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Verbrennungsmotor

Ein Verbrennungsmotor ist eine Verbrennungskraftmaschine, die durch diskontinuierliche innere Verbrennung (daher auch die englische Bezeichnung "internal combustion engine") von Kraftstoff oder Treibstoff mechanische Arbeit verrichtet.

Nicht zu den Verbrennungsmotoren im engeren Sinne zählen Motoren mit äußerer Verbrennung, d.h. mit Verbrennung außerhalb des Zylinders, wie beispielsweise Dampfmaschinen und Stirlingmotoren, sowie Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Gasturbinen oder Strahltriebwerke, bei denen die innere Verbrennung kontinuierlich abläuft.

Gasturbinen werden jedoch in der Luftfahrt ebenfalls zu den Verbrennungsmotoren gezählt.

Inhaltsverzeichnis

Anwendung

Verbrennungsmotoren werden zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und stationären Maschinen verwendet.

Grundsätzliche Funktionsweise

Bei einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinder/einer Brennkammer entzündet und verbrannt. Der durch die Entwicklung und temperaturbedingte Wärmeausdehnung der Verbrennungsgase entstehende Druck wirkt auf einen Kolben, der dadurch bewegt wird, bzw. auf die Schaufeln einer Turbine, die über den Rotor eine Welle in Bewegung setzen.

Kolbenmaschinen wie Hubkolbenmotoren und Rotationskolbenmotoren (z. B. Wankelmotoren) arbeiten taktweise - also periodisch. In den meisten Fällen arbeiten sie dabei nach dem Otto- oder dem Diesel-Prozess in zwei oder vier Takten. Gasturbinen arbeiten hingegen kontinuierlich.

Alle Verbrennungsmotoren wiederholen ständig einen Kreisprozess, der aus vier Schritten besteht:

  1. Verdichten
    Gas komprimieren, der Kolben geht hoch und verkleinert den Raum im Zylinder, das Gemisch erhitzt sich
  2. Verbrennen
    Kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wird das heiße Gemisch mit einer Zündkerze entzündet (Ottomotor). Beim Dieselmotor wird in die stark erhitzte Luft unter hohem Druck Kraftstoff fein zerstäubt eingespritzt, und es kommt zur Selbstentzündung.
  3. Arbeiten
    durch den Verbrennungsvorgang nimmt der Druck weiter zu, und es treibt den Kolben nach unten
  4. Ansaugen/Ausstoßen
    erst selbständiges Ausströmen, dann Ausschieben von Altgas; Einströmen von Frischgas das heißt mit Kraftstoff angereicherte "Luft" bei Ottomotoren oder reine Luft bei Dieselmotoren

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 (Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches) in mechanische Energie (Druck bzw. Bewegung). Es existieren verschiedene Typen von Verbrennungsmotoren, die zum Teil nach unterschiedlichen Kreisprozessen ablaufen.

Viertaktmotoren haben nach jedem Arbeitstakt zwei Spültakte: der Kolben geht zum oberen Totpunkt und schiebt dabei das verbrannte Abgas in den Auspuff, danach geht er wieder hinunter und saugt frisches Gemisch oder Luft an; bei Zweitaktmotoren wird das Abgas in der Nähe des unteren Totpunktes in den Auspuff geblasen und durch frisches Gas ersetzt. Bei kleinen Zweitaktmotoren wird oft die Kolbenunterseite als Spülgebläse benutzt: wenn der Kolben beim Verdichten hochgeht saugt er frisches Gas an, was dann am Ende des Arbeitstaktes vorverdichtet über Überströmkanäle in den Zylinder geleitet wird. Größere Zweitaktmotoren haben in der Regel externe Spülgebläse oder Lader, die den Gaswechsel bewirken.

Die 4 Arbeitstakte, am Beispiel des 4-Takt-Hubkolbenmotors ohne Aufladung

  1. Takt - Ansaugen - Einlassventil geöffnet, Auslassventil geschlossen
    Im ersten Takt wird während der Abwärtsbewegung des Kolbens (vom oberen zum unteren Totpunkt) Kraftstoff-Luftgemisch oder Luft in den Zylinder „gesaugt“.
  2. Takt - Verdichten - beide Ventile geschlossen
    Im zweiten Takt verdichtet der Kolben in seiner Aufwärtsbewegung (vom unteren zum oberen Totpunkt) das Kraftstoff-Luftgemisch oder die Luft im Zylinder. Kurz vor Ende des zweiten Taktes (Kolben am oberen Totpunkt OT) erfolgt die Zündung, bei Ottomotoren durch Fremdzündung (Zündkerze), bei Dieselmotoren durch Selbstzündung während der Einspritzung des Kraftstoffes. Das Gemisch verbrennt, wobei der Druck steigt.
  3. Takt - Arbeiten - beide Ventile bleiben geschlossen
    Durch den Anstieg der Temperatur und den höheren Druck der Verbrennungsgase wird der Kolben im Zylinder nach unten in Richtung unterer Totpunkt (UT) getrieben. Die Längsbewegung des Kolbens wird dabei über den Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehbewegung umgesetzt.
  4. Takt - Auslass - Einlassventil geschlossen, Auslassventil geöffnet
    Im vierten Takt drückt der sich nach oben in Richtung oberer Totpunkt (OT) bewegende Kolben die Abgase aus dem Zylinder durch den Auspuff in die Umwelt.

Die Bewegungen der Takte eins, zwei und vier erfolgen bei einem Einzylindermotor durch den Schwung, den die mit einem Schwungrad versehene Kurbelwelle durch den Arbeitstakt drei erhalten hat. Bei mehrzylindrigen Motoren sind die Arbeitstakte der einzelnen Zylinder fast immer versetzt und übernehmen teilweise diese Aufgabe. Ein Einzylinderviertaktmotor hat somit einen Zündabstand von 720 Grad Kurbelwellenumdrehung d.h. alle zwei Umdrehungen erfolgt eine Zündung mit Arbeitstakt. Da eine Zunahme der Zylinderzahl den Zündabstand verringert, wird auch mehr Verbrennungsenergie pro 720 Grad Kurbelwellenumdrehung geleistet. Außerdem verbessert sich die Laufruhe des Motors. z. B. Vierzylinderviertakt: 720:4 = 180 Grad KW Zündabstand.

Da während des Startvorgangs noch kein Schwung vorhanden ist, muss die Kurbelwelle von außen angetrieben werden. Hierzu dient eine Startvorrichtung, wie ein Seil (Motorsäge, Bootsmotor), eine Tretkurbel (Mofa/Moped), eine Handkurbel (Oldtimer), oder ein kleiner Elektromotor- (Anlasser im Kraftfahrzeug). Große Motoren (Stationärmotoren und Lokomotiv- oder Schiffsdiesel) werden durch direkt in die Zylinder eingeführte Druckluft gestartet.

Der Gaswechsel wird heute beim Viertakter durch Ventile und Nockenwellen gesteuert. Diese läuft mit einer Untersetzung von 1:2 an die Kurbelwelle gekoppelt und öffnet und schließt die meist im Zylinderkopf des Motors angeordneten Ventile. In den Anfängen des Motorenbaus gab es auch noch selbsttätige Einlassventile, sogenannte Schnüffelventile.

Die Steuerzeiten der Nockenwelle sind je nach Ausführung so gelegt, dass sich Einlasszeit und der Auslasszeit überschneiden, d.h. beim Übergang des Auslasstaktes zum Ansaugtakt sind Ein- und Auslassventil für einen kurzen Zeitraum gleichzeitig geöffnet. Bei geschickter Überschneidung kann ein Motor so die in den Einlass- bzw. Auslasstrakt schwingenden Luftsäulen zur Aufladung (ohne zusätzliche Aggregate) nutzen und mehr Leistung abgeben. Bildlich gesprochen sollen beim Gaswechsel (Abgase raus – Frischgase rein) die mit hoher Geschwindigkeit ausströmenden Abgase die Frischgase in den Verbrennungsraum ziehen. Dies dient einer besseren Befüllung des Zylinders mit Frischgasen und erhöht den leistungsbestimmenden Verbrennungsdruck. Das ist speziell für Rennmotoren interessant. Allerdings ist dieser Effekt der Resonanzwellenaufladung stark von der Drehzahl des Motors abhängig, weswegen viele Rennmotoren eine sehr "spitze Leistungscharakteristik" haben.

Bei kleineren Zweitaktern wird der Gasaustausch beispielsweise durch Schlitze, Drehschieber oder Membrane gesteuert. Zweitakt-Großmotoren haben heute überwiegend Spülschlitze und ein Auslassventil.

Einteilung der Verbrennungsmotoren

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. Im Sinne der Lesbarkeit verzichtet diese Übersicht auf Sonderfälle.

Die Bauarten können in einer großen Vielfalt kombiniert sein, beispielsweise kleinvolumige Motoren mit Rotationskolben und Schlitzsteuerung nach dem Otto-Prinzip (Wankelmotor), oder großvolumige 2-Takt-Dieselmotoren mit Ventilsteuerung (Schiffsdiesel).

Einteilung nach dem thermodynamischen Prozess

Einteilung nach dem Arbeitsverfahren

Vergleich der Arbeitsverfahren

Anwendungen

Zweitakt-Ottomotoren werden vorwiegend dort verwendet, wo der Preis des Motors (einfache Bauweise) und die hohe Leistungsdichte den Vorrang haben vor Kraftstoffverbrauch und Umweltschutz. Dies gilt für Motoren mit kleinem Hubraum: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Kart, Motorsäge, Generator, Modellbau, Motorradrennsport. Zweitakt-Dieselmotoren werden zum Antrieb großer Schiffe verwendet, wo ihr guter Wirkungsgrad einen niedrigen Brennstoffverbrauch bewirkt und die Betriebskosten gering hält.

Einteilung nach dem Bewegungsablauf

Einteilung nach dem Gemischbildungsverfahren

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

Einteilung nach dem Zündverfahren

Die Fremdzündung kommt beim Ottomotor vor. Bei der Fremdzündung wird das Entzünden des Kraftstoff-Luftgemischs durch eine Zündkerze eingeleitet, optimal kurz vor dem oberen Totpunkt.

Die Selbstzündung kommt beim Dieselmotor vor. Bei der Selbstzündung wird erst reine Luft stark verdichtet und kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) wird der Dieselkraftstoff eingespritzt. Durch die große Hitze und den hohen Druck entzündet sich der Kraftstoff selbst.

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.

Einteilung nach der Füllungsart

Einteilung nach dem Kühlverfahren

Hauptartikel: Kühlung (Verbrennungsmotor)

Einteilung nach Bauformen und Anzahl der Zylinder

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 4-Sternen und insgesamt 24 Zylindern - entspricht 90°/90°/90°-X24), Junkers Jumo 222 und Dobrynin VD-4K (mit vier 6-Sternen (Hexagon) und insgesamt ebenfalls 24 Zylindern) oder Curtiss H-1640 Chieftain (mit zwei 6-Sternen (Hexagon) und 12 Zylindern).

Im Motorsport werden vereinzelt, trotz der höheren Unwucht, auch V-Motoren mit ungeraden Zylinderzahlen (3 oder 5) gebaut.

Bei langsamlaufenden Großdieselmotoren gibt es teilweise auch bis zu 14 Zylinder in Reihenanordnung, sowie V-Motoren mit 20 oder 24 Zylindern.

Exotische Bauarten von Motoren

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.

Durch die anhaltende Bewegung in immer gleich bleibender 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 dem des Ottomotors. Die vier Takte werden nicht während einer Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens, sondern während der Drehbewegung in einer Scheibe ausgeführt. So wie beim Hubkolbenmotor mehrere Zylinder vorhanden sind, können auch beim Wankelmotor mehrere Scheiben kombiniert sein.

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde eine Reihe exotischer Konstruktionen entworfen, die jedoch das Prototypstadium nur selten überschritten. Durch Fortschritte der Werkstoffforschung sind Lösungen für Probleme alter Konstruktionen möglich. Zusätzlich gibt es immer wieder Kombinationen der Bauarten (Beispiel: Zwillingskurbelwelle der Neander Motorraddieselmotoren).

Kraftstoffe

Wichtige Motorenbauer

Siehe auch