Die kontinuierlich arbeitendenStrahl- undRaketentriebwerke sowieGasturbinen zählen üblicherweise nicht zu den Verbrennungsmotoren, obwohl auch dort der Kraftstoff innerhalb der Maschine verbrannt wird.Dampfturbinen,Dampfmaschinen oder derStirlingmotor sind keine Verbrennungsmotoren, da die für ihren Betrieb nötige Wärme außerhalb und nicht zwingend durch Verbrennung erzeugt wird.
Viertakt-Ottomotor als Beispiel für einen Verbrennungsmotor. Keine Direkteinspritzung, sondern Saugrohreinspritzung. Benennung der Arbeitstakte: 1. Ansaugen 2. Verdichten 3. Arbeiten 4. Ausstoßen
Geschichte
Lenoir-Gasmotor im Technischen Museum Wien
Erste Verbrennungsmotoren waren bereits in den 1850er-Jahren bekannt; 1853 ließen sichEugenio Barsanti undFelice Matteucci ihre Erfindung international patentieren.Christian Reithmann betrieb in den 1850er Jahren Gasmotoren, die er selbst entwickelt und gebaut hatte.Quelle?Étienne Lenoir konnte ab 1859 einen Gasmotor betreiben. Im Jahr 1860 wurde damit dasHippomobile betrieben und ging damit in dieGeschichte des Automobils ein.
Nach gut 150 Jahren weiterer Entwicklungsarbeit an Verbrennungsmotoren zeichnete sich ein Ende der Möglichkeiten ab. Diekohlenstoffbasierten Verbrennungsmotoren gelten im 21. Jahrhundert zunehmend als unerwünscht. Im November 2021 beschlossen rund 2 Dutzend Staaten auf derWeltklimakonferenz von Glasgow eine Erklärung zum Verbot von Verbrennungsmotoren im Bereich der automobilen Nutzung. Deutschland unterzeichnete die Erklärung mit Hinweis auf nicht ausgeschöpftes Potential alternativer Brennstoffe nicht.[2]
Votum des Europaparlaments zum Ende des Verbrennungsmotors in Kraftfahrzeugen im Jahr 2035
Am 8. Juni 2022 beschloss dasEU-Parlament auf Vorschlag derEU-Kommission, dass ab 2035 in der Europäischen Union nur nochemissionsfreie Autos zugelassen werden dürfen. Die Hersteller wurden verpflichtet, ihre Flottenemissionen um 100 Prozent zu reduzieren. Das Europaparlament nahm den Vorschlag der EU-Kommission mit 339 Ja- zu 249 Neinstimmen bei 24 Enthaltungen an. Bei der Abstimmung stimmten die europäischen Konservativen (inkl. CDU/CSU) und Rechten (inkl. AfD) gegen den Beschluss. Die Fraktion der konservativenEuropäischen Volkspartei (EVP) hatte zuvor vergeblich versucht, einen Kompromiss durchzusetzen, nachdem auch Fahrzeuge mitHybridantrieb oder mit synthetischen Kraftstoffen betriebene Verbrennungsmotoren erlaubt gewesen wären. DieGrüne Fraktion im Europaparlament drang mit ihrem Vorschlag eines Verbots von Verbrennungsmotoren schon im Jahr 2030 ebenfalls nicht durch.[3]
Grundsätzliche Funktionsweise
Bei allen Motoren mitinnerer Verbrennung wird nach jedem Arbeitstakt das beteiligte Gas gewechselt, alsoAbgas ausgestoßen und frisches Gemisch (Frischgas) zugeführt. Die nicht genutzte Verbrennungswärme, die mit dem Abgas entweicht, geht in dieVerlustleistung ein.
Moderne Motoren verdichten das demArbeitsraum zugeführte Gas, dann wird unter Druck dieVerbrennung eingeleitet. Das Gas erwärmt sich stark und der Druck steigt. Der Motor entspannt das heiße Gas (zum Beispiel mit einem zurückweichenden Kolben), Druck und Temperatur des Gases sinken und das Volumen nimmt zu. Dabei verrichtet es mechanische Arbeit. Je nach Bau- und Funktionsweise des Motors werden diese Vorgänge unterschiedlich verwirklicht. Grundlegend für die Funktion als Motor ist, dass wegen der Verbrennung desKraftstoff-Luft-Gemischs die Ausdehnung des Gemischs bei höherem Druck geschieht als das Verdichten. Der maximal möglicheWirkungsgrad hängt von denTemperaturniveaus ab, auf dem dieVerbrennungswärme zu- und abgeführt wird, und ist vomVerdichtungsverhältnis und demKreisprozess abhängig. GroßeZweitakt-Dieselmotoren erreichen Wirkungsgrade von knapp über 50 %. Moderne Fahrzeug-Ottomotoren erreichen im besten Arbeitspunkt (etwa in der Mitte des Drehzahlbandes und knapp unter der Volllastkurve) einen effektiven Wirkungsgrad von 40 %. Bei Kraftfahrzeug-Dieselmotoren liegt er bei 43 %.[4] Der Wirkungsgrad ist bei hohen Drehzahlen niedriger und fällt bei sinkender Last stark ab, weil sich die mechanischen Verluste im Motor über die Last kaum ändern. Sie betragen ungefähr 10 % der Volllastleistung und sind fast nur von der Drehzahl abhängig (sieheVerbrauchskennfeld). Das ist besonders bei Kraftfahrzeugmotoren imStraßenverkehr von Bedeutung, da sie vor allem im unteren Teillastbereich betrieben werden.[5] Der durchschnittliche Wirkungsgrad eines Kfz-Motors liegt daher sehr viel niedriger als die Maximalwerte. Crastan gibt zum Beispiel für ein herkömmliches Fahrzeug mit Ottomotor einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von 20 % an.[6]Dieselelektrische Antriebe dienen unter anderem dazu, die Drehzahl auch dann näher am optimalen Bereich zu halten, wenn nur mit niedriger Geschwindigkeit gefahren wird.[7][8] Aufgrund des höheren Gewichts kommen sie bevorzugt in ohnehin schweren Fahrzeugen wie Zügen oder Schiffen zum Einsatz. Prinzipiell denkbar sind auch Otto-elektrische oderWankel-elektrische Antriebe, jedoch ist aufgrund der Vorteile des Dieselmotors bei besonders großen Motoren kaum ein Einsatzgebiet für derartige Motoren denkbar, bei denen dieselelektrische Motoren nicht besser geeignet sind.
Bezeichnungen
DerAllgemeine Deutsche Sprachverein unternahm in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts Versuche, das zusammengesetzte Fremdwort „Explosionsmotor“ einzudeutschen. Aus „Explosion“ wurde „Zerknall“ (wie heute noch in „Kesselzerknall“) und aus „Motor“ wurde unter anderem „Treiber“. So lautete der vorgeschlagene deutsche Begriff für einen Verbrennungsmotor „Zerknalltreibling“, was sich heute nur noch als scherzhafte Bezeichnung erhalten hat.
Einteilung
Vorbemerkungen
In der Geschichte des Motorenbaus wurden viele Konzepte erdacht und realisiert, die nicht unbedingt in das folgende Raster passen, zum Beispiel Ottomotoren mitDirekteinspritzung oderVielstoffmotoren. Zugunsten der Übersichtlichkeit werden diese Sonderfälle hier nicht betrachtet.
Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während je eines Taktes ab. Mit Takt ist einKolbenhub gemeint, das heißt eine vollständige Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitszyklus mit vier Takten dreht sich die Kurbelwelle also zweimal. Eine Umdrehung dient dem Gaswechsel. Frischgas und Abgas sind voneinander getrennt (geschlossener Gaswechsel). In der Praxis kommt es aber doch zu einer kurzen Berührung während der sogenanntenVentilüberschneidung.
Auch beim Zweitaktverfahren wird das Gas während zweier Kolbenhübe (= Takte) kalt verdichtet und warm ausgedehnt. Das Abgas wird kurz im Zeitraum kurz vor und nach dem unteren Totpunkt des Kolbens durch frisches Gas ersetzt, das unter Druck in den Zylinder geblasen wird. Daher ist für den Gaswechsel ein eigenes Spülgebläse notwendig. Bei kleinen (Otto)-Motoren ist das die Kolbenunterseite imKurbelgehäuse, größere Motoren haben in der Regel eigen- oder fremdangetriebene Turbo- oderRoots-Gebläse, auch kombiniert mit einemTurbolader. Die Kurbelwelle dreht sich während eines Arbeitszyklus nur einmal. Der Gaswechsel istoffen, das heißt, es kommt zu einer partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.
Im Compoundmotor wird das Gas stufenweise komprimiert und expandiert. Dazu hat derCompoundmotor zwei Verbrennungszylinder und einen dem Vorkomprimieren und Ausstoßen der Gase dienenden Mittelzylinder, dessen Kolben doppeltwirkend ist. Der Kolben im Mittelzylinder saugt die Verbrennungsluft auf seiner Unterseite beim Aufwärtsgang an und komprimiert sie im Abwärtsgang. Die komprimierte Luft wird in einen der Verbrennungszylinder geleitet, wo sie weiter komprimiert wird. Ist der Kolben des Verbrennungszylinders kurz vor dem oberen Totpunkt angekommen, wird der Kraftstoff eingeblasen. Der Kraftstoff verbrennt und durch die expandierenden Gase wird der Kolben nach unten gedrückt. In seinem Aufwärtsgang schiebt der Kolben die Gase nun aber nicht in den Auspuff, sondern zurück in den Mittelzylinder, aber auf die Oberseite. Die weiter expandierenden Gase schieben den Kolben dadurch nach unten, wodurch er die bereits angesaugte Luft vorkomprimiert; beim Aufwärtsgang des Kolbens werden die Gase dann ausgestoßen. Die Arbeitsspiele des Motors haben zu diesem Zeitpunkt bereits von neuem begonnen. Der Mittelzylinder arbeitet im Zweitakt, während die Verbrennungszylinder im Viertakt arbeiten. Deshalb sind für einen Mittelzylinder zwei Verbrennungszylinder erforderlich.Rudolf Diesel ließ sich denCompoundmotor im Rahmen des Patentes DRP 67207 patentieren. Diesel erhoffte sich vom Compoundmotor einen hohen Wirkungsgrad. Im Laufe des Jahres 1896 entstand ein nach den 1894/1895 angefertigten Zeichnungen Nadrowskis gebauter Prototyp, der erst 1897 fertiggestellt wurde. Die Testläufe zeigten, dass aufgrund des hohen Wärmeverlustes beim Überströmen der Gase vom Verbrennungszylinder in den Mittelzylinder kein hoher Wirkungsgrad erzielbar war. Im Leerlauf betrug der Petroleumverbrauch laut Diesel 499 g·PSi·h−1 (678 g·kWi·h−1), zum Vergleich dazu verbrauchte der erste funktionsfähige Dieselmotor bei Nennleistung lediglich 238 g·PS·h−1 (324 g·kW·h−1) Petroleum.[9]
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, 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.
Mikuni-RundschiebervergaserKurbeltrieb und Common-Rail-System
Ottomotoren arbeiten in der Regel mit ungefähr konstantemVerbrennungsluftverhältnis, das heißt pro eine Masseeinheit Kraftstoff werden13 bis 15 Masseeinheiten Luft hinzugemischt. Zur Verbrennung von 1 kg Benzin werden 14,5 kg Luft benötigt; ein solches Kraftstoff-Luft-Gemisch wird alsstöchiometrisch (Luftzahl) bezeichnet. Ist mehr Luft als nötig im Brennraum, so ist das Gemischüberstöchiometrisch, mager (), ist zu wenig Luft im Brennraum, so ist das Gemischunterstöchiometrisch, fett (). Um die Abgase in einem Katalysator mit maximaler Wirkung zu entgiften, ist eine Luftzahl von 1 erforderlich.Dieselmotoren arbeiten mit variabler Luftzahl, etwa von 10 bis 1,3.
Die Gemischbildung kann sowohl innerhalb, als auch außerhalb des Brennraums stattfinden, wobei der bedeutendste Selbstzündermotor, der Dieselmotor, nur mit Gemischbildung innerhalb des Brennraumes funktioniert.
Äußere Gemischbildung
Es wird einzündfähiges Gasgemisch über denAnsaugtrakt in den Zylinder geführt und dort verdichtet. Das ermöglicht hohe Drehzahlen, da es ohne Verzögerung verbrennt, sobald gezündet wird. Durch überhöhte Temperatur (heißer Motor, hohe Verdichtung bei Volllast) kann es zu unkontrollierterSelbstzündung kommen. DieserKlopfen genannte Effekt begrenzt das Verdichtungsverhältnis. Die Klopffestigkeit eines Kraftstoffs wird mit derOktanzahl angegeben und kann durch den Zusatz vonAntiklopfmitteln verringert werden. Nach der Zündung kann die Verbrennung gewöhnlich nicht mehr beeinflusst werden. Die äußere Gemischbildung kann auf zwei Arten erfolgen:
Vergaser zerstäuben dasBenzin in feine Tröpfchen und bilden so einAerosol, das in die Zylinder geführt wird. Bis in die 1990er Jahre waren sie imAutomobilbau üblich und werden heute fast nur noch in Kleinmotoren eingesetzt.
Bei der indirektenBenzineinspritzung, derSaugrohreinspritzung, wird der Kraftstoff mit vergleichsweise geringem Druck imAnsaugtrakt kurz vor dem/den Einlassventil(en) dem Luftstrom beigemengt. Vorteile gegenüber demVergaser sind unter anderem die schnellere und präzisere Steuerung der Kraftstoffmenge und die Lageunabhängigkeit (wichtig zum Beispiel beiFlugmotoren).
Vom Zylinder wird nur Luft angesaugt und verdichtet. Erst unmittelbar vor der Verbrennung wird mit hohem Druck der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt, weshalb der Wirkungsgrad durch höhere Verdichtung gesteigert werden kann. Nach Einspritzbeginn benötigt der Kraftstoff Zeit zum Verdampfen und Durchmischen mit der Luft. Die Verbrennung beginnt verzögert und begrenzt so die maximale Motordrehzahl.
Nach dem Zündverfahren
Funktionsprinzip einesDieselmotorsModellbaumotor mit homogenem Gemisch und Kompressionszündung
Fremdzündung, entweder gesteuert oder ungesteuert alsGlühzündung
Die Fremdzündung ist Merkmal verschiedener Motoren, unter anderem des Ottomotors. Dabei wird das Entzünden des Kraftstoffluftgemisches durch eine Zündhilfe eingeleitet, in der Regel kurz vor dem oberen Totpunkt. Ottomotoren haben dafürZündkerzen. Gibt es keine Zündkerze und ist die Fremdzündung unkontrolliert, so spricht man von Glühzündung. Die ersten Motoren vonGottlieb Daimler arbeiteten mit Glühzündung. Ein früher verbreiteter Glühzündermotor ist derGlühkopfmotor, nach seinem Erfinder auchAkroydmotor genannt. In Deutschland ist er insbesondere aus Ackerschleppern der MarkeLanz Bulldog bekannt, in Skandinavien als Motor von Fischerbooten, unter anderem vonBolinders. Bei diesen Motoren muss vor dem Start einGlühkopf genannter Teil des Zylinderkopfs erhitzt werden, etwa mit einer Lötlampe, ehe die Zündung einsetzen kann. In den Glühkopf wird der Treibstoff während des Verdichtungstaktes eingespritzt. Heute werdenGlühzündermotoren (die allerdings nicht nach dem Akroydverfahren arbeiten) vorwiegend im Modellbau verwendet. Beim Ottomotor können in seltenen Fällen Glühzündungen nach dem Abstellen des Motors vorkommen, sie wirken sich aber schädlich auf das Triebwerk aus und sind daher unerwünscht.
Die Selbstzündung ist Merkmal verschiedener Motoren, bekanntester Selbstzünder ist der Dieselmotor. Bei einem Selbstzündermotor werden keine Zündhilfen eingesetzt, die Zündung wird stattdessen ausschließlich durch Kompressionswärme eingeleitet. Die Arbeitsweise der Selbstzündermotoren ist von ihrem Funktionsprinzip abhängig: bei einem Dieselmotor wird zuerst reine Luft stark verdichtet und dadurch erhitzt. Kurz vor demoberen Totpunkt (OT) wird derDieselkraftstoff eingespritzt, der sich durch die Hitze von selbst entzündet. Da sich der Kraftstoff im Dieselmotor aufgrund der späten Einspritzung entzündet, bevor sich ein homogenes Gemisch bilden kann, spricht man beim Dieselmotor vonheterogenem Gemisch. Bei sogenanntenHCCI-Motoren wird hingegen einhomogenes Gemisch gebildet, das sich nur durch die Kompressionswärme entzünden soll. Anders als beim Dieselmotor muss daher die Einspritzung des Kraftstoffes früh erfolgen, damit das Gemisch bis zur Zündung gut durchmischt (homogen) ist. Dadurch werden bessere Emissionswerte erreicht. Einige Modellbaumotoren arbeiten ebenfalls mit homogener Kompressionszündung, das Gemisch wird hier mit einem Vergaser gebildet, das Verdichtungsverhältnis kann mit einer Schraube verstellt werden.
Nach dem Brennverfahren
MitBrennverfahren bzw.Verbrennungsverfahren bezeichnet man bei Verbrennungsmotoren den Ablauf, in dem der Treibstoff im Motor verbrennt.
Brennverfahren mit homogenem Kraftstoff-Luftgemisch (Ottomotor)
Brennverfahren mit inhomogenem Kraftstoff-Luftgemisch:Schichtladung (Fackelzündung) undDieselmotor
In früheren Jahren wurde der Grad der Schnellläufigkeit aufgrund derKolbengeschwindigkeit, später vermehrt durch dieDrehzahl bestimmt.Bei Großmotoren[10] (Schiffe, Bahn, Stromerzeuger) unterscheidet man drei Klassen:
Langsamläufer bis 300/min, die im Zweitaktverfahren arbeiten und fürSchweröl tauglich sind
Mittelschnellläufer zwischen 300 und 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[11]
Nach Schrön
Hans Schrön unterscheidet im 1942 erschienenen WerkDie Verbrennungskraftmaschine zwischen drei verschiedenen Typen, den Langsamläufern, den Mittelläufern und den Schnellläufern. Als Unterscheidungsmerkmal zieht Schrön dieKolbengeschwindigkeit 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.[12]
Dieselmotoren nach Mau
Günter Mau unterscheidet den Grad der Schnellläufigkeit bei Dieselmotoren wie folgt:[13]
Langsamläufer: bis rund 300 min−1
Mittelschnellläufer: kleiner 1000 min−1
Schnellläufer: größer gleich 1000 min−1
Nach Bauformen und Anzahl der Zylinder
Abhängig von der Anzahl derZylinder werden/wurden Otto- und Dieselmotoren bzw.Viertakt- undZweitakt-Motoren gebaut als:
Die fettgedruckten Bauformen und Zylinderzahlen sind heute in Kraftfahrzeugen gebräuchlich.Der Verbrennungsmotor mit der höchsten Zahl an Zylindern, der je gebaut wurde, ist der ReihensternmotorSwesda M520 mit 56 Zylindern in siebenZylinderbänken 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, sodass 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-DoppelsternmotorenBMW 801 undWright R-2600 oder auch derP & W R-4360 (28 Zylinder in vier Sternen zu je sieben) haben jedoch eine gerade Zylinderzahl.
ImMotorsport werden vereinzelt trotz der höheren Unwucht auch V-Motoren mit ungeraden Zylinderzahlen (drei oder fünf) gebaut.
Als langsam laufendeSchiffsdiesel gibt es Reihenmotoren mit bis zu 14 Zylindern sowie V-Motoren mit 20 oder 24 Zylindern.
Ungewöhnliche Bauarten
DerWankelmotor ist einDrehkolbenmotor, der vonFelix Wankel erfunden und nach ihm benannt ist. Beim Wankelmotor sind zwei kinematische Formen möglich: Zum einen derKreiskolbenmotor, bei dem ein bogig-dreieckiger Kolben (Gleichdick) in einem oval-scheibenförmigen Gehäuse auf einer von der Exzenterwelle bestimmten Kreisbahn umläuft. Zum anderen der Drehkolbenmotor, bei dem sowohl der bogig-dreieckige Läufer als auch die oval-scheibenförmige Hüllfigur (Trochoide) auf leicht versetzten Achsen um ihre Schwerpunkte rotieren.
DerStelzer-Motor, benannt nach seinem ErfinderFrank Stelzer, ist ein Zweitakt-Freikolbenmotor miteinem beweglichen Teil, das „Stufenkolben“ genannt wird. Es besteht aus drei starr durch eine Kolbenstange verbundenen Kolben. Der mittlere ist ein doppelt wirkenderScheibenkolben als Spülpumpe für die beiden äußeren Arbeitskolben, die alskolbenkantengesteuerter,gleichstromgespülter Zweitakter arbeiten. Wegen der Kolbenstange sind die Brennräume dieser Zweitakter ringförmig. Die äußeren Enden des Stufenkolbens bewegen sich aus demMotorblock heraus und können Teil einer Arbeitsmaschine sein, zum Beispiel einesVerdichters oder elektrischenGenerators.
DerMederer-Motor und der Kreuzschleifenmotor haben einen etwas anderen Bewegungsablauf des Kolbens.
DerKugelmotor: Der erste patentierte Kugelmotor wurde von Frank Berry 1961 in den USA entwickelt. Es folgte ein weiteres Modell, das von dem Diplom-Physiker Wolfhart Willimczik nach 1974 entwickelt wurde und nach dem Zweitakt-Prinzip arbeitet.Herbert Hüttlin entwickelte einen Kugelmotor, der mit gekrümmten Kolben arbeitet, die sich gegeneinander bewegen. Dieser Motor wird im Schrifttum unter dem Oberbegriff Rotationskolbenmaschine genannt.Von Arnold Wagner wird der Hiteng-Kugelmotor entwickelt. Der Hiteng-Kugelmotor arbeitet mit zwei Doppelkolben, die sich in einem kugelförmigen Gehäuse drehen. Der Erfinder bezeichnet diesen Motor als Schwenkkolbenmaschine.
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.
Abgase von Verbrennungsmotoren
Grauweiße Abgasfahne durch Wasserdampf im Abgas eines PkwGraublaue Abgasfahne durch Kohlenwasserstoffe im Abgas eines ZweitaktmotorsSchwarze Abgasfahne durch Ruß eines Dieselmotors ohne AbgasnachbehandlungEinVerkehrszeichen im Resort Svatá Kateřina (Počátky, Tschechien)
Das Abgas vonOtto- undDieselmotoren besteht in der Rohemission zum größten Teil aus molekularemStickstoff, sowie ausWasserdampf,Kohlenstoffdioxid undSauerstoff.[14] Abgesehen vonKohlenstoffmonoxid beim Ottomotor nehmen Schadstoffe weniger als 1 % im Rohabgas ein. Sie sind aufgrund der starken Verbreitung von Verbrennungsmotoren aber dennoch ein Umweltproblem. Hinzu kommt der (derzeit) klimaschädliche Treibhauseffekt des Kohlenstoffdioxids, vor allem bei fossiler Herkunft des Kraftstoffs. Bei Abgasmessungen wird der Schadstoffanteil in der Regel auf das „trockene Abgas“ bezogen, das heißt, ohne Berücksichtigung des Wasserdampfs.
Mitunter sind Abgase aus Verbrennungsmotoren sichtbar. Bei niedrigen Außentemperaturen kann die Temperatur im Abgas unter denTaupunkt absinken, sodass der Wasserdampf sichtbar wird.[14] Vor allem in der Vergangenheit waren unbehandelte Abgase von Dieselmotoren durch die Verkettung von Rußpartikeln schwarz getrübt. Ebenfalls der Vergangenheit gehören blaue Abgasfahnen an, die durch hohe Anteile unverbrannter Kohlenwasserstoffe entstanden sind, vor allem beiZweitaktmotoren. Viele schädliche Abgasbestandteile wie Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und Feinstaub sind hingegen weder sicht- noch riechbar, sodass allein anhand der Abgasfahne oder des Abgasgeruchs nicht auf die tatsächliche Schadwirkung der Abgase geschlossen werden kann.
Um den Schadstoffanteil im Abgas zu verringern, wurden beginnend in den 1950er Jahren verschiedene Maßnahmen ergriffen, sieheGeschichte des Automobils. Eine besonders große Wirkung hatte die Einführung vonKatalysatoren als kompakteAbgasreinigungsanlagen ab den 1980er Jahren. Sie sind inzwischen üblich und für Neuwagen in vielen Ländern verbindlich vorgeschrieben; zudem haben seit 2007 Diesel-Kfz neben dem Oxidationskatalysator einenDieselpartikelfilter und eine Stickoxidnachbehandlung mitNOx Speicherkatalysator oderSCR-System. Für Benzinsystem mitDirekteinspritzung ist seit 2017 einOttopartikelfilter weit verbreitet.[15] Eine Minderung von Schadstoffemissionen kann bei Verbrennungskraftmaschinen vor allem durch eine optimale Verbrennungsführung in Bezug auf Temperatur und Luftverhältnis erreicht werden. Außerdem wird zur Senkung der Schadstoffmenge eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs angestrebt, erzielte Effekte werden durch den Trend zu immer schwereren Autos mit immer größerer Motorleistung jedoch größtenteils wieder aufgehoben. Vor allem durch Systeme der Abgasnachbehandlung konnte in den vergangenen Jahrzehnten dennoch eine enorme Absenkung der Schadstoffe im Abgas erzielt werden:
Zusammensetzung der Schadstoffe und von Kohlenstoffdioxid im Abgas von Verbrennungsmotoren
Die Strömungsenergie der Abgase von Verbrennungsmotoren kann genutzt werden für den Antrieb einesTurboladers, der die Verbrennungsluft des Motors vorverdichtet und so eine erhöhte Zufuhr desKraftstoff-Luftgemischs und damit eine höhereMotorleistung und einen verbessertenWirkungsgrad des Motors erlaubt. Um die Wärmeenergie der Abgase von großen Verbrennungsmaschinen, z. B. auf Schiffen, zu nutzen, kommen sog.Abgaskessel zum Einsatz.
Partikelemission durch die Verbrennung
Partikel imAbgas 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 (zum BeispielPAK). Ihre für den Menschen vermutete Gesundheitsrelevanz erhalten die Abgasnanopartikel aufgrund ihrer Oberfläche und Größe. Sie können Zellmembranen verletzen (Ruß) oder mit ihnen reagieren (PAK).[18] Durch ihre Größe (alsNanopartikel bezeichnet man 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. Dem vorgreifend begrenzt die Euro 6 Abgasnorm für 2014 erstmals die Partikelmenge (6×1011 Stück pro km) und nicht mehr nur ihre Masse.[19] Die Masse wird durch die entscheidenden Nanopartikel nur zu 20 % beeinflusst, beim Diesel die Gesamtmasse aber durch geschlossene Partikelfilter bereits um 97 % reduziert.[20] Das zeigt, dass die dortige Ansammlung von Filtrat auch relevante Mengen von Nanopartikeln weit unter der eigentlichen Filterporengröße von 1000 nm abfängt.[21] 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.[22]
Benzin- und Dieselmotoren produzieren während Volllast- und Kaltstartphasen vergleichbare Mengen und Größen an Partikeln.[23] 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, oder bei den ab den 2000er Jahren eingesetztenDirekteinspritzern entstehen diese beim Diesel selbst im Magerbetrieb und damit während aller Betriebsphasen.[24][25] Daher liegt die Partikelmenge des Benziners insgesamt dennoch auf dem niedrigen Niveau eines Diesels mit geschlossenem Filtersystem.[26]
Ursächlich für den Dieselruß sind seinedoppelt so langkettigenAromate (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.[27] 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 derSelbstzündungsphase temperaturbedingt in ihre Bestandteilegecrackt. Zu diesen zählt derKohlenstoff, also Ruß.
Die Partikelzusammensetzung unterscheidet sich aufgrund der Chemie beider Kraftstoffe. So überwiegen beim Benzinmotor die PAK-Partikel, beim Dieselmotor sind es die Rußpartikel. 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.[26]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 oder über einenOttopartikelfilter.
Kohlendioxidemission durch die Verbrennung
Der Verbrennungsmotor verbrennt in der Regel Kohlenwasserstoffe (Diesel, Benzin), die aus fossilem Erdöl gewonnen werden. Diese Verbrennung führt zu Kohlendioxidemissionen, die zur Klimaerwärmung beitragen.Die Kohlendioxid-Emission, die bei der Verbrennung von einem Liter Kraftstoff entsteht, lässt sich gut abschätzen.[28] Als gute Näherung kann man für Diesel die chemische Formel annehmen. Tatsächlich ist Diesel eine Mischung verschiedener Moleküle. Kohlenstoff C hat eine molare Masse von 12 g/mol und Wasserstoff H (atomar) hat eine molare Masse von ca. 1 g/mol. Damit ist der Anteil von Kohlenstoff an der Gesamtmasse von Diesel ungefähr 12/14. Die Verbrennungsreaktion von Diesel ist:
Kohlendioxid hat eine molare Masse von 44 g/mol, da es aus 2 Sauerstoffatomen (16 g/mol) und einem Kohlenstoffatom (12 g/mol) besteht. 12 g Kohlenstoff ergeben 44 g Kohlendioxid.Mit einer Dichte des Diesels von 0,838 kg pro Liter berechnet sich die Masse Kohlendioxid, die bei der Verbrennung von einem Liter Diesel entsteht folgendermaßen:Diese Abschätzung ergibt einen Zahlenwert, der in guter Übereinstimmung mit den Werten ist, die man in der Literatur findet.Für Benzin mit einer Dichte von 0,75 kg/l und einem Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoffatomen von ungefähr 6 zu 14, ergibt sich:1 Liter Benzin ergibt rund 2,3 kg Kohlendioxid.
Verbrennungsmotoren sindWärmekraftmaschinen. Sie unterliegen demCarnot-Limit: Der maximaleWirkungsgrad hängt nur von der Temperaturdifferenz zwischen Verbrennung und Abgabe ab. Praktisch reduzieren Wärmeverluste, Reibung, unvollständige Verbrennung und Nebenaggregate den nutzbaren Anteil stark, sodass Pkw‑Motoren im Alltag meist bei 25–40 % liegen und unter optimalen Bedingungen etwa 40–45 % erreichen; alles darüber ist physikalisch schwer erreichbar und meistens unwirtschaftlich. Dieselmotoren erzielen im Vergleich zur Viertaktmotoren höhere Werte durch höhere Verdichtung und einen günstigeren thermodynamischen Prozes; das Carnot-Limit gilt auch hier.Elektromotoren umgehen degegenüber das Carnot‑Limit, wandeln Strom direkt in mechanische Arbeit und erreichen Motorwirkungsgrade von 90–95 %; vom Akku bis zum Rad liegen reale Werte bei etwa 70–80 %. Damit sind Elektroantriebe systemisch deutlich effizienter.[30]
Beim Einsatz von Kohlenstoffverbindungen als Kraftstoff emittieren Verbrennungsmotoren Kohlenstoffdioxid (CO2). Aufgrund der üblicherweise fossilen Herkunft dieser Kraftstoffe steigt damit dieCO2-Konzentration in der Atmosphäre, was zurglobalen Erwärmung beiträgt. Viele Länder fördern deshalb den Verkauf vonElektroautos und/oder vonHybridelektrokraftfahrzeugen (siehe auchElektromobilitätsgesetz undFörderwürdigkeit). Eine zunehmende Zahl von Ländern plant, den Verkauf von Neuwagen mit Verbrennungsmotor ab einem bestimmten Stichtag zu verbieten.[31]
Derdeutsche Minister für Digitales und Verkehr hatte Anfang 2023 seine Zustimmung wieder zurückgezogen. „Auch Italien, Polen und Bulgarien wollen dem Verbrenner-Aus nicht zustimmen, .. Zusammen mit Deutschland hätten diese Länder eine Sperrminorität.“[38] Später wurde eine Einigung zwischen Deutschland und derEU-Kommission erzielt.[39]
Eine Alternative zu der Umstellung auf Elektromotoren, insbesondere für Bereiche, in denen diese schwierig umzusetzen ist, stellt der klimaneutrale Betrieb von Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffen regenerativer Herkunft (z. B.Biokraftstoffe oderE-Fuels) dar. Auch dafür existieren Förderprogramme, beispielsweise in Deutschland.[40]
Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk:Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage. Holland + Josenhans Verlag, Stuttgart 1997,ISBN 3-7782-3520-6.
Gernot Greiner:Verbrennungsmotoren im Auto- und Flugmodellbau. Franzis Verlag, Poing bei München 2012,ISBN 978-3-645-65090-8.
Helmut Hütten:Motoren: Technik – Praxis – Geschichte. 10. Auflage. Motorbuch Verlag, Stuttgart 1997,ISBN 3-87943-326-7.
↑Nach Definition derIPC-Klasse F02 „Brennkraftmaschinen; mit Heißgas oder Abgasen betriebene Kraftmaschinenanlagen“, Untergruppe F02B „Brennkraftmaschinen mitinnerer Verbrennung mit Verdrängerwirkung; Brennkraftmaschinen allgemein“ werden Erfindungen von Verbrennungsmotoren von den Patentämtern in diese Klassen eingeordnet.
↑Günter Mau:Handbuch Dieselmotoren im Kraftwerks- und Schiffsbetrieb. Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden 1984,ISBN 3-528-14889-6, S. 15.
↑abWieviel Wasser erzeugt ein Verbrennungsmotor?. In:Kraftfahrzeugtechnik 5/1980, S. 139.
↑Christof Vieweg:Feinstaub: Auch Benziner brauchen einen Filter. In:Die Zeit. 25. Februar 2017,ISSN0044-2070 (zeit.de [abgerufen am 11. Dezember 2019]).
↑Environment: Senate wins Clean Car Race. In:Nature.Band228,Nr.5266, Oktober 1970,S.11–12,doi:10.1038/228011b0 (englisch).
↑Xiangdong Chen, Dave OudeNijeweme, Richard Stone, Philip Price:Cold Start Particulate Emissions from a Second Generation DI Gasoline Engine.Nr.2007-01-1931. SAE Technical Paper, Warrendale, PA 23. Juli 2007 (sae.org [abgerufen am 10. März 2019]).
.gif)
.jpg)
