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 %.
|
Unter Wärmebereitstellung wird Feuerung, Blockheizkraftwerk, Wärmepumpe und Elektroheizung in kompakter Form verglichen.
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.
Die Berechnung des Wirkungsgrades erfolgt über die Temperaturdifferenzen
| Formel | Einheit | Bezeichnung | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| \(Q_{\text{Zufuhr}}=c_v \cdot m \cdot \left( T_3-T_2 \right) \) | J | Wärmezufuhr | Verbrennungsenergie aus der Explosion |
| \(Q_{\text{Abfuhr}}=c_v \cdot m \cdot \left( T_4-T_1 \right) \) | J | Wärmeabfuhr | Energieabfuhr durch den Auspuff |
| \(W_{\text{Arbeit}}=Q_{\text{Zufuhr}}-Q_{\text{Abfuhr}}\) | J | Verrichtete Arbeit | Differenz aus Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr |
| \(\eta=\frac{Q_{\text{Zufuhr}}-Q_{\text{Abfuhr}}}{Q_{\text{Zufuhr}}}\) | - | Thermischer Wirkungsgrad | Wirkungsgrad aus Wärmeenergie |
| \(\eta=1-\frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}\) | - | Thermischer Wirkungsgrad | Wirkungsgrad aus Temperaturen |
| \(v_2=v_3\) und \(v_1=v_4\) | m³/kg | Spezifisches Volumen | Isochore Wärmezu- und abfuhr |
| \(\frac{T_4}{T_1}=\frac{T_3}{T_2}\) und \(\frac{T_2}{T_1}=\frac{T_3}{T_4}\) | - | Temperaturverhältnisse | isentrope Verdichtung und Expansion |
| \(\eta=1-\frac{T_1}{T_2}\) | - | Thermischer Wirkungsgrad | Wirkungsgrad aus Verdichtungstemperatur |
| \(\eta=1- \left( \frac{v_2}{v_1} \right) ^{\kappa-1}\) | - | Thermischer Wirkungsgrad | Wirkungsgrad aus Verdichtungsverhältnis |
| \(\eta=1- \left( \frac{p_1}{p_2} \right) ^{\frac{\kappa-1}{\kappa}}\) | - | Thermischer Wirkungsgrad | Wirkungsgrad aus Verdichtungsdruck |
| Symbol | Einheit | Bezeichnung | Bemerkungen |
| \(c_v\) | J/kgK | Spezifische Wärmeenergie | bei konstantem Volumen |
| \(c_p\) | 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 | |
| \(\kappa=\frac{c_p}{c_v}\) | - | 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.
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.
Die Berechnung des Wirkungsgrades erfolgt über die Temperaturdifferenzen:
| Formel | Einheit | Bezeichnung | Bemerkungen |
|---|---|---|---|
| \(Q_{\text{Zufuhr}}=c_p \cdot m \cdot \left( T_3-T_2 \right) \) | J | Wärmezufuhr | Verbrennungsenergie aus der Explosion |
| \(Q_{\text{Abfuhr}}=c_v \cdot m \cdot \left( T_4-T_1 \right) \) | J | Wärmeabfuhr | Energieabfuhr durch den Auspuff |
| \(W_{\text{Arbeit}}=Q_{\text{Zufuhr}}-Q_{\text{Abfuhr}}\) | J | Verrichtete Arbeit | Differenz aus Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr |
| \(\eta=\frac{Q_{\text{Zufuhr}}-Q_{\text{Abfuhr}}}{Q_{\text{Zufuhr}}}\) | - | Thermischer Wirkungsgrad | Wirkungsgrad aus Wärmeenergie |
| \(\eta=1-\frac{c_v}{c_p}\cdot \frac{T_4-T_1}{T_3-T_2}\) | - | Thermischer Wirkungsgrad | Wirkungsgrad aus Temperaturen |
| \(\eta=1- \left( \frac{v_2}{v_1}\right)^{ \left(\kappa-1 \right)} \, \frac{ \left( \frac{v_3}{v_2} \right) ^\kappa - 1}{\kappa \left( \frac{v_3}{v_2}-1 \right) }\) | - | Thermischer Wirkungsgrad | |
| \(v_2/v_1\) | - | Verdichtungsverhältnis | Kolbenvolumen zu Kompressionsvolumen |
| \(v_3/v_2\) | - | Volldruckverhältnis | Je mehr Treibstoff desto grösser |
| Symbol | Einheit | Bezeichnung | Bemerkungen |
| \(c_v\) | J/kgK | Spezifische Wärmeenergie | bei konstantem Volumen |
| \(c_p\) | 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 | |
| \(\kappa=\frac{c_p}{c_v}\) | - | 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.
