Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Verbrennungsmotor

Ein Verbrennungsmotor ist eine Waermekraftmaschine, die durch innere Verbrennung von Treibstoff mechanische Arbeit verrichtet. Stroemungsmaschinen 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.

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

Bei einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff- Luft-Gemisch in einem Zylinder entzuendet und verbrannt. Der durch die Entwicklung und die temperaturbedingte Expansion der Verbrennungsgase entstandene Druck, wirkt sich auf einen Kolben aus, der dadurch verschoben wird.

Es existiert eine Reihe unterschiedlicher Verbrennungsmotoren, die zum Teil unterschiedliche 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).Der in Energie wie Wärme und Druck abgegeben wird. Die Arbeitsschritte werden oft als Takte bezeichnet. Allerdings ist diese Bezeichnung bei Zweitaktern nicht sinnvoll, da Zweitakter auch alle vier Arbeitsschritte ausfuehren.

• Im ersten Takt (Ansaugtakt -Einlassventil geoeffnet, Auslassventil geschlossen) wird wärend der Abwaertsbewegung-(unterer Totpunkt) des Kolbens ein Kraftstoff-Luftgemisch in den Zylinder "gesaugt".
• Während des zweiten Taktes (Verdichtungstakt - beide Ventile geschlossen) verdichtet der Kolben in seiner Aufwaertsbewegung das Kraftstoff-Luftgemisch im Zylinder. Am Ende des zweiten Taktes (Kolben oberer Totpunkt) erfolgt die Zündung, bei Ottomotoren durch die Zündkerzen, bei Dieselmotoren durch Selbstzuendung.
• Im dritten Takt(Arbeitstakt -Ventile weiter geschlossen) 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 ( UT ). Die Laengsbewegung des Kolbens wird dabei über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Dreh-Bewegung umgesetzt, bei der der Gasdruck am Hubzapfen das Drehmoment = Kraft * Hebelarm zum Antrieb entfaltet.
• Im vierten Takt(Auslasstakt -Einlassv.geschlossen, Auslassv. geoeffnet) der sich nach oben (OT) 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 drei erhalten hat. Ein Einzylinderviertaktmotor hat somit einen Zuendabstand von 720 Grad-Kurbelwelle d.h.alle zwei Umdrehungen erfolgt eine Zündung mit Arbeitstakt. Da eine Zunahme der Zylinderzahl den Zuendabstand verringert, wird somit pro 720 Grad Kurbelwelle, Verbrennungsenergie proportional haeufiger zugefuehrt und verbessert die Laufruhe des Motors. z.B. Vierzylinderviertakt: 720:4 = 180 Grad KW Zuendabstand.

Da wärend des Startvorgangs noch kein Schwung vorhanden ist, muss die Kurbelwelle von aussen angetrieben werden. Hierzu dient eine Startvorrichtung, wie ein Seil (Kettensaege, Bootsmotor), eine Tretkurbel (Motorrad), eine Handkurbel (Oldtimer), oder ein kleiner Elektromotor- (Anlasser im KFZ). Grosse Motoren (Stationaermotoren und Lokomotiv- oder Schiffsdiesel) werden durch direkt in die Zylinder eingefuehrte Druckluft gestartet.

Der Gaswechsel zwischen einstroemenden Frischgasen und verbrannten Abgasen wird durch die Nockenwelle gesteuert. Diese läuft mit einer Untersetzung von 1:2 an die Kurbelwelle gekoppelt und oeffnet und schliesst die im Zylinderkopf des Motors angeordneten Ventile.

Die Steuerzeiten der Nockenwelle sind je nach Ausführung so gelegt,dass eine ueberschneidung des Ein- bzw. Auslassventils erfolgt d.h. beim übergang des Auslasstaktes zum Ansaugtakt ,sind Ein- und Auslassventil für einen kurzen Zeitraum gleichzeitig geoeffnet. Beim Gaswechsel (Abgase raus - Frischgase rein) sollen die mit hoher Geschwindigkeit ausstroemenden Abgase die Frischgase in den Verbrennungsraum ziehen. Dies dient einer besseren Befuellung des Zylinder mit Frischgasen und erhöht den Verbrennungsdruck.

In der 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 Sonderfaelle.

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).

• Ottomotoren
• Dieselmotoren

• 4-Takt-Verfahren: Jeder der vier Arbeitsschritte läuft wärend eines Taktes ab. Mit "Takt" ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heisst eine Aufwaerts- oder eine Abwaertsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitsspieles mit vier Takten dreht sich die Kurbelwelle also zweimal. Der Gashub ist geschlossen, das heisst Frischgas und Abgas sind vollstaendig voneinander getrennt. In der Praxis kommt es aber doch zu einer kurzen Beruehrung wärend der so genannten Ventilueberschneidung.
• 2-Takt-Verfahren: Auch beim 2-Takt-Verfahren laufen alle vier Arbeitsschritte ab, aber wärend nur zwei Kolbenhueben (=Takte). Dies ist möglich, weil ein Teil des Ansaugens und der Verdichtung (das Vorverdichten) ausserhalb des Zylinders stattfindet, und zwar im Kurbelgehaeuse unter dem Kolben oder in einem Lader. Die Kurbelwelle dreht sich wärend eines Arbeitsspieles nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heisst, es kommt zu einer partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.

• 2-Takt-Motoren haben eine groessere Leistungsdichte, da sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung Arbeit verrichten.
• 2-Takt-Motoren können nicht den gesamten Hubraum zur Expansion nutzen, da ein Teil des Hubraumes aufgrund der Ein- und Auslassschlitze einen Druckaufbau nicht zu lässt.
• 2-Takt-Motoren können wesentlich einfacher und billiger gebaut werden, weil sie im Gegensatz zu Viertakt-Hubkolbenmotoren keine Ventilsteuerung benoetigen. Sie ist erforderlich, weil die Ein- und Auslassoeffnungen für Frisch- und Abgas bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung geoeffnet beziehungsweise geschlossen werden müssen. Bei 2- Takt-Motoren kann der Kolben diese Aufgabe uebernehmen, da oeffnen und Schliessen bei jeder Kurbelwellenumdrehung stattfinden.
• Ohne Ventilsteuerung treten bei 2-Takt-Motoren geringere Massenkraefte auf, deshalb sind höhere Drehzahlen möglich. Dies erhöht die Leistungsdichte zusaetzlich.
• 2-Takt-Motoren herkoemmlicher Bauart haben einen höheren spezifischen Verbrauch und schlechtere Abgaswerte, weil sie einen Teil des Kraftstoff-Luftgemisches unverbrannt durch ueberspuelen verlieren. ueberspuelen 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.
• Der Wirkungsgrad eines 2-Takt-Motors ist geringer als der eines vergleichbaren modernen 4-Takt-Motors, weil der 2-Takt-Motor im Gegensatz zu diesem nicht mehr weiterentwickelt wurde. Wegen seines hohen Verbrauchs und seiner schlechten Abgaswerte wird er von den 4-Takt-Motoren verdraengt, auch wenn seine Leistungsdichte höher als die eines 4-Takt Motors gleichen Hubraums ist.

Zweitakt-Motoren werden vorwiegend eingesetzt, wo der Preis des Motors (einfache Bauweise) und die hohe Leistungsdichte den Vorrang haben vor Kraftstoffverbrauch und Umweltschutz. Dies uer Motoren mit kleinem Hubraum: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Motorsaegen, Modellbau, Motorradrennsport und bei grossen Schiffsmotoren, die uebrigens auch als Zweitakt-Dieselmotoren gebaut werden.

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

• 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)

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

• aeussere Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden ausserhalb des Zylinders vermischt, dann dem Zylinder zugefuehrt und verdichtet. Typische Vertreter sind der Ottomotor mit Vergaser oder der Zweitaktmotor. Durch ueberhoehte Motortemperatur, zu fruehen Zündzeitpunkt, Selbstzuendung oder ungeeignetes Gemisch kann es zu unkontrollierten, leistungsmindernden und motorschaedigenden 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 Groesse in der kurzen Zeit praktisch nicht aendert. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewoehnlich nicht mehr beeinflusst werden.

• Innere Gemischbildung: Dem Zylinder wird nur Luft zugefuehrt und verdichtet, der Kraftstoff wird erst später in den Brennraum eingespritzt. Ohne Kraftstoff ist keine Selbstzuendung möglich, deshalb kann der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtung gesteigert werden. Die Zündung kann durch Selbstzuendung (Dieselmotoren) oder Fremdzuendung (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 ausgefuehrt 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 waere eine Gleichdruckverbrennung.

• Fremdzuendung
• Selbstzuendung

Die Fremdzuendung kommt beim Ottomotor vor. Bei der Fremdzuendung wird das Entzuenden des Kraftstoff- Luftgemisch durch eine Zündkerze eingeleitet, optimal kurz vor dem oberen Totpunkt.

Die Selbstzuendung kommt beim Dieselmotor vor. Bei der Selbstzuendung wird erst reine Luft stark verdichtet und kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) wird der Dieselkraftstoff eingespritzt. Durch die grosse Hitze entzuendet sich der Kraftstoff selbst.

• Saugmotor
• Ladermotor

Hauptartikel: Kuehlung (Verbrennungsmotor)

• Wassergekuehlt
• Luftgekuehlt
• oelgekuehlt
• Kombinationen aus Luft-/oelkuehlung (SAME)

Abhaengig 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, 12)
• Sternmotor (3, 5, 7, 9)
• 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.

• Der Wankelmotor ist ein Kreiskolbenmotor, benannt nach Felix Wankel. Beim Wankelmotor rotiert in einem oval-scheibenfoermigen Gehaeuse 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 dem des Ottomotors. Die vier Takte werden nicht wärend einer Auf- und Abwaertsbewegung eines Kolbens, sondern wärend der Drehbewegung in einer Scheibe ausgefuehrt. 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 wärend des gesamten Arbeitsablaufes nur der Kolben bewegt. Seine unterschiedlichen Kolbendurchmesser oeffnen und schliessen verschiedene oeffnungen im Gehaeuse und steuern damit gleichzeitig den Gaswechsel.

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

• Der Druckzellenmotor ist bis jetzt nur ein Konzept.

• 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)
• Teeroel (für Schiffsmotoren)
• Kohlenstaub
• Wasserstoff
• Generatorgas
• Gichtgas
• Silan (in Entwicklung)
• Nitromethan (meist nur als Kraftstoffzusatz)

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