Verbrennungsmotor.html
 
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reales p-V-Diagramm eines Ottomotors

Ein Verbrennungsmotor gehört zu den Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung (englisch internal combustion engine). Die Energie des Kraftstoffs oder Treibstoffs wird in mechanische Arbeit umgewandelt. Kolben, Pleuel und Kurbelwelle sind derzeit noch die am meisten verwendeten Maschinenelemente.

Den für die Verbrennung notwendigen Sauerstoff erhalten diese Motore aus der angesaugten Umgebungsluft. Im Verbrennungsraum wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zur Zündung gebracht. Hieraus ergeben sich die typischen Arbeitstakte.

Die Dampfmaschine ist ein Beispiel für eine Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. Die Verbrennung ist kontinuierlich.

Die Begriffe "innere" und "äußere" (gleich "nicht innere") beziehen sich hier auf das Bauteil, welches die Wärmeenergie in technische Arbeit umwandelt. Bei der Zylinder-Kolben-Anordnung eines Verbrennungsmotors findet die Verbrennung direkt über dem Kolbenboden statt, wodurch der Kolben bewegt wird. Bei einer Rakete fehlt ein solches Bauteil. Es wird ein Rückstoss erzeugt. Die gesamte Rakete wird bewegt. In Raketen findet ganz allgemein ein chemische Reaktion statt. Es wird kein Luftsauerstoff verwendet. Turbinen können als Strahlturbinen (Rückstoß) ausgeführt sein oder die Turbinenwelle gibt die gewünschte Arbeit weiter (z.B. für einen Generator). Die Verbrennung ist kontinuierlich. Theoretisch könnte die Verbrennung auch außerhalb des Turbinengehäuses stattfinden. Dampfturbinen arbeiten ohne Verbrennung. Turbinen sind Strömungmaschinen.

Der Stirlingmotor verwendet in der Regel ähnliche Bauteile wie ein Verbrennungsmotor. Er kommt aber ohne Verbrennung aus. Die Wärme wird von Außen zugeführt.

Bei Fahrzeugen hat sich der Verbrennungsmotor weltweit als Basis für die Mobilität der Gesellschaft durchgesetzt. Der Kraftstoff kann meist in flüssiger Form bequem in einem Tank bevorratet werden.

Die im Diagramm pink eingefärbte Fläche entspricht der Nutzarbeit pro Zyklus. Die blau eingefärbte Fläche des Ladungswechsels muss abgezogen werden.


Inhaltsverzeichnis

Bearbeiten Grundsätzliche Funktionsweise

Viertaktzyklus
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Verbrennen
4. Ausstoßen

Das verbrennende Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Brennkammer dehnt sich aus und treibt einen Kolben. Dieser bewegt über ein Pleuel die Kurbelwelle.

Kolbenmaschinen gibt es als Hubkolbenmotoren oder Rotationskolbenmotoren (z. B. Wankelmotoren). Für Ein- und Auslass werden häufig Ventile eingesetzt. Siehe Bild.

Aus den sich ständig wiederholenden Schritten ergibt sich ein Kreisprozess.

Alle vier im Bild gezeigten Schritte verteilen sich auf zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Das ist der Ablauf bei einem sogenannten Viertakter.

Bei einem Zweitakter verteilt sich der gesamte Zyklus auf eine Kurbelwellenumdrehung.

Das Bild zeigt einen Viertakt-Otto-Motor mit zwei obenliegenden Nockenwellen für die Ventilsteuerung. Es gibt eine Zündkerze, die für Ottomotoren zwingend erforderlich ist.

Bearbeiten 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).

Bearbeiten Einteilung nach dem thermodynamischen Prozess

Bearbeiten 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 sogenannten 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.

Bearbeiten Einteilung nach dem Bewegungsablauf

Bearbeiten 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 dort verdichtet. Typische Vertreter sind der Ottomotor mit Vergaser oder mit der bisher üblichen Saugrohr-Einspritzung sowie 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 Gleichraumprozess 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.

Bearbeiten 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.

Bearbeiten Einteilung nach der Füllungsart

Bearbeiten Einteilung nach dem Kühlverfahren

Hauptartikel: Kühlung (Verbrennungsmotor)

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

Bearbeiten 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.

Bearbeiten 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).

Bearbeiten Kraftstoffe

Bearbeiten Wichtige Motorenbauer

Bearbeiten 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

Bearbeiten Siehe auch

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

 
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