Verbrennungsmotor

Ein Verbrennungsmotor, in der Patentliteratur auch als Brennkraftmaschine bezeichnet, ist eine Wärmekraftmaschine nach dem Prinzip der Verbrennungskraftmaschine, die chemische Energie durch Treibstoff-Verbrennung in mechanische Arbeit umwandelt.

Dazu wird in einem Brennraum ein zündfähiges Gemisch aus Kraftstoff und Luft (Sauerstoff) verbrannt.

Kennzeichen aller Verbrennungsmotoren ist die innere Verbrennung, also die Erzeugung der Verbrennungswärme im Motor, weshalb in der englischen Sprache das Akronym ICE (Internal Combustion Engine) für Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen verwendet wird.

Die Wärmeausdehnung des so entstehenden Heißgases wird genutzt, um Kolben (beim Wankelmotor Rotationskolben, sog. Läufer) in Bewegung zu versetzen. Die häufigsten Arten von Verbrennungsmotoren sind Otto- (Fremdzünder) und Dieselmotoren (Selbstzünder). Eine typische Anwendung dieser Motoren ist der Antrieb von Kraftfahrzeugen (kurz Kfz) wie Automobilen oder Motorrädern, Schiffen und Flugzeugen.

Die kontinuierlich arbeitenden Strahl- und Raketentriebwerke sowie Gasturbinen zählen üblicherweise nicht zu den Verbrennungsmotoren, obwohl auch dort der Kraftstoff innerhalb der Maschine verbrannt wird. Dampfturbinen, Dampfmaschinen oder der Stirlingmotor sind keine Verbrennungsmotoren, da die für ihren Betrieb nötige Wärme außerhalb und nicht zwingend durch Verbrennung erzeugt wird.

Erste Verbrennungsmotoren waren bereits in den 1850er-Jahren bekannt. Christian Reithmann betrieb in den 1850er Jahren Gasmotoren, die er selbst entwickelt und gebaut hatte. Étienne Lenoir konnte ab 1859 einen Gasmotor betreiben. Im Jahr 1860 wurde damit das Hippomobile betrieben und ging damit in die Geschichte des Automobils ein.

Nach gut 150 Jahren weiterer Entwicklungsarbeit an Verbrennungsmotoren zeichnete sich ein Ende der Möglichkeiten ab. Die kohlenstoffbasierten Verbrennungsmotoren gelten im 21. Jahrhundert zunehmend als unerwünscht. Im November 2021 beschlossen rund 2 Dutzend Staaten auf der Weltklimakonferenz 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. Das Entwicklungs- und Anwendungspotential von Verbrennungsmotoren für alternative Energien war bis zum Ende der 2010er-Jahre nicht abschließend erforscht. Anfang der 2020er-Jahre zeichneten sich Möglichkeiten für die Zukunftsfähigkeit von Wasserstoffverbrennungsmotoren ab.

Bei allen Motoren mit innerer Verbrennung wird nach jedem Arbeitstakt das beteiligte Gas gewechselt, also Abgas ausgestoßen und frisches Gemisch (Frischgas) zugeführt. Die nicht genutzte Verbrennungswärme, die mit dem Abgas entweicht, geht in die Verlustleistung ein.

Moderne Motoren verdichten das dem Arbeitsraum zugeführte Gas, dann wird unter Druck die Verbrennung 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 des Kraftstoff-Luft-Gemischs die Ausdehnung des Gemischs bei höherem Druck geschieht als das Verdichten. Der maximal mögliche Wirkungsgrad hängt von den Temperaturniveaus ab, auf dem die Verbrennungswärme zu- und abgeführt wird, und ist vom Verdichtungsverhältnis und dem Kreisprozess abhängig. Große Zweitakt-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 %. 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. (siehe Verbrauchskennfeld). Das ist besonders bei Kraftfahrzeugmotoren im Straßenverkehr von Bedeutung, da sie vor allem im unteren Teillastbereich betrieben werden. 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. Dieselelektrische Antriebe dienen unter anderem dazu, die Drehzahl auch dann näher am optimalen Bereich zu halten, wenn nur mit niedriger Geschwindigkeit gefahren wird. Aufgrund des höheren Gewichts kommen sie bevorzugt in ohnehin schweren Fahrzeugen wie Zügen oder Schiffen zum Einsatz. Prinzipiell denkbar sind auch Otto-elektrische oder Wankel-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.

Der Allgemeine 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 die Vorgeschlagene deutsche Bezeichnung für einen Verbrennungsmotor „Zerknalltreibling“ die sich heute nur noch als scherzhafte Bezeichnung erhalten hat.

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