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Verbrennungsmotor

Verbrennungskraftmaschine, die chemische Energie in mechanische Arbeit umwandelt
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Ein Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die chemische Energie eines Kraftstoffs durch „innere“ Verbrennung, also ohne zwischengeschaltete Energieträger, in mechanische Arbeit umwandelt. Die Verbrennung findet dabei im Arbeitsraum (Verbrennungsraum) statt, wobei ein Gemisch aus Kraftstoff und Umgebungsluft gezündet wird. Diese Motoren sind Bestandteil des täglichen Lebens geworden, da sie durch ihr günstiges Leistungsgewicht mobil sind und mit leicht transportierbaren, gut verfügbaren und energiereichen Kraftstoffen betrieben werden können.

Dampfturbinen, Dampfmaschinen oder der Stirlingmotor werden nicht zu den Verbrennungsmotoren gezählt; die für ihren Betrieb nötige Wärme wird zwar oft durch (äußere) Verbrennung erzeugt, kann aber auch beispielsweise Sonnenenergie sein. Auch die folgenden Motoren mit innerer Verbrennung sind im Allgemeinen nicht gemeint, wenn von Verbrennungsmotoren die Rede ist:

  • In einer Gasturbine wirkt der Gasdruck auf die Turbinenschaufeln.
  • In einem Raketentriebwerk bewirkt der Gasdruck den Ausstoß der Verbrennungsgase durch eine Düse dadurch den Antrieb durch Rückstoß.

Wirkungsgrad

Bei Verbrennungstemperaturen oberhalb von 2000 °C liegt der theoretische Wirkungsgrad mit idealen Umgebungsbedingungen bei über 90 %. In der Praxis liegt er bei üblichen Benzin-PKW-Motoren jedoch deutlich unter 35 %. Dieselmotoren besitzen auf Grund ihrer bauartbedingten höheren Verdichtung durchschnittlich einen höheren Wirkungsgrad als Ottomotoren.

 
Viertakt-Ottomotor als Beispiel für einen Verbrennungsmotor. Benennung der Arbeitstakte:
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Verbrennen
4. Ausstoßen

Grundsätzliche Funktionsweise

In einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet. Durch die Verbrennung des Gemisches steigen seine Temperatur und damit auch sein Druck stark an.

Alle Kolbenmotoren haben die vier Prozesse: Ansaugen, Verdichten, Verbrennen (und damit Ausdehnen) und Ausstoßen gemeinsam. Je nach Bau- und Funktionsweise des Motors werden diese Vorgänge allerdings unterschiedlich gesteuert. Da diese grundlegenden Schritte sich in der immer gleichen Reihenfolge wiederholen, wird diese Ablaufsequenz als Kreisprozess bezeichnet.

Der Gasdruck wird auf unterschiedliche Weise genutzt:

  • üblicherweise wird „Verbrennungsmotor“ als Synonym für „Kolbenmotor“ verwendet, hier wirkt der Gasdruck auf einen Kolben, der dem Druck ausweicht und somit die chemische Energie des Kraftstoffs in Bewegungsenergie umwandelt. Man unterscheidet zwei generelle Arten von Kolben:


Einteilung der Verbrennungsmotoren

In der Geschichte des Motorenbaus sind viele Konzepte erdacht und realisiert worden, die nicht unbedingt in das folgende Raster passen, zum Beispiel Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder Vielstoffmotoren (wie Diesel), aber mit Zündkerze. Im Sinne der Lesbarkeit verzichtet diese Übersicht auf Sonderfälle.

Die Bauarten können in einer großen Vielfalt kombiniert sein, beispielsweise kleinvolumige Motoren mit Rotationskolben und Schlitzsteuerung nach dem Otto-Prinzip (Wankelmotor), oder großvolumige Zwei-Takt-Dieselmotoren mit Ventilsteuerung (Schiffsdiesel).

Einteilung nach dem thermodynamischen Prozess

Einteilung nach dem Arbeitsverfahren

  • Vier-Takt-Verfahren (Viertaktmotor): Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit Takt ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine Aufwärts- oder eine Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitsspieles mit vier Takten dreht sich die Kurbelwelle also zweimal. Der Gashub ist geschlossen, das heißt Frischgas und Abgas sind vollständig voneinander getrennt. In der Praxis kommt es aber doch zu einer kurzen Berührung während der sogenannten Ventilüberschneidung.
  • Zwei-Takt-Verfahren (Zweitaktmotor): Auch beim Zwei-Takt-Verfahren laufen alle vier Arbeitsschritte ab, aber während nur zwei Kolbenhüben (= Takte). Dies ist möglich, weil ein Teil des Ansaugens und der Verdichtung (das Vorverdichten) außerhalb des Zylinders stattfindet, und zwar im Kurbelgehäuse unter dem Kolben oder in einem Lader. Die Kurbelwelle dreht sich während eines Arbeitsspieles nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heißt, es kommt zu einer partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.

Einteilung nach dem Bewegungsablauf

Einteilung nach dem Gemischbildungsverfahren

Eine optimale Verbrennung kann nur stattfinden, wenn der Kraftstoff vollständig verdampft und mit Luft vermischt ist. Diese Gemischbildung kann innerhalb oder außerhalb des Zylinders stattfinden.

  • Äußere Gemischbildung: Hier wird ein zündfähiges Gemisch in den Zylinder geführt und dort verdichtet. Das ermöglicht hohe Drehzahlen, da die Verbrennung ohne Verzögerung erfolgt, sobald der Zündimpuls gegeben ist (Zündkerzenfunke des Benzinmotors bzw. ausreichende Verdichtung des Dieselmotors). Allerdings kann es durch überhöhte Motortemperatur, zu frühen Zündzeitpunkt, Selbstzündung oder ungeeignetes Gemisch zu unkontrollierten, leistungsmindernden und motorschädigenden Verbrennungsanomalien kommen, die sich als Klopfen oder Klingeln bemerkbar machen. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden.
    Die Verbrennung eines äußerlich gebildeten Gemischs kommt dem Gleichraumprozess am nächsten, der so genannt wird, weil sich der Kolben in der kurzen Zeit bis zur vollständigen Verbrennung nur wenig weiterbewegt hat und so die Größe des Brennraums praktisch unverändert bleibt.
    Die äußere Gemischbildung kann auf zwei Arten erfolgen:
  • Vergaser zerstäuben den Kraftstoff in feine Tropfen, die auf dem Weg in den Zylinder verdampfen. Sie werden heute fast ausschließlich in einfachen Zweitaktmotoren (z. B. kleine Außenborder) eingesetzt, waren aber bis in die 1980er Jahre auch im Automobilbau üblich.
  • Bei der Saugrohreinspritzung sitzt eine Einspritzdüse im Ansaugkanal. Hier wird also kurz vor dem Einlassventil der Kraftstoff beigemengt. Vorteile gegenüber dem Vergaser sind unter anderem die bessere Steuerung der Kraftstoffmenge, die Lageunabhängigkeit (wichtig z. B. bei Flugzeugen) und der ungestörte Fluss der Luft durch den Ansaugtrakt.
  • Innere Gemischbildung: Im Zylinder wird nur Luft angesaugt und verdichtet, der Kraftstoff wird erst unmittelbar vor der Zündung in den Brennraum eingespritzt. Ohne Kraftstoff ist keine Selbstzündung möglich, deshalb kann der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtung gesteigert werden. Die Zündung kann durch Selbstzündung (Dieselmotoren) oder Fremdzündung (Ottomotoren) erfolgen. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Verdampfen, die Zündung erfolgt daher leicht verzögert. Diese Verzögerung führt zu einer Begrenzung der maximalen Motordrehzahl. Allerdings lässt sich der Verbrennungsvorgang steuern, indem die Einspritzdüse entsprechend angesteuert wird. Dazu muss nur festgelegt werden, wie viel Kraftstoff in welcher Zeit eingespritzt werden soll.

Einteilung nach dem Brennverfahren

Mit Brennverfahren bzw. Verbrennungsverfahren bezeichnet bei Verbrennungsmotoren den Ablauf, mit dem die Verbrennung des Brennstoffs im Motor erfolgt.

Einteilung nach dem Zündverfahren

Die Fremdzündung kommt beim Ottomotor vor. Bei der Fremdzündung wird das Entzünden des Kraftstoff-Luftgemischs durch eine Zündkerze eingeleitet, optimal kurz vor dem oberen Totpunkt.

Die Selbstzündung kommt beim Dieselmotor vor. Bei der Selbstzündung wird erst reine Luft stark verdichtet und kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) wird der Dieselkraftstoff eingespritzt. Durch die große Hitze und den hohen Druck entzündet sich der Kraftstoff selbst.

Die kontrollierte Selbstzündung wird derzeit für verschiedene Verbrennungsmotoren entwickelt. Die Gemischbildung soll intern aber früh erfolgen, damit das Gemisch bis zur Zündung gut durchmischt (homogen) ist. Dadurch werden bessere Emissionswerte erreicht.

Einteilung nach der Füllungsart

Einteilung nach dem Kühlverfahren

Hauptartikel: Kühlung (Verbrennungsmotor)

  • Flüssigkeitsgekühlt
  • Luftgekühlt
  • Ölgekühlt
  • Kombinationen aus Luft-/Ölkühlung (SAME)
  • Stickstoffkühlung

Einteilung nach Bauformen und Anzahl der Zylinder

Abhängig von der Anzahl der Zylinder werden/wurden Otto- und Dieselmotoren bzw. Viertakt- und Zweitakt-Motoren gebaut als:

Die fettgedruckten Bauformen und Zylinderzahlen sind heute in Kraftfahrzeugen gebräuchlich.

Viertakt-Sternmotoren haben normalerweise immer eine ungerade Zylinderzahl im Stern. Wenn jedoch mehrere Sterne hintereinander angeordnet sind, können sie insgesamt auch eine gerade Zylinderzahl besitzen (Reihensternmotoren und Mehrfachsternmotoren). Sternmotoren mit einer geraden Zylinderzahl im Stern kommen nur mehrreihig vor (z. B. Daimler-Benz DB 604, Rolls-Royce Vulture und Allison X-4520 (mit sechs Vier-Sternen und insgesamt 24 Zylindern - entspricht 90°/90°/90°-X24), Junkers Jumo 222 und Dobrynin WD-4K (mit vier Sechs-Sternen (Hexagon) und insgesamt ebenfalls 24 Zylindern) oder Curtiss H-1640 Chieftain (mit zwei Sechs-Sternen (Hexagon) und zwölf Zylindern).

Im Motorsport werden vereinzelt, trotz der höheren Unwucht, auch V-Motoren mit ungeraden Zylinderzahlen (drei oder fünf) gebaut.

Bei langsam laufenden Großdieselmotoren gibt es teilweise auch bis zu 14 Zylinder in Reihenanordnung, sowie V-Motoren mit 20 oder 24 Zylindern.

Ungewöhnliche Bauarten von Verbrennungsmotoren

Der Wankelmotor ist eine Bauart, die nach Felix Wankel benannt ist. Beim Wankelmotor sind zwei kinematische Formen möglich: Zum einen der Kreiskolbenmotor, bei dem ein bogig-dreieckiger Kolben in einem oval-scheibenförmigen Gehäuse mit einer nur leicht oszillierenden Bewegung auf der Exzenterwelle (entspricht praktisch der Kurbelwelle beim Hubkolbenmotor) „eiert“. Zum anderen der Drehkolbenmotor, bei dem sowohl der bogig-dreieckige Läufer als auch die oval-scheibenförmige Hüllfigur (Trochoide) um ihre Schwerpunkte rotieren.

Der Stelzer-Motor, benannt nach seinem Erfinder Frank Stelzer, ist ein Zweitakt-Freikolbenmotor. Im Stelzer-Motor wird während des gesamten Arbeitsablaufes nur der Kolben bewegt. Seine unterschiedlichen Kolbendurchmesser öffnen und schließen verschiedene Öffnungen im Gehäuse und steuern damit gleichzeitig den Gaswechsel.

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde eine Reihe exotischer Konstruktionen entworfen, die jedoch das Prototypstadium nicht überschritten. Durch Fortschritte der Werkstoffforschung sind Lösungen für Probleme alter Konstruktionen möglich.

Kraftstoffe

Wichtige Motorenbauer

Literatur

  • Wolfgang Kalide: Kolben und Strömungsmaschinen. 1. Auflage, Carl Hanser Verlag, München Wien, 1974, ISBN 3-446-11752-0
  • Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. 1. Auflage, Motorbuchverlag, Stuttgart, 1992, ISBN 3-613-01288-X
  • Hans Jörg Leyhausen: Die Meisterprüfung im Kfz-Handwerk Teil 1. 12 Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1991, ISBN 3-8023-0857-3
  • Wilfried Staudt: Handbuch Fahrzeugtechnik Band 2. 1. Auflage, Bildungsverlag EINS, Troisdorf, 2005, ISBN 3-427-04522-6
  • Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk: Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage, Holland + Josenhans Verlag, Stuttgart, 1997, ISBN 3-7782-3520-6

Siehe auch

Wikibooks: Motoren aus technischer Sicht/ Viertaktmotor – Lern- und Lehrmaterialien

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