Abgabe Dampf- und Verbrennungskraftmaschinen

Christoph Hofer, Ferdinand Weinwurm
Dampf und Verbrennungskraftmaschinen
Historisches
Aeolipile: vermutlich 1. Jahrhundert nach Christus von Heron von
Alexandria, Demonstrationszwecke mit Dampf
Abbildung 1 - Aelopile
Thomas Newcomen:
erster erfolgreicher Versuch zum Abpumpen von Wasser im Bergwerk,
1712, Prinzip: Dampf gelangt durch Einlassventil in Zylinder, dadurch steigt
der Kolben, Volumen wird größer, durch Einspritzen von Wasser wird
Zylinder abgekühlt - > Luft wird komprimiert. Wirkungsgrad: 0,5%
Abbildung 2 - Dampfmaschine
nach Newcomen
James Watt:
eigentlich mit Reperaturmaßnahmen
beschäftigt, Stärken von Watt sind dass er
sich zusätzlich noch sehr mit der
Wärmelehre beschäftigt und die Prozesse
verstehen will, lernt 3 Sprachen um Texte
studieren zu können, erkennt Schwächen
der Newcomenschen Dampfmaschine(ein
Abbildung 3 - Dampfmaschine mit Kondensator
Zylinder wird permanent erhitzt und
wieder abgekühlt) -> führt deswegen 2.
Zylinder(Kondensator) ein, Wärme wird in 2. Zylinder abgeführt,
ehemalige Einsatzgebiete: Antrieb von Textilmaschinen und im Bergbau zur Wasserhaltung. Es
folgten Dampflokomotiven, Dampfschiffe sowie Lokomobilen und Lkw. Auch das erste Luftschiff
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wurde 1852 von einer Dampfmaschine angetrieben. Die industrielle Revolution wurde unter
anderem durch die Dampfmaschine erst ermöglicht
Für Watt war die Erfindung des Wattschen Parallelogramms sein größter Erfolg, mit Hilfe dessen ist
es möglich, eine geradlinige Bewegung (Kolben) in eine Rotationsbewegung umzuformen.
http://www.youtube.com/watch?v=pK8lChxirc8
Carnot’scher Kreisprozess
Das Prinzip von Wärmekraftmaschinen kann durch den Carnot’schen Kreisprozess beschrieben
werden, bei dem ein beliebiges Gas verwendet wird. Die Maschine braucht Zylinder und Kolben um
das Gas komprimieren und expandieren zu können, sowie zwei verschiedene Reservoirs mit
unterschiedlicher Temperatur. Der Kreisprozess besteht aus 4 Schritten.
Bei der isothermen Expansion wird das Reservoir erwärmt, sodass sich das Gas ausdehnt. Dabei
ändert sich aber die Temperatur des Gases nicht. Anschließend erfolgt eine adiabatische Expansion,
bei der durch eine geeignete Isolierung ein Wärmefluss unterbunden wird. Am Ende erhält das Gas
die Temperatur des kälteren Reservoirs. Danach erfolgt eine isotherme Kompression, bei dem das
Arbeitsgas durch Kontakt mit dem kälteren Reservoir Wärme abgibt. Schlussendlich erfolgt eine
adiabatische Kompression, bei dem der Gasbehälter isoliert ist. Am Ende der Zustandsänderung hat
das Arbeitsgas die Temperatur des wärmeren Reservoirs und der Ausgangszustand ist wieder
hergestellt.
In der Praxis ist dieser Prozess aber nicht realisierbar, da eine direkte Abfolge von isothermen und
adiabatischen Zustandsänderungen ein großes technisches Problem darstellt. Ferner wird das
Arbeitsgas in Verbrennungskraftmaschinen ausgetauscht, daher ist der Prozess irreversibel.
Stirling-Kreisprozess
Für die Beschreibung von Dampfmaschinen, die ein isoliertes, nicht ausgetauschtes Arbeitsgas wie
z.B. Luft verwendet, wird der Stirlingprozess verwendet. mit Luft. An Stelle der adiabatischen
Zustandsänderungen treten im idealen Stirlingprozess isochore Zustandsänderungen. Das hat den
Nachteil, dass für die Hebung der Arbeitstemperatur von T2 auf T1 Wärmemenge benötigt wird, was
den Wirkungsgrad gegenüber einer Carnot-Maschine erheblich senken würde. Die Temperaturen der
Wärmereservoirs werden durch eine Heizung bzw. einen Kühler konstant gehalten.
Am Anfang lag der Wirkungsgrad bei ca. 3%, der jedoch heutzutage auf 30% erhöht werden konnte.
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Im realen Kreisprozess sind die einzelnen Schritte nicht strikt getrennt, sondern wechseln fließend.
Verbrennungsmotoren
In Verbrennungskraftmaschinen wird im Gegensatz zu Heißluftmotoren das Arbeitsgas nach jedem
Kreislauf ausgetauscht.
Ottomotor (ca. 1877)
Für den Ottomotor wird ein Luft-Kraftstoff (Benzin) -Gemisch verwendet.
Der Kreislauf des Ottomotors beinhaltet 4 Schritte:




Ansaugtakt: Benzin Gas Gemisch wird isobar angesaugt (isobare Expansion)
Verdichtungstakt: Der Kolben presst das Gasgemisch adiabatisch zusammen (adiabatische
Kompression)
Arbeitstakt: das verdichtete Gemisch wird entzündet, Wärme wird frei und Kolben senkt sich
adiabatisch (adiabatische Kompression)
Ausstoßtakt: Abgase werden isobar abgeführt (isobare Kompression)
Der Wirkungsgrad liegt deutlich höher – bei ca. 20 – 32%. Die umweltschädlichen Abgase sind
natürlich als negativer Faktor anzusehen. Weiters ist zu beachten, dass sich das Arbeitsgas während
des Verdichtungstaktes nicht selbst entzündet.
Dieselmotor (1892)
Der Dieselmotor funktioniert prinzipiell sehr ähnlich wie der Ottomotor. Ein markanter Unterschied
ist, dass beim Verdichtungstakt Luft auf eine hohe Temperatur gebracht wird und danach der
Kraftstoff (Diesel) eingespritzt wird und sich dabei selbst entzündet.
Der Dieselmotor hat einige Vorteile gegenüber dem Ottomotor:



Besserer Wirkungsgrad
geringerer Kraftstoffverbrauch
billiger und ungefährlicher
Nachteile hingegen sind die geringere Leitungsfähigkeit und die aufwendigere Abgasreinigung
Wirkungsgrad:
Idealer Wirkungsgrad:
Realer Wirkungsgrad:
Beim idealen Wirkungsgrad werden reversible Prozesse vorausgesetzt, was in der Realität vor allem
bei der Wärmeaufnahme und -abgabe in den Regenerator nicht gegeben ist. Hinzu kommen die
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bereits erwähnten Verluste durch Reibung, Konvektion und Wärmestrahlung, sodass der reale
Wirkungsgrad ηREAL merklich kleiner ist. Wie bereits ausgeführt, wird als Wirkungsgrad der
Prozentanteil der letztlich verwerteten Energie bestimmt. Dazu muss die Motorleistung unter
Belastung bestimmt werden, dann werden alle möglichen Reibungsverluste mitberücksichtigt. Somit
ergibt sich der reale Wirkungsgrad zu:
η
Schulbezug:
2. Schulstufe:
grundlegende Zusammenhänge zwischen dem Teilchenaufbau und grundlegenden
 Wärmephänomenen verstehen; Temperatur, Wärme, Wärmemenge und
Wärmedehnung
3. Schulstufe:
Unser Leben im „Wärmebad“:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer
tiefergehendes Verständnis der thermischen Vorgänge in der unbelebten und belebten Welt
gewinnen.
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

Die Alltagsbegriffe „Wärme“ und „Kälte“ als Bewegungsenergie der Aufbauteilchen
der Körper sowie den Unterschied zwischen „Wärme“ und „Temperatur“ verstehen;
modellartig verschiedene Formen des Wärmetransportes und wichtige Folgerungen
erklären können; Wärmeleitung, Wärmeströmung, Wärmestrahlung;
die Bedeutung der Wärmeenergie für Lebewesen in ihrer Umwelt erkennen;
die Bedeutung der Wärmeenergie im wirtschaftlichen und ökologischen
Zusammenhang sehen;
Zustandsänderungen und dabei auftretende Energieumsetzungen mit Hilfe des
Teilchenmodells erklären können;
Einsichten in globale und lokale Wettervorgänge und Klimaerscheinungen gewinnen
(Jahreszeit,Wasserkreislauf auf der Erde, Meeresströmungen, Windsysteme).
5. und 6. Schulstufe:

im Rahmen der Wärmelehre Zustände und Zustandsänderungen der Materie mit Hilfe des
Teilchenkonzepts erklären können, den nachhaltigen Umgang mit Energie beherrschen und
bei angestrebter größerer Erklärungstiefe die Bedeutung der thermodynamischen
Hauptsätze verstehen
Mithilfe der Verbrennungskraftmaschinen und Motoren kann man die physikalischen Gesetze
eindrucksvoll beschreiben. Man kann den Schülern zeigen, dass die thermodynamischen Gesetze
kein theoretisches Konstrukt sind, sondern auch tatsächlich Anwendung finden in der Technik.