Techniklexikon

Verbrennungskraftmaschine

Arbeitsmaschine, der durch schnelle Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches dadurch eine Nutzleistung entnommen werden kann, daß sich ausdehnende Verbrennungsgase und Dämpfe auf »verdrängbare« Maschinenteile (Kolben) einwirken, von denen aus die aus der Verbrennung stammenden Druckräfte mechanisch nach außen geleitet werden. In Verbrennungsmotoren läuft die Verbrennung periodisch ab, in Gasturbinen stetig. Eine Sonderform einer V. stellt der Stirlingmotor mit »äußerer« Verbrennung dar (s. auch Wärmekraftmaschinen). Thermodynamik und statistische Physik, Verbrennungsmotor, Motor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass, anders als bei der Dampfmaschine, sämtliche Arbeitsprozesse in einem Arbeitsraum (Arbeitszylinder) erfolgen, insbesondere die Wärmezufuhr durch Verbrennung des Brennstoffes. Hinsichtlich der Arbeitsweise unterscheidet man beim Verbrennungsmotor das Viertakt- und Zweitaktverfahren (siehe Abb. 1+2).

Diese Motoren können bei sehr hohen Temperaturen arbeiten, wodurch bessere Wirkungsgrade erreicht werden. Es werden Brennstoffe in verschiedener Form eingesetzt, feste wie beim Kohlenstaub-Motor, flüssige wie beim Otto-Motor oder gasförmige wie bei den Gasmotoren.

In den zugehörigen thermodynamischen Betrachtungen sind nur die Kompression und die Expansion einfache Zustandsänderungen. Die komplexere Verbrennung stellt man sich als eine äussere Wärmezufuhr vor, bei der das Arbeitsmittel in Menge und Zusammensetzung unverändert bleibt. Auch der Austausch des Arbeitsmittels (5-5\'-0-1 in der Abb.) lässt sich durch eine einfache isochore Zustandsänderung (5-1) ersetzen, bei der gleichzeitig die Wärmeabgabe der Auspuffgase erfolgt. Eine solche Realisierung ist der Seiliger-Prozess, bei dem insbesondere die Wärmezufuhr entlang 2-3 isochor, die Wärmezufuhr entlang 3-4 isobar erfolgt. Weitere Vereinfachungen werden beim Otto-Prozess (Verpuffungsmotor, siehe Abb. 3, Otto-Motor) getroffen, bei dem die Phase der isobaren Wärmezufuhr entfällt und beim Diesel-Prozess, beim dem die Wärmezufuhr allein isobar erfolgt (Gleichdruckmotor, siehe Abb. 4, Diesel-Motor).

In diesen vereinfachten Betrachtungen bleiben auch die Zeit für den Füll- und Auspuffvorgang unberücksichtigt. Zudem wird die Wärmeableitung durch die Zylinderwände als vernachlässigbar angesehen. Auch der Zünd- und Verbrennungsvorgang und die ablaufenden Strömungsvorgänge werden als vernachlässigbar angesehen. (Strahlantrieb)

Verbrennungskraftmaschine 1: Zustandsänderungen beim Viertaktverfahren im p-V-Diagramm. Ein Arbeitszyklus wird im Verlauf von zwei Kurbeldrehungen geschlossen:

1. Takt (0-1): Ansaugen von Frischluft (oder des Brenngemisches, z.B. Kraftstoff-Luft-Gemisch), 2. Takt (1-2): Verdichten der Frischluft (bzw. des Brenngemisches), 3. Takt (2-3-4): Einspritzen des Brennstoffes und Verbrennung (bzw. Zündung und Verbrennung des Brenngemisches), (4-5): Expansion der Verbrennungsgase, 4. Takt (5-5\'): Auspuffung der Verbrennungsgase, (5\'-0): Ausschieben der restlichen Verbrennungsgase.

Verbrennungskraftmaschine 2: Zustandsänderungen beim Zweitaktverfahren im p-V-Diagramm. Mit jeder Kurbelumdrehung wird ein Arbeitszyklus durchlaufen:

1. Takt (0-1): Aufladen des Zylinders mit Frischluft (bzw. Brenngemisch), (1-2): Verdichten der Frischluft (bzw. des Brenngemsiches), (2-3-4): Einspritzen des Brennstoffes und Verbrennung (bzw. Zündung und Verbrennen des Brenngemisches), 2. Takt (4-5): Expansion der Verbrennungsgase, (5-5\'-0): Auspuffung und Ausspülen der Verbrennungsgase durch die neue Ladung.

Verbrennungskraftmaschine 3: p-V-Diagramm des Verpuffungsmotors; a) vereinfachter Prozess, b) Viertaktverfahren.

Verbrennungskraftmaschine 4: p-V-Diagramm des Gleichdruckmotors; a) vereinfachter Prozess, b) Zweitaktverfahren.