Wie funktioniert eigentlich ein Verbrennungsmotor?

Allgemein

Bei einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinder entzündet und verbrannt. Der durch die Entwicklung und die temperaturbedingte Expansion der Verbrennungsgase entstandene Druck, wirkt auf einen Kolben, der dadurch verschoben wird. Bei Hubkolbenmotoren wird die Auf- und Abbewegung des Kolbens (Hub), meistens durch einen Kurbeltrieb in eine Drehbewegung umgewandelt. Es existiert eine Reihe unterschiedlicher Verbrennungsmotoren, die zum Teil unterschiedliche thermodynamische Kreisprozesse ausnutzen. Alle Verbrennungsmotoren wiederholen in einem Kreisprozess, ständig den Arbeitszyklus, der aus vier Arbeitsschritten besteht:

1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Leistung erbringen (=Arbeiten)
4. Ausstoßen
Ausstoßen und Ansaugen dienen dem Gaswechsel, das heißt, dem Austausch von Abgas (Ausstoßen) gegen Frischgas (Ansaugen). Verdichten und Arbeiten dienen der Umwandlung von chemischer Energie (Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches) über thermische Energie (Wärme) und potentielle Energie (Druck) in mechanische Energie (Drehmoment). Die Arbeitsschritte werden oft als Takte bezeichnet. Allerdings ist diese Bezeichnung bei 2-Taktern nicht sinnvoll, da 2-Takter auch alle vier Arbeitsschritte ausführen.

Aufbau und Arbeitsweise

Im ersten Takt wird während der Abwärtsbewegung des Kolbens ein Kraftstoff-Luftgemisch in den Zylinder "gesaugt". Während des zweiten Taktes verdichtet der Kolben in seiner Aufwärtsbewegung das Kraftstoff-Luftgemisch im Zylinder. Am Ende des zweiten Taktes erfolgt die Zündung, bei Ottomotoren durch die Zündkerzen, bei Dieselmotoren durch Selbstzündung. Im dritten Takt verbrennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch den Anstieg der Temperatur steigt auch der Druck des Gemisches stark und bewegt den Kolben im Zylinder nach unten. Die Längsbewegung des Kolbens wird dabei über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehmoment-Bewegung umgesetzt. Der sich nach oben bewegende Kolben schiebt die verbrannten Abgase aus dem Zylinder durch den Auspuff in die Umwelt.

Die Bewegungen der Takte eins, zwei und vier erfolgen durch den Schwung, den die mit einem Schwungrad versehene Kurbelwelle durch den Arbeitstakt erhalten hat. Da während des Startvorgangs noch kein Schwung vorhanden ist, muss die Kurbelwelle von außen angetrieben werden. Hierzu dient eine Startvorrichtung, wie ein Seil (Kettensäge, Bootsmotor), eine Tretkurbel (Motorrad), eine Handkurbel (Oldtimer), oder ein kleiner Elektromotor- (Anlasser im KFZ). Große Motoren (stationäre oder Schiffs-) werden durch direkt in die Zylinder eingeführte Druckluft gestartet. Der Gaswechsel zwischen einströmenden Frischgasen und verbrannten Abgasen wird durch die Nockenwelle gesteuert. Diese läuft mit einer Untersetzung von 1:2 an die Kurbelwelle gekoppelt und öffnet und schließt die im Zylinderkopf des Motors angeordneten Ventile.

4-Takter

Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit "Takt" ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine Aufwärts- oder eine Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitsspieles 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 so genannten Ventilüberschneidung.Der Gaswechsel zwischen einströmenden Frischgasen und verbrannten Abgasen wird durch die Nockenwelle gesteuert. Diese läuft mit einer Untersetzung von 1:2 an die Kurbelwelle gekoppelt und öffnet und schließt die im Zylinderkopf des Motors angeordneten Ventile.

2-Takter

Auch beim 2-Takt-Verfahren laufen alle vier Arbeitsschritte ab, aber während nur zwei 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 Arbeitsspieles nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heißt, es kommt zu einer teilweisen Durchmischung von Frischgas und Abgas.

2-Takt-Motoren haben eine größere Leistungsdichte, da sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung Arbeit verrichten. 2-Takt-Motoren können wesentlich einfacher und billiger gebaut werden, weil sie im Gegensatz zu Viertakt-Hubkolbenmotoren keine Ventilsteuerung benötigen. Sie ist erforderlich, weil die Ein- und Auslassöffnungen für Frisch- und Abgas bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung geöffnet beziehungsweise geschlossen werden müssen. Bei 2-Takt-Motoren kann der Kolben diese Aufgabe übernehmen, da Öffnen und Schließen bei jeder Kurbelwellenumdrehung stattfinden. Ohne Ventilsteuerung treten bei 2-Takt-Motoren geringere Massenkräfte auf, deshalb sind höhere Drehzahlen möglich. Dies erhöht die Leistungsdichte zusätzlich. 2-Takt-Motoren herkömmlicher Bauart haben einen höheren spezifischen Verbrauch und schlechtere Abgaswerte, weil sie einen Teil des Kraftstoff-Luftgemisches unverbrannt durch Überspülen verlieren. Überspülen entsteht, wenn sich Frischgas mit dem Abgas mischt und ausgestoßen wird. Durch die sogenannte gasdynamische Aufladung, also den Betrieb an einem abgestimmten Resonanzschalldämpfer kann dieser Effekt deutlich vermindert und so die Leistung gesteigert werden.

Jo Nüsseler