Ein Quantensprung, die Gleichraumverbrennung im realen Motor

Verbrennungsmotoren im 21. Jahrhundert

Franz-Josef Hinken

• Verlag: tredition
• Jahr: 2020
• ISBN:
  9783347087149
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Engineering General

In der Praxis bedeutet das, dass bei Verbrennungsmotoren mit gleichem Verdichtungsverhältnis die Gleichraumverbrennung den besten, die Gleichdruckverbrennung den schlechtesten effektiven Wirkungsgrad erzeugt. Die heutigen Verbrennungsmotoren arbeiten im Gleichdruck- oder Seiliger-Prozess, also mit relativ schlechten Wirkungsgraden. Dieses Buch zeigt die bahnbrechende Neuentwicklung einer Brennraumgeometrie, die es ermöglicht ohne AGR (Abgasrückführung) und aufwendige Elektronik eine Gleichraumverbrennung mit einem effektiven Wirkungsgrad von mehr als 50 % in einem Verbrennungsmotor zu realisieren. Weiterhin zeigt dieses Buch bahnbrechende reaktionskinetische Erkenntnisse, die die Motorenentwicklung im 21. Jahrhundert revolutionieren werden. Die letzten Kapitel zeigen, wie man mit Wasserstoff einen schadstofffreien und CO2-freien Verbrennungsmotor mit hohem Wirkungsgrad betreiben kann.

1.0 Einleitung

Vor tausenden Jahren war der Mensch als Jäger und Sammler nur auf seine Muskelkraft angewiesen. Später beim Sesshaftwerden entdeckte der Mensch die Nutzung der Wasserkraft und Windkraft in Form von Wind- und Wassermühlen. Wind- und Wassermühlen erzeugten das Vielfache an mechanischer Arbeit als durch tierische und menschliche Muskelkraft.

Erst die Erfindung der Dampfmaschine brachte die industrielle Revolution, aber das ist nur die halbe Wahrheit. Die andere Hälfte der Wahrheit ist die Nutzung der Steinkohle. Ohne Steinkohle wäre die rasante Ausbreitung der Dampfmaschine in Industrie und Eisenbahn nicht möglich. Hätten unsere Vorfahren die Dampfmaschine ausschließlich mit Holz beheizt, wären unsere Wälder wohl nicht mehr da.

Der Heizwert von trockenem Holz beträgt 16 MJ/kg, Steinkohle dagegen bis zu 32 MJ/kg, also doppelt so viel. Nach der Dampfmaschine kam der Verbrennungsmotor, dessen Ausbreitung noch mal um das Vielfache der Dampfmaschine übertroffen wurde. Auch der Verbrennungsmotor hat zwei Wahrheiten, die erste Hälfte der Wahrheit ist die noch kompaktere Bauweise des Verbrennungsmotors und die Energiedichte, die zweite Hälfte ist die Entdeckung des Erdöls. Der Heizwert von Erdöl und Dieselkraftstoff sind ca. 41 bis 43 MJ/kg, dazu kommt noch im Vergleich zu Holz und Steinkohle, dass Erdöl flüssig ist und damit sehr leicht zu transportieren und zu lagern.

Mit der Entdeckung des elektrischen Stroms ist die bis heute wohl letzte Stufe der Energieumwandlung erreicht. Mit Ausnahme der Photovoltaik kann nur mechanische Energie elektrische Energie erzeugen, indem mechanisch ein Generator angetrieben wird. Mechanische Energie wird mit Ausnahme von Wind- und Wasserkraft ausschließlich aus thermischer Energie erzeugt, also aus Holz, Kohle, Erdöl und Gas. Dieses Buch beschreibt auch die effektive Nutzung von Wasserstoff im Verbrennungsmotor, weil der Heizwert von Wasserstoff 120 MJ/kg beträgt, also das Dreifache von Erdöl und Dieselkraftstoff. Im weiteren Vergleich der Energiedichte zwischen Batterie und fossilen Energieträgern kommt man bei Batterien nur auf eine Energiedichte von 0,5 bis 0,7 MJ/kg.

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: c_p = c_v + R

• Für inkompressible Stoffe gilt: c_p = c_v = 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]

[W_d] = -W_d = Q₂₃ + Q₄₁ = m·C_p (T3 - T2) + m·C_v (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 (W_r) wird als Summe der zu- und abgeführten Wärme berechnet. [1]

[W_r] = -W_r = Q₂₃ + Q₄₁ = m·C_v (T3 - T2) + m·C_v (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 Wassers...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelblatt
• Urheberrechte
• Inhalt
• Vorwort
• 1.0 Einleitung
• 2.0 Wärmekapazität
• 3.0 Kreisprozesse
• 4.0 Der Verbrennungsmotor
• 5.0 Verbrennungsprozesse im Motor
• 6.0 Brennraumgeometrie
• 7.0 Gleichraumverbrennung
• 8.0 Versuchsmotor
• 9.0 Neuer Versuchsmotor mit Motorenprüfstand
• 10.0 Die Gleichraumverbrennung im realen Motor
• 11.0 Gleichraumverbrennung mit Wasserstoff
• 12.0 Der Verbrennungsmotor im 21. Jahrhundert