Steigern optimierte Ansaugkrümmer die Motoreffizienz?

Wie das Design des Ansaugkrümmers den volumetrischen und thermischen Wirkungsgrad unmittelbar beeinflusst

Der volumetrische Wirkungsgrad als grundlegender Treiber für die Verbrennungseffizienz

Der Volumenwirkungsgrad, kurz VE genannt, gibt im Wesentlichen an, wie effizient ein Motor Luft in die Zylinderkammern füllen kann im Vergleich zu dem, was diese physikalisch aufnehmen könnten. Steigt der VE, so erhöht sich auch die Dichte des Luft-Kraftstoff-Gemisches im Brennraum – was zu einer besseren Verbrennung und damit zu mehr Leistung am Ausgang führt. Form und Größe der Ansaugkrümmer spielen hier eine entscheidende Rolle. Die Länge der Laufrohre sowie das Volumen des Sammlerraums erzeugen unterschiedliche Strömungsmuster, die sich aus physikalischen Prinzipien wie Trägheit und Druckwellen ableiten. So wirken beispielsweise längere Laufrohre typischerweise im niedrigeren Drehzahlbereich effektiver, da sie akustische Resonanzeffekte nutzen. Kürzere Laufrohre hingegen ermöglichen bei höheren Motordrehzahlen eine schnellere Luftbewegung – allerdings ist stets ein gewisser Kompromiss erforderlich. Die meisten Anwender stellen fest, dass eine Steigerung des VE um etwa 10 Prozent in der Regel zu einem Leistungszuwachs von drei bis fünf PS führt, da der Kraftstoff dabei vollständiger verbrannt wird. Achten Sie jedoch auf schlecht gestaltete Krümmer: Diese können zahlreiche Probleme verursachen – etwa turbulente Ansaugströmung oder sogar Rückströmung in den Ansaugtrakt – wodurch einzelne Zylinder unterversorgt werden und vermehrt unverbrannte Kohlenwasserstoffe emittieren.

Warum ein maximaler volumetrischer Wirkungsgrad nicht zwangsläufig einen maximalen thermischen Wirkungsgrad garantiert: Die Rolle der Ladungstemperatur und der Verbrennungssteuerung

Allein die Maximierung des volumetrischen Wirkungsgrads (VE) garantiert noch nicht den besten thermischen Wirkungsgrad, da auch andere Faktoren wie Ladungstemperatur und Verbrennungszeitpunkt ebenso entscheidend sind. Wenn Ansaugkrümmer durch Wärmeaufnahme überhitzen, kann dies die Einlasslufttemperatur um etwa 15 bis 20 Grad Celsius anheben. Dadurch verringert sich die Sauerstoffdichte – selbst wenn der VE-Wert auf dem Papier gut erscheint. Um Klopfprobleme entgegenzuwirken, müssen Motoren reichere Kraftstoffgemische verbrennen, wodurch rund 7 bis 9 Prozent möglicher Energiegewinne verloren gehen. Gleichzeitig führt eine ungleichmäßige Luftstromverteilung durch die Ansaugläufe dazu, dass unterschiedliche Zylinder jeweils unterschiedliche Mengen an Luft und Kraftstoff erhalten. Magerere Gemische zünden tendenziell später als erforderlich, während reichere Gemische vorzeitig detonieren können. Beide Situationen beeinträchtigen die Gesamtleistung des Motors. Für echte Verbesserungen des thermischen Wirkungsgrads müssen Konstrukteure daher die Optimierung des VE mit einer gezielten Steuerung der Ladungstemperatur in Einklang bringen. Werden diese Elemente nicht harmonisch aufeinander abgestimmt, geht zwischen 10 und 12 Prozent des potenziellen thermischen Wirkungsgrads verloren – unabhängig davon, wie hoch der VE-Wert auch sein mag. Deshalb integrieren moderne Motorkonzepte heute Maßnahmen wie Wärmebarrierebeschichtungen, thermisch isolierte Sammelkammern sowie speziell gekühlte Laufkanaloberflächen, um diesen Herausforderungen direkt zu begegnen.

Ansaugkrümmer mit abgestimmter Länge: Drehzahlzielorientierte Optimierung und Kompromisse hinsichtlich der Effizienz im realen Betrieb

Resonanztuning, Druckwellendynamik und deren Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch bei Teillast

Die Abstimmung auf Resonanz funktioniert durch Druckwellen, die sich in den Ansaugkanälen bewegen, um bei bestimmten Motordrehzahlen eine verbesserte Zylinderfüllung zu erreichen. Wenn das Ansaugventil schließt, entsteht eine Kompressionswelle, die sich wieder den Kanal hinaufbewegt. Stimmen alle Parameter überein, kehrt diese Welle genau dann zurück, wenn das nächste Ventil öffnet, wodurch ein Art „Boost-Effekt“ entsteht. Dieses Phänomen wird als Trägheitsaufladung bezeichnet, da der Motor dadurch mehr Luft ansaugt, ohne zusätzliche mechanische Komponenten zu benötigen. Bei Teillastbetrieb – einem Betriebszustand, bei dem Motoren viel Energie verschwenden, um dem Drosselklappendruck zu widerstehen – reduziert eine gut abgestimmte Resonanzabstimmung tatsächlich den Aufwand, den der Motor treiben muss, um Luft anzusaugen. Laut einigen SAE-Studien aus dem vergangenen Jahr können derartige Systeme den Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen im Stadtverkehr um etwa 4 bis möglicherweise sogar 6 Prozent senken. Der Hauptgrund hierfür ist weniger Energieverschwendung und eine bessere Leistung bei niedrigeren Motordrehzahlen. Allerdings besteht hier die Einschränkung darin, dass die meisten festen Ansaugkrümmer nur innerhalb sehr begrenzter Motordrehzahlbereiche effizient arbeiten. Ingenieure müssen daher grundsätzlich zwischen einer guten Drehmomententfaltung bei niedrigen Drehzahlen und einer starken Leistungsabgabe bei hohen Drehzahlen wählen, da beide Eigenschaften bei herkömmlichen Konstruktionen nicht gleichzeitig realisiert werden können.

Fallstudie: Saugrohr mit variabler Länge in einem turboaufgeladenen Reihensechszylinder-Motor und dessen Drehmomentsteigerung von 7,2 % bei niedriger Drehzahl mit nur geringem Wirkungsgradverlust

Der betreffende turboaufgeladene Reihensechszylindermotor verfügt über ein elektronisch gesteuertes Zweipfad-Ansaugkrümmer-System. Bei Drehzahlen unterhalb von etwa 3.500 U/min aktiviert das System längere Ansaugläufer, wodurch das Drehmoment im niedrigen Drehzahlbereich durch eine erhöhte Luftdichte gesteigert wird. Tests ergaben, dass diese Konfiguration eine Verbesserung des Drehmoments um rund 7,2 % bewirkt und das Fahrzeug daher im Alltagsbetrieb auf normalen Straßen deutlich agiler und angenehmer zu fahren macht. Der Kraftstoffverbrauch steigt laut Messungen aus den Testphasen bei optimaler Betriebsführung tatsächlich um weniger als 1 %. Sobald der Motor jedoch die 3.500-U/min-Marke überschreitet, schaltet er auf kürzere Läufer um, die Strömungswiderstände im Ansaugsystem beseitigen und gleichzeitig eine gute Leistung bei höheren Geschwindigkeiten gewährleisten. Das Besondere an dieser Technologie ist, dass sie den klassischen Kompromiss zwischen schneller Ansprechbarkeit und Kraftstoffeffizienz auflöst. Eine 2023 im International Journal of Engine Research veröffentlichte Studie stützt diese Erkenntnisse und zeigt, dass Systeme mit variabler Ansauglänge die Leistungsabgabe im niedrigen Drehzahlbereich tatsächlich deutlich verbessern können, ohne den Kraftstoffverbrauch nennenswert zu erhöhen. Daher setzen immer mehr Hersteller diesen Ansatz bei ihren Serienmotoren um.

Integrierte Zwischenkühlung und Ladelufttemperaturregelung im Ansaugkrümmer

Ansaugluft unter 45 °C: Nachgewiesene Steigerung des thermischen Wirkungsgrads

Es hat sich gezeigt, dass die Aufrechterhaltung der Ansauglufttemperatur unter 45 °C (ca. 113 °F) die thermische Effizienz von Turbomotoren deutlich steigert. Wenn die Luft kühl bleibt, enthält jeder Hub mehr Sauerstoff pro Zylinder, was zu einer besseren Verbrennung des Kraftstoffs führt, eine präzisere Zündzeitsteuerung ermöglicht und den Bedarf an zusätzlichem Kraftstoff zur Vermeidung von Klopfen reduziert. Wir haben dies an einem 2,3-Liter-Turbomotor mit variabler Ventilsteuerung und einem im Ansaugkrümmer integrierten Ladeluftkühler getestet. Die Ergebnisse waren tatsächlich beeindruckend: etwa ein Anstieg der thermischen Effizienz um 2,3 % und eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs um rund 3,1 % pro erzeugter Leistungseinheit bei unseren standardisierten Prüfstandstests. Was macht dieses System so effektiv? Es senkt die extrem heißen, nach dem Turbolader anstehenden Ladelufttemperaturen (üblicherweise zwischen 150 und 200 °C) direkt an den Zylinderanschlüssen auf beherrschbare Werte. Es entfällt der Wärmeverlust über lange Leitungen sowie die Verzögerungen, die bei herkömmlichen, vorne montierten Ladeluftkühlern auftreten. Und sobald sich die Temperaturen schneller stabilisieren und innerhalb engerer Toleranzen bleiben, wird die Verbrennung unter verschiedenen Betriebsbedingungen deutlich vorhersagbarer – was zu den messbaren Effizienzsteigerungen führt, die wir dokumentiert haben.

Kraftstoffversorgungsintegration: Einspritzerdplatzierung und Optimierung der Luft-Kraftstoff-Verteilung im Ansaugkrümmer

Die Position der Einspritzventile innerhalb des Ansaugkrümmers beeinflusst maßgeblich die Verbrennungsqualität, da sie sowohl die Feinverteilung des Kraftstoffs als auch die Gleichmäßigkeit der Gemischzufuhr zu den einzelnen Zylindern bestimmt. Wenn die Einspritzventile weiter oben in diesen langen Rohren angebracht sind, verfügt der Kraftstoff über mehr Zeit, sich vor Erreichen der Brennkammer zu verdampfen. Dies trägt tatsächlich zur Kühlung der angesaugten Luftladung bei und steigert die maximale Leistungsabgabe. Umgekehrt führt die Platzierung der Einspritzventile näher an den Einlassventilen zu einer besseren Drosselklappenreaktion, da weniger Kraftstoff an den Wandungen kondensiert oder nach dem Motorstillstand verbleibt. Die meisten modernen Motorbauarten verwenden mittlerweile sogenannte Dual-Einspritzsysteme. Diese kombinieren die herkömmliche Saugrohreinspritzung für Betriebszustände mit geringer Last mit der Direkteinspritzung für Situationen mit maximaler Leistungsanforderung. Doch selbst bei diesen hochentwickelten Systemen haben Konstrukteure weiterhin Schwierigkeiten, alle Parameter optimal auszubalancieren. Die Form der Ansaugläufer ist nicht immer symmetrisch, weshalb Timing und weitere Parameter angepasst werden müssen, um einen gleichmäßigen Luftstrom zwischen den Zylindern sicherzustellen. Werden diese Ungleichgewichte nicht behoben, können einige Zylinder fetter und andere magerer laufen – was laut SAE-Forschung die gesamte Motoreffizienz um bis zu 5 % senken kann. Eine konsistente Kraftstoffzufuhr unter allen Fahrbedingungen erfordert daher mehr als einfache Durchflusstests: Ingenieure müssen vielmehr mithilfe von Computersimulationen, die reale Druck- und Temperaturänderungen während des Betriebs berücksichtigen, exakt abbilden, wohin der Kraftstoff gelangt.