lange bevor der Kolben den UT erreicht. Einmal gezündet brennt das Gemisch eines Ottomotors schnell durch.
Das Verdichten des Gemischs stellt zwar zu leistende Arbeit dar. Diese wird aber durch das Prinzip der Gasfeder beim Verbrennungstakt teilweise zurückgewonnen.

Probleme:
Erfolgt die Zündung zu früh und wird der höchste Verbrennungsdruck schon vor Erreichen von OT wirksam, so kämpft der Kolben gegen einen Gegendruck an. Im Extremfall kann so eine Frühzündung zur mechanischen Zerstörung des Motors führen.

Erfolgt die Zündung zu spät, wirkt der Gasdruck erst auf den Kolben wenn dieser sich schon in voller Abwärtsbewegung befindet. Hier wird dann Expansionsweg verschenkt. Die Leistung sinkt. Jedoch sind keine Motorschäden zu befürchten. Eine Spätzündung wird bewusst durchgeführt, wenn die Klopffestigkeit (ROZ) des Treibstoffs zu gering ausfällt.

Ausstoßen

Aö: Wir befinden uns nun nahezu am Ende der Hochdruckschleife. Das Aö öffnet kurz vor Erreichen des UT. Hierdurch entsteht ein geringer Expansionsverlust. Die Verbrennungsgase können nun aber schon per Überdruck in den Abgastrakt strömen.

Beim Wechseln in die Ladungswechselschleife schiebt der Kolben die verbliebenen Verbrennungsgase mit leichtem Überdruck aus. Er muss also wiederum (wie schon beim Ansaugen) geringfügig Arbeit leisten.

Verluste:
Der Kolben schiebt die verbliebenen Gase gegen Strömungswiderstände in den Auspufftrakt. Hierfür zeichnen die Ausgangsventile und der Gegendruck im Auspufftrakt (Katalysator, Krümmer, Schalldämpfer) verantwortlich.

Feststellung

Beim Durchlaufen der Ladungswechselschleife muss Arbeit geleistet werden (INPUT). Beim Durchlaufen der Hochdruckschleife wird Arbeit durch den Verbrennungsprozess geleistet (OUTPUT).

Nach dem Prinzip, dass Arbeit das Produkt aus Kraft x Weg ist, stellt:

• die Fläche der Hochdruckschleife die geleistete Arbeit dar
• die Ladungswechselschleife die aufzubringende Arbeit zur Funktion des Motors dar

Je größer also die Fläche der Hochdruckschleife im Vergleich zur Fläche der Ladungswechselschleife ausfällt, desto günstiger die Bilanz. Der Wirkungsgrad des Motors steigt.
Hierzu ist ein möglichst hoher Verbrennungsdruck zu erzielen. Diesen erreicht man durch:

• hohen Zylinderfüllgrad
• hohe Kompression der Frischgase vor Verbrennung

Abhängigkeiten

Das p,V-Diagramm ist nur für einen bestimmten Betriebspunkt eines Motors gültig. Es ändert sich in Abhängigkeit von:

• Drehzahl
• Last

Für einen Motor mit festen Ventilsteuerzeiten (das sind immer noch 90% aller Motoren) muss ein Kompromiss für diese gefunden werden. Die Steuerzeiten müssen sowohl den Betrieb im Leerlauf ohne Last also auch bei höchster Drehzahl unter Volllast ermöglichen.

Drehzahl

Niedrige Drehzahl:
Bei niedriger Drehzahl strömen die Frischgase langsam ein. Die Trägheit der Gassäule ist gering sodass ein Teil der Gassäule vom Kolben wieder in den Ansaugtrakt zurückgedrückt wird. Dies ist dadurch bedingt, dass das Einlassventil erst nach Durchlaufen des UT schließt. Der Es ist hierbei für mittlere Drehzahlen optimiert.

Als Folge reduziert sich der Füllgrad des Zylinders. Der Kompressionsdruck und der Verbrennungsdruck sinken.
Die Hochdruckschleife fällt flacher aus während die Ladungswechselschleife unverändert bleibt.
Der Wirkungsgrad des Motors sinkt also.

Hohe Drehzahl:
Bei hohen Drehzahlen erhöhen sich die Strömungswiderstände im Ansaugtrakt. Zusätzlich kann die Gassäule aufgrund ihrer Massenträgheit bei dem schnellen Arbeitstakt den Zylinder nicht völlständig füllen. Der Füllgrad reduziert sich und die Motorleistung fällt mit steigender Drehzahl wieder ab.

Last

Niedrige Last:
Niedrige Last bedeutet starke Drosselung. Im Extremfall (Standgas) ist die Drosselklappe vollständig geschlossen.
Die Strömungswiderstände im Ansaugtrakt erreichen ihr Maximum. Der Füllgrad des Zylinders ist gering, da geradezu durch ein Nadelöhr angesaugt wird.

Hohe Last:
Typischerweise wird das p,V-Diagramm für den Betriebspunkt der maximalen Last (also volle Entdrosselung) aufgezeichnet.
Für welche Drehzahl es Gültigkeit hat ist immer zu spezifizieren.

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