Dr. Wiebke Salzmann

Lektorat • Naturwissenschaften

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Verbrennungsmotor

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Stichworte

Verbrennungsmotor; Ottomotor; Dieselmotor; Otto-Kreisprozess; Diesel-Kreisprozess

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Dampfmaschine & Co.

Verbrennungsmotoren

Zur vorletzten Jahrhundertwende bildeten Autos, die von Dampfmaschinen angetrieben wurden, noch eine ernste Konkurrenz zu denen mit Verbrennungsmotoren. Dampfautos brauchen kein Getriebe und sind leiser (wobei es auch ein Nachteil sein kann, wenn man ein sich näherndes Auto nicht hört). Bis heute hat zumindest im Sprichwort-Schatz die „Dampfwalze“ überlebt. Dann setzte sich jedoch der Verbrennungsmotor durch – wegen seines höheren Wirkungsgrades und weil er keine Wartezeit bis zum Druckaufbau benötigt, sondern sofort gestartet werden kann.

Heutige Autos haben entweder einen Ottomotor oder einen Dieselmotor. Verbrennungsmotoren heißen sie deswegen, weil die Verbrennung des Brennstoffs in der Maschine selbst stattfindet und nicht außerhalb wie bei der Dampfmaschine.

Ottomotor

Es gibt Zweitakt- und Viertakt-Motoren – von denen ich hier den Viertakt-Motor beschreibe. Im Vier-Zylinder-Motor gibt es – wie der Name schon sagt – insgesamt vier Zylinder, die die vier Takte versetzt ausführen. Wenn der Motor also erst einmal läuft, ist immer ein Zylinder im Arbeitstakt und kann die anderen Zylinder mit Energie versorgen. Zum Starten braucht man die Energie aus der Batterie.

Abb. 1 ¦ Ottomotor – 1. und 2. Takt   Grafik: die ersten beiden Takte beim Ottomotor
BildunterschriftZu Beginn steht der Kolben oben.

Links: 1. Takt – Ansaugtakt. Bereits vor dem Brennraum wird ein Benzin-Luft-Gemisch erzeugt (im Vergaser oder über Benzineinspritzung) und durch das Einlassventil in den Zylinder eingebracht. Der sich nach unten bewegende Kolben erzeugt einen Unterdruck und saugt das Gemisch in den Zylinder.
Rechts: 2. Takt – Verdichtungstakt. Das Benzin-Luft-Gemisch wird durch den nach oben gehenden Kolben verdichtet.Bildunterschrift Ende

Abb. 2 ¦ Ottomotor – 3. und 4. Takt   Grafik: die letzten beiden Takte beim Ottomotor
BildunterschriftLinks: 3. Takt – Arbeitstakt Von der Zündkerze erzeugte elektrische Funken entzünden das Gemisch. Es verbrennt, dehnt sich aus und bewegt den Kolben nach unten. In diesem Takt wird also Wärme in mechanische, nutzbare Arbeit verwandelt.
Rechts: 4. Takt – Auspufftakt Der sich wieder nach oben bewegende Kolben drückt die Abgase durch das Auslassventil hinaus.

Am Ende des Kreislaufs steht der Kolben also wieder oben und es kann von vorn losgehen.Bildunterschrift Ende

Abb. 3 ¦ Ottomotor  animierte Grafik: Ottomotor
BildunterschriftBildunterschrift Ende

Dem Ottomotor liegt der idealisierte Otto-Kreisprozess zugrunde. Er besteht aus einer adiabatischen Kompression, einer isochoren Wärmezufuhr, einer adiabatischen Wärmezufuhr und einer isochoren Wärmeabgabe.

Sehen wir uns das zunächst einmal im realen Ottomotor an. Im Ansaugtakt wird das Luft-Benzin-Gemisch angesaugt. Indem der Kolben sich zurückzieht, vergrößert sich das Volumen im Zylinder. Der entstehende Unterdruck wird durch das einströmende Kraftstoffgemisch ausgeglichen, sodass während des Vorganges der Druck konstant bleibt – der Ansaugtakt verläuft isobar.
Der anschließende Verdichtungstakt ist eine adiabatische Kompression. Die Zündung im Arbeitstakt geschieht so schnell, dass währenddessen das Volumen des Benzin-Luft-Gemisches als konstant angesehen werden kann – hier haben wir also die isochore Wärmezufuhr. Nach der Zündung expandiert das Gemisch adiabatisch. Der Arbeitstakt umfasst also die isochore Wärmezufuhr und die adiabatische Expansion.
Im Auspufftakt werden die heißen Abgase durch den sich zurückbewegenden Kolben aus dem Zylinder gedrückt. Da die Abgase nach außen dem Druck des Kolbens ausweichen können, verläuft auch dieser Vorgang isobar. Durch das Hinausbefördern der heißen Abgase wird auch Wärme abgeführt. Es handelt sich beim Auspufftakt im Ottomotor also um eine isobare Wärmeabfuhr.

Im idealisierten Otto-Kreisprozess werden aber solch reale Probleme wie Kraftstoffzufuhr oder Abgasentsorgung nicht berücksichtig, hier bleibt ein (ideales) Gas während des gesamten Prozesses im Zylinder, ohne ausgetauscht zu werden. Deshalb enthält der Otto-Kreisprozess weder den Ansaugvorgang noch den Auspuffvorgang. Der Kolben bleibt also nach dem Arbeitstakt auf seiner äußersten Stellung und kann von dort aus gleich mit dem Verdichtungstakt beginnen. Die Wärme wird nicht mit den Abgasen ausgetrieben, sondern „einfach so“ abgegeben. Da der Kolben sich wie gesagt nach dem Arbeitstakt (genauer: nach der adiabatischen Expansion) nicht wieder in den Zylinder hinein bewegt, wird die Wärme also bei unverändertem Volumen abgegeben – daher die isochore Wärmeabgabe im Otto-Kreisprozess.

Abb. 4 ¦ Otto-Kreisprozess   Grafik: Otto-Kreisprozess
BildunterschriftVon links nach rechts: 1. Anfangszustand mit herausgefahrenem Kolben; 2. adiabatische Kompression (hineinfahrender Kolben komprimiert das Luft-Benzin-Gemisch); 3. isochore Wärmezufuhr (rasches Entzünden des Gemisches); 4. adiabatische Expansion (entzündetes Gemisch dehnt sich aus und drückt den Kolben nach außen); 5. isochore Wärmeabgabe (das Zurückfahren des Kolbens und die Abgasentsorgung entfallen); der Anfangszustand ist anschließend wieder erreicht.Bildunterschrift Ende

Dieselmotor

Im Gegensatz zu dem von Nikolaus August Otto (1832–1891) entwickelten Ottomotor hat ein Dieselmotor (erfunden von Rudolf Diesel (1858–1913)) weder einen Vergaser noch Zündkerzen. Im Zylinder wird Luft angesaugt, die dann stark verdichtet wird. Dabei steigt ihre Temperatur so weit an, dass der anschließend eingespritzte Dieselkraftstoff sich von selbst entzündet. Es muss also kein Treibstoff-Luft-Gemisch erzeugt werden und es wird auch kein Zündfunke benötigt.
(Seit einigen Jahren gibt es auch Benzinmotoren mit Direkteinspritzung, bei denen der Brennstoff also auch direkt in den Zylinder gespritzt wird.)

Auch dem Dieselmotor liegt ein idealisierter Kreisprozess zugrunde, vergleichbar dem Otto-Kreisprozess. Im Unterschied zu diesem bewirkt die Zündung jedoch eine isobare Wärmezufuhr, da sie langsamer verläuft und deshalb das Volumen nicht als konstant angesehen werden kann.

Während ein Verbrennungsmotor einen Brennstoff braucht, der verbrannt werden muss, und eine Dampfmaschinen auf den Wärmetransport durch Dampf angewiesen ist, nimmt ein Stirlingmotor mit jeder beliebigen (ausreichend großen) Wärmequelle vorlieb.

© Wiebke Salzmann
Datum der letzten Änderung: 14. Juli 2010