Motoren

Die am meisten verwendeten Verbrennungsmotoren kann man in 2 Kategorien unterscheiden: Ottomotor und Dieselmotor.

Ein Automotor hat bezogen auf den Antrieb einen Wirkungsgrad von etwa 25%.	Bei einem Motor als Heizkraftwerk liegt der Wirkungsgrad (Wärme und Kraft) bei 90%.

Ottomotor

Im Ottomotor wird zündfähiges Gemisch verdichtet und fremd gezündet. Die verwendeten Treibstoffe sind Benzin und Gas.

• 1: Der Kolben ist im unteren Todpunkt. In ihm befindet sich ein zündfähiges Luftgemisch.
• 1 zu 2: Mit mechanischer Energiezufuhr wird das Gas isentrop verdichtet. Der Kolben erreicht den oberen Todpunkt. Die Temperatur muss unter der Selbstzündgrenze des Gemisches bleiben, deswegen kann die Verdichtung nicht auf einen so hohen Druck wie beim Dieselmotor erfolgen.
• 2 zu 3: Das Gemisch wird durch einen externe Zündung (Zündkerze) isochor verbrennt, durch diese Energiezufuhr erhöht sich Druck.
• 3 zu 4: Die Verbrennungsgase expandieren isentrop und geben mechanische Energie ab.
• 4 zu 1: Es erfolgt des Auspuffen der Verbrennungsgase und mit ihnen die isochore Abgabe der Abwärme.
• 1 zu 5: Die Abgase werden ausgestossen.
• 5 zu 1: Frisches Brennstoffgemisch wird eingesogen.

Idealisiertes p(v) und T(s) Diagramm des Ottomotors (Saug- und Ausstosshub blau dargestellt)

Die Berechnung des Wirkungsgrades erfolgt über die Temperaturdifferenzen

Formel	Einheit	Bezeichnung	Bemerkungen
	J	Wärmezufuhr	Verbrennungsenergie aus der Explosion
	J	Wärmeabfuhr	Energieabfuhr durch den Auspuff
	J	Verrichtete Arbeit	Differenz aus Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr
	-	Thermischer Wirkungsgrad	Wirkungsgrad aus Wärmeenergie
	-	Thermischer Wirkungsgrad	Wirkungsgrad aus Temperaturen
und	m³/kg	Spezifisches Volumen	Isochore Wärmezu- und abfuhr
und	-	Temperaturverhältnisse	isentrope Verdichtung und Expansion
	-	Thermischer Wirkungsgrad	Wirkungsgrad aus Verdichtungstemperatur
	-	Thermischer Wirkungsgrad	Wirkungsgrad aus Verdichtungsverhältnis
	-	Thermischer Wirkungsgrad	Wirkungsgrad aus Verdichtungsdruck
Symbol	Einheit	Bezeichnung	Bemerkungen
cv	J/kgK	Spezifische Wärmeenergie	bei konstantem Volumen
cp	J/kgK	Spezifische Wärmeenergie	bei konstantem Druck
m	kg	Masse
T	K	Temperatur	K = °C + 273.15 K
v	m³/kg	Spezifisches Volumen	Kehrwert des spezifischen Gewichtes
p	Pa	Druck
	-	Isentropenexponent	etwa 1,2 bis 1,4, abhängig vom Gas, der Temperatur und dem Druck

Der Wirkungsgrad des Ottomotors nimmt mit steigendem Verdichtungsverhältnis (v₂/v₁) zu. Durch die Selbstzündtemperatur liegt die Grenze des Verdichterverhältnisses bei Benzinmotoren bei 6 bis 10.

Thermischer Wirkungsgrad des Ottomotors in Funktion des Verdichterverhältnisses.

Dieselmotor

Im Dieselmotor wird Luft stark verdichtet und Brennstoff eingespritzt, welcher in der heissen Luft selber zündet. Die verwendeten Treibstoffe sind Dieselöl.

• 1: Der Kolben ist im unteren Todpunkt. In ihm befindet sich nur Luft.
• 1 zu 2: Mit mechanischer Energiezufuhr wird das Gas isentrop verdichtet. Der Kolben erreicht den oberen Todpunkt. Die Temperatur muss genügend hoch sein, damit sich der im folgenden eingespritzte Treibstoff selber entzündet.
• 2 zu 3: Treibstoff wird unter hohem Druck eingespritzt. In der heissen Luft entzündet sich der Treibstoff und verbrennt isobar. Durch diese Energiezufuhr vergrössert sich das Volumen etwas.
• 3 zu 4: Die Verbrennungsgase expandieren isentrop und geben mechanische Energie ab.
• 4 zu 1: Es erfolgt des Auspuffen der Verbrennungsgase und mit ihnen die isochore Abgabe der Abwärme.
• 1 zu 5: Die Abgase werden ausgestossen.
• 5 zu 1: Frische Luft wird eingesogen.

Idealisiertes p(v) und T(s) Diagramm des Dieselmotors (Saug- und Ausstosshub blau dargestellt)

Die Berechnung des Wirkungsgrades erfolgt über die Temperaturdifferenzen:

Formel	Einheit	Bezeichnung	Bemerkungen
	J	Wärmezufuhr	Verbrennungsenergie aus der Explosion
	J	Wärmeabfuhr	Energieabfuhr durch den Auspuff
	J	Verrichtete Arbeit	Differenz aus Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr
	-	Thermischer Wirkungsgrad	Wirkungsgrad aus Wärmeenergie
	-	Thermischer Wirkungsgrad	Wirkungsgrad aus Temperaturen
	-	Thermischer Wirkungsgrad
v2/v1	-	Verdichtungsverhältnis	Kolbenvolumen zu Kompressionsvolumen
v3/v2	-	Volldruckverhältnis	Je mehr Treibstoff desto grösser
Symbol	Einheit	Bezeichnung	Bemerkungen
cv	J/kgK	Spezifische Wärmeenergie	bei konstantem Volumen
cp	J/kgK	Spezifische Wärmeenergie	bei konstantem Druck
m	kg	Masse
T	K	Temperatur	K = °C + 273.15 K
v	m³/kg	Spezifisches Volumen	Kehrwert des spezifischen Gewichtes
p	Pa	Druck
	-	Isentropenexponent	etwa 1,2 bis 1,4, abhängig vom Gas, der Temperatur und dem Druck

Der thermische Wirkungsgrad des Dieselmotors nimmt mit steigendem Verdichtungsverhältnis (v₂/v₁) und mit steigender Last ab. Das heisst, der Dieselmotor hat im Teillastbereich einen besseren thermischen Wirkungsgrad als im Volllastbetrieb. Zusammen mit den mechanischen Verlusten wird der Wirkungsgrad im Teillastbereich etwa gleich wie im Volllastbetrieb sein.

Thermischer Wirkungsgrad des Dieselmotor in Funktion des Verdichterverhältnisses und als Parameter das Volldruckverhältnis.

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© GLOOR ENGINEERING, SUFERS, 13.10.05, update 15.04.2008