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Mein Beitrag zum Internet - mbzi.de

Funktionsweise eines Verbrennungsmotors

Einleitung

Verbrennungsmotoren begegnen uns an vielen Stellen - allen gemeinsam ist ein Brennstoffvorrat und ein Auspuff und eigentlich ist auch ihre Funktionsweise sehr ähnlich, egal ob sie einen Rasenmäher oder einen Panzer antreiben. In allen Verbrennungsmotoren wird die chemische Energie eines Brennstoffes (Benzin, Diesel, Gas,....) zunächst durch Verbrennung in Wärmeenergie umgewandelt. Durch eine pfiffige Konstruktion ist es dann möglich diese Wärme teilweise in Bewegungsenergie umzuwandeln. Somit gehören alle Verbrennungsmotoren aus physikalischer Sicht zu den sogenannten Wärme-Kraft-Maschinen.

Je nach technischer Ausführung und verwendetem Brennstoff unterscheidet man verschiedene Motortypen, etwa 2- und 4-Taktmotoren, Diesel- oder Ottomotor. Theoretisch könnte man auch eine Dampfmaschine als Verbrennungsmotor betrachten, aufgrund der geringen Verbreitung in Privathaushalten werde ich hier aber nicht darauf eingehen.

Allgemeines Funktionsprinzip

Allen Motoren ist gemeinsam, dass in ihnen ein Brennstoff nach der Vermischung mit Luft verbrannt wird. Diese Verbrennung erfolgt in einem abgeschlossenen, "engen" Raum, der durch einen beweglichen Kolben verschlossen ist. Die bei der Verbrennung entstehenden Abgase speichern die Energie, die vorher im Treibstoff enthalten war. Diese Ernergie wird als sogenannte "innere Energie" gespeichert, wobei ein Teil in der hohen Temperatur der Abgase und ein Teil im hohen Druck gespeichert ist. Man hat nach der Verbrennung also heiße, unter hohem Druck stehende Gase. Dieser hohe Druck drückt nun einen Kolben nach außen, der über die Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden ist. Die Kurbelwelle dreht sich. Dieser Vorgang ist dem "Treten" beim Radfahren nicht unähnlich. Der Radfahrer tritt nach unten aber durch die "Kurbel" wird eine Drehbewegung erzeugt. Die Kurbelwelle liefert nun die Bewegungsenergie nach außen, während die immer noch warmen, aber unter geringerem Druck stehenden Abgase den Motor verlassen. Nun kann der Prozess von vorne beginnen.

Da der Prozess diskontinuierlich ist, d.h. der Motor nur Energie liefert während der Kolben durch die warmen Abgase nach außen gedrückt wird, muss man hinreichend Bewegungsenergie "speichern", um den Kolben anschließend wieder nach oben bewegen zu können. Dies geschieht durch die Schwungscheibe, eine "schwere" Metallscheibe an der Kurbelwelle, die in eine Drehbewegung versetzt wird, und ggf. Schwungmasse direkt an der Kurbelwelle. Der "Schwung" dieser Massen bewegt den Kolben wieder nach innen.

Unterschiedliche Motortypen

4-Taktmotoren

Eine Animation des Viertaktmotors
Animation eines 4-Taktmotors
aus Wikipedia

Der 4-Taktmotor ist der wohl bekannteste Verbrennungsmotor, denn er treibt nahezu alle Autos und LKWs an, egal ob Benziner oder Diesel. Bei einem 4-Taktmotor ist der Motorprozess in vier Schritte, die Takte unterteilt. Man unterscheidet hierbei:

  1. Ansaugtakt
  2. Verdichtungstakt
  3. Arbeitstakt
  4. Auspufftakt

Mit dem Ende des vierten Taktes beginnt der Prozess wieder beim ersten Takt. Die Animation des Viertaktmotors, die hier zu sehen ist, stammt von Wikipedia

Der Ansaugtakt

Zu beginn des Ansaugtaktes befindet sich der Kolben in seiner höchsten Position und der Brennraum ist so klein wie möglich. Durch die Drehung der Kurbelwelle wird der Kolben nun nach unten gezogen, wodurch sich der Brennraum vergrößert. Da gleichzeitig das oder die Einlassventile geöffnet sind, wird durch den entstehenden Unterdruck im Inneren des Zylinders das Benzin-Luft-Gemisch in den Brennraum gesaugt. Der Ansaugtakt ist also ein "passiver" Takt, in dem der Zylinder keine mechanische Energie liefert, sondern im Gegenteil welche von außen benötigt. Am Ende des Ansaugtaktes ist der Zylinder vollständig mit dem Benzin-Luft-Gemisch gefüllt wird. Der Kolben befindet sich in der tiefstmöglichen Position. Der Druck im Inneren des Zylinders ist niedrig, ebenso wie die Temperatur. Das Volumen des Zylinderraumes erreicht hingegen ein Maximum.

Der Verdichtungstakt

Der Verdichtungstakt schließt sich unmittelbar an den Ansaugtakt an, d.h. der Kolben befindet sich in der tiefstmöglichen Position, das Volumen der im Zylinder befindlichen Gase ist groß, Druck und Temperatur sind niedrig. Durch die Drehung der Kurbelwelle wird der Kolben im Verlauf des Verdichtungstaktes nach oben gedrückt, wodurch das darüber befindliche Gemisch komprimiert bzw. verdichtet wird. Hierbei steigen Druck und Temperatur des Gemisches an. Am Ende des Verdichtungstaktes befindet sich der Kolben in der höchstmöglichen Position. Druck und Temperatur des Benzin-Luft-Gemisches sind erhöht, das Volumen ist sehr klein.

Auch der Verdichtungstakt erfordert Energie von außen, denn die Gase im Inneren des Zylinders müssen gegen ihren Eigendruck komprimiert werden, ähnlich wie Luft in einer Luftpumpe komprimiert wird, wenn man das Ventil zuhält und gleichzeitig "pumpt". Wenn man hierbei die Luft in der Luftpumpe schnell genug komprimiert spürt man mit etwas Glück auch die Erwärmung.

Der Arbeitstakt

Der Arbeitstakt schließt sich unmittelbar an den Verdichtungstakt an, d.h. der Kolben befindet sich zu Beginn noch in seiner höchsten Position. Zu Beginn des Arbeitstaktes wird das Benzin-Luft-Gemisch gezündet. Es kommt zu einer explosionsartigen Verbrennung des Treibstoffes. Während dieser sehr schnellen Verbrennung bewegt sich der Kolben kaum, sodass hiernach dem Gemisch, das nun aus den Abgasen besteht, immer noch nur ein sehr kleines Volumen zur Verfügung steht. Durch die Verbrennung ist es aber erheblich wärmer und steht auch unter höherem Druck, denn die bei der Verbrennung freigesetzte Energie des Treibstoffes ist als "innere Energie" in den Abgasen gespeichert.

Durch den stark erhöhten Druck wird nun der Kolben nach unten gedrückt, wodurch sich das für die Abgase verfügbare Volumen vergrößert. Hierdurch sinken Druck und Temperatur. Am Ende des Arbeitstaktes befindet sich der Kolben am tiefsten Punkt seines Weges. Der Arbeitstakt liefert die eigentliche Energie für den Antrieb und auch für die drei anderen Takte.

Der Auspufftakt

Der Auspufftakt schließt sich direkt an den Arbeitstakt an, d.h. der Kolben befindet sich in seiner tiefsten Position und der Zylinder ist mit den abgearbeiteten Abgasen gefüllt. Zu Beginn dieses vierten Taktes öffnet sich das (oder die) Auslassventil, sodass die Abgase den Zylinder verlassen können. Nun wird der Zylinder nach oben gedrückt und presst die Abgase aus dem Zylinder, sodass der Prozess am Ende dieses Taktes wieder von vorne beginnen kann. Auch der Auspufftakt liefert also keine Energie.

Der 2-Taktmotor

Der 2-Taktmotor findet sich häufig in eher preiswerten Geräten und Fahrzeugen, da er technisch weniger aufwändig ist. So werden viele Mofas und Mopeds, Rasenmäher und Kettensägen und dergleichen mehr von 2-Taktmotoren angetrieben, wenngleich man auch hier immer häufiger 4-Taktmotoren findet. Der 2-Taktmotor muss im Grunde die gleichen Dinge tun, wie ein 4-Taktmotor, allerdings fasst er sie in nur zwei Takten zusammen, weshalb er etwas anders aufgebaut ist.

Der Aufbau

Eine Animation des Zweitaktmotors
Animation des Zweitaktmotors
vonWikipedia.

Auch im 2-Taktmotor gibt es einen Kolben, der sich im Zylinder auf und ab bewegen kann. Auch dieser Kolben ist über die Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden, allerdings besitzt der 2-Taktmotor keine Ventile im eigentlichen Sinne, sondern lediglich zwei Öffnungen im unteren Bereich des Zylinders. Befindet sich der Kolben in einer oberen Position, so verschließt er diese beiden Öffnungen, befindet er sich hingegen unten, so sind sie geöffnet. Eine der Öffnungen führt durch den Überströmkanal in das Kurbelgehäuse, d.h. den Raum, in dem sich Kurbelwelle und Pleuelstangen befinden, unterhalb der Kolben, wo sich beim 4-Takter das Öl befindet. Die andere Öffnung führt zum Auspuff. Das Kurbelgehäuse besitzt außer dem Überströmkanal noch eine weitere Öffnung, den Ansaugkanal, durch den das Benzin-Luft-Gemisch in das Kurbelgehäuse strömt. Von hier kann das Gemisch dann durch den Überströmkanal in den Brennraum gelangen. Der Ansaugkanal wird durch den Kolben verschlossen und ist nur geöffnet, wenn der Kolben sich in seiner höchsten Position befindet. Alternativ ist hier auch ein einfaches Klappventil möglich, wie es in der Animation zu sehen ist. Die Animation stammt von Wikipedia.

Erster Takt

Der Kolben befindet sich in seiner höchsten Position. Das Gemisch aus Benzin und Luft wird gezündet und der Kolben wir durch die unter hohem Druck stehenden Verbrennungsgase nach unten gedrückt. Hierdurch wird der Ansaugkanal im Kurbelgehäuse verschlossen und außerdem das Benzin-Luft-Gemisch, dass sich bereits im Kurbelgehäuse befindet, leicht komprimiert. Am Ende des ersten Taktes erreicht der Kolben seine tiefste Position und Überströmkanal sowie Abgaskanal unten im Zylinder werden durch den Kolben nicht mehr verschlossen. In der Folge können die Abgase durch den Abgaskanal ausströmen, während das leicht komprimierte Benzin-Luft-Gemisch aus dem Kurbelgehäuse durch den Überströmkanal in den Zylinder strömt.

Dieser erste Takt liefert die Energie für den Motorprozess und fasst im Grunde Arbeits-, Ansaug- und Auspufftakt des 4-Taktmotors zu einem Takt zusammen.

Zweiter Takt

Zu Beginn des zweiten Taktes befindet sich der Kolben unten und der Zylinder ist mit frischem Benzin-Luft-Gemisch gefüllt. Durch den Schwung der Schwungmasse bewegt sich die Kurbelwelle und drückt den Kolben im Zylinder nach oben. Hierdurch werden zunächst die beiden Öffnungen, Abgaskanal und Überströmrohr, durch den Kolben verschlossen. Anschließend wird das Benzin-Luft-Gemisch durch den sich nach oben bewegenden Kolben komprimiert. Außerdem entsteht durch die Aufwährtsbewegung des Kolbens im Kurbelgehäuse ein Unterdruck. Durch den Unterdruck im Kurbelgehäuse strömt unverbrauchtes Gemisch in das Kurbelgehäuse ein.

Benzin- und Dieselmotor

Im Prinzip unterscheiden sich Benzin- und Dieselmotoren nicht von den oben beschreibenen 2- und 4-Taktmotoren, auch wenn es heute meines Wissens keine 2-Taktdieselmotoren mehr gibt. Im Prinzip kann man sowohl Benzin- als auch Dieselmotoren als 2- und als 4-Takter bauen. Die meisten Motoren sind heute aber 4-Takter, egal ob Benziner oder Diesel. Dennoch gibt es einige kleine Unterschiede.

Benzinmotoren

Benzinmotoren oder besser Ottomotoren lassen sich nicht nur mit Benzin (oder Super), sondern mit geringfügigen elektronischen Anpassungen und ggf. etwas anderen Ölen und Dichtungsmaterialien auch mit Erdgas (CNG), Flüssiggas (Autogas, LPG) oder gar Wasserstoff betreiben.

Im konventionellen Ottomotor wird der Kraftstoff mit Luft vermischt. Dieses Gemisch gelangt nun in den Brennraum, wird verdichtet und schließlich im richtigen Augenblick durch einen Funken von der Zündkerze gezündet.

Dieselmotoren

Auch Dieselmotoren lassen sich nicht nur mit Diesel betreiben, sondern auch mit Heizöl, Pflanzenöl und anderen, ähnlichen Substanzen. Von eigenmächtigen Experimenten sei jedoch hier ausdrücklich abgeraten. Nicht alle Dichtungen halten allen Pflanzenölen stand, sodass der Motor zwar läuft, langfristig aber Schaden nehmen kann. Fahren mit Heizöl ist meines Wissens ein fiskalisches Vergehen und wird entsprechend bestraft.

Der wichtigste Unterschied zum Ottomotor ist, dass der Kraftstoff erst im Zylinder mit der Luft vermischt wird. Im Ansaugtakt saugt der Dieselmotor nur Luft an, die dann im Verdichtungstakt stark komprimiert wird, wobei sie sich stark erwärmt. Die Temperatur der Luft liegt nach der Verdichtung weit über der Zündtemperatur des Diesels, sodass dieser, wenn er am Ende des Verdichtungstaktes in den Brennraum gespritzt wird, sich sofort entzündet. Der Dieselmotor braucht deshalb keine Zündkerze, denn die Zündung erfolgt durch die hohe Lufttemperatur.

Weitere Motortypen

Neben den oben beschrieben Motoren gibt es noch eine Reihe weiterer, von denen der Wankelmotor vielleicht der bekannteste ist. Wegen ihrer insgesamt geringen Verbreitung wird an dieser Stelle aber nicht weiter auf sie eingegangen.

Energetische Betrachtung

Aus physikalischer Sicht gehören die obigen Motoren zu den Wärme-Kraft-Maschinen, d.h. sie wandeln Wärmeenergie in mechanische Energie um. Wie bei jeder Energieumwandlung geht auch hier ein Teil der Energie als Abwärme verloren. Wir können also einen Teil der ursprünglichen Wärmeenergie nicht in mechanische Energie umwandeln, sondern verlieren sie an die Umgebung. Bei Wärme-Kraft-Maschine ist dieser verlorene Anteil immer unerfreulich groß; meist größer als der Anteil der Energie, den wir nutzen können. Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors liegt derzeit immer deutlich unter 50 % und das nicht etwa, weil Motoren schlecht und verschwenderisch konstruiert sind, sondern weil die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie physikalisch zwangsweise mit einem schlechten Wirkungsgrad behaftet ist. Solange wir also Verbrennungsmotoren benutzen, egal mit welchem Treibstoff, werfen wir mehr als die Hälfte der Energie weg. Der theoretisch mit einem Verbrennungsmotor ereichbare Wirkungsgrad liegt bei 56 % (Quelle: P. W. Atkins, Physikalische Chemie, S. 113, VCH Verlagsgesellschaft mbH Weinheim 1990.) Warum dies so ist lässt sich bei intensiver Betrachtung des beim Motor durchlaufenen Kreisprozesses verstehen, soll aber hier nicht erklärt werden. Interessierte finden in den meisten Physikbüchern oder im Internet mit den Suchbegriffen "Carnot Maschine" oder "Carnot Kreisprozess" allerlei sehr unterschiedlich komplexe Erklärungen.