Abwärmeverlust beim Verbrennungsmotor



PKW-Benzinmotoren haben im allergünstigsten Fall einen Wirkungsgrad von etwa 40 %, PKW-Dieselmotoren von etwa 43 %. Das ist der allergünstigste Betriebszustand, im Durchschnitt (Teillast, ganzer Drehzahlbereich) liegt der Wirkungsgrad sogar noch deutlich darunter. Der Rest, also so 60 - 70 % geht als Abwärme durch das Kühlwasser, durch die Abgase und durch direkte Wärmeabgabe des Motors an die Umgebungsluft, verloren.

Dass der gesamte Antriebsstrang auch noch Verluste aufweist ist ein anderes Kapitel.

Es kann einem schon erstaunlich erscheinen dass aus diesen restlichen, mehr als 60 %, die an die Umgebung als Abwärme abgegeben werden, nicht noch wenigstens ein Teil der Energie heraus zu holen ist. Sicher ist das nicht ganz einfach, sonst würde es schon jemand machen, aber dass es mit entsprechenden Aufwand nicht möglich sein sollte ist auch kaum zu glauben.

Es gibt heute die Turbolader die die Energie der Abgase nutzen um mehr Luft in den Brennraum zu bringen. Das bewirkt dass man gleiche Leistung aus weniger Hubraum heraus holen kann, auf den Wirkungsgrad wirkt sich das weniger aus. Der Turbolader wirkt sich daher vor allem auf die Baugröße des Motors aus, aber nicht so sehr auf den Wirkungsgrad.

Etwas zusätzliche Energie kann man aus den Abgasen mittels des so bezeichneten Turbo-Compound gewinnen, dabei wird überschüssige Energie des Turboladers verwendet. Bei LKW-Motoren wird die Energie über eine Zahnradübersetzung direkt an die Kurbelwelle abgegeben. Bei Formel-1 Rennmotoren wird daraus Strom gewonnen, der in Batterien kurzfristig zwischengelagert zum raschen Hochdrehen des Turboladers verwendet wird.
Es bestehen also bereits Ansätze zusätzlicher Energiegewinnung, die für PKW-Motoren zu aufwendig bzw. zu teuer sind.

Die Frage ist also ob man nicht aus der Abwärme direkt Energie gewinnen könnte.
Angenommen man läßt im Kühlkreislauf des Motors etwas Überdruck entstehen und entspannt den Überdruck über eine Düse in ein sich erweiterndes Rohr. Der Druck sinkt das Wasser verdampft, damit treibt man eine kleine Turbine wie beim Turbolader an. Nach der Turbine kondensiert das Wasser und wird mit der Wasserpumpe wieder in den Motorraum gepumpt. Möglicherweise ist zum Kondensieren ein weiterer Kühler notwendig.
Nein das ist nicht einfach, sonst würde es schon jemand bauen, aber undenkbar ist es jedenfalls auch nicht. Kann sein dass es mit Wasser nicht funktioniert, es könnte ein anderes Kühlmittel, wie es etwa in Klimaanlagen verwendet wird, notwendig sein oder auch ein anderes neues Kühlmittel.
Natürlich geht das nicht ohne Aufwand, aber wenn man bedenkt welche Unsummen man in den letzten rund 45 Jahren in die Entwicklung des PKW-Dieselmotors gesteckt hat und damit gewinnt man, auf den Heizwert bezogen, gerade einmal einige Prozentpunkte an zusätzlichen Wirkungsgrad, dann ist das so beeindruckend auch wieder nicht. Dass der Dieselkraftstoff auf das Volumen bezogen einen um 14 % höheren Heizwert hat als Benzin wird beim Vergleich zwischen Diesel und Benziner ja meist übersehen.

Nun, wie gesagt dass es so einfach ist und ohne großen Aufwand geht behaupte ich ja nicht, aber dass man mit den Aufwand den man in die Entwicklung des PKW-Dieselmotors gesteckt hat nicht aus der Abwärme, vielleicht sogar ein mehrfaches heraus holen könnte, als man durch den Dieselmotor gewinnt, sollte mich auch wundern.
Denn wenn man aus den (mehr als) 60 % Abwärme, sagen wir, lediglich 10 % heraus holen könnte, dann wären das auf den Wirkungsgrad bezogen bereits 6 % und das wäre bereits das doppelte des Unterschieds zwischen Benzin- und Dieselmotoren.
Die Energie könnte man mittels entsprechender Getriebeübersetzung direkt als mechanische Energie nutzen, man könnte damit Strom erzeugen, eventuell könnte man wie bei einem Turbolader auch Luft komprimieren und diese als zusätzlichen Antrieb verwenden.
Welche Möglichkeiten auch immer als denkbar erscheinen dass aus diesem großen Anteil an Abwärme nichts heraus zu holen ist erscheint einfach nicht glaubhaft. Wahrscheinlich hätte man sogar mit einem Bruchteil des Aufwandes den man für die Entwicklung für PKW-Dieselmotors verwendet hat ein mehrfaches von dem an Wirkungsgrad gewinnen können was der Wirkungsgradunterschied zwischen Dieselmotor und Benzinmotor ausmacht.


Copyright © 2017      Gottfried Langmann                               22.10.2017