Ein Verbrennungsmotor, in der Patentliteratur auch als Brennkraftmaschine^[1] bezeichnet, ist eine Verbrennungskraftmaschine, wandelt also chemische Energie in mechanische Arbeit um. Dazu wird im Brennraum ein zündfähiges Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt. Kennzeichen der Verbrennungsmotoren ist die „innere Verbrennung“, also die Erzeugung der Verbrennungswärme im Motor. Die Wärmeausdehnung des so entstehenden Heißgases wird genutzt, um Kolben (beim Wankelmotor Läufer) zu bewegen. Die häufigsten Arten von Verbrennungsmotoren sind Otto- und Dieselmotoren. Eine typische Anwendung dieser Motoren ist der Antrieb von Automobilen.

Die kontinuierlich arbeitenden Strahl- und Raketentriebwerke sowie Gasturbinen zählen üblicherweise nicht zu den Verbrennungsmotoren, obwohl auch dort der Kraftstoff innerhalb der Maschine verbrannt wird. Dampfturbinen, Dampfmaschinen oder der Stirlingmotor sind keine Verbrennungsmotoren, da die für ihren Betrieb nötige Wärme außerhalb erzeugt wird.

Grundsätzliche Funktionsweise

Bei allen Motoren mit innerer Verbrennung wird nach jedem Arbeitsspiel das beteiligte Gas gewechselt, also Abgas ausgestoßen und frisches Gemisch (Frischgas) zugeführt. Moderne Motoren verdichten das Gas zunächst, dann wird es bei hohem Druck verbrannt und wieder entspannt. Das Gas verrichtet mechanische Arbeit und kühlt sich dabei ab. Je nach Bau- und Funktionsweise des Motors werden diese Vorgänge unterschiedlich verwirklicht. Grundlegend für die Funktion als Motor ist, dass wegen der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs die Ausdehnung bei höherem Druck geschieht als das Verdichten. Der maximal mögliche Wirkungsgrad hängt von den Temperaturniveaus ab, auf dem die Verbrennungswärme zu- und abgeführt wird, und damit vom Verdichtungsverhältnis. Moderne Pkw-Ottomotoren erreichen im besten Arbeitspunkt (etwa in der Mitte des Drehzahlbandes und knapp unter der Volllastkurve) einen effektiven Wirkungsgrad von 40 %. Bei Dieselmotoren liegt dieser bei 43 %.^[2] Zu berücksichtigen ist hierbei aber, dass der Wirkungsgrad im Teillastbereich sowie bei hohen Drehzahlen deutlich niedriger ist, was besonders deshalb von Bedeutung ist, da Kraftfahrzeuge vor allem im unteren Teillastbereich gefahren werden.^[3] Der durchschnittliche Wirkungsgrad eines KFZ liegt daher deutlich niedriger als die Maximalwerte. Crastan gibt z.B. für ein herkömmliches Fahrzeug mit Benzinmotor einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 20 % an.^[4] Die mechanischen Verluste betragen ungefähr 10 % der Volllastleistung und sind fast nur von der Drehzahl abhängig, daher nimmt der mechanische Wirkungsgrad mit sinkender Last ab. (siehe Verbrauchskennfeld)

Einteilung

In der Geschichte des Motorenbaus sind viele Konzepte erdacht und realisiert worden, die nicht unbedingt in das folgende Raster passen, zum Beispiel Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder Vielstoffmotoren. Zugunsten der Übersichtlichkeit werden diese Sonderfälle hier nicht betrachtet.

Dazu gehören der Wankelmotor (Ottomotor mit Rotationskolben und Schlitzsteuerung) oder Schiffsdieselmotoren, die oft als Zweitakt-Dieselmotor mit Auslassventilen konzipiert sind.

Nach dem Arbeitsverfahren

Viertaktverfahren (Viertaktmotor)

Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit Takt ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine vollständige Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitszyklus' mit vier Takten dreht sich die Kurbelwelle also zweimal. Der Gashub ist geschlossen, das heißt Frischgas und Abgas sind vollständig voneinander getrennt. In der Praxis kommt es aber doch zu einer kurzen Berührung während der sogenannten Ventilüberschneidung.

Zweitaktverfahren (Zweitaktmotor)

Auch beim Zweitaktverfahren laufen alle vier Arbeitsschritte ab, aber während zweier Kolbenhüben (= Takte). Dies ist möglich, weil ein Teil des Ansaugens und der Verdichtung (das Vorverdichten) außerhalb des Zylinders stattfindet, und zwar im Kurbelgehäuse unter dem Kolben oder in einem Lader. Die Kurbelwelle dreht sich während eines Arbeitszyklus nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heißt, es kommt zu einer partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.

Split-Cycle-Motor (Scuderi-Motor)

Der Scuderi-Motor arbeitet mit vier getrennten Takten, die jedoch auf zwei Zylinder aufgeteilt sind. Die vier Arbeitsschritte Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen werden auf zwei Zylinder verteilt, der die konstruktiv für ihre Aufgabe ausgelegt werden. Es handelt sich um ein altbekanntes Verfahren, das jedoch erst jüngst (2007) zum Bau eines Prototyps geführt hat.

nach dem Bewegungsablauf

• Hubkolbenmotor (typischerweise in Kombination mit Pleuel und Kurbelwelle, teilweise auch mit Knick-Pleuel oder kurbelwellenlose Kurvenscheibenmotoren)
• Rotationskolbenmotor (z. B. der Wankelmotor)
• Freikolbenmotor (lineare Kolbenbewegung)

nach dem Gemischbildungsverfahren

Zum effektiven Betrieb ist das optimale Verbrennungsluftverhältnis des Kraftstoff-Luft-Gemisches erforderlich. Die Gemischbildung kann beim Dieselmotor nur innerhalb, beim Ottomotor auch außerhalb des Zylinders stattfinden.

Äußere Gemischbildung

Es wird ein zündfähiges Gasgemisch über den Ansaugtrakt in den Zylinder geführt und dort verdichtet. Das ermöglicht hohe Drehzahlen, da die Verbrennung ohne Verzögerung erfolgt, sobald gezündet wird. Durch überhöhte Temperatur (heißer Motor, hohe Verdichtung bei Volllast) kann es zu unkontrollierter Selbstzündung kommen. Dieser „Klopfen“ genannte Effekt begrenzt das Verdichtungsverhältnis und kann durch den Zusatz von Antiklopfmitteln zum Kraftstoff verhindert werden. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden. Die äußere Gemischbildung kann auf zwei Arten erfolgen:

• Vergaser zerstäuben das Benzin in feine Tröpfchen und bilden so ein Aerosol, das in die Zylinder geführt wird. Bis in die 1990er Jahre waren sie im Automobilbau üblich und werden heute fast nur noch in Kleinmotoren eingesetzt.
• Bei der indirekten Benzineinspritzung wird der Kraftstoff mit vergleichsweise geringem Druck im Ansaugtrakt kurz vor dem/den Einlassventil(en) dem Luftstrom beigemengt (Saugrohreinspritzung). Vorteile gegenüber dem Vergaser sind unter anderem die schnellere und präzisere Steuerung der Kraftstoffmenge und die Lageunabhängigkeit (wichtig zum Beispiel bei Flugmotoren).

Innere Gemischbildung

Vom Zylinder wird nur Luft angesaugt und verdichtet. Erst unmittelbar vor der Verbrennung wird mit hohem Druck der Kraftstoff (Benzin oder Diesel) direkt in den Brennraum eingespritzt (Direkteinspritzung), weshalb der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtung gesteigert werden kann. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Vermischen und Verdampfen. Die Verbrennung beginnt verzögert und begrenzt so die maximale Motordrehzahl.

nach dem Zündverfahren

• Fremdzündung, entweder gesteuert oder ungesteuert als Glühzündung
• Selbstzündung
• kontrollierte Selbstzündung oder homogene Kompressionszündung (HCCI)

Die Fremdzündung ist das Merkmal des Ottomotors. Dabei wird das Entzünden des Kraftstoff/Luft-Gemischs durch eine Zündkerze eingeleitet, optimal kurz vor dem oberen Totpunkt. Glühzündermotoren finden heute vorwiegend im Modellbau Verwendung. Bekannt ist der Lanz Bulldog als Glühzünder, bei dem vor dem Start der Glühkopf soweit erwärmt wurde, bis er den Motor zünden konnte.

Die Selbstzündung ist das Merkmal des Dieselmotors. Dabei wird zuerst reine Luft stark verdichtet und dadurch erhitzt. Kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) wird der Dieselkraftstoff eingespritzt, der sich durch die Hitze von selbst entzündet.

Die kontrollierte Selbstzündung wird derzeit für verschiedene Verbrennungsmotoren entwickelt. Die Gemischbildung soll intern aber früh erfolgen, damit das Gemisch bis zur Zündung gut durchmischt (homogen) ist. Dadurch werden bessere Emissionswerte erreicht.

Glühzündungen sind bei Benzinmotoren unerwünscht, kommen aber manchmal bei stark belasteten Motoren nach dem Abstellen des Motors vor. Die Glühzündung entsteht dabei durch glühende Ölkohleablagerungen im Verbrennungsraum.

nach dem Brennverfahren

Mit Brennverfahren bzw. Verbrennungsverfahren bezeichnet bei Verbrennungsmotoren den Ablauf, mit dem die Verbrennung des Brennstoffs im Motor erfolgt.

• die Schichtladung (FSI, Ottomotor)
• das BPI-Brennverfahren (Ottomotor)
• das Strahlgeführtes Brennverfahren (Ottomotor)

nach der Füllungsart

• Saugmotor
• Ladermotor
• Kreislaufmotor

nach dem Kühlverfahren

• Flüssigkeitskühlung
• Luftkühlung
• Ölkühlung
• Kombinationen aus Luft-/Ölkühlung (SAME)
• Stickstoffkühlung

nach dem Grad der Schnelläufigkeit

In früheren Jahren wurde der Grad der Schnelläufigkeit aufgrund der Kolbengeschwindigkeit, später vermehrt durch die Drehzahl bestimmt. Bei Großmotoren^[5] (Schiffe, Bahn, Stromerzeuger) unterscheidet man drei Klassen:

• Langsamläufer bis 300/min, die im Zweitaktverfahren arbeiten und für Schweröl tauglich sind
• Mittelschnellläufer zwischen 300...1200/min, die überwiegend schweröltaugliche Viertaktmotoren sind
• Schnellläufer ab 1000/min als Viertakter, die für Schweröl nicht mehr geeignet sind.

Nach weiteren Definitionen gibt es

• Mittelläufer bis 2000/min für Boots- und Binnenschiffsmotoren, Hilfsaggregate und ähnliches
• Schnellläufer über 2000/min als Otto- und Dieselmotoren für Fahrzeuge^[6]

Nach Schrön

Hans Schrön unterscheidet im 1942 erschienenen Werk Die Verbrennungskraftmaschine zwischen drei verschiedenen Typen, den Langsamläufern, den Mittelläufern und den Schnellläufern. Als Unterscheidungsmerkmal zieht Schrön die Kolbengeschwindigkeit heran. Den Umstand, dass noch nicht alle Motoren als Schnellläufer konstruiert sind, sieht er in Punkten, die bei der Konzeption eine wichtigere Rolle als hohe Drehzahlen spielen. Die Langsamläufer und Mittelläufer sollen möglichst eine hohe Lebensdauer und Störungsfreiheit haben, dazu zählen Stationärmotoren und Schiffsmotoren. Bei Schiffsmotoren weist Schrön ebenfalls auf den Vorteil des hohen Wirkungsgrades hin. Weitere Mittelläufer sind unter anderem Triebwagen-, Lastkraftwagen-, Traktoren-, und Kampffahrzeugmotoren. Schnellläufer sollen eine niedrige Masse, wenig Volumen und gute Einbaufähigkeiten haben, gegebenenfalls spielt die größtmögliche Leistung noch eine Rolle. Als Anwendungsbereich kommen Schnellboote, Flugzeuge und Leichtfahrzeuge in Betracht. Schnellläufer können sowohl Diesel- als auch Ottomotoren sein.^[7]

nach Bauformen und Anzahl der Zylinder

Abhängig von der Anzahl der Zylinder werden/wurden Otto- und Dieselmotoren bzw. Viertakt- und Zweitakt-Motoren gebaut als:

• Einzylindermotor (1)
• Reihenmotor (2/Parallel-Twin, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14)
• U-Motor (4, 12, 16)
• V-Motor (2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 24)
• VR-Motor (5, 6, 8, 12, 16)
• W-Motor (3, 8, 12, 16, 18, 24)
• Boxermotor (2, 4, 6, 8, 12)
• H-Motor (16, 24, 40)
• Sternmotor (3, 5, 7, 9, 11)
• Y-Motor (3, 6, 12, 18, 24)
• X-Motor (16, 24)
• Reihensternmotor (6×2=12, 4×3=12, 6×4=24, 4×5=20, 2×6=12, 4×6=24, 5×6=30, 6×6=36, 3×7=21, 4×7=28, 4×9=36, 7×6=42, 7×8=56)
• Mehrfachsternmotor (2×7=14, 2×9=18, 4×7=28)
• Umlaufmotor (1, 2, 4, 5, 7, 9, 14)
• Gegenkolbenmotor (fast nur Zweitaktdiesel), z. B. Junkers Jumo 205 (zwei Kurbelwellen), Napier Deltic (drei Kurbelwellen im Dreieck angeordnet)
• Taumelscheibenmotor (nur Vier-Takt)

Die fettgedruckten Bauformen und Zylinderzahlen sind heute in Kraftfahrzeugen gebräuchlich. Der Verbrennungsmotor mit der höchsten Zahl an Zylindern, der je gebaut wurde, ist der Reihensternmotor Swesda M520 mit 56 Zylindern in sieben Zylinderbänken zu jeweils acht Zylindern.

Viertakt-Sternmotoren haben immer eine ungerade Zylinderzahl pro Stern. Der Grund dafür ist, dass beim Viertaktmotor jeder Zylinder nur in jeder zweiten Umdrehung gezündet wird, so dass eine durchgängige Zündfolge, die für den ruhigen, vibrationsfreien Lauf des Motors erforderlich ist, nur mit ungeraden Zylinderzahlen erzielt werden kann. Mehrfachsternmotoren wie die 14-Zylinder-Doppelsternmotoren BMW 801 und Wright R-2600 oder auch der P & W R-4360 (28 Zylinder in vier Sternen zu je sieben) haben jedoch eine gerade Zylinderzahl.

Davon sind die Reihensternmotoren zu unterscheiden, bei denen mehrere Zylinderbänke sternförmig um die Kurbelwelle angeordnet sind. Dies waren z. B. der Daimler-Benz DB 604, Rolls-Royce Vulture und Allison X-4520 (X-Motoren mit vier Zylinderbänken zu je sechs Zylindern = 24 Zylinder), Junkers Jumo 222 und Dobrynin WD-4K (ebenfalls 24 Zylinder, jedoch als Hexagon mit sechs Zylinderbänken zu je vier Zylindern) und der Zwölfzylindermotor Curtiss H-1640 Chieftain mit sechs Zylinderbänken zu je zwei Zylindern.

Im Motorsport werden vereinzelt trotz der höheren Unwucht auch V-Motoren mit ungeraden Zylinderzahlen (drei oder fünf) gebaut.

Als langsam laufende Schiffsdiesel gibt es Reihenmotoren mit bis zu 14 Zylindern sowie V-Motoren mit 20 oder 24 Zylindern.

Ungewöhnliche Bauarten

Der Wankelmotor ist eine Bauart, die nach Felix Wankel benannt ist. Beim Wankelmotor sind zwei kinematische Formen möglich: Zum einen der Kreiskolbenmotor, bei dem ein bogig-dreieckiger Kolben in einem oval-scheibenförmigen Gehäuse mit einer nur leicht oszillierenden Bewegung auf der Exzenterwelle (entspricht praktisch der Kurbelwelle beim Hubkolbenmotor) „eiert“. Zum anderen der Drehkolbenmotor, bei dem sowohl der bogig-dreieckige Läufer als auch die oval-scheibenförmige Hüllfigur (Trochoide) um ihre Schwerpunkte rotieren.

Der Stelzer-Motor, benannt nach seinem Erfinder Frank Stelzer, ist ein Zweitakt-Freikolbenmotor mit einem Kolben. Im Stelzer-Motor wird während des gesamten Arbeitsablaufes nur der Kolben bewegt. Seine unterschiedlichen Kolbendurchmesser öffnen und schließen verschiedene Öffnungen im Gehäuse und steuern damit gleichzeitig den Gaswechsel. Der Mederer-Motor und der Kreuzschleifenmotor haben einen etwas anderen Bewegungsablauf des Kolbens.

In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde eine Reihe exotischer Konstruktionen entworfen, die jedoch das Prototypstadium nicht überschritten. Durch Fortschritte der Werkstoffforschung sind Lösungen für Probleme alter Konstruktionen möglich.

Partikelemission

Partikel im Abgas von Verbrennungsmotoren (10–1000 nm) sind kleiner als andere, etwa durch Reifenabrieb (15.000 nm) verursachte. Wie jene bestehen sie aber aus Ruß und Kohlenwasserstoffen (z.B. PAK). Ihre für den Menschen vermutete Gesundheitsrelevanz erhalten die Abgasnanopartikel aufgrund ihrer Oberfläche und Größe. Sie können Zellmembranen verletzen (Ruß) oder mit ihnen reagieren (PAK)^[8]. Durch ihre Größe (Nano bezeichnet alles unter 100 nm) gelingt ihnen die Überwindung der oberen Atemwege und der Lungenwand und damit der Eintritt in den Blutkreislauf (vgl.). Dosis, Einwirkzeit, Projizierbarkeit von Tierversuchen auf den Menschen und Begleitumstände wie das Rauchen von Studienteilnehmern bilden die Zielsetzungen derzeitiger Forschung^[9]. Dem vorgreifend begrenzt die Euro 6 Abgasnorm für 2014 erstmals die Partikelmenge (Entwurfswert: 6×10¹¹ Stück pro km) und nicht mehr nur ihre Masse^[10]. Die Masse wird durch die entscheidenden Nanopartikel nur zu 20 % beeinflusst, beim Diesel die Gesamtmasse aber durch geschlossene Partikelfilter bereits um 97 % reduziert^[11][12]. Das zeigt, dass die dortige Ansammlung von Filtrat auch relevante Mengen von Nanopartikeln weit unter der eigentlichen Filterporengröße von 1000 nm abfängt^[13][14]. Mit dieser Reduktion minimiert der Filter zudem die Klimawirksamkeit der Partikel. Die dunkle Rußfarbe macht die Partikel zu Wärmeabsorbern. Damit erwärmen sie direkt die rußbelastete Luft und nach Ablagerung auch Schneeflächen in der Arktis, die sie durch Luftströmungen etwa von Europa her erreichen^[15].

Benzin- und Dieselmotoren produzieren während Volllast- und Kaltstartphasen vergleichbare Mengen und Größen an Partikeln^[16][17]. In beiden Phasen wird mehr Kraftstoff eingespritzt, als der Sauerstoff im Zylinder verbrennen kann („angefettetes Gemisch“). In Kaltstartphasen geschieht dies zur Katalysatorerwärmung, unter Volllast zur Motorkühlung. Während Benzinmotoren nur im angefetteten Betrieb Partikel durch Sauerstoffmangel erzeugen, entstehen diese beim Diesel selbst im Magerbetrieb und damit während aller Betriebsphasen^[18][19]. Daher liegt die Partikelmenge des Benziners insgesamt dennoch auf dem niedrigen Niveau eines Diesels mit geschlossenem Filtersystem^[20].

Ursächlich für den Dieselruß sind seine doppelt so langkettigen Aromate (vgl. Benzin). Sie weisen einen deutlich höheren Siedepunkt auf (von 170 bis 390 °C anstatt 25 bis 210 °C). Gleichzeitig liegt die Verbrennungstemperatur des Diesels aber 500 °C unterhalb der des Benzinmotors^[21]. Benzin verdampft daher vollständiger als Diesel. Dessen früher siedende Bestandteile verdampfen zuerst, was den Resttropfen aus Aromaten höherer Siedepunkte zusätzlich auf niederer Temperatur hält (vgl.). Die nicht verdampften Aromate werden während der Selbstzündungsphase temperaturbedingt in ihre Bestandteile gecrackt. Zu diesen zählt der Kohlenstoff, also Ruß.

Die Partikelzusammensetzung unterscheidet sich aufgrund der Chemie beider Kraftstoffe. So überwiegen beim Benzinmotor die PAK-Partikel, beim Dieselmotor sind es die Rußpartikel^[22]. Sichtbar werden die Partikel erst durch Aneinanderlagerung. Sichtbare Partikel sind nicht mehr lungengängig und werden meist schon im oberen Atemweg ausgefiltert und abgebaut. Anlagerungen finden im Auspuff und besonders im Partikelfilter statt. Die dortige Ansammlung des Filtrats fängt auch Partikel weit unter der eigentlichen Filterporengröße (1 µm) ab. Damit sinkt die Partikelanzahl auf das Niveau eines Benzinmotors^[20]. Erkennbar wird die Partikelanlagerung im Auspuff. Fehlt diese, verfügt ein Diesel über ein geschlossenes Filtersystem und ein Benziner über wenige Anteile von Kaltstart- und Volllastphasen.

Kraftstoffe

• Motorenbenzin (siehe auch: Ottokraftstoff, Oktanzahl)
• Dieselkraftstoff
• JP-8 (Turbinenkraftstoff, Anwendung in militärischen Dieselmotoren)
• Kerosin (Turbinenkraftstoff, Anwendung in militärischen Dieselmotoren)
• Biodiesel (Pflanzenöl nach Veresterung)
• Pflanzenöl
• Fettsäuremethylester (als Beimischung zum Diesel)
• Autogas (LPG)
• Methan (Erdgas (CNG); Biogas; Holzgas)
• Methanol (MeOH; CH₃OH)
• Ethanol (EtOH; C₂H₅OH; rein oder als Beimischung)
• Hythan (CH₄ und H₂)
• Teeröl, Schweröl (für größere stationäre Motoren und Schiffsmotoren)
• Kohlenstaub
• Wasserstoff
• Generatorgas
• Gichtgas
• Holzgas
• Nitromethan (meist nur als Kraftstoffzusatz)

Wichtige Motorenbauer

• Carl Benz
• Georges Bouton
• George Brayton
• Clessie Cummins
• Gottlieb Daimler
• Joseph Day
• Philippe Lebon d'Humbersin
• Rudolf Diesel
• Ludwig Elsbett
• Hugo Junkers
• Eugen Langen
• Étienne Lenoir
• Frank Perkins (Ingenieur)
• Siegfried Marcus
• Wilhelm Maybach
• Nicolaus Otto
• Isaac de Rivaz
• Robert Stirling
• Felix Wankel

Siehe auch

• Motorsteuerung
• Abgasrückführung
• Kreislaufantrieb
• Motorkapsel
• Motorblock
• Motoreninstandsetzung
• Kraftstoffsystem (Flugzeug)
• Leanen
• Kalttest