mini|Der Ladungswechsel beim Viertaktzyklus umfasst die Takte 4 (Ausschieben) und 1 (Ansaugen)
Als Ladungswechsel wird das Austauschen des Arbeitsmediums in intermittierend arbeitenden Verdrängermaschinen bezeichnet. Wichtigste Vertreter sind Kolbenmotoren mit innerer Verbrennung, bei denen im Arbeitsraum verbranntes Abgas gegen verbrennungsfähiges Frischgas (die Frischladung) ausgetauscht wird. Er ist ein wesentliches Element im Arbeitsprozess von Motoren mit unterschiedlichen Brennverfahren, also Ottomotoren und Dieselmotoren, sowohl für Zweitakt- und Viertakt-Hubkolben- als auch Drehkolbenmotoren wie den Wankelmotor.
Grundlagen Vor allem bei hoher Drehzahl beeinträchtigt ein schlechter Ladungswechsel mit verminderter Frischladung und erhöhter Abgas-Retention sowohl die Motorleistung als auch die Qualität der Verbrennung. Nur ein auf bevorzugte Drehzahl-Bereiche optimal abgestimmter Ladungswechsel sorgt für effizienten Betrieb mit maximaler Leistung und geringer Schadstoff-Emission. Wesentliche Kenngröße ist dabei vor allem der Liefergrad bzw. Luftaufwand als Maß für die Effektivität des Ladungswechsels. Beim Zweitaktmotor sind zudem der volumenbezogene Spülgrad und der Fanggrad wichtig.
Für den Ladungswechsel maßgeblichen Einfluss haben die Steuerzeiten, das heißt der zeitliche Verlauf des Öffnungsquerschnitts der Ventile oder Überströmkanäle in den Verbrennungsraum. Bei ventilgesteuerten Motoren ergibt sich der Öffnungsquerschnitt aus Anzahl, Hub und Durchmesser der Ventile. Die Steuerzeiten beeinflussen die dynamischen Druckverhältnisse sowohl im Ansaugtrakt als auch im Abgastrakt, wobei ggf. auch eine Aufladung inkl. Ladeluftkühlung zu berücksichtigen ist. Optimierung des Ladungswechsels erfordert also sorgfältige Abstimmung aller Elemente inkl. Ansaugtrakt und Abgas-System. Dabei werden gezielt auch dynamische Resonanz-Effekte bei bevorzugten Drehzahlen ausgenutzt (Resonanzaufladung), was sich besonders für Motoren anbietet, die überwiegend mit fester Drehzahl laufen (Stromaggregate und Blockheizkraftwerk oder auch für Rasenmäher etc.).
Viertakt-Hubkolbenmotor Beim Viertaktmotor wird die Volumenänderung des Arbeitsraumes abwechselnd zur Arbeitsleistung und zum Ladungswechsel genutzt: Der Hubkolben vollzieht den Ladungswechsel in zwei der vier Takte: Ausschieben und Ansaugen: 1. Ansaugen Ladungswechseltakt 2. Arbeitstakt Verdichten 3. Arbeitstakt Expandieren 4. Ausschieben Ladungswechseltakt
Gesteuert wird der Ladungswechsel bei Viertaktmotoren üblicherweise durch Ein- und Auslassventile am Zylinderkopf, die den Brennraum abdichten und Frischgas und Abgas gesondert freigeben, so dass bei Aufwärtsbewegung des Kolbens Abgas in die Auslass-Kanäle geschoben und bei Abwärtsbewegung das Frischgemisch durch Einlass-Kanäle angesaugt wird. Bis kurz nach Ende des Zweiten Weltkrieges wurden auch Motoren mit Schiebersteuerung gebaut. Bei modernen Motoren werden Hubventile eingesetzt, die Anforderungen bei geringeren Kosten leichter und besser erfüllen. Die Ventile werden durch eine Nockenwelle über Stößel und Kipp- oder Schlepphebel betätigt.
Verluste und Steuerzeiten Der Verlauf des Gasdrucks im Arbeitsraum (Zylinder) kann in einem p-α-Diagramm oder in einem p-V-Diagramm dargestellt werden, wobei α den Kurbelwinkel und V das Hubvolumen bezeichnet:
zentriert|600px|Kreisprozess eines Viertaktmotors, schematisch im p-V-Diagramm
Der Ladungswechsel ist vergleichbar mit einem Pump-Vorgang, der einen gewissen Teil der Motorleistung verbraucht. Bezogen auf die schematische Darstellung eines Viertaktmotorprozesses lassen sich Ladungswechselverluste folgendermaßen aufteilen: Nr. von bis Benennung Kommentar 1 Aö UT Verlust an Expansionsarbeit Arbeitsgas könnte theoretisch noch Expansionsarbeit leisten; jedoch wird der Auslass bereits vor UT geöffnet, um dem Abgas-Ausstoß mehr Zeit zu geben, wodurch sich die Ausschiebearbeit verringern kann. 2 UT OT Verlust durch Ausschiebearbeit Das Arbeitsgas entweicht durch das Auslassventil mit Drossel-Verlusten und gegen den Strömungswiderstand des Abgas-Systems. 3 OT UT Verlust durch Ansaugarbeit Frischgemisch (oder Luft) wird durch das Einlassventil angesaugt. Verluste entstehen an der Drosselstelle des Ventils und durch den Unterdruck im Saugrohr. Dieser ist beim Ottomotor mit Laststeuerung durch Drosselklappe bei Teillast besonders hoch.
mini|Viertaktzyklus eines ideal-typisch langsam laufenden Ottomotors ➯ real schnell laufend öffnet das Auslass-Ventil bereits zum Ende von Takt 3, zwischen Takt 4 und 1 überlappen die Öffnungszeiten von Auslass- und Einlass-Ventil und nach Takt 1 bleibt der Einlass über den UT hinaus geöffnet, um mehr Zeit zum Einströmen der Frischladung zu lassen, während der Kolben bereits zum Kompressionshub ansetzt|300x300px
Bestrebungen um effizientere Motoren betreffen neben vielen anderen Maßnahmen wie Verminderung der Reibungsverluste auch eine Reduzierung von Ladungswechsel-Verlusten, wobei insbesondere die Laststeuerung mit einer Drosselklappe zu vermeiden ist, damit nicht gegen Unterdruck im Saugrohr angesaugt werden muss: Eine variable Ventilsteuerung minimiert Verluste, indem sie den Füllgrad stattdessen durch angepasstes Schließen des Einlassventils steuert (Millermotor).
Die Steuerzeiten werden durch die Kontur der Nocken der Nockenwelle bestimmt und meist in Grad Kurbelwinkel angegeben. Je nach Einsatzgebiet des Motors variieren die Steuerzeiten zwischen ca. 230 °KW bis 280 °KW für Ottomotoren in „Komfortanwendungen“ (Serienfahrzeuge mit Straßenzulassung).
Einfluss der Ventil-Steuerzeiten Bei konventioneller Ventilsteuerung mit festgelegten Steuerzeiten hat deren Auslegung folgenden Einfluss auf die Leistungscharakteristik:
Aö (Auslass öffnet): Frühes (spätes) AÖ verursacht hohe (geringe) Verluste an Expansionsarbeit, aber vermindert (vergrößert) dafür die Ausschiebearbeit. Es (Einlass schließt) beeinflusst die Füllungs- und damit die Drehmomentcharakteristik eines Motors sehr viel stärker als die anderen Steuerzeiten: Frühes ES ist günstig für hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich, bedingt jedoch schwache Füllung bei Nenndrehzahl; spätes ES (Sportmotor) ergibt hohe Nennleistung mit Füllungsverlust bei niedrigen Drehzahlen. Eö und As (Bereich der Ventilüberschneidung): Bei großer Ventilüberschneidung kann mit dem Zug des ausgestoßenen Abgases noch ein Teil des gleichzeitig bereits einströmenden Frischgases ungenutzt entweichen (Spülverlust ähnlich wie beim Zweitakter), wodurch sich bei Gemisch ansaugenden Motoren der effektive Wirkungsgrad verschlechtert und λl < λa ist. Dafür wird durch den weitgehenden Restgas-Ausstoß und verlängerten Einlass der Liefergrad und damit die Leistung gesteigert, was vor allem bei Sportmotoren genutzt wird.
Bei modernen Motoren ohne variable Ventilsteuerung liegen die festen Steuerzeiten ungefähr bei folgenden Werten (°KW bedeutet Grad Kurbelwinkel; Steuerzeiten in Klammern sind extreme Auslegungen):
Ottomotor Dieselmotor Aö [°KW v. UT] (70) 50 - 40 50 - 40 As [°KW n. OT] 4 - 30 (40) 5 - 30 Eö [°KW v. OT] (40) 30 - (5) 10 25 - 0 Es [°KW n. UT] 40 - 60 (80) 30 - 40 (70) Zu beachten ist dabei auch, dass die Steuerzeiten zwischen Saug- und aufgeladenen Motoren unterschiedlich sein können. Die Steuerzeiten von Einlass- und Auslassventilen können gleich (symmetrische Nockenwelle) oder unterschiedlich (asymmetrische Nockenwelle) sein.
Für Serienfahrzeuge mit Straßenzulassung gilt es eine Reihe von Eigenschaften zu erhalten, die zur Auslegung der Steuerzeiten führen. Dazu gehören u. a. Einhaltung der Abgasemission, niedriger Kraftstoffverbrauch in einem großen Bereich der Kundenfahrprofile, Dauerhaltbarkeit und eine hohe Laufruhe im Leerlauf, bei niedriger Drehzahl. Das wird mit Nockenwellen mit „kurzen“ Steuerzeiten (niedriger Werte °KW) erreicht. Je länger die Steuerzeiten werden (umgangssprachlich „scharfe“ Nockenwellen), desto schlechter ist die Füllung im unteren Drehzahlbereich, was zu unruhigem Leerlauf und schlechterem Durchzugsvermögen (Elastizität) aus niedrigen Drehzahlen führt. Dafür ist die Füllung im oberen Drehzahlbereich verbessert, weil die Ventile „länger“ (Zeit) offen bleiben.mini|225x225px|Ladungswechsel beim Wankelmotor (4 Takte)
Wankelmotor Der Wankelmotor arbeitet ebenfalls nach dem Viertaktverfahren, hat aber wie einfach konstruierte Zweitaktmotoren keine Ventile und der Kolben übernimmt die Steuerung des Ladungswechsels, indem er in Gehäusemantel oder Seitenscheibe befindliche Öffnungen (Schlitze) freigibt oder verschließt. Die Steuerzeiten sind dabei durch die Geometrie der Schlitze festgelegt. Auch hier lassen sich sowohl der Ansaugtrakt als auch das Abgas-System auf Resonanz für bestimmte Drehzahlen abstimmen.
Zweitaktmotor mini|Schematische Darstellung eines quergespülten Otto-Zweitaktmotors mit Membraneinlass Bei Hubkolbenmotoren, die nach dem Zweitaktverfahren arbeiten, wird die Ladung zwischen den Arbeitstakten durch Ausspülen der Abgase mit Frischladung gewechselt. Der Kolben gibt in der Abwärtsbewegung mit seiner oberen Kante die Einlasskanäle in den Zylinder frei, so dass sie im Gegensatz zum Viertakter ohne Ventiltrieb auskommen. Dafür benötigen sie eine Pumpe für das Frischgas. Bei kleinen Zweitakt-Ottomotoren ist das meist die Kolbenunterseite im Kurbelgehäuse. Dabei wird über ein Membran-Ventil oder durch die Kolbenunterkante der Einlasskanal zum Kurbelgehäuse geöffnet, während dort durch den sich aufwärts bewegenden Kolben ein Unterdruck entsteht, der das Kraftstoff-Luft-Gemisch ansaugt. Im Arbeitshub verdichtet der Kolben das Gemisch im Kurbelgehäuse. Kurz vor dem unteren Totpunkt öffnet der vom Kurbelgehäuse zum Arbeitsraum führende Überströmkanal, durch die das Frischgas in den Arbeitsraum strömt und das Abgas ausschiebt.
Große Zweitakt-Dieselmotoren haben externe Spülgebläse, kombiniert mit Turboladern. Die von einer Nockenwelle gesteuerte Auslassventile schließen vor dem Einlass, so dass sie aufgeladen werden können. Der Einlass über Schlitze wird vom Kolben gesteuert.
Der Zweitaktmotor vollzieht den Ladungswechsel prinzipiell im unteren Totpunkt, indem Frischgas das Abgas aus dem Zylinder schiebt. Dieser dynamisch äußerst komplexe Spülvorgang funktioniert jedoch nicht optimal und erreicht meist nur unvollständigen Austausch im Kompromiss mit möglichst geringem Verlust von unverbrannt durchströmendem Frischgas (siehe auch: Fanggrad). Dabei lassen sich prinzipiell drei theoretische Grenzfälle betrachten:
Verdrängungsspülung: Frischgas und Abgas sind durch eine Front ideal abgegrenzt und vermischen sich nicht: Indem Frischgas das Abgas möglichst vollständig aus dem Zylinder schiebt, funktioniert die Spülung optimal. Verdünnungsspülung: Zuströmendes Frischgas mischt sich kontinuierlich in den Zylinderinhalt, dessen Überschuss über den Abgasweg abfließt, wodurch der Frischgas-Anteil im Verlauf stetig zunimmt. Kurzschlussspülung (unerwünscht): Frischgas entweicht direkt zum Auslass, ohne zur Spülung der Zylinderfüllung beizutragen.
Ein effektiver Ladungswechsel = Spülvorgang soll Entweichen von Frischladung direkt in den Auslass möglichst vermeiden, ohne dass im Brennraum zu viel Abgas verbleibt: Ein überhöhter Abgas-Anteil kann den Motorlauf beeinträchtigen, wenn das Gemisch nicht richtig durchbrennt, so dass die Leistung abfällt und die Emission unvollständig verbrannter Kohlenwasserstoffe stark ansteigt.
Spülverfahren Für den Zweitaktmotor sind eine Reihe Spülverfahren entwickelt worden. Bei den meisten wird der Gaswechsel durch die Kolbenkanten gesteuert. Das heißt, in der Zylinder-Lauffläche befinden sich die Öffnungen (Schlitze) der Überströmkanäle, die der Kolben überfährt und damit schließt oder öffnet. Als Steuerorgan kann dabei nicht nur die Kolbenoberkante, sondern auch die Unterkante dienen, sowie Taschen oder Öffnungen im Kolbenhemd.
mini|Ladungswechsel beim Zweitaktmotor (Umkehrspülung)