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Verbrennungsmotor

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Der Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch innere Verbrennung von Treibstoff mechanische Arbeit verrichtet. Strömungsmaschinen mit Verbrennung, zum Beispiel Gasturbinen, und Motoren mit Verbrennung außerhalb des Zylinders, beispielsweise Dampfmaschinen und Stirlingmotoren, zählt man nicht zu den Verbrennungsmotoren im engeren Sinne.

Anwendung

Verbrennungsmotoren werden verwendet zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und stationären Maschinen. Verbrennungsmotoren können auch in der Kraft-Wärme-Kopplung Anwendung finden.

Grundsätzliche Funktionsweise

Bei einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinder entzündet und verbrannt. Die durch die Wärme stattfindende Erhöhung des Druckes wirkt auf einen Kolben. Bei Hubkolbenmotoren wird die Auf- und Abbewegung des Kolbens meistens durch einen Kurbeltrieb in eine Drehbewegung umgewandelt.
Es existiert eine Reihe unterschiedlicher Verbrennungsmotoren, die zum Teil unterschiedliche thermodynamische Kreisprozesse ausnutzen.

Alle Verbrennungsmotoren wiederholen in einem Kreisprozess ständig das Arbeitsspiel, das aus vier Arbeitsschritten besteht:

1. Ansaugen - 2. Verdichten - 3. Arbeiten - 4. Ausstoßen

Ausstoßen und Ansaugen dienen dem Gaswechsel, das heißt dem Austausch von Abgas (Ausstoßen) gegen Frischgas (Ansaugen).
Verdichten und Arbeiten dienen der Umwandlung von chemischer Energie (Kraftstoff-Luft-Gemisch) über thermische Energie (Wärme) und potentielle Energie (Druck) in mechanische Energie (Bewegung). Die Arbeitsschritte werden oft als Takte bezeichnet. Allerdings ist diese Bezeichnung bei 2-Taktern nicht sinnvoll, da 2-Takter auch alle vier Arbeitsschritte ausführen.

Die Arbeitstakte am Beispiel des 4-Takt-Hubkolbenmotors

  1. Im ersten Takt wird während der Abwärtsbewegung des Kolbens ein Kraftstoff-Luftgemisch in den Zylinder "gesaugt".
  2. Während des zweiten Taktes verdichtet der Kolben in seiner Aufwärtsbewegung das Kraftstoff-Luftgemisch im Zylinder. Am Ende des zweiten Taktes erfolgt die Zündung, bei Ottomotoren durch die Zündkerze, bei Dieselmotoren durch Selbstzündung.
  3. Im dritten Takt verbrennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch den Anstieg der Temperatur steigt auch der Druck des Gemisches stark und bewegt den Kolben im Zylinder nach unten. Die Längsbewegung des Kolbens wird dabei über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehbewegung umgesetzt.
  4. Der sich nach oben bewegende Kolben schiebt die verbrannten Abgase aus dem Zylinder durch den Auspuff in die Umwelt.

Die Bewegungen der Takte eins, zwei und vier erfolgen durch den Schwung, den die Kurbelwelle durch den Arbeitstakt erhalten hat. Da während des Startvorgangs noch kein Schwung vorhanden ist, muss die Kurbelwelle von außen angetrieben werden. Hierzu dient ein Seil (Kettensäge, Bootsmotor), eine Handkurbel (Oldtimer) oder ein kleiner Elektromotor (Anlasser im KFZ).

Der Gaswechsel zwischen einströmenden Frischgasen und verbrannten Abgasen wird durch die Nockenwelle gesteuert. Diese läuft mit einer Untersetzung von 1:2 an die Kurbelwelle gekoppelt und öffnet und schließt die im Zylinderkopf des Motors angeordneten Ventile.


Einteilung der Verbrennungsmotoren

In der intensiven Geschichte des Motorenbaus sind viele Konzepte erdacht und realisiert worden, die nicht in das folgende Raster passen, zum Beispiel direkt einspritzende Ottomotoren oder Vielstoffmotoren nach dem Dieselverfahren, aber mit Zündkerze. Im Sinne der Lesbarkeit verzichtet diese Übersicht auf Sonderfälle, die in eigenen Artikeln erscheinen sollten.
Die Bauarten können in einer großen Vielfalt kombiniert sein, beispielsweise kleinvolumige Motoren mit Kreiskolben und Schlitzsteuerung nach dem Otto-Prinzip (Wankelmotor) oder großvolumige 2-Takt-Dieselmotoren mit Ventilsteuerung (Schiffsdiesel).

Einteilung nach dem thermodynamischen Prozess

Einteilung nach dem Arbeitsverfahren

  • 4-Takt-Verfahren: Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit "Takt" ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitsspieles 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 so genannten Ventilüberschneidung.
  • 2-Takt-Verfahren: Auch beim 2-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 gegenseitigen Durchmischung von Frischgas und Abgas.

Vergleich der Arbeitsverfahren

  • 2-Takt-Motoren haben eine größere Leistungsdichte, da sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung Arbeit verrichten.
  • 2-Takt-Motoren können wesentlich einfacher und billiger gebaut werden, weil 4-Takt-Hubkolbenmotoren eine Ventilsteuerung benötigen. Sie ist erforderlich, weil die Ein- und Auslassöffnungen für Frisch- und Abgas bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung geöffnet beziehungsweise geschlossen werden müssen. Bei 2-Takt-Motoren kann der Kolben diese Aufgabe übernehmen, da Öffnen und Schließen bei jeder Kurbelwellenumdrehung stattfinden.
  • Ohne Ventilsteuerung treten bei 2-Takt-Motoren geringere Massenkräfte auf, deshalb sind höhere Drehzahlen möglich. Dies erhöht die Leistungsdichte zusätzlich.
  • 2-Takt-Motoren haben einen höheren spezifischen Verbrauch und schlechtere Abgaswerte (Schadstoffproblematik), weil sie einen Teil des Kraftstoff-Luftgemisches unverbrannt durch Überspülen verlieren. Überspülen entsteht, wenn sich Frischgas mit dem Abgas mischt und ausgestoßen wird. Durch eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs (wie beispielsweise beim Zweitakt-Dieselmotor) kann dieses verhindert werden.

Anwendungen

Zweitakt-Motoren werden vorwiegend eingesetzt, wo der Preis des Motors (einfache Bauweise) und die hohe Leistungsdichte den Vorrang haben vor Kraftstoffverbrauch und Umweltschutz. Dies gilt vor allem für Motoren mit kleinem Hubraum: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Motorsägen, Modellbau, und Motoradrennsport und großen Schiffsmotoren, die übrigens auch als Zweitakt-Dieselmotoren gebaut werden.

Wo Gesetzgeber und Verbraucherinteresse auf Umweltschutz und Kraftstoffverbrauch achten, haben sich Viertaktmotoren durchgesetzt. Heute gäbe es mit der elektronisch gesteuerten Direkteinspritzung wieder Potential für den Zweitakter, da er so durchaus mit einem Viertakter vergleichbare Abgaswerte liefern könnte, jedoch traut sich kein Hersteller an einen Etablierungsversuch.
Eine von Ford unterstützte Entwicklung der australischen Firma "Orbital" wurde vorläufig aufgegeben.

Einteilung nach dem Bewegungsablauf

Einteilung nach dem Gemischbildungsverfahren

Vor der Verbrennung müssen Kraftstoff und Luft durchmischt werden. Der Kraftstoff muss verdampfen.

  • Äußere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden außerhalb des Zylinders vermischt, dann dem Zylinder zugeführt und verdichtet. Durch überhöhte Motortemperatur, zu frühen Zündzeitpunkt, Selbstzündung oder ungeignetes Gemisch kann es zu unkontrollierten, leistungsmindernden und motorschädigenden Detonationen kommen, die im Fall des Verbrennungsmotor speziell Klopfen genannt werden. Während der Verdichtung muss der Kraftstoff teilweise verdampfen, sodass die Verbrennung unmittelbar nach der Zündung sehr schnell erfolgen kann und eine hohe Drehzahl ermöglicht. Es handelt sich um eine Gleichraumverbrennung, weil der Brennraum seine Größe in der kurzen Zeit praktisch nicht ändert. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden.
  • Innere Gemischbildung: Nur Luft wird dem Zylinder zugeführt und verdichtet, der Kraftstoff wird erst später 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 mit Direkteinspritzung oder Vielstoffmotoren) erfolgen. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Verdampfen, die insbesondere bei Dieselmotoren keine hohen Drehzahlen ermöglicht. Die Verbrennung kann durch die Zufuhr des Kraftstoffes (siehe auch: Einspritzverfahren) beeinflusst werden, thermodynamisch ideal wäre eine Gleichdruckverbrennung.


Einteilung nach dem Zündverfahren

  • Fremdzündung
  • Selbstzündung

Einteilung nach der Füllungsart

Einteilung nach dem Kühlverfahren

  • Wassergekühlt
  • Luftgekühlt

Einteilung nach Bauformen und Anzahl der Zylinder

Abhängig von der Anzahl der Zylinder werden Otto- und Dieselmotoren gebaut als

Die Zahlen in Klammern sind typische Zylinderzahlen.
Im Rennsport werden auch, trotz der höheren Unwucht, V-Motoren mit drei oder fünf Zylindern gebaut.

Exotische Bauarten von Motoren

Kreiskolbenmotor

Der Wankelmotor ist ein Kreiskolbenmotor, benannt nach Felix Wankel. Beim Wankelmotor rotiert in einem oval-scheibenförmigen Gehäuse ein bogig-dreieckiger Kolben in einer nur leicht oszillierenden Bewegung. Durch die anhaltende Bewegung in immer gleichbleibender Drehrichtung ergibt sich ein sehr ruhiger Motorlauf.
Der Kreiskolbenmotor ist sehr kompakt aufgebaut und benötigt keine Ventilsteuerung. Abgesehen von der unterschiedlichen Bewegungsart entspricht das Prinzip der Krafterzeugung aber dem des Ottomotors. Die vier Takte werden nicht während einer Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens, sondern während der Drehbewegung in einer Scheibe ausgeführt. Wie beim Hubkolbenmotor mehrere Zylinder können beim Wankelmotor mehrere Scheiben kombiniert sein.

Stelzer-Motor

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 unterschiedliche Durchmesser öffnen und schließen verschiedene Öffnungen im Gehäuse und steuern damit gleichzeitig den Gaswechsel.

Kraftstoffe

Wichtige Motorenbauer

Siehe auch: Stirlingmotor, Vollgas, Motorelektronik, Freikolbenmotor

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