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Sprache Deutsch
Stufe Andere
Erstellt / Aktualisiert 08.11.2013 / 26.07.2014
Lizenzierung Namensnennung (CC BY)     (Skriptum Verbrennungskraftmaschinen I, Prof. Dr. techn. C. Beidl)
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2.1.5. Aussagen über Tendenzen anhand des Gleichraumprozesses

c) Verdichtungsverhältnis

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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.

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2.1.5. Aussagen über Tendenzen anhand des Gleichraumprozesses

d) Dissoziation

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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 qB 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 %)

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2.1.5. Aussagen über Tendenzen anhand des Gleichraumprozesses

e) Wandwärmeverluste

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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.

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2.1.5. Aussagen über Tendenzen anhand des Gleichraumprozesses

e) Wandwärmeverluste II, Einfluss des Wärmeübergangs?

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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).

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2.1.5. Aussagen über Tendenzen anhand des Gleichraumprozesses

f) Energieverluste

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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 Tu entspricht, expandiert und anschließend isotherm auf den Druck p1 = pu 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.

 

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2.1.6. Miller-Prozess (Atkinson-Prozess)

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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.

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2.1.6 Miller Prozess II

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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 (qAb') verringert wird.

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2.1.7. Alternative Prozessführung - Scuderi Split Cycle

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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:

  • pm Mitteldruck
  • VH, 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.