Im Studium der Physik und Thermodynamik ist ein Prozess eine Zustandsänderung in einem System, bei der sich seine thermodynamischen Eigenschaften wie Druck, Volumen und Temperatur durch die Übertragung von Energie in Form von Wärme oder Arbeit ändern. Diese Prozesse sind an den thermodynamischen Kreisläufen von Verbrennungsmotoren (endothermen Motoren) beteiligt, die üblicherweise in Autos, Motorrädern und vielen anderen Maschinentypen zu finden sind.
Endotherme Motoren wandeln die chemische Energie von Kraftstoffen (z. B. Benzin oder Diesel) in mechanische Energie um. Dies wird durch thermodynamische Zyklen erreicht, die in den Motorzylindern ablaufen. Zu den Hauptkomponenten des Motors gehören Kolben, Zylinder, Einlassventil, Auslassventil und Kurbelwelle. Die Bewegung der Kolben in den Zylindern ist es, die das Fahrzeug letztendlich antreibt.
Die wichtigsten Zyklen dieser Motoren sind der Otto- und der Dieselzyklus. In beiden Fällen treten folgende thermodynamische Prozesse in ihren verschiedenen Stadien auf:
- Isobar: Der Druck bleibt konstant, während sich das Volumen ändert.
- Adiabatisch: Es findet kein Wärmeaustausch mit der Umgebung statt; Druck- und Temperaturänderung aufgrund der Kompression oder Expansion des Gases.
- Isochor (isochorisch): Das Volumen bleibt konstant, wenn sich Druck und Temperatur ändern.
Phasen des Otto-Zyklus
Einer der häufigsten Kreisläufe, der den Betrieb von Verbrennungsmotoren beschreibt, ist der Otto-Kreisprozess. Dieser Zyklus besteht aus vier Hauptphasen: Einlass, Kompression, Verbrennung (Expansion) und Auslass.
1. Aufnahme (isobares Verfahren)
Während des Ansaughubs öffnet sich das Einlassventil und der Kolben bewegt sich im Zylinder nach unten. Dadurch kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder gelangen.
Zu diesem Zeitpunkt ist der Prozess isobar, da der Druck im Zylinder konstant bleibt (gleich dem Atmosphärendruck), während das Volumen zunimmt. Diese Volumenvergrößerung ist auf die Abwärtsbewegung des Kolbens zurückzuführen, wodurch mehr Platz im Zylinder entsteht.
2. Kompression (adiabatischer Prozess)
Nachdem das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder gelangt ist, schließt das Einlassventil und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch das Gemisch komprimiert wird.
Dieser Prozess erhöht die Temperatur und den Druck des Gemisches, es handelt sich jedoch nicht um einen isobaren, sondern um einen adiabatischen Prozess, da sich der Druck während der Kompression ändert.
3. Verbrennung und Expansion (isochorer und dann isobarer Prozess)
Sobald der Kolben die Oberseite des Zylinders erreicht, wird das komprimierte Gemisch durch einen Funken gezündet. Die schnelle Verbrennung des Gemisches führt zu einem plötzlichen Anstieg von Temperatur und Druck (isochorischer Prozess), gefolgt von der Expansion der Gase.
Während sich der Kolben während der Expansion nach unten bewegt, vergrößert sich das Volumen des Zylinders und der Druck bleibt in der Endphase der Expansion tendenziell konstant (isobarer Prozess).
4. Flucht (isobarer Prozess)
In der Abgasstufe öffnet sich das Auslassventil und der Kolben bewegt sich wieder nach oben, wodurch die verbrannten Gase aus dem Zylinder gedrückt werden.
Wie in der Ansaugphase bleibt der Druck im Zylinder relativ konstant (bei Atmosphärendruck), während das Volumen abnimmt. Dies ist ein weiteres Beispiel für einen isobaren Prozess.
Stufen des Dieselzyklus
Im Dieselzyklus hängen Effizienz und Leistung davon ab, wie Druck, Volumen und Temperatur im Motor verwaltet werden.
1. Aufnahme (isobares Verfahren)
Während der Einlassphase öffnet sich das Einlassventil und der Kolben bewegt sich im Zylinder nach unten. Dadurch kann Luft in den Zylinder eindringen.
In diesem Stadium ist der Prozess isobar, da der Druck im Zylinder konstant auf Atmosphärendruck bleibt, während das Volumen durch die Abwärtsbewegung des Kolbens zunimmt. Im Gegensatz zu Benzinmotoren gelangt bei Dieselmotoren nur Luft in diese Phase, kein Gemisch aus Luft und Kraftstoff.
2. Kompression (adiabatischer Prozess)
In der Kompressionsphase schließt das Einlassventil und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch die Luft im Zylinder komprimiert wird.
Dieser Prozess erhöht die Temperatur und den Druck der Luft aufgrund des hohen Verdichtungsverhältnisses des Dieselmotors erheblich, wobei es sich nicht um einen isobaren, sondern um einen adiabatischen Prozess handelt, da sich der Druck erheblich ändert.
3. Verbrennung (isobarer und isochorer Prozess)
Die Verbrennungsphase beginnt beim Dieselmotor, wenn sich der Kolben seinem höchsten Punkt (oberer Totpunkt) nähert. Dabei wird fein zerstäubter Dieselkraftstoff in die Druckluft eingespritzt.
Aufgrund der hohen Temperatur der Druckluft entzündet sich der Kraftstoff spontan (Selbstentzündung). Dabei wird die Verbrennung in zwei Teile gegliedert:
- Anfängliche Verbrennung (isochorer Prozess): Zunächst verbrennt der eingespritzte Kraftstoff schnell, wobei Temperatur und Druck ansteigen, ohne dass sich das Volumen wesentlich ändert.
- Expansionsverbrennung (isobarer Prozess): Anschließend wird kontrolliert mehr Kraftstoff eingespritzt, wobei der Druck konstant bleibt, während das Volumen durch die Abwärtsbewegung des Kolbens zunimmt. Dabei handelt es sich um einen isobaren Prozess, der für die Effizienz von Dieselmotoren von entscheidender Bedeutung ist, da er eine kontrollierte Gasexpansion und eine gleichmäßigere Leistungsabgabe ermöglicht.
Flucht (isobarer Prozess)
In der Auslassphase öffnet sich das Auslassventil und der Kolben bewegt sich wieder nach oben, wodurch die verbrannten Gase aus dem Zylinder ausgestoßen werden.
Ähnlich wie in der Ansaugphase bleibt der Druck im Zylinder relativ konstant (bei Atmosphärendruck), während das Volumen abnimmt. Dies ist ein weiterer isobarer Prozess.
Unterschiede zwischen Diesel- und Otto-Zyklen
Im Otto-Zyklus laufen isobare Prozesse beim Ansaugen und Ausstoßen ab. Beim Ansaugen gelangt das Luft-Kraftstoff-Gemisch mit konstantem Druck in den Zylinder, beim Ausstoßen werden die verbrannten Gase mit konstantem Druck ausgestoßen. Bei der Verbrennung und Expansion findet kein isobarer Prozess statt.
Andererseits gibt es im Dieselkreislauf auch isobare Vorgänge beim Ansaugen und Ausstoßen, die Luftzufuhr erfolgt jedoch nur im Ansaugbereich. In diesem Fall umfasst der Dieselzyklus einen isobaren Prozess während der Verbrennung.
Nach der Selbstentzündung des Kraftstoffs erfolgt die Verbrennung bei konstantem Druck, während der Kolben absinkt, was eine kontrollierte Verbrennung und eine effiziente Expansion der Gase ermöglicht. Dieser Unterschied in der Verbrennungsphase trägt zur höheren Effizienz des Dieselmotors im Vergleich zum Ottomotor bei.