21.3: Verbrennungsmotor

Der Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, die die Nebenprodukte der Verbrennung als Arbeitsmedium verwendet, anstatt ein Wärmeträgermedium zur Wärmeübertragung zu verwenden. Die Verbrennung erfolgt so, dass Hochdruckverbrennungsprodukte entstehen, die durch eine Turbine oder einen Kolben expandiert werden können, um Arbeit zu erzeugen. Verbrennungsmotoren können wiederum in drei Arten eingeteilt werden: (1) Ottomotoren mit Fremdzündung, die am häufigsten in Automobilen verwendet werden, (2) Dieselmotoren mit Selbstzündung, die in schweren Fahrzeugen und Industriemaschinen eingesetzt werden, und (3) Gasturbinen, die in Flugzeugen eingesetzt werden.

Die Funktionsweise des Verbrennungsmotors kann anhand von Ottomotoren mit Fremdzündung erklärt werden. Bei den meisten davon handelt es sich um Viertaktmotoren, die vier Kolbenhübe benötigen, um einen Zyklus abzuschließen. Die vier Takte sind der Einlasstakt, der Verdichtungstakt, der Zünd- und Arbeitstakt sowie der Auslasstakt.

Während des Einlasstakts ist das Einlassventil geöffnet und das Auslassventil geschlossen. Der absteigende Kolben saugt das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch das Einlassventil. Am Ende dieses Hubs wird das Einlassventil geschlossen, und der Kolben verdichtet das Gemisch annähernd adiabatisch. Dieser Schlag wird als Kompressionshub bezeichnet. Beim Arbeitstakt entzündet die Zündkerze das Gas. Das erhitzte Gas dehnt sich nahezu adiabatisch bis zu seinem maximalen Volumen aus. Die Arbeit am Kolben wird durch Herunterdrücken erledigt. Schließlich öffnet sich das Auslassventil und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch das verbrannte Gas aus dem Zylinder ausgestoßen und der Zylinder für den nächsten Ansaugtakt vorbereitet wird.

Der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors wird durch das Verdichtungsverhältnis ausgedrückt. Es ist das Verhältnis des maximalen zum minimalen Volumen des Zylinders. Bei Automobilmotoren reicht sie von 8 bis 10.