VKM_I_Kap.1_2

Aus entsprechenden thermodynamischen Ansätzen folgt mit dem Volumenverhältnis (oder Einspritzverhältnis)  phi

und dem Verdichtungsverhältnis e

für den thermischen Wirkungsgrad n

Der thermische Wirkungsgrad ist also abhängig vom:

1. Verdichtungsverhältnis ε

2. Isentropenexponent κ

3. Volumen- bzw. Einspritzverhältnis φ

Der thermische Wirkungsgrad verringert sich mit zunehmender Wärmezufuhr, da die Wärme nicht im OT zugeführt wird (unvollständige Expansion).

Der Gleichdruckprozess wird in der Literatur häufig fälschlicher Weise als idealisierter Kreisprozess des Dieselmotors bezeichnet. Richtigerweise muss sowohl beim Otto- als auch beim Dieselmotor der Gleichraumprozess als Vergleichsprozess verwendet werden. Denn ein Gleichdruckprozess beinhaltet schon eine endliche (isobare) Verbrennungsgeschwindigkeit und somit einen Teil der Verluste durch die reale Verbrennung mit endlicher Geschwindigkeit.

Der Seiliger-Prozess stellt eine Kombination aus Gleichdruck- und Gleichraumprozess dar. Die Wärmezufuhr erfolgt isochor und isobar. Damit berücksichtigt dieser Prozess die in der Praxis aus thermischen und mechanischen Gründen gegebene Druckbegrenzung bei teilweise isochorer Wärmezufuhr.

Der thermische Wirkungsgrad des Seiliger-Prozesses ist also abhängig vom:

1. Verdichtungsverhältnis
2. Isentropenexponent
3. Druckverhältnis pi= Funktion des Motorbetriebspunktes (Last und p_max)
4. Volumenverhältnis phi = Funktion des Motorbetriebspunktes (Last und p_max)

a) Endliche Verbrennungsgeschwindigkeit

b) Realgaseigenschaften

c) Verdichtungsverhältnis

d) Dissoziation:

e) Wandwärmeverluste

f) Energieverluste

Um Aussagen über den Gleichraumprozess treffen zu können, bietet sich ein Vergleich mit dem Gleichdruck- und dem Seiliger-Prozess an. Hierbei gelten folgende Annahmen:

• Zugeführte Wärme q_B in allen Fällen gleich
• ε  für alle Fälle gleich

Abbildung 2-10 zeigt die thermischen Wirkungsgrade von Gleichraum- und Gleichdruckprozess im Vergleich. Es zeigt sich, dass ein Prozess mit Höchstdruckbegrenzung bei gleichem ε stets einen geringeren Innenwirkungsgrad aufweist als ein Gleichraumprozess.

Beim Gleichdruckprozess, dessen Wirkungsgrad lastabhängig ist, fällt dieser umso mehr, je größer die zugeführte Wärmemenge q_B wird (Volllast/Teillast).

Abbildung 2-10 zeigt die thermischen Wirkungsgrade von Gleichraum- und Gleichdruckprozess im Vergleich. Es zeigt sich, dass ein Prozess mit Höchstdruckbegrenzung bei gleichem

ε stets einen geringeren Innenwirkungsgrad aufweist als ein Gleichraumprozess.

Beim Gleichdruckprozess, dessen Wirkungsgrad lastabhängig ist, fällt dieser umso mehr, je größer die zugeführte Wärmemenge q

B wird (Volllast/Teillast).

Hält man die zugeführte Wärmemenge q_B konstant und variiert das Verdichtungsverhältnis ε mit dem maximalen Druck pmax als Parameter, ergibt sich die in Abbildung 2-11 dargestellte Abhängigkeit von ηth.

Die Darstellung zeigt, dass - vor allem bei Volllast - eine Steigerung des Verdichtungsverhältnisses nur eine geringe Verbesserung des Wirkungsgrades des Seiliger-Prozesses zur Folge hat.

Um den theoretischen Arbeitsprozess den tatsächlichen Vorgängen anzunähern, muss u.a. der Einfluss der Änderung der spezifischen Wärmen (c_p, c_v, κ) mit der Temperatur und der Einfluss des Luftverhältnisses λ berücksichtigt werden.

Das Verdichtungsverhältnis ε bestimmt als zweite Größe den thermischen Wirkungsgrad des Gleichraumprozesses. Wie aus Abbildung 2-13 hervorgeht, ist bei gleicher zugeführter Wärmemenge die abgeführte Wärmemenge beim Prozess mit höherer Verdichtung niedriger; der thermische Wirkungsgrad steigt mit ε an.

Unter Dissoziation versteht man die Spaltung chemischer Bindungen unter Bildung kleinerer Einheiten (Radikale, Ionen, kleinere Moleküle). Die für Verbrennungsmotoren relevante Form der Dissoziation ist die thermische Dissoziation. Diese Dissoziation läuft erst bei hohen Temperaturen ab, bei atmosphärischem Druck gelten beispielsweise folgende Verhältnisse:  Abb.

Bei einer Temperaturerhöhung mit gleichzeitiger Dissoziation sind folgende Wärmemengen zuzuführen:

• Wärmemengen zur Erwärmung des Gases entsprechend der spez. Wärme
• zur Dissoziation erforderliche Wärme

Die Dissoziation bewirkt eine Erhöhung der spezifischen Wärmekapazitäten der entstehenden Verbrennungsgase (Abbildung 2-14), wodurch bei gleicher zugeführter Wärmemenge q_B geringere Prozessspitzentemperaturen und -drücke erreicht werden (Abbildung 2-15).

Während der Expansion geht die Dissoziation wieder zurück (exothermer Vorgang). Die dabei frei werdende Wärme verringert den Temperaturabfall (Druckabfall), so dass am Ende eine erhöhte Expansionsendtemperatur und ein erhöhter Expansionsdruck vorliegen. Durch die höhere Energie am Ende der Expansion ist auch die abzuführende Wärme q

A größer, wodurch bei gleich bleibender zugeführter Wärme der Wirkungsgrad abnimmt.

Der Einfluss der Dissoziation ist in der Nähe des stöchiometrischen Luftverhältnisses am größten, da dort die höchsten Prozessspitzentemperaturen erreicht werden und die Dissoziation daher besonders stark ausgeprägt ist (≈ 3 %)

Während der Verbrennung und besonders bei der Expansion sind die Temperaturdifferenzen zwischen den Gasen und der Wand sehr groß, so dass der Wärmeübergang im Zylinder eine merkbare Rolle spielt.

Die Kühlung der Zylinderwände durch Luft- oder Wasserkühlung ist erforderlich, um die Festigkeit des Materials und vor allem auch die Schmierfähigkeit des Motoröls aufrecht zu erhalten. In Abbildung 2-16 ist anhand des Gleichraumprozesses der Einfluss der Kühlwärmeverluste auf den thermischen Wirkungsgrad dargestellt. Zur deutlicheren Darstellung ist hier nur der Wärmeübergang während der Expansion aufgetragen. Tendenziell gilt dieser Vorgang natürlich für alle vier Arbeitstakte.

Die Nutzbarkeit wird um die Fläche 3-4-4’-3 gegenüber dem Gleichraumprozess ohne Berücksichtigung der Kühlverluste verringert; somit sinkt der thermische Wirkungsgrad. Zu beachten ist hier, dass dem gegenüber die Kühlverluste (Wandwärme) deutlich größer sind (c-4’-3-4-b-c).

Es kommt hier zu einer Verschiebung in der Art, dass gleichzeitig die Abgasverluste um die Fläche c-

4’-4-b-c abnehmen. Daraus folgt, dass eine Verringerung der Wandwärmeverluste keinesfalls eine Verbesserung des Wirkungsgrades in derselben Höhe bewirkt. Der tatsächliche Gewinn durch Verringerung der Wandwärmeverluste (z.B. durch Keramik-Isolation) ist relativ gering, nur die Abgasenergie nimmt dadurch merkbar zu (Abbildung 2-17).

Die zuvor behandelten Kreisprozesse wandeln die Exergie der zugeführten Wärme nur unvollständig in mechanische Arbeit um. Ein Teil der Exergie wird bei der isochoren Rückkühlung auf den Ausgangszustand ungenutzt aus dem Prozess abgeführt und ist somit als Verlust zu werten. Diese Exergieverluste lassen sich anschaulich im T,s-Diagramm darstellen.

Abbildung 2-18 zeigt im rechten Teil das T,s-Diagramm des Gleichraumprozesses. Die Prozessarbeit (Fläche 1-4-3-2-1) ist um die ungenutzt abgeführte Exergie (Fläche 1-6-4-1) kleiner als die dem Prozess mit der Wärme q

23 (Fläche a-b-3-2-a) zugeführte Exergie (Fläche 1-6-3-2-1). Der mit der Fläche I dargestellte Anteil der Verlustexergie ließe sich nutzen, wenn die Expansion bis auf den Umgebungsdruck pu fortgesetzt würde (vergl. Darstellung im p,V-Diagramm Abbildung 2-18). Zur Nutzung des Exergiebetrages in Fläche II müsste das Arbeitsmedium noch weiter bis zum Erreichen der Temperatur T₁, die der Umgebungstemperatur T_u entspricht, expandiert und anschließend isotherm auf den Druck p₁ = p_u komprimiert werden.

Zur Realisierung ist in beiden Fällen eine Verlängerung der Expansion erforderlich. Das sog. Miller-Verfahren arbeitet nach diesem Prinzip. Der Hubraum des Verbrennungsmotors muss hier allerdings entsprechend größer sein. Die damit ansteigenden Reibverluste heben den Vorteil der verlängerten Expansion weitgehend wieder auf. Die Exergie ist daher wirtschaftlich kaum zu nutzen.

Der so genannte Atkinson-Prozess wurde ursprünglich 1882 von James Atkinson entwickelt um die Patente von Nicolaus Otto zu umgehen. Die bei diesem Prozess verwendete Kinematik des Kurbeltriebes erlaubte einen 4-Takt-Prozess über einer Kurbelwellenumdrehung und ein Expansionsverhältnis welches vom Kompressionsverhältnis verschieden war.

Ralph Miller griff dieses Verfahren in den 1940er Jahren auf und entwickelte das System für den Einsatz an 4-Takt-Dieselmotoren weiter. Kennzeichnend für den Miller-Prozess ist die Steigerung des Expansionsverhältnisses durch die Erhöhung des geometrischen Verdichtungsverhältnisses bei gleich

bleibendem effektivem Verdichtungsverhältnis. Dabei wird durch einen späten Einlassschluss während des Verdichtungstaktes ein Teil der Frischladung in das Ansaugsystem zurückgeschoben, so dass nur ein Teil der angesaugten Ladungsmasse verdichtet werden muss. Durch den längeren Expansionsverlauf kann ein größerer Teil des Energieinhalts der Zylinderladung für den Arbeitstakt genutzt werden, was zu einem geringeren Druckverlust bei Auslass öffnen, bzw. einem höheren thermischen Wirkungsgrad führt. Mit Hilfe einer variablen Ventilsteuerung ist eine optimale Anpassung des Einlassschlusses hinsichtlich des jeweiligen Motorbetriebspunktes möglich. Durch die Verwendung des Miller-Prozesses können beim Ottomotor, neben der Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades, die Ladungswechselverluste verringert werden. Dies ist möglich, da die im Zylinder befindliche Ladungsmasse über den Zeitpunkt des Einlassschlusses beeinflusst werden kann und somit in der Teillast weniger stark angedrosselt werden muss. Eine abgewandelte Form des Miller-Prozesses wird beispielsweise in der Hybridversion des Toyota Prius angewendet und ist in Abbildung 2-19 im p,V-Diagramm dargestellt. Bei diesem System wird die Erhöhung des Expansionsverhältnisses durch eine Verringerung des Kompressionsvolumens, bezogen auf einen baugleichen konventionellen Motor, erreicht.

Ein Teil der angesaugten Frischladung wird ausgeschoben (1-1') und anschließend auf das Druckniveau 2 bzw. 2' verdichtet. Die Kompression bzw. Expansion erfolgt auf adiabaten/isentropen Linien, die von denen des konventionellen Motors verschieden sind. Die längere Expansionsphase 3'-4' führt zu einer Absenkung des Druckniveaus im Brennraum, wodurch die in das Abgas abgeführte Energie (q_Ab') verringert wird.

Bei dem sogenannten Scuderi Split Cycle Motor sind die Taktzyklen räumlich getrennt, siehe Abbildung 2-20. Die Luft wird in den ersten Zylinder angesaugt und verdichtet. Durch einen Überströmkanal wird die Luft dann in einen zweiten Zylinder geleitet, welcher sich in Phase mit dem ersten befindet. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt entweder im Überströmkanal oder im Expansionszylinder, das Gemisch wird nach OT gezündet.

Durch die Koordination der beiden Zylinder wird ein Verbrennungszyklus pro Kurbelwellenumdrehung realisiert. In der Formel zur Berechnung der Leistung:

• p_m Mitteldruck
• V_H, Hubvolumen
• n, Umdrehungen der Kurbelwelle
• i, Zyklen pro Umdrehung

gilt i = 1 (für konventionellen 4-Takt-Motor gilt i = 0,5).

Aus dem hohem Druckgefälle beim Einströmen in den Expansionszylinder resultiert starke Turbulenz und entsprechend eine sehr schnelle Verbrennung und Klopffestigkeit. Das Prinzip kann hoch aufgeladen werden und durch die getrennte Ausführung von Kompressions- und Expansionszylinder ist ein ausgeprägter Miller-Prozess realisierbar. Die daraus entstehenden Vorteile müssen die ebenfalls prinzipbedingten Nachteile, Verluste im Überströmkanal und spätere Verbrennung, kompensieren. Bei der Bewertung ist zu beachten, dass bei dieser Prozessführung der thermodynamische OT nicht dem geometrischen OT entspricht.

1.1. Geschichtlicher Rückblick 1-3

1.1.1. Christian Huygens (1629 - 1695) 1-3

1.1.2. Jean J. E. Lenoir (1822 - 1900) 1-3

1.1.3. Nikolaus August Otto (1832 - 1891) 1-5

1.1.4. Rudolf Diesel (1858 - 1913) 1-8

1.1.5. Felix Wankel (1902 - 1988) 1-9

1.1.6. Prosper L´Orange (1876 - 1939) 1-9

1.1.7. Hybrid 1-10

1.2. Wirtschaftliche Bedeutung 1-11

1.3. Ökologische Bedeutung 1-12

1.3.1. CO2- Emission 1-12

1.3.2. Einflussmöglichkeiten für eine CO2-Reduzierung 1-14

1.3.3. Abgasemissionsentwicklung 1-16

1.4. Grundlegende Zusammenhänge 1-18

1.5. Wesentliche Merkmale zur Einteilung von Verbrennungsmotoren 1-21

1.5.1. Einteilung nach der Kolbenbewegung 1-21

1.5.2. Einteilung nach dem Ladungswechsel 1-23

1.5.3. Einteilung nach der Gemischbildung 1-25

1.5.4. Einteilung nach der Zylinderanordnung 1-26

1.5.5. Einteilung nach der Zündung 1-26

1.5.6. Einteilung nach der Ladungseinbringung 1-26

1.5.7. Einteilung nach der Kühlung 1-27

1.5.8. Weitere Differenzierungsmerkmale 1-29

1.6. Technologie-Entwicklung 1-31

1.6.1. Gemischaufbereitung Ottomotor 1-31

1.6.2. Alternative Antriebe 1-33

1.6.3. Messtechnik 1-38

1.7. Verschiedene Ausführungen von Verbrennungsmotoren 1-39

Aus dem Pulvermotor Arbeit gewonnen

Der interessierte Techniker Lenoir meldete 1860 seinen Gasmotor zum Patent an. Der Motor arbeitete
nach dem doppelt wirkenden 2-Taktverfahren (doppelt wirkend bedeutet, dass beide Seiten des
Kolbens abwechselnd mit Verbrennungsdruck beaufschlagt werden). Er ging trotz vieler Mängel (z.B. hoher Ölverbrauch am Steuerschieber) in Serie. Grundkonstruktion und Vorbild war die damals
weit verbreitete Dampfmaschine.

Aufbau des Gasmotors:
• Ein- und Auslass werden durch Flachschieber gesteuert
• Flachschieber wird über Exzenter und Exzenterstangen von der Kurbelwelle bewegt
• Auslassschieber ist ein einfacher Flachschieber
• Einlassschieber ist aufwendiger, da er den Eintritt und die Mischung von Gas und Luft steuert
• Mischungsverhältnis von Luft und Brenngas wird durch das Querschnittsverhältnis der
Schieberöffnungen bestimmt
Arbeitsweise des Gasmotors von Lenoir:
• wie Dampfmaschine doppeltwirkend
• Arbeitsgas (Luft und Gas) wird durch Kolbenbewegung angesaugt, nicht vorverdichtet
• erstmals Mischung von Luft und Gas im Zylinder (Patent)
• elektrische Funkenzündung des angesaugten Frischgases in der Mitte des Hubes abwechselnd
auf jeder Seite des Zylinders (je 1-mal pro Umdrehung der Kurbelwelle)
• nach der Zündung steigt der Gasdruck auf 5 bis 6 bar
• durch die Verbrennung entsteht ein harter Stoß (die Gangart war nicht so ruhig wie in der
Werbung beschrieben)

Otto, der eigentlich gelernter Kaufmann war, erkannte bei Versuchen an einer Nachbildung des Lenoir-Motors folgendes:
Die Gasladung muss vorverdichtet und im Augenblick des höchsten Verdichtungsdruckes (also im Umkehrpunkt des Kolbens = oberer Totpunkt) gezündet werden. Versuche mit einem nach seinen Angaben gebauten Vierzylindermotor schlugen aber fehl, da die harten Verbrennungsstöße ihn zerstörten.

Erst im 4. Anspruch des Patentes wird seine eigentliche, wertvolle Erfindung, das 4-Takt-Verfahren,

das ihn berühmt machte, genannt:

-Ansaugen der Gasarten im Zylinder

-Kompression

-Verbrennung und Arbeit (Expansion)

-Austritt der Gase aus dem Zylinder

Abbildung 1-5 veranschaulicht die Vorgänge im Zylinder der Versuchsmaschine Ottos. Die Diagramme

a, b, c (Druckverläufe im Brennraum) beziehen sich auf den Lenoir-Motor, an dem Otto den

Zündzeitpunkt variierte. Dies ist in den Diagrammen an dem verschobenen „x“ zu erkennen. Das

Diagramm d ist ein vollständiges 4-Takt-Diagramm. Die Diagramme beruhen auf Vermutungen, da

Otto die Maschine nicht indizieren (Aufzeichnen des Brennraumdrucks) konnte.

Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach, beide ehemalige Mitarbeiter in der Motorenfabrik Deutz,

konstruierten 1886 den ersten schnelllaufenden, leichten Benzinmotor (0,25 PS, 600 U/min), der den

Beginn der Fahrzeugmotorentechnik einleitete.

Es war sein Ziel, diesen Prozess mit höchster Wärmeausnutzung als Verbrennungsmotor zu verwirklichen.

Sein erstes Patent (1892) hatte noch die isotherme Verbrennung zum Schwerpunkt. Weder Diesel noch das Patentamt sahen, dass es praktisch unmöglich ist, eine isotherme Verbrennung im Motor zu realisieren. Hinzu kommt, dass der Carnot-Prozess als  Arbeitsprozess ungeeignet ist, da die von den Isothermen und Adiabaten eingeschlossene Fläche, welche die Nutzarbeit darstellt, ausgesprochen gering ist (vgl. Abbildung 1-6).

Diesel erkannte später selbst, dass sein Grundpatent so in der Praxis nicht durchführbar war, bestätigte dies aber nie öffentlich. Er fasste deshalb sein zweites Patent 1893 in so verschleierter Form ab (Irrtum des ersten Patents berichtigt), dass es für die Fortsetzung des Grundpatentes gehalten wurde, obwohl es dieses in Wirklichkeit aufhob. Es wurde nicht mehr von einer isothermen Verbrennung, sondern von „gewissen Abweichungen vom idealen Prozess“ gesprochen. Angegeben wurde die Verdichtung reiner Luft und die Selbstzündung, die das Wesensmerkmal des Diesel-Verfahrens darstellen.

Als ein bedeutender Vertreter der neueren Entwicklung ist Wankel zu nennen. Er verwirklichte als Autodidakt in mühseliger Entwicklungsarbeit einen Rotationskolbenmotor auf der Basis einer 2:3 Trochoide (grundsätzlich gibt es eine große Zahl von Trochoiden-Varianten, die sich für einen Verbrennungsmotor eignen). Die wesentliche Leistung Wankels war die grundlegende systematische Erforschung des Abdichtprinzips des Brennraums als Voraussetzung für einen Rotationskolbenmotor.

Prosper L´Orange erhielt 1909 das Patent für das Vorkammerverfahren siehe Abbildung 1-8. Dieses Verfahren ermöglichte das Weglassen eines großen Kompressors zur Drucklufterzeugung, mit der dann der Kraftstoff in den Brennraum eingebracht wurde. Dadurch wurde überhaupt erst der Einsatz von Dieselmotoren in mobilen Anwendungen ermöglicht. Die Patentschrift beschreibt alle technischen Vorgänge richtig, obwohl damals noch recht unklare Vorstellungen über Verbrennungsvorgänge vorlagen. Die Verwirklichung bereitete aber unerwartete Schwierigkeiten, worauf das Patent 1915 aufgrund mangelnden Interesses nicht verlängert wurde. Die in Kriegszeiten aufgelösten Patente konnten wieder gültig gemacht werden, so dass 1921 die Auflösung des Patentes für das Vorkammerverfahren wieder rückgängig gemacht wurde.

Weiterentwickelte Vorkammerdieselmotoren wurden aufgrund der geringen mechanischen Belastungen und sanften Verbrennung und den damit verbundenen hohen erreichbaren Laufleistungen sowie akustischen Vorteilen bis in die neunziger Jahre gebaut.

Bei einem hybriden Antriebsstrang werden zwei unterschiedliche Energiequellen und -wandler kombiniert. Am weitesten verbreitet im Automobilbereich ist die Kombination aus elektrischer mit chemischer Energie umgewandelt in einem Elektro- und Verbrennungsmotor (siehe Kapitel 1.6.2). Bereits im Jahr 1900 wurde ein solches erstes Hybridantriebskonzept, der Lohner-Porsche, vorgestellt.

Im 20. Jahrhundert wurde die Hybridtechnologie stetig weiterentwickelt, sie konnte sich jedoch nur schwer im Massenmarkt etablieren. Erst im Jahr 1997 wurde durch Toyota ein serienreifes Fahrzeug vorgestellt, der Prius I. Inzwischen bieten viele Hersteller ein Hybridfahrzeug in fast allen Fahrzeugklassen zum Kauf an.

Entstanden sind dabei mehrere verschiedene Antriebsstrangkonzepte, die unterschieden werden nach dem Grad der Elektrifizierung bzw. vorhandenen elektrischen Leistung (von micro, mild, full hybrid) und ihrer topologischen Komponentenanordnung. Damit ist die Position des Elektromotors im Antriebsstrang gemeint und die Art und Weise, wie die Energie des Verbrennungsmotors genutzt wird. Unterschieden werden serieller, paralleler und leistungsverzweigter Hybrid.

Eine weitere Besonderheit stellt der sogenannte Plug-in-Hybrid dar, bei dem die Batterie nicht nur aus Verbrennungsmotorenergie oder Bremsenergierekuperation, sondern auch über ein Ladegerät aus dem Stromnetz wieder aufgeladen werden kann. Der Verbrennungsmotor ist dabei sozusagen in weiten Teilen „nur" Hilfsmotor.

1. Flüssiger Brennstoff besitzt hohe Energiedichte (geringes Speichervolumen nötig)
2. Guter Wirkungsgrad (bis zu 50 % der Kraftstoffenergie werden umgewandelt; theoretische Grenze siehe Kreisprozesse)
3. Großer Leistungsbereich (0,1 kW ... 35.000 kW)
4. Flexible Bauweise; von einfachen, robusten Maschinen bis zu aufwendigen Hochleistungsaggregaten
5. Weit ausgereift, auftretende Motorfehler sind heutzutage produktionsbedingt