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Verbrennungsmotor
Ein Verbrennungsmotor, in der Patentliteratur auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Wärmekraftmaschine nach dem Prinzip der …
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Definition und Grundprinzip
Ein Verbrennungsmotor, in der Patentliteratur auch Brennkraftmaschine genannt, ist eine Wärmekraftmaschine. Er wandelt die chemische Energie eines Kraftstoffs durch Verbrennung in mechanische Arbeit um. Kennzeichnend ist die „innere Verbrennung“: Ein zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt im Motor. Das heiße Verbrennungsgas dehnt sich aus und bewegt mechanische Teile, meist Kolben, beim Wankelmotor einen Rotationskolben. Im Englischen wird dafür die Abkürzung ICE für „Internal Combustion Engine“ verwendet.
Nach jedem Arbeitstakt wird das Abgas ausgestoßen und Frischgas zugeführt. Moderne Motoren verdichten zunächst das Gas im Arbeitsraum. Die Verbrennung erhöht Temperatur und Druck. Anschließend entspannt sich das Gas, sein Volumen nimmt zu und es verrichtet mechanische Arbeit. Entscheidend ist, dass die Expansion nach der Verbrennung bei höherem Druck erfolgt als die vorherige Verdichtung. Nicht genutzte Wärme, die insbesondere mit dem Abgas entweicht, zählt zur Verlustleistung.
Die wichtigsten Bauarten sind der Ottomotor als Fremdzünder und der Dieselmotor als Selbstzünder. Verbrennungsmotoren treiben unter anderem Pkw, Nutzfahrzeuge, Motorräder, Schiffe und Flugzeuge an; außerdem werden sie etwa in Blockheizkraftwerken verwendet. Kontinuierlich arbeitende Strahl- und Raketentriebwerke sowie Gasturbinen sind eigene Verbrennungsmaschinen. Dampfmaschinen, Dampfturbinen und Stirlingmotoren gelten nicht als Verbrennungsmotoren, weil ihre Wärme außerhalb der Maschine erzeugt wird und nicht zwingend aus einer Verbrennung stammen muss.
Entwicklung und Wirkungsgrad
Erste Verbrennungsmotoren waren in den 1850er-Jahren bekannt. Eugenio Barsanti und Felice Matteucci ließen ihre Erfindung 1853 international patentieren. Étienne Lenoir betrieb ab 1859 einen Gasmotor; 1860 wurde damit das Hippomobile angetrieben. Spätere Entwicklungslinien führten unter anderem zu Direkteinspritzung, DOHC-Technik sowie bei Dieselmotoren zu Pumpe-Düse- und Common-Rail-Systemen. Seit den 1980er-Jahren erfolgen Entwicklung, Prüfung und Produktion weitgehend computerbasiert. Abgasnormen beeinflussen dabei die Konstruktion des gesamten Antriebssystems.
Der Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der chemischen Energie als mechanische Energie nutzbar wird. Sein theoretischer Höchstwert hängt von den Temperaturniveaus der Wärmezufuhr und -abgabe, dem Verdichtungsverhältnis und dem Kreisprozess ab. Große Zweitakt-Dieselmotoren erreichen knapp über 50 %. Moderne Fahrzeug-Ottomotoren erreichen am günstigsten Arbeitspunkt etwa 40 %, Kraftfahrzeug-Dieselmotoren etwa 43 %. Im Alltag liegt der Durchschnitt deutlich niedriger, weil der Wirkungsgrad bei hohen Drehzahlen und besonders bei geringer Last abnimmt. Die mechanischen Verluste bleiben über die Last nahezu gleich, betragen ungefähr 10 % der Volllastleistung und hängen hauptsächlich von der Drehzahl ab.
Dieselelektrische Antriebe können den Verbrennungsmotor näher an seinem optimalen Drehzahlbereich betreiben, auch wenn das Fahrzeug langsam fährt. Wegen ihres Gewichts werden sie besonders in Zügen und Schiffen eingesetzt. Zum Vergleich nennt der Artikel für Elektromotor, Batterie und Leistungselektronik zusammen rund 65 %. An anderer Stelle werden für den Elektromotor allein 90–95 % und von der Batterie bis zum Rad real etwa 70–80 % angegeben. Pkw-Verbrennungsmotoren erreichen demnach im Alltag meist 25–40 % und unter optimalen Bedingungen etwa 40–45 %.
Arbeitsweisen und Gemischbildung
Beim Viertaktmotor verteilen sich Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen auf vier Kolbenhübe. Die Kurbelwelle dreht sich während eines Arbeitszyklus zweimal. Frischgas und Abgas sind grundsätzlich getrennt, können sich während der Ventilüberschneidung aber kurz berühren. Beim Zweitaktmotor erfolgen Verdichtung und Expansion innerhalb von zwei Hüben beziehungsweise einer Kurbelwellenumdrehung. Um den unteren Totpunkt wird Abgas durch unter Druck eingeblasenes Frischgas ersetzt. Dafür ist eine Spülvorrichtung nötig; Frischgas und Abgas vermischen sich teilweise. Weitere Verfahren sind Compoundmotoren mit stufenweiser Kompression und Expansion sowie Split-Cycle-Motoren, bei denen die vier Schritte auf zwei Zylinder verteilt werden.
Nach dem Bewegungsablauf unterscheidet man vor allem Hubkolbenmotoren und Rotationskolbenmotoren wie den Wankelmotor. Nach der Füllungsart gibt es Saug- und Ladermotoren. Mögliche Kühlverfahren sind Flüssigkeits-, Verdampfungs-, Luft-, Öl- und Stickstoffkühlung sowie Kombinationen wie Luft-/Ölkühlung.
Bei Ottomotoren werden je Masseeinheit Kraftstoff meist 13 bis 15 Masseeinheiten Luft zugemischt. Für 1 kg Benzin sind 14,5 kg Luft nötig. Ein genau passendes Gemisch heißt stöchiometrisch und hat die Luftzahl λ = 1. Bei Luftüberschuss ist es mager (λ > 1), bei Luftmangel fett (λ < 1). Für die höchstmögliche Wirkung eines Katalysators ist λ = 1 erforderlich. Dieselmotoren arbeiten mit variabler Luftzahl von ungefähr 10 bis 1,3.
Bei äußerer Gemischbildung entsteht das zündfähige Gemisch vor dem Brennraum, etwa durch einen Vergaser oder durch Saugrohreinspritzung. Das ermöglicht hohe Drehzahlen, begrenzt aber wegen möglicher unkontrollierter Selbstzündung, des sogenannten Klopfens, das Verdichtungsverhältnis. Die Klopffestigkeit wird durch die Oktanzahl beschrieben. Bei innerer Gemischbildung wird nur Luft angesaugt und verdichtet; erst kurz vor der Verbrennung wird Kraftstoff mit hohem Druck direkt eingespritzt. Eine höhere Verdichtung verbessert den Wirkungsgrad, doch Verdampfung und Durchmischung verzögern die Verbrennung und begrenzen die Drehzahl.
Zündung, Verbrennung und Bauformen
Bei der Fremdzündung wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch eine Zündhilfe entzündet, beim Ottomotor gewöhnlich durch eine Zündkerze kurz vor dem oberen Totpunkt. Eine unkontrollierte Fremdzündung ohne Zündkerze heißt Glühzündung. Historische Glühkopfmotoren mussten vor dem Start beispielsweise mit einer Lötlampe erhitzt werden.
Bei der Selbstzündung entsteht die Zündung allein durch Kompressionswärme. Im Dieselmotor wird zunächst reine Luft stark verdichtet und erhitzt. Kurz vor dem oberen Totpunkt wird Kraftstoff eingespritzt, der sich selbst entzündet. Weil die Verbrennung beginnt, bevor eine gleichmäßige Mischung entstanden ist, handelt es sich um ein heterogenes Gemisch. HCCI-Motoren arbeiten dagegen mit einem homogenen Gemisch und Kompressionszündung; dafür muss der Kraftstoff früh genug eingespritzt werden. Als Brennverfahren werden entsprechend homogene Gemische beim Ottomotor, inhomogene Gemische bei Schichtladung und Dieselmotor sowie das BPI-Verfahren mit Vorkammerzündkerze unterschieden.
Motoren werden außerdem nach Zylinderzahl und Anordnung eingeteilt. Zu den Bauformen gehören Einzylinder-, Reihen-, V-, VR-, W-, Boxer-, H-, Stern-, X-, Reihenstern-, Mehrfachstern-, Umlauf-, Gegenkolben- und Taumelscheibenmotoren. Viertakt-Sternmotoren besitzen pro Stern eine ungerade Zylinderzahl, weil jeder Zylinder nur bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung zündet und eine gleichmäßige Zündfolge so möglich wird. Der im Artikel genannte Verbrennungsmotor mit der höchsten jemals gebauten Zylinderzahl ist der Reihensternmotor Swesda M520 mit 56 Zylindern in sieben Bänken zu je acht Zylindern.
Nach der Drehzahl werden Großmotoren häufig als Langsamläufer bis 300/min, Mittelschnellläufer zwischen 300 und 1200/min und Schnellläufer ab 1000/min eingeordnet; die Bereiche überschneiden sich. Andere Definitionen setzen Mittelläufer bis 2000/min und Schnellläufer über 2000/min an. Die Einteilung ist daher nicht einheitlich. Zu ungewöhnlichen Konstruktionen zählen der Wankelmotor, der Zweitakt-Freikolbenmotor von Frank Stelzer sowie verschiedene Kugel-, Kreuzschleifen- und Schwenkkolbenmotoren.
Kraftstoffe und Emissionen
Übliche Kraftstoffe sind Motorbenzin, Dieselkraftstoff, Autogas (LPG), komprimiertes Erdgas (CNG) und Biodiesel. Geeignete Motoren können auch Wasserstoff verbrennen; Flex-Fuel-Fahrzeuge vertragen verschiedene Kraftstoffe. In der Luftfahrt werden Kerosin, Flugbenzin und Mischungen eingesetzt. Großdieselmotoren nutzen teilweise Schweröl, ein zähflüssiges Raffinerie-Restprodukt, das zum Fließen erhitzt werden muss und als Umweltproblem gilt. Benzin und Diesel besitzen einen Brennwert von ungefähr 40–50 MJ/kg. Alternative Kraftstoffe können mehr Energie je Masse bieten, erreichen laut Artikel aber nicht ihre Energie je Volumen.
Die Oktanzahl beschreibt die Klopffestigkeit von Benzin, die Cetanzahl die Zündwilligkeit von Diesel. Tetraethylblei wurde bis in die 1970er-Jahre als Klopfbremse verwendet und seit den 1990er-Jahren vollständig durch andere Zusätze ersetzt. Seit etwa den 2000er-Jahren werden Ethanolmischungen angeboten: E5 enthält 5 %, das seit 2011 angebotene E10 10 % Ethanol.
Rohabgas besteht überwiegend aus Stickstoff, Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff. Schadstoffe machen – abgesehen von Kohlenstoffmonoxid beim Ottomotor – weniger als 1 % aus, sind wegen der großen Zahl von Motoren aber bedeutsam. Zu ihnen zählen Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und Feinstaub. Sichtbarer weißlicher Dampf kann kondensiertes Wasser sein; schwarze Abgasfahnen entstehen durch Ruß, blaue durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Viele Schadstoffe sind jedoch unsichtbar und geruchlos.
Katalysatoren verbreiteten sich ab den 1980er-Jahren. Diesel-Kfz besitzen seit 2007 zusätzlich Dieselpartikelfilter und eine Stickoxidnachbehandlung durch NOx-Speicherkatalysator oder SCR-System. Bei direkt einspritzenden Benzinmotoren sind seit 2017 Ottopartikelfilter weit verbreitet. Abgaspartikel sind etwa 10–1000 nm groß. Teilchen unter 100 nm gelten als Nanopartikel und können bis in den Blutkreislauf gelangen. Die Euro-6-Norm begrenzte 2014 erstmals ihre Anzahl auf 6 × 10¹¹ Stück/km. Geschlossene Dieselpartikelfilter senken die Partikelmasse um 97 %.
Für Diesel kann die Verbrennung näherungsweise als 2 CₙH₂ₙ + 3n O₂ → 2n CO₂ + 2n H₂O dargestellt werden. Mit einer Dieseldichte von 0,838 kg/l entstehen je Liter etwa 2,63 kg CO₂. Bei Benzin mit 0,75 kg/l sind es rund 2,3 kg CO₂ pro Liter. Die größere Masse entsteht, weil sich der Kohlenstoff des Kraftstoffs mit Sauerstoff aus der Luft verbindet.
Zukunft und politische Entwicklung
Verbrennungsmotoren mit regenerativ erzeugten Biokraftstoffen oder E-Fuels werden als mögliche Alternative für Bereiche genannt, in denen Elektroantriebe schwer umzusetzen sind. Bei fossilem Benzin und Diesel erhöht das bei der Verbrennung entstehende CO₂ dagegen die Konzentration in der Atmosphäre und trägt zur globalen Erwärmung bei. Elektroantriebe wandeln elektrische Energie direkter in Bewegung um und sind effizienter, benötigen dafür aber Strom aus einer geeigneten, möglichst nichtfossilen Erzeugung.
Das EU-Parlament beschloss im Juni 2022 auf Vorschlag der EU-Kommission, dass neu zugelassene Pkw und leichte Nutzfahrzeuge ab 2035 kein CO₂ mehr ausstoßen dürfen; die endgültige Zustimmung des Parlaments folgte im Februar 2023, die des Rates der Europäischen Union im März 2023. Die Hersteller sollten ihre Flottenemissionen um 100 % reduzieren. Auch weitere Länder planten Verkaufsverbote für neue Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.
Die politische Entwicklung blieb jedoch umstritten und veränderte sich. Deutschland zog Anfang 2023 zunächst seine Zustimmung zurück; auch Italien, Polen und Bulgarien wollten nicht zustimmen. Später einigten sich Deutschland und die EU-Kommission. Laut Artikel verkündete die EU 2025 eine Umkehr vom sogenannten Verbrenner-Aus; zugleich äußerten britische konservative Politiker den Wunsch nach einer Kehrtwende. Die Zukunft des Verbrennungsmotors wird daher sowohl von technischen Fragen wie Wirkungsgrad, Emissionen und alternativen Kraftstoffen als auch von Klima-, Wirtschafts- und Industriepolitik bestimmt.
