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    Brennkraftmaschine

    Verbrennungsmotor (im weiteren Sinne) ist Maschine, die durch die Verbrennung Kraftstoffs seine chemische Energie in mechanische Arbeit umwandelt. Die Verbrennung des Kraftstoffs oder Kraftstoffgemischs kann im Motor oder außerhalb des Motors stattfinden. Im engeren Sinne versteht man unter dem Begriff Verbrennungsmotor meistens den Kolbenmotor.[1]. Der Artikel befasst sich mit dem Verbrennungsmotor im weiteren Sinne.

     

    Prinzip der Betriebsweise

    Bestimmte Stoffe, allgemein als Kraftstoffe bezeichnet, sind in der Lage chemischer Reaktion der Verbrennung, bei der Wärme freigesetzt wird. Wenn die freigesetzte Wärme den Arbeits Gas erwärmt, steigt gemäß Zustandsgleichung sein Druck, oder Volumen, abhängig davon, ob er sich in einem geschlossenen oder offenen Raum befindet. Dieser Zustand des Gases kann genutzt werden, um mechanische Arbeit zu leisten, entweder durch Druck auf eine bewegliche Teil des Motors oder durch die Nutzung Actio und Reactio beim Austritt der Arbeitsstoffe aus dem Motor. Die Extraktion der gewonnenen mechanischen Arbeit in einer nutzbaren Form ist nur eine Frage der richtigen konstruktiven Lösung. Der gesamte Prozess verläuft im Einklang mit zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nur mit einer bestimmten Wirkungsgrad.

    Eine der Varianten des allgemeinen Prinzips ist in der Realisierung jedes Verbrennungsmotors vorhanden. Dabei gilt:

    • Kraftstoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein,
    • die Umgebung, in der sie verbrannt werden, ist meistens Luft aber kann auch eine andere Substanz sein,
    • die Verbrennung kann innerhalb oder außerhalb des Motors stattfinden,
    • der Arbeitsgas kann isoliert sein oder es können direkt Abgase sein,
    • das Arbeitsgas wird kontinuierlich ausgetauscht oder ist im Motor geschlossen,
    • die bewegliche Teil des Motors, auf die das Arbeitsgas wirkt, kann sich auf verschiedene Weise bewegen,
    • um mechanische Arbeit zu erzielen, kann entweder der eine, der zweite oder beide Methoden gemeinsam genutzt werden.

    Angesichts der oben genannten Punkte ist es nicht überraschend, dass die Gruppe der Verbrennungsmotoren eine Vielzahl von Typen und verschiedenen konstruktiven Ausführungen umfasst, weshalb es nützlich ist, für ihre Einteilung die richtigen Kriterien zu verwenden.

     

    Einteilung

    Verbrennungsmotoren werden nach mehreren Gesichtspunkten eingeteilt. Die einzelnen Gesichtspunkte sind voneinander unabhängig, weshalb in diesem Fall keine einfache Baumstruktur erstellt werden kann.

    Grundlegende Einteilung

    Verbrennungsmotoren werden eingeteilt:

    1. nach dem Ort, an dem die Verbrennung stattfindet (im Motor oder außerhalb davon) in
    2. nach dem Arbeitszyklus in
    3. Nach dem grundlegenden Arbeitsprinzip:
    4. Kolben-Verbrennungsmotoren werden nach der Art der Zündung in:

    In der alltäglichen Praxis wird heute unter Verbrennungsmotor ein Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung verstanden.

    Weitere Einteilungen

    Es gibt auch weitere detailliertere Gesichtspunkte. Die folgende Liste der Kriterien ist nicht vollständig, außerdem haben einzelne Kategorien von Verbrennungsmotoren, z. B. Turbinen, spezifische eigene Kategorien.

    • nach der Art des verbrannten Kraftstoffs werden die Motoren unterteilt in:
    • nach dem Ort der Mischungsbereitung:
      • mit Mischungsbereitung außerhalb des Arbeitsraums - z. B. im Karbürierer, Verbrennungsraum
      • mit Mischungsbereitung im Arbeitsraum - z. B. im Zylinder der Selbstzündungsmotoren
    • nach der Art der Mischungsbereitung:
    • nach der Art, wie die Luft in die Zylinder transportiert wird:
      • Motoren mit atmosphärischer Zylinderbefüllung (natürlicher), wenn das Einströmen nur durch den Unterdruck, verursacht durch die Bewegung des Kolbens im Zylinder, gesichert wird,
      • aufladende Motoren, wenn die Befüllung des Zylinders unter einem höheren Druck als der umgebende Atmosphäre durch ein zusätzliches Gerät im Befüllsystem gesichert wird. Befüllgeräte können mechanische Lüfter oder auch Kompressoren sein, z. B. im Auto VW Corrado (G-Lader), oder Kompressoren, die in Autos Bentley (Bentley Blower) verwendet werden Turboaufladung, z. B. in Motoren TDI des Unternehmens VW.
    • nach dem Arbeitszweck in: statische, mobile, industrielle, kraftwerksbezogene, Schiff, Eisenbahn, Fahrzeug, Traktoren, spezielle und andere.

    Kolben-Verbrennungsmotor

    Weitere Informationen im Hauptartikel: Kolben-Verbrennungsmotor

    Diese Motoren sind die zahlreichste Vertreter der Verbrennungsmotoren in technischen Anlagen. Fast ausschließlich werden sie zur Antrieb Kraftfahrzeugen verwendet. Ihre grundlegende Komponente ist Kolben, der eine geradlinige oder Drehbewegung ausführt und die Umwandlung der Druckenergie der Gasfüllung in mechanische Energie einer drehenden Welle vermittelt.

    Zündkerzenmotor

    Weitere Informationen im Hauptartikel: Zündkerzenmotor

    Die grundlegende Charakteristik von Zündkerzenmotoren ist, dass die Mischung im Zylinder über dem Kolben meistens durch einen Funke zwischen den Elektroden der Kerze entzündet wird. Die Mischung zur Entzündung benötigt eine äußere Energiequelle. Ein Zündkerzenmotor kann sowohl als Zweitakt- als auch als Viertaktmotor arbeiten.

    Selbstzündungsmotor

    Weitere Informationen im Hauptartikel: Selbstzündungsmotor

    Die grundlegende Charakteristik von Selbstzündungsmotoren ist, dass die Mischung, die sich erst direkt im Verbrennungsraum bildet, durch sogenannte Kompressionswärme entzündet wird. Diese Motoren haben einen so hohen Kompressionsverhältnis, dass bei der Kompression der in den Zylinder eingesaugten Luft die Temperatur im Moment des Einspritzens des Kraftstoffs im Verbrennungsraum höher ist als die Entzündungstemperatur des Kraftstoffs. Ein Selbstzündungsmotor kann sowohl als Zweitakt- als auch als Viertaktmotor arbeiten.

    Raketentriebwerk

    Weitere Informationen im Hauptartikel: Raketentriebwerk

    Das Raketentriebwerk hat eine besondere Stellung unter den anderen Verbrennungsmotoren:

    • die Arbeitsstoffe werden während des Betriebs nicht aus der Atmosphäre abgesaugt, sondern außer dem Kraftstoff muss auch eine ausreichende Menge Oxidator im Vorrat sein
    • die nützliche Ausgabe des Motors ist keine mechanische Arbeit, sondern Reaktionswirkung der Abgase
    • außer den Hilfssystemen (z. B. Pumpen, Düsenumlenkung) enthält das Hauptsystem keine beweglichen Teile.

    Unter Berücksichtigung der genannten grundlegenden Unterschiede gelten einige Teile des unten stehenden Textes für Raketentriebwerke nicht.

    Geschichte

    Die ersten Vorschläge zur Nutzung Schwarzpulvers, als Quelle mechanischer Energie, tauchten bereits im 17. Jahrhundert auf. In Frankreich beschäftigte sich Hautefeuille und Denis Papin, in Niederlande Christian Huygens. Ende 18. Jahrhunderts vorschlug Street in Großbritannien die Nutzung einer Mischung aus flüssigem Kraftstoff und Luft und Barber vorschlug den ersten Verbrennungsturbine. Im 19. Jahrhundert patentierte Lebon den zweitaktigen Gas-Motor, S. Brown baute einen Gas-Motor und im Jahr 1826 baute er ihn in ein Fahrzeug ein. Étienne Lenoir baute im Jahr 1860 einen zweitaktigen zweimaligen Kolbenmotor auf Gaslicht. Im Jahr 1867 Nikolaus Otto und Langen baute einen atmosphärischen Gas-Motor, im Jahr 1873 Reithmann einen viertaktigen Gas-Motor, im Jahr 1878 baute Otto erneut einen liegenden viertaktigen Gas-Motor mit einseitiger Funktion. Im Jahr 1879 baute Kostovič einen Zündkerzenmotor mit einer Leistung bis zu 60 kW zur Antrieb Luftschiffen. Im Jahr 1884 Gottlieb Daimler baute den ersten viertaktigen Zündkerzenmotor mit hohen Drehzahlen. Im Jahr 1893 beschrieb Rudolf Diesel den Arbeitszyklus zur Nutzung von Pulver Kohle, oder anderen schweren Kraftstoffen. Im 10. Jahren 20. Jahrhunderts wurden Experimente durchgeführt, den Kraftstoff durch eine Pumpe und nicht durch komprimierte Luft einzuspritzen. Die Serienproduktion von Automobilen, und somit auch ihrer Motoren, begann im Jahr 1908 bei der Firma Ford. Im Jahr 1912 bauten die Schweizer Firma Sulzer die ersten Lokomotiven, angetrieben durch einen Diesel-Motor.

    Vorteile und Nachteile von Verbrennungsmotoren

    Jeder Typ von Verbrennungsmotor hat seine Vorteile und Nachteile und deshalb eignet er sich mehr oder weniger gut für die Antrieb einzelner Geräte.

    Die Hauptvorteile von Verbrennungsmotoren sind:

    • bei der Kolbenbauweise erreichen sie hohe Wirkungsgrade der Energieumwandlung. Verbrennungsturbinen erreichen eine hohe Wirkungsgrad nur in Anlagen mit hoher Leistung
    • man kann sie schnell in Betrieb nehmen (mit Ausnahme von Motoren mit großer Leistung)
    • man kann sie für verschiedene Kraftstoffe, Zwecke und Größen konstruieren
    • insbesondere mit flüssigen Kraftstoffen ermöglichen sie niedrige Kraftstoffverbräuche, hohe Reichweiten, niedrige Leistungsgewichte, d. h. sie sind für die Antrieb Verkehrsmittel geeignet.

    Die Hauptnachteile von Verbrennungsmotoren sind:

    • ungünstige Wirkung auf die Umwelt
    • sie benötigen eine äußere Energiequelle zum Start (außer bei Raketentriebwerken)
    • Kolbenmotoren haben einen ungünstigen Verlauf der Leistungscharakteristik
    • sie erreichen keine hohe Lebensdauer

    Untersysteme

     
    Elektrischer Starter

    Der Motor benötigt für seine reale Arbeit zusätzliche Untersysteme.

    • Kraftstoffsystem stellt die Lagerung, Verteilung und Filterung des Kraftstoffs sicher.
    • System zur Vorbereitung der Mischung stellt die Vorbereitung der Verbrennungsmischung aus Luft und Kraftstoff in ausreichender Menge, Qualität und geeigneter Zusammensetzung sicher.
    • Kühlsystem stellt die Abführung des Restwärme und den Betrieb des Motors im optimalen thermischen Zustand sicher.
    • Schmiersystem stellt das Schmieren der beweglichen Teile des Motors sicher.
    • Steuerungssystem (heute fast ausschließlich elektronisch) stellt die Regelung des Motors anhand äußerer Bedingungen und des eigenen Zustands des Motors sicher.
    • Elektrisches System stellt ausreichend Energie für Systeme, die durch elektrische Energie angetrieben werden, sicher.
    • Zündsystem (bei Zündkerzenmotoren) stellt eine zuverlässige Zündung der Mischung im Verbrennungsraum sicher.

    Leistungsregelung

    Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt hauptsächlich von der Menge an Energie ab, die durch die Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzt wird. Die Menge der freigesetzten Energie kann auf zwei Arten reguliert werden.

    1. Regelung der Mischungsmenge, auch als quantitative Regelung bezeichnet. Bei geringerer Mischungsmenge wird weniger Energie freigesetzt und der Motor gibt eine geringere Leistung ab. Diese Regelung wird von Zündkerzenmotoren ohne homogene Mischung genutzt. Meistens wird diese Regelung durch die Drosselklappe im Ansaugrohr realisiert.
    2. Regelung der Mischungszusammensetzung, auch als qualitative Regelung bezeichnet. Die gleiche Mischungsmenge, die weniger Kraftstoff enthält, freisetzt weniger Energie. Diese Regelung wird hauptsächlich von Selbstzündungsmotoren mit heterogener Mischung genutzt. Meistens wird diese Regelung durch die Änderung der Einspritzdauer dargestellt.

    Bestandteile der Mischung

    Kraftstoffe

    Als Kraftstoffe werden am häufigsten Kohlenwasserstoffe verwendet: leicht verdampfbar (Benzin), schwer verdampfbar (Dieselkraftstoff), komprimiertes Erdgas (CNG), verflüssigtes Propan-Butan (Flüssiggas), Alkohole (Methanol, Ethanol).

    Es werden auch ihre verschiedenen Mischungen genutzt, oder der Motor wird als Mehrkraftstoffmotor genutzt, bei dem der Kraftstoff während der Fahrt gewechselt wird. In letzter Zeit werden in Kraftstoffe biologische Zusätze hinzugefügt, z. B. Methylester der Rapsöle (MERO).

    Es wird intensiv gearbeitet, um Erdöl-Kraftstoffe Wasserstoff zu ersetzen.

    Luft

    Außer dem Kraftstoff ist eine notwendige Komponente der Mischung für die meisten Verbrennungsmotoren Luft, da sie Sauerstoff enthält, der für die Verbrennung notwendig ist.

    Energetische Bilanz

    Die Wärme, die durch den Kraftstoff gebracht wird, wird im Verbrennungsmotor wie folgt aufgeteilt:

    Qd = Qe + Qch + Qv + Qns + Qol + Qzv

    • Qd - Wärme, die durch den Kraftstoff gebracht wird
    • Qe - Wärme, die der nützlichen Arbeit des Motors entspricht
    • Qch - Wärme, die in das Kühlungssystem abgeführt wird
    • Qv - Wärme, die in den Abgasen abgeführt wird
    • Qns - Wärme, die durch unvollständige Verbrennung des Kraftstoffs nicht genutzt wird, auch chemische Verluste genannt
    • Qol - Wärme, die durch das Schmieröl abgeführt wird
    • Qzv - Wärme, die in den vorherigen Gliedern nicht enthalten ist (andere Verluste)

    Der Anteil der wichtigsten Komponenten der Gleichung ist in der Tabelle angegeben, wobei Qd 100 % entspricht.

    Art des Motors % Qe % (Qch + Qol) % Qv
    Zündkerzenmotor 21 bis 28 12 bis 27 30 bis 55
    Selbstzündungsmotor 29 bis 42 15 bis 35 25 bis 45

    Die Wärmeenergie, die die Erwärmung des Motors und der Abgase verursacht (Qch, Qv, Qol) ist nicht nutzbar und wird Verlustenergie genannt.

    Aus dem genannten Vergleich geht hervor, dass der Selbstzündungsmotor die zugeführte Energie effektiver nutzt, also mit einem höheren Wirkungsgrad arbeitet.

    Von der Wärme, die der nützlichen Arbeit Qe entspricht, wird noch ein Teil für mechanische Verluste (z. B. Reibung und Antrieb der Hilfs Aggregat) verbraucht.

    Emissionen

     
    Verbrennungsmotoren sind bedeutende Quellen von Emissionen
    Weitere Informationen im Hauptartikel: Emissionen von Verkehrsmitteln

    Der Verbrennungsmotor gehört aufgrund seiner massenhaften Verbreitung zu den bedeutenden Quellen der Umweltverschmutzung. Das natürliche Produkt der vollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoff-Kraftstoff ist

    Abgesehen davon entstehen auch andere schädliche Verbindungen:

    • NOx - Stickoxide, am meisten vertreten Stickstoffdioxid. Sie entstehen durch Dissoziation von Stickstoff bei hohen Temperaturen und seiner anschließenden Oxidation.
    • NH3 - Ammoniak. Sie entstehen durch unzureichende Verbrennung des Kraftstoffs.
    • CO - Kohlenmonoxid. Es entsteht durch unvollständige Verbrennung ohne ausreichenden Zugang von Luft (Sauerstoff).
    • CHx - Unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Sie entstehen durch unzureichende Verbrennung des Kraftstoffs.
    • SO2 - Schwefeldioxid. Es entsteht durch Verbrennung von Zusätzen Schwefel im Kraftstoff.
    • O3 - Ozon. Es entsteht durch Reaktionen von NOx und CHx.
    • Feinstaub - löslich oder unlöslich (Ruß) - vor allem bei Motoren, die schwer verdampfbare Kraftstoffe verbrennen (Dieselmotoren).
    • Aldehyde - teilweise oxidierte Kohlenwasserstoffe.

    Der Verbrennungsmotor ist auch eine bedeutende Quelle von Lärm-Emissionen.

    Reduzierung der Emissionen

    Bei der aktuellen Kenntnisniveau ist es nicht möglich, den Verbrennungsmotor massenhaft durch einen anderen alternativen Antrieb zu ersetzen, der für die Automobilindustrie geeignet ist und die Vorteile des Verbrennungsmotors bewahrt, aber seine Nachteile nicht hat. Deshalb arbeiten die Hersteller von Motoren und Kraftfahrzeugen intensiv an der Reduzierung der negativen Auswirkungen der Nutzung von Verbrennungsmotoren.

    Bei der Reduzierung der Emissionen können einige der folgenden Techniken genutzt werden:

    • Erhöhung der Effizienz des Motors. Diese Technik bringt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, wodurch sich proportional auch die Menge der Emissionen verringert, die der Motor unter anderen gleichen Bedingungen erzeugt. Für die Reduzierung der C02 -Emissionen ist diese Technik die einzige mögliche, da Kohlendioxid das Produkt der vollständigen (und somit sauberen) Verbrennung ist.
    • Nutzung zusätzlicher Geräte. Die Aufgabe dieser Geräte ist, die Reinheit der Abgase zu erhöhen, bevor sie in die Atmosphäre abgegeben werden. Technisch realisiert werden Katalysatoren (dreifach oder nur auf eine bestimmte Komponente reagierend) oder die Filtration der Abgase.
    • Konstruktive Änderungen des Motors. Es geht hauptsächlich um Änderungen des Kompressionsverhältnisses, der Ventile Zeitplanung, der Größe und Form der Einspritzdüsen, die Erhöhung der Anzahl der Ventile, die Änderung der Form der Verbrennungsraume, die Reduzierung der Reibungsverluste.
    • Einfluss auf den Verbrennungsverlauf. Es wird durch die Änderung der zeitlichen und volumetrischen Einspritzverläufe, die Nutzung von Glühkerzen auch bei niedrigen Belastungen, die Änderung des Strömung der Füllung im Zylinder realisiert.
    • Änderung der Kraftstoffe. Wünschenswert sind Kraftstoffe mit einem höheren Wasserstoffanteil, einem niedrigeren Schwefelgehalt und mehrfach ungesättigten Kohlenwasserstoffen, mit erhöhtem Cetanzahl und Oktanzahl .
    • Änderung des Arbeitszyklus. Bei Motoren mit quantitativer Regelung kann die Technik Zylinderabschaltung CDA (Cylinder DeActivation) genutzt werden.
    • Einfluss auf die Zylinderbefüllung. Bei teilweiser Belastung kann die Technik Abgasrückführung - EGR (Exhaust Gas Recilculation) genutzt werden.
     
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