Diesel-Kreisprozess

Der Diesel-Kreisprozess (Gleichdruckprozess) ist ein Vergleichsprozess für Kolbenmotoren, bei denen die Wärmezufuhr bei Gleichdruck (isobar) in der Expansionsphase erfolgt. Dazu im Gegensatz steht der Otto-Kreisprozess (Gleichraumprozess) für Kolbenmotoren, bei denen die Wärmezufuhr bei konstantem Volumen (isochor) erfolgt.

Prozessablauf

Der Vergleichsprozess besteht aus vier Zustandsänderungen eines idealen Gases. Der Gaswechselzyklus (isobares Ausstossen und Ansaugen) ist nicht berücksichtigt. Die vier Prozessphasen sind:

isentrope Kompression (1 → 2)
isobare Wärmezufuhr (2 → 3) (deshalb Gleichdruckprozess!)
isentrope Expansion (3 → 4)
isochore Wärmeabfuhr (4 → 1)

Zustandsdiagramm und Daten aus einem Berechnungsbeispiel
Diesel-Prozess im p-V-Diagramm (Isentropen punktiert gezeichnet)	Diesel-Prozess im T-s-Diagramm (Isobaren punktiert gezeichnet)

Die vom Linienzug (1 → 2 → 3 → 4) umschlossene Fläche entspricht der spezifischen Arbeit.

Die vier Prozessschritte stellen sich wie folgt dar:

Verdichten der Ladung: Linienzug 1 → 2
Arbeiten (Verbrennung und Expansion): Linienzug 2 → 3
Arbeiten (Expansion ohne Wärmezufuhr): Linienzug 3 → 4
Ausstoßen der verbrannten Ladung: Linienzug 4 → 1

Wirkungsgrad

Zustands- und Prozessdaten

Der Wirkungsgrad des Dieselprozesses ist abhängig vom geometrischen Verdichtungsverhältnis $\varepsilon$ , dem Volldruck- oder Gleichdruckverhältnis $\varphi$ , welches wiederum von der zugeführten Wärmemenge abhängt, und dem Isentropenkoeffizienten $\kappa$ , der stark temperaturabhängig ist.

Zur leichten Berechnung wird als Arbeitsmedium ein ideales Gas mit temperaturunabhängiger spezifischer Wärmekapazität angenommen. Der thermische Wirkungsgrad des Dieselprozesses lässt sich folgendermaßen bestimmen:

\eta _{th\,\mathrm {Diesel} }=1-{\frac {1}{\varepsilon ^{\kappa -1}}}\cdot {\frac {\varphi ^{\kappa }-1}{\kappa (\varphi -1)}}

Der erste Hauptfaktor ist der thermodynamische Verlust für den Gleichraumprozess. Der zweite Hauptfaktor ist der zusätzliche Verlust durch den Gleichdruckprozess und somit größer als 1. Der Gleichraumprozess ist also theoretisch effizienter als der Gleichdruckprozess.

\varepsilon ={\frac {V_{1}}{V_{2}}}

; Verdichtungsverhältnis. V₂ ist das Kompressionsvolumen und V₁ das Anfangs- bzw. Expansionsvolumen. Je höher das Verdichtungsverhältnis, desto höher der Wirkungsgrad.

\varphi ={\frac {V_{3}}{V_{2}}}

; Volldruckverhältnis. V₃ ist abhängig von der Energiezufuhr.

\kappa ={\frac {c_{p}}{c_{V}}}

; Isentropenexponent. Er nimmt mit zunehmender Temperatur stark ab. Je höher der Isentropenexponent desto höher der Wirkungsgrad. Brenngas bzw. Abgas von 1000 °C hat einen Wert von ca. 1,3.

R_{s}=c_{p}-c_{V}

; Spezifische Gaskonstante in J/kgK. Sie bleibt über einen weiten Temperaturbereich konstant und beträgt ca. 295 J/kgK für Frischgas und Abgas.

\ c_{p}

; Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck. Abgas von 1000 °C hat ca. 1250 J/kgK.

\ c_{V}

; Spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen. Abgas von 1000 °C hat ca. 950 J/kgK.

Einspritzverhältnis (Volldruckvolumenverhältnis)

Die spezifische Wärmezufuhr oder Heizenergie bestimmt die Temperatur- bzw. Volumenzunahme bei Gleichdruck. Diese Zahl beeinflusst den Wirkungsgrad.

\varphi ={\frac {H_{u}}{m_{H}c_{p}T_{2}}}+1

; Volumenverhältnis bei der Wärmezufuhr (Volldruckverhältnis). H_u ist der untere Heizwert oder die spezifische Heizenergie (J/kg), z.B. 42 MJ/kg für Benzin oder Diesel. m_H ist die spezifische Heizmasse zur Brennstoffmasse (kg/kg), z.B. 19 kg Luft und Restabgas pro kg Diesel.

p_{2}=p_{1}\cdot \varepsilon ^{\kappa }

; Verdichtungsdruck. p₁ ist der Anfangsdruck im Zylinder, z.B. 1 bar.

T_{2}=T_{1}\cdot \varepsilon ^{\kappa -1}

; Verdichtungstemperatur. T₁ ist die Anfangstemperatur im Zylinder vor dem Verdichten, z.B. 400 K (ca. 127 °C).

T_{3}=T_{2}\cdot \varphi

; Höchsttemperatur nach der Gleichdruckverbrennung und

V_{3}=V_{2}\cdot \varphi

; Volumen nach der Gleichdruckverbrennung.

Der reale Dieselmotor

Die Abweichung des reinen Gleichdruckprozesses vom realen Dieselprozess ist sehr groß. Der Höchstdruck beim Dieselmotor liegt mindestens doppelt so hoch wie der Verdichtungsdruck! Ein guter Vergleichsprozess für Diesel- und Ottomotoren ist der Seiliger-Kreisprozess. Der Dieselmotor hat gegenüber dem Ottomotor ein höheres Verdichtungsverhältnis und einen höheren Enddruck bei gleicher thermischer Belastung des Materials. Dadurch wird gegenüber dem Ottomotor ein höherer Wirkungsgrad erzielt. Erreichbar sind heute Wirkungsgrade von ca. 42 % bei Personenkraftwagen, 45 % bei Lastkraftwagen und 50 % beim Schiffsdiesel. Die geringere Literleistung gegenüber dem Ottomotor hat die Ursache im geringeren Treibstoffumsatz zum Luftumsatz.

Literatur

Literatur zur Technischen Thermodynamik
Wolfgang Kalide: Kolben und Strömungsmaschinen. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1974, ISBN 3-446-11752-0
Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X
Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3

Siehe auch

Weblinks

Universität Duisburg-Essen, Grundlagen der Technischen Thermodynamik mit Übungsaufgaben und Lösungen