Verbrennungsmotor

Ein Verbrennungsmotor ist eine Verbrennungskraftmaschine, die chemische Energie eines Kraftstoffs durch Verbrennung in mechanische Arbeit umwandelt. Die Verbrennung findet dabei im Brennraum statt, in dem ein Gemisch aus Kraftstoff und Umgebungsluft gezündet wird. Die Wärmeausdehnung des durch die Verbrennung heißen Gases wird genutzt, um einen Kolben zu bewegen. Geläufige Beispiele für Verbrennungsmotoren sind der Ottomotor und der Dieselmotor in Automobilen.

Dampfturbinen, Dampfmaschinen oder der Stirlingmotor werden nicht zu den Verbrennungsmotoren gezählt. Die für ihren Betrieb nötige Wärme muss nicht durch Verbrennung erzeugt werden. Auch die kontinuierlich arbeitenden Aggregate Gasturbine und Raketentriebwerk zählen üblicherweise nicht zu den Verbrennungsmotoren.

Viertakt-Ottomotor als Beispiel für einen Verbrennungsmotor. Benennung der Arbeitstakte:
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Arbeiten
4. Ausstoßen

Grundsätzliche Funktionsweise

Alle Kolbenmotoren arbeiten mit vier Prozessschritten: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Je nach Bau- und Funktionsweise des Motors werden diese Vorgänge unterschiedlich gesteuert. Wichtig für die Funktion ist, dass durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs die Ausdehnung bei höherem Druck geschieht als das Verdichten. Der mögliche Wirkungsgrad hängt vom Temperaturniveau ab, auf dem die Verbrennungswärme zugeführt wird, und damit vom Verdichtungsverhältnis, und erreicht in der Praxis etwa 35 % (PKW-Motoren unter Volllast, große Schiffsdiesel höher).

Einteilung

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. Zugunsten der Lesbarkeit verzichtet diese Übersicht auf Sonderfälle.

Die Bauarten können in einer großen Vielfalt kombiniert werden, beispielsweise kleinvolumige Motoren mit Rotationskolben und Schlitzsteuerung nach dem Otto-Prinzip (Wankelmotor), oder großvolumige Zwei-Takt-Dieselmotoren mit Ventilsteuerung (Schiffsdiesel).

nach dem Arbeitsverfahren

Viertaktverfahren (Viertaktmotor): Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit Takt ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine vollständige Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitszyklus' 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.
Zweitaktverfahren (Zweitaktmotor): Auch beim Zweitaktverfahren laufen alle vier Arbeitsschritte ab, aber während zweier 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 Arbeitszyklus' nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heißt, es kommt zu einer partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.
Split-Cycle-Motor (Scuderi-Motor): Der Scuderi-Motor arbeitet mit vier getrennten Takten, die jedoch auf zwei Zylinder aufgeteilt sind. Die vier Arbeitsschritte Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoß werden auf zwei Zylinder verteilt, die für ihre jeweiligen Aufgaben konstruktiv optimiert werden können. Es handelt sich um ein altbekanntes Verfahren, das jedoch erst jüngst (2007) zum Bau eines Prototypen geführt hat.

nach dem Bewegungsablauf

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

nach dem Gemischbildungsverfahren

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

Äußere Gemischbildung: Es wird ein zündfähiges Gasgemisch in den Zylinder geführt und dort verdichtet. Das ermöglicht hohe Drehzahlen, da die Verbrennung ohne Verzögerung erfolgt, sobald gezündet wird. Durch überhöhte Temperatur (heißer Motor, hohe Verdichtung bei Vollast) kann es zu unkontrollierter Selbstzündung kommen. Dieser Klopfen genannte Effekt begrenzt das Verdichtungsverhältnis. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden. Die äußere Gemischbildung kann auf zwei Arten erfolgen:; Vergaser zerstäuben den Kraftstoff in feine Tröpfchen, die auf dem Weg in den Zylinder verdampfen. Sie werden heute fast ausschließlich in Kleinmotoren eingesetzt. Bis in die 1980er Jahre waren sie auch im Automobilbau üblich.; Bei der indirekten Einspritzung wird der Kraftstoff im Ansaugkanal oder kurz vor dem Einlassventil dem Luftstrom beigemengt. Vorteile gegenüber dem Vergaser sind unter anderem die schnellere und präzisere Steuerung der Kraftstoffmenge und die Lageunabhängigkeit (wichtig z. B. bei Flugzeugen).
Innere Gemischbildung: Im Zylinder wird nur Luft angesaugt und verdichtet. Der Kraftstoff wird erst unmittelbar vor der Verbrennung direkt in den Brennraum eingespritzt, weshalb der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtung gesteigert werden kann. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Vermischen und Verdampfen. Die Verbrennung erfolgt verzögert und führt zu einer Begrenzung der maximalen Motordrehzahl. Man kann den Brennverlauf steuern, indem festgelegt wird, wie viel Kraftstoff in welcher Zeit eingespritzt werden soll.

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/Luft-Gemischs 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.

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)
das Strahlgeführtes Brennverfahren (Ottomotor)

nach der Füllungsart

Saugmotor
Ladermotor
Kreislaufmotor

nach dem Kühlverfahren

→ Hauptartikel: Kühlung (Verbrennungsmotor)

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

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 Zwei-Takt z. B. Deltic-Motor (drei Gegenkolbenmotoren ineinander in Dreiecksform))
Taumelscheibenmotor (nur Vier-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 Vier-Sternen und insgesamt 24 Zylindern - entspricht 90°/90°/90°-X24), Junkers Jumo 222 und Dobrynin WD-4K (mit vier Sechs-Sternen (Hexagon) und insgesamt ebenfalls 24 Zylindern) oder Curtiss H-1640 Chieftain (mit zwei Sechs-Sternen (Hexagon) und zwölf Zylindern).

Im Motorsport werden vereinzelt, trotz der höheren Unwucht, auch V-Motoren mit ungeraden Zylinderzahlen (drei oder fünf) gebaut.

Bei langsam laufenden Großdieselmotoren gibt es teilweise auch bis zu 14 Zylinder in Reihenanordnung, sowie V-Motoren mit 20 oder 24 Zylindern.

Ungewöhnliche Bauarten

Der Wankelmotor ist eine Bauart, die nach Felix Wankel benannt ist. 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.

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.

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde eine Reihe exotischer Konstruktionen entworfen, die jedoch das Prototypstadium nicht überschritten. Durch Fortschritte der Werkstoffforschung sind Lösungen für Probleme alter Konstruktionen möglich.

Kraftstoffe

Motorenbenzin (siehe auch: Ottokraftstoff, 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)
Methanol (MeOH; CH₃OH)
Ethanol (EtOH; C₂H₅OH)
Hythan (CH₄ und H₂)
Ethanol (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
Joseph Day
Lebon d'Humbersim
Rudolf Diesel
Ludwig Elsbett
Hugo Junkers
Eugen Langen
Étienne Lenoir
Wilhelm Maybach
Siegfried Marcus
Nicolaus Otto
Robert Stirling
Felix Wankel

Siehe auch

Motorsteuerung
Abgasrückführung
Kreislaufantrieb
Motorkapsel
Motorblock
Kraftstoffsystem (Flugzeug)
Leanen
Kalttest

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.
Gernot Greiner: Verbrennungsmotoren im Auto- und Flugmodellbau. Franzis Verlag, 2012, ISBN 978-3-645-65090-8.

Weblinks

Wikibooks: Motoren aus technischer Sicht/ Viertaktmotor – Lern- und Lehrmaterialien

Bauweisen von Verbrennungsmotoren

Sternmotor | Reihensternmotor | Mehrfachsternmotor | Umlaufmotor | Taumelscheibenmotor