Im Volksmund sagt man, dass jeder Topf seinen Deckel findet. Nimmt man für den Deckel die Dampfmaschine oder den Verbrennungsmotor und für den Topf die Energieträger wie Holz, Öl, Gas und Wasserstoff, so haben die Dampfmaschine und der Verbrennungsmotor ihren passenden Deckel gefunden, im Gegensatz zum Elektroantrieb und Wasserstoffantrieb der Gegenwart. Die Suche nach dem passenden, optimalen Topf für den E-Antrieb und Wasserstoffantrieb ist nach wie vor schwierig, weil Strom nun mal in der Regel nicht speicherfähig ist, zumindest im Netz, und die Wasserstoffherstellung und -lagerung für den Massenmarkt noch nicht ausgereift ist.
Macht man sich bewusst, dass nicht nur allein Dampfmaschine und Verbrennungsmotor, sondern auch deren Energielieferanten wie Steinkohle und Erdöl mit ihren Vorteilen wie Energiedichte, Speicher- und Transportfähigkeit eine effektive Nutzung der beiden Wärmekraftmaschinen erst möglich machten, erkennt man das Dilemma der batteriebetriebenen und wasserstoffbetriebenen E-Antriebe.
Dieses Buch konzentriert sich auf den Deckel, hier: Verbrennungsmotor, weil der Deckel perfekt auf mehrere Töpfe passt (Diesel, Benzin, Gas und Wasserstoff). Die Optimierung des Deckels Verbrennungsmotor ist der rote Faden in diesem Buch.
Der Verbrennungsmotor ist überspitzt formuliert, der „Warp-Antrieb“ der Menschheit, es gibt zur Zeit noch nichts Besseres.
2.0 Wärmekapazität
Bei der Wärmekapazität handelt es sich um eine extensive Zustandsgröße, die in ihrer spezifischen, d. h. massenbezogenen Form angibt, wie groß die Energiespeicherfähigkeit eines Fluides oder eines Festkörpers pro Masseneinheit ist. Im allgemeinen Fall kann die Energie dabei in Form einer erhöhten inneren Energie oder in Form einer am System verrichteten Volumenänderungsarbeit gespeichert werden. Ob beide Formen maßgeblich sind, hängt von der Fähigkeit ab, mit der Umgebung Volumenänderungsarbeit auszutauschen. Grundsätzlich sind dazu Systeme in der Lage, deren spezifisches Volumen veränderlich ist. [4]
2.1 Definition Wärmekapazität
Unter der spezifischen Wärmekapazität eines Gases versteht man Cv als isochore spez. Wärmekapazität im Sinne eines Verhältnisses aus zugeführter Wärme und bewirkter Temperaturerhöhung bei konstantem Volumen der Prozessführung, sowie Cp als isobare spez. Wärmekapazität im Sinne eines Verhältnisses aus zugeführter Wärme und bewirkter Temperaturerhöhung bei konstantem Druck während der Prozessführung.
• Für ideale Gase gilt: cp = cv + R
• Für inkompressible Stoffe gilt: cp = cv = c
Dies ist eine gute Näherung für Flüssigkeiten und Festkörper, für die man nicht mehr nach Cp und Cv unterscheidet, sondern eine einheitliche spezifische Wärmekapazität c einführt. [4]
3.0 Kreisprozesse
Sehr bedeutungsvolle Kraftmaschinen sind die Verbrennungsmotoren, in denen die chemische Energie eines Brennstoffs durch die Verbrennung in einer Kolbenmaschine in mechanische Arbeit umgewandelt wird.
Um ihre Arbeit als Kreisprozess darstellen zu können, müssen wir die innere Wärmezufuhr durch eine solche von außen und außerdem das Ausstoßen der heißen Abgase und das Ansaugen der frischen Gase durch eine Wärmeabfuhr ersetzen. Dabei wird mit Luft als Arbeitsmittel gerechnet und damit die Veränderung der Gaszusammensetzung vernachlässigt. [1]
3.1 Gleichdruckprozess
Ein Prozess mit zwei Isentropen (Linien 1-2 und 3-4), einer isobaren Expansion (Linie 2-3) und einer isobaren Druckminderung (Linie 1-4) heißt Gleichdruckprozess, der seinen Namen von der bei konstantem Druck erfolgten Wärmezufuhr erhalten hat.
Die Nutzarbeit wird als Summe der zu- und abgeführten Wärme berechnet. [1]
[Wd] = -Wd = Q23 + Q41 = m·Cp (T3 - T2) + m·Cv (T1 - T4)
3.2 Gleichraumprozess
Ein Prozess mit zwei Isentropen (Linien 1-2 und 3-4) und zwei Isochoren (Linien 2-3 und 1-4) heißt Gleichraumprozess. Die Nutzarbeit des Gleichraumprozesses (Wr) wird als Summe der zu- und abgeführten Wärme berechnet. [1]
[Wr] = -Wr = Q23 + Q41 = m·Cv (T3 - T2) + m·Cv (T1 - T4)
Abb. 1: P-V Diagramm Gleichdruckprozess
Abb. 2: P-V Diagramm Gleichraumprozess
3.3 Seiliger-Prozess
Der Seiliger-Prozess ist eine Überlagerung des Gleichdruck- und des Gleichraumprozesses. Der idealisierte Kreisprozess besteht aus zwei Isentropen (Linien 1-2 und 4-5), zwei Isochoren (Linien 1-5 und 2-3) und einer Isobaren (Linie 3-4). [1]
Heutige Verbrennungsmotoren laufen im Gleichdruckprozess und/ oder im Seiliger-Prozess. Ein realer Gleichraumprozess in einem Verbrennungsmotor führt zu großen Drucksprüngen und/oder Druckanstiegsraten [bar/°KW], die als "Klopfen" wahrgenommen werden.
Abb. 3: p-V Diagramm Seiliger-Prozess
4.0 Der Verbrennungsmotor
Ein Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch Verbrennung eines flüssigen und/oder gasförmigen Kraftstoffs freiwerdende Wärme in mechanische Energie umsetzt. Der Verbrennungsmotor ist im Gegensatz zur Dampfmaschine, Dampf- und Gasturbine, egal ob klein oder groß, flüssige oder gasförmige Kraftstoffe, mobil oder stationär, überall individuell einsetzbar. Jeder Mensch kommt direkt oder indirekt fast täglich mit dem Verbrennungsmotor in Berührung. Das macht den Verbrennungsmotor so einzigartig.
4.1 Varianten von Verbrennungsmotoren
Abb. 4: Varianten Verbrennungsmotor
4.2 Vollkommener Motor
In DIN 1940 ist der vollkommene Motor definiert und dient als Orientierung, wie viel Potenzial noch im Verbrennungsmotor steckt. Der vollkommene Motor erreicht unter der Annahme einer idealen, wärmedichten Gleichraumverbrennung in allen Lastbereichen den maximalen theoretischen Wirkungsgrad. Ein vollkommener Motor setzt eine vollkommene Verbrennung voraus und das in die Atmosphäre abgegebene Abgas wäre damit frei von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß und NOx. Ein mit Wasserstoff betriebener vollkommener Motor ist sogar CO2-frei, die Abgase eines Wasserstoffmotors sind nichts weiter als heiße, feuchte Luft.
4.3 Realer Motor
Nach Abzug der Einzelverluste wie Ladungsverlusten, unvollkommener Verbrennung, Wandwärmeverlusten usw. ist der reale Motor neben seinem schlechten Wirkungsgrad auch aufgrund seiner Emissionen in der Politik und Öffentlichkeit immer weiter in Bedrängnis geraten. Der reale Verbrennungsprozess im Brennraum eines Motors ist weit entfernt von einer Gleichraumverbrennung. Moderne Verbrennungsmotoren mit aufwendig programmierten ECUs (Engine Control Unit) arbeiten in der Regel im Seiliger-Prozess. Je höher der Gleichraumanteil eines Seiliger-Prozesses, desto größer ist die Klopfneigung. Die Prioritäten in der über hundertjährigen Motorenentwicklung waren fast immer, den Wirkungsgrad zu steigern und das Klopfen zu verhindern. Die Reduktion der Schadstoffemissionen kam erst