Verbrennungsmotor

Die wichtigsten Arten von Verbrennungsmotoren:

• Ottomotoren sind in der Regel Hubkolbenmotoren mit fremdgezündeter innerer Verbrennung, die in vielen Variationen gebaut werden.
• Dieselmotoren sind ebenfalls Hubkolbenmotoren mit innerer Verbrennung, die jedoch selbstzündend sind.
• Stirlingmotoren und Ericssonmotoren sind Hubkolbenmotoren mit äußerer Verbrennung, die kontinuierlich arbeitet. Dies ermöglicht die Nutzung einer breiteren Palette von Brennstoffen und sogar von konzentrierter Solarwärme.
• Dampfmotoren arbeiten ebenfalls mit äußerer Verbrennung und mit Wasserdampf als Arbeitsmedium.

Innere Verbrennung bedeutet, dass der Kraftstoff z. B. innerhalb eines Zylinders des Motors verbrannt wird, wobei das entstehende heiße Gas als Arbeitskreis dient. Motoren mit äußerer Verbrennung können dagegen kontinuierlich von außen angelieferte Wärme nutzen.

Der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren variiert deutlich für verschiedene Motorentypen, besonders stark aber hängt er von den Betriebsbedingungen ab:

• Der Wirkungsgrad erreicht sein Maximum normalerweise für volle oder jedenfalls recht starke Auslastung, d. h. wenn der Motor annähernd das maximal mögliche Drehmoment erzeugt. Bei niedriger Last wird der Wirkungsgrad meist sehr schlecht. Selbst im Leerlauf wird eine erhebliche Menge von Kraftstoff benötigt.
• Die Drehzahl ist ebenfalls wichtig. Sie sollte nicht höher sein als benötigt für die jeweilige Leistung. Eine Reduktion der Leistung wird meist effizienter durch Absenkung der Drehzahl vorgenommen (im Auto: höheren Gang wählen) als durch Reduktion der Zufuhr von Kraftstoff und Luft (“Gas wegnehmen”).
• Vor Erreichen der vorgesehenen Betriebstemperatur kann der Wirkungsgrad ebenfalls vermindert sein.

Bei voller Last können Ottomotoren Werte von 35 % oder auch etwas mehr erreichen. Dieselmotoren erreichen auch mehr als 40 %, vor allem mit Direkteinspritzung und Turboaufladung und bei großen Motoren. Große Schiffsdieselmotoren erzielen sogar Wirkungsgrade in der Gegend von 50 %.

Tendenziell erreicht man bei kleineren Motoren weniger hohe Wirkungsgrade. Dies hat unterschiedliche Ursachen; vor allem sind diverse Verlustmechanismen dort relativ gesehen bedeutender. Beispielsweise ist das Verhältnis von Volumen und Oberfläche des Brennraums ungünstiger, sodass das Problem des Wärmeverlustes der Verbrennungsgase an die Wände des Brennraums verhältnismäßig größer ist. Auch Reibungsverluste sind bei kleinen Motoren relativ gesehen stärker. Ein anderer Faktor ist, dass große Motoren häufig lange Laufzeiten aufweisen, sehr große Energiemengen umsetzen und deswegen sorgfältiger optimiert werden.

Die Abgase von Verbrennungsmotoren enthalten in aller Regel wesentlich mehr Schadstoffe wie z. B. Stickoxide, verglichen etwa mit Heizkesseln basierend auf den gleichen Brennstoffen. Dies gilt zumindest für Motoren mit innerer Verbrennung, da diese recht schnell abläuft und unter weniger gut kontrollierten Bedingungen. Die Art und Menge von Schadstoffbelastungen kann stark von der Art des Motors, den Eigenschaften des Kraftstoffs sowie von den Betriebsbedingungen (Leistung, Drehzahl, Betriebstemperatur) abhängen.

Die Abgasproblematik kann erheblich entschärft werden durch eine nachgelagerte Abgasreinigung, insbesondere mit Abgaskatalysatoren (gegen Stickoxide, Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe) und Partikelfiltern (gegen Ruß, Sulfatpartikel u. ä.). Je nach Motortyp können deutlich unterschiedliche Abgasreinigungsverfahren anwendbar sein.

Der Artikel über Messverfahren für Kraftstoffverbrauch und Abgaswerte behandelt Testverfahren, die für Fahrzeuge verwendet werden.

Literatur