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Hijacker
Gast
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 Hijacker Verfasst am: 24. Dez 2020 19:38 Titel: Volumenarbeit bei der Verbrennung von Benzin |
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Meine Frage:
Hallo, ich habe mich letztens gefragt, woher der schlechte Wirkungsgrad bei Benzinmotoren kommt. Hierzu lese ich immer wieder, dass die Energie durch die Reaktion nur zu 25 Prozent in Volumenänderungsarbeit umgesetzt wird und der Rest in Wärme.
Meine Ideen:
Was ich hier nicht verstehe ist der Punkt, dass doch gerade die Temperatur zur Volumenänderung führt?
Bedeutet dies jetzt das ein bestimmter Prozentsatz der Wärmeenergie nicht in die Änderung des Volumens umgesetzt werden kann?
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Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5866
Wohnort: jwd
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| Mathefix Verfasst am: 25. Dez 2020 12:49 Titel: |
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Dem Ottomotor liegt ein Gleichraumprozess, der aus 2 Adiabaten (kein Wärmeverlust), 2 Zustandsänderungen bei konstantem Volumen (Isochoren) besteht, zugrunde.
Ohne auf die Herleitung einzugehen, beträgt der thermische Wirkungsgrad eines vollkommenen Motors
^{\kappa -1} )
Wobei
das Verdichtungsverhältnis ist.
 ist der Adiabatenexponent
Für einen vollkommenen Ottomotor mit einem Verdichtungsverhältnis von 1:10 errrechnet sich ein thermischer Wirkungsgrad von 60%. Höhere Verdichtungen führen zu einer unkontrollierten Selbstzündung des Benzin-/Luftgemisches und verursachen Klopfen, welches zu mechanischen Schäden führt.
Ein realer, ausgefeilter Ottomottor erreicht einen thermischen Wirkungsgrad von ca. 35 %,da
1. Wärmeabgabe an die Wandung entsteht
2. der Verbrenungsprozess nicht plötzlich erfolgt
3. das Gemisch nicht vollständig verbrannt wird
4. Strömungsverluste im Zylinder bestehen
Reicht Dir das als Erklärung?
PS
Eine Windkraftanlage hat einen theoretisch maximalen Wirkungsgrad von 60%. In der Praxis werden ca. 30% erreicht.
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Myon
Anmeldungsdatum: 04.12.2013
Beiträge: 5870
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| Myon Verfasst am: 26. Dez 2020 08:51 Titel: Re: Volumenarbeit bei der Verbrennung von Benzin |
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| Hijacker hat Folgendes geschrieben: | | Was ich hier nicht verstehe ist der Punkt, dass doch gerade die Temperatur zur Volumenänderung führt? |
Entscheidend ist hier, dass es sich bei einem Motor immer um eine zyklisch arbeitende Maschine handelt. Bei einem einzelnen Prozess ist es durchaus möglich, dass die gesamte zugeführte Wärme vollständig in Volumenarbeit umgesetzt wird.
Jede "Wärmekraftmaschine" arbeitet aber mit einem Kreisprozess, in dem Zustände mit unterschiedlichen Temperaturen durchlaufen werden. Der 2. Hauptsatz der Thermodynamik besagt nun, dass in jedem solchen Kreisprozess Energie in Form von Wärme bei Zuständen tieferer Temperaturen abgegeben wird, und diese Energie kann für den Kreisprozess nicht weiter genutzt werden.
| Zitat: | | Bedeutet dies jetzt das ein bestimmter Prozentsatz der Wärmeenergie nicht in die Änderung des Volumens umgesetzt werden kann? |
Genau. Selbst wenn es sich um eine ideale Maschine handelt, also keine Verluste infolge von Reibung etc. auftreten, ist das der Fall.
Dies ist auch nicht spezifisch für Otto-Benzinmotoren, sondern gilt ebenso für Dieselmotoren, Dampfmaschinen oder jede andere Wärmekraftmaschine. Infolge des 2. Hauptsatzes liegt der Wirkungsgrad immer unter 1. Genauer gesagt, wird der Wirkungsgrad durch den sg. Carnot-Wirkungsgrad nach oben begrenzt, da jeder Kreisprozess durch infinitesimale Carnot-Prozesse angenähert werden kann.
Vgl. auch ein Perpetuum mobile 2. Art. Das wäre eine (prinzipiell nicht mögliche) Maschine mit einem höheren Wirkungsgrad, als durch den 2. Hauptsatz erlaubt ist.
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Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5866
Wohnort: jwd
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| Mathefix Verfasst am: 26. Dez 2020 12:49 Titel: |
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Anhängend eine Skizze, die den von Myon beschriebenen Kreisprozess darstellt.
| Beschreibung: |
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Download |
| Dateiname: |
Kreisprozess_Ottomotor.pdf |
| Dateigröße: |
12.52 KB |
| Heruntergeladen: |
193 mal |
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Hijacker
Gast
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| Hijacker Verfasst am: 27. Dez 2020 18:41 Titel: |
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Vielen Dank für die Posts, leider sind meine Physikkenntnisse auf den Physik Leistungskurs vor 14 Jahren beschränkt.
Bedeutet das letzte Diagramm nun das am Ende bei 4 eine größere Wärmemenge im System ist als bei 1 und diese Wärmemenge nun dem System verloren geht?
Wie sieht es mit dem Druck bei 4 und 1 aus? Wenn beim 4 schritt mehr Wärme im System ist als zuvor müsste dieser doch höher sein?
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Hijacker
Gast
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| Hijacker Verfasst am: 29. Dez 2020 10:41 Titel: |
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Ich meine folgendes:
4. Takt = Ausblastakt (Wärmeabfuhr): Durch das Öffnen des Auslassventils expandieren die Abgase im unteren Totpunkt ohne weitere Arbeitsleistung nach außen 4
→
Aber ist jetzt nicht ein höherer Druck im Zylinder vor dem ablassen ?
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Myon
Anmeldungsdatum: 04.12.2013
Beiträge: 5870
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| Myon Verfasst am: 29. Dez 2020 12:28 Titel: |
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| Hijacker hat Folgendes geschrieben: | | Bedeutet das letzte Diagramm nun das am Ende bei 4 eine größere Wärmemenge im System ist als bei 1 und diese Wärmemenge nun dem System verloren geht? |
Ja. Im obigen Kreisprozess wird im Schritt 4-->1 Abgasluft höherer Temperatur aus dem Zylinder ausgelassen und gleichzeitig die gleiche Stoffmenge kälterer Luft eingelassen. Dabei wird die höhere thermische Energie der Abgase als Wärme abgegeben, und diese Wärme ist für den Kreisprozess „verloren“.
Bei einem Viertaktmotor geschieht das Ausstossen und Einlassen in getrennten Schritten durch die Kolbenbewegung.
| Zitat: | | Aber ist jetzt nicht ein höherer Druck im Zylinder vor dem ablassen ? |
Doch. Beim Austausch der warmen durch die kältere Luft bei unverändertem Volumen nimmt der Druck natürlich ab, wie man auch aus dem Diagramm sieht.
Im übrigen ist das obige Schema des Kreisprozesses für einen Benzinmotor wie alle derartigen Schemas idealisiert und vereinfacht. In der Realität bewegt sich der Kolben z.B. dauernd, ein Prozessschritt wird also nie exakt isochor sein.
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Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5866
Wohnort: jwd
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| Mathefix Verfasst am: 30. Dez 2020 13:27 Titel: |
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Durch konstruktive Massnahmen kann der der Wirkungsgrad eines Ottomotors erhöht werden:
1. Atkinson Motor
Durch ein Kurbelgetriebe wird erreicht, dass das der Expansionshub/-volumen grösser als der Ansaughub/-volumen ist. Dadurch erhöht sich das Verdichtungsverhältnis und in Folge der Wirkungsgrad.
Allerdings reduziert die komplizierte Mechanik wg. der zu beschleunigenden Massen die Leistung.
2. Atkinson-/ Miller-Prozess
Durch eine variable Ventilsteuerung wird das Schliessen des Ansaugventils vor Erreichen des unteren Totpunkts (Miller) oder nach dem unteren Totpunkt (Atkinson) bewirkt. Dadurch wird die Dynamik des strömenden Gases genutzt bzw. das Vedichtungsverhältnis erhöht.
Diese Motoren haben einen geringeren Kraftstoffverbrauch als konventionelle Ottomotoren, allerdings auch eine geringere Leistung.
Motoren in den Prius Modellen von Toyota und von Mazda, Nissan, Audi und Mercedes nutzen den Miller-Prozess.
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