Verbrennungsmotor

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Ein Verbrennungsmotor ist eine Verbrennungskraftmaschine, wandelt also chemische Energie in mechanische Arbeit um. Dazu wird im Brennraum ein zündfähiges Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt. Kennzeichen der Verbrennungsmotoren ist die „innere Verbrennung“, also die Erzeugung der Verbrennungswärme im Motor. Die Wärmeausdehnung des so entstehenden Heißgases wird genutzt, um Kolben (beim Wankelmotor Läufer) zu bewegen. Die häufigsten Arten von Verbrennungsmotoren sind Otto- und Dieselmotoren. Eine typische Anwendung dieser Motoren ist der Antrieb von Automobilen.

Die kontinuierlich arbeitenden Strahl- und Raketentriebwerke sowie Gasturbinen zählen üblicherweise nicht zu den Verbrennungsmotoren, obwohl auch dort der Kraftstoff innerhalb der Maschine verbrannt wird. Dampfturbinen, Dampfmaschinen oder der Stirlingmotor sind keine Verbrennungsmotoren, da die für ihren Betrieb nötige Wärme außerhalb erzeugt wird.

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

Grundsätzliche Funktionsweise

Bei allen Motoren mit innerer Verbrennung wird nach jedem Arbeitsspiel das beteiligte Gas gewechselt, also Abgas ausgestoßen und frisches Gemisch (Frischgas) zugeführt. Moderne Motoren verdichten das Gas zunächst, dann wird es bei hohem Druck verbrannt und wieder entspannt. Das Gas verrichtet mechanische Arbeit und kühlt sich dabei ab. Je nach Bau- und Funktionsweise des Motors werden diese Vorgänge unterschiedlich verwirklicht. Grundlegend 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 40 %. Bei Dieselmotoren liegt dieser bei 43 %.[1] Die mechanischen Verluste betragen ungefähr 10 % der Volllastleistung und sind fast nur von der Drehzahl abhängig, daher nimmt der mechanische Wirkungsgrad mit sinkender Last ab. (siehe Verbrauchskennfeld)

Einteilung

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. Zugunsten der Übersichtlichkeit werden diese Sonderfälle hier nicht betrachtet.

Dazu gehören der Wankelmotor (Ottomotor mit Rotationskolben und Schlitzsteuerung) oder Schiffsdieselmotoren, die oft als Zweitakt-Dieselmotor mit Auslassventilen konzipiert sind.

Nach dem Arbeitsverfahren

Schnitt durch einen Motorradmotor
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.
Scott-Zweitaktmotor von 1912
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 Ausstoßen werden auf zwei Zylinder verteilt, der die konstruktiv für ihre Aufgabe ausgelegt werden. Es handelt sich um ein altbekanntes Verfahren, das jedoch erst jüngst (2007) zum Bau eines Prototyps geführt hat.

nach dem Bewegungsablauf

nach dem Gemischbildungsverfahren

Zum effektiven Betrieb ist das optimale Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderlich. Die Gemischbildung kann beim Dieselmotor nur innerhalb, beim Ottomotor auch außerhalb des Zylinders stattfinden.

Äußere Gemischbildung
Es wird ein zündfähiges Gasgemisch über den Ansaugtrakt 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 Volllast) kann es zu unkontrollierter Selbstzündung kommen. Dieser „Klopfen“ genannte Effekt begrenzt das Verdichtungsverhältnis und kann durch den Zusatz von Antiklopfmitteln zum Kraftstoff verhindert werden. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden. Die äußere Gemischbildung kann auf zwei Arten erfolgen:
  • Vergaser zerstäuben das Benzin in feine Tröpfchen und bilden so ein Aerosol, das in die Zylinder geführt wird. Bis in die 1990er Jahre waren sie im Automobilbau üblich und werden heute fast nur noch in Kleinmotoren eingesetzt.
  • Bei der indirekten Benzineinspritzung wird der Kraftstoff mit vergleichsweise geringem Druck im Ansaugtrakt kurz vor dem/den Einlassventil(en) dem Luftstrom beigemengt (Saugrohreinspritzung). Vorteile gegenüber dem Vergaser sind unter anderem die schnellere und präzisere Steuerung der Kraftstoffmenge und die Lageunabhängigkeit (wichtig zum Beispiel bei Flugmotoren).
Innere Gemischbildung
Vom Zylinder wird nur Luft angesaugt und verdichtet. Erst unmittelbar vor der Verbrennung wird mit hohem Druck der Kraftstoff (Benzin oder Diesel) direkt in den Brennraum eingespritzt (Direkteinspritzung), weshalb der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtung gesteigert werden kann. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Vermischen und Verdampfen. Die Verbrennung beginnt verzögert und begrenzt so die maximale Motordrehzahl.

nach dem Zündverfahren

Funktionsprinzip eines Dieselmotors

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 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

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

nach der Füllungsart

nach dem Kühlverfahren

  • Flüssigkeitskühlung
  • Luftkühlung
  • Ölkühlung
  • Kombinationen aus Luft-/Ölkühlung (SAME)
  • Stickstoffkühlung

nach dem Grad der Schnelläufigkeit

In früheren Jahren wurde der Grad der Schnelläufigkeit aufgrund der Kolbengeschwindigkeit, später vermehrt durch die Drehzahl bestimmt.

  • Langsamläufer: 90-500 min−1; hauptsächliche große Zwei- und Viertakter auf See- und Binnenschiffen und ortsfesten Anlagen
  • Mittelschnelläufer: 500-800 min−1; eingesetzt auf Frachtschiffen und Antrieb für Generatoren
  • Mittelläufer: bis 2000 min−1; eingesetzt als Boots- und Binneschiffsmotoren, Hilfsaggregate und ähnliches
  • Schnellläufer: über 2000 min−1; Otto- und Dieselmotoren für Fahrzeuge[2]

nach Bauformen und Anzahl der Zylinder

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

Querschnittszeichnung eines Sechszylinder-V-Motors
Der Reihensternmotor Swesda M503 mit 42 Zylindern in sieben Zylinderbänken zu jeweils sechs Zylindern.

Die fettgedruckten Bauformen und Zylinderzahlen sind heute in Kraftfahrzeugen gebräuchlich. Der Verbrennungsmotor mit der höchsten Zahl an Zylindern, der je gebaut wurde, ist der Reihensternmotor Swesda M520 mit 56 Zylindern in sieben Zylinderbänken zu jeweils acht Zylindern.

Viertakt-Sternmotoren haben immer eine ungerade Zylinderzahl pro Stern. Der Grund dafür ist, dass beim Viertaktmotor jeder Zylinder nur in jeder zweiten Umdrehung gezündet wird, so dass eine durchgängige Zündfolge, die für den ruhigen, vibrationsfreien Lauf des Motors erforderlich ist, nur mit ungeraden Zylinderzahlen erzielt werden kann. Mehrfachsternmotoren wie die 14-Zylinder-Doppelsternmotoren BMW 801 und Wright R-2600 oder auch der P & W R-4360 (28 Zylinder in vier Sternen zu je sieben) haben jedoch eine gerade Zylinderzahl.

Davon sind die Reihensternmotoren zu unterscheiden, bei denen mehrere Zylinderbänke sternförmig um die Kurbelwelle angeordnet sind. Dies waren z. B. der Daimler-Benz DB 604, Rolls-Royce Vulture und Allison X-4520 (X-Motoren mit vier Zylinderbänken zu je sechs Zylindern = 24 Zylinder), Junkers Jumo 222 und Dobrynin WD-4K (ebenfalls 24 Zylinder, jedoch als Hexagon mit sechs Zylinderbänken zu je vier Zylindern) und der Zwölfzylindermotor Curtiss H-1640 Chieftain mit sechs Zylinderbänken zu je zwei Zylindern.

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

Als langsam laufende Schiffsdiesel gibt es Reihenmotoren mit bis zu 14 Zylindern sowie V-Motoren mit 20 oder 24 Zylindern.

Ungewöhnliche Bauarten

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 mit einem Kolben. 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. Der Mederer-Motor und der Kreuzschleifenmotor haben einen etwas anderen Bewegungsablauf des Kolbens.

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.

Partikelemission

Partikel im Abgas von Verbrennungsmotoren (10–1000 nm) sind kleiner als andere, etwa durch Reifenabrieb (15.000 nm) verursachte. Wie jene bestehen sie aber aus Ruß und Kohlenwasserstoffen (z.B. PAK). Ihre für den Menschen vermutete Gesundheitsrelevanz erhalten die Abgasnanopartikel aufgrund ihrer Oberfläche und Größe. Sie können Zellmembranen verletzen (Ruß) oder mit ihnen reagieren (PAK)[3]. Durch ihre Größe (Nano bezeichnet alles unter 100 nm) gelingt ihnen die Überwindung der oberen Atemwege und der Lungenwand und damit der Eintritt in den Blutkreislauf (vgl.). Dosis, Einwirkzeit, Projizierbarkeit von Tierversuchen auf den Menschen und Begleitumstände wie das Rauchen von Studienteilnehmern bilden die Zielsetzungen derzeitiger Forschung[4]. Dem vorgreifend begrenzt die Euro 6 Abgasnorm für 2014 erstmals die Partikelmenge (Entwurfswert: 6×1011 Stück pro km) und nicht mehr nur ihre Masse[5]. Die Masse wird durch die entscheidenden Nanopartikel nur zu 20 % beeinflusst, beim Diesel die Gesamtmasse aber durch geschlossene Partikelfilter bereits um 97 % reduziert[6][7]. Das zeigt, dass die dortige Ansammlung von Filtrat auch relevante Mengen von Nanopartikeln weit unter der eigentlichen Filterporengröße von 1000 nm abfängt[8][9]. Mit dieser Reduktion minimiert der Filter zudem die Klimawirksamkeit der Partikel. Die dunkle Rußfarbe macht die Partikel zu Wärmeabsorbern. Damit erwärmen sie direkt die rußbelastete Luft und nach Ablagerung auch Schneeflächen in der Arktis, die sie durch Luftströmungen etwa von Europa her erreichen[10].

Benzin- und Dieselmotoren produzieren während Volllast- und Kaltstartphasen vergleichbare Mengen und Größen an Partikeln[11][12]. In beiden Phasen wird mehr Kraftstoff eingespritzt, als der Sauerstoff im Zylinder verbrennen kann („angefettetes Gemisch“). In Kaltstartphasen geschieht dies zur Katalysatorerwärmung, unter Volllast zur Motorkühlung. Während Benzinmotoren nur im angefetteten Betrieb Partikel durch Sauerstoffmangel erzeugen, entstehen diese beim Diesel selbst im Magerbetrieb und damit während aller Betriebsphasen[13][14]. Daher liegt die Partikelmenge des Benziners insgesamt dennoch auf dem niedrigen Niveau eines Diesels mit geschlossenem Filtersystem[15].

Ursächlich für den Dieselruß sind seine doppelt so langkettigen Aromate (vgl. Benzin). Sie weisen einen deutlich höheren Siedepunkt auf (von 170 bis 390 °C anstatt 25 bis 210 °C). Gleichzeitig liegt die Verbrennungstemperatur des Diesels aber 500 °C unterhalb der des Benzinmotors[16]. Benzin verdampft daher vollständiger als Diesel. Dessen früher siedende Bestandteile verdampfen zuerst, was den Resttropfen aus Aromaten höherer Siedepunkte zusätzlich auf niederer Temperatur hält (vgl.). Die nicht verdampften Aromate werden während der Selbstzündungsphase temperaturbedingt in ihre Bestandteile gecrackt. Zu diesen zählt der Kohlenstoff, also Ruß.

Die Partikelzusammensetzung unterscheidet sich aufgrund der Chemie beider Kraftstoffe. So überwiegen beim Benzinmotor die PAK-Partikel, beim Dieselmotor sind es die Rußpartikel[17]. Sichtbar werden die Partikel erst durch Aneinanderlagerung. Sichtbare Partikel sind nicht mehr lungengängig und werden meist schon im oberen Atemweg ausgefiltert und abgebaut. Anlagerungen finden im Auspuff und besonders im Partikelfilter statt. Die dortige Ansammlung des Filtrats fängt auch Partikel weit unter der eigentlichen Filterporengröße (1 µm) ab. Damit sinkt die Partikelanzahl auf das Niveau eines Benzinmotors[15]. Erkennbar wird die Partikelanlagerung im Auspuff. Fehlt diese, verfügt ein Diesel über ein geschlossenes Filtersystem und ein Benziner über wenige Anteile von Kaltstart- und Volllastphasen.

Kraftstoffe

Wichtige Motorenbauer

Siehe auch

Literatur

  • 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.
  • Helmut Hütten: Motoren: Technik - Praxis - Geschichte. 10. Auflage, Motorbuch Verlag Stuttgart, 1997, ISBN 3-87943-326-7.

Weblinks

 Wiktionary: Verbrennungsmotor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise

  1. Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik S. 162, ISBN 978-3-8348-1011-3
  2. Harald Maass: Gestaltung und Hauptabmessungen der Verbrennungskraftmaschine, Springer-Verlag, 1979, ISBN 9783709185698, S. 81–82 [1]
  3. Passierfähigkeit von Abgasnanopartikeln
  4. S. 51ff: Forschungsübersicht zu Abgasfeinstaub November 2007
  5. Partikelanzahl ab Euro 6 begrenzt
  6. Partikelverteilung nach Größe und Masse
  7. S. 16: 97%ige Reduktion der Gesamtpartikelzahl durch geschlossenen Filter
  8. Nanopartikel-Reduktion durch geschlossenen Filter um 95 %
  9. S. 17 Nanopartikel-Reduktion durch geschlossenen Filter um 99,5 %
  10. Kampagne mehrerer Umweltverbände für den Dieselpartikelfilter aus Klimagründen
  11. Gleiche Partikelmengen und -größen in Diesel- und Benzinmotoren bei Volllast und Kaltstartphasen (Memento vom 8. Juli 2012 im Webarchiv archive.is)
  12. S. 49 Gleiche Partikelgrößen in Diesel- und Benzinmotoren bei Volllast und Kaltstartphasen
  13. Partikel im Benzinmotor beim Kaltstart
  14. Partikel im Benzinmotor bei Volllast
  15. a b S. 16/17: Gleiche Partikelmengen, -massen und damit auch -größen in Diesel- und Benzinmotoren während Fahrzyklus#Artemis-Zyklus|realer Fahrbedingungen
  16. Temperaturen im Motor
  17. S. 48 Bestandteile der Partikel