Verbrennungsmaschine


Verbrennungsmaschine

Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärmeenergie (kurz auch Wärme) in mechanische Energie umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fließen. Eine Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres transportiert, wird als Kraftwärmemaschine, Wärmepumpe oder Kältemaschine bezeichnet.

Wärmekraftmaschinen nutzen "rechtslaufende" Kreisprozesse, bei denen die geschlossene Kurve etwa im T-S oder p-v-Diagramm im Sinne "oben nach rechts, unten nach links" durchlaufen wird. Wärmepumpen nutzen "linkslaufende" Kreisprozesse.

Inhaltsverzeichnis

Wirkungsgrad

Als Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird der Anteil der vom oberen Temperaturniveau abfließenden Wärmeenergie bezeichnet, der in die genutzte mechanische Energie umgewandelt wird. Eine obere Grenze für ihn ist durch den Wirkungsgrad ηcarnot des Carnot-Prozesses gegeben, bei dem Wärmeaufnahme und -Abgabe bei definierten Temperaturniveaus Tmax und Tmin stattfinden und keine Reibungs-, Wärmeabfluss- und Wärmetransportverluste entstehen. Für ihn gilt: 
\eta_{\rm carnot} = \frac{T_{\rm max}-T_{\rm min}}{T_{\rm max}} = 1 - \frac{T_{\rm min}}{T_{\rm max}}

Voraussetzung für die Erreichung des Carnotschen Wirkungsgrades ist, dass alle Teilprozesse des Kreisprozesses reversibel gestaltet sind. Dies ist gleichbedeutend damit, dass eine Größe namens Entropie S des Gesamtsystems aus Wärmekraftmaschine und Umgebung nicht wächst. (Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann sie nicht geringer werden, also muss sie konstant bleiben.)

 \Delta S = \oint d S = \oint \frac{dQ}{T} = 0

(dQ ist die ausgetauschte Wärmemenge eines infinitesimal kleinen Prozesschritts, T die dazugehörige Temperatur):

Der Carnotsche Wirkungsgrad wird in der Praxis nie erreicht, da

  • die Wärmeaufnahme auch bei niedrigeren Temperaturen als Tmax und die Wärmeabgabe auch bei höheren Temperaturen als Tmin stattfinden (z.B. im Stirling-Prozess),
  • trotz Isolation immer Wärmetransport ohne Austausch von Arbeit stattfindet,
  • jede Maschine Reibungsverluste aufweist, die ebenfalls das Verhältnis von Wärme- zu Arbeitsfluss verschlechtern, und schließlich
  • bei schnell ablaufenden Prozessen der Wärmestrom aufgrund des nichtverschwindenden Wärmewiderstands eine Temperaturdifferenz benötigt, die für die Umwandlung in Arbeit verloren geht (siehe Wärmeleitung).

Für Wärmepumpen ist die verwendete charakteristische Größe die Leistungszahl.

Beispiele

Verbrennungsmotor

Verbrennungsmotoren haben Verbrennungstemperaturen von ca. 2500 °C (2773 K) und Frischgastemperaturen von etwa 100 °C (373 K). Der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad beträgt also


\eta = 1 - \frac{373\,\mathrm K}{2773\,\mathrm K} = 0{,}87 = 87\,\%

In der Praxis erreichen unter optimalen Bedingungen Ottomotoren 33 %, Dieselmotoren in Pkws 41 % und langsam laufende Schiffsdieselmotoren 50 % Wirkungsgrad. In PKWs erreichen unter realen Fahrbedingungen mit einem hohem Anteil von Teillastbetrieb Ottomotoren typischerweise einen Wirkungsgrad von weniger als 20 % und Dieselmotoren weniger als 30 %.

GuD-Kraftwerk

Eine Wärmekraftmaschine kann aus verschiedenen Kreisprozessen zusammengesetzt werden (z. B. GuD-Kraftwerk: Kombination des Gasturbinenprozesses mit einem Dampfkraftwerk: Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 700 °C in der Gasturbine, danach mit den Abgasen aus dem Gasturbinenprozess Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 700 bis 100 °C im Dampfkraftwerk, wodurch maximal ein Wirkungsgrad eines (Vergleichs-)Kreisprozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 100 °C erreicht werden kann, der aber größer ist als der Wirkungsgrad der Einzelprozesse – hier Gasturbine und Dampfkraftwerk). Sie erreichen Wirkungsgradwerte bis zu 60%.

Einteilung (Typologie)

Da ein Gas als Arbeitsmedium eingesetzt wird, gehören Wärmekraftmaschinen zu den thermischen Fluidenergiemaschinen.

Nach Art der Erzeugung der thermischen Energie

Nach Druckaufbau

Siehe auch

Literatur

Weblinks


Wikimedia Foundation.

Schlagen Sie auch in anderen Wörterbüchern nach:

  • Verbrennungsmaschine — Ver|brẹn|nungs|kraft|ma|schi|ne, Ver|brẹn|nungs|ma|schi|ne, die: Kraftmaschine, die durch Verbrennung eines Brennstoff Luft Gemischs Energie erzeugt …   Universal-Lexikon

  • Verbrennungsmaschine — Ver|brẹn|nungs|ma|schi|ne …   Die deutsche Rechtschreibung

  • Triebwagen — (rail motor cars; automotrices; automotori). Geschichtliches. Als ältester Eisenbahntriebwagen (Motorwagen) ist die »Novelty« (»Neuheit«) von Ericsson und Braithwaite anzusehen, die als »Lokomotive« an der Wettfahrt von Rainhill im Oktober 1829… …   Enzyklopädie des Eisenbahnwesens

  • Benzinverbrauch — Der Kraftstoffverbrauch gibt die Menge von Kraftstoff an, die eine Verbrennungskraftmaschine innerhalb einer bestimmten Zeit verbrennt oder die beim Zurücklegen einer bestimmten Strecke durch ein Fahrzeug verbraucht wird. Bei Straßenfahrzeugen… …   Deutsch Wikipedia

  • Bourke-Motor — Dieser Artikel oder Abschnitt bedarf einer Überarbeitung. Näheres ist auf der Diskussionsseite angegeben. Hilf mit, ihn zu verbessern, und entferne anschließend diese Markierung. Ein Kurbelschlaufenmotor ist ein Verbrennungsmotor nach dem Prinzip …   Deutsch Wikipedia

  • Brennstoffverbrauch — Der Kraftstoffverbrauch gibt die Menge von Kraftstoff an, die eine Verbrennungskraftmaschine innerhalb einer bestimmten Zeit verbrennt oder die beim Zurücklegen einer bestimmten Strecke durch ein Fahrzeug verbraucht wird. Bei Straßenfahrzeugen… …   Deutsch Wikipedia

  • CO2-Emission — Der Kraftstoffverbrauch gibt die Menge von Kraftstoff an, die eine Verbrennungskraftmaschine innerhalb einer bestimmten Zeit verbrennt oder die beim Zurücklegen einer bestimmten Strecke durch ein Fahrzeug verbraucht wird. Bei Straßenfahrzeugen… …   Deutsch Wikipedia

  • Fahrzeugbrief — Der aktuelle deutsche Fahrzeugbrief, der seit dem 1. Oktober 2005 „Zulassungsbescheinigung Teil II“ heißt …   Deutsch Wikipedia

  • Ficht-Kurbelschlaufenmotor — Dieser Artikel oder Abschnitt bedarf einer Überarbeitung. Näheres ist auf der Diskussionsseite angegeben. Hilf mit, ihn zu verbessern, und entferne anschließend diese Markierung. Ein Kurbelschlaufenmotor ist ein Verbrennungsmotor nach dem Prinzip …   Deutsch Wikipedia

  • Ficht-Motor — Dieser Artikel oder Abschnitt bedarf einer Überarbeitung. Näheres ist auf der Diskussionsseite angegeben. Hilf mit, ihn zu verbessern, und entferne anschließend diese Markierung. Ein Kurbelschlaufenmotor ist ein Verbrennungsmotor nach dem Prinzip …   Deutsch Wikipedia