Verbrennungsmotor
Der Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die durch innere Verbrennung von Treibstoff mechanische Arbeit verrichtet. Strömungsmaschinen mit Verbrennung, zum Beispiel Gasturbinen, und Motoren mit Verbrennung außerhalb des Zylinderss, beispielsweise Dampfmaschinen und Stirlingmotoren, zählt man nicht zu den Verbrennungsmotoren im engeren Sinne.
Anwendung
Verbrennungsmotoren werden verwendet zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen, Luftfahrzeugen, Wasserfahrzeugen und stationären Maschinen. Verbrennungsmotoren können auch in der Kraft-Wärme-Kopplung Anwendung finden.
Bei einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinder entzündet und verbrannt. Der durch die Entwicklung und die temperaturbedingte Expansion der Verbrennungsgase entstandene Druck (pV = nRT) wirkt auf einen Kolben, der dadurch verschoben wird. Bei Hubkolbenmotoren wird die Auf- und Abbewegung des Kolbens meistens durch einen Kurbeltrieb in eine Drehbewegung umgewandelt.
Alle Verbrennungsmotoren wiederholen in einem Kreisprozess ständig den Arbeitszyklus, der aus vier Arbeitsschritten besteht:
Ausstoßen und Ansaugen dienen dem Gaswechsel, das heißt dem Austausch von Abgas (Ausstoßen) gegen Frischgas (Ansaugen).
Der Gaswechsel zwischen einströmenden Frischgasen und verbrannten Abgasen wird durch die Nockenwelle gesteuert.
Diese läuft mit einer Untersetzung von 1:2 an die Kurbelwelle gekoppelt und öffnet und schließt die im Zylinderkopf des Motors angeordneten Ventile.
Wo Gesetzgeber und Verbraucherinteresse auf Umweltschutz und Kraftstoffverbrauch achten, haben sich Viertaktmotoren durchgesetzt. Heute gäbe es mit der elektronisch gesteuerten Direkteinspritzung wieder Potential für den Zweitakter, da er so durchaus mit einem Viertakter vergleichbare Abgaswerte liefern könnte, jedoch traut sich kein Hersteller an einen Etablierungsversuch.
Siehe auch:
Stirlingmotor, Vollgas, Motorelektronik, Freikolbenmotor
Grundsätzliche Funktionsweise
Es existiert eine Reihe unterschiedlicher Verbrennungsmotoren, die zum Teil unterschiedliche thermodynamische Kreisprozesse ausnutzen.
Verdichten und Arbeiten dienen der Umwandlung von chemischer Energie (Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches) über thermische Energie (Wärme) und potentielle Energie (Druck) in mechanische Energie (Bewegung).
Die Arbeitsschritte werden oft als Takte bezeichnet. Allerdings ist diese Bezeichnung bei 2-Taktern nicht sinnvoll, da 2-Takter auch alle vier Arbeitsschritte ausführen.Die Arbeitstakte am Beispiel des 4-Takt-Hubkolbenmotors
Die Bewegungen der Takte eins, zwei und vier erfolgen durch den Schwung, den die mit einem Schwungrad versehene Kurbelwelle durch den Arbeitstakt erhalten hat.
Da während des Startvorgangs noch kein Schwung vorhanden ist, muss die Kurbelwelle von außen angetrieben werden. Hierzu dient eine Startvorrichtung, wie ein Seil (Kettensäge, Bootsmotor), eine Tretkurbel (Motorrad), eine Handkurbel (Oldtimer) oder ein kleiner Elektromotor (Anlasser im KFZ). Große Motoren (stationäre oder Schiffs-) werden durch direkt in die Zylinder eingeführte Druckluft gestartet.
Einteilung der Verbrennungsmotoren
In der intensiven Geschichte des Motorenbaus sind viele Konzepte erdacht und realisiert worden, die nicht in das folgende Raster passen, zum Beispiel direkt einspritzende Ottomotoren oder Vielstoffmotoren nach dem Dieselverfahren, aber mit Zündkerze. Im Sinne der Lesbarkeit verzichtet diese Übersicht auf Sonderfälle, die in eigenen Artikeln erscheinen sollten.
Die Bauarten können in einer großen Vielfalt kombiniert sein, beispielsweise kleinvolumige Motoren mit Kreiskolben und Schlitzsteuerung nach dem Otto-Prinzip (Wankelmotor) oder großvolumige 2-Takt-Dieselmotoren mit Ventilsteuerung (Schiffsdiesel).Einteilung nach dem thermodynamischen Prozess
Einteilung nach dem Arbeitsverfahren
Vergleich der Arbeitsverfahren
Anwendungen
Zweitakt-Motoren werden vorwiegend eingesetzt, wo der Preis des Motors (einfache Bauweise) und die hohe Leistungsdichte den Vorrang haben vor Kraftstoffverbrauch und Umweltschutz. Dies gilt vor allem für Motoren mit kleinem Hubraum: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Motorsägen, Modellbau, und Motoradrennsport und großen Schiffsmotoren, die übrigens auch als Zweitakt-Dieselmotoren gebaut werden.
Eine von Ford unterstützte Entwicklung der australischen Firma "Orbital" wurde vorläufig aufgegeben.Einteilung nach dem Bewegungsablauf
Einteilung nach dem Gemischbildungsverfahren
Vor der Verbrennung müssen Kraftstoff und Luft durchmischt werden. Der Kraftstoff muss verdampfen.Einteilung nach dem Zündverfahren
Einteilung nach der Füllungsart
Einteilung nach dem Kühlverfahren
Einteilung nach Bauformen und Anzahl der Zylinder
Abhängig von der Anzahl der Zylinder werden Otto- und Dieselmotoren gebaut als
Die Zahlen in Klammern sind typische Zylinderzahlen.
Im Rennsport werden auch, trotz der höheren Unwucht, V-Motoren mit drei oder fünf Zylindern gebaut.Exotische Bauarten von Motoren
Kreiskolbenmotor
Der Wankelmotor ist ein Kreiskolbenmotor, benannt nach Felix Wankel.
Beim Wankelmotor rotiert in einem oval-scheibenförmigen Gehäuse ein bogig-dreieckiger Kolben in einer nur leicht oszillierenden Bewegung. Durch die anhaltende Bewegung in immer gleichbleibender 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 aber dem des Ottomotors.
Die vier Takte werden nicht während einer Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens, sondern während der Drehbewegung in einer Scheibe ausgeführt.
Wie beim Hubkolbenmotor mehrere Zylinder können beim Wankelmotor mehrere Scheiben kombiniert sein.Stelzer-Motor
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 unterschiedliche Durchmesser öffnen und schließen verschiedene Öffnungen im Gehäuse und steuern damit gleichzeitig den Gaswechsel.Kraftstoffe
Wichtige Motorenbauer
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