Aufwendige Verbrennungsmotoren trotz Hybridisierung

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Die voranschreitende Elektrifizierung und Hybridisierung von Pkw-Antrieben könnte technische Errungenschaften des modernen Verbrennungsmotorenbaus hinfällig machen. "Technologien wie Mehrventiltechnik, Turboaufladung, variable Ventilsteuerung, Direkteinspritzung oder weitere kostentreibende Komponenten stehen auf dem Prüfstand", schreibt Professor Dr.-Ing. Wilhelm Hannibal, Studiengangsprecher Automotive der FH Südwestfalen in Iserlohn und wissenschaftlicher Leiter der  ATZlive-Veranstaltung Ladungswechsel im Verbrennungsmotor in seinem Gastkommentar Ladungswechsel und Elektrifizierung in der MTZ 10/2017. Hannibal spricht damit Hybridantriebe für den Massenmarkt an: "Für die stärkere Verbreitung hybrider Antriebskonzepte in der Großserie müssen hingegen kostengünstige Lösungen angeboten werden, sodass die gewünschte Marktdurchdringung gelingt. Dabei kann bei Fahrzeugen der Klein- und Kompaktwagenklasse der Verbrennungsmotor vereinfacht werden, da er nur noch den Generator direkt antreibt, über den der Elektromotor oder die Batterie versorgt werden“. Da der Betriebsbereich im Motorkennfeld dann sehr eingeengt sei, könne der Ladungswechsel dann auch ohne aufwendige Techniken abgestimmt werden, so der Ladungswechsel-Experte. 

Grundlagen des Ladungswechsels

Der Ladungswechsel, also der Austausch der Zylinderfüllung, bestimmt bei Verbrennungsmotoren entscheidend über die maximal darstellbaren Leistungs- und Drehmomentwerte. Aber auch über den spezifischen Kraftstoffverbrauch, Schadstoffrohemissionen im Abgas und das Laufverhalten. Maßgeblichen Einfluss, wie effizient der Ladungswechsel verläuft, haben neben den Ventilen und dem Ventiltrieb im Zylinderkopf die Ansaug- beziehungsweise Abgassysteme. "Auf den Ladungswechsel wirken sich mehrere Faktoren aus, wie die Ventilsteuerzeiten, Ventilerhebungskurven, Ausgestaltung des Ansaug- und Abgassystems, Strömungsverluste, Wandtemperaturen in den Kanälen und im Brennraum, Umgebungstemperatur und -druck. Die Güte des Ladungswechsels lässt sich durch die Kennzahlen Luftaufwand λa und Liefergrad λl beschreiben“, erläutern die Springer-Autoren Ulrich Spicher, Uwe Meinig, Wilhelm Hannibal, Andreas Knecht, Wolfgang Stephan und Rudolf Flierl im Kapitel Ladungswechsel aus dem Handbuch Verbrennungsmotor.

"Ladungswechselarbeitsverluste vermindern die indizierte Arbeit und somit die indizierte Leistung; somit steigt der spezifische Verbrauch. Sie treten entweder als Expansionsarbeitsverlust beim Anfang des Ladungswechsels (zwischen AÖ und UT) oder als erhöhte Pumpenarbeit während des Ladungswechsels auf. Pumpenarbeit repräsentiert die durch den Kolben geleistete erforderliche Arbeit, Frischladung während des Ansaugtakts in den Brennraum und während des Auspufftakts, um die Abgase aus dem Brennraum zu schaffen. Dementsprechend kann die Pumpenarbeit in Ansaugarbeit und Ausschiebearbeit unterteilt werden", so die weitere Erklärung der Grundlagen im selben Kapitel.

Drosselregelung erhöht Ansaugarbeit maßgeblich

Insbesondere bei der Ansaugarbeit hatten fremdgezündete Motoren gegenüber den mit Luftüberschuss betriebenen Dieselmotoren lange einen großen Nachteil. "Erhöhte Ansaugarbeit entsteht vor allem durch die Drosselregelung bei Teillastbetrieb. In Otto-Motoren wird die im Teillastgebiet für die gewünschte Last erforderliche Ladungsmenge durch die Verstellung der Drosselklappe erreicht, das heißt durch Strömungsquerschnittsveränderung. Der Kolben muss entsprechend dem Druckverlust an dieser Stelle gegen einen niedrigeren Druck als dem atmosphärischen ansaugen (Saugrohr-Absolutdruck wird geringer). Im Leerlaufbereich kann die erhöhte Ansaugarbeit bis zu 30 Prozent der vom Motor verrichteten Arbeit ausmachen", so die Autoren des Kapitels Ladungswechsel weiter.

Dieser Nachteil lässt sich in der Praxis aber inzwischen fast vollständig aufheben, wie Bruce Wood, Geschäftsführer Antriebsstrang beim britischen Motorenhersteller und Ingenieursdienstleister Cosworth im Interview "Drosselverluste sind praktisch vermeidbar" mit der MTZ verdeutlich. In einem gemeinsamen Projekt mit CEC und Haitec hat das Unternehmen aus Northampton einen Prototyp-Ottomotor aufgebaut, der über einen sehr breiten Betriebsbereich einen geringen spezifischen Kraftstoffverbrauch aufweise. 

Insofern haben wir verschiedene Maßnahmen evaluiert, um die Reibung und auch Verluste über Flüssigkeitskreisläufe zu minimieren. Aber den größten Nutzen hinsichtlich eines niedrigen spezifischen Verbrauchs über das gesamte Kennfeld erreichten wir durch Entdrosselung", verdeutlicht der Brite. 

Coworth habe sich letztendlich für den Einsatz des Pierburg-UpValve-Systems entschieden, das die Autoren Michael Breuer, Karsten Grimm, Stephan Schmitt und Dirk Hunkel im Artikel Serienentwicklung eines mechanisch vollvariablen Ventiltriebs in der MTZ 2/2017 näher vorstellen.

Drosselverluste sind "praktisch vermeidbar"

Dabei handelt es sich um eine mechanische Ventilsteuerung, die der Valvetronic von BMW ähnelt, aber mit weniger Komponenten auskommt und zudem eine Zylinderabschaltung ermöglicht, begründet Wood die Wahl des Systems. Auf diese Weise seien seine Ingenieure mit einem einzigen Ventiltriebsystem in der Lage gewesen, gleich zwei Methoden der Entdrosselung anzuwenden, wodurch positive Verbund- und Synergieeffekte beider Maßnahmen erschlossen werden konnten. "Frühes oder spätes Einlassventilschließen ist eine gute Möglichkeit, die Motorlast über die Zylinderfüllung zu steuern, ohne die Ansaugluft drosseln zu müssen. Auf diese Weise haben wir demonstriert, dass Drosselverluste praktisch vermeidbar sind – auch wenn sie sich nicht komplett aufheben lassen. Der erreichbare Entdrosselungsgrad ist davon abhängig, bis zu welchem Ausmaß sich eine Drosselung durch das Einlassventil vermeiden lässt", erläutert Wood die Grenzen der variablen Ventilsteuerung.

"Für einen alleinigen Verbrennungsmotorantrieb müssen alle Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung genutzt werden, was zu 'High-Tech-Motoren' führt. Hierzu ist der Ladungswechsel mit allen an ihm beteiligten Komponenten weiter zu optimieren", erläutert Hannibal den Einsatzbereich derart aufwendiger Verbrennungsmotoren in seinem Gastkommentar. Auch er ist durchaus davon überzeugt, dass trotz des starken Hybridisierungstrends solche aufwendigen Motoren künftig weiter gefragt sind. Und zwar abseits der Massensegmente sogar in hybriden Antriebssträngen, denn High-Tech-Motoren könnten "neben dem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb auch in Fahrzeugen mit kleiner Stückzahl im Oberklassensegment in parallelen Hybridkonzepten sinnvoll eingesetzt werden. Hierbei ist der gleichzeitige Einsatz des Elektro- und Verbrennungsmotors für eine hohe Fahrdynamik eines der wesentlichen Kaufkriterien", erklärt Hannibal. Insofern, so seine Schlussfolgerung, habe der Verbrennungsmotor in mehreren Szenarien mit seinem Ladungswechsel nach wie vor eine hervorragende Perspektive.