Funktionsweise von Verbrennungsmotoren und Kühlsystemen

Ottomotoren und das Viertaktprinzip

Ottomotoren: Diese Motoren sind vom Typ Fremdzündungsmotor (im Gegensatz zu Dieselmotoren). Der Prozess besteht aus vier Takten.

• Erster Takt: Der Kolben befindet sich am oberen Totpunkt (OT). Er beginnt sich nach unten zu bewegen, wodurch ein Unterdruck über den Einlassventilen entsteht, durch die Luft (gefiltert und erwärmt) angesaugt wird. Wenn der Kolben kurz hinter den unteren Totpunkt (UT) gelangt, schließen die Einlassventile.
• Zweiter Takt: Hier beginnt die zweite Phase. Sobald die Einlassventile geschlossen sind, steigt der Kolben durch Trägheit wieder auf, verdichtet die Luft und der Zylinder erreicht sein minimales Volumen am OT. Dabei steigen Druck und Temperatur an; es findet eine adiabatische Kompression statt.
• Dritter Takt: Benzin wird durch Düsen injiziert und eine Zündkerze verursacht einen Funken. Die Explosion erfolgt zu diesem Zeitpunkt, wobei Druck und Temperatur bei konstantem Volumen ansteigen (isochorer Prozess). Es tritt eine adiabatische Expansion auf, die den Kolben zum UT drückt. Diese Arbeitsphase erfolgt in Form einer geradlinigen Bewegung des Kolbens.
• Vierter Takt: Kurz bevor der Kolben den UT erreicht, öffnen sich die Auslassventile, und die verbrannten Gase verlieren augenblicklich bei konstantem Volumen an Druck. Dann werden die Gase ausgestoßen und der Zyklus beginnt von neuem.

Zweitaktmotoren

2T-Motoren: Dies sind ebenfalls Fremdzündungsmotoren, bei denen der Prozess jedoch in zwei Takten abläuft. Erstens wird im OT das Gemisch verdichtet, während der Kolben das Saugrohr zum Kurbelgehäuse offenhält. Dann erzeugt die Zündkerze einen Funken für die Explosion. In der zweiten Hälfte erfolgt die adiabatische Expansion, und der Kolben wird zum UT geschoben, wobei er den Einlasskanal und die Auslassöffnung sperrt. Durch die Einwirkung des Kolbens gelangt Kraftstoff in den oberen Zylinderraum, während die verbrannten Gase ausgestoßen werden. Der Kolben steigt durch Trägheit wieder auf, und der Zyklus beginnt von vorn.

Der Wankel-Motor

Der Wankel-Motor (Viertakt) erzeugt eine direkte Drehbewegung der Motorwelle. Er beginnt mit dem Ansaugen des Luft-Kraftstoff-Gemisches. Durch den rotierenden Läufer (Dreieck) wird das Gemisch im Bereich der Zündkerze komprimiert. Die Explosion erfolgt in einem Augenblick mit konstantem Volumen. Danach drückt die Expansion das Dreieck in eine Drehbewegung, wodurch die Arbeit direkt an der Motorwelle verrichtet wird, was eine verbesserte Leistung des Motors bedeutet. Die Gase verlassen den Auspuff und der Zyklus beginnt von neuem. Dieser Motortyp entwickelte jedoch langfristig Probleme hinsichtlich der Reibung und der Motorkühlung.

Offene Gasturbinen

Bei offenen Gasturbinen wird angesaugte Luft komprimiert, Gase werden eingeführt und die Verbrennung beginnt. Diese Gasturbinen arbeiten mit hoher Geschwindigkeit. Dadurch wird Arbeit verrichtet, obwohl ein Teil dieser Energie dazu verwendet wird, den Kompressor zu betreiben. Beim Turbo-Jet gibt es keinen Funken; die Kraftstoffeinspritzung und die Verbrennung erfolgen kontinuierlich.

Funktionsweise von Kühlsystemen

Kühlschrank: Der Kompressor erzeugt eine adiabatische Kompression von Gasen und Dämpfen. Im Kondensator wird das Gas verflüssigt und gibt Wärme an die warme Umgebung (Qh) ab. Es findet eine isotherme Kompression statt; der Zustand ändert sich unter Abgabe latenter Wärme, sodass die Temperatur aufrechterhalten wird. Danach folgt eine adiabatische Expansion durch ein Kapillar-Expansionsventil, wodurch der Druck und die Temperatur sinken und die Flüssigkeit zu verdampfen beginnt. In den Verdampfern entsteht ein niedriger Druck, was eine isotherme Expansion bewirkt. Die Flüssigkeit verdampft und absorbiert aufgrund der Zustandsänderung Wärme aus der Umgebung (Qc).