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Wie funktioniert ein Verbrennungsmotor?

Die Funktionsweise

Ein Verbrennungsmotor wandelt die bei der Kraftstoffverbrennung freigesetzte Energie in mechanische Arbeit um. Das Arbeitsprinzip ist bei allen Motoren im Grundsatz gleich: Kraftstoff wird unter hohem Druck als zündfähiges Kraftstoff-Luft-Gemisch in einer Explosion verbrannt. Durch die plötzliche Ausdehnung wird ein Kolben in Bewegung gesetzt. Diese Bewegung wird anschließend bis zum Antriebsstrang des Fahrzeuges geführt. In den meisten Autos sitzt ein Hubkolbenmotor typischerweise in Kombination mit Pleuel und Kurbelwelle unter der Motorhaube. Andere Varianten wie der Wankel- oder Sternmotor sind eher Exoten, weshalb hier nicht weiter darauf eingegangen wird.

In den Brennraum eines Verbrennermotors gehören in erster Linie der Sauerstoff der Luft und Kraftstoff. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch kann aus fein zerstäubtem Benzin, Gas oder Dieselkraftstoff bestehen. Darüber hinaus darf nichts Anderes in den Brennraum gelangen. Eine konstruktive Sonderlösung ist das Abgas-Reinigungssystem über das AGR-Ventil (Abgasrückführung): Hier werden Abgase in die Brennräume zurückgeführt, um die Verbrennungstemperatur und damit die Stickoxidemission zu senken.

Durch den doppelwandigen Aufbau moderner Motoren befinden sich andere Betriebsstoffe in unmittelbarer Nähe der Brennräume. Allerdings dürfen sich Wasser, Öle und ein zu „fettes“ (d. h. zu viel Benzin oder Diesel) Kraftstoff-Luft-Gemisch hier auf keinen Fall in die Arbeitstakte des Motors gelangen, da sie dort einen Schaden verursachen könnten. Erkennen würde man das Problem daran, dass der Auspuff zu qualmen beginnt. Auch Staub und andere Partikel aus der angesaugten Luft dürfen nicht im Motor landen, da sie ins Öl gelangen und zu Motorverschleiß führen würden.

Was passiert beim Verbrennungsprozess in einem Motor?

Es gibt zwei verschiedene Arten von Hubkolbenmotoren: den Zwei- und den Viertaktmotor. Diese unterscheiden sich noch in Otto- und Dieselmotor. Die folgende Tabelle zeigt die wesentlichen Unterschiede anhand des Viertaktmotors.

Ottomotor (Benzin) Dieselmotor
Gemischbildung äußere Gemischbildung (ausgenommen Direkteinspritzung) innere Gemischbildung
Zündung Fremdzündung (Zündkerze) Selbstzündung
Verdichtungsdruck 8 bis 18 bar 30 bis 50 bar
Höchsttemperatur durch Verdichtung 400 bis 600 °C 700 bis 900 °C

Viertaktmotoren arbeiten in vier Arbeitsschritten:

  1. Ansaugen
  2. Verdichten
  3. Arbeiten (Zündung/Explosion)
  4. Ausstoßen
Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Verbrennungsmotors
OT: oberer Totpunkt
UT: unterer Totpunkt
Eö: Einlassventil öffnet
As: Auslassventil schließt
Aö: Auslassventil öffnet
Es: Einlassventil schließt
ZZ: Zündzeitpunkt

Beim Ottomotor wird – außer bei der Direkteinspritzung – ein Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt und beim Dieselmotor reine Luft. Jeder der vier Arbeitsschritte läuft in einem einzelnen Takt ab (Kolbenhub mit Auf- und Abwärtsbewegung, auch oberer Totpunkt und unterer Totpunkt genannt). Während eines Arbeitszyklus mit seinen vier Takten dreht sich die Kurbelwelle somit zweimal. Frischgase und Abgase sind dabei vollständig voneinander getrennt.

Vier Takte des Benzinmotors Vier Takte des Dieselmotors
(1) Einlasstakt Benzin wird mit Luft vermischt, Einlassventil öffnet, der Kolben geht vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) Einlassventil öffnet, Luft strömt ein, der Kolben geht zum UT
(2) Kompressionstakt Der Kolben geht vom UT zum OT, Luft-Benzin-Gemisch wird komprimiert, sobald Einlassventil geschlossen Der Kolben geht hoch, Luft wird komprimiert, sobald Einlassventil geschlossen, und dadurch stark erhitzt
(3) Benzin: Zündungstakt
Diesel: Verbrennungstakt
Luft-Benzin-Gemisch wird über Zündkerze entzündet, der Kolben geht vom OT zum UT Diesel wird eingespritzt, entzündet sich und der Kolben vom OT zum UT
(4) Auslass Der Kolben geht vom UT zum OT und drückt Abgase durch Auslassventil Der Kolben geht vom UT zum OT und drückt Abgase durch Auslassventil

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