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(siehe hierzu auch den Artikel "Motor".)

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

Nicht zu den Verbrennungsmotoren im engeren Sinne zählen Motoren mit äußerer Verbrennung, d.h. mit Verbrennung außerhalb des Zylinders, beispielsweise Dampfmaschinen und Stirlingmotoren, sowie Strömungsmaschinen mit Verbrennung, zum Beispiel Gasturbinen.

Anwendung

Verbrennungsmotoren werden zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und stationären Maschinen verwendet. Sie 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 temperaturbedingte Expansion der Verbrennungsgase entstandene Druck wirkt auf einen Kolben, der dadurch verschoben wird.

Alle 4-Takt-Verbrennungsmotoren wiederholen ständig einen Kreisprozess, der aus vier Arbeitsschritten (Takten) besteht:

  1. Ansaugen
  2. Verdichten
  3. Leistung erbringen
  4. 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) in mechanische Energie (Druck bzw. Bewegung).

Es existieren verschiedene Typen von Verbrennungsmotoren, die zum Teil unterschiedliche Kreisprozesse ausnutzen.

Die Arbeitstakte, am Beispiel des 4-Takt-Hubkolbenmotors

  1. Im ersten Takt (Ansaugtakt - Einlassventil geöffnet, Auslassventil geschlossen) wird während der Abwärtsbewegung des Kolbens (vom oberen zum unteren Totpunkt) Kraftstoff-Luftgemisch oder Luft in den Zylinder „gesaugt“.
  2. Im zweiten Takt (Verdichtungstakt - beide Ventile geschlossen) 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 oberer Totpunkt) erfolgt die Zündung, bei Ottomotoren durch Fremdzündung (Zündkerze), bei Dieselmotoren durch Selbstzündung während der Einspritzung des Kraftstoffes.
  3. Im dritten Takt (Arbeitstakt - beide Ventile bleiben geschlossen) verbrennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch den Anstieg der Temperatur steigt auch der Druck des Gemisches und bewegt den Kolben im Zylinder nach unten in Richtung unterer Totpunkt (UT). Die Längsbewegung des Kolbens wird dabei über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehbewegung umgesetzt.
  4. Im vierten Takt (Auslasstakt - Einlassventil geschlossen, Auslassventil geöffnet) schiebt 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 durch den Schwung, den die mit einem Schwungrad versehene Kurbelwelle durch den Arbeitstakt drei erhalten hat. Ein Einzylinderviertaktmotor hat somit einen Zündabstand von 720 Grad-Kurbelwelle d.h.alle zwei Umdrehungen erfolgt eine Zündung mit Arbeitstakt. Da eine Zunahme der Zylinderzahl den Zündabstand verringert, wird somit pro 720 Grad Kurbelwelle, Verbrennungsenergie proportional häufiger zugeführt und verbessert 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 (Kettensäge, Bootsmotor), eine Tretkurbel (Motorrad), eine Handkurbel (Oldtimer), oder ein kleiner Elektromotor- (Anlasser im KFZ). Große Motoren (Stationärmotoren und Lokomotiv- oder Schiffsdiesel) 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.

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

Einteilung der Verbrennungsmotoren

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 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 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 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 partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.

Vergleich der Arbeitsverfahren
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  • 2-Takt-Motoren haben eine größere 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 zulässt.
  • 2-Takt-Motoren können wesentlich einfacher und billiger gebaut werden, weil sie im Gegensatz zu Viertakt-Hubkolbenmotoren keine 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.
  • Der Wirkungsgrad eines 2-Takt-Benzin-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 verdrängt, auch wenn seine Leistungsdichte höher als die eines 4-Takt Motors gleichen Hubraums ist. Die besten Wirkungsgrade im Motorenbau werden mit 2-Takt-Dieselmotoren als Schiffsantrieb mit etwas über 50% erreicht.
  • Gewisse Fortschritte hinsichtlich Verbrauchs- und Abgasverhalten von 2-Takt-Motoren wurden Ende der 1960er Jahre durch Versuche mit selbstzündenden 2-Takt-Motoren und externer Gemischbildung unter Teillast erreicht: durch eine geeignete Querschnittsverringerung in der unmittelbaren Nähe des Auslaßschlitzes wurde eine interne, heiße Abgasrückführung erzwungen. Die in der Mischzone von heißem Abgas und Frischgas entstehenden aktivierten Kohlenwasserstoffradikale stellten unzählige "Selbstzündstellen" dar, so dass eine Verbrennung mit vergleichsweise starkem Verbrennungsdruckanstieg dargestellt werden konnte. Ergebnis war ein aufgrund der geringen Spülverluste und der vollständigeren Verbrennung geringerer Verbrauch und niedrigere Schadstoffwerte für unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Kohlenmonoxid. Außerdem führte der durch die zahlreichen Zündstellen starke Verbrennungsdruckanstieg zu einer gewissen Leistungssteigerung. Nachteilig war die hohe Bauteilbelastung.

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 für Motoren mit kleinem Hubraum: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Kart, Motorsäge, Modellbau, Motorradrennsport und bei großen Schiffsmotoren, die übrigens auch als Zweitakt-Dieselmotoren gebaut werden.

Einteilung nach dem Bewegungsablauf

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 bisher gewöhnlichen Saugrohr-Einspritzung oder der Zweitaktmotor. Durch überhöhte Motortemperatur, zu frühen Zündzeitpunkt, Selbstzündung oder ungeeignetes Gemisch kann es zu unkontrollierten, leistungsmindernden und motorschädigenden Verbrennungsanomalien kommen, die im Fall des Verbrennungsmotors speziell Klopfen oder Klingeln 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. Die Verbrennung ist sehr gut mit dem Vergleichsprozess Gleichraumverbrennung zu beschreiben, der so genannt wird, weil der Brennraum seine Größe in der kurzen Zeit der Verbrennung 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. Die Zündung erfolgt verzögert, daher wird dieser Vorgang Zündverzug genannt. Dies stellt die Hauptursache für die Begrenzung der maximalen Motordrehzahl dar. 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
  • kontrollierte Selbstzündung

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

Einteilung nach Bauformen und Anzahl der Zylinder

Abhängig von der Anzahl der Zylinder werden Otto- und Dieselmotoren gebaut als Die Zahlen in Klammern sind typische Zylinderzahlen.
Im Rennsport werden, auch trotz der höheren Unwucht, V-Motoren mit drei Zylindern 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 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 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.

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

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde eine Reihe exotischer Konstruktionen entworfen, die jedoch das Prototypstadium nur selten überschritten.

Kraftstoffe

Wichtige Motorenbauer

Siehe auch

Weblinks

Verbrennungsmotor

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