4. Motorthermodynamik

Der thermodynamische Begriff der „isentropen Zustandsänderung“ kann hier nur kurz erläutert werden. Weitere Informationen finden sich in den Büchern zur Grundlage der Thermodynamik, z. B. [3]. Mit dem Begriff „isentrope Zustandsänderung“ ist gemeint, dass der Prozess so geführt wird, dass weder Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird noch Reibung auftritt. Wenn keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird, dann ist das thermodynamische System „adiabat“. Wenn keine Reibung auftritt, dann verläuft der Prozess „reversibel“. Isentrop bedeutet also „adiabates System und reversibler Prozess“. Reale System sind dagegen nicht adiabat und reale Prozesse sind nicht reversibel. Sie laufen immer in eine bestimmte Richtung. Bei einem reibungsbehafteten, irreversiblen Prozess kommt man nicht mehr zum Ausgangspunkt zurück, ohne dafür Energie aufzuwenden.

Hinweis: Abschn. 4.10 beschäftigt sich nochmals ausführlicher mit der Kompressionslinie von Verbrennungsmotoren.

In der Thermodynamik wird die Volumenänderungsarbeit als negatives Integral des Druckes über dem Volumen definiert. Das hängt damit zusammen, dass in der Thermodynamik abgegebene Arbeiten negativ gezählt werden. Die Motoren-Thermodynamiker möchten aber nicht davon sprechen, dass ein Motor eine Leistung von beispielsweise −100 kW hat. Deswegen definierten sie die Volumenänderungsarbeit mit einem positiven Vorzeichen: Abgegebene Arbeiten zählen positiv.

Das Motormoment kann am Prüfstand gemessen werden, indem man einen Hebelarm an der Motorlagerung anbringt und die Kraft misst, mit der der Hebelarm auf eine Kraftmessdose drückt. Dieser Effekt ist ähnlich wie der, den man beobachten kann, wenn man beispielsweise eine elektrische Bohrmaschine einschaltet: Diese dreht sich mit ihrem Drehmoment in der Hand, die die Maschine festhält.

Je nach Auslegung und Wirkungsgrad des Turboladers kann der Ladedruck sogar höher sein als der Druck nach dem Zylinder. Das führt dann zu einer sogenannten positiven Ladungswechselschleife, die nicht wie üblich im Gegenuhrzeigersinn, sondern in Uhrzeigerrichtung umlaufen wird und damit die Gesamtleistung des Motors erhöht.

Wenn bei einem Ottomotor die Zündung ausfällt, dann gelangt unverbrannter Kraftstoff in das Auspuffsystem, was dazu führen kann, dass der 3-Wege-Katalysator nicht mehr richtig funktioniert. Deswegen wird bei modernen Motoren der Ausfall einer Zündkerze im Rahmen der On-Board-Diagnose überwacht und beispielsweise aus der Ungleichförmigkeit der Kurbelwellendrehgeschwindigkeit erkannt. Wenn eine Zündkerze ausfällt, wird die zu diesem Zylinder gehörende Kraftstoffeinspritzung gestoppt und der Fahrer durch die dadurch entstehende Leistungsreduzierung veranlasst, eine Servicewerkstatt aufzusuchen. Dies ist auch notwendig, weil durch den Ausfall der Einspritzung das Luftverhältnis im Katalysator nicht mehr stöchiometrisch ist.

Bei Angaben zu Drücken, seien dies beispielsweise Ladedrücke, Öldrücke oder Reifenluftdrücke, muss man immer klären, ob der Absolutdruck oder der Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck gemeint ist. Früher hängte man diese Information an die Einheit an (z. B. atü), was aber erfreulicherweise seit 1972 durch die SI-Normen verboten ist. Die Norm schreibt vor, dass man diese Information durch die physikalische Größe angibt. Es wäre gut, wenn die Autoren einfach von absolutem Ladedruck oder Ladeüberdruck sprechen würden.

Ottomotoren werden heute immer noch im Volllastbereich angefettet, um den Motor durch den überschüssigen Kraftstoff, der zwar verdampft, aber kaum zur Verbrennung beiträgt, zu kühlen. Dieser Effekt kann in den überschlägigen Berechnungen nicht berücksichtigt werden, da Angaben zum Anfetten nie veröffentlicht werden. Beim Anfetten beseitigt der 3-Wege-Katalysator die CO- und HC-Emissionen nicht mehr, was man aber nicht in der Öffentlichkeit diskutiert haben möchte …

Der Autor hat viele Bücher angeschaut, um Hinweise auf die in den Gleichungen für den Wärmeübergangskoeffizienten verwendeten Einheiten zu finden. Leider werden diese Einheiten in fast keinem Buch angegeben …

Es ist nicht einfach, die Wandtemperaturen genau zu ermitteln. Eine gute Schätzung geht folgendermaßen: Im betriebswarmen Zustand sind die Wandtemperaturen auf jeden Fall höher als die Kühlmitteltemperaturen (Kühlwasser und Schmieröl) in Höhe von etwa 100 °C. Bei Volllast kann man eine Kolbentemperatur von 200 °C, eine Zylinderkopftemperatur von 400 °C und eine Laufbuchsentemperatur von 150 °C schätzen. Im Teillastgebiet liegen die Bauteiltemperaturen dann zwischen diesen maximalen Temperaturen und den Kühlmitteltemperaturen.