Verbrennungsmotoren: Thermische Leistung, Wirkungsgrad und Bauarten

Thermischer Wirkungsgrad

Der thermische Wirkungsgrad wird größer, je höher die erste Hitze im Verbrennungsmotor ist und je geringer die Wärmeverluste sind. Die Menge der gewonnenen Wärme hängt von der Masse des Kraftstoffs pro Zeiteinheit und dessen Heizwert ab. Der thermische Wirkungsgrad kann als das Verhältnis zwischen der Wirkleistung und der thermischen Energie des Kraftstoffs definiert werden.

• Wärmeverluste durch Abgase: Entfallen bei Ottomotoren auf etwa 35% und bei Dieselmotoren auf 30%.
• Kühlverluste: Evakuieren ungefähr 30% der Wärme des Motors bei beiden Typen.
• Thermische Umwandlung: Verbrennungsmotoren sind nur in der Lage, zwischen 35% und 50% der gesamten Wärmeenergie des Kraftstoffs in nutzbare Arbeit umzuwandeln.

Mechanische Leistung

Die mechanische Leistung wird als das Verhältnis zwischen der effektiven Kraft, die an der Motorwelle anliegt, und der Kraft ausgedrückt, die im Zylinder durch die interne Arbeit erzielt wird, wobei mechanische Verluste nicht berücksichtigt werden.

Mechanische Verluste entstehen durch:

• Energieaufwand für die Übertragung der Bewegung des Kolbens auf die Abtriebswelle (hauptsächlich Reibung zwischen Kolbenringen und Zylinderwand sowie Gleitlagern und Kurbelwellenteilen).
• Energieverbrauch für Hilfsvorrichtungen wie Wasserpumpen und Ölpumpen, die für die Schmierung und Kühlung zuständig sind.

Die mechanischen Verluste liegen typischerweise zwischen 10% und 15%.

Nutzbarer Wirkungsgrad (Cash-Ertrag)

Der nutzbare Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Gleichgewicht zwischen den Gesamtverlusten und den 100% der im Kraftstoff enthaltenen Energie.

Wirkungsgrade im Vergleich

Ottomotor:

• Wärmeverluste: 60% – 65%
• Mechanische Verluste: 10% – 15%
• Gesamtverlust: 70% – 75%
• Nutzbarer Wirkungsgrad: 25% – 30%

Dieselmotor:

• Wärmeverluste: 50% – 60%
• Mechanische Verluste: 10% – 15%
• Gesamtverlust: 60% – 70%
• Nutzbarer Wirkungsgrad: 30% – 40%

Volumetrische Effizienz

Der Grad der Wirksamkeit, mit dem der Zylinder gefüllt wird, ist definiert als das Verhältnis zwischen der Masse des Gases, die während eines Zyklus in den Zylinder strömt, und der theoretisch möglichen Masse, die das Zylindervolumen füllen könnte.

Motorwirkungsgrad

Die chemische Energie, die bei der Verbrennung freigesetzt wird, wird in Wärme umgewandelt, was zu einem Druckanstieg führt, der den Kolben bewegt und somit mechanische Energie erzeugt. Nicht die gesamte Energie des Kraftstoffs wird in nutzbare Arbeit umgewandelt; ein großer Teil geht als nicht nutzbare Wärme verloren.

• Wärmeverluste: Durch das Kühlsystem, Strahlung und Wärmeabgabe an die Außenluft. Die erzeugte Wärme wird auch durch die Abgase abgeführt.
• Mechanische Verluste: Durch Reibung der beweglichen Teile und den Betrieb von Nebenanlagen wie Pumpen.
• Abgasverluste: Die durch die Verbrennung entstehende Wärme wird über das Abgassystem abgeführt.

Drehmoment

Das Drehmoment ist eine Funktion der auf das Pleuel ausgeübten Kraft und der Länge des Kurbelzapfenversatzes (Radius).

Leistung

Die Leistung wird als die in einer Zeiteinheit verrichtete Arbeit definiert.

Faktoren zur Bestimmung der Motorleistung

• Hubraum
• Füllungsgrad der Zylinder
• Drehzahlen

Mehrzylindermotoren

Motoren mit kleinen Hubräumen unter 800 cm³ werden häufig mit 2 oder 3 Zylindern in Motorrädern verwendet. Zylinderzahlen über 4 Liter werden bei Motoren mit 8 oder 10 Zylindern (Diesel) verwendet. Große Dieselmotoren mit langsamen Drehzahlen haben Volumina von bis zu 2 Litern pro Zylinder und bestehen aus 6, 8, 10 oder 12 Zylindern. Aufgrund der großen Explosionskräfte benötigen sie sehr robuste Kurbelwellen. Bei PKWs sind Hubräume von 250 bis 500 cm³ pro Zylinder üblich, was Vorteile in ihrem Betriebsverhalten mit sich bringt.

Anordnung der Zylinder

Die äußeren Abmessungen des Motors müssen in das Fahrzeug passen. Motoren mit mehr als 6 Zylindern in Reihe sind oft zu lang und hoch und unterliegen übermäßigen Kurbelwellenschwingungen. Daher werden verschiedene Zylinderanordnungen verwendet:

• V-Zylindermotoren: Bestehen aus zwei Zylinderbänken, die in einem Winkel gebildet werden, üblicherweise 90° oder 60°, es gibt auch V-Motoren mit engen Winkeln bis zu 15°. Diese ermöglichen kürzere Hubräume und geringere Bauhöhen, werden aber meist für Motoren mit 6 oder mehr Zylindern verwendet.
• W-Motoren: Werden bei Motoren mit 8 bis 12 Zylindern eingesetzt. Sie sind kompakt und werden als V-Motoren klassifiziert, wodurch die Länge des Blocks und der Kurbelwelle reduziert wird.
• Boxermotoren: Zwei Zylinderreihen sind horizontal angeordnet und teilen sich eine gemeinsame Kurbelwelle. Dies entspricht einem V-Motor mit 180°. Die Höhe dieses Motors ist sehr gering. Sie werden mit 2 bis 6 Zylindern gebaut.

Anzahl der Zylinder und Zündfolge

Die Zündfolge bestimmt den Impuls, den jeder Kolben erhält. Man beginnt mit der Seite des Schwungrads, wobei eine Doppelzündung in Betracht gezogen wird. Bei Reihenmotoren beginnt man mit dem linken Zylinder, gefolgt von den auf der rechten Seite liegenden Zylindern, wobei die Nummerierung von der Seite bestimmt wird, auf der sie beginnt.