Wie fährt man spritsparend..

[[sauba]]

Mit effizienter Verbrennung meine ich:

Verbrennung möglichst komplett im oberen Totpunkt, sodass im thermodynamischen Kreisprozessdiagramm die ausgefüllte Fläche (welche der technischen Arbeit entspricht) möglichst eckig wird. Außerdem wird dadurch die Kolbenwand weniger erwärmt, als wenn sich die Zündung in die Expansionsphase zieht (was sie jedoch in der Realität dennoch tut) - die Temperaturdifferenz bleibt höher, genauso der Druck, was in einer effizienteren Nutzung der Wärmeenergie resultiert.

Hier sind mal ein T,s wie auch ein p,V-Diagramm des Otto-Vergleichsprozesses.

Dies ist jedoch der Idealprozess - durch diesen Dehnungseffekt bei der Zündung (wie auch durch andere Effekte, z.B. das Arbeit aufgewendet werden muss um die verbrannten Gase auszuschieben und neue zu holen, dass Wärme über die Schmiermittel verloren gehen etc.) wird die eingeschlossene Fläche jedoch stark verkleinert.

es gibt beim auto, nein allgemein in der Physik, nur eine ursache für Verbrauch:
Reibung.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik. Leider hast du damit den zweiten unterschlagen - es ist technisch nunmal nicht möglich, ein J Wärmeenergie in ein J kinetische Energie umzuwandeln - folglich hättest du auch einen gewissen "Energieverlust", weil sich chemische Energie in Wärme umwandelt, selbst wenn dein ideales Auto mit fast verlustfreien Reifen in einem Vakuum fortbeschleunigt. Solltest du also ein prefektes Hybridsystem haben, mit deinem Ottomotor-betriebenen Auto (idealer Kreisprozess) auf 100 km/h beschleunigen, dann per Regeneration auf 0 bremsen und die kinetische Energie im Akku speichern, und danach die Akku-Energie und die verbleibende chemische Energie im Tank vergleichen, so wäre diese Energiemenge geringer als die zu Beginn!

Denk dran - die Entropie kann nur steigen (ohne Energiezufluss von außen). Daher gilt es, den Kreisprozess so effizient wie möglich zu gestalten.

 

[devgenc]

"saubara" post

 

[stonix015]

ist das wirklich so?
aber genau das ist ja der trick, mein PERFEKTES auto hat ja garkeine wärmeabgabe.
Dadurch dass er nicht reibt.
Ist jetzt ein gedankenexperiment das ist klar, aber ihr wisst was ich meine.

Denn die thermische energie kommt ja von reibung, bei einem elektromotor ist das ganze schwieriger, denn da kommt die thermische energie durch elektronenfluss, allerdings unterm strich auch wieder durch reibung..


Genau deswegen ist ja die theorie so anstößig, weil wir und einfach kein system komplett ohne reibung vorstellen können, ALLES würde zusammenbrechen, es hätte so viele folgen, das kann man sich garnicht vorstellen.

 

[[sauba]]

Die Wärmezufuhr in der Brennkammer deines Ottomotors kommt durch zwei Faktoren zustande - dem Verdichten der Umgebungsluft sowie dem Verbrennen des Kraftstoffes. Lass mich das bitte kurz verdeutliche anhand des p-v-Diagrammes des Ottoprozesses:

Zunächst durch die (möglichst isentrope) Verdichtung der Umgebungsluft (von Punkt 1 auf Punkt 2). Isentrop bedeutet, dass du eine konstante Entropie hast - du "verlierst" als noch keine technisch nutzbare Energie hierbei. Sichtbar ist das in diesem Diagramm des idealen Ottoprozess an der geschwungenen Bahn der Punkte 1 zu 2 - das ist eine Isentrope.

Dann spritzt du Benzin ein (in Punkt 2) und zündest das Gemisch (der Zweck des Benzineinspritzens ist übrigens eine reine Temperatur- und damit Druckerhöhung). Das ist der Weg von Punkt 2 nach Punkt 3 (Volumen bleibt konstant auf seinem Minimum (oberer Tiefpunkt), dadurch wächst der Druck).

Jetzt lässt du das - extrem heiße - Gas expandieren, dabei verrichtet der Motor dann Arbeit. Das ist von Punkt 3 nach Punkt 4 (ebenfalls isentrop im Idealprozess). Wenn du beim Ausgangsvolumen angekommen bist (Punkt 4), hat dein Gas jedoch (da du nach der isentropen Verdichtung noch Wärmeenergie aus dem Benzin zugeführt hast) einen höheren Druck (und damit auch eine höhere Temperatur) als das Gas, dass du ursprünglich mal verdichtet hast. Zu diesem Zeitpunkt hast du das maximale Hubvolumen erreicht. Nun öffnen die Ventile, das Gas wird ausgetauscht - die (noch restheißen) Verbrennungsgase raus, frische Luft rein (4 -> 1).

Die Temperatur und Volumenarbeit, die bei 4 noch im Gas steckt, gibst du an die Umwelt ab als Anergie und sie ist folglich verloren (bzw. nur noch als technisch nicht nutzbar Niedertemperaturwärme in der Umgebung vorhanden).

Die blaue Fläche ist übrigens die technische Arbeit, die dein Motor abgibt.

Wie du siehst, entsteht die Wärme, die man abgibt, selbst im idealen Prozess (der reibungsfrei ist!) gar nicht durch Reibung. Sie entsteht prinzipbedingt als nicht-nutzbarer Rest des Prozesses. Dies ist übrigens eine Tatsache, die in allen Kreisprozessen (selbst dem "Königsprozess", dem Carnot-Prozess, der den besten Wirkungsgrad aller Kreisprozesse besitzt) zu finden ist, und leider sehr oft vernachlässigt wird bzw. den Menschen einfach unbekannt.

 

[Shar]

Servus.

Der Otto-Motor hat aktuell eine Effizienz von ca. 35%, der Diesel liegt bei bis zu 50% (das interessante ist, daß beide Kraftstoffe annähernd den gleichen Heizwert haben).
D.h. von der Energie des Kraftstoffs nutzt du im Falle des Ottos gerade mal 35% dafür, diese in Bewegungsenergie umzusetzen und damit in Kraft für den Vortrieb. Reibungsverluste hat man zwar, aber die meiste Energie von den 65% bläst du als Wärme in die Umwelt.
Deswegen hat man z.B. den Abgasturbolader erfunden. Dieser nutzt ein Teil dieser Energie noch, um den Motor aufzuladen.


@sauba: Danke für die Erklärung.

Mit effizienter Verbrennung meine ich:

Verbrennung möglichst komplett im oberen Totpunkt, sodass im thermodynamischen Kreisprozessdiagramm die ausgefüllte Fläche (welche der technischen Arbeit entspricht) möglichst eckig wird. Außerdem wird dadurch die Kolbenwand weniger erwärmt, als wenn sich die Zündung in die Expansionsphase zieht (was sie jedoch in der Realität dennoch tut) -[...]

Yep, ein falscher Zündzeitpunkt kann einen deutlichen Leistungsverlust mit sich ziehen. Viel zu früh hat man eine Klopfende Verrbrennung, zu spät verpufft die Verbrennung in der bereits vonstatten gehenden Abwärtsbewegung des Kolben ungenutzt.

Aktuelle und nicht ganz so alte Otto-Motoren laufen, was die Zündung betrifft immer annähernd dem maximal Möglichen, d.h. so früh wie möglich um eben den Spitzenverbrennungsdruck kurz nach OT zu erreichen. Die wird über die Verbrennungsüberwachung und dem damit verbundenen, immer wieder Richtung früh sich bewegenden Zündzeitpunkt erreicht, kurzum über die Klopfregelung.

Der Punkt, an dem der Motor sein maximales Drehmoment erreicht liegt damit nicht so sehr am Zündzeitpunkt, viel mehr an dem, bei dieser Drehzahl besten Gaswechsel im Zylinder, kurzum, der Motor bekommt konstruktiv bedingt bei der Drehzahl das meiste Potential serviert in Form einer besten Zylinderfüllung.
__________________________________________________________________________________

Zum Kraftstoffverbrauch.
Hier mal ein Leistungsdiagramm inklusive der Kurve für den spezifischen Kraftstoffverbrauch. Da kann man selber das erkennen, was ich weiter oben bereits geschrieben hatte, daß max. Drehmoment nicht gleich geringsten Kst-Verbrauch ist: klick mich

Die unterste Kurve gibt den Kraftstoffverbrauch an (einfache Form). Am niedrigsten bei etwa 2400rpm.
Maximales Drehmoment bei ca. 3000rpm.
Maximale Leistung bei ca. 5000rpm.

Macht man sich noch die Mühe, das eigentliche Kennliniendiagramm für den spezifischen Kst-Verbrauch anzuschauen, sieht man, daß dieser absolut nicht konstant ist oder sich rein an Drehzahl o.ä. festmachen lässt. Die "Linien" sehen aus wie Muscheln. Hier mal ein Beispiel: klick mich

Sollte eigentlich klar sein, sage es aber sicherheitshalber nochmal dazu. Die Kennfelder sind von Motor zu Motor unterschiedlich.


Grüßle ~Shar~

 

[kisser]

die wird theoretisch durchs bremsen wieder wett gemacht.
Also durch reibung.

Ohne reibung sähe der vorgang so aus:
Beschleunigen -> potentielle energie wird in kinetische umgewandelt
Bremsen -> kinetische energie wird wieder in potentielle umgewandelt.

Benzin oder sonstige Kraftstoffe sind keine potentielle Energie, sondern chemische Energie.

 

[Rollman]

@ shar und sauba: Nicht schlecht!

Allerdings erhöht ein Turbolader(es gibt eine Ausnahme, dazu später) nicht den Wirkungsgrad, indem er Energie aus dem Abgas nutzt. Die Energie, die zum komprimieren des Frischgases benötigt wird, resultiert aus dem höreren Gegendruck beim Ausschieben. Es gibt keine Wirkungsgradsteigerung da die Kompresionsarbeit maximal so groß sein kann, wie der Verlust durch die erhöhte Ausschiebearbeit.
Die Ausnahme ist die sogenannte Stoßaufladung: Beim öffnen des Auslassventils läuft eine Druckwelle auf die Turbienenschaufeln und die kinetische Energie des Gases wird in Drehbewegung des Turbos umgewandelt. Allerdings ist die Wirkungsgardverbesserung sehr klein, außerdem muss die Abgasseite möglichst keine Biegungen aufweisen und der Turbo muss extrem nah hinterdem Auslassventil angeordnet sein.
In nahezu allen Turbomotoren wird also die Stauaufladung verwendet.

Natürlich kann es durch den Einsatz eines Turbos eine Wirkungsgardverbesserung geben, allerdings dann durch Verbesserung z.B. des Brennverlaufs...

 

[Shar]

Servus.

Wirkungsgrad des Motors erhöht man mit einem Lader nicht, das ist klar, jedoch, wie oben geschrieben nutzt man die in den Abgasen steckende Energie noch aus, um den Lader abzutreiben und so den Motor aufzuladen.
Klar hat man mit einem Lader eine etwas höheren Widerstand beim Ausstoßen der Abgase, jedoch ist der Zugewinn höher, als der Verlust, da man eben die in den Abgasen steckende Energie hauptsächlich zum Antrieb des Laders nutzt und nicht die Ausstoßarbeit des Motors.

Durch das Anpassen der Abgasrohrlänge, kann man noch für einen gleichmässigen Antrieb sorgen und verhindert, daß die Abgaströme der einzelnen Zylinder sozusagen in die Quere kommen bzw. den Ausstoßtakt des einen Zylinders zu behindern, kurzum man verwendet einen Fächerkrümmer.

außerdem muss die Abgasseite möglichst keine Biegungen aufweisen und der Turbo muss extrem nah hinterdem Auslassventil angeordnet sein.

Biegungen sind nicht so gravierend. Wichtiger ist dafür zu sorgen, daß zwischen Motor und Abgaslader die Abgase möglichst die Energie, sie sie inne haben nicht zu verlieren, sprich ein Abkühlen und Expandieren dieser zu verhindern.

Grüßle ~Shar~

 

[Rollman]

Klar hat man mit einem Lader eine etwas höheren Widerstand beim Ausstoßen der Abgase, jedoch ist der Zugewinn höher, als der Verlust,

Ja, genau. Aber es muss dazu gesagt werden, dass dieser Zugewinn vorallem durch eine Erhöhung der Einsprizmenge erreicht wird. Also der Gesammtwirkungsgrad (mit den anderen Faktoren) nicht steigt.
Mit den Biegungen meine ich, dass die kinetische Abasenergie nicht verwirbelt wird. Und die kurze (und enge) Leitung ist nötig, um die kinetische Energie bis zur Turbine möglichst aufrechtzuerhalten. (Ist wie gesagt vorallem für Stoßaufladung nötig.)

 

[Shar]

Servus.

Ja, genau. Aber es muss dazu gesagt werden, dass dieser Zugewinn vorallem durch eine Erhöhung der Einsprizmenge erreicht wird.

Jaein. Klar wird mir Kraftstoff eingespritzt aber eben nur, weil man mehr Luft in den Zylinder bekommt.
Da es eher immer das Problem ist, die Zylinderfüllung (mehr Luft bzw. Sauerstoff in den Zylinder) zu verbessern, statt mehr Kraftstoff in den Zylinder zu bekommen (tendenziell einfach mehr einzuspritzen ist eher nicht das Problem), kann man eher sagen, daß der Drehmoment- und Leistungsgewinn mehr von der zugenommenen Zylinderfüllung mit Luft bzw. Sauerstoff herrührt.
Will sagen, der Zugewinn rührt von der durch Aufladung erhöhten Luftmenge im Zylinder in Verbindung mit der damit einhergehenden Erhöhung der eingespritzten Kraftstoffmenge; ist also nicht so, daß man einfach mehr Benzin zuführt.


Grüßle ~Shar~

 

[[sauba]]

Also zunächst einmal:

Der Heizwert von Diesel und Benzin unterscheidet sich sehr wohl. Es kommt stets drauf an, in welchen Einheiten du rechnest. Rechnest du in Energie pro Masse, dann sind beide fast identischt (11,8 kWh/kg Diesel, 12 kWh/kg Superbenzin). Hier liegt das Superbenzin sogar "vorne". Jedoch betankst du deinen Wagen ja nicht massenbezogen, sondern volumenbezogen - daher ja auch die Angabe des Verbrauchs "Liter/100 km" und nicht "Kilogramm/100 km".

Nun kommt nämlich die Dichte ins Spiel. Und die ist beim Diesel höher als beim Benzin (833 kg/m³ im Vergleich zu 740 kg/m³). Und wenn man nun die Energiedichte pro Liter anschaut, landet man etwa bei 8,76 kWh/Liter Superbenzin und 9,8 kWh/Liter Diesel.

Das macht eine etwa 12 % höhere Energiedichte pro Liter zugunsten des Diesels. Daher stammt auch der Löwenanteil des niedrigeren Verbrauchs des Diesel. Man braucht schlicht weniger Volumen um die gleiche Wärmemenge bereit zu stellen.

Und zum Thema Turbolader: Die Energie, die man aufwendet, um die Schaufeln zu beschleunigen kompensiert sich durch die nötige Ausschubarbeit für die abgebrannten Gase.

Generell ist der Wirkungsgrad des Ottoprozesses aber eine Funktion des Verdichtungsverhältnisses im Motor. Und je mehr Sauerstoff ich in den Motor hineinpresse, desto mehr Benzin kann ich dazu einspritzen, und umso größer wird der entstehende Wärmestrom in den Brennraum - in meinem p-V-Diagramm wird das deutlich in einem "nach oben ziehen" von Punkt 3. Und bei einem angenommenen isentropen Expandieren der Brenngase wird dadurch auch Punkt 4 nach oben gerückt - die schraffierte Fläche steigt, die abgegebene Arbeit damit auch.

Da die Arbeit steigt, können weniger Zylinder verbaut werden, wodurch weniger motorinterne Reibung vorhanden ist wie auch das Fahrzeuggewicht sinkt - beides wirkt sich positiv auf den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs aus. Das ist auch die Grundlage des Downsizings.

 

[Shar]

Servus.

Das der Heizwert gleich ist, sagte ich nicht. Ich sagte, er ist annähernd gleich, weswegen beide Motorenkonzepte eben auch auf den fast gleiche Verbrennungshöchsttemperatur von ca. 2500°C kommen.
Das mit der Dichte ist i.d.T. ein nicht unwesentlicher Aspekt.

Der bessere Wirkungsgrad des Diesel rührt u.a. auch vom Ablauf seiner Verbrennung her (Gleichdruckverbrennung, Otto hat eine Gleichraumverbrennung), womit er in der Lage ist, die Energie die bei der Verbrennung entsteht besser in Bewegungsenergie umzuwandeln. Dies erreicht man durch mehrmalige Nacheinspritzung, womit man den Verbrennungsdruck versucht, konstant hoch zu halten, entgegen der Expansion des Verbrennungsraumes. Und da der Diesel mehr Energie in Bewegungsenergie umwandelt, hat der Diesel letztlich, trotz gleicher Verbrennungshöchsttemperatur eine deutlich geringere Abgastemperatur, als der Otto-Motor, der eben sehr viel mehr der Energie als Abwärme in die Umwelt entlässt.

Beim Vergleich vom Verdichtungsverhältnis zw. Sauger und aufgeladenem Motor sollte man noch berücksichtigen, daß die aufgeladenen Motoren ersteinmal eine mechanisch bedingt, geringere Verdichtung aufweisen. Sauger liegt bei ca. 12-14:1, aufgeladene Motoren bei ca. 7-8:1.

Grüßle ~Shar~

Ergänzung (23. Juni 2011)

edit: Der Diesel hat eine 10,6% höhere Energiedichte als Superbrenzin. EDIT: Hast den %-Satz schon selber geändert, sehe ich gerade.

Ergänzung (23. Juni 2011)

edit: Yep, beim Downsizeing kann ich dir gänzlich zustimmen.

Ergänzung (23. Juni 2011)

edit:

Und zum Thema Turbolader: Die Energie, die man aufwendet, um die Schaufeln zu beschleunigen kompensiert sich durch die nötige Ausschubarbeit für die abgebrannten Gase.

Was genau meinst du damit?

 

[Rollman]

@[sauba]: Ich hab auch nicht genau verstanden, was mit dem Zitat gemeint war! Ich glaube aber, ich bin derselben Meinung.....
@ Shar: Das mit der Einspritzmenge war so gemeint, wie du es dann geschrieben hast. War von mir nicht außreichend beschrieben.... Ist schon klar, dass es nicht sinnvoll wäre einfach nur die Einspritzmenge zu erhöhen.
Der Vegleichsprozess vom Diesel ist allerdings ein Seiligerprozess, also eine Mischung aus Gleichdruck- und Gleichraumprozess. Zuerst ein Teil Gleichraumprozess und dann ein Teil Gleichdruckprozess. Es sollte noch erwähnt werden, dass der Diesel auch durch die Drosselfreiheit einen höheren Wirkungsgrad (Teillast) als der Benziner besitzt.

Das mit der niedrigen Verdichtung beim Benzin-Turbo hat nicht nur mechanische Gründe. Vor allem thermische Gründe kommen dazu. So kann durch hohe Brennraumtemperaturen mit hoher Verdichtung eine klopfende Verbrennung herbeigeführt werden, welche den Motor schädigen (mechanisch).