Verbrennungsmotor

Ein Verbrennungsmotor ( auch Verbrennungsmotor genannt ) ist eine Wärmekraftmaschine, in der ein Kraftstoff mit einem Oxidationsmittel (üblicherweise Luft) in einer Brennkammer verbrannt wird, die integraler Bestandteil des Arbeitsmediumkreislaufs ist . Die Expansion der bei der Verbrennung entstehenden Hochtemperatur- und Hochdruckgase übt in einem Verbrennungsmotor eine direkte Kraft auf die Motorkomponenten aus. Diese Kraft wirkt typischerweise auf Kolben ( Kolbenmotor ), Turbinenschaufeln ( Gasturbine ), einen Rotor (Wankelmotor) oder eine Düse ( Strahltriebwerk ). Dadurch wird die Komponente über eine bestimmte Strecke bewegt. Dieser Prozess wandelt chemische Energie in kinetische Energie um, die zum Antreiben, Bewegen oder zur Energieversorgung des jeweiligen Bauteils genutzt wird, an dem der Motor befestigt ist.

Die ersten kommerziell erfolgreichen Verbrennungsmotoren wurden Mitte des 19. Jahrhunderts erfunden. Der erste moderne Verbrennungsmotor, der Ottomotor , wurde 1876 von dem deutschen Ingenieur Nicolaus Otto entwickelt . ^{[ 1 ]} Der Begriff Verbrennungsmotor bezeichnet üblicherweise einen Motor mit intermittierender Verbrennung , wie beispielsweise die bekannteren Zwei- und Viertakt- Kolbenmotoren sowie deren Varianten, etwa den Sechstakt- Kolbenmotor und den Wankelmotor . Eine zweite Klasse von Verbrennungsmotoren nutzt die kontinuierliche Verbrennung: Gasturbinen , Strahltriebwerke und die meisten Raketentriebwerke . Sie alle sind Verbrennungsmotoren, die nach dem gleichen Prinzip wie zuvor beschrieben funktionieren. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Im Gegensatz dazu wird bei externen Verbrennungsmotoren , wie Dampf- oder Stirlingmotoren , die Energie einem Arbeitsmedium zugeführt, das nicht aus Verbrennungsprodukten besteht, mit diesen vermischt oder durch sie verunreinigt ist. Als Arbeitsmedien für externe Verbrennungsmotoren dienen unter anderem Luft, Heißwasser, Druckwasser oder sogar in einem Kessel erhitztes flüssiges Natrium .

Obwohl es viele stationäre Anwendungen gibt, werden Verbrennungsmotoren (ICEs) hauptsächlich in mobilen Anwendungen eingesetzt und dienen als primäre Energiequelle für Fahrzeuge wie Autos , Flugzeuge und Boote . ICEs werden typischerweise mit kohlenwasserstoffbasierten Kraftstoffen wie Erdgas , Benzin , Diesel oder Ethanol betrieben . Erneuerbare Kraftstoffe wie Biodiesel werden in Dieselmotoren (CI-Motoren) verwendet, Bioethanol oder ETBE (Ethyl-tert-butylether), das aus Bioethanol hergestellt wird, in Ottomotoren (SI-Motoren). Bereits im Jahr 1900 nutzte der Erfinder des Dieselmotors, Rudolf Diesel , Erdnussöl für den Betrieb seiner Motoren. ^{[ 3 ]} Erneuerbare Kraftstoffe werden häufig mit fossilen Brennstoffen gemischt. Wasserstoff , der selten verwendet wird, kann sowohl aus fossilen Brennstoffen als auch aus erneuerbaren Energien gewonnen werden.

Verschiedene Wissenschaftler und Ingenieure trugen zur Entwicklung von Verbrennungsmotoren bei. 1791 entwickelte John Barber die Gasturbine . 1794 patentierte Thomas Mead einen Gasmotor . Ebenfalls 1794 patentierte Robert Street einen Verbrennungsmotor, der als erster flüssigen Brennstoff nutzte , und baute um diese Zeit einen solchen Motor. 1798 konstruierte John Stevens den ersten amerikanischen Verbrennungsmotor. 1807 betrieben die französischen Ingenieure Nicéphore Niépce (der später die Fotografie erfand ) und Claude Niépce einen Prototyp eines Verbrennungsmotors, den Pyréolophore , der mit kontrollierten Staubexplosionen arbeitete und von Napoleon Bonaparte patentiert wurde . Dieser Motor trieb ein Boot auf der Saône in Frankreich an. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Im selben Jahr erfand der Schweizer Ingenieur François Isaac de Rivaz einen wasserstoffbasierten Verbrennungsmotor mit elektrischer Zündung. Im Jahr 1808 baute De Rivaz seine Erfindung in ein primitives Arbeitsfahrzeug ein – „das weltweit erste mit Verbrennungsmotor betriebene Automobil“. ^{[ 6 ]} Im Jahr 1823 patentierte Samuel Brown den ersten industriell eingesetzten Verbrennungsmotor.

1854 erhielten die italienischen Erfinder Eugenio Barsanti und Felice Matteucci in Großbritannien die Zertifizierung für die „Gewinnung von Antriebskraft durch die Explosion von Gasen“. 1857 erteilte ihnen das britische Patentamt (Great Seal Patent Office) das Patent Nr. 1655 für die Erfindung einer „Verbesserten Vorrichtung zur Gewinnung von Antriebskraft aus Gasen“. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]} Zwischen 1857 und 1859 erhielten Barsanti und Matteucci weitere Patente für dieselbe Erfindung in Frankreich, Belgien und Piemont. ^{[ 11 ] [ 12 ]} 1860 entwickelte der belgische Ingenieur Jean Joseph Etienne Lenoir einen gasbetriebenen Verbrennungsmotor. ^{[ 13 ]} 1864 patentierte Nicolaus Otto den ersten atmosphärischen Gasmotor. 1872 erfand der Amerikaner George Brayton den ersten kommerziell erhältlichen, flüssigkeitsbetriebenen Verbrennungsmotor. 1876 ​​begann Nicolaus Otto die Zusammenarbeit mit Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach und patentierte den Viertakt-Kompressionsmotor. 1879 patentierte Karl Benz einen zuverlässigen Zweitakt -Benzinmotor. Später, 1886, begann Benz mit der Serienproduktion von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, bei denen ein dreirädriges Viertakt-Motorrad und ein Fahrgestell eine Einheit bildeten. ^{[ 14 ]} 1892 entwickelte Rudolf Diesel den ersten Kompressionszündungsmotor. 1926 startete Robert Goddard die erste Rakete mit Flüssigkeitstreibstoff. 1939 wurde die Heinkel He 178 zum ersten Düsenflugzeug der Welt . ^{[ 15 ]}

Früher bezeichnete das Wort „ Engine“ (über das Altfranzösische , vom lateinischen „ingenium“ , „Fähigkeit“) jegliche Art von Maschine – eine Bedeutung, die sich in Ausdrücken wie „Belagerungsmaschine“ bis heute erhalten hat . Ein „Motor“ (vom lateinischen „ motor“ , „Beweger“) ist jede Maschine, die mechanische Energie erzeugt . Traditionell werden Elektromotoren nicht als „Engines“ bezeichnet; Verbrennungsmotoren hingegen werden oft als „Motoren“ bezeichnet. (Eine elektrische Lokomotive ist beispielsweise elektrisch betrieben.)

In der Schifffahrt wird ein im Rumpf eingebauter Verbrennungsmotor als Motor bezeichnet, während die am Heckspiegel montierten Motoren als Motoren bezeichnet werden. ^{[ 16 ]}

Hubkolbenmotoren sind mit Abstand die häufigste Antriebsquelle für Land- und Wasserfahrzeuge , darunter Automobile , Motorräder , Schiffe und in geringerem Umfang Lokomotiven (einige sind elektrisch, die meisten verwenden jedoch Dieselmotoren ^{[ 17 ] [ 18 ]} ). Wankelmotoren werden in einigen Automobilen, Flugzeugen und Motorrädern eingesetzt. Diese werden zusammenfassend als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (ICEV) bezeichnet. ^{[ 19 ]}

Wo ein hohes Leistungsgewicht erforderlich ist, kommen Verbrennungsmotoren in Form von Gasturbinen oder Wankelmotoren zum Einsatz. Flugzeuge mit Antrieb nutzen typischerweise einen Verbrennungsmotor, der als Hubkolbenmotor ausgeführt sein kann. Alternativ können Flugzeuge Strahltriebwerke und Hubschrauber Turbowellenantriebe verwenden ; beides sind Turbinenarten. Zusätzlich zum Hauptantrieb kann ein separater Verbrennungsmotor als Hilfsaggregat dienen . Wankelmotoren werden in vielen unbemannten Luftfahrzeugen eingesetzt .

Verbrennungsmotoren treiben große Generatoren an, die Stromnetze versorgen. Sie kommen in Form von Gasturbinen mit einer typischen elektrischen Leistung von etwa 100 MW vor. Kombikraftwerke nutzen die hohen Abgastemperaturen, um Wasserdampf zu verdampfen und zu überhitzen, der dann eine Dampfturbine antreibt . Dadurch ist der Wirkungsgrad höher, da mehr Energie aus dem Brennstoff gewonnen wird, als es mit einem Verbrennungsmotor allein möglich wäre. Kombikraftwerke erreichen Wirkungsgrade von 50–60 %. Im kleineren Maßstab werden stationäre Motoren wie Gasmotoren oder Dieselgeneratoren als Notstromversorgung oder zur Stromversorgung netzferner Gebiete eingesetzt .

Kleine Motoren (in der Regel Zweitakt- Einzylinder -Benzinmotoren) sind eine gängige Antriebsquelle für Rasenmäher , Fadentrimmer , Kettensägen , Laubbläser , Hochdruckreiniger , ferngesteuerte Autos , Schneemobile , Jetskis , Außenbordmotoren , Mopeds und Motorräder .

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Verbrennungsmotoren zu klassifizieren.

Nach Anzahl der Striche:

• Zweitaktmotor
  • Angestelltenzyklus ^{[ 20 ]}
  • Tageszyklus
• Viertaktmotor ( Otto-Zyklus )
• Sechstaktmotor

Nach Zündart:

• Kompressionszündungsmotor
• Ottomotor (häufig bei Benzinmotoren anzutreffen )

Durch einen mechanisch-thermodynamischen Kreislauf (diese Kreisläufe werden selten genutzt, sind aber häufig in Hybridfahrzeugen sowie in anderen Fahrzeugen zu finden, die auf Kraftstoffeffizienz ausgelegt sind ^{[ 21 ]} ):

• Atkinson-Zyklus
• Miller-Zyklus

• Wankelmotor
• Kolbenloser Rotationsmotor

• Gasturbinenmotor​
  • Turbojet , durch eine Antriebsdüse
  • Turbofan , durch einen Kanalventilator
  • Turboprop , mittels eines unummantelten Propellers, üblicherweise mit variabler Steigung
  • Turbowelle , eine Gasturbine, die für die Erzeugung von mechanischem Drehmoment anstelle von Schubkraft optimiert ist
• Ramjet , ^{[ 22 ]} ähnlich einem Turbojet, nutzt aber die Fahrzeuggeschwindigkeit, um die Luft zu komprimieren (zu verdichten) anstatt eines Kompressors.
• Scramjet , eine Variante des Staustrahltriebwerks, die Überschallverbrennung nutzt.
• Raketenmotor

Die Basis eines Hubkolben-Verbrennungsmotors bildet der Motorblock , der typischerweise aus Gusseisen (aufgrund seiner guten Verschleißfestigkeit und der geringen Kosten) ^{[ 23 ]} oder Aluminium gefertigt ist . Im letzteren Fall bestehen die Zylinderlaufbuchsen aus Gusseisen oder Stahl ^{[ 24 ]} oder sind mit einer Beschichtung wie Nikasil oder Alusil versehen . Der Motorblock enthält die Zylinder . Bei Mehrzylindermotoren sind diese üblicherweise ein- oder zweireihig ( Boxer- oder V - Motor ) angeordnet; drei- oder vierreihige Zylinderreihen ( W-Motor ) werden in modernen Motoren gelegentlich verwendet , und auch andere Motorkonfigurationen sind möglich und wurden bereits eingesetzt. Einzylindermotoren (auch Stutzenmotoren genannt) sind gängig für Motorräder und andere kleine Motoren in leichten Maschinen. An der Außenseite des Zylinders sind Kühlkanäle in den Motorblock eingegossen, während bei einigen Hochleistungsmotoren austauschbare Zylinderlaufbuchsen verwendet werden. ^{[ 23 ]} Wassergekühlte Motoren besitzen im Motorblock Kanäle, durch die Kühlflüssigkeit zirkuliert (den Wassermantel ). Einige kleine Motoren sind luftgekühlt. Anstelle eines Wassermantels verfügt der Zylinderblock über Kühlrippen, die von ihm abstehen und den Motor durch direkte Wärmeabgabe an die Luft kühlen. Die Zylinderwände werden üblicherweise durch Honen bearbeitet, um eine Kreuzschliffstruktur zu erzielen , die mehr Öl aufnehmen kann. Eine zu raue Oberfläche würde den Motor durch übermäßigen Kolbenverschleiß schnell beschädigen.

Die Kolben sind kurze, zylindrische Bauteile, die ein Ende des Zylinders gegen den hohen Druck der komprimierten Luft und der Verbrennungsprodukte abdichten und sich während des Motorbetriebs kontinuierlich darin bewegen. In kleineren Motoren bestehen die Kolben aus Aluminium, während sie in größeren Anwendungen typischerweise aus Gusseisen gefertigt sind. ^{[ 23 ]} Für höhere Festigkeit können Kolben auch aus Titan oder Schmiedestahl bestehen. Die Oberseite des Kolbens wird als Kolbenboden bezeichnet und ist üblicherweise flach oder konkav. Einige Zweitaktmotoren verwenden Kolben mit einem Deflektorkopf . Kolben sind unten offen und hohl, abgesehen von einer integrierten Verstärkungsstruktur (dem Kolbensteg). Im Betrieb des Motors übt der Gasdruck im Brennraum eine Kraft auf den Kolbenboden aus, die über den Kolbensteg auf den Kolbenbolzen übertragen wird . Jeder Kolben ist mit umlaufenden Kolbenringen versehen, die weitgehend verhindern, dass Gase in das Kurbelgehäuse oder Öl in den Brennraum gelangen. ^{[ 25 ]} Ein Entlüftungssystem leitet die geringe Menge an Gasen, die während des normalen Betriebs an den Kolben vorbeiströmen (Blow-by-Gase), aus dem Kurbelgehäuse ab, damit sie sich nicht ansammeln, das Öl verunreinigen und Korrosion verursachen. ^{[ 23 ]} Bei Zweitakt-Benzinmotoren ist das Kurbelgehäuse Teil des Kraftstoff-Luft-Gemisches, und aufgrund des kontinuierlichen Kraftstoffflusses benötigen Zweitaktmotoren kein separates Kurbelgehäuseentlüftungssystem.

Der Zylinderkopf ist mit zahlreichen Schrauben oder Stehbolzen am Motorblock befestigt . Er erfüllt mehrere Funktionen. Der Zylinderkopf dichtet die Zylinder auf der dem Kolben abgewandten Seite ab. Er enthält kurze Kanäle (die Einlass- und Auslasskanäle ) sowie die zugehörigen Einlassventile , die sich öffnen, um den Zylinder mit Frischluft zu füllen, und Auslassventile, die sich öffnen, um die Verbrennungsgase entweichen zu lassen. Die Ventile sind häufig Tellerventile ^{[ 26 ] [ 27 ]} , können aber auch Drehventile ^{[ 28 ]} oder Schieberventile ^{[ 26 ]} sein . Bei Zweitaktmotoren mit Kurbelgehäusespülung sind die Gaskanäle jedoch ohne Tellerventile direkt mit der Zylinderwand verbunden; der Kolben steuert stattdessen deren Öffnung und Schließung. Der Zylinderkopf trägt außerdem die Zündkerze bei Fremdzündungsmotoren und die Einspritzdüse bei Motoren mit Direkteinspritzung. Alle Dieselmotoren (CI – Kompressionszündung) verwenden Kraftstoffeinspritzung, üblicherweise Direkteinspritzung, einige Motoren jedoch auch indirekte Einspritzung . Ottomotoren (Spark Ignition) können mit Vergaser oder Saugrohr- bzw. Direkteinspritzung betrieben werden . Die meisten Ottomotoren haben eine Zündkerze pro Zylinder, einige jedoch zwei . Eine Zylinderkopfdichtung verhindert das Austreten von Benzin zwischen Zylinderkopf und Motorblock. Das Öffnen und Schließen der Ventile wird durch eine oder mehrere Nockenwellen und Ventilfedern gesteuert – oder bei manchen Motoren durch einen desmodromischen Mechanismus ohne Ventilfedern. Die Nockenwelle kann direkt auf den Ventilschaft drücken oder über einen Kipphebel , entweder direkt oder über eine Stößelstange , wirken .

Das Kurbelgehäuse ist unten mit einer Ölwanne abgedichtet , die das während des normalen Betriebs abtropfende Öl auffängt und wiederverwendet. Der Hohlraum zwischen Zylinderblock und Ölwanne beherbergt die Kurbelwelle , die die Hin- und Herbewegung der Kolben in eine Drehbewegung umwandelt. Die Kurbelwelle wird durch Hauptlager relativ zum Motorblock gehalten , die ihre Rotation ermöglichen. Trennwände im Kurbelgehäuse bilden jeweils eine Hälfte jedes Hauptlagers; die andere Hälfte ist ein abnehmbarer Lagerdeckel. In manchen Fällen wird anstelle mehrerer kleinerer Lagerdeckel ein einzelnes Hauptlager verwendet. Ein Pleuel ist an einem Ende mit versetzten Abschnitten der Kurbelwelle (den Kurbelzapfen ) und am anderen Ende über den Kolbenbolzen mit dem Kolben verbunden. Dadurch überträgt es die Kraft und wandelt die Hin- und Herbewegung der Kolben in die Drehbewegung der Kurbelwelle um. Das Ende des Pleuels, das am Kolbenbolzen befestigt ist, wird als kleines Pleuelauge bezeichnet, das andere Ende, wo es mit der Kurbelwelle verbunden ist, als großes Pleuelauge. Das Pleuelauge besitzt eine abnehmbare Hälfte, um die Montage um die Kurbelwelle zu ermöglichen. Es wird durch lösbare Schrauben mit dem Pleuel verbunden.

Der Zylinderkopf verfügt über einen Ansaug- und einen Abgaskrümmer, die an den entsprechenden Anschlüssen befestigt sind. Der Ansaugkrümmer ist entweder direkt mit dem Luftfilter oder, falls vorhanden, mit einem Vergaser verbunden, der wiederum mit dem Luftfilter verbunden ist . Er verteilt die von diesen Komponenten zugeführte Luft auf die einzelnen Zylinder. Der Abgaskrümmer ist das erste Bauteil der Abgasanlage . Er sammelt die Abgase aus den Zylindern und leitet sie zum nächsten Bauteil. Die Abgasanlage eines Verbrennungsmotors kann außerdem einen Katalysator und einen Schalldämpfer umfassen. Das Endrohr bildet den letzten Abschnitt der Abgasanlage .

Der obere Totpunkt (OT) eines Kolbens ist die Position, in der er den Ventilen am nächsten ist; der untere Totpunkt (UT) ist die gegenüberliegende Position, in der er am weitesten von ihnen entfernt ist. Ein Hub ist die Bewegung eines Kolbens vom OT zum UT oder umgekehrt, zusammen mit dem zugehörigen Vorgang. Während des Motorbetriebs dreht sich die Kurbelwelle kontinuierlich mit nahezu konstanter Drehzahl . In einem Viertakt-Verbrennungsmotor durchläuft jeder Kolben pro Kurbelwellenumdrehung zwei Hübe in der folgenden Reihenfolge. Beginnend mit dem OT sind dies: ^{[ 29 ] [ 30 ]}

1. Ansaugen, Einsaugen oder Saugen: Die Einlassventile öffnen sich, weil der Nocken auf den Ventilschaft drückt. Der Kolben bewegt sich nach unten, wodurch sich das Volumen des Brennraums vergrößert und bei einem Dieselmotor Luft oder bei einem Ottomotor ohne Direkteinspritzung ein Kraftstoff-Luft-Gemisch einströmen kann . Dieses Gemisch wird in jedem Fall als Ladung bezeichnet.
2. Kompression: Bei diesem Takt sind beide Ventile geschlossen, und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch sich das Volumen des Brennraums verringert. Dieses erreicht sein Minimum, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt (OT) befindet. Der Kolben verrichtet Arbeit an dem komprimierten Gemisch; dadurch steigen Druck, Temperatur und Dichte. Dieses Verhalten wird näherungsweise durch das ideale Gasgesetz beschrieben . Kurz bevor der Kolben den OT erreicht, beginnt die Zündung. Bei einem Ottomotor erhält die Zündkerze einen Hochspannungsimpuls, der den namensgebenden Zündfunken erzeugt und das Gemisch entzündet. Bei einem Dieselmotor spritzt die Einspritzdüse den Kraftstoff schnell als Sprühnebel in den Brennraum ein; der Kraftstoff entzündet sich aufgrund der hohen Temperatur.
3. Arbeitstakt: Der Druck der Verbrennungsgase drückt den Kolben nach unten und erzeugt dabei mehr kinetische Energie , als zur Verdichtung des Gemisches benötigt wird. Parallel zum Verdichtungstakt dehnen sich die Verbrennungsgase aus, wodurch ihre Temperatur, ihr Druck und ihre Dichte sinken. Befindet sich der Kolben nahe dem unteren Totpunkt (UT), öffnet sich das Auslassventil. Beim Ausblasen dehnen sich die Verbrennungsgase aufgrund des Restdrucks – der den Gegendruck, also den Überdruck am Auslasskanal, übersteigt – irreversibel aus .
4. Auspuff: Das Auslassventil bleibt geöffnet, während sich der Kolben nach oben bewegt und die Verbrennungsgase ausstößt. Bei Saugmotoren kann während des normalen Betriebs ein geringer Teil der Verbrennungsgase im Zylinder verbleiben, da der Kolben den Brennraum nicht vollständig verschließt; diese Gase lösen sich in der nächsten Kraftstoff-Luft-Mischung. Am Ende dieses Hubs schließt das Auslassventil, das Einlassventil öffnet sich, und der Vorgang wiederholt sich im nächsten Zyklus. Das Einlassventil kann sich öffnen, bevor das Auslassventil schließt, um eine bessere Spülung zu ermöglichen.

Das charakteristische Merkmal dieses Motortyps ist, dass jeder Kolben bei jeder Kurbelwellenumdrehung einen Zyklus durchläuft. Die vier Vorgänge Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen erfolgen in nur zwei Takten, sodass es nicht möglich ist, jedem Vorgang einen eigenen Takt zuzuordnen. Ausgehend vom oberen Totpunkt (OT) besteht der Zyklus aus folgenden Schritten:

1. Leistung: Während sich der Kolben nach unten bewegt, verrichten die Verbrennungsgase Arbeit an ihm, wie in einem Viertaktmotor. Die gleichen thermodynamischen Gesetze der Expansion gelten.
2. Spülung: Etwa 75° Kurbelwellendrehung vor dem unteren Totpunkt (UT) öffnet sich das Auslassventil bzw. der Auslasskanal, und es kommt zur Verbrennungsablösung. Kurz darauf öffnet sich das Einlassventil bzw. der Überströmkanal. Das einströmende Gemisch verdrängt die restlichen Verbrennungsgase in die Abgasanlage, wobei auch ein Teil des Gemisches in die Abgasanlage gelangen kann. Der Kolben erreicht den UT und kehrt seine Bewegungsrichtung um. Nachdem der Kolben ein kurzes Stück nach oben in den Zylinder zurückgelegt hat, schließt sich das Auslassventil bzw. der Auslasskanal; kurz darauf schließt sich auch das Einlassventil bzw. der Überströmkanal.
3. Kompression: Bei geschlossenem Einlass und Auslass bewegt sich der Kolben weiter nach oben, verdichtet das Gemisch und verrichtet dabei Arbeit. Wie bei einem Viertaktmotor erfolgt die Zündung kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts (OT), und die gleichen thermodynamischen Gesetze der Kompression gelten.

Während ein Viertaktmotor den Kolben als Verdrängerpumpe nutzt , um die Spülung in zwei der vier Takte durchzuführen, verwendet ein Zweitaktmotor den letzten Teil des Arbeitstakts und den ersten Teil des Verdichtungstakts für die kombinierte Ansaug- und Abgasführung. Die zum Verdrängen der Lade- und Abgase benötigte Arbeit wird entweder vom Kurbelgehäuse oder einem separaten Gebläse bereitgestellt. Für die Spülung, also das Ausstoßen der verbrannten Gase und das Einströmen des frischen Gemisches, werden zwei Hauptverfahren beschrieben: die Kreislaufspülung und die Gleichstromspülung. SAE News veröffentlichte in den 2010er Jahren, dass die Kreislaufspülung unter allen Umständen der Gleichstromspülung überlegen ist. ^{[ 20 ]}

Einige Ottomotoren arbeiten mit Kurbelgehäuseentlüftung und verzichten auf Tellerventile. Stattdessen dient das Kurbelgehäuse mit dem Teil des Zylinders unterhalb des Kolbens als Pumpe. Der Einlasskanal ist über ein Membranventil oder ein vom Motor angetriebenes Drehschieberventil mit dem Kurbelgehäuse verbunden. Jeder Zylinder verfügt über einen Überströmkanal, der an einem Ende mit dem Kurbelgehäuse und am anderen Ende mit der Zylinderwand verbunden ist. Der Auslasskanal ist direkt mit der Zylinderwand verbunden. Überström- und Auslasskanal werden vom Kolben geöffnet und geschlossen. Das Membranventil öffnet sich, wenn der Kurbelgehäusedruck etwas unter dem Einlassdruck liegt, um das Kurbelgehäuse mit neuem Gemisch zu füllen; dies geschieht bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens steigt der Druck im Kurbelgehäuse, das Membranventil schließt sich sofort und das Gemisch im Kurbelgehäuse wird verdichtet. Gleichzeitig gibt der Kolben bei der Abwärtsbewegung den Auslass- und Überströmkanal frei, und der höhere Druck des Gemisches im Kurbelgehäuse drückt es durch den Überströmkanal in den Zylinder, wodurch die Abgase ausgestoßen werden. Die Schmierung erfolgt durch die Zugabe von Zweitaktöl in geringen Mengen zum Kraftstoff. Benzin bezeichnet das Gemisch aus Benzin und dem genannten Öl. Dieser Zweitaktmotor hat einen geringeren Wirkungsgrad als vergleichbare Viertaktmotoren und emittiert unter folgenden Bedingungen mehr Schadstoffe :

• Sie verwenden ein Ölverlustsystem : Das gesamte Schmieröl wird schließlich zusammen mit dem Kraftstoff verbrannt.
• Es gibt widersprüchliche Anforderungen an die Abgasreinigung: Einerseits muss in jedem Zyklus genügend Frischgas zugeführt werden, um fast alle Verbrennungsgase zu verdrängen, andererseits führt eine zu große Frischgaszufuhr dazu, dass ein Teil davon in den Abgasstrom gelangt.
• Sie müssen die Überströmkanäle wie eine sorgfältig konstruierte und positionierte Düse nutzen, um einen Gasstrom zu erzeugen, der den gesamten Zylinder durchströmt, bevor er den Auslasskanal erreicht. Dadurch werden die Verbrennungsgase ausgestoßen, gleichzeitig wird aber die Menge des ausgestoßenen Gemischs minimiert. Viertaktmotoren haben den Vorteil, dass sie nahezu alle Verbrennungsgase zwangsweise ausstoßen, da sich das Brennraumvolumen während des Ausstoßvorgangs auf ein Minimum reduziert. Bei Zweitaktmotoren mit Kurbelgehäusespülung erfolgen Ausstoß und Ansaugung größtenteils gleichzeitig und bei maximalem Brennraumvolumen.

Der Hauptvorteil von Zweitaktmotoren dieser Bauart liegt in ihrer mechanischen Einfachheit und dem höheren Leistungsgewicht im Vergleich zu ihren Viertakt-Pendants. Obwohl sie doppelt so viele Arbeitstakte pro Zyklus aufweisen, ist in der Praxis weniger als die doppelte Leistung eines vergleichbaren Viertaktmotors erreichbar.

In den USA wurden Zweitaktmotoren aufgrund ihrer Umweltbelastung für Straßenfahrzeuge verboten. Geländemotorräder sind zwar immer noch häufig mit Zweitaktmotoren ausgestattet, aber selten für den Straßenverkehr zugelassen. Dennoch sind Tausende von Zweitaktmotoren für die Rasenpflege im Einsatz.

Der Einsatz eines separaten Gebläses vermeidet viele Nachteile der Kurbelgehäuseentlüftung, führt jedoch zu höherer Komplexität, was wiederum höhere Kosten und einen erhöhten Wartungsaufwand bedeutet. Motoren dieser Bauart nutzen Einlass- und Auslassventile, mit Ausnahme von Gegenkolbenmotoren , die auch Auslassventile verwenden können. Üblicherweise wird ein Roots-Gebläse eingesetzt, es kommen aber auch andere Bauarten vor. Diese Bauart ist bei Dieselmotoren weit verbreitet und wurde gelegentlich auch bei Ottomotoren verwendet.

CI-Motoren mit Gebläse nutzen typischerweise eine Gleichstromspülung . Bei dieser Bauart verfügt die Zylinderwand über mehrere gleichmäßig entlang des Umfangs verteilte Einlasskanäle, die sich knapp oberhalb des unteren Totpunkts (UT) des Kolbenbodens befinden. Wie bei Viertaktmotoren kommt ein oder mehrere Auslassventile zum Einsatz. Den letzten Teil des Ansaugkrümmers bildet eine Luftführungshülse, die die Einlasskanäle speist. Die Einlasskanäle sind horizontal zur Zylinderwand angeordnet (d. h. in der Ebene des Kolbenbodens), um die einströmende Kraftstoff-Luft-Mischung zu verwirbeln und so die Verbrennung zu verbessern. Die größten Hubkolben-Verbrennungsmotoren sind langsam laufende CI-Motoren dieser Bauart. Sie werden für den Schiffsantrieb (siehe Schiffsdieselmotor ) oder zur Stromerzeugung eingesetzt und erreichen die höchsten thermischen Wirkungsgrade aller Verbrennungsmotoren. Einige dieselelektrische Lokomotiven arbeiten im Zweitaktverfahren. Die leistungsstärksten von ihnen haben eine Bremsleistung von etwa 4,5  MW bzw. 6.000  PS . Die Lokomotiven der EMD SD90MAC -Klasse sind ein Beispiel dafür. Die vergleichbare Klasse GE AC6000CW , deren Antriebsmaschine nahezu die gleiche Bremsleistung aufweist, verwendet einen 4-Takt-Motor.

Ein Beispiel für diesen Motortyp ist der Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, ein turbogeladener Zweitakt-Dieselmotor, der in großen Containerschiffen eingesetzt wird. Er ist der effizienteste und leistungsstärkste Hubkolben-Verbrennungsmotor der Welt mit einem thermischen Wirkungsgrad von über 50 %. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]} Zum Vergleich: Die effizientesten kleinen Viertaktmotoren erreichen einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 43 % (SAE 900648). Die Größe wirkt sich aufgrund des größeren Verhältnisses von Volumen zu Oberfläche positiv auf den Wirkungsgrad aus.

Unter den externen Links finden Sie ein Video zur Zylinderverbrennung in einem optisch zugänglichen Zweitakt-Motorradmotor.

Dugald Clerk entwickelte 1879 den ersten Zweitaktmotor. Dieser verwendete einen separaten Zylinder, der als Pumpe fungierte, um das Kraftstoffgemisch in den Zylinder zu befördern. ^{[ 20 ]}

1899 vereinfachte John Day Clerks Konstruktion und entwickelte daraus den heute weit verbreiteten Zweitaktmotor. ^{[ 34 ]} Day-Motoren arbeiten mit Kurbelgehäusespülung und Steuerzeiten. Das Kurbelgehäuse und der Teil des Zylinders unterhalb des Auslasskanals dienen als Pumpe. Der Betrieb des Day-Motors beginnt mit dem Drehen der Kurbelwelle, wodurch sich der Kolben vom unteren Totpunkt (UT) nach oben (Richtung Zylinderkopf) bewegt und im Kurbelgehäuse/Zylinder ein Vakuum erzeugt. Der Vergaser leitet das Kraftstoffgemisch dann über ein Membranventil oder ein Drehschieberventil (motorbetrieben) in das Kurbelgehäuse. Eingegossene Kanäle führen vom Kurbelgehäuse zum Einlasskanal im Zylinder und vom Auslasskanal zum Auspuffrohr. Das Verhältnis der Kanalhöhe zur Zylinderlänge wird als „Steuerzeit“ bezeichnet.

Beim ersten Aufwärtshub des Motors wird kein Kraftstoff in den Zylinder eingesaugt, da das Kurbelgehäuse leer ist. Beim Abwärtshub verdichtet der Kolben nun das Kraftstoffgemisch, das durch die Ölbeimischung den Kolben im Zylinder und die Lager geschmiert hat. Während sich der Kolben nach unten bewegt, gibt er zunächst den Auslasskanal frei, doch beim ersten Hub ist noch kein verbrannter Kraftstoff im Abgas. Mit weiter sinkender Kolbenbewegung wird der Einlasskanal freigegeben, der über einen Kanal mit dem Kurbelgehäuse verbunden ist. Da das Kraftstoffgemisch im Kurbelgehäuse unter Druck steht, strömt es durch den Kanal in den Zylinder.

Da im Zylinder kein Hindernis für den Kraftstoffaustritt aus dem Auslasskanal besteht, bevor der Kolben weit genug aufsteigt, um den Kanal zu schließen, verwendeten frühe Motoren einen hochgewölbten Kolben, um den Kraftstofffluss zu verlangsamen. Später wurde der Kraftstoff mithilfe einer Expansionskammer zurück in den Zylinder geleitet. Wenn der Kolben sich dem oberen Totpunkt (OT) näherte, entzündete ein Zündfunke das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Während der Kolben durch die Kraft nach unten gedrückt wird, gibt er zuerst den Auslasskanal frei, wo der verbrannte Kraftstoff unter hohem Druck ausgestoßen wird, und anschließend den Einlasskanal, wo der Prozess abgeschlossen ist und sich fortsetzt.

Spätere Motoren nutzten eine von der Firma Deutz entwickelte Kanaltechnik zur Leistungssteigerung. Sie wurde als Schnurle-Umkehrspülsystem bezeichnet . 1932 erwarb die Auto Union AG die Exklusivlizenz für schnelllaufende Zweitaktmotoren. Noch im selben Jahr wurde die DKW Block 350 als erstes Motorradmodell auf die neue Technologie umgerüstet. Die Weiterentwicklung des Umkehrspülsystems durch die Auto Union AG revolutionierte den Bau kleiner Zweitaktmotoren. ^{[ 35 ]}

Verbrennungsmotoren benötigen die Zündung des Gemisches, entweder durch Fremdzündung (SI) oder Selbstzündung (CI) . Vor der Entwicklung zuverlässiger elektrischer Verfahren wurden Glührohr- und Flammenzündverfahren eingesetzt. Es wurden auch experimentelle Motoren mit Laserzündung gebaut. ^{[ 36 ]}

Der Ottomotor war eine Weiterentwicklung der frühen Motoren mit Glührohrzündung. Mit der Entwicklung des Magnetzünders durch Bosch wurde dieser zum primären System zur Stromerzeugung für die Zündkerze. ^{[ 37 ]} Viele Kleinmotoren verwenden noch heute die Magnetzündung. Kleinmotoren werden per Handkurbel mit einem Seilzugstarter gestartet . Vor der Entwicklung des Anlassers für Kraftfahrzeuge durch Charles F. Kettering von Delco verwendeten alle benzinbetriebenen Autos eine Handkurbel. ^{[ 38 ]}

Größere Motoren versorgen ihre Anlasser und Zündanlagen üblicherweise mit der in einer Blei-Säure-Batterie gespeicherten elektrischen Energie . Der Ladezustand der Batterie wird durch eine Lichtmaschine oder (früher) einen Generator aufrechterhalten, der die Motorleistung zur Erzeugung elektrischer Energie nutzt.

Die Batterie liefert die elektrische Energie zum Starten des Motors, wenn dieser über einen Anlasser verfügt , und auch dann, wenn der Motor abgestellt ist. Sie dient außerdem als Stromversorgung in seltenen Fällen, in denen die Lichtmaschine nicht mehr als 13,8 Volt (bei einem üblichen 12-V-Bordnetz) liefern kann. Sinkt die Spannung der Lichtmaschine unter 13,8 Volt, übernimmt die Blei-Säure-Batterie zunehmend die elektrische Last. In nahezu allen Betriebszuständen, einschließlich des normalen Leerlaufs, liefert die Lichtmaschine die primäre elektrische Energie.

Manche Systeme unterbrechen die Erregerwicklung (Rotor) der Lichtmaschine bei Vollgas. Durch die Abschaltung wird die mechanische Belastung der Lichtmaschinenriemenscheibe nahezu auf null reduziert, wodurch die Kurbelwellenleistung maximiert wird. In diesem Fall liefert die Batterie die gesamte primäre elektrische Energie.

Benzinmotoren saugen ein Luft-Benzin-Gemisch an und verdichten es durch die Kolbenbewegung vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt, wenn das Gemisch maximal verdichtet ist. Die Verringerung der Hubfläche des Zylinders unter Berücksichtigung des Brennraumvolumens wird durch ein Verdichtungsverhältnis beschrieben. Frühe Motoren hatten ein Verdichtungsverhältnis von 6:1. Mit steigendem Verdichtungsverhältnis erhöhte sich auch der Wirkungsgrad des Motors.

Bei frühen Ansaug- und Zündsystemen mussten die Verdichtungsverhältnisse niedrig gehalten werden. Dank Fortschritten in der Kraftstofftechnologie und der Verbrennungssteuerung können Hochleistungsmotoren heute zuverlässig mit einem Verdichtungsverhältnis von 12:1 laufen. Bei Kraftstoff mit niedriger Oktanzahl traten Probleme auf, da sich das Verdichtungsverhältnis durch die Zündung aufgrund der damit verbundenen Temperaturerhöhung erhöhte. Charles Kettering entwickelte ein Bleiadditiv , das höhere Verdichtungsverhältnisse ermöglichte. Dieses wurde jedoch ab den 1970er Jahren, unter anderem aufgrund von Bedenken hinsichtlich einer Bleivergiftung , zunehmend für den Einsatz in Kraftfahrzeugen aufgegeben .

Das Kraftstoffgemisch wird in unterschiedlichen Phasen der Kolbenbewegung im Zylinder gezündet. Bei niedrigen Drehzahlen erfolgt der Zündfunke nahe dem oberen Totpunkt des Kolbens. Um mehr Leistung zu erzeugen, wird der Zündzeitpunkt mit steigender Drehzahl während der Kolbenbewegung vorverlegt. Die Zündung erfolgt, während das Kraftstoffgemisch noch verdichtet ist, wobei die Verdichtung mit steigender Drehzahl zunimmt. ^{[ 39 ]}

Die erforderliche Hochspannung, typischerweise 10.000 Volt, wird von einer Induktionsspule oder einem Transformator bereitgestellt. Die Induktionsspule arbeitet mit einem Sperrzündsystem, das den Stromfluss im Primärsystem durch einen synchronisierten Unterbrecher unterbricht. Dieser Unterbrecher kann entweder aus Kontaktpunkten oder einem Leistungstransistor bestehen. Das Problem dieser Zündart besteht darin, dass mit steigender Drehzahl die verfügbare elektrische Energie abnimmt. Dies ist besonders problematisch, da für die Zündung eines dichteren Kraftstoffgemisches mehr Energie benötigt wird. Die Folge waren häufig Fehlzündungen bei hohen Drehzahlen.

Die Kondensatorentladungszündung wurde entwickelt. Sie erzeugt eine ansteigende Spannung, die an die Zündkerze geleitet wird. Die Spannungen in CD-Systemen können bis zu 60.000 Volt erreichen. ^{[ 40 ]} CD-Zündungen verwenden Aufwärtstransformatoren . Der Aufwärtstransformator nutzt die in einem Kondensator gespeicherte Energie, um einen elektrischen Zündfunken zu erzeugen . Bei beiden Systemen liefert ein mechanisches oder elektrisches Steuerungssystem eine präzise getaktete Hochspannung an den jeweiligen Zylinder. Dieser Zündfunke entzündet über die Zündkerze das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylindern des Motors.

Benzinmotoren lassen sich zwar bei Kälte deutlich leichter starten als Dieselmotoren, dennoch können sie unter extremen Bedingungen Kaltstartprobleme haben. Jahrelang bestand die Lösung darin, das Auto in beheizten Räumen zu parken. In manchen Teilen der Welt wurde sogar das Öl abgelassen, über Nacht erwärmt und für Kaltstarts wieder in den Motor gefüllt. Anfang der 1950er-Jahre wurde die Benzinvergasungsanlage entwickelt. Bei Kaltstarts wurde dabei Rohbenzin in die Anlage geleitet, wo ein Teil des Kraftstoffs verbrannt wurde. Der Rest wurde zu heißem Dampf, der direkt dem Ansaugkrümmer zugeführt wurde. Diese Anlage war sehr beliebt, bis elektrische Motorblockheizungen bei Benzinmotoren in kalten Klimazonen zur Standardausstattung wurden. ^{[ 41 ]}

Diesel-, PPC- und HCCI- Motoren nutzen zur Zündung ausschließlich die hohen Temperaturen und Drücke, die im Kompressionsprozess des Motors entstehen. Die Kompression ist in der Regel doppelt so hoch oder sogar höher als bei einem Benzinmotor. Dieselmotoren saugen nur Luft an und spritzen kurz vor der maximalen Kompression über eine Einspritzdüse eine kleine Menge Dieselkraftstoff in den Zylinder ein, wodurch dieser sich sofort entzündet. HCCI-Motoren saugen zwar auch Luft und Kraftstoff an, nutzen aber aufgrund der höheren Drücke und Temperaturen weiterhin die Selbstverbrennung. Aus diesem Grund sind Diesel- und HCCI-Motoren anfälliger für Kaltstartprobleme, obwohl sie nach dem Start auch bei Kälte einwandfrei laufen. Leichte Dieselmotoren mit indirekter Einspritzung in Pkw und leichten Nutzfahrzeugen verwenden Glühkerzen (oder andere Vorwärmsysteme: siehe Cummins ISB#6BT ), die den Brennraum kurz vor dem Start vorwärmen, um Startschwierigkeiten bei Kälte zu vermeiden. Die meisten Dieselmotoren verfügen außerdem über eine Batterie und ein Ladesystem. Dieses System ist jedoch sekundär und wird von den Herstellern als Komfortmerkmal hinzugefügt, um das Starten, das Ein- und Ausschalten der Kraftstoffzufuhr (was auch über einen Schalter oder eine mechanische Vorrichtung möglich ist) sowie den Betrieb von elektrischen Zusatzkomponenten und Zubehör zu vereinfachen. Die meisten neuen Motoren nutzen elektrische und elektronische Motorsteuergeräte (ECU), die den Verbrennungsprozess ebenfalls anpassen, um die Effizienz zu steigern und die Emissionen zu reduzieren.

Oberflächen, die sich berühren oder relativ zueinander bewegen, benötigen Schmierung , um Verschleiß und Geräusche zu reduzieren und die Effizienz zu steigern, indem der Energieverlust durch Reibung verringert wird – oder um den Mechanismus überhaupt erst in Gang zu bringen. Das verwendete Schmiermittel kann außerdem überschüssige Wärme abführen und die Bauteile zusätzlich kühlen. Ein Motor benötigt mindestens an folgenden Stellen Schmierung:

• Zwischen Kolben und Zylindern
• Kleinlager
• Pleuellager
• Hauptlager
• Ventilsteuerung (Folgende Elemente sind möglicherweise nicht vorhanden):
  • Tappets
  • Kipphebel
  • Stößelstangen
  • Steuerkette oder Zahnräder. Zahnriemen benötigen keine Schmierung.

Bei Zweitaktmotoren mit Kurbelgehäusespülung werden das Innere des Kurbelgehäuses und somit Kurbelwelle, Pleuelstange und Kolbenboden mit dem Zweitaktöl im Luft-Kraftstoff-Öl-Gemisch besprüht, das anschließend zusammen mit dem Kraftstoff verbrannt wird. Der Ventiltrieb kann in einem mit Schmierstoff gefluteten Raum untergebracht sein, sodass keine Ölpumpe benötigt wird.

Bei einem Spritzschmiersystem wird keine Ölpumpe verwendet. Stattdessen taucht die Kurbelwelle in das Öl in der Ölwanne ein und spritzt aufgrund ihrer hohen Drehzahl Öl auf Kurbelwelle, Pleuelstangen und Kolbenböden. Die Pleuellagerdeckel können mit einer Ölschaufel versehen sein, um diesen Effekt zu verstärken. Der Ventiltrieb kann entweder in einem gefluteten Bereich abgedichtet oder so zur Kurbelwelle hin offen sein, dass er das Spritzöl aufnimmt und es zurück in die Ölwanne abfließen kann. Spritzschmierung ist gängig bei kleinen Viertaktmotoren.

In einem Druckumlaufschmiersystem erfolgt die Schmierung in einem geschlossenen Kreislauf. Das Motoröl wird zu den zu schmierenden Oberflächen transportiert und anschließend in einen Vorratsbehälter zurückgeführt. Die Nebenaggregate eines Motors werden üblicherweise nicht über diesen Kreislauf geschmiert; beispielsweise kann ein Generator mit Kugellagern arbeiten , die mit eigenem Schmierstoff abgedichtet sind. Der Ölvorrat befindet sich in der Regel in der Ölwanne; in diesem Fall spricht man von einer Nasssumpfschmierung . Bei einem separaten Ölvorrat im Kurbelgehäuse wird das Öl zwar ebenfalls aufgefangen, aber kontinuierlich von einer separaten Pumpe entleert; dies wird als Trockensumpfschmierung bezeichnet .

Am Boden der Ölwanne befindet sich ein Öleinlass, der von einem Siebfilter abgedeckt ist. Dieser ist mit einer Ölpumpe und anschließend mit einem Ölfilter außerhalb des Kurbelgehäuses verbunden. Von dort wird das Öl zu den Kurbelwellenlagern und dem Ventiltrieb geleitet. Das Kurbelgehäuse enthält mindestens einen Ölkanal (eine Leitung innerhalb der Kurbelgehäusewand), in den das Öl vom Ölfilter eingeleitet wird. Die Hauptlager weisen eine Nut auf, die sich über ihren gesamten oder einen halben Umfang erstreckt. Das Öl gelangt über Kanäle, die mit dem Ölkanal verbunden sind, in diese Nuten. Die Kurbelwelle besitzt Bohrungen, die das Öl aus diesen Nuten entnehmen und zu den Pleuellagern leiten. Alle Pleuellager werden auf diese Weise geschmiert. Ein einzelnes Hauptlager kann null, ein oder zwei Pleuellager mit Öl versorgen. Ein ähnliches System kann zur Schmierung des Kolbens, seines Kolbenbolzens und des Pleuelauges verwendet werden. In diesem System besitzt das Pleuelauge eine Nut um die Kurbelwelle und eine mit dieser Nut verbundene Bohrung, die das Öl von dort zum Kolbenboden und von dort in den Zylinder verteilt.

Zur Schmierung von Zylinder und Kolben werden auch andere Systeme eingesetzt. Die Pleuelstange kann eine Düse besitzen, die einen Ölstrahl auf den Zylinder und den Kolbenboden abgibt. Diese Düse bewegt sich relativ zum zu schmierenden Zylinder, ist aber stets auf diesen oder den entsprechenden Kolben gerichtet.

Typischerweise weisen Druckumlaufschmiersysteme einen höheren Schmierstoffdurchfluss auf als für eine ausreichende Schmierung erforderlich, um die Kühlung zu unterstützen. Konkret trägt das Schmiersystem dazu bei, Wärme von den heißen Motorteilen an die Kühlflüssigkeit (bei wassergekühlten Motoren) oder Kühlrippen (bei luftgekühlten Motoren) abzuführen, die diese dann an die Umgebung abgeben. Der Schmierstoff muss chemisch stabil sein und innerhalb des im Motor auftretenden Temperaturbereichs die erforderliche Viskosität aufweisen.

Gängige Zylinderkonfigurationen sind die Reihen- oder Reihenbauweise , die kompaktere V-Bauweise und die breitere, aber gleichmäßigere Boxer- oder Flachbauweise . Flugzeugmotoren können auch in Radialbauweise ausgeführt sein , was eine effektivere Kühlung ermöglicht. Ungewöhnlichere Konfigurationen wie H , U , X und W wurden ebenfalls verwendet.

Mehrzylindermotoren sind so konstruiert, dass sich die Kolben in unterschiedlichen Phasen ihres Zyklus befinden. Eine gleichmäßige Zündfolge (gleichmäßige Zündung ) ist insbesondere bei aufgeladenen Motoren wünschenswert, da sie Drehmomentpulsationen reduziert ^{[ 42 ]} und Reihenmotoren mit mehr als drei Zylindern statisch hinsichtlich ihrer Hauptkräfte ausbalanciert . Einige Motorkonfigurationen erfordern jedoch eine ungleichmäßige Zündfolge, um eine bessere Auswuchtung als mit gleichmäßiger Zündfolge zu erzielen. Beispielsweise ist ein Viertakt- Reihenzweizylinder besser ausbalanciert, wenn der Winkel zwischen den Kurbelzapfen 180° beträgt, da sich die Kolben in entgegengesetzte Richtungen bewegen und sich die Trägheitskräfte teilweise aufheben. Dies führt jedoch zu einer ungleichmäßigen Zündfolge, bei der ein Zylinder 180° Kurbelwellenumdrehung nach dem anderen zündet, bevor für 540° kein Zylinder zündet. Bei einer gleichmäßigen Zündfolge würden sich die Kolben synchron bewegen und die zugehörigen Kräfte würden sich addieren.

Mehrere Kurbelwellenkonfigurationen benötigen nicht zwingend einen Zylinderkopf , da stattdessen an jedem Ende des Zylinders ein Kolben angebracht sein kann – eine sogenannte Gegenkolbenbauweise . Da Kraftstoffein- und -auslässe an gegenüberliegenden Enden des Zylinders positioniert sind, lässt sich eine gleichmäßige Spülung erzielen, die, wie beim Viertaktmotor, über einen weiten Drehzahlbereich effizient ist. Der thermische Wirkungsgrad wird durch den Verzicht auf Zylinderköpfe verbessert. Diese Bauweise wurde im Flugzeugdieselmotor Junkers Jumo 205 mit zwei Kurbelwellen an den Enden einer Zylinderbank und insbesondere in den Napier-Deltic -Dieselmotoren eingesetzt. Diese verwendeten drei Kurbelwellen für drei Zylinderbänke mit jeweils zwei Zylindern, die in einem gleichseitigen Dreieck mit den Kurbelwellen an den Ecken angeordnet waren. Sie wurde auch in Lokomotivmotoren mit einer Zylinderbank verwendet und findet weiterhin Anwendung in Schiffsantrieben und Hilfsgeneratoren.

Die meisten Lkw- und Pkw-Dieselmotoren nutzen einen Zyklus, der dem Viertaktzyklus ähnelt. Hierbei erfolgt die Zündung jedoch durch die Kompression und damit durch die Temperaturerhöhung, anstatt durch ein separates Zündsystem. Diese Variante wird als Dieselzyklus bezeichnet. Beim Dieselzyklus wird der Dieselkraftstoff direkt in den Zylinder eingespritzt, sodass die Verbrennung bei konstantem Druck während der Kolbenbewegung stattfindet.

Der Otto-Kreisprozess ist der gebräuchlichste Prozess für die meisten benzinbetriebenen Verbrennungsmotoren von Pkw. Er umfasst dieselben Hauptschritte wie der Viertaktmotor: Ansaugen, Verdichten, Zünden, Expansion und Ausstoßen.

1879 fertigte und verkaufte Nicolaus Otto eine Doppelexpansionsmaschine (die Prinzipien der Doppel- und Dreifachexpansion fanden breite Anwendung in Dampfmaschinen). Diese bestand aus zwei kleinen Zylindern beidseitig eines größeren Niederdruckzylinders, in dem die Abgase des Auspufftakts ein zweites Mal expandierten. Der Besitzer gab die Maschine aufgrund mangelhafter Leistung zurück. 1906 wurde das Konzept in einem von EHV ( Eisenhuth Horseless Vehicle Company ) gebauten Auto umgesetzt ^{[ 43 ]} . Im 21. Jahrhundert entwickelte und testete Ilmor erfolgreich einen Fünftakt-Doppelexpansions-Verbrennungsmotor mit hoher Leistung und niedrigem spezifischem Kraftstoffverbrauch (SFC) ^{[ 44 ] .}

Der Sechstaktmotor wurde 1883 erfunden. Vier Arten von Sechstaktmotoren verwenden einen herkömmlichen Kolben in einem herkömmlichen Zylinder (Griffin-, Bajulaz-, Velozeta- und Crower-Sechstaktmotor), der alle drei Kurbelwellenumdrehungen zündet. Diese Systeme nutzen die Abwärme des Viertakt- Otto-Kreisprozesses durch die Einspritzung von Luft oder Wasser.

Die Beare Head- und "Piston Charger"-Motoren arbeiten als Gegenkolbenmotoren , d. h. mit zwei Kolben in einem einzigen Zylinder, die alle zwei Umdrehungen zünden, anstatt alle vier wie bei einem Viertaktmotor.

Die ersten Verbrennungsmotoren verdichteten das Gemisch nicht. Im ersten Teil des Kolbenhubs wurde ein Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt, dann schloss das Einlassventil, und im restlichen Teil des Hubs zündete das Gemisch. Für den Kolbenhub öffnete sich das Auslassventil. Diese Versuche, das Prinzip einer Dampfmaschine nachzuahmen , waren sehr ineffizient. Es gibt eine Reihe von Variationen dieser Zyklen, insbesondere den Atkinson- und den Miller-Zyklus .

Split-Cycle-Motoren trennen die vier Takte – Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen – auf zwei separate, aber paarweise angeordnete Zylinder. Der erste Zylinder dient dem Ansaugen und Verdichten. Die verdichtete Luft wird dann über einen Verbindungskanal vom Verdichtungszylinder in den zweiten Zylinder geleitet, wo Verbrennung und Ausstoßen stattfinden. Ein Split-Cycle-Motor besteht im Prinzip aus einem Luftverdichter auf der einen und einem Brennraum auf der anderen Seite.

Bisherige Split-Cycle-Motoren wiesen zwei Hauptprobleme auf: unzureichende Zylinderfüllung (volumetrischer Wirkungsgrad) und niedrigen thermischen Wirkungsgrad. Neue Konstruktionen versuchen jedoch, diese Probleme zu beheben. Der Scuderi-Motor löst das Problem der Zylinderfüllung, indem er den Spalt zwischen Kolben und Zylinderkopf durch verschiedene Turboaufladungstechniken verringert. Die Scuderi-Konstruktion erfordert nach außen öffnende Ventile, die es dem Kolben ermöglichen, sich sehr nah an den Zylinderkopf heranzubewegen, ohne dass die Ventile ihn behindern. Den niedrigen thermischen Wirkungsgrad verbessert Scuderi durch die Zündung nach dem oberen Totpunkt (OT).

Die Zündung nach dem oberen Totpunkt (ATDC) kann durch die Verwendung von Druckluft im Überströmkanal erreicht werden, um eine Schallströmung und hohe Turbulenzen im Arbeitszylinder zu erzeugen.

Strahltriebwerke nutzen mehrere Reihen von Fanschaufeln, um Luft zu verdichten. Diese gelangt dann in eine Brennkammer , wo sie mit Treibstoff (typischerweise JP-Treibstoff) vermischt und anschließend gezündet wird. Die Verbrennung des Treibstoffs erhöht die Temperatur der Luft, die dann aus dem Triebwerk ausgestoßen wird und Schub erzeugt. Ein modernes Turbofan- Triebwerk kann einen Wirkungsgrad von bis zu 48 % erreichen. ^{[ 45 ]}

Ein Turbofan-Triebwerk besteht aus sechs Abschnitten:

• Lüfter
• Kompressor
• Brennkammer
• Turbine
• Mischer
• Düse ^{[ 46 ]}

Eine Gasturbine verdichtet Luft und treibt damit eine Turbine an . Sie ist im Prinzip ein Strahltriebwerk, das seine Leistung auf eine Welle überträgt. Der Betrieb einer Turbine besteht aus drei Stufen: 1) Luft wird durch einen Verdichter gesaugt, wo sie durch die Verdichtung erhitzt wird. 2) Kraftstoff wird in der Brennkammer hinzugefügt . 3) Die heiße Luft wird durch Turbinenschaufeln ausgestoßen, die eine mit dem Verdichter verbundene Welle antreiben.

Eine Gasturbine ist eine Rotationsmaschine, die im Prinzip einer Dampfturbine ähnelt und aus drei Hauptkomponenten besteht: einem Verdichter, einer Brennkammer und einer Turbine. Die Temperatur der im Verdichter verdichteten Luft wird durch die Verbrennung von Brennstoff erhöht. Die erhitzte Luft und die Verbrennungsprodukte expandieren in der Turbine und erzeugen dabei Arbeit. Etwa zwei Drittel der Arbeit treiben den Verdichter an; der Rest (etwa ein Drittel ) steht als nutzbare Arbeit zur Verfügung. ^{[ 47 ]}

Gasturbinen zählen zu den effizientesten Verbrennungsmotoren. Die General Electric 7HA- und 9HA-Gasturbinenkraftwerke mit kombiniertem Zyklus erreichen einen Wirkungsgrad von über 61 %. ^{[ 48 ]}

Eine Gasturbine ist eine Rotationsmaschine, die im Prinzip einer Dampfturbine ähnelt. Sie besteht aus drei Hauptkomponenten: Verdichter, Brennkammer und Turbine. Im Verdichter wird die Luft verdichtet, wodurch sie sich erwärmt. Die Temperatur der verdichteten Luft wird durch die Verbrennung des eingespritzten Kraftstoffs in der Brennkammer weiter erhöht, wodurch sich die Luft ausdehnt. Diese Energie treibt die Turbine an, die wiederum über eine mechanische Kupplung den Verdichter antreibt. Die heißen Abgase werden anschließend ausgestoßen und erzeugen Schub.

Gasturbinenmotoren nutzen ein kontinuierliches Verbrennungssystem, bei dem Kompression, Verbrennung und Expansion gleichzeitig an verschiedenen Stellen im Motor stattfinden – wodurch eine kontinuierliche Leistung erzeugt wird. Bemerkenswert ist, dass die Verbrennung bei konstantem Druck erfolgt, im Gegensatz zum Otto-Prozess mit konstantem Volumen.

Der Wankelmotor (Rotationsmotor) arbeitet ohne Kolbenhübe. Er nutzt dieselbe Phasentrennung wie der Viertaktmotor, wobei die Phasen an verschiedenen Stellen im Motor stattfinden. Thermodynamisch gesehen folgt er dem Ottomotor- Zyklus und kann daher als „Vierphasenmotor“ bezeichnet werden. Zwar finden typischerweise drei Arbeitstakte pro Rotorumdrehung statt, aufgrund des Übersetzungsverhältnisses von 3:1 zwischen Rotor und Exzenterwelle erfolgt jedoch tatsächlich nur ein Arbeitstakt pro Wellenumdrehung. Die Antriebswelle (Exzenterwelle) dreht sich bei jedem Arbeitstakt einmal anstatt zweimal (Kurbelwelle) wie beim Ottomotor. Dadurch erzielt der Wankelmotor ein höheres Leistungsgewicht als Kolbenmotoren. Dieser Motortyp wurde vor allem im Mazda RX-8 , dem Vorgängermodell RX-7 und anderen Fahrzeugmodellen eingesetzt. Er findet auch Verwendung in unbemannten Luftfahrzeugen, wo seine geringe Größe und sein niedriges Gewicht sowie das hohe Leistungsgewicht von Vorteil sind.

Die Zwangsbeatmung ist das Verfahren, bei dem komprimierte Luft dem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors zugeführt wird. Ein aufgeladener Motor nutzt einen Gaskompressor, um Druck, Temperatur und Dichte der Luft zu erhöhen . Ein Motor ohne Zwangsbeatmung wird als Saugmotor bezeichnet .

Die Zwangsbeatmung wird in der Automobil- und Luftfahrtindustrie eingesetzt, um die Motorleistung und -effizienz zu steigern. Sie ist insbesondere für Flugzeugmotoren von Vorteil, da diese in großen Höhen betrieben werden müssen.

Die Zwangsbeatmung wird durch einen Kompressor erreicht , bei dem der Verdichter direkt von der Motorwelle angetrieben wird, oder, im Fall des Turboladers , durch eine Turbine, die vom Motorabgas angetrieben wird.

Alle Verbrennungsmotoren basieren auf der Verbrennung eines chemischen Brennstoffs , typischerweise mit Sauerstoff aus der Luft (obwohl die Zugabe von Lachgas die Verbrennungsleistung erhöht). Bei der Verbrennung entsteht in der Regel eine große Menge an Wärmeenergie sowie Wasserdampf, Kohlendioxid und andere chemische Verbindungen bei sehr hohen Temperaturen. Die erreichte Temperatur hängt von der chemischen Zusammensetzung des Brennstoffs und der Oxidationsmittel (siehe Stöchiometrie ) sowie von der Kompression und weiteren Faktoren ab.

Die gebräuchlichsten modernen Kraftstoffe bestehen aus Kohlenwasserstoffen und werden größtenteils aus fossilen Brennstoffen ( Erdöl ) gewonnen. Zu den fossilen Brennstoffen zählen Dieselkraftstoff , Benzin und Erdgas sowie das seltener verwendete Propan . Abgesehen von den Kraftstoffförderkomponenten können die meisten für Benzinbetrieb ausgelegten Verbrennungsmotoren ohne größere Umbauten auch mit Erdgas oder Flüssiggas betrieben werden. Große Dieselmotoren können mit einem Luft-Gas-Gemisch und einer Diesel-Zündanlage betrieben werden. Flüssige und gasförmige Biokraftstoffe wie Ethanol und Biodiesel (eine Dieselkraftstoffart, die aus triglyceridhaltigen Pflanzen wie Sojaöl hergestellt wird ) sind ebenfalls einsetzbar. Motoren können mit entsprechenden Modifikationen auch mit Wasserstoff, Holzgas oder Holzkohlegas sowie mit sogenanntem Generatorgas aus anderer geeigneter Biomasse betrieben werden . Es wurden auch Experimente mit pulverförmigen Festbrennstoffen durchgeführt, beispielsweise im Rahmen des Magnesium-Einspritzverfahrens .

Derzeit werden folgende Brennstoffe verwendet:

• Erdöl :
  • Petroleum ( nordamerikanischer Begriff: Gasoline , britischer Begriff: Petroleum)
  • Dieselkraftstoff .
  • Autogas ( Flüssiggas ).
  • Propan .
  • Komprimiertes Erdgas .
  • Kerosin ( Flugbenzin )
  • Restkraftstoff
• Kohle :
  • Benzin kann aus Kohlenstoff (Kohle) mittels des Fischer-Tropsch-Verfahrens hergestellt werden.
  • Dieselkraftstoff kann aus Kohlenstoff mittels des Fischer-Tropsch-Verfahrens hergestellt werden.
• Biokraftstoffe und Pflanzenöle:
  • Erdnussöl und andere Pflanzenöle .
  • Holzgas , erzeugt durch einen bordeigenen Holzvergaser, der festes Holz als Brennstoff verwendet.
  • Biokraftstoffe:
    • Biobutanol (ersetzt Benzin).
    • Biodiesel (ersetzt Dieselkraftstoff aus dem Erdölsektor).
    • Dimethylether (ersetzt Petrodiesel).
    • Bioethanol und Biomethanol ( Holzalkohol ) und andere Biokraftstoffe (siehe Flex-Fuel-Fahrzeug ).
    • Biogas
• Wasserstoff (hauptsächlich für Raumschiffraketentriebwerke )

Sogar fluidisierte Metallpulver und Sprengstoffe fanden gelegentlich Verwendung. Motoren, die mit Gasen betrieben werden, heißen Gasmotoren, solche, die flüssige Kohlenwasserstoffe verwenden, Ölmotoren; allerdings werden Benzinmotoren umgangssprachlich auch oft als „Gasmotoren“ bezeichnet ( außerhalb Nordamerikas: Benzinmotoren ).

Die wichtigsten Einschränkungen für Kraftstoffe bestehen darin, dass sie leicht durch das Kraftstoffsystem zur Brennkammer transportiert werden können müssen und dass der Kraftstoff bei der Verbrennung genügend Energie in Form von Wärme freisetzt , um den Motor praktisch nutzen zu können.

Dieselmotoren sind im Allgemeinen schwerer, lauter und bei niedrigeren Drehzahlen leistungsstärker als Benzinmotoren . Sie sind zudem unter den meisten Bedingungen sparsamer im Kraftstoffverbrauch und werden in schweren Nutzfahrzeugen, einigen Pkw (aufgrund ihrer höheren Kraftstoffeffizienz gegenüber Benzinmotoren zunehmend auch in Schiffen, Lokomotiven und leichten Flugzeugen eingesetzt . Benzinmotoren werden in den meisten anderen Straßenfahrzeugen verwendet, darunter die meisten Pkw, Motorräder und Mopeds . In Europa haben moderne Dieselfahrzeuge seit den 1990er-Jahren einen Marktanteil von rund 45 % erreicht. Es gibt auch Motoren, die mit Wasserstoff , Methanol , Ethanol , Flüssiggas (LPG), Biodiesel , Paraffin und Traktorenöl (TVO) betrieben werden.

Wasserstoff könnte fossile Brennstoffe in herkömmlichen Verbrennungsmotoren eines Tages ersetzen. Alternativ könnte die Brennstoffzellentechnologie ihr Potenzial entfalten, und der Einsatz von Verbrennungsmotoren könnte sogar schrittweise überflüssig werden.

Obwohl es verschiedene Möglichkeiten zur Erzeugung von kostenlosem Wasserstoff gibt, erfordern diese Methoden die Umwandlung brennbarer Moleküle in Wasserstoff oder den Verbrauch elektrischer Energie. Sofern dieser Strom nicht aus erneuerbaren Quellen stammt und nicht anderweitig benötigt wird, löst Wasserstoff keine Energiekrise . In vielen Fällen liegt der Nachteil von Wasserstoff gegenüber fossilen Brennstoffen in seiner Speicherung . Flüssiger Wasserstoff hat eine extrem geringe Dichte (14-mal geringer als Wasser) und erfordert eine aufwendige Isolierung, während gasförmiger Wasserstoff große Tanks benötigt. Selbst in verflüssigtem Zustand besitzt Wasserstoff eine höhere spezifische Energie , aber die volumetrische Energiespeicherung ist immer noch etwa fünfmal geringer als bei Benzin. Die Energiedichte von Wasserstoff ist jedoch deutlich höher als die von elektrischen Batterien, was ihn zu einem ernstzunehmenden Kandidaten als Energieträger zur Ablösung fossiler Brennstoffe macht. Das Verfahren „Wasserstoff auf Abruf“ (siehe Direktborhydrid-Brennstoffzelle ) erzeugt Wasserstoff nach Bedarf, hat aber andere Probleme, wie beispielsweise den hohen Preis des Rohstoffs Natriumborhydrid .

Da an der Erdoberfläche reichlich Luft vorhanden ist, wird typischerweise atmosphärischer Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet, was den Vorteil bietet, dass er nicht im Fahrzeug gespeichert werden muss. Dies verbessert das Leistungsgewicht und das Leistungsvolumen. Andere Materialien werden für spezielle Zwecke eingesetzt, oft um die Leistung zu steigern oder den Betrieb unter Wasser oder im Weltraum zu ermöglichen.

• Druckluft wird häufig in Torpedos verwendet . ^{[ 49 ]}
• Im japanischen Torpedo Typ 93 wurde komprimierter Sauerstoff , teilweise auch Druckluft, verwendet . Einige U-Boote führen reinen Sauerstoff mit. Raketen nutzen sehr oft flüssigen Sauerstoff . ^{[ 50 ]}
• Nitromethan wird einigen Renn- und Modellkraftstoffen beigemischt , um die Leistung zu steigern und die Verbrennung zu kontrollieren.
• Lachgas wurde – zusammen mit zusätzlichem Benzin – in taktischen Flugzeugen und in speziell ausgerüsteten Fahrzeugen eingesetzt, um kurzzeitig zusätzliche Leistung von Motoren zu ermöglichen, die normalerweise mit Benzin und Luft betrieben werden. Es kommt auch im Raketenraumschiff Burt Rutan zum Einsatz.
• Wasserstoffperoxid -Antrieb wurde für deutsche U-Boote im Zweiten Weltkrieg entwickelt. Er wurde möglicherweise in einigen nicht-nuklearen U-Booten eingesetzt und fand Verwendung in einigen Raketentriebwerken (insbesondere im Raketentriebwerk „ Schwarzer Pfeil“ und im Raketenjäger Messerschmitt Me 163 ).
• Andere Chemikalien wie Chlor oder Fluor wurden zwar experimentell eingesetzt, erwiesen sich aber als unpraktisch.

Kühlung ist notwendig, um überschüssige Wärme abzuführen – hohe Temperaturen können zu Motorschäden führen, meist durch Verschleiß (aufgrund von durch hohe Temperaturen bedingtem Schmierstoffmangel), Rissbildung oder Verformung. Die zwei gängigsten Formen der Motorkühlung sind Luft- und Wasserkühlung . Die meisten modernen Automobilmotoren sind sowohl wasser- als auch luftgekühlt, da das Kühlwasser zu luftgekühlten Kühlrippen und/oder Lüftern geleitet wird. Größere Motoren hingegen können ausschließlich wassergekühlt sein, da sie stationär sind und über die Wasserleitung oder Frischwasser konstant mit Wasser versorgt werden. Die meisten Motoren von Elektrowerkzeugen und andere Kleinmotoren sind luftgekühlt. Einige Motoren (luft- oder wassergekühlt) verfügen zusätzlich über einen Ölkühler . Bei manchen Motoren, insbesondere zur Kühlung von Turbinenschaufeln und Flüssigkeitsraketentriebwerken , wird der Kraftstoff als Kühlmittel verwendet, da er vor der Einspritzung in den Brennraum vorgewärmt wird.

Verbrennungsmotoren müssen in Gang gesetzt werden. Bei Hubkolbenmotoren geschieht dies durch Drehen der Kurbelwelle (Wankelwelle), wodurch die Zyklen von Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen ausgelöst werden. Die ersten Motoren wurden durch Drehen ihres Schwungrads gestartet , während das erste Fahrzeug (der Daimler Reitwagen) mit einer Handkurbel gestartet wurde. Alle Automobile mit Verbrennungsmotor wurden mit Handkurbeln gestartet, bis Charles Kettering den elektrischen Anlasser für Automobile entwickelte. ^{[ 51 ]} Diese Methode ist heute die am weitesten verbreitete, sogar bei Nicht-Automobilen.

Da Dieselmotoren immer größer und ihre Mechanismen immer schwerer wurden, kamen Druckluftstarter zum Einsatz. ^{[ 52 ]} Dies liegt am fehlenden Drehmoment elektrischer Anlasser. Druckluftstarter funktionieren, indem sie Druckluft in die Zylinder des Motors pumpen, um ihn zu starten.

Zweirädrige Fahrzeuge können auf vier verschiedene Arten gestartet werden:

• Durch Treten in die Pedale, wie auf einem Fahrrad
• Durch Anschieben des Fahrzeugs und anschließendes Einkuppeln, bekannt als „Anschieben durch Anfahren“.
• Durch das Heruntertreten eines einzelnen Pedals, bekannt als "Kickstarter".
• Durch einen elektrischen Anlasser, wie in Autos

Es gibt auch Anlasser, bei denen eine Feder durch eine Kurbelbewegung zusammengedrückt und dann zum Starten eines Motors verwendet wird.

Manche Kleinmotoren nutzen einen Seilzugstarter, bei dem sich das Seil nach dem Ziehen zum Starten des Motors automatisch wieder aufwickelt. Diese Methode wird häufig bei Rasenmähern und anderen Geräten eingesetzt, bei denen nur ein geringes Drehmoment zum Starten des Motors benötigt wird.

Turbinenmotoren werden häufig mit einem Elektromotor oder mit Druckluft gestartet.

Die Motortypen unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht erheblich:

• Energieeffizienz
• Treibstoffverbrauch ( spezifischer Bremstreibstoffverbrauch bei Wellentriebwerken, spezifischer Schubtreibstoffverbrauch bei Strahltriebwerken)
• Leistungsgewicht
• Schub-Gewichts-Verhältnis
• Drehmomentkurven (für Wellenmotoren), Schubabfall (Strahltriebwerke)
• Verdichtungsverhältnis für Kolbenmotoren, Gesamtdruckverhältnis für Strahltriebwerke und Gasturbinen

Die Verbrennungsprodukte – heiße Gase – besitzen nach der Zündung und Verbrennung mehr verfügbare thermische Energie als das ursprüngliche komprimierte Kraftstoff-Luft-Gemisch (das eine höhere chemische Energie aufwies ). Diese verfügbare Energie äußert sich in höherer Temperatur und höherem Druck , die vom Motor in kinetische Energie umgewandelt werden können . In einem Hubkolbenmotor treiben die unter hohem Druck stehenden Gase in den Zylindern die Kolben an.

Sobald die verfügbare Energie abgeführt ist, werden die verbleibenden heißen Gase abgeleitet (oft durch Öffnen eines Ventils oder Freilegen des Abgasauslasses). Dadurch kann der Kolben in seine vorherige Position (oberer Totpunkt, OT) zurückkehren. Anschließend kann der Kolben in die nächste Phase seines Arbeitszyklus eintreten, die je nach Motortyp variiert. Jegliche thermische Energie, die nicht in Arbeit umgewandelt wird, gilt üblicherweise als Abfallprodukt und wird dem Motor entweder durch ein Luft- oder Flüssigkeitskühlsystem entzogen.

Verbrennungsmotoren gelten als Wärmekraftmaschinen (da die Freisetzung chemischer Energie bei der Verbrennung dem Wärmeeintrag in den Motor entspricht ) und ihr theoretischer Wirkungsgrad lässt sich daher durch idealisierte thermodynamische Kreisprozesse annähern . Der thermische Wirkungsgrad eines theoretischen Kreisprozesses kann den des Carnot-Kreisprozesses nicht übersteigen, dessen Wirkungsgrad durch die Differenz zwischen der unteren und oberen Betriebstemperatur des Motors bestimmt wird . Die obere Betriebstemperatur eines Motors wird durch zwei Hauptfaktoren begrenzt: die thermische Betriebsgrenze der Werkstoffe und die Selbstentzündungsbeständigkeit des Kraftstoffs. Alle Metalle und Legierungen besitzen eine thermische Betriebsgrenze, und es wird intensiv an Keramikwerkstoffen geforscht , die eine höhere thermische Stabilität und wünschenswerte Struktureigenschaften aufweisen können. Eine höhere thermische Stabilität ermöglicht eine größere Temperaturdifferenz zwischen der unteren (Umgebungs-) und der oberen Betriebstemperatur und somit einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad. Mit steigender Zylindertemperatur nimmt auch die Selbstentzündungsneigung des Kraftstoffs zu. Diese tritt auf, wenn sich die Zylindertemperatur dem Flammpunkt des Gemisches nähert. An diesem Punkt kann es zu einer spontanen Zündung kommen, bevor die Zündkerze zündet, was zu übermäßigem Zylinderdruck führt. Die Selbstentzündung kann durch die Verwendung von Kraftstoffen mit hoher Selbstentzündungsbeständigkeit ( Oktanzahl ) verringert werden, allerdings setzt dies der zulässigen maximalen Zylindertemperatur immer noch eine Obergrenze.

Die thermodynamischen Grenzen setzen voraus, dass der Motor unter idealen Bedingungen arbeitet: reibungsfreie Umgebung, ideale Gase, perfekte Isolatoren und unendlich langer Betrieb. Reale Anwendungen bringen jedoch Komplexitäten mit sich, die den Wirkungsgrad verringern. Beispielsweise läuft ein realer Motor bei einer bestimmten Last, dem sogenannten Leistungsband , optimal . Der Motor eines Autos, das auf der Autobahn fährt, arbeitet üblicherweise deutlich unterhalb seiner idealen Last, da er für die höheren Lasten ausgelegt ist, die für schnelles Beschleunigen erforderlich sind. Darüber hinaus reduzieren Faktoren wie der Luftwiderstand den Gesamtwirkungsgrad des Systems. Der Kraftstoffverbrauch von Fahrzeugen wird in Meilen pro Gallone oder in Litern pro 100 Kilometer gemessen . Das Volumen der Kohlenwasserstoffe wird unter der Annahme eines standardisierten Energiegehalts berechnet.

Selbst mit Turboladern und serienmäßigen Effizienzsteigerungen erreichen die meisten Motoren einen durchschnittlichen Wirkungsgrad von etwa 18–20 %. ^{[ 53 ]} Die neuesten Technologien in Formel-1-Motoren haben jedoch eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrads auf über 50 % erzielt. ^{[ 54 ]} Es gibt zahlreiche Erfindungen zur Steigerung des Wirkungsgrads von Verbrennungsmotoren. Im Allgemeinen müssen bei praktischen Motoren stets Kompromisse zwischen verschiedenen Eigenschaften wie Wirkungsgrad, Gewicht, Leistung, Wärmeentwicklung, Ansprechverhalten, Abgasemissionen und Geräuschentwicklung eingegangen werden. Manchmal spielen auch wirtschaftliche Aspekte bei den Herstellungskosten des Motors sowie bei der Herstellung und dem Vertrieb des Kraftstoffs eine Rolle. Ein höherer Motorwirkungsgrad führt zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch, jedoch nur, wenn die Kraftstoffkosten pro Energiegehalt gleich bleiben.

Bei stationären Motoren und Wellenmotoren, einschließlich Propellermotoren, wird der Kraftstoffverbrauch durch Berechnung des spezifischen Kraftstoffverbrauchs (Bremsen-Kraftstoffverbrauch) ermittelt . Dieser Wert gibt den Massenstrom des verbrauchten Kraftstoffs geteilt durch die erzeugte Leistung an.

Bei Verbrennungsmotoren in Form von Strahltriebwerken variiert die Leistungsabgabe drastisch mit der Fluggeschwindigkeit, weshalb ein weniger variables Maß verwendet wird: der spezifische Treibstoffverbrauch (TSFC), der die Masse des Treibstoffs angibt, die benötigt wird, um einen Impuls von einem Kilonewton pro Sekunde zu erzeugen.

Bei Raketen kann der spezifische Treibstoffverbrauch (TSFC) verwendet werden, üblicherweise werden jedoch andere gleichwertige Messgrößen herangezogen, wie beispielsweise der spezifische Impuls und die effektive Abgasgeschwindigkeit .

Verbrennungsmotoren, wie beispielsweise Hubkolbenmotoren, erzeugen aufgrund der unvollständigen Verbrennung kohlenstoffhaltiger Kraftstoffe Luftschadstoffe . Hauptbestandteil dieses Prozesses ist Kohlendioxid (CO₂).₂Wasser und etwas Ruß – auch Feinstaub (PM) genannt . ^{[ 55 ]} Die Auswirkungen des Einatmens von Feinstaub wurden an Menschen und Tieren untersucht und umfassen Asthma, Lungenkrebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und vorzeitigen Tod. ^{[ 56 ]} Abhängig von den Betriebsbedingungen und dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis entstehen jedoch weitere Verbrennungsprodukte wie Stickoxide , Schwefel und unverbrannte Kohlenwasserstoffe.

Die Kohlendioxidemissionen von Verbrennungsmotoren (insbesondere solchen, die mit fossilen Brennstoffen wie Benzin und Diesel betrieben werden) tragen zum vom Menschen verursachten Klimawandel bei. Eine Steigerung der Kraftstoffeffizienz des Motors kann die CO₂ -Menge zwar reduzieren, aber nicht vollständig eliminieren.₂Emissionen entstehen bei der Verbrennung kohlenstoffbasierter Brennstoffe durch die Produktion von CO₂.₂Seit der Entfernung von CO₂Da die Nutzung von Abgasen aus Motoren unpraktisch ist, wächst das Interesse an Alternativen. Nachhaltige Kraftstoffe wie Biokraftstoffe , synthetische Kraftstoffe und batteriebetriebene Elektromotoren sind Beispiele dafür.

Nicht der gesamte Kraftstoff wird im Verbrennungsprozess vollständig verbraucht. Nach der Verbrennung verbleibt eine geringe Menge Kraftstoff, die teilweise zu sauerstoffhaltigen Verbindungen wie Formaldehyd oder Acetaldehyd oder zu Kohlenwasserstoffen reagiert, die ursprünglich nicht im Kraftstoffgemisch enthalten waren. Unvollständige Verbrennung entsteht in der Regel durch unzureichenden Sauerstoff , um das optimale stöchiometrische Verhältnis zu erreichen. Die Flamme erlischt an den relativ kühlen Zylinderwänden, wodurch unverbrannter Kraftstoff zurückbleibt, der mit dem Abgas ausgestoßen wird. Bei niedrigen Drehzahlen tritt dieses Erlöschen häufig bei Dieselmotoren (Selbstzündungsmotoren) auf, die mit Erdgas betrieben werden. Das Erlöschen verringert den Wirkungsgrad und erhöht die Klopfneigung, was mitunter zum Abwürgen des Motors führen kann. Unvollständige Verbrennung führt außerdem zur Bildung von Kohlenmonoxid (CO). Weitere freigesetzte Stoffe sind Benzol und 1,3-Butadien , die ebenfalls gefährliche Luftschadstoffe sind .

Eine Erhöhung der Luftmenge im Motor reduziert zwar die Emissionen von Produkten unvollständiger Verbrennung, fördert aber gleichzeitig die Reaktion zwischen Sauerstoff und _Stickstoff in der Luft zur Bildung von Stickoxiden ( NOx ). NOx ist schädlich für Pflanzen und Tiere und führt zur Ozonbildung ( O₃ ₎ .₃Ozon wird nicht direkt freigesetzt, sondern ist ein sekundärer Luftschadstoff, der in der Atmosphäre durch die Reaktion von Stickoxiden (NOₓ ₎ und flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) unter Einwirkung von Sonnenlicht entsteht. Bodennahes Ozon ist schädlich für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Obwohl es sich um dieselbe chemische Substanz handelt, darf bodennahes Ozon nicht mit stratosphärischem Ozon oder der Ozonschicht verwechselt werden , die die Erde vor schädlicher ultravioletter Strahlung schützt.

Kohlenstoffhaltige Brennstoffe, die Schwefel enthalten, erzeugen Schwefelmonoxid (SO) und Schwefeldioxid ( SO₂).₂) trägt zu saurem Regen bei .

In den Vereinigten Staaten werden Stickoxide, Feinstaub , Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid und Ozon gemäß dem Clean Air Act als Kriterienluftschadstoffe reguliert , und zwar auf einem Niveau, das die menschliche Gesundheit und das Wohlbefinden schützt. Andere Schadstoffe wie Benzol und 1,3-Butadien gelten als gefährliche Luftschadstoffe, deren Emissionen je nach technologischen und praktischen Erwägungen so weit wie möglich reduziert werden müssen.

Stickoxide (NOx ₎ , Kohlenmonoxid und andere Schadstoffe werden häufig durch Abgasrückführung reduziert , bei der ein Teil der Abgase zurück in den Motoransaugtrakt geleitet wird. Katalysatoren wandeln Abgasbestandteile in CO um.₂(ein Treibhausgas ), H₂O (Wasserdampf, ebenfalls ein Treibhausgas) und N₂(Stickstoff).

Die in vielen Ländern angewandten Emissionsnormen enthalten spezielle Anforderungen für Off-Road-Motoren , die in Geräten und Fahrzeugen eingesetzt werden, die nicht auf öffentlichen Straßen betrieben werden. Diese Normen sind von denen für Straßenfahrzeuge getrennt. ^{[ 57 ]}

Verbrennungsmotoren tragen maßgeblich zur Lärmbelastung bei. Auch der Pkw- und Lkw-Verkehr auf Autobahnen und Straßen erzeugt Lärm, ebenso wie Fluglärm, insbesondere von Überschallflugzeugen. Raketentriebwerke erzeugen den intensivsten Lärm.

Verbrennungsmotoren verbrauchen auch im Leerlauf weiterhin Kraftstoff und stoßen Schadstoffe aus. Start-Stop-Systeme reduzieren den Leerlauf .

Eine gute Methode zur Abschätzung der Masse an Kohlendioxid, die bei der Verbrennung eines Liters Dieselkraftstoff (oder Benzin) freigesetzt wird, findet sich wie folgt: ^{[ 58 ]}

Die chemische Formel von Dieselkraftstoff lautet näherungsweise C._NH_2nTatsächlich ist Dieselkraftstoff ein Gemisch aus verschiedenen Molekülen. Da Kohlenstoff eine molare Masse von 12 g/mol und Wasserstoff (atomar) eine molare Masse von etwa 1 g/mol hat, beträgt der Gewichtsanteil von Kohlenstoff in Dieselkraftstoff ungefähr 12/14 .

Die Reaktionsgleichung der Dieselverbrennung lautet:

2 C_NH_2n+ 3n O₂⇌ 2n CO₂+ 2n H₂O

Kohlendioxid hat eine molare Masse von 44 g/mol, da es aus zwei Sauerstoffatomen (16 g/mol) und einem Kohlenstoffatom (12 g/mol) besteht. Daher ergeben 12 g Kohlenstoff 44 g Kohlendioxid.

Diesel hat eine Dichte von 0,838 kg pro Liter.

Zusammengefasst lässt sich die Masse an Kohlendioxid, die bei der Verbrennung von 1 Liter Dieselkraftstoff entsteht, wie folgt berechnen:

${\displaystyle 0,838 kg/L \cdot {\frac {12}{14}} \cdot {\frac {44}{12}} = 2,63 kg/L}$

Der mit dieser Schätzung ermittelte Wert liegt nahe an den in der Literatur gefundenen Werten.

Für Benzin mit einer Dichte von 0,75 kg/L und einem Verhältnis von Kohlenstoff- zu Wasserstoffatomen von etwa 6 zu 14 beträgt der geschätzte Wert der Kohlendioxidemission bei der Verbrennung von 1 Liter Benzin:

${\displaystyle 0,75kg/L\cdot {{\frac {6\cdot 12}{6\cdot 12+14}}\cdot 1}\cdot {\frac {44}{12}}=2,3kg/L}$

Der Begriff „parasitäre Verluste“ wird häufig für Bauteile verwendet, die dem Motor Energie entziehen, um dessen Leistung zu steigern oder Energie in Bewegung umzuwandeln. Im Verbrennungsmotor verursacht nahezu jede mechanische Komponente, einschließlich des Antriebsstrangs , parasitäre Verluste und kann daher als parasitäre Last charakterisiert werden.

Lager , Ölpumpen, Kolbenringe , Ventilfedern, Schwungräder , Getriebe , Antriebswellen und Differentiale wirken als parasitäre Lasten, die dem System Leistung entziehen. Diese parasitären Lasten lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: solche, die dem Motorbetrieb inhärent sind, und solche, die im Antriebsstrang durch die Systeme entstehen, die die Kraft vom Motor auf die Straße übertragen (wie Getriebe, Antriebswelle, Differentiale und Achsen).

Zur erstgenannten Kategorie (motorbedingte Nebenlasten) gehört beispielsweise die Ölpumpe, die den Motor schmiert. Sie ist ein notwendiger Nebenlastverbraucher, der dem Motor (ihrem Wirt) Leistung entzieht. Ein weiteres Beispiel für eine motorbedingte Nebenlast ist der Kompressor . Er bezieht seine Energie vom Motor und erzeugt so zusätzliche Leistung. Die vom Kompressor verbrauchte Leistung stellt einen Nebenlastverlust dar und wird üblicherweise in Kilowatt oder PS angegeben . Obwohl der Leistungsverbrauch des Kompressors im Vergleich zu seiner Leistung gering ist, lässt er sich dennoch messen oder berechnen. Einer der Vorteile eines Turboladers gegenüber einem Kompressor ist der geringere Nebenlastverlust. ^{[ 59 ]}

Zu den parasitären Verlusten im Antriebsstrang zählen sowohl stationäre als auch dynamische Lasten. Stationäre Lasten treten bei konstanter Drehzahl auf und können von einzelnen Bauteilen wie dem Drehmomentwandler , der Getriebeölpumpe und/oder der Kupplungsreibung sowie von Dichtungs-/Lagerreibung, Schmierstoffverwirbelung und Getriebereibung im gesamten System herrühren. Dynamische Lasten treten unter Beschleunigung auf und werden durch die Trägheit rotierender Bauteile und/oder erhöhte Reibung verursacht . ^{[ 60 ]}

Obwohl Faustregeln wie ein Leistungsverlust von 15 % durch parasitäre Lasten im Antriebsstrang häufig wiederholt werden, variiert der tatsächliche Energieverlust durch parasitäre Lasten je nach System. Er kann durch die Konstruktion des Antriebsstrangs, die Art und Temperatur des Schmierstoffs sowie viele weitere Faktoren beeinflusst werden. ^{[ 60 ] [ 61 ]} Bei Automobilen lässt sich der Antriebsstrangverlust quantifizieren, indem die Differenz zwischen der auf einem Motorenprüfstand und einem Fahrgestellprüfstand gemessenen Leistung ermittelt wird . Diese Methode eignet sich jedoch primär zur Messung stationärer Lasten und bildet Verluste durch dynamische Lasten möglicherweise nicht genau ab. ^{[ 60 ]} Fortgeschrittenere Methoden können im Labor eingesetzt werden, beispielsweise die Messung des Zylinderdrucks, des Durchflusses und der Temperatur an bestimmten Punkten sowie die Prüfung einzelner Bauteile oder Baugruppen zur Bestimmung von Reibungs- und Pumpverlusten. ^{[ 62 ]}

Beispielsweise wurde bei einem Dynamometertest des Magazins „Hot Rod“ bei einem Ford Mustang mit einem modifizierten 357-Kubikzoll -Small-Block-Ford-V8- Motor und Automatikgetriebe ein durchschnittlicher Antriebsstrangverlust von 33 % gemessen. Im selben Test wurde bei einem Buick mit einem modifizierten 455-Kubikzoll-V8-Motor und einem 4-Gang-Schaltgetriebe ein durchschnittlicher Antriebsstrangverlust von 21 % gemessen. ^{[ 63 ]}

Labortests an einem Schwerlast-Dieselmotor ergaben, dass 1,3 % der zugeführten Kraftstoffenergie durch Nebenverbraucher wie Wasser- und Ölpumpen verloren gingen. ^{[ 62 ]}

Automobilingenieure und Tuner treffen häufig Konstruktionsentscheidungen, die den parasitären Verbrauch reduzieren, um Effizienz und Leistung zu steigern. Dies kann die Wahl wichtiger Motorkomponenten oder -systeme betreffen, beispielsweise die Verwendung einer Trockensumpfschmierung anstelle einer Nasssumpfschmierung . Alternativ lässt sich dies durch den Austausch kleinerer, im Zubehörhandel erhältlicher Komponenten erreichen, etwa durch den Austausch eines direkt vom Motor angetriebenen Lüfters gegen einen Lüfter mit Lüfterkupplung oder einen elektrischen Lüfter. ^{[ 63 ]} Eine weitere Modifikation zur Reduzierung des parasitären Verbrauchs, die häufig bei Rennwagen zum Einsatz kommt, ist der Austausch einer motorbetriebenen Wasserpumpe gegen eine elektrische Wasserpumpe. ^{[ 64 ]} Die Reduzierung des parasitären Verbrauchs durch diese Änderungen kann auf verringerte Reibung oder viele andere Faktoren zurückzuführen sein, die zu einer effizienteren Konstruktion beitragen.

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• Verbrennungsvideo – Zylinderverbrennung in einem optisch zugänglichen Zweitaktmotor
• Animierte Motoren – erklärt eine Vielzahl von Typen
• Einführung in Automotoren – Schnittzeichnungen und ein guter Überblick über den Verbrennungsmotor
• Walter E. Lay Auto Lab – Forschung an der Universität von Michigan
• YouTube – Animation der Komponenten und des Aufbaus eines 4-Zylinder-Motors
• YouTube – Animation der inneren beweglichen Teile eines 4-Zylinder-Motors
• Motorentechnologien der nächsten Generation (abgerufen am 9. Mai 2009)
• Wie Automotoren funktionieren
• Ungewöhnliche Verbrennungsmotoren
• Historische Gesellschaft für Flugzeugmotoren (AEHS) – AEHS-Startseite