Verbrennungskraftmaschine - Technik.

« 4 ARBEITSWEISE VON OTTOMOTOREN Funktionsweise eines Viertakt-HubkolbenmotorsDiese zum Teil animierte Illustration zeigt stark vereinfacht am Beispiel des Benzin- oder Ottomotors die Funktionsweise einesHubkolbenmotors nach dem Viertaktprinzip.

Dieselmotoren funktionieren ähnlich, aber sie benötigen z.

B.

keine Zündkerzen, weil derDieselkraftstoff sich ab einer bestimmten Verdichtung von selbst entzündet.© Microsoft Corporation.

Alle Rechte vorbehalten. Ottomotoren durchlaufen bei Betrieb sich periodisch wiederholende Zyklen, die man als Arbeitsspiel bezeichnet.

Normalerweise ist der Ottomotor ein Viertaktmotor, d.

h.,der Kolben führt während eines Arbeitsspieles vier Hübe oder Takte aus, zwei in Richtung des (geschlossenen) Zylinderkopfes und zwei weg vom Kopf.

Während des erstenTaktes (Ansaugtakt) bewegt sich der Kolben vom Zylinderkopf weg, gleichzeitig wird das Einlassventil geöffnet.

Durch die Kolbenbewegung während dieses Taktes wird einebestimmte Menge des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Brennraum eingesaugt.

Während des nächsten Taktes (Verdichtungstakt) bewegt sich der Kolben in Richtung desZylinderkopfes und verdichtet das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum.

In dem Augenblick, in dem der Kolben das Ende dieses Taktes erreicht hat, ist das freie Volumenin der Brennkammer am geringsten, der Kraftstoff wird mit der Zündkerze entzündet und verbrennt.

Dabei wirkt das sich ausdehnende Brenngas auf den Kolben, derdadurch beim dritten Takt (Arbeitstakt) vom Zylinderkopf weggedrückt wird.

Beim vierten und letzten Takt (Auspuff- oder Ausschiebetakt) wird das Auslassventil geöffnet.Der Kolben bewegt sich in Richtung des Zylinderkopfes und drückt dabei die Abgase aus der Verbrennungskammer, so dass der Zylinder für das nächste Arbeitsspiel bereitist. Der Wirkungsgrad oder die effektive Arbeitsweise eines modernen Ottomotors wird durch eine Reihe von Faktoren begrenzt, darunter u.

a.

Kühlungs- und Reibungsverluste.Im Allgemeinen bestimmt das Verdichtungsverhältnis den Wirkungsgrad einer solchen Kraftmaschine, also wie viel der Wärmeenergie des Kraftstoffes in mechanischeEnergie umgewandelt wird.

Das Verdichtungsverhältnis (das Verhältnis von maximalem und minimalem Volumen der Verbrennungskammer) liegt beim größten Teil dermodernen Ottomotoren meist bei etwa 8:1 oder 10:1.

Höhere Verdichtungsverhältnisse von etwa 12:1 mit entsprechender Erhöhung des Wirkungsgrades sind mitklopffesten Kraftstoffen hoher Octanzahl möglich.

Der Wirkungsgrad eines guten, modernen Ottomotors liegt zwischen 20 und 25 Prozent, d.

h., nur 20 bis 25 Prozent derWärmeenergie des Kraftstoffes werden in mechanische Energie umgewandelt. 5 ARBEITSWEISE VON DIESELMOTOREN Die meisten Dieselmotoren sind Viertaktmotoren, funktionieren allerdings anders als Ottomotoren.

Der Unterschied liegt in der Art, wie das Luft-Kraftstoff-Gemischverbrennt.

Beim Ottomotor erfolgt die Verbrennung explosionsartig, so dass der Kolben dem Gasdruck nicht mit der gleichen Geschwindigkeit nachgeben kann.

Theoretischbetrachtet, ändert sich das Gasvolumen oder der Raum, den das verbrennende Gas einnimmt, in der Kürze der Verbrennungszeit nicht, weshalb man hier von einerGleichraumverbrennung oder einem Gleichraumprozess spricht.

Während der sehr kurzen Verbrennungszeit sind der Druck und die Temperatur beim Ottomotor drei- bisviermal höher als beim Dieselmotor.

Dagegen erfolgt beim Dieselmotor die Verbrennung des Kraftstoffes und die Abfuhr der verbrannten Abgase über einen vergleichsweiselängeren Zeitraum.

Der Druck, den das verbrennende Gas dabei auf den Kolben ausübt, bleibt nahezu gleich, weshalb hier auch von einer Gleichdruckverbrennung odereinem Gleichdruckprozess gesprochen wird. Beim Dieselmotor wird beim ersten oder Ansaugtakt nur Luft und kein Kraftstoff durch ein Einlassventil in den Brennraum gesaugt.

Beim zweiten Takt, demVerdichtungstakt, wird die Luft auf einen geringen Teil ihres vorherigen Volumens zusammengepresst, durch das Zusammenpressen (Kompression) auf etwa 30 bis 55 Barverdichtet und dabei auf 700 bis 900 °C erhitzt.

Am Ende des Verdichtungstaktes wird zerstäubter Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt, der aufgrund der hohenTemperatur der Luft im Brennraum sofort verbrennt.

Einige Dieselmotoren verfügen über eine zusätzliche elektrische Zündanlage, die den Kraftstoff beim Anlassen zündet.Sie ist nur so lange in Betrieb, bis der Motor warm ist.

Die Verbrennung treibt den Kolben im dritten Takt oder Arbeitstakt zurück.

Beim vierten Takt werden wie beimOttomotor die Abgase ausgeschoben. Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors, der im Übrigen von den gleichen Faktoren bestimmt wird wie beim Ottomotor, ist von Natur aus höher als der eines Ottomotors undbeträgt bei den heute eingesetzten Motoren etwas über 40 Prozent.

In der Regel arbeiten Dieselmotoren bei niedrigeren Drehzahlen als Ottomotoren. 5.1 Abgase von Dieselmotoren Bei der Verbrennung von Dieselkraftstoff bilden sich Schadstoffe wie Stickoxide und Ruß.

Je höher der Sauerstoffanteil im zu verbrennenden Luft-Diesel-Gemisch ist, destogrößer wird der Stickoxidanteil im Abgas.

Ist der Sauerstoffanteil bei der Verbrennung jedoch gering, so steigt der Anteil an Rußpartikeln im Abgas.

Eine Möglichkeit, dieungünstigen Emissionswerte bei Dieselmotoren zu verbessern, bietet die so genannte Common-Rail-Einspritzung (Speichereinspritzung).

Common rail bezeichnet die gemeinsame Verteilerleiste, über die die Einspritzdüsen (Injektoren) mit der Kraftstoffpumpe verbunden sind.

Bei herkömmlichen direkteinspritzenden Systemen werdenEinspritzdruck und -menge letztlich über die Nockenwelle gesteuert.

Dadurch sind Druckerzeugung und Einspritzung miteinander gekoppelt.

Im Gegensatz dazu übernimmtbei der Common-Rail-Einspritzung eine spezielle Steuerelektronik die Regelung von Druck und Einspritzmenge, d.

h., Druckerzeugung und Einspritzung werden entkoppelt.Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens liegt auf der Hand: Für jede Drehzahl und Belastung des Motors lässt sich der Einspritzdruck so wählen, dass ein für dieVerbrennung optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. 5.2 Rußfilter Die bislang beste Methode, um Rußpartikel aus den Abgasen eines Dieselmotors zu entfernen, ist der Einsatz von Partikelfiltern.

Moderne Rußpartikelfilter bestehen aushitzebeständiger Keramik (z.

B.

Siliciumcarbid).

Das Kernstück des Filters ist wabenförmig aufgebaut und hat eine Vielzahl von Kanälen, durch die das rußbeladene Abgaswährend des Motorbetriebs strömt.

Die Wände des Wabenkörpers sind grobporig, d.

h., in diesen Poren können sich die Rußpartikel ablagern und auf diese Weise nahezuvollständig aus dem Abgas entfernt werden. Damit der Rußfilter funktionsfähig bleibt, muss er in gewissen Zeitabständen regeneriert werden, was durch Verbrennung der Rußpartikel gelingt.

Ein besonderes Verfahrenwurde hierzu von den französischen Automobilherstellern Peugeot und Citroën entwickelt.

Bei diesem Verfahren wird zum einen die Zündfähigkeit der Partikel durchKraftstoffadditive auf die Abgastemperatur (etwa 450 °C) herabgesetzt – normalerweise liegt die Zündtemperatur der Partikel bei etwa 600 °C.

Zum anderen nutzt man dieCommon-Rail-Technik, um die Temperatur der Abgase kurzfristig auf etwa 550 °C anzuheben.

Bei dieser Temperatur verbrennen die im Filter abgeschiedenen Rußpartikel.Die Regeneration dauert etwa zwei bis drei Minuten und wird von einem Drucksensor kontrolliert. 6 ARBEITSWEISE VON ZWEITAKTMOTOREN. »