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Motorentechnik
Welche Einflussfaktoren beeinflussen den Wirkungsgrad und damit den Spritverbrauch eines Motors?
Zwecks tieferen Verständnisses ist es erforderlich, tiefer in die Funktionsweise eines Verbrennungsmotors einzusteigen.
Energieumwandlung
Beim Verbrennungsmotor handelt es sich um eine Wärmekraftmaschine, die chemische Energie gebunden in Form von Treibstoff in mechanische Energie umsetzt. Diese Umwandlung geschieht mittels einer schnellen Oxidation (Verbrennung des Kraftstoff-Luft Gemischs). Dabei entsteht in erster Linie Wärme (durch die Verbrennung). Erst die Ausdehnung der Verbrennungsgase führt zur mechanischen Arbeit.
Die zugeführte Energie (Ein) teilt sich dabei in Verluste (Ev) und mechanische Energie (Em) auf. Der Prozesswirkungsgrad η entscheidet über die prozentuellen Anteile.
Ein = Em + Ev
Em = Ein - Ev
Ein = Energiezufuhr in Form von Kraftstoff (Heizwert in kJ/kg)
Ev = Verlustenergie
Em = mechanische Energie
Woraus besteht die Verlustenergie Ev?
Folgende Verluste treten in einer Verbrennungsmaschine auf. Die mechanische Reibung ist hier noch nicht enthalten. Sie ist Teil der geleisteten, mechanischen Energie Em (siehe weiter unten).
- unvollständige Verbrennung
- Wärmeabgabe ans Kühlwasser (Konvektionswärme)
- Wärmestrahlung an die Umwelt
- Wärmeverluste im Abgas
Wie lässt sich die zugeführte Energie Ein beschreiben?
Ein ist direkt proportional zum Heizwert Hu des Kraftstoffs und seiner Menge m sodass wir schreiben können:
Ein = Hu * mkr
Hu = Heizwert des Treibstoffs in J/g
mkr = Menge Treibstoff in g
Was beinhaltet die mechanische Energie Em?
Sie beinhaltet sowohl die mechanische Nutzenergie Eout als auch die mechanische Reibungsenergie Er. Letztere müssen wir noch rausrechnen, da sie für uns Verluste darstellt.
Eout = Em - Er
Eout = mechanische Energie an der Kurbelwelle (Nutzenergie)
Er = Reibungsenergie (Verlust)
Nach Einsetzen in die Formel ergibt sich:
Em = Ein - Ev
Eout + Er = Ein - Ev
Eout = Ein - Ev - Er
Eout = Hu * mkr - Ev - Er
Die Verlustenergie Ev hängt vom Prozesswirkungsgrad ηpr ab. Nach Umschreiben der Formel erhält man:
Eout = Hu * mkr * ηpr - Er
Die Grafik stellt die ungefähren Anteile der einzelnen Verluste im Falle eines Otto- und eines Dieselmotors dar.
