Dieselmotoren und thermodynamische Kreisprozesse erklärt

Funktionsprinzip

Ein Dieselmotor arbeitet durch die Selbstzündung des Kraftstoffs im Brennraum. Dabei wird der Kraftstoff in die hochverdichtete, erhitzte Luft injiziert, deren Temperatur über der Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffs liegt.

Vor- und Nachteile

Der Hauptvorteil von Dieselmotoren im Vergleich zu Benzinmotoren ist der geringere Kraftstoffverbrauch. Nachteile dieser Motoren sind vor allem die höheren Anschaffungs- und Wartungskosten.

Anwendungen

• Landmaschinen
• Eisenbahn-Antrieb
• Marine-Antriebstechnik
• PKW und LKW
• Kettenfahrzeuge
• Industrielle Antriebe

Merkmale eines Dieselmotors

Ein wesentlicher Unterschied zwischen einem Diesel- und einem Benzinmotor liegt im Einspritzverfahren. Beim Dieselmotor wird der Kraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt, was die Effizienz des Motors verbessert.

Dieselkraftstoff besitzt eine höhere Energiedichte als Benzin. Ein Liter Diesel enthält ca. 36 MJ (Megajoule), während ein Liter Benzin etwa 32 MJ enthält. Dies erklärt, warum Dieselmotoren eine höhere Reichweite als vergleichbare Benzinmotoren erzielen.

Teile eines Dieselmotors

Zu den wesentlichen Komponenten gehören: Zylinderkopf, Motorblock, Kurbelwelle, Schwungrad, Kolben, Nockenwellen, Kanäle, Einspritzdüsen, Ventile, Einspritzpumpe und Förderpumpe.

Wichtig ist, dass der Diesel-Zyklus nicht mit dem idealisierten thermodynamischen Vier-Takt-Prozess verwechselt werden darf, der nur zwei Takte umfasst. Der Diesel-Zyklus berücksichtigt verschiedene Variablen, wobei das Arbeitsmedium ausschließlich Luft ist.

Das Verfahren: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten (Explosion) und Ausstoßen.

Der Ericsson- und Stirling-Zyklus

Es hat sich gezeigt, dass der kombinierte Effekt von Erwärmung, Abkühlung und Regeneration den thermischen Wirkungsgrad von Gasturbinen erhöht. Wenn die Anzahl der Kühl- und Erwärmungsstufen unendlich groß wird, werden die isentropen Prozesse der Verdichtung und Ausdehnung isotherm. Der Zyklus besteht dann aus zwei Phasen bei konstanter Temperatur und zwei Prozessen bei konstantem Druck mit Regeneration.

Ericsson-Zyklus

In diesem Prozess dehnt sich das Fluid isotherm aus (Zustand 1 zu 2), wobei Arbeit verrichtet und Wärme reversibel aus einem Reservoir aufgenommen wird. Danach wird das Fluid bei konstantem Druck in einem Regenerator abgekühlt (Zustand 3 zu 4) und anschließend isotherm komprimiert. Dies erfordert Arbeitseingabe und eine reversible Wärmeabfuhr bei niedriger Temperatur, bevor das Fluid wieder auf den Ausgangszustand erhitzt wird.

Stirling-Zyklus

Der Stirling-Zyklus ist ein thermodynamischer Prozess, der auf maximale Leistung ausgelegt ist. Ähnlich wie beim Carnot-Prozess durchläuft das Fluid zwei isotherme Transformationen und zwei isochore Transformationen (konstantes Volumen).

Effizienz des Stirling- und Ericsson-Zyklus

Die Stirling- und Ericsson-Zyklen sind vollständig reversibel, genau wie der Carnot-Prozess. Sie erreichen den gleichen thermischen Wirkungsgrad, wenn sie im gleichen Temperaturbereich arbeiten.

Joule-Kreisprozess

Auch bekannt als Joule-Zyklus oder Joule-Brayton-Prozess. Er besteht aus einer adiabatischen Kompression, einer isobaren Wärmezufuhr und einer adiabatischen Expansion. Da die bei der Expansion gewonnene Arbeit größer ist als die für die Kompression benötigte Arbeit, ist die Nettoarbeit die Differenz zwischen beiden Prozessen.