Um ein Flugzeug durch die Luft zu bewegen, wird der Schub durch eine Art von Antriebssystem erzeugt.Seit dem ersten Flug der Gebrüder Wright haben viele Flugzeuge Verbrennungsmotoren verwendet, um Propeller zur Schuberzeugung zu drehen.Heute werden die meisten Flugzeuge der allgemeinen Luftfahrt oder Privatflugzeuge von Verbrennungsmotoren angetrieben, ähnlich wie der Motor in Ihrem Familienauto.Wenn wir über Motoren sprechen, müssen wir sowohl den mechanischen Betrieb der Maschine als auch die thermodynamischen Prozesse berücksichtigen, die es der Maschine ermöglichen, nützliche Arbeit zu leisten.Auf dieser Seite betrachten wir die Thermodynamik eines Viertakt-IC-Motors.
Um zu verstehen, wie ein Antriebssystem funktioniert, müssen wir die grundlegende Thermodynamik von Gasen studieren.Gase haben verschiedene Eigenschaften, die wir mit unseren Sinnen beobachten können, einschließlich des Gasdrucks p, der Temperatur T, der Masse und des Volumens V, das das Gas enthält.Durch sorgfältige wissenschaftliche Beobachtung wurde festgestellt, dass diese Variablen miteinander in Beziehung stehen und die Werte dieser Eigenschaften den Zustand des Gases bestimmen.Ein thermodynamischer Prozess, wie das Erhitzen oder Komprimieren des Gases, verändert die Werte der Zustandsvariablen auf eine Weise, die durch die Gesetze der Thermodynamik beschrieben wird. Die von einem Gas verrichtete Arbeit und die auf ein Gas übertragene Wärme hängen vom Anfangs- und Endzustand des Gases und von dem Prozess ab, der zur Änderung des Zustands verwendet wird.Es ist möglich, eine Reihe von Prozessen durchzuführen, bei denen der Zustand während jedes Prozesses geändert wird, aber das Gas schließlich in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt. Eine solche Reihe von Prozessen wird als Zyklus bezeichnet und bildet die Grundlage für das Verständnis des Motorbetriebs.
Auf dieser Seite wird der thermodynamische Otto-Zyklus behandelt, der in allen Verbrennungsmotoren verwendet wird. Unter Verwendung des Stufennummerierungssystems des Motors beginnen wir unten links, wobei Stufe 1 der Beginn des Ansaugtakts des Motors ist. Zwischen Stufe 1 und Stufe 2 wird der Kolben bei geöffnetem Einlassventil aus dem Zylinder gezogen, wobei der Druck konstant bleibt und das Gasvolumen zunimmt, da das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch das Einlassventil in den Zylinder gesaugt wird.In Stufe 2 beginnt der Kompressionshub des Motors mit dem Schließen des Einlassventils. Zwischen Stufe 2 und Stufe 3 bewegt sich der Kolben zurück in den Zylinder, das Gasvolumen nimmt ab und der Druck steigt, da der Kolben Arbeit am Gas verrichtet. Stufe 3 ist der Beginn der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs. Bei der Verbrennung wird Wärme freigesetzt, wodurch sich die Temperatur und der Druck gemäß der Zustandsgleichung erhöhen.Stufe 4 ist der Beginn des Arbeitstakts des Motors.Zwischen Stufe 4 und Stufe 5 wird der Kolben in Richtung Kurbelwelle bewegt, das Volumen vergrößert sich und der Druck sinkt, da das Gas am Kolben arbeitet. In Stufe 5 wird das Auslassventil geöffnet und die im Gas enthaltene Restwärme wird mit der Umgebung ausgetauscht. In Stufe 6 beginnt der Auspufftakt des Motors, bei dem sich der Kolben zurück in den Zylinder bewegt, das Volumen abnimmt und der Druck konstant bleibt. Am Ende des Auspufftakts herrschen wieder die Bedingungen der Stufe 1, und der Vorgang wiederholt sich.
Während des Zyklus wird vom Kolben zwischen den Stufen 2 und 3 Arbeit auf das Gas ausgeübt. Zwischen den Stufen 4 und 5 wird vom Gas am Kolben Arbeit verrichtet. Die Differenz zwischen der vom Gas verrichteten Arbeit und der am Gas verrichteten Arbeit ist die von der Zykluskurve eingeschlossene Fläche und ist die durch den Zyklus erzeugte Arbeit. Die Arbeit mal der Zyklusrate (Zyklen pro Sekunde) ist gleich der vom Motor erzeugten Leistung.
Die vom Zyklus eingeschlossene Fläche in einem p-V-Diagramm ist proportional zur vom Zyklus erzeugten Arbeit. Auf dieser Seite haben wir einen idealen Otto-Zyklus dargestellt, bei dem dem Gas während des Kompressions- und Arbeitstakts keine Wärme zu- oder abfließt, keine Reibungsverluste auftreten und die Verbrennung bei konstantem Volumen sofort erfolgt. In der Realität gibt es diesen idealen Zyklus nicht, und jeder Prozess ist mit zahlreichen Verlusten verbunden. Diese Verluste werden normalerweise durch Wirkungsgradfaktoren berücksichtigt, die das ideale Ergebnis multiplizieren und verändern. Bei einem realen Zyklus ähnelt die Form des p-V-Diagramms dem idealen, aber die Fläche (Arbeit) ist immer kleiner als der ideale Wert.
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