Der Fahrzeugantrieb wird normalerweise mittels Motoren, auch bekannt als Antriebsmaschinen, erhalten, d. H. Mechanische Vorrichtungen, die in der Lage sind, die chemische Energie eines Kraftstoffs in mechanische Energie umzuwandeln. Übrigens hat der englische Begriff „engine“ wahrscheinlich einen französischen Ursprung im altfranzösischen Wort „engin“, von dem wiederum angenommen wird, dass er vom lateinischen „ingenium“ stammt (mit der gleichen Wurzel von „ingénieur“ oder „Ingenieur“).
Die chemische Energie des Brennstoffs wird zunächst durch Verbrennung in Wärme umgewandelt, und dann wird die Wärme mittels eines Arbeitsmediums in mechanische Arbeit umgewandelt. Dieses Arbeitsmedium kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. In der Tat erhöht die durch Verbrennung erzeugte Wärme ihren Druck oder ihr spezifisches Volumen, und dank ihrer Ausdehnung wird mechanische Arbeit erhalten.
Bei Verbrennungsmotoren (ICE) werden die Verbrennungsprodukte (z.B. b. Luft und Kraftstoff) selbst als Arbeitsmedium verwendet, während bei externen Verbrennungsmotoren die Verbrennungsprodukte mittels Wärmetauscher Wärme auf ein anderes Arbeitsmedium übertragen. Während bei ICE die Verbrennung innerhalb des Zylinders stattfindet, wird bei externen Verbrennungsmotoren die Verbrennung in einer separaten Kammer erhalten, die üblicherweise als Brenner bezeichnet wird.
Da der Verbrennungsprozess eines ICE die Eigenschaften des Arbeitsmediums verändert, kann ein zyklischer Betrieb nur durch einen periodischen Austausch des Arbeitsmediums selbst erreicht werden, d. H. Durch einen offenen Zyklus. Der Begriff „Zyklus“ für ICE bezieht sich somit auf den Arbeitszyklus des Motors, der periodisch ausgetauscht werden muss, und nicht auf einen thermodynamischen Zyklus des Arbeitsfluids. Die Brennstoffe müssen Eigenschaften aufweisen, die mit dem ICE-Betrieb kompatibel sind, was bedeutet, dass ihre Verbrennungsprodukte als Arbeitsmedium verwendet werden können (z. B. sollte bei der Verbrennung keine Asche wie in Ihrem Schornstein entstehen, die ein Anhaften des Motormechanismus verursachen würde).
Verbrennungsmotor
Hubkolbenverbrennungsmotoren werden üblicherweise für den Antrieb von Bodenfahrzeugen mit einigen Ausnahmen (Elektromotoren für Straßenbahnen, Oberleitungsbusse oder Elektroautos) aufgrund ihrer günstigen Leistungsdichte und ihrer relativ geringen Herstellungs- und Servicekosten (beispielsweise im Vergleich zu Gasturbinen) ausgewählt.
Beim Hubkolben bewirkt die Bewegung eines Kolbens in einen Zylinder, der am gegenüberliegenden Ende durch den Zylinderkopf verschlossen ist, eine zyklische Variation des Zylindervolumens. Der Kolben ist mit einer Stange und einer Kurbel mit der Welle verbunden, deren stetige Drehung eine zyklische Kolbenbewegung zwischen zwei Extrempositionen verursacht, dem oberen Totpunkt (OT, am nächsten am Zylinderkopf) und dem unteren Totpunkt (UT, größter Abstand vom Zylinderkopf). Diese beiden Stellungen entsprechen jeweils dem minimalen Zylindervolumen (Freiraumvolumen, Vc) und dem maximalen Zylindervolumen (Gesamtvolumen, Vt). Die Differenz zwischen maximalem und minimalem Volumen wird als Hubraum oder Zylinderverdrängung bezeichnet und als Vd bezeichnet. Und schließlich wird das Verhältnis zwischen maximalem und minimalem Volumen als Kompressionsverhältnis (rc) bezeichnet.
ICE-Klassifizierung
Verbrennungsmotoren können in verschiedene Kategorien eingeteilt werden. Die beiden wichtigsten basieren auf dem Verbrennungsprozess (Funkenzündung vs. Selbstzündung) und auf dem Arbeitszyklus (2-Takt vs. 4-Takt). Die zusätzliche Klassifizierung kann auf Lufteinlass (Saugmotor oder Turbolader), Betankung (indirekte oder direkte Einspritzung) und Kühlsystem (luftgekühlt oder wassergekühlt) basieren. In diesem Artikel werden nur Unterschiede zwischen Verbrennungsprozessen vorgestellt.
Funkenzündung und Selbstzündung
Funkenzündung
In Funkenzündungsmotoren werden Kraftstoffe mit relativ geringer Reaktivität wie Benzin, komprimiertes Erdgas (CNG) oder Flüssiggas (GPL) verwendet. Solche Kraftstoffe werden mit Luft zu dem brennbaren, homogenen Luft/Kraftstoff-Gemisch vermischt und dann in den Motor komprimiert, um Temperaturen von etwa 700 K (400 °C) und Drücke von etwa 20 bar ohne Selbstentzündung zu erreichen.
Dieses Verhalten lässt sich anhand der Eigenschaften der Kraftstoffmoleküle erklären: Kohlenwasserstoffkraftstoffe, die in SI-Motoren verwendet werden, bestehen aus kurzkettigen, starren und kompakten Molekülen (wie CH4 für CNG oder Iso-Oktan C8H18 für Benzin), für die selbst bei hohen Temperaturen und Drücken die Zeit zum Starten des Verbrennungsprozesses ziemlich lang ist. Dieses Konzept darf jedoch nicht mit der Fähigkeit eines flüssigen Brennstoffs verwechselt werden, bei Raumtemperatur zu verdampfen und in der Umgebungsluft ein brennbares Gemisch zu bilden. Diese Fähigkeit ist beim Benzin hoch und bestimmt die Explosionsgefahr, wenn eine Zündquelle vorgesehen ist.
Bei SI-Motoren kann der Verbrennungsprozess somit (zumindest bei einer klassischen Verbrennung) nur mit einer externen Energiequelle wie einem elektrischen Funken gestartet werden. Die Energie, die dem Gemisch durch die elektrische Entladung hinzugefügt wird, ist gering (etwa 10 mJ), aber dennoch wesentlich, um den Verbrennungsprozess zu starten.
Ab dem ersten durch den Funken gezündeten Kern breitet sich die Verbrennung dann durch das Gemisch aus: schicht für Schicht wandert die Flammenfront durch die Kammer, hauptsächlich dank eines konvektiven Wärmeaustauschs zwischen Verbrennungsgasen und frischem Gemisch, bis die letzten Zonen („Endgas“ genannt) weit vom Funken entfernt erreicht sind.
Die Flammenfrontgeschwindigkeit beträgt etwa 20-40 m / s und wird mit der Turbulenz innerhalb des Gemisches stark erhöht (die Turbulenz vergrößert die Oberfläche zwischen frischem und verbranntem Gas, wodurch der Wärmeaustausch zunimmt und somit die Flammenausbreitungsgeschwindigkeit). Da die Turbulenzintensität mit der Motordrehzahl zunimmt und die Flammenfrontgeschwindigkeit proportional zur Turbulenzintensität ist, nimmt die Flammenfrontgeschwindigkeit mit der Motordrehzahl zu, wodurch die Verringerung der für die Verbrennung verfügbaren Zeit kompensiert wird. Dank dessen gibt es für SI-Motoren aus Verbrennungssicht fast keine Begrenzung in Bezug auf die Motordrehzahl (Formel-1-Motor kann bis zu 20 000 Umdrehungen pro Minute laufen).
Wenn das Luft / Kraftstoff-Gemisch jedoch längere Zeit bei hohen Temperaturen und Drücken gehalten wird, kann es schließlich zu einer Selbstentzündung kommen. Aus diesem Grund können abnormale Verbrennungen auftreten, wenn sich das Endgas selbst vor dem Eintreffen der Flammenfront spontan entzündet. Diese abnormale Verbrennung verursacht einen plötzlichen Anstieg des Zylinderdrucks, gefolgt von Druckwellen innerhalb der Brennkammer, die durch die Motorstruktur auf die Umgebung übertragen werden. Dies wird als „Klopfen“ bezeichnet und kann zu Schäden an Kolben und Zylinder aufgrund thermischer Ermüdungsbeanspruchungen führen. Um das Auftreten eines Klopfens zu vermeiden, muss der Motor mehrere Beschränkungen hinsichtlich der maximalen Flammenweglänge (die den maximalen Zylinderdurchmesser oder die Bohrung auf etwa 100 mm begrenzt) und der maximal zulässigen Temperatur und des zulässigen Drucks des Endgases (Frischgases) einhalten (die sowohl das Verdichtungsverhältnis als auch den Ladedruck begrenzen).
Darüber hinaus können hohe Flammengeschwindigkeitswerte nur erreicht werden, wenn das Luft / Kraftstoff-Verhältnis dem stöchiometrischen Verhältnis ziemlich nahe kommt:wenn ein SI-Motor mit Teillast betrieben werden muss, ist es daher unmöglich, nur Kraftstoff zu reduzieren, während die Luftmasse in den Zylinder unverändert bleibt. Dann ist die Verwendung einer Vorrichtung zur Verringerung des Luftmassenstroms für die Laststeuerung erforderlich (häufig wird eine Ansaugdrossel gewählt), auch wenn dies bei Teillast zu Effizienzeinbußen führt.
Stöchiometrie ist definiert als der Punkt, an dem im Gemisch der gesamte Sauerstoff verbraucht und der gesamte Brennstoff verbrannt wird. Für Benzin beträgt das Massenverhältnis 14,7:1 (14,7 Gramm Luft für 1 Gramm Kraftstoff).
Kompressionszündung
Bei Verwendung von Kraftstoffen mit höherer Reaktivität, wie Diesel, können diese nicht mit Luft gemischt und dann in den Zylinder komprimiert werden, da sonst der Verbrennungsprozess während des Kompressionshubs spontan beginnen würde. In der Tat ist Dieselkraftstoff eine Mischung von Kohlenwasserstoffen, die durch das Cetan C16H34 mit einem langen geradkettigen Molekül dargestellt werden kann, in dem die Vorreaktionen des Oxidationsprozesses bei hohen Temperaturen und Drücken ziemlich schnell ablaufen.
Daher wird Dieselkraftstoff als Hochdruckflüssigkeitsspray unmittelbar vor dem gewünschten Verbrennungsbeginn (bei klassischer Dieselverbrennung) in die bereits verdichtete Luft eingespritzt. Die kleinen Kraftstofftröpfchen (etwa 10 µm Durchmesser), umgeben von heißer Druckluft (etwa 900 K), verdampfen schnell und der Verbrennungsprozess beginnt spontan mit einer extrem kurzen Zündverzögerung.
Anders als bei SI-Motoren kann der Verbrennungsprozess im Dieselmotor seine Eigenschaften nicht selbst an die verfügbare Zeit anpassen, um die Verbrennung im Zusammenhang mit der Erhöhung der Motordrehzahl durchzuführen (d. h. Die für die Kraftstoffverdampfung, das Mischen und die Zündverzögerung angeforderte Zeit wird mit zunehmender Motordrehzahl nicht verringert). Daher können diese Motoren nicht mit höheren Drehzahlen als 5000 U / min betrieben werden.
Schließlich gibt es für diese Art der Verbrennung im Gegensatz zu SI-Motoren keine strengen Anforderungen an das Luft / Kraftstoff-Verhältnis. Bei Teillast wird die eingespritzte Kraftstoffmenge unter Beibehaltung der gleichen angesaugten Luftmenge reduziert, ohne dass eine Drosselvorrichtung erforderlich ist und dann ohne zusätzlichen Verlust.
Quelle: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas Stellungnahme:
Die beiden gängigsten Verbrennungsarten (Funkenzündung und Selbstzündung) sind heute seit langem bekannt und gut beherrscht. Wir stoßen jedoch an die Grenzen dieser Prozesse, da die Schadstoff- und Kraftstoffverbrauchsgrenzen, die durch Standards festgelegt werden, immer niedriger werden. Es wird immer kostspieliger, diese Standards zu erreichen, und einige alternative Verbrennungsprozesse und Motorarchitekturen werden in Labors und Forschungszentren getestet. Glauben Sie, dass Motoren mit Fremdzündung und Selbstzündung, wie wir sie heute kennen, durch alternative Lösungen wie CAI, PCCI, Dual-Fuel-Verbrennung oder andere ersetzt werden?