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Fo 20

Der Eintakt Kreisprozeß

Der Eintaktprozeß verunsichert, denn der Ablauf erfolgt innerhalb einer halben Umdrehung in acht Prozeßfolgen.
Das ist ungewöhnlich und steht im Widerspruch zu der Bezeichnung "Eintaktmotor". Die Bezeichnung ist aber richtig,  durch die Möglichkeit, die Verdichtung aus dem eigentlichen Motor abzukopppeln. Dieses Abkoppeln ist nur durch den Eintaktmotor möglich.

D.h. die Vorgänge laufen gleichzeitig ab. Totpunkte und Gaswechsel nach konventionellem Verständnis fehlen.
Dieser Eintaktprozeß stellt sich am verständlichsten im 180° Diagramm dar.
Die Aufbereitung (1), (2), (3), und (4), können außerhalb des Motors erfolgen, bleiben nur (5), (6), (7), und (8), für die Arbeit, genau wie in der Expansionsdampfmaschine, die auch eine Eintaktmaschine ist.

Aufbereitung:
>(1) Ansaugen,   (2) >Verdichten,    (3) >Kraftstoffaufbereitung,   (4)  Zwischenspeichern>
Arbeit:            
> (5) Laden,   (6) > Explodieren,    (7) > Expandieren, > und  (8) Auspuffen.

Die Arbeitsfunktionen sind im  Prozeßablauf bei Vergleichen nützlich. Im Falle Eintaktmotor, ist die Ähnlichkeit, was die Ladung betzrifft, mit der Expansionsdampfmaschine (Bild 5) zu erkennen.
Vorversuche ließen bei der Explplosionsverbrennung vermuten, dass in der Heißkammer die Adiabate verändert ist und sich zu Gunsten der Isobare (=Explosion) nach außen verschiebt.

dampfdi4.jpg (41509 Byte)

bild
           

Im Diagramm der Dampfmaschine zeigt die Ergänzung (gestrichelte Linie) die Arbeit bei Volldampf ohne Expansion. Die Leistung ist hoch der Wirkungsgrad niedrig.
Mit der Expansion ist die Leistung zwar niedriger, der Wirkungsgrad aber ist hoch.

Eines von vielen  Eintaktmerkmalen ist daher, es laufen acht Vorgänge mit Expansion, innerhalb einer halben Motorumdrehung gleichzeitig ab. Das führte zur Bezeichnung "Eintaktmotor", was ständig bezweifelt wird .

Im Prozeß der Expansionsdampfmaschine ähnlich, wie am Bild 5 zu erkennen ist. Es fehlt der Verdichtungsraum, der auch beim Eintaktprozeß fehlt.  Die Expansions-Dampfmaschine   hat einen eindeutigen Eintaktablauf, - Laden > Expandieren >Arbeit > Auspuffen, ein  Eintaktprozeß.
Der Vorgänger der Expansionsdampfmachine war die historische Volldampfmaschine ohne Expansion,   es wurde geladen, die Arbeit wurde isobar erzeugt - mit vollem Kesseldruck und entspannte zu spät isochor mit vollen Restdruck, was schon damals als unwirtschaftich erkannt wurde und zur Expansionsdampfmaschine mit einem verbesserten Wirkungsgrad führte.
Nur der moderne Ottomotor arbeitet noch nach der gleichen Methode der Volldampfmaschine. Die sogenannte Expansion durch die Flammfront, die Wärmezuführung verfälscht den Ablauf, daher ist auch das Indikatordiagramm verfälscht.
 
Die Eintakt- Explosionsverbrennung erklärt sich aus Bild 4.

Für den Verbrennungsmotor gilt die Lehrmeinung die da sagt: Man kann es drehen und wenden wie man will, der Gleichraum- oder Gleichdruckprozeß mit Wärmezufuhr durch eine relativ langsam durchbrennenden Flammfront wie im Otto – Viertaktprozeß , bei einem minimalen Brennraumvolumen ist und bleibt der Prozeß mit dem höchsten Wirkungsgrad, der technisch "halbwegs" realisierbar ist.

Dabei wird nicht berücksichtigt, dass man weder theoretisch, noch praktisch diese Meinung weiter vertreten  kann, denn wenn die Definition  bei einem glühenden voll wärmeisolierten Eintakt-Zylinder mit Drehkolben auch zutreffen sollte, wäre die Suche nach einer Lösung zwar nicht vergeblich, aber doch sehr erschwert. 

Diese festzementierte Auffassung geht weiter : Führt man Wärme nicht im oberen Totpunkt, sondern davor oder danach zu, so führt das immer zur Verminderung des thermischen Wirkungsgrades. Allerdings führt eine Wärmezufuhr vor dem oberen Totpunkt zu einer weiteren Kompression (gemeint ist eine isotherme, d.h. durch einsetzen der Flammfront bedingte Druckerhöhung des Arbeitsmediums ein. An dieser Stelle beginnt die Viertaktlehre an zu wirken. Damit auch der Kampf der Kraftstoffchemiker und der  Verbrennungsmotor-Thermodynamiker. Dieser Kampf dauert nun bereits hundertfünfundzwanzig Jahre und kein Schiedsrichter ist in Sicht. Es ist der Kampf gegen das Klopfen.

Seit Otto, ist bis heute das eigentliche Problem der Spitzendruck geblieben. Diesen abzubauen, verhindert der   obere Totpunkt, weil man diesen nach der Viertaktlehre nicht ignorieren kann.
Zündet man genau am oberen Totpunkt, setzt die Verbrennung zu spät ein. Explodiert das Gemisch zu spät, führt es ggf. zu früh zum Nachklopfen an einem unbeschleunigten Kolben. Probleme über Probleme. da, das die Arbeitsleistung - zusätzlich durch Verkürzung Verbrennungszeit mindert, bleibt die Frage,was ist also tun ?

Diese Auffassung kann man nur entschärfen wenn es keine Totpunkte mehr gibt, was im Eintaktmotor  realisiert ist.
Dann kann man über die Explosionsverbrennung das Klopfen anstreben und  in Verbindung mit einer  variablen Expansionsstrecke nutzen.

Der Otto- Prozeß mit Gleichraumverbrennung zeigt im T-s Diagramm , unter der geschlossenen Prozeßkurve Schwarz als Arbeit, die aufgewendete Wärmeenergie in kg cal. für die Verdichtung bzw., die verlorengegangene Energie (Verlustenergie) an. An der Prozeßkurve ist nicht zu erkennen, daß bis an das Ende der Verbrennung Wärme durch eine Flammfront zugeführt wird.

Um den theoretische Prozeß als richtig zu beweisen, wird auf das mechanisch abgenommene Indikatordiagramm hingewiesen.

Der Carnot - Kreisprozeß 

 

Unbenannt2.jpg (8842 Byte)

1 - 2   isotherme Dehnung

2 - 3  adiabate Dehnung  die Temperatur fällt von  TI   auf   TII  Arbeitsgewinn ohne Wärmezufuhr

3 - 4  isotherme  Verdichtung   Arbeitsaufwand

4 - 1  adiabate  Verdichtung   Temperatur steigt  von  TII wieder auf TI    Arbeitsaufwand.

Die gewonnene Arbeit des Carnot- Prozesses  ist die Fläche L0    1 - 2 -3 - 4

                                     TI - TII
Der Wirkungsgrad =     TI            

Um den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern muß   TI   so hochgetrieben  werden wie es der Werkstoff zuläßt. Die Temperatur  TII   wäre dann die Umgebungstemperatur.

Demnach ist der Carnotprozeß der beste Arbeitsprozeß, wie man an der Rechteck - Form im T,s  Diagramm erkennen kann.
Als Erklärungshilfe habe ich einmal  das Ts - Diagramm mit 100% angegeben, d.h. mit 100% Wirkungsgrad was natürlich falsch ist - und auch falsch verstanden wurde.
Das Diagramm in quadratischer Form richtet sich nach der Maschine die zur Verfügung steht. Verliert die Maschine bzw. der Verbrennungsvorgang große Wärmemengen, die im Kreisprozeß ersetzt werden müssen, so wird das Feld im  Ts -Diagramm kleiner - und es wird auch  nicht quadratisch sein.

Daraus folgt : Es ist anzustreben, eine adiabate Zustandsänderung d.h. es darf möglichst wenig Wärme verloren gehen, also eine gute Wärmeisolierung zu schaffen.

Eine isotherme Zustandsänderung zu schaffen ist unmöglich. Aber es ist in einem voll wärmeisolierten System im geschlossenem Kreislauf möglich - auf einen angehobenen Temperaturniveau mit wenig Zuwärme  das Arbeitsgas auf Temperatur zu halten. Dadurch können die adiabatischen Verluste mit  gering gehalten werden.

Im  p,v - Diagramm kann man sehen, dass nur hohe Drücke  p3   zu  p1 die Arbeit vergrößern. Werden dabei hohe Spitzendrücke in Kauf genommen, muß darauf geachtet werden, dass die mechanischen Verluste nicht zu hoch werden.
dies geschieht am besten durch einen Drehkolben

  

 

Bild 1       

            a                          b                       c                         d                              e

vprozess1.jpg (18880 Byte)


Gelb ist die Verdichterarbeit !                                                                   bild

Die Vorgänge die durch die Indikatordiagramme aufgezeichnet sind, geben zwar den Druckverlauf im Zylinder wieder und sollen ein reales Bild vermitteln. Die Diagramme vermitteln pure Theorie, aber über den Verbrennungsvorgang wenig.
Das Carnot- Diagramm unter d  kann nur für Dampf gelten, in diesem Falle ist die Lade- Adiabate und Expansions-Adiabate richtig, es sind wirkliche Adiabaten weil vor der Arbeit, keine  Wärmemezufuhr erfolgt. Nach der Expansion  wurde die Wärmeabfuhr in Arbeit umgesetzt.

Da muß man fragen, wo bleibt die Wärmezufuhr durch die Flammfront? Antwort: Um die Kühlverluste zu ersetzen. Man läßt deshalb bein Viertaktprozeß  die Flammfront sicherheitshalber bis in den Auspuff hineinbrennen und zwickt mitten aus einer Verbrennung Arbeit heraus.
Weitere zusätzliche Rückschlüsse kann man  nur durch den abgeschlossenen Verbrennungsvorgang der Eintaktexplosionsverbrennung mit anschließender variabler Expansion ziehen

Das Indikatordiagramm: Adiabate 1 verdichten, -2 expandieren. Alles im Normalbetrieb mit durchbrennender Flammfront. Die Flammfront hält den Druck bis in den Auspuff aufrecht.
Deshalb kann man in diesem Falle nicht von einem echten adiabatischen Vorgang sprechen.
Der wäre ohne Wärmezufuhr gegeben.
Das zeigt:
Adiabate 1 und Adiabate 3 wenn diese ohne Flammfrontunterstützung abläuft, zeigt, die Leistung ist sehr gering. Bild 2

Der Inhalt des Prozeßdiagramms (Außenlinie) entspricht der theoretischen - verlustlosen Leistung die nach dem thermischen Wirkungsgrad angenommen wird.
Durch die Motorkühlung bedingt fehlt der isobare Anteil der Arbeit, der beim Dieselmotor durch Nachbrennen zu finden ist. 

Bild 2

Vergleich der Indikator- und theoretischen  Vorgänge

                                                   

An der gesrichelten Kurve ist zu erkennen, dass es ohne Flammfront zu keiner angemessenen Leistung kommen würde und dadurch der Wirkungsgrad sehr niedrig wäre. (Es ist das Feld zwischen Adiabate 1 und gestrichelt  Adiabate 3).*

* (Adiabate bedeutet keine Wärmezufuhr und keine Abfuhr)
Adiabate 3 entspricht der Adiabate in Bild 1 dem Carnot-Prozeß der aber offensichtlich der Dampfmaschine zugeordnet werden muß.
In diesem Falle verliert der Dampf durch expandieren Wärme die in Arbeit umgesetzt wird

Soll die Adiabate 3 (gestrichelt) in Richtung Adiabate 2 verschoben werden, damit es zu einer höheren Leistung kommt, gibt es zwei Möglichkeiten:
(a) Daß man mit mehr Kraftstoff die über die Kühlung verlorene Wärme ersetzt, wie es im Normalfall, im Ottomotor durch die Flammfront praktiziert wird, oder
(b) man isoliert den Zylinder und schafft möglichst nur an der Innenoberfläche glühende Zylinderwand. Dann ergibt sich eine Verschiebung von Adiabate 3 in Richtung Adiabate 2 und man erreicht auch ohne Wärmezufuhr mit weniger Kraftstoff  die gleiche Leistung. (Eintaktprinzip)

Die Gleichdruckverbrennung wird meist so beschrieben :
Die Wärmezufuhr erfolgt bei annähernd konstanten Druck.

Richtiger wäre - es hieße , der konstante Druck kommt erst durch die Wärmezufuhr über die Flammfront zustande.

Der Carnotprozeß gilt seit je her, als optimaler Prozeß. Wie oben angegeben wird dieser Prozeß als Beispiel für die anzustrebende Effizienz bei Verbrennungsmotoren herangezogen. In Wirklichkeit aber, gilt die gezeigte Kurve nur für überhitzten Dampf bei dem der Wärmeinhalt anders zu beurteilen ist, wie die Verbrennungsgase im Ottomotor. Es wird auf ca.1/5 von einem sehr langen Kolbenweg Heißdampf nachgeschoben, bevor der Schieber sperrt. Danach erst entspannt der Dampf in einem wärmeisolierten Zylinder ohne weitere Wärmezufuhr. So ist das oben gezeigte Diagramm zu verstehen.

Anders liegt der Fall beim Verbrennungsmotor
Die Temperaturbegrenzung um das Klopfen zu unterbinden, trägt sicher nicht zur Verbesserung der Verbrennung bei.

Mit dem Dieselprozeß erreicht man eine Besserung der Effizienz in der Verbrennung, denn zwischen 3 und 4 wird eine Isobare sichtbar. Verkürzt  man im oberen Bereich   Adiabaten durch ein kleineres Explosionsvolumen wird der Eintaktprozeß sichtbar.
Die Isobare die im Dieselmotor durch das Nachbrennen der Sprühtröpfchen zustandekommt, wird beim Eintaktmotor durch die heißere Zylinderwand, eine Verlängerung zwischen (3) und (4)  erreicht,  bis zur gestrichelten Linie, so ist ein Diagramm zu erwarten wie unter Bild 4 zusehen ist.
Diese Interprätiaton versucht krampfhaft am Dieseldiagramm  zu erklären wir der Ablauf im Eintaktmotor abläuft, nur deshalb, weil keine anderen Vorbilder vorhanden sind. auf die man die Funktion der Eintaktmotors aufsatteln könnte

Bild 3

dediagr1.jpg (8960 Byte)     bild

 

                                           diesel1.jpg (3194 Byte)     bild                                        

Das Bild versucht den Zusammenhang zu zeigen, um den Ablauf vorstellbar zu machen, denn man hat für den Eintaktprozeß eigentlich kein vergleichendes Prozeßdiagramm außer das der konventionellen Expansionsdampmaschine. Die Verdichtung auf  2 - 5 bar beginnt beim Eintaktmotor separat außerhalb vom eigentlichen Arbeitszylinder.
Ladung und Explosionsverbrennung erfolgen erst wenn der Druck gebraucht wird.
Bei (1) ist Ladeanfang im Kalten Bereich in einem separaten Zylinder > Bei Punkt (2), ist der Ladepunkt und Zündzeitpunkt. Bei (2) erfolgt die Explosionsverbrennung (kleinster Gemischmengen) schlagartig und der Druck steigt isochor, bei unbegrenzter Temperatur bis auf (3) an. Temperatur und Druck sind wesentlich höher als der Mitteldruck beim Dieselmotor  mit ca., 15 bar  doppelt so hoch.
Von (3) bis (4) wird keine Wärme wie beim Dieselmotor zugeführt, sondern es setzt sofort,ggf. der Druckabfall  wie nach Bild 4 angenommen ein.
Die geringere Leistung pro Arbeitshub der Eintaktexplosionsverbrennung, wird durch acht Explosionshübe innerhalb zwei Umdrehungen ausgeglichen.

                                           ___________________________________

Bild 4

daex1.jpg (15351 Byte)bild

                      
Bei der Heißkammerverbrennung läßt die nach außen gewölbte Kurve darauf schließen, dass wie vermutet wird, noch Unverbrannte Gemischreste verbrennen oder eine bestimmte Wärmemenge aus der überhitzten Zylinderwand ohne Wärmeverlußte den Druck oben hält.

Bei Bild 4  ist die Verwandtschaft zu Bild 5  erkennbar.   Die Strecke ("Zeit")  0 - 3/3  ist Kurz Das untenstehende Diagramm zur Eintaktexplosionsverbrennung in einem sehr heißen 500°C bis 800°C heißen Zylinder, weist eine Besonderheit auf. Die duch den Pfeil gekennzeichnete Isobare verlängert sich mit zunehmender Zylinderwandtemperatur, bis zur gestrichelte Kaltkammer-Linie die sich durch die heißen Zylinderwände weiter nach rechts verschiebt.
Auf das Wärmegefälle (die Differenz) zwischen dem Zeitpunkt der zugeführten Wärmemenge, bis zur Beendigung der  abgeführten Wärmemenge, haben die Explosionsverbrennungsgase auch bei höchsten Wandtemperaturen im Zylinder keinen Einfluß, denn die Wandtemperatur liegt immer unter der Explosionstemperatur des Gemisches.

Bild 5
dampfdi5.jpg (7385 Byte)

Dieses Bild zeigt den Lade (Füllungsvorgang) der Expansionsdampfmaschine der im Vergleich dem Eintaktvorgang sehr nahe kommt.
Das Rechteck (gestrichelt) deutet die Volldampfarbeit an, bei der der Kessel-Dampfdruck   unverändert bis zum Hubende stehen bleibt und der volle Druck auspufft.
( Die Leistung ist optimal gut, der der Wirkungsgrad optimal schlecht).
Zwischen diesen beiden Vorgängen liegt der Eintaktablauf.

Siehe dazu <das Problem Zeit>

<Zusatzfrage zum Diagramm>

Der Carnot Prozeß (Bild 1 d ) wie eingangs dargestellt, ist ein theoretischer Prozeß der  bei den Studien an der Expansionsdampfmaschine entstanden ist. Da der Eintaktprozeß der Expansionsdampfmaschine einen optimalen Wirkungsgrad aufweist, (erkennbar an der quadratischen T -S Diagrammform (unten), was auf einen optimalen Wirkungsgrad schließen läßt. Die geladene Energie in diesem Falle Heißdampf, vom Wärmeinhalt hat zum Ladezeitpunkt den vollen Wärmeinhalt, entspannt (expandiert) isobar, und pufft isochor aus.Es ist die optimalste Energienutrzung wie er ggf. praktisch, nicht nur theoretisch, in einem gut wärmeisolierten Zylinder -ohne Wärmeverluste möhlich ist.

carnot1.jpg (2979 Byte)

Der Carnotprozeß läuft bei der Expansion ohne Energienachschub ab, wie das Bild oben  zeigt. Auf konventionelle Verbrennungsmotore ist das nicht übertragbar, denn dies würde die Leistung schmälern.
Im  Indikatordiagramm werden Verdichtung +Verbrennung und Expansion als Adiabate bezeichnet.

Dieser Prozess würde im Vergleich wie unten aussehen:
Adiabate 1 und Adiabate 3 sind mit

indikadi1.jpg (7994 Byte) 

 

Deshalb kam man  von der Expansion ohne Wärmezufuhr, beim Verbrennungsmotor früh ab.
Das soll im Eintaktmotor verbessert  werden
Bei zwei Umdrehungen auf einen Hub kommt ohne dazwischenliegende Wärmezufuhr (vom oberen zum unteren Totpunkt) keine vertretbare Leistung zustande..
Dagegen entspannen im Eintaktmotor auf zwei Umdrehungen statt Heißdampf, heiße Explosionsgase von 1500K bis 2000 K . Dies sollte man analog dem Heißdampf von  500 K bis 570 K. sehen.

Bild 6

 

Das Eintakt 180° Diagramm
Zeigt den Einfluß der Drehzahl auf die Ladung und Explosionsverbrennung

Die beste Ladung wird bei niedriger Drehzahl erreicht, damit wird das Drehmoment hoch. Hingegen bei hoher Drehzahl wird weniger geladen. Die Explosion erfolgt aber auch mit einem hohen Wirkungsgrad.
Der Explosionsverbrennungsdruck sinkt, damit auch das Drehmoment. Der Leistungsausgleich erfolgt dann über eine höhere Drehzahl.
Die hohe Drehzahl des Eintaktmotors ist deshalb nur bei der Heißkammer sinnvoll. Denn dann wird durch die rekuperative Vorwärmung der verdichteten Luft das verminderte Drehmoment über die Drehzahl ausgeglichen.

180d6.jpg (33029 Byte)

                        U1= 1000 U/min U2=1500 U/min U3=2000 U/min U4=3000 U/min

( Ep ) 
ist der Weg der Expansion, zwischen ca. 75° und 135° (Winkelgraden). Wird  der Teilkreisdurchmesser am    Drehkolben vergrößert, vergrößert sich der Weg für die Expansion, die diesmal ohne Wärmezufuhr abläuft.
Wird von einem maximalen  Expansionsweg ausgegangen, d.h. er wird bei niedrigen Leistungen nicht voll genutzt, so kommt dies einem variablen Hub gleich. Man kann so die hauptsächlich beteiligte Expansionsarbeit der Explosionsverbennung anpassen.

Der Vorgang:
Ein Drehkolbenflügel durcheilt . Vom oberen Wendepunkt zum unteren Wendepunkt.mit ca.6m/s 180° (WP). Zur Arbeitsleistung wird nicht der ganze Weg genutzt. Für die beiden Wendepunkte gehen ca. 60° ab und es bleiben ca. 120° für Explosion und Expansion den eigentlichen Hub übrig. (LA) bis (HA) Laden (LA) und Zünden (HA) erfolgen gleichzeitig, die Zündverzögerung bis zur Explosion sind berücksichtigt. Der Explosionsdruck steigt im unteren Drehzahlbereich annähernd (isochor) bis zum Scheitelpunkt (S) an. Zwischen (S) = Maximaltemperatur (Maximaldruck) und (HE) = Hubende, expandiert der heiße Gasdruck und gibt Arbeit ab. Ausgepufft wird ab der Linie (HE) bei allen Drehzahlen.

Die rote Linie zwischen V und A trennt den kalten Verdichtungsvorgang von der heißen Arbeit, beide laufen synchron – gleichzeitig, aber ca. 50° - 60° verschoben ab.
Mit der Verdichtung (ES) bis zum Ladeanfang (LA), wird ein 50% - bis 75 % größeres Luftvolumen bereitgestellt wie das Hubvolumen des Arbeitszylinders.
Mit U1 einer relativ niedrigen Drehzahl von 1000 U/min kommt eine optimale Gemischladung zustande, die durch die hohe Explosionstemperatur einen hohen Druck aufbaut, der von (S) bis (HE) kurz und kräftig expandiert. Dieser Expansionshub leistet die Hauptarbeit. Ab (HE) dem Hubende wird ausgepufft.

Die blaue Auspufflinie ( HE ) kann bei der Konstruktion des Motors nach rechts verschoben werden, so dass für die Expansion genügend Reserve bleibt. Dies geht recht einfach, indem der Teilkreis am Drehkolben vergrößert wird.

Mit zunehmender Drehzahl U2, U3, U4, neigt sich die Explosionskurve , es wird mit hohem Druck, aber wegen der verkürzten Ladezeit weniger Gemisch geladen, die Expansionsstrecke wird zwar kürzer aber der hohe Wirkungsgrad bleibt erhalten. Die Leistung wird über den erhöhten Ladedruck und Drehzahl konstant gehalten.

Der entstehende Mitteldruck verändert sich mit der Drehzahl. Der Vorgang kommt einer automatischen Verdichtungsanpassung gleich.*

Das Auspuffen erfolgt schlagartig, annähernd isochor, so daß nach der intensiven isobaren Arbeitsleistung die Auspuffgase am Austritt eine ungewöhnlich niedrige Temperatur aufweisen.

*Der Mitteldruck ist eine Druckangabe am Kolben die nicht gemessen, sondern die sich aus Leistung und Drehmoment errechnet.                                                       

Zusammenfassend ist noch zu erläutern, wie durch kleinste Verbrennungsexplosionen eine vertretbare Leistung zustandekommt, was unter dem Kapitel
                                                               < Zusammengesetzte Leistungen> zu erklären versucht wird,