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VORTRAG
27.10.2016

Kurbeltriebs- und Ventiltriebs-Variabilitäten zur Effizienz- und Leistungssteigerung von Dieselmotoren

Vortrag bei Ladungswechsel im Verbrennungsmotor 2016
9. MTZ-Fachtagung

Variabilitäten
Referent(in): Georg Kellermayr, T. Kraxner, Institut für Verbrennungskraftmaschinen und Thermodynamik (IVT), TU Graz, Österreich

Die Variabilität des Verdichtungsverhältnisses und des Ventiltriebs versprechen erhebliche Potenziale am Dieselmotor und diese Verfahren wurden daher insbesondere in der jüngeren Vergangenheit immer wieder diskutiert.
Das Verdichtungsverhältnis resultiert am Dieselmotor aus einer Kompromissauslegung zwischen gutem Teillastverbrauch und hoher spezifischer Nennleistung (und anderen Parametern), ein variables Verdichtungsverhältnis bietet den Vorteil, keinen Kompromiss eingehen zu müssen. Die Verdichtung kann in der Teillast hoch und an der Volllast niedrig gewählt werden.
Ein vermutlich noch größeres Potenzial bietet ein variabler Ventiltrieb, hier in Form eines variablen Einlassschlusses (Miller- Zyklus). Er erlaubt das Verdichtungsverhältnis unabhängig vom Expansionsverhältnis zu verändern, was weitere Vorteile im Wirkungsgrad generieren sollte.
Bei genauerer Betrachtung ergeben sich aber komplizierte Zusammenhänge bei der Beurteilung der beiden Verfahren. Vor allem an der Volllast sind die Parameter Spitzendruck, Ladedruck, Turboladerwirkungsgrad, Abgastemperatur und Verbrennungslage in die Überlegungen miteinzubeziehen und führen mitunter zu unerwünschten Wechselwirkungen. In der Teillast wiederum ist besonders die Rückwirkung auf die Emissionsbildung in Betracht zu ziehen.
Anhand von Messungen und Simulationen an einem Pkw-Dieselmotor und Simulationen an einem Nfz-Motor wurde das Potenzial von variablem Verdichtungsverhältnis und variablem Einlassschluss bewertet. Die Messungen am Pkw-Motor umfassen verschiedene Verdichtungsverhältnisse (durch Kolbentausch), die in der Teillast und an der Volllast untersucht wurden. Diese Messungen wurden durch 1D-Thermodynamiksimulationen ergänzt, um weitere Erkenntnisse zu gewinnen.
Durch die generell höheren Turboladerwirkungsgrade am Nfz-Motor bietet sich dort zusätzlich der Einsatz eines variablen Ventilschlusses an, was mittels der 1D-Thermodynamiksimulation untersucht wurde.
Durch das hohe Verdichtungsverhältnis in der Teillast sind im emissionsrelevanten Bereich die höheren NOX-Emissionen bzw. das schlechtere NOX- / Ruß-Verhältnis zu beachten, im untersten Lastbereich hingegen erfolgt durch das höhere Verdichtungsverhältnis eine vollständigere Verbrennung mit weniger HC-Emissionen. Im Hinblick auf die thermodynamische Effizienz wurde ein starker Anstieg der Wandwärmeverluste festgestellt, vor allem wenn wirkungsgradgünstige Verbrennungslagen gefahren werden. Dadurch wird ein großer Anteil des theoretischen Effizienz-Potenzials (vollkommener Motor) kompensiert.
Es kann gezeigt werden, dass die erzielbare Leistungssteigerung eine sehr starke Abhängigkeit vom Ladedruck und dem zulässigen Spitzendruck zeigt. Um mit dem niedrigen Verdichtungsverhältnis eine deutliche Leistungssteigerung zu erzielen, sind hohe Anforderungen an die Aufladung notwendig.
An der Volllast kann für die Anwendung von Miller-Steuerzeiten zur Effizienzsteigerung der geeignetste Variationsparameter (Liefergradausgleich, Verdichtungsanpassung, Verbrennungslage …) in Abhängigkeit von unterschiedlichen Auflade wirkungsgraden dargestellt werden.

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