Einfluss der Steuerzeiten, der Brennraumgeometrie und des Brennverfahrens auf den Wirkungsgrad eines Gasmotors

In den beiden Abbildungen ist deutlich der Unterschied zwischen dem Serien- und dem Millernocken zu erkennen. Das Profil des Millernockens und damit respektive die Stößelhub- bzw. die Ventilhubkurve ist wesentlich schmaler. Damit wird der oben beschriebene Effekt des ‚Frühen Einlaß schließt‘ erreicht. Durch das Schließen des Einlaßventils vor UT nimmt die Temperatur der Ladung im unteren Totpunkt und bei Verbrennungsbeginn ab. Diese Temperaturabnahme wirkt sich einerseits positiv auf die NOxEntstehung aus, andererseits entfernt man sich damit von der Klopfgrenze. Dies wiederum eröffnet einem die Möglichkeit, Kolben mit einem höheren Verdichtungsverhältnis ε einsetzen zu können und man kommt damit bei annähernd gleicher Brennraumgeometrie wieder in den Bereich der alten Verdichtungsendtemperaturen und der alten Klopfgrenze, allerdings bei gesteigerter Leistung und erwartet geringerem Kraftstoffverbrauch. [...]

Zur genauen Bestimmung des Einlaß-Schließzeitpunktes kann man die Tabellenwerte der Nockenerhebungskurve verwenden. Diese Zahlenwerte sind identisch mit der Stößelbewegung bzw. dem Stößelhub, da der Stößel die Nockenform ‚abfährt’. Mit Hilfe eines Diagramms, in dem der Stößelhub über dem Kurbelwinkel dargestellt ist (siehe Abb. 5-1), kann man unter Berücksichtigung des Ventilspiels (VS) und des Kipphebelverhältnisses den Schließzeitpunkt des Einlaßventils ziemlich genau bestimmen. Aus der Division des VS durch das Kipphebelverhältnis ergibt sich der Stößelhub, der noch vorhanden ist, wenn das Ventil schließt, da das VS durch den restlichen Stößelhub erst noch aufgebaut werden muß (respektive abgebaut beim Öffnen des Ventils). Im Motorbetrieb wird ein VS von 0,3 mm verwendet, was einen Rest-Stößelhub von 0,189 mm ergibt. Das zusätzlich dargestellte VS von 3,2 mm dient lediglich zur Vereinfachung des Meßvorgangs am Motor, da das Messen der Steuerzeiten bei kleinem VS aufgrund der in diesem Bereich noch sehr geringen Formänderung des Nockens sehr schwierig ist. [...]

Das Verfahren beruht auf der Idee, die Steuerzeiten des Einlaßventils eines Viertaktmotors überdurchschnittlich kurz zu gestalten. Im Gegensatz zu einem ‚normalen‘ Motor ist der Schließzeitpunkt des Einlaßventils nach vorne verschoben, d.h. bis über 90° KW vor dem unteren Totpunkt (UT) des Kolbens. Das hat zur Folge, daß die Ladung im Zylinder aufgrund der noch andauernden Abwärtsbewegung des Kolbens entspannt wird und dadurch ihre Temperatur sinkt. Aufgrund der niedrigeren Temperatur zu Beginn der Verdichtung folgt bei gleichem Verdichtungsverhältnis ε eine entsprechend niedrigere Kompressionsendtemperatur. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um bei gleicher Klopfneigung des Motors das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen. Ein höheres ε führt erfahrungsgemäß aufgrund höherer Zünddrücke zu einer deutlichen Verbrauchsverbesserung und demnach zu einer Wirkungsgradsteigerung. Man muß allerdings beachten, daß aufgrund der kurzen Öffnungszeiten des Einlaßventils die Füllung im Zylinder drastisch absinkt. Dieser nachteilige Effekt kann und muß über einen Turbolader mit einem hohen Druckverhältnis und gutem Wirkungsgrad ausgeglichen werden. Man könnte ansonsten mit einem Millernocken niemals denselben Mitteldruck fahren wie mit einem normalen Einlaßnocken. Des weiteren wird ein wesentlicher Anteil des Ladedrucks aufgrund von Strömungsverlusten am Einlaßventil abgebaut. Diese Verluste sind um so größer, je schmaler der Nocken ist, d.h. je früher das Einlaßventil schließt. Allerdings ist der Effekt des Millernockens entsprechend größer, da die Temperaturabsenkung der Zylinderfül- [...]