1.

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.

2.

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.

3.

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.

4.

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.

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Arbeitsweise von Dieselmotoren

Die meisten Dieselmotoren sind Viertaktmotoren, funktionieren allerdings anders als Ottomotoren. Der Unterschied liegt in der Art, wie das Luft-Kraftstoff-Gemisch verbrennt. Beim Ottomotor erfolgt die Verbrennung explosionsartig, so dass der Kolben dem Gasdruck nicht mit der gleichen Geschwindigkeit nachgeben kann. Theoretisch betrachtet, ändert sich das Gasvolumen oder der Raum, den das verbrennende Gas einnimmt, in der Kürze der Verbrennungszeit nicht, weshalb man hier von einer Gleichraumverbrennung oder einem Gleichraumprozess spricht. Während der sehr kurzen Verbrennungszeit sind der Druck und die Temperatur beim Ottomotor drei- bis viermal höher als beim Dieselmotor. Dagegen erfolgt beim Dieselmotor die Verbrennung des Kraftstoffes und die Abfuhr der verbrannten Abgase über einen vergleichsweise längeren Zeitraum. Der Druck, den das verbrennende Gas dabei auf den Kolben ausübt, bleibt nahezu gleich, weshalb hier auch von einer Gleichdruckverbrennung oder einem Gleichdruckprozess gesprochen wird.

Beim Dieselmotor wird beim ersten oder Ansaugtakt nur Luft und kein Kraftstoff durch ein Einlassventil in den Brennraum gesaugt. Beim zweiten Takt, dem Verdichtungstakt, wird die Luft auf einen geringen Teil ihres vorherigen Volumens zusammengepresst, durch das Zusammenpressen (Kompression) auf etwa 30 bis 55 Bar verdichtet und dabei auf 700 bis 900 °C erhitzt. Am Ende des Verdichtungstaktes wird zerstäubter Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt, der aufgrund der hohen Temperatur der Luft im Brennraum sofort verbrennt. Einige Dieselmotoren verfügen über eine zusätzliche elektrische Zündanlage, die den Kraftstoff beim Anlassen zündet. Sie ist nur so lange in Betrieb, bis der Motor warm ist. Die Verbrennung treibt den Kolben im dritten Takt oder Arbeitstakt zurück. Beim vierten Takt werden wie beim Ottomotor die Abgase ausgeschoben.

Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors, der im Übrigen von den gleichen Faktoren bestimmt wird wie beim Ottomotor, ist von Natur aus höher als der eines Ottomotors und beträgt bei den heute eingesetzten Motoren etwas über 40 Prozent. In der Regel arbeiten Dieselmotoren bei niedrigeren Drehzahlen als Ottomotoren.

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Abgase von Dieselmotoren

Bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff bilden sich Schadstoffe wie Stickoxide und Ruß. Je höher der Sauerstoffanteil im zu verbrennenden Luft-Diesel-Gemisch ist, desto größer wird der Stickoxidanteil im Abgas. Ist der Sauerstoffanteil bei der Verbrennung jedoch gering, so steigt der Anteil an Rußpartikeln im Abgas. Eine Möglichkeit, die ungünstigen Emissionswerte bei Dieselmotoren zu verbessern, bietet die so genannte Common-Rail-Einspritzung (Speichereinspritzung). Common rail bezeichnet die gemeinsame Verteilerleiste, über die die Einspritzdüsen (Injektoren) mit der Kraftstoffpumpe verbunden sind. Bei herkömmlichen direkteinspritzenden Systemen werden Einspritzdruck und -menge letztlich über die Nockenwelle gesteuert. Dadurch sind Druckerzeugung und Einspritzung miteinander gekoppelt. Im Gegensatz dazu übernimmt bei der Common-Rail-Einspritzung eine spezielle Steuerelektronik die Regelung von Druck und Einspritzmenge, d. h., Druckerzeugung und Einspritzung werden entkoppelt. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens liegt auf der Hand: Für jede Drehzahl und Belastung des Motors lässt sich der Einspritzdruck so wählen, dass ein für die Verbrennung optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht.

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Rußfilter

Die bislang beste Methode, um Rußpartikel aus den Abgasen eines Dieselmotors zu entfernen, ist der Einsatz von Partikelfiltern. Moderne Rußpartikelfilter bestehen aus hitzebeständiger Keramik (z. B. Siliciumcarbid). Das Kernstück des Filters ist wabenförmig aufgebaut und hat eine Vielzahl von Kanälen, durch die das rußbeladene Abgas während des Motorbetriebs strömt. Die Wände des Wabenkörpers sind grobporig, d. h., in diesen Poren können sich die Rußpartikel ablagern und auf diese Weise nahezu vollständig aus dem Abgas entfernt werden.

Damit der Rußfilter funktionsfähig bleibt, muss er in gewissen Zeitabständen regeneriert werden, was durch Verbrennung der Rußpartikel gelingt. Ein besonderes Verfahren wurde hierzu von den französischen Automobilherstellern Peugeot und Citroën entwickelt. Bei diesem Verfahren wird zum einen die Zündfähigkeit der Partikel durch Kraftstoffadditive auf die Abgastemperatur (etwa 450 °C) herabgesetzt – normalerweise liegt die Zündtemperatur der Partikel bei etwa 600 °C. Zum anderen nutzt man die Common-Rail-Technik, um die Temperatur der Abgase kurzfristig auf etwa 550 °C anzuheben. Bei dieser Temperatur verbrennen die im Filter abgeschiedenen Rußpartikel. Die Regeneration dauert etwa zwei bis drei Minuten und wird von einem Drucksensor kontrolliert.

6.

Arbeitsweise von Zweitaktmotoren

Otto- oder Dieselmotoren können auch nach dem Zweitaktprinzip betrieben werden. Dabei ist jeder zweite Takt ein Arbeitstakt und nicht jeder vierte. Der Wirkungsgrad von Zweitaktmotoren ist geringer als der von Viertaktmotoren; die Leistung eines solchen Motors liegt immer etwas unter der Hälfte der Leistung eines Viertaktmotors vergleichbarer Größe.

Das Prinzip des Zweitaktmotors besteht darin, dass die Zeiten für das Ansaugen des Kraftstoffes in den Brennraum und das Ausstoßen der Abgase auf einen kleinen Teil der Dauer eines Taktes beschränkt werden und nicht jeder dieser Vorgänge einen ganzen Takt in Anspruch nimmt. Bei der einfachsten Form des Zweitaktmotors werden die Tellerventile durch Rohrschieber oder Schlitze ersetzt. Sie sind offen, wenn der Kolben am weitesten vom Zylinderkopf entfernt ist. Über den Einlassschlitz wird der Kraftstoff zugeführt; dann folgt der Verdichtungstakt, und das Gemisch wird gezündet, wenn der Kolben das Ende des Taktes erreicht. Anschließend bewegt sich der Kolben mit dem Arbeitstakt wieder aus dem Zylinder heraus und öffnet dabei den Auslassschlitz, durch den die Abgase aus dem Brennraum abfließen können.

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Kreiskolbenmotor oder Wankelmotor

In den fünfziger Jahren entwickelte der deutsche Ingenieur Felix Wankel eine völlig neuartig aufgebaute Kraftmaschine mit innerer Verbrennung: Kolben und Zylinder ersetzte er durch einen dreieckigen Drehkolben in einer fast ovalen Kammer. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird durch einen Einlassschlitz angesaugt und zwischen einer Seite des sich drehenden Kolbens und der Wand der ovalen Kammer festgehalten. Die Kolbendrehung verdichtet das Gemisch bis zur Zündung. Die Abgase werden durch die Drehung des Kolbens über einen Auslassschlitz ausgestoßen. Die kompakte Bauweise des Kreiskolbenmotors und sein dadurch im Vergleich zum Hubkolbenmotor geringeres Gewicht haben ihm in den siebziger und achtziger Jahren zu einer größeren Bedeutung verholfen. Er arbeitet nahezu vibrationsfrei und benötigt im Vergleich zu Otto- und Dieselmotoren eine geringere Kühlung. Nachteile des Wankelmotors sind jedoch der vergleichsweise hohe Kraftstoffverbrauch und ein höherer Schadstoffanteil in den Abgasen. Heutzutage bieten vor allem japanische Automobilhersteller Fahrzeuge mit Wankelmotor an.

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Schichtlademotor

Eine Abwandlung des herkömmlichen Ottomotors ist der Schichtlademotor. Er wurde entwickelt, um die Abgasmenge ohne Abgasrückführungssystem oder Katalysator zu verringern. Sein Hauptkennzeichen ist ein doppelter Brennraum für jeden Kolben, wobei in eine Vorkammer ein fettes Kraftstoff-Luft-Gemisch eingeleitet wird. Dagegen befindet sich im Hauptbrennraum ein sehr mageres Gemisch. Mit der Zündung wird das fette Gemisch entzündet, das wiederum das magere Gemisch entzündet. Die dabei entstehende Temperaturspitze ist so niedrig, dass die Bildung von Stickoxiden verhindert wird. Allerdings benötigen alle bisher entwickelten Ottomotoren, die nach dem Schichtladeprinzip funktionieren, wegen der zu hohen Kohlenwasserstoff-Emission Katalysatoren. Außerdem ist die Verminderung des Kraftstoffverbrauchs nur gering. Erfolgreicher sind Modelle von Dieselmotoren nach dem Schichtladeprinzip.

Siehe auch Stirlingmotor; Kraftfahrzeug; Umweltverschmutzung durch den Verkehr; Strahlantrieb; Rakete