Verbrennungskraftmaschine

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Einleitung

Verbrennungskraftmaschine, im Prinzip die Bezeichnung für jede Art von Maschine, die mechanische Energie direkt aus der in einem Brennstoff enthaltenen chemischen Energie durch Verbrennen dieses Stoffes mit Luft in einer Verbrennungskammer gewinnt. Die Kammer ist ein fester Bestandteil der Kraftmaschine. Man unterscheidet die derzeit üblichen Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung in vier Haupttypen: Ottomotor, Dieselmotor, Kreiskolbenmotor oder Wankelmotor und die Gasturbine.

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Die vier Haupttypen

Der Ottomotor wurde nach seinem Erfinder Nikolaus August Otto benannt und ist der bekannte mit Benzin betriebene Motor, der vor allem in Pkws und Motorrädern, aber auch in Flugzeugen eingesetzt wird. Diesen Motortyp gibt es je nach Anwendung in verschiedenen Ausführungen; das Grundprinzip ist jedoch immer gleich. Der Dieselmotor, benannt nach Rudolf Christian Karl Diesel, funktioniert nach einem anderen Prinzip und wird mit Dieselkraftstoff betrieben. Außer in Lastkraftwagen, Bussen und Pkws findet der Dieselmotor auch in Kraftwerken zur Produktion elektrischer Energie und als Schiffsantrieb Verwendung. Sowohl Otto- als auch Dieselmotoren gibt es als Zwei- und als Viertaktmotoren. Der Wankelmotor ist ein Viertaktmotor, der nach seinem Erfinder Felix Wankel benannt wurde und nach dem Prinzip des Ottomotors arbeitet. Allerdings finden bei ihm die einzelnen Takte in einer ovalen Brennkammer mit einem dreieckigen Dreh- oder Kreiskolben statt. Bei einer Gasturbine schließlich handelt es sich um eine Kraftmaschine, die die Wärmeenergie eines heißen Gases in Bewegungsenergie umwandelt. Das Gas entsteht durch Verbrennung innerhalb der Brennkammer. Mit Gasturbinen werden z. B. Flugzeuge, Schiffe und auch Züge angetrieben.

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Bestandteile von Kraftmaschinen

Die wichtigsten Teile haben Otto- und Dieselmotor gemeinsam. Der Brennraum besteht aus einem Zylinder, der an einem Ende durch den Zylinderkopf geschlossen ist und in dem sich der Kolben bewegt. Ein Ende des Kolbens ist über eine Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden. Die Kurbelwelle wandelt die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um. Bei Kraftmaschinen mit mehreren Zylindern befinden sich auf der Kurbelwelle für jeden Zylinder Kurbelzapfen. Durch diese Konstruktion übt jeder Kolben im richtigen Moment der Drehung Kraft auf die Kurbelwelle aus. Die Kurbelwelle ist mit einem Schwungrad und Gegengewichten versehen. Das Trägheitsmoment des Rades und der Gewichte soll Unregelmäßigkeiten in der Bewegung der Welle so gering wie möglich halten. Eine Kraftmaschine kann einen oder mehrere Zylinder enthalten (in Schiffsmotoren etwa bis zu 28 Stück).

Zum Kraftstoffzufuhrsystem eines Verbrennungsmotors gehören der Tank, die Kraftstoffpumpe und eine Anlage zur Vergasung oder Zerstäubung des flüssigen Kraftstoffes. Letzteres ist beim Ottomotor der Vergaser oder ein besonderes, elektronisch gesteuertes Einspritzsystem.

Der gasförmige und mit Luft vermischte Kraftstoff wird bei den meisten mehrzylindrigen Kraftmaschinen über ein verzweigtes Rohr, den Ansaugkrümmer, zu den Kolben geleitet. Die bei der Verbrennung entstandenen Gase werden über ein ähnliches Rohr, den Abgaskrümmer, abgeleitet. Über mechanisch betriebene Tellerventile oder Schlitze, die Einlassventile, gelangt das Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder; die Abgase gelangen auf ähnlichem Weg, über die Auslassventile, wieder hinaus. Die Ventile werden durch Druckfedern geschlossen gehalten und zum richtigen Zeitpunkt des Arbeitszyklus über Nocken auf der sich drehenden Nockenwelle geöffnet. Die Nockenwelle ist über Zahnräder mit der Kurbelwelle verbunden.

In den achtziger Jahren wurden elektronische Einspritzsysteme für den Kraftstoff entwickelt. Diese Systeme verdrängten allmählich die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung des richtigen Luft-Kraftstoff-Gemisches. Computergesteuerte Systeme ermöglichten darüber hinaus eine bessere Kraftstoffausnutzung bei geringerem Schadstoffausstoß.

Das Zündsystem des Ottomotors besteht aus einer Gleichstromquelle mit geringer Spannung, die an den Primärkreis der Zündspule angeschlossen ist (siehe Transformator). Der Strom wird durch eine Schaltautomatik, den Unterbrecher, mehrmals pro Sekunde unterbrochen. Der so zerhackte Strom des Primärkreises induziert im Sekundärkreis eine pulsierende Hochspannung (bis zu 30 000 Volt). Dieser Hochspannungsstrom wird über den Zündverteiler abwechselnd zu den einzelnen Zylindern geführt. Die eigentliche Zündung erfolgt mit Hilfe der Zündkerze, einem isolierten Leiter, der im Zylinderkopf oder in der Wand des Zylinders eingebaut ist. An dem Ende der Zündkerze, das in den Zylinder hineinragt, befindet sich zwischen zwei Drähten (Mittel- und Masseelektrode) ein kleiner Abstand. Der Hochspannungsstrom überspringt diesen Abstand, und dabei entsteht ein Funke, der das Kraftstoffgemisch im Zylinder entzündet.

Aufgrund der Wärme, die bei der Verbrennung entsteht, benötigen alle Kraftmaschinen ein Kühlsystem. Einige Flugzeug- und Kraftfahrzeugmotoren und kleine stationäre Kraftmaschinen (Generatoren) sind luftgekühlt. Bei diesem System sind die Außenseiten des Motors von Rippen umgeben, die eine große Kühloberfläche bieten. Bei wassergekühlten Kraftmaschinen sind die Motoraußenwände doppelwandig. In dem äußeren System (Kühlwasserräume) fließt das Kühlwasser, das mit einer Wasserpumpe umgewälzt und durch die mit Rippen versehenen Kühlschlangen des Kühlers geleitet wird. Der Kühler ist letztendlich luftgekühlt. Bei Schiffsmaschinen und Außenbordmotoren wird Meerwasser zur Kühlung eingesetzt.

Im Gegensatz zu Dampfmaschinen und Turbinen entsteht beim Anlaufen einer Verbrennungskraftmaschine kein Drehmoment. Daher muss zunächst die Kurbelwelle in Bewegung gesetzt werden. Kraftfahrzeugmotoren haben dazu normalerweise einen elektrischen Anlasser, der über Zahnräder mit der Kurbelwelle in Verbindung steht. Sobald die Verbrennungsmaschine läuft, wird diese Verbindung durch eine Kupplung gelöst. Kleinere Kraftmaschinen lassen sich durch Drehen der Kurbelwelle mit einer Kurbel oder durch Ziehen eines Seiles, das mehrfach um das Schwungrad gewickelt wird, anwerfen. Größere Kraftmaschinen werden oft auch mit einem Schwungkraftanlasser gestartet. Der Schwungkraftanlasser besteht aus einem Schwungrad, das per Hand oder mit Hilfe eines Elektromotors gedreht wird. Beim Explosionsstarter wird eine Platzpatrone zur Explosion gebracht, um ein Turbinenrad zu drehen, das mit der Kraftmaschine verbunden ist. Schwungkraftanlasser und Explosionsstarter werden in erster Linie bei Flugzeugmotoren eingesetzt.

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Arbeitsweise von Ottomotoren

Ottomotoren durchlaufen bei Betrieb sich periodisch wiederholende Zyklen, die man als Arbeitsspiel bezeichnet. Normalerweise ist der Ottomotor ein Viertaktmotor, d. h., der Kolben führt während eines Arbeitsspieles vier Hübe oder Takte aus, zwei in Richtung des (geschlossenen) Zylinderkopfes und zwei weg vom Kopf. Während des ersten Taktes (Ansaugtakt) bewegt sich der Kolben vom Zylinderkopf weg, gleichzeitig wird das Einlassventil geöffnet. Durch die Kolbenbewegung während dieses Taktes wird eine bestimmte Menge des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennraum eingesaugt. Während des nächsten Taktes (Verdichtungstakt) bewegt sich der Kolben in Richtung des Zylinderkopfes und verdichtet das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum. In dem Augenblick, in dem der Kolben das Ende dieses Taktes erreicht hat, ist das freie Volumen in der Brennkammer am geringsten, der Kraftstoff wird mit der Zündkerze entzündet und verbrennt. Dabei wirkt das sich ausdehnende Brenngas auf den Kolben, der dadurch beim dritten Takt (Arbeitstakt) vom Zylinderkopf weggedrückt wird. Beim vierten und letzten Takt (Auspuff- oder Ausschiebetakt) wird das Auslassventil geöffnet. Der Kolben bewegt sich in Richtung des Zylinderkopfes und drückt dabei die Abgase aus der Verbrennungskammer, so dass der Zylinder für das nächste Arbeitsspiel bereit ist.

Der Wirkungsgrad oder die effektive Arbeitsweise eines modernen Ottomotors wird durch eine Reihe von Faktoren begrenzt, darunter u. a. Kühlungs- und Reibungsverluste. Im Allgemeinen bestimmt das Verdichtungsverhältnis den Wirkungsgrad einer solchen Kraftmaschine, also wie viel der Wärmeenergie des Kraftstoffes in mechanische Energie umgewandelt wird. Das Verdichtungsverhältnis (das Verhältnis von maximalem und minimalem Volumen der Verbrennungskammer) liegt beim größten Teil der modernen Ottomotoren meist bei etwa 8:1 oder 10:1. Höhere Verdichtungsverhältnisse von etwa 12:1 mit entsprechender Erhöhung des Wirkungsgrades sind mit klopffesten Kraftstoffen hoher Octanzahl möglich. Der Wirkungsgrad eines guten, modernen Ottomotors liegt zwischen 20 und 25 Prozent, d. h., nur 20 bis 25 Prozent der Wärmeenergie des Kraftstoffes werden in mechanische Energie umgewandelt.