eine kleine Plauderei über die Thermodynamik der Gase

Allen heute gebräuchlichen Verbrennungsmotoren ist eins gemeinsam. sie verdichten eine bestimmte Menge Luft und leiten dann einen Verbrennungsvorgang ein, welcher einen Druck und Temperaturanstieg bewirkt, der dann auf einen Kolben drückt und über die Kurbelwelle mechanische Arbeit leistet.
Was mit einem Gas (Luft) passiert wenn man es in einem Raum komprimiert zeigt das nebenstehende Schema. Gase sind kompressibel, das heißt wir können sie zusammenpressen wie eine Feder. Wie eine Feder ? nicht ganz. Um das Gas zusammenzupressen müssen wir Arbeit aufwenden. Diese Arbeit geht nach dem Energieerhaltungssatz nicht verloren und die Masse (Menge) des Gases ändert sich auch nicht. Die Moleküldichte steigt und damit die Temperatur. Dieser Vorgang passiert blitzschnell und genauso schnell sinkt auch die Temperatur wieder ab wenn das Gas entspannt wird. Gase dehnen sich aus wenn sie erwärmt werden. eine Binsenweisheit die jeder schon beobachtet hat. Da aber der Raum über dem Kolben nicht nachgibt steigt der Druck und damit die Temperatur weiter an. Der Vorgang ist also nicht linear sondern folgt einer Exponentialfunktion. Das ist für das Verständnis der Funktion einer Verbrennungskraftmaschine von großer Bedeutung.
Wichtig zu wissen ist noch, das sich verschiedene Gase auch unterschiedlich verhalten. Unsere Luft ist kein stabiles Gemisch sondern enthält neben Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid noch Wasserdampf in stark schwankender Konzentration.
Im nebenstehenden Schema kann man erkennen, das bei einer Verdichtung von1:10 wie sie bei einem Ottomotor üblich ist , am Ende der Verdichtung ein wesentlich höherer Druck und Temperatur vorhanden sind. Die aufgewendete mechanische Energie bekommt man bei der Expansion aber wieder zurück. aber eben nur theoretisch, denn das erwärmte Gas gibt unweigerlich einen Teil seiner Temperatur an Zylinderwandung und Kopf ab, so das daß Druck-Volumendiagramm eine leichte Schleife beschreibt.    

Beim klassischen Ottomotor wird ein Gemisch von Luft und Kohlenwasserstoffen (vernebeltes Benzin) verdichtet. Das Benzin verdampft durch den Temperaturanstieg beim Komprimieren und bildet in einem begrenzten Bereich ein brennbares Gemisch mit sehr hoher Reaktionsgeschwindigkeit. Durch den Temperatur und Druckanstieg wird bei der Expansion des verbrannten Gasgemisches mehr Arbeit auf den Kolben übertragen als beim Komprimieren aufgewendet wurde. Es gibt einen Überschuß (gelb gestrichelt) den wir mechanisch verwerten können. Im p/V Diagramm sieht man aber auch, daß am Ende der Expansion im Zylinder noch ein Drucküberschuß vorhanden ist der verloren geht. Es hat in der Vergangenheit einige Versuche gegeben auch diesen Rest noch zu verwerten, wie z. B. Gegenkolbenmotor mit veränderlichem Hubraum. Durchgesetzt haben sich diese Ideen jedoch nicht, zu teuer, zu schwer, und letztendlich auch die blödsinnige Besteuerung nach Hubraum haben jede technische Entwicklung in diese Richtung beendet. Moderne Motoren nutzen diesen Restdruck für den Antrieb des Turboladers zumindest teilweise aus um Leistung und Drehmoment bei kleinerem Hubraum zu steigern.  Dabei gibt es aber einen Zusammenhang, je größer die Aufladung durch den Turbo - umso größer der Druck am Expansionsende. Der Hund beißt sich also in den Schwanz und im Endergebnis bringt das außer mehr Stickoxiden keinen wesentlich besseren Wirkungsgrad.
Die Leistungsregelung beim Ottomotor geschieht in der Regel über Drosselung des zugeführten Gemisches. Wird das Verhältnis nicht eingehalten, ist es nicht zündfähig, der Motor stottert oder geht aus. Die Drosselung kostet beim Ansaugtakt zusätzlich Energie. Daher wird vor allem bei Motoren mit höherem Hubraum ein Teil der Abgase über ein Regelventil gekühlt und dem Ansaugtrakt zugeführt. Man erreicht damit einen besseren Wirkungsgrad im Teillastbereich und eine Verminderung der Stickoxidbildung. Die Stickoxide müssen dann nicht mehr  mit entsprechendem Kraftstoffüberschuß reduziert werden.   

Der Dieselmotor arbeitet nach den gleichen Gesetzen wie ein Ottomotor, aber es gibt einen entscheidenden Unterschied. Die angesaugte Luft wird so hoch verdichtet, das sich bei einer Temperatur von über 800°C der eingespritzte Kraftstoff entzündet. Damit steht fest, es muß immer die volle Luftmenge angesaugt werden, sonst reicht die Temperatur zur Verbrennung nicht. Um diesen Prozess abzusichern bedient man sich eines zusätzlichen Hilfsmittels, der Glühkerze. Ohne sie bekommt man einen Dieselmotor kaum gestartet. Um den Kraftstoff verbrennen zu können muß er mit der erwärmten Luft in Kontakt gebracht werden. Dies geschieht mit Hochdruckpumpen und Einspritzdüsen die den Kraftstoff in möglichst kurzer Zeit und kleinsten Tröpfchen im Brennraum verteilen. Ältere Technologien bei welcher ein Kraftstoffstrahl in einer Mischkammer mittels Glühkörper verdampft wird, haben bis heute bei stationären Vielstoffmotoren überlebt. Ansonsten geht der Trend zu immer höheren Einspritzdrücken und komplizierten Hightechdüsen. Hatten Einspritzpumpen früher einen Druck von 150 bis 300 bar, so ist man jetzt schon bei 2500 bar und elektronisch gesteuerten Piezodüsen angekommen.

Ein bedeutsamer Unterschied zwischen Otto- und Dieselmotor ist die Leistungsregelung. Beim Dieselmotor ist immer die volle Luftmenge vorhanden, die Kraftstoffmenge wird gedrosselt. Man spricht von einer Regelung über das Mischungverhältnis Lambda. Mit zunehmender Leistung je Hubraum steigt die Spitzentemperatur der Gase im Brennraum an, liegt höher als beim Ottomotor und ist somit Quelle für eine höhere Stickoxidemmission. Durch einen Turbolader wird diese Eingenschaft noch deutlich verschärft. Ruß entsteht durch den unverbrannten Kern der eingespritzten Tröpfchen, je kleiner die Tröpfchen - umso feiner die Rußpartikel. Mit komplizierten Regelsystemen und Maßnahmen wie Abgasrückführung, Partikelfilter, Oxikat und zukünftig sogar chemischer Bindung der Stickoxide wird es wohl in nächster Zeit gelingen Dieselmotoren ausreichend sauber zu bekommen.

Dieselmotoren sparsamer als Ottomotoren ? nicht mehr lang, die höhere Verdichtung und der Luftüberschuß sind ein prinzipieller Vorteil. Aber die Benzinlobby holt auf.  FSI-Motoren gestatten gegenüber dem klassischen Ottomotor eine höhere Verdichtung und können mit einem größeren Luftüberschuß betrieben werden. Sie werden in absehbarer Zeit den Dieselmotoren ebenbürtig sein, welche dann nur noch vom Steuervorteil profitieren.

  Der Ottomotor holt auf, die Benzin - Direkteinspritzung     FSI bzw. GDI

Die entscheidende Neuerung der FSI/GDI Einspritzung ist die "Schichtladetechnik". Immer wenn der Motor nicht unter Volllast betrieben wird, wird ein extrem mageres Gemisch mit wenig Benzin in viel Luft eingespritzt. Da ein derart mageres Gemisch aber nicht zündfähig ist, wird ein Trick angewendet. Nur ein Teil der eingespritzten Luft wird mit dem Benzin gemischt. Dieses nun zündfähige Gemisch wird direkt unter die Zündkerze geleitet, die restliche Luft befindet sich an den äußeren Rändern des Brennraumes und wirkt somit wärmeisolierend. Diese Technik erfordert ein ausgeklügeltes Einspritzsystem und eine spezielle Form des Kolbenbodens, um die richtige Verwirbelung des Benzin-Luft Gemisches in einer Schicht zu gewährleisten. Der Nutzen ist dann größer als bei einem "Magermixmotor, der Verbrauch um bis zu 15% geringer als bei einer herkömmlichen Saugrohreinspritzung. Im Leerlauf kann das Sparpotenzial sogar bis zu 40% betragen.
Im Teillastbereich erzeugt der FSI/GDI Motor gegenüber der konventionellen Technik allerdings ein mehrfaches an Stickoxiden welche gebunden und reduziert werden müssen.
Sobald der Motor in den Volllastbereich übergeht, zum Beispiel beim Beschleunigen wird auf homogene Zylinderladung umgeschaltet. Der Motor arbeitet nun ähnlich einem konventionellen Ottomotor. Für die hauptsächlich im Teillastbetrieb frei werdenden Stickoxyde (NOx) gibt es einen speziellen Katalysator welcher eine gewisse Menge Stickoxide sammeln kann. Sobald der Motor wieder unter Volllast betrieben wird oder der spezielle NOx Sensor die Sättigung anzeigt, werden die Stickoxide wieder auf herkömmliche Weise durch Gemischanreicherung reduziert.
Die FSI/GDI Technologie funktioniert am besten mit schwefelfreiem Kraftstoff., Schwefel erfordert zusätzliche "Reinigungszyklen" die wiederum Kraftstoff kosten. Mit Anwendung der FSI - Technologie wird auch der Zweitaktmotor wieder interessant. Bisher gibt es aber lediglich eine Anwendung bei Bootsmotoren (Evinrude).
Die Stickoxide spielen bei Bootsmotoren keine so entscheidende Rolle, da sie mit Luft und den übrigen Abgasen vom Propeller im Wasser verquirlt werden. Auf das aufwändige Katsystem kann hier mit gutem Gewissen verzichtet werden.