Verbrennungsmotor
Ein Verbrennungsmotor (im weitesten Sinne) ist eine Maschine, die durch die Verbrennung von Kraftstoff ihre chemische Energie in mechanische Arbeit umwandelt. Die Verbrennung von Kraftstoff oder Kraftstoffgemisch kann im Motor, aber auch außerhalb des Motors erfolgen. Im engeren Sinne versteht man unter dem Begriff Verbrennungsmotor meist einen Kolben-Verbrennungsmotor [1]. Der Artikel befasst sich mit dem Verbrennungsmotor im weiteren Sinne.
Das Prinzip der Arbeit
Einige Stoffe, allgemein Kraftstoffe genannt, sind zu einer chemischen Verbrennungsreaktion fähig, bei der Wärme freigesetzt wird. Wenn die freigesetzte Wärme das Arbeitsgas erwärmt, erhöht sich gemäß der Zustandsgleichung dessen Druck oder Volumen, je nachdem, ob es sich in einem geschlossenen oder offenen Raum befindet. Wir können diesen Zustand des Gases nutzen, um mechanische Arbeit zu verrichten, indem wir entweder Druck auf den beweglichen Teil des Motors ausüben oder indem wir das Gesetz von Aktion und Reaktion nutzen, wenn der Arbeitsstoff aus dem Motor fließt. Die gewonnene mechanische Arbeit in eine nutzbare Form zu bringen, ist nur eine Frage einer geeigneten konstruktiven Lösung. Der gesamte Prozess läuft nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik mit nur einer gewissen Effizienz ab.
Bei der Umsetzung jedes Verbrennungsmotors ist eine Variante des genannten allgemeinen Prinzips vorhanden. Dabei gilt:
Brennstoffe können fest, flüssig oder gasförmig sein,
Die Umgebung, in der sie verbrennen, ist meist Luft, es kann sich aber auch um eine andere Substanz handeln.
Die Verbrennung kann innerhalb oder außerhalb des Motors erfolgen,
Das Arbeitsgas kann separat sein oder es kann direkt das Rauchgas sein.
das Arbeitsgas ständig ausgetauscht wird oder im Motor eingeschlossen ist,
Der bewegliche Teil des Motors, der vom Arbeitsgas beeinflusst wird, kann sich auf unterschiedliche Weise bewegen.
Eine, die andere oder beide Methoden können verwendet werden, um mechanische Arbeit zu erhalten.
Vor diesem Hintergrund ist es nicht verwunderlich, dass die Gruppe der Verbrennungsmotoren viele Typen und unterschiedliche Bauarten umfasst, daher ist es sinnvoll, die richtigen Kriterien für ihre Einteilung zu verwenden.
Aufteilung
Verbrennungsmotoren werden nach mehreren Aspekten unterteilt. Einzelne Sichtweisen sind voneinander unabhängig, sodass eine einfache Baumstruktur in diesem Fall nicht erstellt werden kann
Grundeinteilung
Verbrennungsmotoren werden unterteilt in:
abhängig davon, wo die Verbrennung stattfindet (innerhalb oder außerhalb des Motors).
Verbrennungsmotoren (die meisten aktuellen Verbrennungsmotoren)
Motoren mit äußerer Verbrennung, bei denen unterschieden werden kann, ob die Energie den Arbeitsraum erreicht
Versorgung mit Arbeitsgasen (zum Beispiel einer Gasturbine)
durch Wärmeübertragung durch eine Heizung des Arbeitsstoffs (z. B. einen Stirlingmotor)
entsprechend dem Arbeitszyklus weiter
Motoren mit kontinuierlichem Arbeitszyklus (zum Beispiel eine Verbrennungsturbine)
Motoren mit unterbrochenem Arbeitszyklus
Zweitaktmotor
Viertaktmotor
Nach dem Grundprinzip der Arbeit:
Kolbenverbrennungsmotoren
Hubkolbenmotoren (die meisten aktuellen Verbrennungsmotoren)
Hubkolbenmotoren (Wankelmotor)
Flügelzellentriebwerke (Turbinen)
Strahltriebwerke (Jet oder Rakete)
Kolbenverbrennungsmotoren werden unterteilt in:
Funkenzündung – die Verbrennung wird durch Energie von einer externen Quelle verursacht – dem Funken einer Zündkerze
Diesel – wenn die Verbrennung zu einer Erwärmung des komprimierten Gemisches über die Zündtemperatur führt
Motoren mit kombinierter Zündung
Glühmotoren
In der heutigen Praxis wird unter einem Verbrennungsmotor ein Verbrennungsmotor verstanden.
Andere Abteilungen
Es gibt weitere detailliertere Überlegungen. Die folgende Kriterienliste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, darüber hinaus gibt es für einzelne Kategorien von Verbrennungsmotoren, beispielsweise Turbinen, eigene Kategorien.
Je nach Art des verbrannten Kraftstoffs werden die Motoren unterteilt in:
Gas – Verbrennung gasförmiger Brennstoffe, zum Beispiel Erdgas
für flüssige Kraftstoffe – Öl (Benzin, Diesel) oder andere (Alkohol)
für feste Brennstoffe – zum Beispiel Kohlenstaub
Multi-Fuel – das mit oder ohne Änderungen am Motor auf die Verbrennung eines anderen Kraftstoffs umstellen kann
Dual-Fuel – die mehrere Kraftstoffarten gleichzeitig verbrennen
je nach Herstellungsort der Mischung:
mit Gemischbildung außerhalb des Arbeitsbereichs – zum Beispiel im Vergaser, Brennraum
mit Gemischbildung im Arbeitsraum – beispielsweise im Zylinder von Dieselmotoren
je nach Zubereitungsart der Mischung:
Vergasermotoren
Einspritzmotoren
je nach Art der Luftzufuhr zu den Zylindern:
Motoren mit atmosphärischer Füllung der Zylinder (natürlich), wenn die Ansaugung nur durch den Unterdruck erfolgt, der durch die Bewegung des Kolbens im Zylinder entsteht,
Turbomotor, wenn die Füllung des Zylinders unter einem höheren Druck als die umgebende Atmosphäre durch eine zusätzliche Vorrichtung im Füllsystem erfolgt. Bei den Aufladeeinrichtungen kann es sich um mechanische Gebläse oder auch Kompressoren handeln, beispielsweise im VW Corrado (G-Lader), oder um Kompressoren, die in Bentley-Fahrzeugen zum Einsatz kommen (Bentley Blower), Turbolader, beispielsweise in TDI-Motoren von VW.
je nach Arbeitszweck für: stationär, mobil, industriell, Kraftwerk, Schiff, Eisenbahn, Fahrzeug, Traktor, Spezial und andere.
Kolbenverbrennungsmotor
Weitere Informationen im Hauptartikel: Hubkolben-Verbrennungsmotor
Diese Motoren sind die zahlreichsten Vertreter der Verbrennungsmotoren in technischen Geräten. Sie dienen fast ausschließlich dem Antrieb von Kraftfahrzeugen. Ihr Grundbestandteil ist ein Kolben, der eine gleitende oder rotierende Bewegung ausführt und die Umwandlung der Druckenergie der Gasfüllung in die mechanische Energie der rotierenden Welle vermittelt.
Benzinmotor
Weitere Informationen im Hauptartikel: Funkenverbrennungsmotor
Das grundlegende Merkmal von Ottomotoren besteht darin, dass das Gemisch im Zylinder über dem Kolben am häufigsten durch einen Funken zwischen den Elektroden der Zündkerze gezündet wird. Zur Zündung benötigt das Gemisch eine externe Energiequelle. Der Benzinmotor kann als Zweitakt- oder Viertaktmotor arbeiten.
Dieselmotor
Weitere Informationen im Hauptartikel: Dieselmotor
Das grundlegende Merkmal von Dieselmotoren besteht darin, dass das Gemisch, das direkt im Brennraum entsteht, aus dem sogenannten Verbrennungsmotor gezündet wird Kompressionswärme. Diese Motoren haben ein so hohes Verdichtungsverhältnis, dass bei der Verdichtung der in den Zylinder angesaugten Luft die Temperatur im Brennraum zum Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung höher ist als die Zündtemperatur des Kraftstoffs. Sogar ein Dieselmotor kann als Zweitakt- oder Viertaktmotor arbeiten.
Raketenantrieb
Weitere Informationen finden Sie im Hauptartikel: Raketentriebwerk
Der Raketentriebwerk nimmt unter anderen Verbrennungsmotoren eine Sonderstellung ein:
Es entzieht der Atmosphäre im Betrieb den Arbeitsstoff nicht, muss aber neben dem Brennstoff auch über einen ausreichenden Vorrat an Oxidationsmittel verfügen
Die Nutzleistung des Motors ist keine mechanische Arbeit, sondern die reaktive Wirkung der Verbrennungsgase
Abgesehen von Hilfssystemen (z. B. Pumpen, Drehdüsen) enthält es keine beweglichen Teile im Hauptenergieumwandlungssystem.
Unter Berücksichtigung der oben genannten grundlegenden Unterschiede gelten einige Teile des folgenden Textes nicht für Raketentriebwerke.
Geschichte
Die ersten Vorschläge zur Nutzung von Schießpulver als mechanische Energiequelle erschienen bereits im 17. Jahrhundert. In Frankreich beschäftigten sich Hautefeuille und Denis Papin mit dem Thema, in den Niederlanden Christian Huygens. Ende des 18. Jahrhunderts schlug Street in Großbritannien vor, eine Mischung aus flüssigem Brennstoff und Luft zu verwenden, und Barber entwarf die erste Verbrennungsturbine. Im 19. Jahrhundert patentierte Lebon einen doppeltwirkenden Gasmotor, S. Brown baute einen Gasmotor und baute ihn 1826 in ein Fahrzeug ein. Étienne Lenoir konstruierte 1860 einen Zweitakt-Doppelschiebermotor für Leichtgas. 1867 konstruierten Nikolaus Otto und Langen einen atmosphärischen Gasmotor, 1873 Reithmann einen Viertakt-Gasmotor, 1878 Otto wiederum einen liegenden Viertakt-Gas-Einzelmotor. Im Jahr 1879 konstruierte Kostovič einen Ottomotor mit einer Leistung von bis zu 60 kW zum Antrieb von Luftschiffen. 1884 baute Gottlieb Daimler den ersten hochdrehenden Viertakt-Ottomotor. Rudolf Diesel beschrieb 1893 einen Arbeitszyklus zur Nutzung von Kohlenstaub oder anderen Schwerbrennstoffen. In den 1910er Jahren gab es Versuche, Kraftstoff mit einer Pumpe statt mit Druckluft einzuspritzen. Die Serienproduktion von Automobilen und damit auch deren Motoren begann 1908 durch die Firma Ford. 1912 baute das Schweizer Unternehmen Sulzer die ersten Lokomotiven mit Dieselmotor.
Vor- und Nachteile von Verbrennungsmotoren
Jeder Verbrennungsmotortyp hat seine Vor- und Nachteile und eignet sich daher mehr oder weniger zum Antrieb einzelner Geräte.
Die wesentlichen Vorteile von Verbrennungsmotoren sind:
In der Kolbenbauweise erreichen sie einen hohen Energieumwandlungswirkungsgrad. Verbrennungsturbinen erreichen nur in Hochleistungsaggregaten einen hohen Wirkungsgrad
Sie können schnell in Betrieb genommen werden (mit Ausnahme von Motoren mit großen Leistungen)
Sie können für unterschiedliche Brennstoffe, Zwecke und Größen ausgelegt werden
Insbesondere bei flüssigen Kraftstoffen ermöglichen sie einen geringen Kraftstoffverbrauch, hohe Aktionsradien, geringe Leistungsgewichte, d. h. J. Sie sind zum Führen von Fahrzeugen geeignet.
Die wesentlichen Nachteile von Verbrennungsmotoren sind:
unangemessene Auswirkungen auf die Umwelt
benötigen für den Start eine fremde Energiequelle (außer Raketen)
Kolbenmotoren weisen einen nachteiligen Leistungsverlauf auf
sie erreichen keine lange Lebensdauer
Subsysteme
Elektrostarter
Für seine eigentliche Arbeit benötigt der Motor andere Subsysteme.
Das Kraftstoffsystem gewährleistet die Speicherung, Verteilung und Filterung des Kraftstoffs.
Das Gemischaufbereitungssystem gewährleistet die Aufbereitung des Luft-Kraftstoff-Verbrennungsgemisches in ausreichender Menge, Qualität und geeigneter Zusammensetzung.
Das Kühlsystem sorgt für die Abführung der Restwärme und den Motorbetrieb in einem optimalen thermischen Modus.
Das Schmiersystem sorgt für die Schmierung der beweglichen Teile des Motors.
Das Steuersystem (heute fast ausschließlich elektronisch) sorgt für die Regelung des Motorbetriebs basierend auf äußeren Bedingungen und dem Zustand des Motors selbst.
Das elektrische System gewährleistet ausreichend Leistung für die elektrisch betriebenen Systeme.
Das Zündsystem (für Benzinmotoren) sorgt für eine zuverlässige Zündung des Gemisches im Brennraum.
Leistungsregulierung
Die Leistung eines Verbrennungsmotors hängt hauptsächlich von der Energiemenge ab, die bei der Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzt wird. Wir können die Menge der freigesetzten Energie auf zwei Arten regulieren.
Regulierung der Menge der Mischung, sonst auch Mengenregulierung genannt. Bei einer geringeren Gemischmenge wird weniger Energie freigesetzt und der Motor liefert somit weniger Leistung. Diese Regelung wird von Ottomotoren genutzt, ohne mit einem homogenen Gemisch zu arbeiten. Am häufigsten wird diese Regelung durch eine Drosselklappe im Ansaugkrümmer realisiert.
Regulierung der Zusammensetzung des Gemisches, sonst auch qualitative Regulierung genannt. Die gleiche Menge Gemisch, die weniger Kraftstoff enthält, setzt weniger Energie frei. Diese Regelung wird hauptsächlich bei Dieselmotoren angewendet, die mit einem heterogenen Gemisch arbeiten. Am häufigsten wird diese Regelung durch eine Änderung der Länge der Kraftstoffeinspritzung dargestellt.
Mischungskomponenten
Kraftstoffe
Als Kraftstoffe werden am häufigsten Kohlenwasserstoffe verwendet: flüchtig (Benzin), flüchtig (Diesel), komprimiertes Erdgas (CNG), verflüssigtes Propan-Butan (LPG), Alkohole (Methanol, Ethanol).
Auch deren verschiedene Gemische kommen zum Einsatz, oder der Motor wird als Mehrstoffmotor mit Kraftstoffumschaltung während der Fahrt eingesetzt. In jüngster Zeit werden Kraftstoffen zunehmend biologische Zusatzstoffe wie Rapsmethylester (MERO) zugesetzt.
Es wird intensiv daran gearbeitet, Erdölkraftstoffe durch Wasserstoff zu ersetzen.
Die Luft
Ein wesentlicher Gemischbestandteil der meisten Verbrennungsmotoren ist neben dem Kraftstoff Luft, da sie den für die Verbrennung notwendigen Sauerstoff enthält.
Energieausgleich
Die im Kraftstoff zugeführte Wärme verteilt sich im Verbrennungsmotor wie folgt:
Qd = Qe + Qch + Qv + Qns + Qol + Qzv
Qd – im Brennstoff zugeführte Wärme
Qe – Wärme, die der Nutzarbeit des Motors entspricht
Qch – Wärme, die dem Kühlsystem zugeführt wird
Qv – durch Abgase abgeführte Wärme
Qns – Wärme, die durch unvollständige Verbrennung des Brennstoffs nicht genutzt wird, auch chemische Verluste genannt
Qol – vom Schmieröl abgegebene Wärme
Qzv – Wärme, die nicht in den vorherigen Bedingungen enthalten ist (sonstige Verluste)
Der Anteil der wichtigsten Komponenten der Gleichung ist in der Tabelle dargestellt, wobei Qd 100 % entspricht.
Motortyp % Qe % (Qch + Qol) % Qv
Benzin 21 bis 28 12 bis 27 30 bis 55
Diesel 29 bis 42 15 bis 35 25 bis 45
Wärmeenergie, die eine Erwärmung des Motors und der Abgase (Qch, Qv, Qol) verursacht, ist nicht nutzbar und wird als verschwendete Energie bezeichnet.
Aus dem genannten Vergleich ergibt sich, dass der Dieselmotor die zugeführte Energie effizienter nutzt, also effizienter arbeitet.
Von der der Nutzarbeit Qe entsprechenden Wärme wird noch ein Teil für mechanische Verluste (Reibung und Antrieb von Nebenaggregaten) verbraucht.
Verbrennungsmotoren sind eine erhebliche Emissionsquelle
Weitere Informationen im Hauptartikel: Fahrzeugemissionen
Der Verbrennungsmotor ist aufgrund seiner Massenverteilung eine der bedeutenden Quellen der Umweltverschmutzung. Sie sind ein natürliches Produkt der perfekten Verbrennung von Kohlenwasserstoffbrennstoffen
CO2 – Kohlendioxid.
H2O – Wasser.
Darüber hinaus entstehen noch weitere schädliche Verbindungen:
NOx – Stickoxide, meist vertreten durch Stickstoffdioxid. Sie entstehen durch die Dissoziation von Stickstoff bei hohen Temperaturen und dessen anschließende Oxidation.
NH3 – Ammoniak. Sie werden durch eine unzureichende Verbrennung von Kraftstoff verursacht.
CO – Kohlenmonoxid. Es entsteht durch unvollständige Verbrennung ohne ausreichenden Luftzugang (Sauerstoff).
CHx – unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Sie werden durch eine unzureichende Verbrennung von Kraftstoff verursacht.
SO2 – Schwefeldioxid. Es entsteht durch die Verbrennung von Schwefelbeimengungen im Kraftstoff.
O3 - Ozon. Es entsteht bei den Reaktionen von NOx und CHx.
feste Partikel – löslich oder unlöslich (Ruß) – insbesondere in Motoren, die schwer verdampfbare Kraftstoffe verbrennen (Dieselmotoren).
Aldehyde – teilweise oxidierte Kohlenwasserstoffe.
Auch der Verbrennungsmotor ist ein erheblicher Verursacher von Lärmemissionen.
Emissionen reduzieren
Ein massenhafter Ersatz des Verbrennungsmotors durch einen anderen, für den Automobiltransport geeigneten alternativen Antrieb, der die Vorteile des Verbrennungsmotors beibehält und dessen Nachteile nicht mit sich bringt, ist nach derzeitigem Kenntnisstand nicht möglich. Hersteller von Motoren und Kraftfahrzeugen arbeiten daher intensiv daran, die negativen Auswirkungen des Einsatzes von Verbrennungsmotoren zu reduzieren.
Einige der folgenden Techniken können zur Emissionsreduzierung eingesetzt werden:
Steigerung der Motoreffizienz. Diese Technik führt zu einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs, wodurch sich auch die Menge der vom Motor erzeugten Emissionen unter ansonsten gleichen Bedingungen verringert. Zur Reduzierung der CO2-Emissionen ist diese Technik die einzig mögliche, da Kohlendioxid das Produkt einer perfekten (und daher sauberen) Verbrennung ist.
Verwendung zusätzlicher Ausrüstung. Die Aufgabe dieser Geräte besteht darin, die Reinheit der Abgase zu erhöhen, bevor sie in die Atmosphäre gelangen. Die technische Umsetzung erfolgt über Katalysatoren (Dreiwegekatalysatoren bzw. die nur auf eine bestimmte Komponente reagieren) oder die Rauchgasfiltration.
Designänderungen am Motor. Dabei handelt es sich vor allem um Änderungen des Verdichtungsverhältnisses, der Ventilsteuerzeiten, der Größe und Form der Einspritzlöcher, eine Erhöhung der Anzahl der Ventile, eine Änderung der Form der Brennräume sowie eine Reduzierung der Reibungsverluste.
Beeinflussung des Verbrennungsverlaufs. Dies wird durch Veränderung der Zeit- und Volumenverläufe der Einspritzung, durch den Einsatz von Glühkerzen auch bei geringer Last, durch Veränderung des Füllungsflusses im Zylinder realisiert.
Anpassung der Kraftstoffe. Wünschenswert sind Kraftstoffe mit einem höheren Anteil an Wasserstoff, einem geringeren Gehalt an Schwefel und polyzyklischen Kohlenwasserstoffen sowie einer erhöhten Cetanzahl und Oktanzahl.
Änderung des Arbeitszyklus. Für Motoren mit quantitativer Regelung kann die Zylinderabschaltungstechnik CDA (Cylinder DeActivation) eingesetzt werden.
Durch Beeinflussung der Füllung der Zylinder. Im Teillastbereich besteht die Möglichkeit, die Technik der Abgasrückführung – EGR (Exhaust Gas Recirculation) – einzusetzen.