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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, z.B. Gasturbinen, und Motoren mit Verbrennung außerhalb des Zylinders, z.B. Dampfmaschinen und Stirlingmotoren, zählt man nicht zu den Verbrennungsmotoren im engeren Sinne.

Anwendung

Verbrennungsmotoren werden verwendet zum Antrieb von

Grundsätzliche Funktionsweise

Alle Verbrennungsmotoren wiederholen in einem Kreisprozess ständig das Arbeitsspiel, das aus 4 Arbeitsschritten besteht:

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

Ausstoßen und Ansaugen dienen dem Gaswechsel, d.h. 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, aber diese Bezeichnung ist bei 2-Taktern nicht sinnvoll, weil diese auch alle 4 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 Benzin-Luftgemisch im Zylinder. Am Ende des zweiten Taktes erfolgt die Zündung, bei Ottomotoren durch die Zündkerze, bei Dieselmotoren durch Selbstzündung.
  3. Durch die steigende Temperatur des verbrennende Gasgemisches steigt der Druck im 3. Takt sehr stark und Druck bewegt den Kolben im Zylinder nach unten, die Antriebskraft wird dabei über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehbewegung umgesetzt.
  4. Im vierten Takt drückt der sich nach oben bewegende Kolben die verbrannten Abgase aus dem Zylinder durch den Auspuff in die Umwelt.

Die Bewegungen der Takte 1,2 und 4 erfolgen durch den Schwung, den die Kurbelwelle durch den Arbeitstakt erhalten hat. Da während des Startvorgangs noch kein Schwung vorhanden ist, muss dann 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 Konzepten erdacht und realisiert worden, die nicht in das folgende Raster passen, z.B. 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, z.B. kleinvolumige Motoren mit Kreiskolben und Schlitzsteuerung nach dem Otto-Prinzip (Wankelmotor) oder großvolumige 2-Takt-Dieselmotoren mit Ventilsteuerung (Schiffsdiesel).

Einteilung nach dem Arbeitsverfahren

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.

Ottomotor und Dieselmotor

Bauformen

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

Im Rennsport werden auch, trotz der höheren Unwucht, V-Motoren mit 3 oder 5 Zylindern gebaut.

Funktionsweise von Otto- und Dieselmotor

Prinzipiell wird unterschieden zwischen

Das Zweitakt-Verfahren erzeugt eine höhere Leistungsdichte, als das Viertakt-Verfahren und wird daher vorwiegend für Motoren mit kleinem Hubraum verwendet Mofa, Moped, Trabant, Kettensägen, Modellbau, Motoradrennsport). Diesem Vorteil steht jedoch der etwas höhere Benzinverbrauch und die schlechteren Abgaswerte gegenüber. Bei Dieselmotoren wird das Zweitakt-Verfahren lediglich bei großen Schiffsmotoren verwendet.

Unterschiede zwischen Otto- und Dieselmotor

Im Gegensatz zum Dieselmotor wird beim Ottomotor der Kraftstoff außerhalb des Zylinders mit dem zur Verbrennung benötigten Sauerstoff vermischt und durch eine Zündkerze entzündet. Neuere Motorenentwicklungen ermöglichen eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs, wie sie in ähnlicher Form auch beim Dieselmotor eingesetzt wird.

Kreiskolbenmotor

Der Wankelmotor ist ein Kreiskolbenmotor, benannt nach Felix Wankel. Beim Kreiskolbenmotor wird die Zylinderzahl durch die Anzahl der verwendeten Scheiben ersetzt.
Diese Scheiben rotieren in einer nur leicht oszillierenden Bewegung. Durch die Drehbewegung ergibt sich ein sehr ruhiger Motorlauf. Der Kreiskolbenmotor ist sehr kompakt aufgebaut. Abgesehen von der unterschiedlichen Bewegungsart entspricht das Prinzip der Krafterzeugung dem des Otto-/Dieselmotors. Die vier Takte werden nicht während einer Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens, sondern während der Drehbewegung einer Scheibe ausgeführt.

Stelzermotor

Der optimal einfache Stelzermotor, benannt nach seinem Erfinder Frank Stelzer, ist ein Zweitakt-Freikolbenmotor ohne Ventile mit zwei gegenüberliegenden Brennräumen und einer dazwischen liegenden Vorverdichtungskammer.

Siehe auch: Stirlingmotor

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