Verbrennungsmotor

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Ein Verbrennungsmotor ist eine Verbrennungskraftmaschine, die chemische Energie eines Kraftstoffs durch Verbrennung in mechanische Arbeit umwandelt. Die Verbrennung findet dabei im Brennraum statt, in dem ein Gemisch aus Kraftstoff und Umgebungsluft gezündet wird. Die Wärmeausdehnung des durch die Verbrennung heißen Gases wird genutzt, um einen Kolben zu bewegen. Geläufige Beispiele für Verbrennungsmotoren sind der Ottomotor und der Dieselmotor in Automobilen.

Dampfturbinen, Dampfmaschinen oder der Stirlingmotor werden nicht zu den Verbrennungsmotoren gezählt. Die für ihren Betrieb nötige Wärme muss nicht durch Verbrennung erzeugt werden. Auch die kontinuierlich arbeitenden Aggregate Gasturbine und Raketentriebwerk zählen üblicherweise nicht zu den Verbrennungsmotoren.

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

Grundsätzliche Funktionsweise[Bearbeiten]

Bei allen Motoren mit innerer Verbrennung wird nach jedem Arbeitsspiel das beteiligte Gas gewechselt, also Abgas ausgestoßen und Frischgas zugeführt. Heutige Motoren verdichten das Gas, dann wird es bei hohem Druck verbrannt und wieder entspannt. Das Gas verrichtet Arbeit an einem Kolben und kühlt sich dabei ab. Je nach Bau- und Funktionsweise des Motors werden diese Vorgänge unterschiedlich verwirklicht. Wichtig für die Funktion als Motor ist, dass wegen der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs die Ausdehnung bei höherem Druck geschieht als das Verdichten. Der maximal mögliche Wirkungsgrad hängt von den Temperaturniveaus ab, auf dem die Verbrennungswärme zu- und abgeführt wird, und damit vom Verdichtungsverhältnis. Moderne Pkw-Ottomotoren erreichen im besten Arbeitspunkt (etwa in der Mitte des Drehzahlbandes und knapp unter der Volllastkurve) einen effektiven Wirkungsgrad von 36 %. Bei Dieselmotoren liegt dieser bei 43 %.[1] Die mechanischen Verluste sind fast nur von der Drehzahl abhängig, daher nimmt der Wirkungsgrad bei kleinerer Motorlast („Gaspedalstellung“) stark ab.

Einteilung[Bearbeiten]

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. Zugunsten der Lesbarkeit verzichtet diese Übersicht auf Sonderfälle.

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

Nach dem Arbeitsverfahren[Bearbeiten]

Viertaktverfahren (Viertaktmotor)
Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit Takt ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine vollständige Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitszyklus' 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.
Zweitaktverfahren (Zweitaktmotor)
Auch beim Zweitaktverfahren laufen alle vier Arbeitsschritte ab, aber während zweier 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 Arbeitszyklus' nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heißt, es kommt zu einer partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.
Split-Cycle-Motor (Scuderi-Motor)
Der Scuderi-Motor arbeitet mit vier getrennten Takten, die jedoch auf zwei Zylinder aufgeteilt sind. Die vier Arbeitsschritte Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoß werden auf zwei Zylinder verteilt, die für ihre jeweiligen Aufgaben konstruktiv optimiert werden können. Es handelt sich um ein altbekanntes Verfahren, das jedoch erst jüngst (2007) zum Bau eines Prototyps geführt hat.

nach dem Bewegungsablauf[Bearbeiten]

nach dem Gemischbildungsverfahren[Bearbeiten]

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

Äußere Gemischbildung
Es wird ein zündfähiges Gasgemisch in den Zylinder geführt und dort verdichtet. Das ermöglicht hohe Drehzahlen, da die Verbrennung ohne Verzögerung erfolgt, sobald gezündet wird. Durch überhöhte Temperatur (heißer Motor, hohe Verdichtung bei Vollast) kann es zu unkontrollierter Selbstzündung kommen. Dieser Klopfen genannte Effekt begrenzt das Verdichtungsverhältnis. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden. Die äußere Gemischbildung kann auf zwei Arten erfolgen:
Vergaser zerstäuben den Kraftstoff in feine Tröpfchen, die auf dem Weg in den Zylinder verdampfen. Sie werden heute fast ausschließlich in Kleinmotoren eingesetzt. Bis in die 1980er Jahre waren sie auch im Automobilbau üblich.
Bei der indirekten Einspritzung wird der Kraftstoff im Ansaugkanal oder kurz vor dem Einlassventil dem Luftstrom beigemengt. Vorteile gegenüber dem Vergaser sind unter anderem die schnellere und präzisere Steuerung der Kraftstoffmenge und die Lageunabhängigkeit (wichtig z. B. bei Flugzeugen).
Innere Gemischbildung
Im Zylinder wird nur Luft angesaugt und verdichtet. Der Kraftstoff wird erst unmittelbar vor der Verbrennung direkt in den Brennraum eingespritzt, weshalb der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtung gesteigert werden kann. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Vermischen und Verdampfen. Die Verbrennung erfolgt verzögert und führt zu einer Begrenzung der maximalen Motordrehzahl. Man kann den Brennverlauf steuern, indem festgelegt wird, wie viel Kraftstoff in welcher Zeit eingespritzt werden soll.

nach dem Zündverfahren[Bearbeiten]

Die Fremdzündung ist das Merkmal des Ottomotors. Dabei wird das Entzünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs durch eine Zündkerze eingeleitet, optimal kurz vor dem oberen Totpunkt.

Die Selbstzündung ist das Merkmal des Dieselmotors. Dabei wird zuerst reine Luft stark verdichtet und dadurch erhitzt. Kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) wird der Dieselkraftstoff eingespritzt, der sich durch die große Hitze von selbst entzündet.

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.

nach dem Brennverfahren[Bearbeiten]

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

nach der Füllungsart[Bearbeiten]

nach dem Kühlverfahren[Bearbeiten]

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

nach Bauformen und Anzahl der Zylinder[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

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[Bearbeiten]

Wichtige Motorenbauer[Bearbeiten]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Hans-Hermann Braess Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik 6. Auflage Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden ISBN 978-3-8348-1011-3.
  • 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.
  • Gernot Greiner: Verbrennungsmotoren im Auto- und Flugmodellbau. Poing bei München, Franzis Verlag, 2012, ISBN 978-3-645-65090-8.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik S. 162 ISBN 978-3-8348-1011-3