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Die Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine

In diesem Kapitel werden die thermodynamischen Zusammenhänge eines Benzinmotors erklärt. Dabei wird der Kreisprozeß, der Wirkungsgrad und die Brennstoffausnutzung behandelt. Das soll dem Leser erklären, was bei Veränderungen des Gemisches im Motor passiert.

Der Kreisprozeß

Diese Darstellung erklärt die Nutzleistung W einer Hubkolbenmaschine in einem P-V Diagramm (Druck-Volumen):

In diesem Diagramm ist der gesamte Prozess eines 4 Takt Hubkolbentriebwerkes dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist das Hubvolumen skaliert, rechts ist der untere Totpunkt mit maximalem Volumen, links das minimale Brennraumvolumen im oberen Totpunkt.
Senkrecht ist der Druck im Zylinder aufgetragen. Der Umgebungsdruck ist p_u, beim Ansaugen hat man einen Unterdruck im Zylinder.
Die Fläche unter der Linie "Verdichten" (Integral oder Summe der Teilflächen) ist die beim Verdichten aufzubringende Arbeit, die in der Regel aus der Schwungmasse kommt.
Die blau schraffierte Fläche zwischen den Linien "Verdichten" und "Expandieren" ist die eigentliche Nutzarbeit, die an das Getriebe und die Lichtmaschine, sowie die anderen an dem Motor montierte Aggregate abgegeben wird.

Ziel der Motorenentwicklung ist die Fläche der Nutzarbeit so groß wie möglich zu machen, indem alle anderen Verluste minimiert und der Druckanstieg durch die Verbrennung so groß wie möglich werden soll.

Die Luftzahl und der Wirkungsgrad

Hier haben wir den Zusammenhang von Luftzahl und dem maximalen Mitteldruck p_mi skizziert.
Man sieht, daß das Maximum bei einer "fetten" Einstellung zu finden ist. Bei Lambda 1 haben wir ca. 3% weniger Mitteldruck und damit um den gleichen Betrag weniger Drehmoment. Die Leistung läßt sich errechnen aus:

Mit: p_me=im Zylinder resultierender Mitteldruck, cm=mittlere Kolbengeschwindigkeit (=2*S*n), A=S/D, z=Anzahl der Zylinder, S=Hub, D=Zylinderdurchmesser, n=Dehzahl.

Die Fischhakenkurve

Dieses Diagramm erklärt den Zusammenhang von Gemischzusammensetzung (Punkte auf dem Diagramm sind Lambda-Werte) und spezifischem Wirkungsgrad, also Brennstoffbedarf pro erzeugter kWh. Man sieht deutlich ein Minimum, bei dem der beste thermisch Wirkungsgrad zu erzielen ist. Damit hat man den sparsamsten Arbeitsbereich der Verbrennung, was wohl das Ziel der Abstimmung beim 1.6 l murena sein dürfte. Laut diesem Diagramm ist der höchste Mitteldruck im Bereich von Lambda 0.87 erreicht.

Wird ein Motor, der zuvor auf Lambda 1 eingestellt war auf maximale Leistung abgestimmt, wird sich also ein Mehrverbrauch von ca. 11% einstellen, während die Leistung um 3% steigt. In der Realität kann dies wieder etwas anders sein, da die Bauart des Verbrennungsraumes, die Verwirbelung des Gemisches usw. die Eigenschaften stark verändern kann. Bekanntermaßen ist der Simca 1100 Motor hier nicht so optimal, eine Optimierung des Zylinderkopfes könnte eine Verbesserung bringen.

Eine "fette" Einstellung wird laut diesem Diagramm also sehr schnell durch enormen Mehrverbrauch quittiert, darum bewegen sich Tuner minimal im Bereich von 0.9<<0.95.

Wie immer bringt eine Nachregelung des Gemisches nicht sofort das hier dargestellte Ergebnis. Dies ist immer qualitativ zu sehen, da diese Kennlinien im Laborversuch ermittelt wurden. Zum Verständnis von Gemischaufbereitungen ist dies aber sehr nützlich. Hier sind natürlich nur die wichtigsten Informationen beschrieben. Um die Mechanik und Verbrennung eines Motors zu verstehen, gehören noch viel mehr Zusammenhänge, auf die hier nicht eingegangen wird.