Thermodynamische Entwicklung und Analyse einer nach den Anforderungen der Kreisprozessabschnitte gestalteten Hubkolbenbrennkraftmaschine

Die aktuell geführte Debatte über die Veränderungen des Erdklimas durch anthropogene CO2- Emissionen bezieht sich zu einem großen Teil auf den Straßenverkehr. Zum einem durch das entstehende negative Image, zum anderen durch die geplante EU-Gesetzgebung wird damit die Verringerung des Kraftstoffverbrauchs zur wichtigsten Aufgabe für die Automobilindustrie. Außerdem beeinflussen steigende Energiepreise immer mehr das Kaufverhalten des Automobilkunden und zwingen zu einem ressourcenschonenden Umgang mit fossilen Kraftstoffen. Ein Entwicklungsschwerpunkt zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit zur Senkung der CO2-Emissionen ist die Verbesserung des thermodynamischen Prozesses der Verbrennungskraftmaschine. Nicolas Léonard Sadi Carnot hat in seiner Arbeit: “Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten Maschinen“ die Grundlage für die thermodynamische Entwicklung von Verbrennungskraftmaschinen in Form des nach ihm benannten Carnot-Prozesses geschaffen. Der Carnot-Wirkungsgrad hängt nur vom Verhältnis der maximalen und minimalen Prozess-Temperatur ab. Dieser Prozess dient bis heute als Vergleichsprozess, da sein Wirkungsgrad die Obergrenze für den in thermodynamischen Kreisprozessen erreichbaren Wirkungsgrad darstellt. Die Wirkungsgrade von aktuellen Verbrennungskraftmaschinen liegen noch deutlich vom Carnot-Wirkungsgrad entfernt und haben somit erhebliches Entwicklungspotential. Moderne Verbrennungsmotoren für PKW arbeiten noch heute nach dem Viertaktverfahren. Im Bestpunkt erreichen PKW-Dieselmotoren bis zu 42 % effektiven Wirkungsgrad und PKW-Ottomotoren 36 % effektiven Wirkungsgrad. Um den Wirkungsgrad des thermodynamischen Prozesses zu verbessern, ist es wichtig, zu verstehen, was mit der verbleibenden Kraftstoffenergie geschieht, bzw. wie diese Energie für den Prozess nutzbar gemacht werden kann. Der thermodynamische Prozess einer Verbrennungskraftmaschine teilt sich in der Regel in folgende Prozessabschnitte auf:.