Verbrennungsmotoren

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Ein Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch Verbrennung die chemische Energie eines Kraftstoffs bzw. Treibstoffs in mechanische Arbeit umwandelt.

Die Verbrennung findet dabei im Inneren des Arbeitsraumes statt (sogenannte "innere Verbrennung"), wobei ein Gemisch aus Kraftstoff und Umgebungsluft gezündet wird. Findet eine äußere Verbrennung statt, sind also die Erzeugung der Wärme und die Umwandlung in Bewegung räumlich getrennt (z. B. bei der Dampfturbine, die von einem externen Dampferzeuger gespeist wird oder dem Stirlingmotor, bei dem der Arbeitsraum von außen beheizt wird), so spricht man nicht von einem Verbrennungsmotor.

Verbrennungsmotoren sind unverzichtbarer Bestandteil des täglichen Lebens geworden, da sie durch ihr günstiges Leistungsgewicht mobil sind und mit leicht transportierbaren, gut verfügbaren und energiereichen Kraftstoffen betrieben werden können.

Bei Verbrennungstemperaturen oberhalb von 2000°C liegt der theoretische Wirkungsgrad bei über 90%. In der Praxis liegt er bei üblichen PKW-Motoren deutlich unter 30%.

Viertaktmotor als Beispiel für einen Verbrennungsmotor
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Verbrennen
4. Ausstoßen

Grundsätzliche Funktionsweise

In einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet. Durch die Verbrennung des Gemisches steigen seine Temperatur und damit auch sein Druck stark an. Der Gasdruck wird auf unterschiedliche Weise genutzt:

• üblicherweise wird "Verbrennungsmotor" als Synonym für "Kolbenmotor" verwendet, hier wirkt der Gasdruck auf einen Kolben, der dem Druck ausweicht und somit die chemische Energie des Kraftstoffs in Bewegungsenergie umwandelt. Man unterscheidet zwei generelle Arten von Kolben:
  • Hubkolben, deren Auf- und Abbewegung erst durch Pleuel in eine Rotationsbewegung umgewandelt werden muss, und
  • Rotationskolben, deren rotierende Bewegung direkt auf die Kurbelwelle übertragen werden kann.

Alle Kolbenmotoren haben die vier Prozesse Ansaugen, Verdichten, Verbrennen (und damit Ausdehnen) und Ausstoßen gemeinsam. Je nach Bau- und Funktionsweise des Motors werden diese Vorgänge allerdings unterschiedlich gesteuert. Da diese grundlegenden Schritte sich in der immer gleichen Reihenfolge wiederholen spricht man von einem Kreisprozess.

Die folgenden Maschinen sind ebenfalls durch innere Verbrennung betriebene Motoren, sind aber im Allgemeinen nicht gemeint, wenn von Verbrennungsmotoren die Rede ist:

• in einer Gasturbine wirkt der Gasdruck auf die Turbinenschaufeln
• in einem Raketentriebwerk bewirkt der Gasdruck ein Entweichen der Verbrennungsgase aus dem Motor und dadurch den Antrieb durch Rückstoß

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

• Ottomotoren
• Dieselmotoren

Einteilung nach dem Arbeitsverfahren

• 4-Takt-Verfahren (Viertaktmotor): Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit Takt ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine Aufwärts- oder eine Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitsspieles 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.
• 2-Takt-Verfahren (Zweitaktmotor): 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 partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.

Einteilung nach dem Bewegungsablauf

• Hubkolbenmotor (typ. in Kombination mit Pleuel und Kurbelwelle, teilweise auch mit Knick-Pleuel oder kurbelwellenlose Kurvenscheibenmotoren)
• Rotationskolbenmotor (z. B. der Wankelmotor)
• Freikolbenmotor (lineare Kolbenbewegung)
• Mederer-Motor (längere Verweildauer des Kolbens im Oberen Totpunkt, Quasi-Gleichraumverbrennung)

Einteilung nach dem Gemischbildungsverfahren

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

• Äußere Gemischbildung: Hier wird ein zündfähiges Gemisch in den Zylinder geführt und dort verdichtet. Das ermöglicht hohe Drehzahlen, da die Verbrennung ohne Verzögerung erfolgt, sobald der Zündimpuls gegeben ist (Zündkerzenfunke des Benzinmotors bzw. ausreichende Verdichtung des Dieselmotors). Allerdings kann es durch überhöhte Motortemperatur, zu frühen Zündzeitpunkt, Selbstzündung oder ungeeignetes Gemisch zu unkontrollierten, leistungsmindernden und motorschädigenden Verbrennungsanomalien kommen, die sich als Klopfen oder Klingeln bemerkbar machen. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden.
  Die Verbrennung eines äußerlich gebildeten Gemischs kommt dem Gleichraumprozess am nächsten, der so genannt wird, weil sich der der Kolben in der kurzen Zeit bis zur vollständigen Verbrennung nur wenig weiterbewegt hat und so die Größe des Brennraums praktisch unverändert bleibt.
  Die äußere Gemischbildung kann auf zwei Arten erfolgen:
  • Vergaser zerstäuben den Kraftstoff in feine Tropfen, die auf dem Weg in den Zylinder verdampfen. Sie werden heute fast ausschließlich in einfachen Zweitaktmotoren (z. B. kleine Außenborder) eingesetzt, waren aber bis in die 1980er Jahre auch im Automobilbau üblich.
  • Bei der Saugrohreinspritzung sitzt eine Einspritzdüse im Ansaugkanal. Hier wird also kurz vor dem Einlassventil der Kraftstoff beigemengt. Vorteile gegenüber dem Vergaser sind unter anderem die bessere Steuerung der Kraftstoffmenge, die Lageunabhängigkeit (wichtig z. B. bei Flugzeugen) und der ungestörte Fluss der Luft durch den Ansaugtrakt.

• Innere Gemischbildung: Im Zylinder wird nur Luft angesaugt und verdichtet, der Kraftstoff wird erst unmittelbar vor der Zündung 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) erfolgen. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Verdampfen, die Zündung erfolgt daher leicht verzögert. Diese Verzögerung führt zu einer Begrenzung der maximalen Motordrehzahl. Allerdings lässt sich der Verbrennungsvorgang steuern, indem die Einspritzdüse entsprechend angesteuert wird. Dazu muss nur festgelegt werden, wie viel Kraftstoff in welcher Zeit eingespritzt werden soll.

Einteilung nach dem Brennverfahren

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

• die Schichtladung (FSI, Ottomotor)
• das BPI-Brennverfahren (Ottomotor)
• die Homogene Kompressionszündung (HCCI bzw. CAI, Ottomotor, Dieselmotor)
• das Strahlgeführtes Brennverfahren (Ottomotor)

Einteilung nach dem Zündverfahren

• Fremdzündung
• Selbstzündung
• kontrollierte Selbstzündung oder homogene Kompressionszündung (HCCI)

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

• Saugmotor
• Ladermotor
• Kreislaufmotor

Einteilung nach dem Kühlverfahren

Hauptartikel: Kühlung (Verbrennungsmotor)

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

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:

• Einzylindermotor (1)
• Reihenmotor (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16)
• U-Motor (4, 12, 16)
• V-Motor (2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 24)
• VR-Motor (5, 6, 8, 12, 16)
• W-Motor (3, 8, 12, 16, 18, 24)
• Y-Motor (3, 6, 12, 18, 24)
• H-Motor (16, 24, 40)
• X-Motor (16, 24)
• Boxermotor (2, 4, 6, 8, 12)
• Sternmotor (3, 5, 7, 9, 11)
• Reihensternmotor (6x2=12, 4x3=12, 6x4=24, 4x5=20, 2x6=12, 4x6=24, 6x6=36, 3x7=21, 4x7=28, 6x7=42, 8x7=56, 4x9=36)
• Mehrfachsternmotor (2x7=14, 2x9=18, 4x7=28)
• Umlaufmotor (1, 2, 4, 5, 7, 9, 14)
• Gegenkolbenmotor (nur 2-Takt z. B. Deltic-Motor (3 Gegenkolbenmotoren ineinander in Dreiecksform) )
• Taumelscheibenmotor (nur 4-Takt)

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

• Der Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor, benannt nach Felix Wankel. 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.

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.

• 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.

• Der Druckzellenmotor ist bis jetzt nur ein Konzept.

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

• Ottokraftstoff (Siehe auch Oktanzahl)
• Dieselkraftstoff
• JP-8 (Turbinenkraftstoff, Anwendung in militärischen Dieselmotoren)
• JP-5 (Turbinenkraftstoff, Anwendung in militärischen Dieselmotoren)
• Biodiesel (Pflanzenöl nach Veresterung)
• Pflanzenöl
• Fettsäuremethylester (als Beimischung zum Diesel)
• Autogas (LPG)
• Methan (Erdgas (CNG); Biogas; Holzgas)
• Alkohol (rein oder als Beimischung)
• Teeröl, Schweröl (für größere stationäre Motoren und Schiffsmotoren)
• Kohlenstaub
• Wasserstoff
• Generatorgas
• Gichtgas
• Silan (in Entwicklung)
• Nitromethan (meist nur als Kraftstoffzusatz)

Wichtige Motorenbauer

• Carl Benz
• Gottlieb Daimler
• Lebon d'Humbersim
• Rudolf Diesel
• Ludwig Elsbett
• Hugo Junkers
• Eugen Langen
• Etienne Lenoir
• Wilhelm Maybach
• Siegfried Marcus
• Nikolaus Otto
• Frank Stelzer
• Robert Stirling
• Felix Wankel

Literatur

• 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

Siehe auch

• Motor
• Stirlingmotor
• Motorelektronik
• Freikolbenmotor
• Abgasrückführung
• Kreislaufantrieb
• Motorkapsel
• Big Block
• Kraftstoffsystem
• Leanen
• Kalttest

Bauweisen von Verbrennungsmotoren

Einzylindermotor | Reihenmotor | Boxermotor | V-Motor | U-Motor | W-Motor | Y-Motor | VR-Motor | X-Motor | H-Motor | Δ-Motor

Sternmotor | Reihensternmotor | Mehrfachsternmotor | Umlaufmotor | Taumelscheibenmotor

Gegenkolbenmotor | Freikolbenmotor | Rotationskolbenmotor | Schiebermotor