Verbrennungskraftmaschinen

01. Was sind Verbrennungskraftmaschinen?

Verbrennungskraftmaschinen wandeln die durch Verbrennung entstehende Wärmeenergie direkt in mechanische Energie um.

02. Welche Merkmale weist der Ottomotor auf?

• Geschichtliches:

  Der Ottomotor wurde Ende des 19. Jahrhunderts von Nikolaus August Otto (1832 – 1891) auf der Basis des 3-Takt-Gasmotors von Lenoir entwickelt; neu war die Anordnung eines Verdichtungstakts. Weiterentwicklung durch: G. Daimler, 1834 – 1900 und C. F. Benz, 1844 – 1929.

• Arbeitsweise/Merkmale des Ottomotors:

  1. Äußere Gemischbildung:

     Luft und Kraftstoff werden vor dem Brennraum gemischt. Man unterscheidet drei wesentliche Arten der Gemischbildung:

     

  2. Fremdzündung:

     Das Kraftstoff-Luftgemisch wird angesaugt, verdichtet und durch einen Hochspannungsfunken definiert gezündet.

  3. Regelung der Leistung:

     Die Leistungssteuerung erfolgt durch die Menge des zugeführten Gemisches.

  4. Kraftstoffarten:

     Benzin, Flüssiggas, Erdgas, Wasserstoff.

  5. Verbrennungsverfahren:

     Der Ottomotor kann grundsätzlich als 2-Takt- oder 4-Takt-Motor ausgelegt sein; vorherrschend ist heute der 4-Takt-Motor.

  6. Wirkungsgrad:

     Der Wirkungsgrad ist beim Ottomotor geringer als beim Dieselmotor; die Nutzenergie beträgt ca. 25 %.

03. Welche Merkmale weist der Dieselmotor auf?

• Geschichtliches:

  Der Dieselmotor wurde 1892 von Rudolf Diesel (1858 – 1913) konstruiert; in den folgenden Jahrzehnten erfolgte eine kontinuierliche Weiterentwicklung (Vorkammerverfahren und Direkteinspritzung), z. B.:

• 1923: erster Lkw mit Dieselmotor

• 1928: erster Kleinwagen von Peugeot mit quer eingebautem Dieselmotor

• 1976: VW bringt den ersten Golf mit Dieselmotor auf den Markt

• 1988: Fiat entwickelt den ersten turboaufgeladenen, direkteinspritzenden Dieselmotor

• 1993: Fiat konstruiert das Common-Rail-Prinzip und lässt es sich patentieren; andere Hersteller folgen.

• Bis zum Jahr 2015 ist der Anteil der zugelassenen Diesel-Pkw kontinuierlich gestiegen; die Gründe lagen in der verbesserten Technik der Dieselmotoren (Laufruhe, Steigerung der Leistung, Senkung des Kraftstoffverbrauchs und die Höhe der Besteuerung von Dieselkraftstoffen).

  Aufgrund des Diesel-Skandals sinkt jedoch seit 2016 der Anteil der zugelassenen Diesel-PKW von Jahr zu Jahr wieder.

• Derzeit gilt die Abgasnorm Euro 6. Die deutsche Automobilindustrie bietet mittlerweile ihre Neufahrzeuge ebenfalls mit SCR-Katalysator (Selektive Katalytische Reduktion) an, um die strengen Abgasvorschriften auch im realen Betrieb einhalten zu können.

• Arbeitsweise/Merkmale des Dieselmotors:

  1. Innere Gemischbildung:

     Reine Luft wird angesaugt und verdichtet. Im Gegensatz zum Ottomotor erfolgt eine viel höhere Kompression, sodass die verdichtete Luft (bis zu 25:1) eine Temperatur von 700 bis 900 °C erreicht. Der Dieselmotor arbeitet also mit einem starken Luftüberschuss.

     Der eingespritzte Dieselkraftstoff entzündet sich im Brennraum selbst (innere Gemischbildung) aufgrund der hohen Temperatur der komprimierten Luft.

     Es gibt verschiedene Einspritzverfahren, die unterschiedliche Technologien zum Aufbau des Einspritzdruckes verwenden:

     

  2. Fremdzündung:

     Der eingespritzte Kraftstoff entzündet sich selbst (vgl. oben).

  3. Regelung der Leistung:

     Die Leistungssteuerung erfolgt durch die Menge des eingespritzten Kraftstoffs.

  4. Kraftstoffarten:

     Diesel, Kerosin, Biodiesel (mit Alkohol veresterte Pflanzenöle), reine Pflanzenöle. Bei einigen Pkw-Marken ist die Verwendung von Biodiesel und Pflanzenöl derzeit noch nicht möglich (chemische Unverträglichkeit der Gummiteile im Motorraum mit dem Kraftstoff).

  5. Verbrennungsverfahren:

     Der Dieselmotor kann grundsätzlich als 2-Takt- oder 4-Takt-Motor ausgelegt sein. Üblich ist die Bauweise als 4-Takt-Motor; große Dieselmotoren werden im Schiffbau, im Zugverkehr (Diesellokomotive), im Lkw-Bau, bei Baumaschinen und Generatoren (Notstromaggregate) eingesetzt.

  6. Wirkungsgrad:

     Der Wirkungsgrad ist beim Dieselmotor höher als beim Ottomotor; die Nutzenergie beträgt hier ca. 34 %.

04. Welche wesentlichen Vor- und Nachteile hat der Dieselmotor gegenüber dem Ottomotor?

05. Wie ist die Arbeitsweise des Wankelmotors?

Der Wankelmotor wurde benannt nach seinem Erfinder Felix Wankel und ist ein Kreiskolbenmotor. Durch die besondere Konstruktion entfällt hier die Umwandlung der Hubbewegung von Kolben und Pleuelstange in eine Drehbewegung. Dadurch ist der Kreiskolbenmotor im Vergleich zu einem Hubkolbenmotor leichter, es entsteht weniger Reibung und die Leistung ist höher.

Das Motorgehäuse ist wassergekühlt und besitzt einen Ein- und Auslasskanal. Der Kreiskolben hat die Form eines gleichseitigen Bogendreiecks und befindet sich auf einer mittig angeordneten Excenterwelle. Dadurch entstehen drei gasdichte, abgeschlossene Kammern, deren Volumen sich bei der Kolbenrotation jeweils ändert. Bei einem kompletten Kolbenumlauf finden in jeder Kammer alle vier Takte eines Ottomotors statt: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen.

06. Was bezeichnet man als Hybrid-Antrieb?

Hybrid (lat.) bedeutet „Mischling“. Zwei oder mehrere Antriebsarten sind miteinander gekoppelt, um deren spezielle Vorteile zu nutzen, z. B. Kraftstoffverbrauch, Wirkungsgrad, Reduzierung der Emission. Eine gewisse Verbreitung hat die Kombination von Verbrennungs- und Elektromotor gefunden, so z. B. der „Prius“, ein Serienfahrzeug von Toyota.

Prinzipiell gibt es zwei Hybrid-Varianten:

• Paralleler Hybrid-Antrieb:

  Elektromotor und Verbrennungsmotor arbeiten unabhängig voneinander.

• Hybridantrieb in Reihenschaltung:

  Der Elektromotor übernimmt den Antrieb; der Verbrennungsmotor lädt die Batterie auf.

07. Wie unterscheiden sich das Viertakt- und das Zweitaktverfahren?

Je nach der Art und Weise, wie das Kraftstoff-Luft-Gemisch hergestellt und die verbrannten Gase aus dem Zylinder entfernt werden, unterscheidet man zwischen Viertakt- und Zweitakt-Motoren (Otto- bzw. Dieselmotor):

• Der Viertaktmotor

  hat vier aufeinander folgende Arbeitsperioden (Takte); für einen Arbeitshub werden zwei volle Umdrehungen der Kurbelwelle (720°) benötigt.

  1. Ansaugtakt: Das Einlassventil wird geöffnet. Der Kolben bewegt sich nach unten. Kraftstoff-Luftgemisch wird angesaugt.
  2. Verdichtungstakt: Das Einlassventil ist geschlossen. Der Kolben bewegt sich nach oben. Das Kraftstoff-Luftgemisch wird verdichtet (Druck von 10 bis 12 bar; Temperatur im Zylinder von 300 bis 400 °C).
  3. Arbeitstakt: Der Zündkerzenfunke entzündet das verdichtete Kraftstoff-Luftgemisch kurz vor Erreichen des Oberen Totpunktes OT (Druck von ca. 50 bis 70 bar; Temperatur im Zylinder von ca. 2.000 °C). Der Verbrennungsdruck bewegt den Kolben nach unten.
  4. Auspufftakt: Das Auslassventil wird am Unteren Totpunkt UT geöffnet. Das verbrannte Gasgemisch wird von dem nach oben gehenden Kolben ausgedrückt (Auspuff).

• Der Zweitaktmotor

  hat keine durch die Nockenwelle gesteuerten Ventile, sondern nur eine Einlass- und eine Auslassöffnung sowie einen Überströmkanal im Kurbelgehäuse. Im Gegensatz zum Viertaktmotor, bei dem die Arbeitsperioden „Ansaugen“ (1) und „Ausstoßen“ (4) einen eigenen Takt benötigen, erfolgen diese beiden Vorgänge beim „Zweitakter“ zwischen Arbeits- und Verdichtungstakt (es entfallen praktisch der erste und der vierte Takt); der Zweitaktmotor leistet bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle einen Arbeitshub. Eine Nase am Kolben sorgt dafür, dass das Kraftstoff-Luftgemisch (auf seinem Weg vom Kurbelgehäuse in den Zylinder) nicht sofort durch die Auslassöffnung austreten kann.

  

  1. Takt:

  • Überströmkanal (zwischen Kurbelgehäuse und Zylinder) und Auslassöffnung sind geschlossen.

  • Der Kolben geht nach oben.

  • Das Kraftstoff-Luftgemisch wird verdichtet.

  • Die Einlassöffnung ist geöffnet; Gas-Luftgemisch strömt in das Kurbelgehäuse.

  2. Takt (= Arbeitstakt):

  • Der Zündkerzenfunke entzündet das verdichtete Kraftstoff-Luftgemisch.

  • Der Verbrennungsdruck bewegt den Kolben nach unten.

  • Die Einlassöffnung wird geschlossen.

  • Gleichzeitig wird der Überströmkanal frei: Das im Kurbelgehäuse vorverdichtete Gas-Luftgemisch gelangt in den Zylinder.

  • Gleichzeitig wird die Auslassöffnung frei; die Verbrennungsgase entweichen.

08. Welche Anforderungen werden an Kraftstoffe für Verbrennungsmaschinen gestellt?

• Allgemein:

  • rückstandslose Verbrennung

  • hohes spezifisches Gewicht (und damit kleine Kraftstofftanks)

  • einfache und schnelle Gas-Luft-Gemischbildung und Zündung

  • Sicherheit beim Transport im Kfz.

• Speziell beim Ottomotor:

  Hohe Klopffestigkeit gemessen in Oktan (= Widerstandsfähigkeit gegen Selbstentzündung beim Verdichten im Verbrennungsraum); je höher die Oktanzahl (OZ) desto höher die Klopffestigkeit.

• Speziell bei Dieselmotor:

  Hohe Zündwilligkeit gemessen in Cetan (= Bereitschaft des Kraftstoffs zur Selbstentzündung beim Einspritzen in den Verbrennungsraum); je höher die Cetanzahl (CT) desto höher die Zündwilligkeit.