Ein Quantensprung, die Gleichraumverbrennung im realen Motor. Franz-Josef Hinken

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      Abb. 4: Varianten Verbrennungsmotor

       4.2 Vollkommener Motor

      In DIN 1940 ist der vollkommene Motor definiert und dient als Orientierung, wie viel Potenzial noch im Verbrennungsmotor steckt. Der vollkommene Motor erreicht unter der Annahme einer idealen, wärmedichten Gleichraumverbrennung in allen Lastbereichen den maximalen theoretischen Wirkungsgrad. Ein vollkommener Motor setzt eine vollkommene Verbrennung voraus und das in die Atmosphäre abgegebene Abgas wäre damit frei von unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Ruß und NOx. Ein mit Wasserstoff betriebener vollkommener Motor ist sogar CO2-frei, die Abgase eines Wasserstoffmotors sind nichts weiter als heiße, feuchte Luft.

       4.3 Realer Motor

      Nach Abzug der Einzelverluste wie Ladungsverlusten, unvollkommener Verbrennung, Wandwärmeverlusten usw. ist der reale Motor neben seinem schlechten Wirkungsgrad auch aufgrund seiner Emissionen in der Politik und Öffentlichkeit immer weiter in Bedrängnis geraten. Der reale Verbrennungsprozess im Brennraum eines Motors ist weit entfernt von einer Gleichraumverbrennung. Moderne Verbrennungsmotoren mit aufwendig programmierten ECUs (Engine Control Unit) arbeiten in der Regel im Seiliger-Prozess. Je höher der Gleichraumanteil eines Seiliger-Prozesses, desto größer ist die Klopfneigung. Die Prioritäten in der über hundertjährigen Motorenentwicklung waren fast immer, den Wirkungsgrad zu steigern und das Klopfen zu verhindern. Die Reduktion der Schadstoffemissionen kam erst viel später. Um die strengen Abgasregelungen einzuhalten, wird eine chemische Kleinfabrik an den Motor gebaut. Die größte Herausforderung ist nach wie vor die Reduktion der NOx-Emissionen. Das gilt übrigens auch für den Gleichraumprozess, da Gleichraumprozesse bei gleichen Lambda-Werten ca. 30 % höhere Temperaturen erzeugen.

       5.0 Verbrennungsprozesse im Motor

       5.1 Verbrennung von Kohlenwasserstoffen

      Die Zündung und Verbrennung von Kohlenwasserstoffen kann als Kettenprozess angesehen werden, wobei ganz grob betrachtet die Kohlenwasserstoffe zuerst gespalten und dann mit Sauerstoff verbunden werden. Bei der idealen, vollkommenen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen (C_xH_y) entstehen Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf (H₂O), hier als Beispiel in einer Reaktionsgleichung mit Methangas (CH4) dargestellt:

      1CH₄ + 2O₂ →1CO₂ +2 H₂O + Reaktionswärme ΔH

      Tatsächlich verläuft die Verbrennung nicht nach der dargestellten idealen Reaktionsgleichung ab, sondern nach einem sehr komplexen Reaktionsschema, das bis heute erst in groben Zügen nachvollziehbar ist. Bei der realen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen im Motor entstehen aufgrund der unvollständigen Verbrennung Kohlenmonoxid (CO), unverbrannte Kohlenwasserstoff-Verbindungen, Ruß und NO_x.

       5.2 Flammverbrennung und flammlose Verbrennung

      Verbrennungsprozesse können eingeteilt werden in Flammfrontverbrennung und flammlose Verbrennung. Ein weiteres wichtiges Unterscheidungsmerkmal bei der Betrachtung von Verbrennungsprozessen erfolgt nach der Art der vorliegenden Strömung, die in einer laminaren oder turbulenten Flammfrontverbrennung im Brennraum eines Verbrennungsmotors vorliegen kann. Die turbulente Flammfrontverbrennung beschleunigt im erheblichen Maße den Verbrennungsprozess und damit die Kraftstoffumsetzung.

      Eine flammlose Verbrennung liegt vor bei einer idealen kompressionsinduzierten Selbstzündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches, auch bekannt als HCCI-Verfahren. Die Brenngeschwindigkeit bei der kompressionsinduzierten Selbstzündung oder flammlosen Verbrennung ist 4- bis 8-mal schneller als bei der turbulenten Flammfrontverbrennung.

       5.3. Reaktionskinetik

       5.3.1 Definition

      "Die Reaktionskinetik ist Teilgebiet der physikalischen Chemie, das sich mit dem zeitlichen Ablauf von chemischen Reaktionen und der Aufklärung von Reaktionsmechanismen beschäftigt". [www.duden.de]

      Für den schnelllaufenden Verbrennungsmotor liegt die Betonung auf "zeitlichen Ablauf von chemischen Reaktionen", wie den bereits im Abschnitt 5.2 erwähnten unterschiedlichen Brenngeschwindigkeiten der Flammfrontverbrennung und flammlosen Verbrennung. Der zeitliche Ablauf der chemischen Reaktion und damit die Brenngeschwindigkeit eines Kraftstoff-Luft-Gemisches entscheidet über Gleichdruckverbrennung mit der spezifischen Wärmekapazität C_p oder Gleichraumverbrennung mit der spezifischen Wärmekapazität C_v.