Brennraum

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Dieser Artikel beschreibt den Raum in einem Verbrennungsmotor, wo die Verbrennung stattfindet. Zum gleichen Raum innerhalb
Vertiefung in einem Kolben als Brennraum
Aussparung im Zylinderkopf als Brennraum

Ein Brennraum ist der in einem Verbrennungsmotor während der Zündung an den Kolben grenzende gasgefüllte Raum, in dem die Verbrennung beginnt.

Im üblichen Hubkolbenmotor durchläuft der Kolben vorher und nachher den Hubraum.

In der einfachsten Ausführung als Zweitaktmotor wird der Brennraum vom Zylinderdeckel mit Zündkerze, dem Kolben mit den Kolbenringen, und zu einem geringen Teil vom Zylinder umgrenzt. Beim üblichen Viertaktmotor kommen dessen Ventile im Zylinderkopf hinzu.

Im Rotationskolbenmotor wird der Brennraum vom Kolben und der Gehäusewand begrenzt.

Der Brennraum muss gasdicht sein, um den Motor starten zu können. Die Abdichtung ist anspruchsvoll, weil im Betrieb hohe Temperaturen und Drücke auftreten.

Durch die Form des Brennraums wird Einfluss auf die Durchmischung des Gases mit Brennstoff, den Ablauf der Verbrennung und den resultierenden Druck auf den Kolben genommen. Die Form des Brennraums beeinflusst maßgeblich den Kraftstoffverbrauch, die Leistung und die Klopfneigung eines Motors.

Bei Zweitaktern ist der Brennraum am freiesten gestaltbar, aber sie haben andere Nachteile. Bei Rotationskolbenmotoren ist der Brennraum ungünstig, was zu ihren grundlegenden Nachteilen zählt.

Bei Viertakt-Hubkolbenmotoren sind Ventilanordnung und Brennraumform eng miteinander verknüpft. Bei Zweiventil-Konstruktionen ist die Vielfalt am größten: Bei parallel hängenden Ventilen können diese parallel zur Zylinderlängsachse angeordnet sein, dann ist der Brennraum meist eine Mulde im Zylinderkopf um die Ventile herum. Wenn die Ventile parallel stehen, aber zur Zylinderlängsachse geneigt sind, ist der Brennraum in der Regel keil- oder dachförmig gestaltet. Die größere Schräge des Daches trägt dann die Ventile, die kleinere die Zündkerze. Schon in der Frühzeit des Automobilbaus zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde bei Hochleistungsmotoren mit V-förmig zueinander stehenden Ventilen und einem halbkugelförmigen Brennraum gearbeitet. Dieser bietet in alle Richtungen gleichmäßige Flammwege und ein sehr günstiges Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und damit geringe Wärmeverluste bei der Verbrennung und einen besseren Wirkungsgrad die Ventile stehen dann in 90 Grad zueinander. Mit höher werdenden Verdichtungsverhältnissen zeigte sich aber, dass wegen des großen Volumens der Halbkugel der Kolbenboden ungünstig weit hochgewölbt werden muss, wenn hohe Verdichtungen gewünscht sind. Dadurch bekommt der Brennraum eine Sichelform, was für die Ausbreitung der Verbrennung sehr ungünstig ist. Deswegen wurden ab den Fünfziger Jahren Motoren mit kleineren Ventilwinkeln entwickelt, deren Brennraum nur noch eine Kugelkalotte und keine volle Halbkugel mehr darstellte, wodurch die Effizienz dieser Brennräume deutlich gesteigert wurde. Bei Vierventilkonstruktionen sind die Brennräume in der Regel dachförmig gestaltet, die Ventilpaare stehen dann in sich parallel jeweils auf einer der Dachflächen.

Bei den meisten praktischen Anwendungen bedeckt die Brennraummulde nicht die gesamte Fläche der Zylinderbohrung, sondern ist im Durchmesser deutlich kleiner. Der Kolben wird dann im Randbereich der Bohrung so nah wie möglich an die sich ergebende ebene Fläche des Zylinderkopfes herangeführt. Im Verdichtungsvorgang wird dann das in diesem Randbereich befindliche Gemisch mit hoher Geschwindigkeit herausgequetscht und sorgt für eine schnelle Durchwirbelung und damit eine gute Verbrennung des Gemischs. Deswegen wird diese Konstruktion als Quetschkante bezeichnet.

Als Sonderbauformen von Brennräumen gilt der Heron-Kopf, bei dem der Brennraum vollständig im Kolbenboden liegt und der Zylinderkopf vollständig eben ist. Diese Konstruktion ist einfach zu fertigen, weil der Zylinderkopf nur plan bearbeitet werden muss, hat aber wegen der zwangsweise kleinen Ventile Nachteile bei der Leistungsentfaltung und bedingt zudem einen großen und schweren Kolben. Die bekanntesten Vertreter dieser Konstruktion sind der Mitteldruck-Motor der Audis der Sechziger Jahre, der Boxer-Motor des Alfasud, die V-Motoren von Moto Morini aus den Siebzigern und die V-Motoren der kleinen Baureihe von Moto Guzzi.

Eine weitere Sonderform stellt die Dreikugel-Wirbelwanne dar. Bei dieser von BMW in den Motorenbaureihen M10 und M30 lange Zeit favorisierten Konstruktion sind um die beiden Ventile und die Zündkerze jeweils kleine Kugelkalotten angeordnet und der Kolbenboden trägt eine ovale Mulde. Diese Auslegung sollte die Laufruhe verbessern, schränkte aber die Leistungsfähigkeit ein, weswegen sie bei Leistungssteigerungen meist in eine Halbkugelform umgearbeitet wurde.

Der vom Schweizer Ingenieur May entwickelte Fireball-Brennraum ähnelt um das Einlassventil herum einem Heronkopf und hat eine sehr kleine Brennraummulde direkt vor dem Auslassventil und ein sehr hohes Verdichtungsverhältnis. Dadurch ist der Motor im niedrigen bis mittleren Lastbereich sparsam, allerdings um den Preis von Leistungseinbußen im oberen Lastbereich. Letzteres spielte bei der einzigen kommerziellen Anwendung dieses Prinzips, der HE-Variante des Zwölfzylindermotors von Jaguar, keine Rolle.

Eine weiter ungewöhnliche Brennraumvariante für Dieselmotoren ist der des M-Brennverfahrens der MAN. Hier ist der Zylinderkopf völlig plan und der Brennraum liegt als tiefe hohlkugelförmige Mulde im Kolbenboden. In dieser Mulde rotiert die angesaugte Luft sehr schnell und löst den an die Brennraummulde eingespritzten Kraftstoff nach und nach ab.

Bei Rotationskolbenmotoren gibt es

  • Umfangseinlässe, Umfangsauslässe
  • Seiteneinlässe, Seitenauslässe

Die seitliche Ausführung ermöglicht geringeren Verbrauch und niedrigere Emissionen.[1] Die Brennraumform bleibt davon aber unberührt.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. der-wankelmotor.de

Literatur[Bearbeiten]

  •  Richard van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotor. 5 Auflage. Vieweg+Teubner, Wiesbaden 2010, ISBN 978-3-8348-0699-4.
  •  Rudolf Pischinger, Manfred Klell, Theodor Sams: Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine. 3 Auflage. Springer, Wien 2009, ISBN 978-3-211-99276-0.