Könnte ich den modernen Atkinson-Zyklus auf einem Benzinmotor mit variabler Ventilsteuerung implementieren?

Theoretisch könnte man durch variable Ventilsteuerung zu einem modernen Atkinson-Zyklus kommen, aber es hängt von der Genauigkeit des beteiligten Systems ab. Es hängt auch davon ab, ob der Motor zwischen einem normalen Otto-Zyklus und dem Atkinson-Zyklus hin und her schwanken soll.

Im Video „Engineering Explained“ spricht Jason Fenske über eine Möglichkeit, den Atkinson-Zyklus zu erreichen, nämlich das Ablassen eines Teils der Ansaugladung während des Verdichtungshubs. Indem Sie zulassen, dass das Einlassventil zu Beginn des Kompressionszyklus offen bleibt, würden Sie zulassen, dass die Entlüftung durch Umkehrung zurück in den Einlasstrakt erfolgt. Der Motor würde nur einen Teil der Luft-/Kraftstoffansaugung nutzen. Dies kann über die variable Ventilsteuerung (VVT) gehandhabt werden. Wie gut das VVT-System entworfen und implementiert ist, bestimmt den Grad, wie gut dies erreicht wird.

Gemäß Überprüfung und Analyse von Strategien zur variablen Ventilsteuerung – acht Vorgehensweisen, veröffentlicht in Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 218(10), pg. 1179-1200 sind die Ventilereignisse eines typischen Fremdzündungsmotors (SI-Motor):

• Einlassventilöffnung (IVO) Das Einlassventil öffnet und die Luft-Kraftstoff-Ladung wird in den Zylinder gesaugt, wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt (TDC) nach unten bewegt. Er setzt sich fort, bis der Kolben seinen unteren Totpunkt (BDC) erreicht. Im Allgemeinen findet das Öffnen des Einlassventils etwa 10 Grad vor OT während des Auslasstakts statt. Das Öffnen des Einlassventils stellt den Beginn des Ansaugtakts sowie den Beginn der Einlass- und Auslassventilüberschneidung dar.

• Schließen des Auslassventils (EVC) Das Auslassventil schließt, wenn die meisten verbrannten Gase zum Auspuffkrümmer ausgestoßen wurden. Dies ist sowohl das Ende des Auspuffhubs als auch das Ende der Ventilüberschneidung. Das Schließen des Auslassventils erfolgt etwa 10 Grad nach OT während des Ansaugtakts.

• Schließen des Einlassventils (IVC) Das Schließen des Einlassventils repräsentiert das Ende des Einlasshubs und den Beginn des Verdichtungshubs. Das Einlassventil schließt während des Verdichtungshubs bei etwa 50 Grad nach BDC.

• Auslassventilöffnung (EVO) Das Öffnen des Auslassventils repräsentiert das Ende des Expansionshubs und den Beginn des Auslasshubs. Die Öffnung des Auslassventils erfolgt bei etwa 60 Grad vor BDC.

Es gibt acht verschiedene Strategien, die auf VVT angewendet werden können:

1. Spätes Schließen des Einlassventils (LIVC)
2. Frühzeitiges Schließen des Einlassventils (EIVC)
3. Spätes Öffnen des Einlassventils (LIVO)
4. Frühes Öffnen des Einlassventils (EIVO)
5. Spätes Schließen des Auslassventils (LEVC)
6. Frühzeitiges Schließen des Auslassventils (EEVC)
7. Spätes Öffnen des Auslassventils (LEVO)
8. Frühes Öffnen des Auslassventils (EEVO)

Nur einige davon sind speziell für die Bewirkung eines Atkinson-Zyklus. Jede Typvariation hat Vor- und Nachteile. Der wichtigste, über den Jason spricht, ist LIVC. Einige der Vor- und Nachteile von LIVC sind:

Vorteile:

• Verbessert den volumetrischen Wirkungsgrad (VE) bei höheren Motordrehzahlen aufgrund des Gemisch-High-Flow-Impulses, der den Zylinder weiterhin auflädt, obwohl sich der Kolben nach oben bewegt.
• Verringerte Pumpverluste bei Teillastbedingungen und niedrigere NOx-Emissionen bei nur geringem Drehmomentverlust.

Nachteile:

• Reduziert VE bei niedrigeren Motordrehzahlen, da Ansaugkrümmer- und Zylinderdrücke am BDC gleich sind.
• Klopfneigung bei niedrigeren Drehzahlen durch fetteres Gemisch und geringere Luft-Kraftstoff-Dichte. Dies verringert die Flammengeschwindigkeit und verstärkt somit das Klopfen.
• Erfordert normalerweise eine erhöhte mechanische Komplexität zur Implementierung.

Einige der Möglichkeiten, wie LIVC implementiert werden kann, sind:

• Zusätzliche Nockenwellen oder Nockenwellen, die bei unterschiedlichen Motordrehzahlen betätigt werden.
• Nockenwellenverstellung, die die Ventilsteuerung bei unterschiedlichen Motordrehzahlen ändert.

Laut dem Papier erfordern LIVC-Motoren im Vergleich zu herkömmlichen Motoren eine frühere Frühzündung:

... insbesondere bei Teillast, da dem Gemisch ausreichend Zeit zur Selbstzündung eingeräumt wird. Durch Frühzündung kann eine Selbstzündung vermieden werden. Der maximale Druck im Zylinder von LIVC-Motoren war niedriger als bei herkömmlichen Motoren. Dies liegt daran, dass die Menge an effektivem Gemisch, die nach dem Ansaugtakt zur Verbrennung verbleibt, bei LIVC-Motoren geringer ist.

Was das AGR-Ventil angeht, kann es bei ausreichender Ventilüberschneidung leicht eliminiert werden. Dies ist eine der Methoden, die bei neueren Leistungsmotoren verwendet wird. Es wird einfach in die Nockenwelle eingebaut. Wenn der Auslass länger offen gehalten wird, wenn sich der Einlass öffnet und der Kolben beginnt, sich für den Einlasshub nach unten zu bewegen, erfolgt eine Umkehrung und Abgas wird zurück in den Zylinder gesaugt. Das Endergebnis ist dasselbe wie das, was passiert, wenn sich die AGR öffnet und Abgas zurück in den Einlass gesaugt werden kann. Besser noch, mit dem LIVC-Ansatz zum Erreichen eines Atkinson-Zyklus wird NOx aufgrund des Temperaturabfalls im Inneren des Zylinders auf natürliche Weise reduziert.

Ein besserer Weg, diese Art von System zu implementieren, könnte die Verwendung des Koenigsegg FreeValve seinTechnologie. Diese Technologie verwendet einen nockenfreien Ansatz, indem die Ventile mit einer pneumatischen/hydraulischen Lösung betätigt werden. Alles ist computergesteuert, was bedeutet, dass die Ventile nach Belieben geöffnet und geschlossen werden können. Die Öffnen/Schließen-Ereignisse können für eine höhere Effizienz auch während des Betriebs des Motors geändert werden. Damit hängt der Motor nicht an einem oder möglicherweise zwei verschiedenen Nockenprofilen fest. Es kann so viele Profile und Ereignis-Timing-Änderungen wie nötig haben, um einen effizienteren Motor bereitzustellen. Es wäre leicht möglich, einen Motor zu bekommen, der bei niedrigeren Motordrehzahlen von einem regulären Otto-Zyklus und bei höheren Motordrehzahlen von dem Atkinson-Zyklus profitieren kann. Besser noch, dem Computer zu erlauben, zu lernen, was nötig wäre, um das Beste von allem zu sammeln, könnte nur die Eintrittskarte für eine rundum fantastische Motorkombination sein.