Wie kann man den Wirkungsgrad eines Benzinmotors erhöhen?
Man muss ja irgendwas an der Verbrennung ändern, sodass die Flamme kälter wird. Aber was genau?
6 Antworten
Der Wirkungsgrad beim Verbrennungsmotor wird nicht nur durch die technischen Möglichkeiten (wie hitzefeste Materialien) sondern auch durch die Physik selber (Thermodynamik) begrenzt. Nutzbar ist nur die Wärmedifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Verbrennungstemperatur. Der Bereich von der Umgebungstemperatur bis zum absoluten Nullpunkt (-273 °C, 0 K) ist verloren.
Wärmekraftmaschinen können somit schon aufgrund der physikalischen Grenzen nie Wirkungsgrade wie Elektromotoren von z.B. 90 % erreichen. Somit sorgt nicht eine "kalte" Flamme für einen möglichst guten Wirkungsgrad, sondern eine möglichst heiße. Die Verbrennungsgase sollen sich ja möglichst stark ausdehnen und viel mechanische Arbeit leisten. Hier sind natürlich durch das Material des Motors Grenzen gesetzt und diese sind technisch bereits weitgehend ausgereizt.
Ergänzung: Möglichst kalt sein sollten die angesaugte (oder bei einem Lader hineingedrückte) Luft und der eingespritzte Treibstoff, um eine große nutzbare Temperaturdifferent zu erzielen.
Man muss ja irgendwas an der Verbrennung ändern, sodass die Flamme kälter wird.
Das Gegenteil ist der Fall. Je heißer die Verbrennungstemperaturen, umso höher der Wirkungsgrad. Leider hat das aber seine Grenzen in der Belastbarkeit der Bauteile, insbesondere was den Zylinderkopf, Auslassventile und Kolbenboden betrifft.
Fast gar nicht. Du kannst davon ausgehen, dass tausende von Ingenieuren seit Jahrzehnten das Letzte aus dem Konzept rauskitzeln, was überhaupt machbar ist. Da kann es nur noch ganz marginale Steigerungen geben, besonders was den Teillastbetrieb angeht.
Da wurde in den letzten Jahrzehnten schon viel ausprobiert. Ein Grundproblem des üblichen Otto-Motors ist, dass der Weg für die Verdichtung und den Arbeitstakt (Expansion) gleich groß sind. Man kann die Verdichtung nicht beliebig erhöhen, weil das Gas sich sonst selbst entzündet, was schlecht steuerbar ist. Andererseits wäre ein längerer Arbeitstakt sinnvoll.
Genau diese Idee hatte schon ein Herr Atkinson wenige Jahre nach der Erfindung des Otto-Motors. Seine Lösung war jedoch zu kompliziert, so dass es sich nicht durchsetzte. Später hatte ein Herr Miller eine bessere Idee: er ließ einfach das Einlaß-Ventil über den unteren Totpunkt hinaus offen, so dass ein Teil des Gasgemisches wieder aus dem Motor hinausgeschoben wird. Die Verdichtung beginnt also erst, wenn das Einlaßventl schließt. Der Wirkungsgrad erhöht sich dadurch beträchtlich. Ein Nachteil dieses Motors war ein geringes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen.
Heute setzen einige Firmen diese Technik in Hybrid-Autos ein, wo der Elektromotor das Drehmoment beim Anfahren liefert. Teilweise werden diese Motoren als Atkinson-Motoren, teilweise als Miller-Motoren beworben, technisch ist es aber bei allen das Miller-Prinzip.
Es gibt natürlich noch viele andere Ideen. Benzin-Motoren können ja auch ganz anders aussehen. Google mal nach "Freikolben-Motor". Die Frage ist dann nur immer, was technisch auch wirklich funktioniert.
Ein Benzinmotor ist eine Verbrennungskraftmaschine. Du erzeugst in der "Brennkammer", egal ob das ein Zylinder ist, oder die Brennkammer einer Gasturbine, eine möglichst heisse Verbrennung. Also ein heisses Gas, das expandiert und dabei seine Energie an einen Kolben, Turbinenschaufeln, oder Drehschieberlamellen abgibt. Es gibt endlos viele Varianten und Bauarten. Du kannst mit einer Wärmekraftmaschine im "eigentlichen" Arbeitsvorgang maximal 41 % Wirkungsgrad erreichen! Man kann zwar aus dem Abgas dann mechanisch, oder thermisch noch zusätzlich Energie rausholen, aber das rentiert sich nur bei großen Kraftwerken, wo der "Gesamtwirkungsgrad" schon mal 90% erreichen kann. Derzeitige Benzinmotoren haben einen Wirkungsgrad von ca. 28%, Diesel bis zu 34% (mehr Druck und Temperatur). Nur zur Erinnerung. Elektromotoren können Wirkungsgrade von nahezu 99% erreichen, aber es kommt auf die Betriebsbedingungen und Auslastungen an. Ein Elektro-Industriemotor muss inzwischen durch das Energieeffiziensgesetz Wirkungsgrade von min. 97% erreichen. Aber auch da kommt es auf die Betriebsart an.
Geringere Reibung (andere Lager, weniger vorgespannte Dichtelemente)
Höhere Verdichtung (Wirkungsgrad höher, aber auch die Belastung)
Aufladung
Variable Steuerzeiten (z. B. durch eine verstellbare Nockenwelle)
Motormanagement auf Effizienz getrimmt (Einspritzzeitpunkt; Einspritzdauer)
Downsizing (kleiner Motor mit vergleichsweise hoher Leistung)
Danke! Und wie kann man dann einen höheren Wirkungsgrad machen, ohne dass es für die Bestandteile des Motors schädlich ist?