Der Abschn. 5.1 befasst sich mit dem Ladungswechsel, dem Ausschieben des Abgases und dem Füllen des Zylinders mit Luft oder Frischgas und somit dem Austausch der Zylinderfüllung. Beide Vorgänge unterscheiden sich deutlich. Das Einströmen des Frischgases prägt die Gemischbildung und das Strömungsfeld im Zylinder. Zudem steuert der Ladungswechsel den im Zylinder verbleibenden Abgasanteil, das so genannte Restgas. Der Ladungswechsel beeinflusst so entscheidend die Verbrennung, daraus resultierend insbesondere den Drehmomentverlauf über der Motordrehzahl an der Volllast, den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen in der Teillast sowie die Leerlaufqualität des Motors.
Einführend wird die eindimensionale Simulation des Ladungswechsels vorgestellt. Ausgehend vom Ladungswechsel mit herkömmlichem starrem Ventiltrieb werden die Vorzüge variabler Steuerzeiten erörtert und es wird auf entsprechende Ausführungsformen des Ventiltriebs eingegangen.
Um vorhandene, d. h. hier konkret im Ladungswechsel des Hubkolben-Verbrennungsmotors versteckte Potenziale, auszuschöpfen, bedarf es auch der Variabilität des Ventilhubs. In einfachster Ausprägung entspricht dem die variable Ventilhubumschaltung. Ein großer Schritt bedeutet schließlich der voll variable Ventiltrieb, der auch den kontinuierlich variablen Ventilhub beinhaltet. Dieser ermöglicht die drosselfreie Laststeuerung mit erheblicher Kraftstoffverbrauchseinsparung bei niedriger Last und Drehzahl. Ergänzend wird auch auf die Besonderheiten des Ladungswechsels von Turbomotoren eingegangen. Neben ausführlicher Diskussion des Ladungswechsels findet zudem die Berechnung des dynamischen Verhaltens von Ventiltrieben Berücksichtigung.
Vor dem Hintergrund rückläufiger Absatzzahlen bei Pkw-Dieselmotoren bestand für die Automobilhersteller zwecks Erreichung der CO2-Flottenemissionsziele, d. h. Vermeidung von Strafzahlungen, die Notwendigkeit, Ottomotoren mit neuen Technologien auszurüsten. So wurden bei einzelnen Vierzylindermotoren u. a. die Zylinderabschaltung, das Miller-Verfahren und die variable Verdichtung eingeführt. Auf Erstere geht der Abschn. 5.1 ebenfalls ein. Mit Letzterer befasst sich der Abschn. 5.3.
Beim Massenausgleich des Hubkolbenmotors, Abschn. 5.2, geht es darum, die Einleitung von niederfrequenten Schwingungen über die Motoraufhängung in die Karosserie durch primäre Maßnahmen am Motor selbst zu minimieren. Dies setzt eine günstige Auslegung des Triebwerks hinsichtlich seiner freien Massenwirkungen voraus. Dabei ist zwischen dem Ausgleich rotierender und oszillierender Massenkräfte und -momente zu unterscheiden. Oszillierende Massenkräfte und -momente weisen auch höhere Ordnungen auf, von denen jedoch lediglich noch die 2. Ordnung von praktischer Bedeutung ist.
Einführend wird der Massenkraftausgleich 1. Ordnung des Einzylinder-Triebwerks mittels Gegengewichten an der Kurbelwelle erläutert, darauf basierend der der Reihenmotoren und des V2-Triebwerks. Der Massenmomentausgleich 1. Ordnung mittels Gegengewichten wird am Beispiel des so genannten Längskippmoment-Ausgleichs erklärt. Nicht längssymmetrische Kurbelwellen stehen dabei im Fokus. Bei einigen gebräuchlichen Kröpfungsanordnungen kann das Massenmoment 1. Ordnung durch den so genannten „Normalausgleich“ (Ausgleich von 100 % der rotierenden und 50% der oszillierenden Massenkräfte) zumindest halbiert oder sogar gänzlich ausgeglichen werden.
Aufgrund gestiegener Komfortansprüche werden mittels Gegengewichten an der Kurbelwelle nicht ausgleichbare oszillierende Restkräfte 2. Ordnung bzw. rotierende -momente 1. Ordnung mit zwei gegensinnig rotierenden Ausgleichswellen bzw. einer gegen die Drehrichtung der Kurbelwelle rotierende Ausgleichswelle vollständig kompensiert.
