Verbrennungsmotor

Der Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch innere Verbrennung von Treibstoff, mechanische Arbeit verrichtet. Strömungsmaschinen mit Verbrennung, zum Beispiel Gasturbinen, und Motoren mit Verbrennung außerhalb des Zylinders, beispielsweise Dampfmaschinen und Stirlingmotoren, zählt man nicht zu den Verbrennungsmotoren im engeren Sinne.

Anwendung

Verbrennungsmotoren werden zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und stationären Maschinen verwendet. Verbrennungsmotoren können auch in der Kraft-Wärme-Kopplung Anwendung finden.

Grundsätzliche Funktionsweise

Bei einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinder entzündet und verbrannt. Der durch die Entwicklung und die temperaturbedingte Expansion der Verbrennungsgase entstandene Druck (pV = nRT), wirkt auf einen Kolben, der dadurch verschoben wird. 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.

Alle Verbrennungsmotoren wiederholen in einem Kreisprozess, ständig den Arbeitszyklus, der aus vier Arbeitsschritten besteht:

Ansaugen
Verdichten
Leistung erbringen
Ausstoßen

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) über thermische Energie (Wärme) und potentielle Energie (Druck) in mechanische Energie (Drehmoment). Die Arbeitsschritte werden oft als Takte bezeichnet. Allerdings ist diese Bezeichnung bei 2-Taktern nicht sinnvoll, da 2-Takter auch alle vier Arbeitsschritte ausführen.

Bild:motortakte.png

Die Arbeitstakte, am Beispiel des 4-Takt-Hubkolbenmotors

4-Takt Prinzip

Im ersten Takt wird während der Abwärtsbewegung des Kolbens ein Kraftstoff-Luftgemisch in den Zylinder "gesaugt".
Während des zweiten Taktes verdichtet der Kolben in seiner Aufwärtsbewegung das Kraftstoff-Luftgemisch im Zylinder. Am Ende des zweiten Taktes erfolgt die Zündung, bei Ottomotoren durch die Zündkerzen, bei Dieselmotoren durch Selbstzündung.
Im dritten Takt verbrennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch den Anstieg der Temperatur steigt auch der Druck des Gemisches stark und bewegt den Kolben im Zylinder nach unten. Die Längsbewegung des Kolbens wird dabei über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehmoment-Bewegung umgesetzt.
Der sich nach oben bewegende Kolben schiebt die verbrannten Abgase aus dem Zylinder durch den Auspuff in die Umwelt.

Die Bewegungen der Takte eins, zwei und vier erfolgen durch den Schwung, den die mit einem Schwungrad versehene Kurbelwelle durch den Arbeitstakt erhalten hat. Da während des Startvorgangs noch kein Schwung vorhanden ist, muss die Kurbelwelle von außen angetrieben werden. Hierzu dient eine Startvorrichtung, wie ein Seil (Kettensäge, Bootsmotor), eine Tretkurbel (Motorrad), eine Handkurbel (Oldtimer), oder ein kleiner Elektromotor- (Anlasser im KFZ). Große Motoren (stationäre oder Schiffs-) werden durch direkt in die Zylinder eingeführte Druckluft gestartet.

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 Konzepte erdacht und realisiert worden, die nicht in das folgende Raster passen, zum Beispiel Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder Vielstoffmotoren nach dem Dieselverfahren, 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 Kreiskolben und Schlitzsteuerung nach dem Otto-Prinzip (Wankelmotor), oder großvolumige 2-Takt-Dieselmotoren mit Ventilsteuerung (Schiffsdiesel).

Einteilung nach dem thermodynamischen Prozess

Einteilung nach dem Arbeitsverfahren

4-Takt-Verfahren: Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit "Takt" ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitsspieles 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 so genannten Ventilüberschneidung.
2-Takt-Verfahren: Auch beim 2-Takt-Verfahren laufen alle vier Arbeitsschritte ab, aber während nur zwei 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 Arbeitsspieles nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heißt es kommt zu einer gegenseitigen Durchmischung von Frischgas und Abgas.

Vergleich der Arbeitsverfahren

thumb|100px|2-Takt Prinzip

2-Takt-Motoren haben eine größere Leistungsdichte, da sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung Arbeit verrichten.
2-Takt-Motoren können wesentlich einfacher und billiger gebaut werden, weil 4-Takt-Hubkolbenmotoren eine Ventilsteuerung benötigen. Sie ist erforderlich, weil die Ein- und Auslassöffnungen für Frisch- und Abgas bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung geöffnet, beziehungsweise geschlossen werden müssen. Bei 2-Takt-Motoren kann der Kolben diese Aufgabe übernehmen, da Öffnen und Schließen bei jeder Kurbelwellenumdrehung stattfinden.
Ohne Ventilsteuerung treten bei 2-Takt-Motoren geringere Massenkräfte auf, deshalb sind höhere Drehzahlen möglich. Dies erhöht die Leistungsdichte zusätzlich.
2-Takt-Motoren herkömmlicher Bauart haben einen höheren spezifischen Verbrauch, und schlechtere Abgaswerte, weil sie einen Teil des Kraftstoff-Luftgemisches unverbrannt durch Überspülen verlieren. Überspülen entsteht, wenn sich Frischgas mit dem Abgas mischt und ausgestoßen wird. Durch eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs (wie beispielsweise beim Zweitakt-Dieselmotor) kann dieses verhindert werden.
2-Takt-Motoren haben nicht mehr die Leistung, wie heutige 4-Takt-Motoren, weil sie im Gegensatz zu den 4-Takt-Motoren, nicht weiterentwickelt wurden, sondern von den 4-Takt-Motoren verdrängt wurden ; wegen ihres hohen Verbrauches und den schlechten Abgaswerten.

Anwendungen

Zweitakt-Motoren werden vorwiegend eingesetzt, wo der Preis des Motors (einfache Bauweise) und die hohe Leistungsdichte den Vorrang haben, vor Kraftstoffverbrauch und Umweltschutz. Dies gilt vor allem für Motoren mit kleinem Hubraum: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Motorsägen, Modellbau, Motorradrennsport und großen Schiffsmotoren, die übrigens, auch als Zweitakt-Dieselmotoren gebaut werden.

Wo Gesetzgeber und Verbraucherinteresse auf Umweltschutz und Kraftstoffverbrauch achten, haben sich Viertaktmotoren durchgesetzt

Einteilung nach dem Bewegungsablauf

Hubkolbenmotor (typ. in Kombination mit Pleuel und Kurbelwelle, teilweise auch mit Knick-Pleuel)
Kreiskolbenmotor (typ. nach Wankel)
Drehkolbenmotor (z.B. als Kugelkolbenmotor)
Freikolbenmotor (typ. lineare Kolbenbewegung)

Einteilung nach dem Gemischbildungsverfahren

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

Äußere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden außerhalb des Zylinders vermischt, dann dem Zylinder zugeführt und verdichtet. Typische Vertreter sind der Ottomotor mit Vergaser oder der Zweitaktmotor. Durch überhöhte Motortemperatur, zu frühen Zündzeitpunkt, Selbstzündung oder ungeeignetes Gemisch, kann es zu unkontrollierten, leistungsmindernden und motorschädigenden Detonationen kommen, die im Fall des Verbrennungsmotors speziell Klopfen genannt werden. Während der Verdichtung muss der Kraftstoff teilweise verdampfen, sodass die Verbrennung unmittelbar nach der Zündung sehr schnell erfolgen kann und eine hohe Drehzahl ermöglicht. Es handelt sich um eine Gleichraumverbrennung, weil der Brennraum seine Größe in der kurzen Zeit praktisch nicht ändert. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden.

Innere Gemischbildung: Dem Zylinder wird nur Luft zugeführt und verdichtet, der Kraftstoff wird erst später in den Brennraum eingespritzt. Ohne Kraftstoff ist keine Selbstzündung möglich, deshalb kann der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtung gesteigert werden. Die Zündung kann durch Selbstzündung (Dieselmotoren) oder Fremdzündung (Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder Vielstoffmotoren) erfolgen. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Verdampfen, wodurch die Drehzahl begrenzt wird. Da insbesondere bei Dieselmotoren mit höheren Drücken gearbeitet wird, sind diese Motoren massiver ausgeführt und haben somit mehr Schwungmasse, was ebenfalls die Drehzahl deutlich begrenzt. Die Verbrennung kann durch die Zufuhr des Kraftstoffes (siehe auch: Einspritzverfahren) beeinflusst werden, thermodynamisch ideal wäre eine Gleichdruckverbrennung.

Einteilung nach dem Zündverfahren

Fremdzündung
Selbstzündung

Einteilung nach der Füllungsart

Saugmotor
Ladermotor

Einteilung nach dem Kühlverfahren

Wassergekühlt
Luftgekühlt
Ölgekühlt (Elsbettmotor)
Kombinationen aus Luft-/Ölkühlung (SAME)

Einteilung nach Bauformen und Anzahl der Zylinder

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

Einzylinder (1)
Reihenmotor (2, 3, 4, 5, 6, 8)
V-Motor (2, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16)
VR-Motor (6, 8)
W-Motor (3, 8, 12, 16)
Boxermotor (2, 4, 6)
Sternmotor (5, 6, 7, 8, 12)
Gegenkolbenmotor (nur 2-Takt)

Die Zahlen in Klammern sind typische Zylinderzahlen.
Im Rennsport werden, auch trotz der höheren Unwucht, V-Motoren mit drei Zylindern gebaut.

Exotische Bauarten von Motoren

Kreiskolbenmotor

Der Wankelmotor ist ein Kreiskolbenmotor, benannt nach Felix Wankel. Beim Wankelmotor rotiert in einem oval-scheibenförmigen Gehäuse, ein bogig-dreieckiger Kolben in einer nur leicht oszillierenden Bewegung. Durch die anhaltende Bewegung, in immer gleichbleibender 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 aber dem des Ottomotors. Die vier Takte werden nicht während einer Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens, sondern während der Drehbewegung in einer Scheibe ausgeführt. Wie beim Hubkolbenmotor mehrere Zylinder vorhanden sind, können auch beim Wankelmotor mehrere Scheiben kombiniert sein.

Stelzer-Motor

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.

Kugelkolbenmotor

Beim Kugelkolbenmotor handelt es sich dem Grundkonzept, um einen Drehkolbenmotor, der als Besonderheit sowohl die Einlass-Steuerung, wie auch die Brennraumgröße, durch eine Taumelbewegung realisiert.

Kraftstoffe

Ottokraftstoff (Siehe auch Oktanzahl)
Dieselkraftstoff
Pflanzenöl, Pflanzenöl nach Veresterung ist Biodiesel
Methylester (als Beimischung zum Diesel)
AutoGas (LPG)
Erdgas (CNG)
Methan (Biogas)
Alkohol (rein oder als Beimischung)
Teeröl (für Schiffsmotoren)
Kohlenstaub
Wasserstoff
Generatorgas
Gichtgas
Silan (in Entwicklung)
Nitromethan (meist nur als Kraftstoffzusatz)

Wichtige Motorenbauer

Siehe auch

Weblinks

Kategorie:Verbrennungsmotor