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Verbrennungsmotor,

 

eine Verbrennungskraftmaschine, bei der durch Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs in einem Arbeitszylinder mechanische Arbeit erzeugt wird. Der Aufbau ist bei allen Bauarten (Ausnahme: Kreiskolbenmotor) grundsätzlich gleich. In einem Zylinder, der durch einen Zylinderkopf abgeschlossen ist, bewegt sich ein Kolben, dem durch einen Kurbeltrieb (Kurbelwelle und Pleuel) eine Hubbewegung erteilt wird. Öffnungen im Zylinderkopf oder im Zylinder dienen zur Zufuhr frischer Ladung und Abfuhr von verbrannten Gasen. Sie werden im Takt der Kolbenbewegung durch Ventile oder durch den Kolben selbst geöffnet und verschlossen. Das Motorgehäuse besteht aus dem Kurbelgehäuse beziehungsweise Zylinder-Kurbel-Gehäuse (»Motorblock«) und der Ölwanne. Es schließt den Raum für den Kurbeltrieb nach außen ab und enthält die Kurbelwellenlager, die Ölpumpe, Ölleitungen und bei wassergekühlten Motoren die Kühlwasserräume. Als Werkstoff wird meistens Gusseisen mit Lamellengraphit (GG) verwendet, bei Pkw finden sich aus Gewichtsgründen zunehmend Leichtmetalllegierungen, bei Großmotoren auch geschweißte Stahlmotorgehäuse. In Kfz wird der Motor an drei oder vier Punkten durch elastische Elemente mit dem Fahrzeug verbunden, um die Übertragung von Erschütterungen und Geräuschen zu vermindern (Motoraufhängung). Diese können mit zusätzlichen Dämpfungselementen versehen sein, die gegebenenfalls eine für unterschiedliche Betriebszustände veränderbare Dämpfung aufweisen können.

 

Arbeitsverfahren:

 

Gaswechsel und Arbeitsprozess können im Viertakt- oder im Zweitaktverfahren erfolgen. Viertaktverfahren: 1) Ansaugen der Ladung; 2) Verdichtung der Ladung; 3) Zündung (Ottomotor) oder Einspritzung des Kraftstoffs (Dieselmotor) und Expansion der Brenngase; 4) Ausschieben der Brenngase. Die Steuerung des Ladungswechsels (Takte 1 und 4) erfolgt heute ausschließlich durch Ventile. Sie öffnen und schließen etwas vor beziehungsweise nach den jeweiligen Totpunkten des Kolbens, um eine gute Füllung des Zylinders zu erreichen. Zweitaktverfahren: Verdichtung und Expansion verlaufen wie beim Viertaktverfahren. Der Ladungswechsel erfolgt in der Nähe des unteren Totpunktes durch Auslassschlitze im Zylinder, die am Ende der Expansion vom Kolben freigegeben werden. Kurz danach werden Spülschlitze geöffnet, durch die vorverdichtete Ladung in den Zylinder eingeblasen wird (Spülverfahren). Bei kleinen Motoren erfolgt die Vorverdichtung im Kurbelgehäuse des Motors durch den abwärts gehenden Kolben, bei größeren Motoren werden Spülgebläse oder Abgasturbolader eingesetzt. Bei Großmotoren verwendet man oft Auslassventile im Zylinderkopf und Spülschlitze im Zylinder. Durch diese Längs- oder Gleichstromspülung wird gute Ausspülung der Abgase und hoher Liefergrad erreicht.

 

Gemischbildung

 

und Verbrennung: Der Kraftstoff muss mit der Luft zu einem entzündbaren Gemisch vereinigt werden. Beim Ottomotor erfolgt dies außerhalb des Zylinders, der Motor saugt also bereits entzündbares Gemisch an. Da Kraftstoff-Luft-Gemische nur in einem engen Bereich des Luftverhältnisses entzündbar sind, müssen für die Leistungsregelung (Veränderung von Drehzahl und Drehmoment) des Motors Luft- und Kraftstoffmenge gleichzeitig geregelt werden. Beim Vergaser wird durch entsprechend bemessene Düsensysteme für Kraftstoff und Luft dafür gesorgt, dass unabhängig von der durchgesetzten Luftmenge das Luftverhältnis weitgehend konstant bleibt. Die Regelung der Leistung kann daher auf einfache Weise durch eine in Strömungsrichtung hinter dem Vergaser angeordnete Drosselklappe erfolgen. Bei den heute vorherrschenden Ottomotoren mit elektronischen Benzineinspritzung wird die Luftmenge durch eine Drosselklappe geregelt. Ein Luftmengenmesser misst die durchgesetzte Luftmenge, ein Prozessrechner (Steuergerät) ermittelt daraus die erforderliche Kraftstoffmenge. Die Einspritzung des Kraftstoffs erfolgt mit geringem Druck im Ansaugrohr. Sie kann entweder an einer Stelle für alle Zylinder gemeinsam erfolgen (Zentraleinspritzung) oder mit Einspritzventilen (Einspritzdüsen), die kurz vor den Einlasskanälen des Zylinderkopfs im Ansaugrohr angeordnet sind, für jeden Zylinder einzeln (Einzeleinspritzung). Dies ergibt eine gleichmäßigere Verteilung des Kraftstoffs auf die einzelnen Zylinder und damit eine bessere Leistung und eine günstigere Abgaszusammensetzung. Da das Gemisch aus Kraftstoff und Luft gemeinsam verdichtet wird, wobei es sich erwärmt, darf das Verdichtungsverhältnis nur so hoch gewählt werden, dass keine Selbstzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erfolgt oder Klopfen auftritt. Dadurch ist das Verdichtungsverhältnis auf etwa 11 begrenzt. Die Entzündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erfolgt kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat durch einen elektrischen Funken an der Zündkerze. Der Verbrennungsablauf kann in gewissen Grenzen durch die Brennraumform und die beim Einströmen erzeugte Ladungsbewegung beeinflusst werden. Durch die Drosselregelung treten bei Teillast Verluste auf, die den Wirkungsgrad verschlechtern.

 

Beim Dieselmotor wird nur Luft angesaugt, die so hoch verdichtet wird, dass ihre Temperatur über der Selbstzündungstemperatur des Kraftstoffs liegt. Dazu sind je nach Bauart Verdichtungsverhältnisse von 12 bis 26 erforderlich. Der Kraftstoff wird in der Nähe des oberen Totpunktes direkt in den Brennraum (Direkteinspritzung) oder in eine mit dem Brennraum verbundene Vor- oder Wirbelkammer eingespritzt (Kammerverfahren), wo er sich in der heißen Luft von selbst entzündet. Um eine gute Verteilung des Kraftstoffs in der Luft zu erreichen, sind dabei Einspritzdrücke zwischen 150 bar (Kammerverfahren) und 1 000 bar (Direkteinspritzung) notwendig. Bei Direkteinspritzmotoren muss durch »Drall-Einlasskanäle« im Zylinderkopf eine gerichtete Luftbewegung im Zylinder erzeugt werden, um die Gemischbildung zu verbessern. Zur Leistungsregelung von Dieselmotoren braucht nur die Kraftstoffmenge geändert zu werden, da am Rande der eingespritzten »Keule« aus Kraftstofftropfen immer das zur Verbrennung benötigte Luftverhältnis vorhanden ist. Da bei Teillast keine Drosselung der Luftzufuhr erforderlich ist, ist der Teillastwirkungsgrad besser als bei Ottomotoren.

 

Die Leistung P eines Verbrennungsmotors berechnet sich mit der Taktzahl z (z = 2 für 2-Takt, z = 4 für 4-Takt) als Produkt aus Hubraum V_H, Drehzahl n und mittlerem effektiven Druck p_me. Setzt man V_H in Liter, n in 1/min und p_me in bar ein, so gilt: P = V_H · p_me · n/(z · 300) in kW. Die Leistungen heutiger Verbrennungsmotoren liegen zwischen 0,1 kW (Modellmotoren) und 45 000 kW bei langsam laufenden Schiffsdieselmotoren. Ottomotoren erreichen heute mittlere Drücke von 12 bar, Dieselmotoren ohne Aufladung 8 bar und mit Aufladung bis zu 30 bar.

 

Wirkungsgrad

 

und Wärmebilanz: Verbrennungsmotoren haben die besten Wirkungsgrade aller Wärmekraftmaschinen. Bei Ottomotoren liegt der Wirkungsgrad im optimalen Betriebspunkt bei 35 %, Lkw-Dieselmotoren erreichen 42 % und langsam laufende Schiffsdieselmotoren Werte bis 52 % (zum Vergleich: Bei der Stromerzeugung liegt der Wirkungsgrad »vom Brennstoff bis zur Steckdose« in der Größenordnung von 25 bis 30 %). Die nicht in Nutzleistung umgesetzte Energie muss als Wärme abgeführt werden. Dies erfolgt zu etwa gleichen Teilen über die heißen Abgase und als Kühlwasser- beziehungsweise Kühlluftwärme. Kühlung ist erforderlich, da die der Verbrennung ausgesetzten Werkstoffe von Zylinder, Zylinderkopf und Kolben bei Temperaturen über 200 ºC (Aluminium) und 400 ºC (Grauguss) an Festigkeit verlieren und die Schmierung der Kolben im Zylinder nicht mehr gesichert ist.

 

Als Kraftstoffe dienen Erdölfraktionen (Gemische von mehreren Hundert Kohlenwasserstoffen), für Ottomotoren im Siedebereich von 30 bis 200 ºC (Ottokraftstoffe), für Dieselmotoren von 180 bis 360 ºC (Dieselkraftstoff). Wie bei jeder Verbrennung entstehen im Verbrennungsmotor Abgase, die im Wesentlichen CO, CO₂, H₂O, N₂, NO, NO₂, Kohlenwasserstoffe und Partikel enthalten. Entsprechend den gesetzlichen Vorschriften müssen die Emissionen von CO, NO, NO₂, Kohlenwasserstoffen und Partikeln begrenzt werden. Da mit Maßnahmen am Motor die heutigen strengen Vorschriften nicht zu erfüllen sind, muss bei Fahrzeugmotoren eine Nachbehandlung der Abgase z. B. durch Katalysatoren oder Rußfilter erfolgen. In Ottomotoren kommen in Sonderfällen auch Alkohole oder Gase (Erdgas, Methan, Propan, Butan und ihre Mischungen) als Kraftstoffe zum Einsatz. Bei Letzteren bestehen in Fahrzeugen noch Probleme hinsichtlich der Speicherung in Druckbehältern und des damit verbundenen hohen Gewichts bei kleinem Energieinhalt. In Zukunft könnte auch Wasserstoff als Kraftstoff eine Rolle spielen (Wasserstoffenergietechnik); Probleme treten hier weniger vom Motor her auf als vielmehr bei der Herstellung (Energiebedarf), Verteilung, Lagerung in Gastankstellen und im Fahrzeug sowie dem Aufbau einer entsprechenden Infrastruktur. Für Dieselmotoren können organische Öle verwendet werden (»Biodiesel«), z. B. Rapsöl, das zur Vermeidung von Verkokungen der Einspritzventile aber verestert werden muss (in speziellen Motoren wie dem Elsbett-Motor ist es auch in reiner Form verwendbar); seine Bewertung v. a. hinsichtlich des Verhältnisses von Energieausbeute und Flächenbedarf ist aber noch umstritten.

 

Bauformen:

 

Verbrennungsmotoren werden mit 1 bis 20 Zylindern gebaut. Da ein Zylinder nur beim Expansionshub Nutzarbeit abgibt, ist die Leistungsabgabe sehr ungleichförmig. Nur kleine Motoren bis etwa 10 kW werden daher als Einzylindermotoren gebaut. Pkw-Motoren werden mit 4, 6, 8 und 12 Zylindern ausgeführt, mittelgroße Dieselmotoren mit bis zu 20 und Großmotoren mit bis zu 12 Zylindern. Nach Lage der Zylinder unterscheidet man stehende, geneigte und liegende Verbrennungsmotoren. Die Anordnung der Zylinder erfolgt in Reihe, in V-Form oder als Boxeranordnung. Bei V-Motoren wirken jeweils zwei Zylinder auf eine Kurbelkröpfung. Die früher für Flugzeuge verwendeten Sternmotoren sind heute weitgehend durch die Gasturbine verdrängt.

 

Anwendungen:

 

Ottomoren werden zum Antrieb von kleinen landwirtschaftlichen Geräten (z. B. Rasenmähern), Krafträdern, Pkw und kleinen Nutzfahrzeugen verwendet (Leistungen zwischen 1 kW und 300 kW). Schnell laufende Dieselmotoren dienen zum Antrieb von Pkw, Lkw, Lokomotiven, Motorbooten und als Notstromaggregate (Leistungen von etwa 30 kW bis 5 000 kW). Langsam laufende Großdieselmotoren mit Leistungen bis 45 000 kW haben die Dampfturbine als Schiffsantriebsmaschine völlig verdrängt und dienen außerdem zur Stromerzeugung in Kraftwerken.

 

Geschichtliches:

 

Schon Leonardo da Vinci hatte um 1506 die Idee eines atmosphärischen Schießpulvermotors, wie ihn C. Huygens 1673 als kleine Versuchsmaschine baute. 1807 erhielt Isaac de Rivaz ein Patent für einen gasbetriebenen Fahrzeugmotor. Die ersten industriell gefertigten Verbrennungsmotoren waren verdichtungslose Gasmotoren (von J. J. E. Lenoir 1860, N. A. Otto 1867). 1876 entwickelte Otto einen Viertakt-Gasmotor. G. Daimler und K. Maybach schufen 1883, C. Benz unabhängig davon 1885 den leichten, schnell laufenden Benzinmotor, der seit 1885 zur Motorisierung von Straßenfahrzeugen und Booten verwendet wurde. Schwerflüchtige Kraftstoffe wurden erstmals von H. Akroyd Stuart in Glühkopfmotoren verarbeitet (bekannt als »Lanz-Bulldog« bis etwa 1950). Den Durchbruch für die Verbrennung schwerflüchtiger Kraftstoffe brachte der 1893-97 von R. Diesel geschaffene Dieselmotor. Von den langjährigen Versuchen mit Kreiskolbenmotoren erlangte nur der von F. Wankel (Prototyp 1957) die Serienreife. (Kraftwagen, Geschichte)

 

Literatur:

 

G. Jungbluth u. O. Kraemer: Bau u. Berechnung von V. (⁵1983);

 E. Baentsch: Dieselmotoren-Praxis (⁸1987);

 

Techn. Hb. Dieselmotoren, hg. v. R. von Sperber (⁵1990);

 H.-D. Haage: Maschinenkunde. Kraft- u. Arbeitsmaschinen (⁷1992);

 H. Grohe: Otto- u. Dieselmotoren (¹¹1995).

 

Hier finden Sie in Überblicksartikeln weiterführende Informationen:

 

Kraftwagen: Seine wichtigsten Komponenten

 

Ottomotor: Die Grundzüge des Verbrennungsmotors

 

Dieselmotor: Was unterscheidet ihn vom Ottomotor?

 

Kraftwagen: Hochtechnologie im Verborgenen