Golloch R. Downsizing bei Verbrennungsmotoren: Ein wirkungsvolles Konzept zur Kraftstoffverbrauchssenkung

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4.1 Aufladung 205

Motorwelle beschleunigt werden müssen, wirkt beim elektrisch unterstütztem

ATL zusätzlich das werkstoffbedingt (Nickelbasislegierung) wesentlich schwerere

Turbinenrad als träge Masse. Aus diesem Grund ist der eu-ATL hinsichtlich des

dynamischen Verhaltens dem elektrisch angetriebenen Zusatzverdichter bei sonst

gleichen Randbedingungen unterlegen [HOE01, SON02], siehe Abb. 4.46.

Abb. 4.46. Dynamisches Betriebserhalten der elektrisch unterstützten Aufladung im Ver-

gleich zu konventionellen mechanischen und Abgasturboaufladung

Ein genereller, ausschließlich durch den eu-ATL nutzbarer Effekt ist die Mög-

lichkeit zur Einspeisung von elektrischer Leistung in das Bordnetz im Bremsbe-

trieb. Hierbei dient der erhöhte Abgasgegendruck zu großen Teilen zum Antrieb

des als Generator arbeitenden Elektromotors. Während dieses Potenzial im Pkw-

Bereich aufgrund der geringen Bedeutung des Bremsbetriebs sowie fehlender

Speichermöglichkeiten vermutlich ungenutzt bleibt, besteht im Nfz-Bereich

durchaus Bedarf [ZEL99]. Aber auch hier ist eine sinnvolle Nutzungsmöglichkeit

der generatorisch umgesetzten Bremsenergie zu finden.

Impulsaufladung mit Schaltklappe

Die bei konventionellen Systemen zur Hochaufladung charakteristische Drehmo-

mentschwäche bei niedrigen Drehzahlen sowie das unbefriedigende Ansprechver-

halten auf Lastwechsel können mit einem innovativen Verfahren, der sogenannten

Impulsaufladung mit Schaltklappe, signifikant positiv beeinflusst werden. In Ver-

bindung mit einer Auslegung des Ansaugsystems auf maximale Leistung (kurze

Ansaugkanäle) kann der Luftaufwand im unteren Drehzahlbereich um bis zu 20-

30% gesteigert werden, sodass eine deutliche Steigerung des Drehmomentniveau

über den gesamten Drehzahlbereich erreichbar ist.

206 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Das Prinzip der Impulsaufladung bietet sowohl für Saugmotoren als auch – und

insbesondere – für aufgeladene Motoren Vorteile und beruht auf einem zusätzli-

chen, schnell schaltenden Ventil (Schaltklappe bzw. L

ufttaktventil, LTV), das im

Saugrohr eines jeden Zylinders vor dem Einlassventil platziert wird und die ge-

zielte Nutzung gasdynamischer Effekte zur Steigerung der Zylinderfüllung er-

laubt. Abb. 4.47 zeigt schematisch den Aufbau eines Impulsaufladesystems.

Abb. 4.47. Grundlegender Aufbau eines Impulsaufladesystems

Die Impulsaufladung läuft bei Volllast folgendermaßen ab. Nach Öffnen des

Einlassventils bleibt die Schaltklappe zunächst gasdicht verschlossen, sodass der

sich abwärts bewegende Kolben im Zylinder einen Unterdruck erzeugt bzw. das

im Brennraum befindliche Gas expandiert wird. Durch Ansteuerung der Schalt-

klappe zu einem günstigen Zeitpunkt erfolgt im weiteren Verlauf ein schlagartiges

Öffnen des Ansaugkanals, wobei zeitgleich zwei Prozesse eingeleitet werden.

Einerseits beschleunigt die über der Schaltklappe anliegende Druckdifferenz die

Luftsäule im Ansaugrohr und führt zu einem sprunghaften Anstieg der Einström-

geschwindigkeit, wie sie bei konventionellen Saugmotoren nur bei sehr hohen

Drehzahlen oberhalb von 6.000 1/min möglich ist [KRE02]. Andererseits erzeugt

die Schaltklappe aufgrund der abrupten Öffnung im Saugrohr eine Unterdruckwel-

le, die am offenen Saugrohrende, dem Luftsammler, reflektiert wird und als Über-

druckwelle mit Schallgeschwindigkeit zum offenen Einlassventil zurückläuft.

Durch ein Schließen der Schaltklappe zum richtigen Zeitpunkt kann die Über-

druckwelle mit der Strömungsbewegung überlagert werden, sodass eine drehzahl-

unabhängige Schwingrohraufladung und in der Folge ein Maximum an Zylinder-

füllung realisierbar ist. Das Schließen der Impulsklappe bewirkt eine Absperrung

des Speicherkanals, sodass der Überdruck trotz eines späten Schließens des Ein-

lassventils erhalten bleibt und ein Rückströmen von Zylinderladung ins Saugrohr

mit dem Ziel eines hohen Luftaufwandes verhindert wird. Da der Speicherkanal

auch nach ES einen Überdruck aufweist, kann im nachfolgenden Ladungswechsel

während der Ventilüberschneidung ein Überschieben von Restgas in den Ansaug-

kanal verhindert und infolge des Druckgefälles zum Auslasskanal eine wirkungs-

4.1 Aufladung 207

volle Ausspülung des Restgases ermöglicht werden. Dadurch sind minimale Rest-

gasgehalte darstellbar. In Abb. 4.48 wird ein konventioneller Saugmotor, dessen

Ansaugsystem durch kurze Saugwege für hohe Maximalleistung ausgelegt ist, mit

einem Motor verglichen, der über ein Impulsaufladesystem verfügt.

Abb. 4.48. Wirkung der Impulsaufladung auf den indizierten Mitteldruck eines Saugmotors

bei Volllast und den Restgasanteil im Zylinder [KRE02]

Das stationäre Volllast-Drehmoment kann im unteren Drehzahlbereich infolge

des deutlich gesteigerten Luftaufwandes über einen weiten Drehzahlbereich auf

einem hohen Niveau gehalten werden. Prinzipbedingt erfolgt die Bereitstellung

des Drehmomentes bei Lastsprüngen ohne Zeitverzug. Da das Impulsaufladesys-

tem kurze Saugrohrlängen beinhaltet und das Ansprechverhalten maßgeblich von

der Befüllung des Saugsystems beeinflusst wird, entspricht das dynamische Ver-

halten der Impulsaufladung dem eines gut abgestimmten, freisaugenden Ottomo-

tors. Zudem sind geringe Restgasgehalte der Zylinderladung darstellbar, die einer-

seits einen hohen Lufteintrag in den Zylinder bewirken und sich andererseits posi-

tiv auf das Laufverhalten bei niedrigen Drehzahlen auswirken.

Neben den Vorteilen hinsichtlich Volllast-Drehmoment und dynamischem Be-

triebsverhalten entstehen durch die Impulsaufladung weitere, für das Brennverfah-

ren wichtige Vorteile. Die durch den starken Unterdruck erzeugten, hohen Ein-

strömgeschwindigkeiten intensivieren die Gemischbildung und bieten bei entspre-

chender Kanalgestaltung die Möglichkeit zur Darstellung von gerichteten La-

dungsbewegungen. Zudem ist mit Hilfe der Schaltklappe eine prinzipielle Zylin-

derabschaltung trotz konventionellem Ventiltrieb möglich, wobei die Ein- und

Auslassventile weiterhin geöffnet und geschlossen werden.

Dennoch existieren auch kritische Meinungen zur Impulsaufladung, speziell bei

Saugmotoren. [WUR04a] sieht hierbei das Problem, dass sich der deutliche Luft-

aufwandsgewinn im unteren Drehzahlbereich von 20-30% nur unzureichend in ein

zusätzliches Drehmoment umsetzen lässt, da infolge der Impulsaufladung die

208 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

innere Energie bzw. die Temperatur der Zylinderladung erhöht wird, was zu einer

erhöhten Klopfneigung führt. Zudem bestehen durchaus Nachteile hinsichtlich der

Ladungsbewegung, da sich während der sehr intensiven, aber auch kurzen Ein-

strömphase keine stabile Ladungsbewegungsströmung aufbauen kann. Durch

weiterentwickelte Impulsaufladesysteme sind Drehmomentsteigerungen bei

Saugmotoren bis 15% möglich.

Bei der Impulsaufladung wirkt das Prinzip der sogenannten Wärmeladung. Das

bedeutet, dass neben der Steigerung des Luftaufwandes auch die Temperatur der

angesaugten Zylinderladung erhöht wird. Infolge des bei geschlossenem Lufttakt-

ventil vorhandenen überkritischen Druckgefälles kommt es beim Öffnen des LTV

nahe des UT zu einer reibungs- bzw. verlustbehafteten Einströmung der Ladung in

den Brennraum. Die Energie der einströmenden Ladung wird dabei sowohl in

Druckenergie als auch in Wärme umgesetzt und führt zu einer höheren Tempera-

tur der Zylinderladung bei Ende des Einströmvorganges. Hierbei werden Tempe-

raturerhöhungen bis zu 60 K erreicht. Während sich dieser Effekt beim Ottomotor

hinsichtlich der Klopfproblematik i.A. negativ darstellt, sind beim Dieselmotor

durchaus Vorteile beim Kaltstartverhalten und während der Warmlaufphase gege-

ben, da das geometrische Verdichtungsverhältnis im Interesse weiterer Leistungs-

steigerung sowie der Schadstoffsenkung reduziert werden kann [ELS04].

An die Schaltklappe, auch Impulsklappe oder Lufttaktventil genannt, werden

hohe Anforderungen gestellt. Zum einen müssen große Querschnitte freigegeben

und Schaltzeiten von weniger als 2 ms realisiert werden, damit zu Beginn des

Einströmvorganges keine Drosselung des Luftmassenstroms erfolgt. Des weiteren

muss die Schaltklappe in geschlossener Stellung eine vollständige Abdichtung des

Saugrohres gewährleisten. Darüber hinaus sind die Schaltzeitpunkte und Schalt-

dauern in Abhängigkeit des motorischen Betriebspunktes variabel und reproduzie-

rend darzustellen. Zweckmäßigerweise kommen hier elektromagnetische Aktoren

zum Einsatz, die mit der vorliegenden Bordnetzspannung von 12 Volt betrieben

werden können und im aktiven Betrieb pro Zylinder etwa 30 W bzw. 10 W

(Stand-By) elektrische Leistung benötigen.

Durch die Impulsaufladung können hohe Drehmomente bis zur Leerlaufdreh-

zahl aufrecht erhalten werden, ohne dass es einer Längenverstellung der Saugroh-

re bedarf. Gegenüber konventionellen Schwingrohrsystemen ergeben sich hier-

durch erhebliche Packagevorteile. Downsizing-Konzepte, die durch eine hohe

Leistungs- und Drehmomentdichte charakterisiert sind, weisen bei konventioneller

Technik gravierende Schwächen hinsichtlich des Low-End-Torque sowie des

verfügbaren Drehmomentes im transienten Motorbetrieb auf. Eine breite Kunden-

akzeptanz ist nur dann gegeben, wenn diese Nachteile durch geeignete Zusatz-

technologien beseitigt werden können. Eine ideale Synthese stellt daher die Kom-

bination der Impulsaufladung mit der Abgasturboaufladung dar. Da die Impulsauf-

ladung zylinderselektiv arbeitet, ist sie der Abgasturboaufladung nachgeschaltet.

Die durch die Impulsaufladung bei niedrigen Drehzahlen um 20-30% gesteiger-

te Zylinderfüllung erhöht das Schluckvermögen des Motors und führt damit im

Verdichterkennfeld bei zunächst gleicher Verdichterdrehzahl bzw. gleichem La-

dedruck zu höheren Luftvolumenströmen, die mit günstigeren Verdichterwir-

kungsgraden gefördert werden. Der Betriebspunkt im Verdichterkennfeld ist da-

4.1 Aufladung 209

durch zudem weiter von der Pumpgrenze entfernt. Infolge des gesteigerten Mas-

sendurchsatzes erhöht sich die Turbinenleistung, sodass die Turboladerdrehzahl

und damit der Ladedruck steigt. Bei gleicher Motordrehzahl steht daher ein höhe-

res stationäres Volllast-Drehmoment zur Verfügung bzw. ein bestimmtes Dreh-

moment wird bereits bei niedrigeren Drehzahlen erreicht. Nach [KRE02] beträgt

diese Drehmomentsteigerung je nach Drehzahl zwischen 25 und 50% bezogen auf

den turboaufgeladenen Motor ohne Impulsaufladung.

Die mit der Impulsaufladung bei niedrigen Drehzahlen mögliche, höhere Tur-

binenleistung bzw. der höhere Ladedruck verbessern neben dem stationären Voll-

last-Drehmoment auch das transiente Betriebsverhalten des turboaufgeladenen

Motors. Da der Nachladeeffekt durch die Schaltklappe nach einem Lastsprung

sofort in ein um 20-30% höheres Drehmoment umgesetzt werden kann, beginnt

der Beschleunigungsvorgang damit sehr viel schneller und nachhaltiger als ohne

die Kombination mit der Impulsaufladung. Abb. 4.49 zeigt schematisiert die ent-

sprechenden Kennlinien im Motorkennfeld. Hiernach wird das maximale Dreh-

moment deutliche früher erreicht, und die Nennleistung kann mit der gleichen

Auslegung ebenfalls gesteigert werden.

Abb. 4.49. Wirkung der Impulsaufladung auf das stationäre und transiente Volllast-

Verhalten eines turboaufgeladenen Motors (schematisch)

[KRE02] gibt an, dass mit Hilfe der Impulsaufladung bei Otto- und Dieselmo-

toren die Zeitdauer, bis 90% des stationären Volllast-Drehmomentes zur Verfü-

gung steht, um 50 bis etwa 65% gesenkt werden kann. [KOC04] hat ein Fahrzeug

mit Otto-Turbomotor und Impulsaufladung dargestellt, das bereits ab einer Dreh-

zahl von 1.750 1/min trotz eines Hubvolumens von 1,8 dm

ein Drehmoment von

320 Nm bereit stellt und maximal 165 kW leistet. Im realen Fahrbetrieb konnte

mit diesem System eine deutliche Verbesserung des Fahrzeug-Beschleunigungs-

verhaltens realisiert werden.

Insgesamt stellt die Impulsaufladung ein Aufladeverfahren für Otto- und Die-

selmotoren dar, das insbesondere im unteren Drehzahlbereich Vorteile hinsichtlich

des stationären Volllast-Drehmomentes sowie des transienten Betriebsverhaltens

210 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

bietet. Mit dem Prinzip der Wärmeladung können speziell beim Dieselmotor Vor-

teile im Kaltstart und während der Warmlaufphase bei weiter abgesenkten Ver-

dichtungsverhältnissen erzielt werden.

Vergleichende Bewertung

Im Rahmen des vorigen Abschnittes wurden mehrere Aufladeverfahren vorgestellt

und beschrieben, die sich grundsätzlich für den Einsatz von motorischen Hochlast-

Downsizing-Konzepten eignen. Im Folgenden soll anhand einer Gegenüberstel-

lung in den Tabellen 4.1 und 4.2 eine vergleichende Bewertung dieser Verfahren

erfolgen. Die Bewertung bezieht sich auf den derzeitigen Stand der Technik se-

rienmäßiger Aufladesysteme für Pkw-Anwendungen. Dabei wird die Wirtschaft-

lichkeitsbetrachtung zwar angesprochen, der Schwerpunkt liegt jedoch eindeutig

auf der technischen Seite, da unterschiedliche Marktsegmente und Anwendungen

auch differente Möglichkeiten hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit bzw. der Markt-

fähigkeit bieten.

Tabelle 4.1. Vergleichende Bewertung der Verfahren zur Hochaufladung (1)

zweistufige

Aufladung

aufladung

zweistufig-gere-

gelte Aufladung

Steigerung von

Low-End-Torque

– – (+ +) + + + +

Steigerung der

Nennleistung

+ + (– –) + + + +

Breite, nutzbare

Drehzahlspanne

– + + +

Verbesserung des

Instationärverhaltens

– – + + + +

Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

+ + + +

Zuverlässigkeit

des Systems

+ – –

Kostenaufwand und

Systemkomplexität

– – – – –

Bemerkung

Höchste Mitteldrü-

cke darstellbar

hohe Schaltfre-

quenzen sind zu

vermeiden

Bei der reinen, zweistufigen Aufladung mit Zwischenkühlung sind höchste

Mitteldrücke darstellbar. Je nach Auslegung, kann dies entweder im unteren Dreh-

zahlbereich (Low-End-Torque) oder im oberen Drehzahlbereich (Nennleistung)

genutzt werden. Da stets zwei Turbolader beschleunigt werden müssen, ist das

Transientverhalten schlecht. Eine Kraftstoffverbrauchssenkung ergibt sich einer-

seits durch den Downsizing-Effekt und andererseits durch den Betrieb bei höheren

Wirkungsgraden von Verdichter und Turbine.

4.1 Aufladung 211

Die Registeraufladung weist neben dem hohen Aufwand als einzigen Nachteil

mögliche Probleme hinsichtlich einer dauerhaften, zuverlässigen Schaltung der

Luft- und Abgasklappen bei hohen Schaltfrequenzen auf. Die Abgasturbolader

können gut auf den jeweiligen Drehzahlbereich ausgelegt werden und ermögli-

chen damit ein gutes Transientverhalten bei geringen Kraftstoffverbräuchen.

bhnliches gilt auch für die zweistufige, geregelte Aufladung. Bei nochmals ge-

steigerter Systemkomplexität im Vergleich zur Registeraufladung kann das her-

ausragende Potenzial dieses Aufladeverfahrens nur durch eine ausgeklügelte Re-

gelungsstrategie genutzt werden. Langfristig wird es – zunächst bei den Dieselmo-

toren – das bedeutendste Verfahren für Downsizing-Konzepte sein.

Hauptvorteile der mechanischen Zusatzaufladung sind die Steigerung des stati-

onären Drehmomentes bei niedrigen Drehzahlen und die Verbesserung des Insta-

tionärverhaltens. Durch Einsatz eines größeren Turboladers kann zudem die Nenn-

leistung erhöht werden. Eine Kraftstoffverbrauchssenkung ist nur möglich, wenn

der zeitliche Hauptanteil des Betriebs in den Bereich fällt, wo ausschließlich der

Abgasturbolader im Betrieb ist. Der Preis für das höhere Low-End-Torque ist ein

höherer Kraftstoffverbrauch.

Tabelle 4.2. Vergleichende Bewertung der Verfahren zur Hochaufladung (2)

Mechanische

Zusatzaufladung

Elektrisch unter-

stützte Aufladung

Impulsaufladung

mit Schaltklappe

Steigerung von

Low-End-Torque

+ + (+ +) + +

Steigerung der

Nennleistung

+ + +

Breite, nutzbare

Drehzahlspanne

+ + +

Verbesserung des

Instationärverhaltens

+ + + + +(+)

Reduzierung des

Kraftstoffverbrauchs

– o o

Zuverlässigkeit

des Systems

o – o

Kostenaufwand und

Systemkomplexität

– – – –

Bemerkung

12-Volt-Bordnetz

nur für kurzzeitige

Unterstützung

Elektrische Dauer-

leistung von ca.

30 W erforderlich

Die elektrisch unterstützte Abgasturboaufladung bietet deutliche Verbesserun-

gen in Bezug auf das transiente Betriebsverhalten und das Anfahrdrehmoment.

Hierzu sind jedoch elektrische Leistungen im Bereich von 2-4 kW erforderlich,

die bei häufigen Beschleunigungsvorgängen nur durch ein Bordnetz mit deutlich

höherer Spannung (z.B. 42 Volt) bereit gestellt werden können. Aus diesem Grund

ist die Steigerung des Low-End-Torque auch nur kurzzeitig, z.B. für Anfahrvor-

gänge, aber nicht dauerhaft möglich. Die Implementierung der erforderlichen

212 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Steuer- und Leistungselektronik ist mit hohen Kosten verbunden. Der elektrisch

angetriebene Zusatzverdichter hat gegenüber dem elektrisch unterstütztem Abgas-

turbolader weniger Nachteile zu verzeichnen.

Die Impulsaufladung mittels einer Schaltklappe weist ein großes Potenzial zur

Steigerung des Drehmomentes im unteren Drehzahlbereich sowohl bei Saug- als

auch bei aufgeladenen Motoren auf. Durch entsprechende Auslegung des einge-

setzten Abgasturboladers können die Nennleistung erhöht und der Kraftstoff-

verbrauch gesenkt werden. Die schnell schaltenden Lufttaktventile ermöglichen

eine praktisch verzögerungsfreie Erhöhung des Luftaufwandes. Hierbei bedarf es

jedoch noch weiterer Entwicklungsarbeiten.

4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung

Neben den Kernkomponenten Auflade- und Kraftstoffeinspritzsystem sind zur

Darstellung hoher Mitteldrücke weitere Systeme zur Steuerung der motorischen

Prozesse erforderlich. Mit diesen erweiterten Variabilitäten lassen sich deutliche

Verbesserungen hinsichtlich der Schadstoffemissionen und des Kraftstoff-

verbrauchs sowie der Motorbeanspruchung erzielen. Als wesentliche Systeme

sollen im Rahmen dieses Abschnittes Abgasrückführung, variable Ventilsteuerung

und variable Verdichtung beschrieben werden.

4.2.1 Abgasrückführung

Die Steuerung des motorischen Verbrennungsprozesses durch die sogenannte

bgasrückführung (AGR) bzw. Emission Gas Recirculation (EGR) ist prinzipiell

ein Verfahren zur Ladungsverdünnung und wurde erstmals in den 1970er Jahren

für Pkw eingesetzt. Während die AGR bei Dieselmotoren ausschließlich zur Re-

duzierung der Stickoxide (NO

) mit maximalen AGR-Raten von 50% eingesetzt

wird, dient sie bei Ottomotoren darüber hinaus auch zur Senkung des Kraftstoff-

verbrauches infolge geringerer Drosselverluste. Direkteinspritzende Ottomotoren

weisen bei Ladungsschichtung ebenfalls AGR-Raten bis zu 50% auf. Im Homo-

genbetrieb sind aufgrund der begrenzten Restgasverträglichkeit nur Werte bis ca.

20-25% möglich [BLA02].

Grundlagen und Wirkungsmechanismen

Neben einer gezielten Rückführung der Abgase sind nach [SPI03] folgende natür-

liche Restgasquellen von Bedeutung; die generell berücksichtigt werden müssen:

x Rückströmen von Verbrennungsgas aus dem Brennraum über die

Einlassventile in das Saugrohr während der Ventilüberschneidung.

Beim nachfolgenden Ansaugen wird dieses Verbrennungsgas als

Restgas wieder angesaugt.

4.2 Variabilitäten und Prozesssteuerung 213

x Rückströmen von Verbrennungsgas aus dem Auslasskanal über die

Auslassventile in den Brennraum während der Ventilüberschnei-

dungsphase.

x Rückströmen von Zylinderinhalt (Frischladung und Abgas) über die

Einlassventile in das Saugrohr vor ES.

x Verbrennungsgas, das während des Ladungswechsels im Schadvo-

lumen des Brennraumes zurückbleibt.

Demnach verbleibt entweder ein Teil des Abgases durch unvollständige Spü-

lung während des Ladungswechsels im Brennraum oder dem Brennraum wird

Abgas aus dem vorherigen Arbeitsspiel erneut zugeführt und mit der Frischladung

vermischt.

Eine gezielte Zuführung kann zum einen über die Ventilsteuerzeiten erfolgen

(innere Abgasrückführung), in dem während der Phase der Ventilüberschneidung

Abgas aus dem Abgaskanal zurückgesaugt wird. Die Ventilüberschneidung an

sich ist durch Phasenwandler, d.h. gegeneinander verdrehbare Einlass- und Aus-

lassnockenwellen, zu verändern. Mit Hilfe variabler Ventilsteuerung ist eine bes-

sere Zumessung des Abgases realisierbar, wobei eine quantitative Erfassung bzw.

Regelung des Abgasanteils bei interner AGR grundsätzlich möglich ist. Zudem ist

die innere AGR bei aufgeladenen Motoren nur durch Androsselung der Frischluft

im Ansaugkanal zur Erzeugung eines negativen Spülgefälles möglich und mit

Ladungswechselverlusten bzw. einem höheren Kraftstoffverbrauch verbunden.

Aufgeladene Ottomotoren mit Drosselsteuerung sind im Gegensatz zu Dieselmo-

toren im Teillastbetrieb ohne weiteres mit innerer Abgasrückführung darstellbar.

Auf die Restgassteuerung durch innere Abgasrückführung wird in Abschn. 4.2.2

näher eingegangen.

Eine anderes und exakteres Verfahren zur Steuerung des Abgasanteils im

Brennraum ist die externe Abgasrückführung, siehe Abb. 4.50. Hierbei wird über

ein Abgasrückführventil und ggf. einen Abgaskühler eine deutlich größere Menge

Abgas aus dem Auslassbereich des Motors in den Ansaugtrakt zurückgeleitet und

der einströmenden Ladungsmasse beigemischt.

Abb. 4.50. Schema der externen Abgasrückführung mit Kühlung

214 4 Relevante Subsysteme und Prozesse

Das AGR-Ventil wird elektrisch angesteuert und legt in Abhängigkeit des Mo-

torbetriebspunktes einen Öffnungsquerschnitt fest, über den ein Teilabgasstrom in

den Ansaugkanal gelangt.

Hinsichtlich der konstruktiven Ausführung externer, gekühlter AGR-Systeme

unterscheidet man die hochdruckseitige von der niederdruckseitigen Abgasrück-

führung. Bei ersterer erfolgt die Abgasentnahme vor der Turbine und die Zumi-

schung des gekühlten Abgases zur Verbrennungsluft nach dem Verdichter. Bei

Hochleistungs-Dieselmotoren, deren Ladedrücke in weiten Kennfeldbereichen

über den Abgasgegendrücken liegen, ist in diesem Fall ein Venturisystem oder

eine Drosselung des Abgasmassenstroms erforderlich. Weitere Möglichkeiten der

hochdruckseitigen Zuführung ergeben sich durch Abgasturbolader mit VTG oder

asymmetrischem Turbinengehäuse sowie durch Flatterventile, die Druckpulsatio-

nen im Abgasstrang ausnutzen [SCH04c]. Bei der niederdruckseitigen AGR wird

das Abgas nach der Turbine entnommen und der Verbrennungsluft vor Verdichter

zugeführt. Da hierbei stets ein entsprechendes Druckgefälle vorliegt, ist die nie-

derdruckseitige AGR ohne zusätzlichen Energieaufwand zu realisieren. Allerdings

werden mit Blick auf Korrosion und Verschmutzung höhere Anforderungen an

den Verdichter und Kühler gestellt. Infolge des geringeren Druckniveaus ergeben

sich große Volumenströme und damit die Notwendigkeit großer Bauteile für die

Abgasrückführung mit entsprechenden Packagenachteilen.

Zur Beurteilung der Wirkung der Abgasrückführung ist zunächst die Kenntnis

der Ladungszusammensetzung erforderlich. Die Zylinderladung mit der Masse

besteht zum Zeitpunkt Einlass-Schluss (ES) aus Frischladung

und Abgas m

mmm 

(4.57)

Dabei ist grundsätzlich zwischen luftansaugenden und gemischansaugenden

Motoren zu unterscheiden. Im Gegensatz zu luftansaugenden Motoren enthält die

Zylinderladung bei gemischansaugenden Motoren neben Luft und rückgeführtem

Abgas auch die Brennstoffmasse, die ihrerseits als vollständig verdampft betrach-

tet wird. Daraus folgt für die Frischladung:

LLF

(4.58)

GLGF

mmm 

(4.59)

In Abb. 4.51 ist die jeweilige Ladungszusammensetzung für luftansaugende

und gemischansaugende Motoren bei ES schematisiert. Die Abgasmasse setzt sich

aus der beim Ladungswechsel nicht ausgespülten oder aus dem Abgaskanal rück-

geströmten Restgasmasse sowie den intern und extern rückgeführten Abgasmas-

sen zusammen. Sie kann neben verbrannten Reaktionsprodukten im Falle von

überstöchiometrischem Motorbetrieb auch unverbrannte Luft enthalten.