Brennzyklen

Brennzyklen beschreiben die Abfolge von Zustandsänderungen, die bei der Verbrennung von Brennstoffen in Wärmekraftmaschinen auftreten und zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Arbeit dienen. In der Thermodynamik werden sie als wiederkehrende Prozesse modelliert, die als ideale Zyklen auftreten, wie der Otto- oder Dieselzyklus in Verbrennungsmotoren bzw. der Braytonzyklus in Gasturbinen. Reale Systeme weichen durch irreversibilitäten, Wärmeverluste und nicht ideale Verbrennung davon ab und liegen oft näher an Carnot- oder anderen theoretischen Modellen.

Der Ottozyklus beschreibt Vier-Takt-Motoren, bei denen die Verdichtung isentrop verläuft, die Wärmezufuhr bei konstantem Volumen erfolgt, die Expansion isentrop verläuft und die Wärmeabfuhr bei konstantem Volumen stattfindet. Der Dieselzyklus nutzt isentrope Verdichtung, Wärmezufuhr bei konstantem Druck und anschließende isentrope Expansion; die Wärmeabfuhr erfolgt wieder bei konstantem Volumen. Der Braytonzyklus entspricht einer Gasturbine: Verdichtung isentrop verläuft, Wärmezufuhr bei konstantem Druck, Expansion isentrop verläuft und Druckabgabe bei konstantem Druck. Der Stirlingzyklus beruht auf reversiblen, externen Wärmetauschprozessen bei isothermen Zügen; der Atkinson- und Millerzyklus sind Varianten, die das Verhältnis von Verdichtung und Expansion durch geänderte Ventil- bzw. Laufzeitsteuerung verschieben, um Effizienzsteigerungen zu erzielen.

Anwendungsbereiche: Otto- und Dieselmotoren dominieren die Automobiltechnik; Braytonzyklen finden sich in Flugzeug- und stationären Turbinen. Stirling- und Ericssonzyklen werden in Forschung und Spezialmaschinen genutzt, bei denen externe Wärmezufuhr oder regenerierte Wärme relevant ist. Brennzyklen dienen als Referenzmodelle zur Berechnung theoretischer Wirkungsgrade und zur Auslegung von Verdichtungsverhältnissen, Zündzeitpunkten, Brennverlauf und Emissionen. Realweltliche Zyklen unterscheiden sich durch Irreversibilitäten, Reibung, Wärmeverluste und nicht ideale Verbrennung.