Elemente des Motorenbaus

Dieses Schnittbild stellt eine Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Turbolader vor. Schon beim „normalen“ Turbolader ergibt sich das Problem, dass folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt werden müssen: Einerseits soll schon bei niedriger Drehzahl genügend Ladeluftdruck aufgebaut werden, andererseits darf aber bei höher werdenden Drehzahlen dieser Ladeluftdruck nicht beliebig anwachsen. Zur Erfüllung dieser sich widersprechenden Forderungen wird beim „normalen“ Turbolader eine Ladedruckregelung durch den sogenannten Bypass und ein Ladedruckregelventil eingesetzt.

Eine andere technische Lösungsmöglichkeit dieses Problems zeigt das Bild des Abgas-Turboladers mit „variabler Turbinengeometrie“. Hier sind zusätzlich verstellbare „Leitschaufeln“ unmittelbar vor dem Eintritt der Abgase in die Schaufeln der Abgasturbine angebracht. Die Verstellung erfolgt durch eine „Unterdruckdose“.

WIRKUNGSWEISE

Wenn die Motordrehzahl niedrig ist, werden die Schaufeln so gestellt, dass der Abgasstrom durch sie verengt wird. Dadurch erhöht sich in der verbleibenden Strömung die Geschwindigkeit der Abgase. Der Abgasstrom wird dabei so gelenkt, dass er die Turbinenschaufeln weiter außen trifft. Nach dem Hebelgesetz bewirkt dies ein höheres Drehmoment; die Turbine arbeitet in diesem Zustand also besonders effektiv. Ist die Motordrehzahl hoch, wird der Eintrittsquerschnitt der Abgase in die Turbine vergrößert. Dadurch sinkt die mittlere Geschwindigkeit der Gasteilchen. Sie treffen die Turbinenschaufeln nicht mehr vorzugsweise am Außenrand, sondern auf deren volle Länge verteilt. Die Turbinenleistung arbeitet jetzt ineffektiver. Dies ist aber beabsichtigt, da jetzt ja vom Motor viel mehr Abgase entlassen werden, ohne dass der Ladedruck steigen soll. Verstellt man trotz hochdrehenden Motors die Leitschaufeln in die Stellung für niedrige Drehzahlen, so erhöht sich die Turbinenleistung deutlich. Diese Verengung des Abgasstromes kann kurzfristig sinnvoll sein, wenn z. B. für einen Überholvorgang am Berg maximale Leistung erforderlich ist (sogenannter „Overboost“). Dieser Fahrerwunsch wird automatisch durch den „Kickdown“ des Gaspedals möglich. Ein solcher Turbolader ermöglicht optimalen Ladeluftdruck für die verschiedensten Betriebszustände. Die Regelung durch einen Bypass ist nicht nötig.

Welchen thermischen Belastung das Material des Abgas-Turboladers ausgesetzt ist, dokumentiert dieses Foto eines rotglühenden Turboladers unter Volllast. Die Abgase eines Ottomotors sind bis zu 1 000 ºC heiß. Selbst bei einem Dieselmotor können durchaus noch 800 ºC erreicht werden. Es ist dennoch nicht üblich, den Turbolader in das Kühlsystem des Fahrzeugs einzubeziehen. Man kühlt den Lader zwangsläufig etwas, indem seine Lager mit in das Schmiersystem des Motorölkreislaufs einbezogen sind. Der Fahrer eines Autos mit Turbolader muss dies bei der Wahl seines Motoröls bedenken, da solche Fahrzeuge strengere Anforderungen an die Ölqualität stellen.

RUSSFILTER

Schon ein „normaler“ Dieselmotor hat prinzipbedingte Vorteile hinsichtlich der Kraftstoffausnutzung gegenüber einem Ottomotor. Er produziert daher auch weniger der schädlichen „Treibhausgase“. Dieselmotorenkonstruktionen mit z. B. Common-Rail-Technik erzeugen gegenüber einem konventionellen Dieselmotor noch weniger Schadstoffe: sie geben rund 20 % weniger CO₂;, 40 % weniger CO, 50 % weniger Kohlenwasserstoffe und 60 % weniger Rußpartikel in die Umgebung ab. Diese Partikel sind es aber, die den Dieselmotor unbeliebt machen. Wer hat sich nicht schon über einen schlecht eingestellten LKW geärgert, der mit Vollgas den Berg hinauffährt und dabei dicke schwarze Qualmwolken aus dem Auspuff entlässt? Diese Rußpartikel sind es auch, die als krebserregend gelten. Beim Benzinmotor treten sie nicht in vergleichbarer Form auf. Man schafft hier Abhilfe durch den Einbau von Dieselrußfiltern. Die Partikel werden während des normalen Fahrbetriebs in einem speziellen Partikelfilter gesammelt und treten nicht in die Umwelt aus. Damit dieser Filter nicht nach einiger Zeit voll ist, werden die im Filter abgelagerten Rußpartikel in bestimmten Abständen verbrannt (etwa alle 400 bis 500 km Fahrstrecke). Dieser Verbrennungsprozess wird durch einen Drucksensor ausgelöst, der den Füllgrad des Filters registriert. Bisher erfolgte die Verbrennung im Filterelement, z. B. durch elektrische Beheizung. Eine Neuentwicklung von Rußfiltern (Peugeot) nutzt die Möglichkeiten der Common-Rail-Technik des eingebauten Dieselmotors. Für die Verbrennung der Rußpartikel benötigt man Temperaturen von ca. 550 °C. Solche Verbrennungsbedingungen werden durch drei Maßnahmen erreicht:

MEHRVENTILTECHNIK

Bei einfachen konventionellen Motoren werden pro Zylinder zwei Ventile eingebaut, je ein Einlass- und ein Auslassventil. Bei der dargestellten Anordnung werden diese beiden Ventile durch eine darüber liegende Nockenwelle („hängende Ventile“ mit „obenliegender Nockenwelle“) gesteuert. Dies stellt schon seit Jahren die Standardanordnung im Fahrzeugbau dar. Motoren mit „stehenden Ventilen“, Stößelstangen und „untenliegender“ Nockenwelle werden heute nur noch für sehr einfache Anwendungen hergestellt, z. B. für Rasenmäher (durch die Bezeichnungen „oben“ und „unten“ dort allerdings nicht verwirren lassen, beim Rasenmäherbeispiel liegt der Motor horizontal!). Die englische Bezeichnung für „obenliegende Nockenwelle“ ist oft als Abkürzung OHC zu finden, das bedeutet „Over Head Camshaft“.

Möglichkeiten der Optimierung:

Vor allem bei hochdrehenden, Ottomotoren lässt sich die Forderung nach geringen Abgasemissionen und niedrigem Verbrauch sowohl bei hohen Drehzahlen (im maximalen Leistungsbereich) als auch bei mittleren Drehzahlen (im Bereich des besten Drehmomentes) und schließlich noch bei niedrigen Drehzahlen nur erfüllen, wenn die Steuerzeiten der Ventile nicht immer gleich sind. (Zur Ventilsteuerung vgl. die Steuerdiagramme („Kreisdiagramme“) auf der Folienabbildung, dort sind die üblichen Öffnungs- und Schließzeiten der Einlass- und Auslassventile in zeitlicher Folge dargestellt.) Es gibt mehrere technische Möglichkeiten für variable Ventilsteuerzeiten, von denen hier vier vorgestellt werden sollen. Diese beeinflussen Öffnungszeit und/oder Öffnungsbeginn der Ventile.

Zu Bild 1 und Bild 2: (häufigste Variante)

Man verdreht die Nockenwelle bei Bedarf um ihre Längsachse. Die Auswirkung auf die Ventilsteuerung ist: Da die Nockenform nicht verändert wird, wird die eigentliche Öffnungszeit des Ventils nicht verändert. Man verändert aber den Öffnungsbeginn in Richtung früher oder später.