Je nach Prozessführung unterscheidet man zwischen Verbrennungsmotoren mit äußerer und mit innerer Gemischbildung.

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1 1.3 Einteilung nach Art der Gemischbildung Je nach Prozessführung unterscheidet man zwischen Verbrennungsmotoren mit äußerer und mit innerer Gemischbildung. Arbeitsweise des Hubkolbenmotors mit äußerer Gemischbildung Bei Motoren mit äußerer Gemischbildung wird das Gemisch außerhalb des Arbeitszylinders, schon im Saugrohr erzeugt. Dieses Verfahren wird bei Ottomotoren verwendet. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die teilweise Verdampfung des Kraftstoffes und die Vermischung von Kraftstoff und Luft bereits außerhalb des Zylinders beginnt. So steht genügend Zeit zur Verfügung, damit möglichst ein homogenes Luft-Kraftstoff-Gemisch vor der Zündung bereitgestellt wird. Die Leistungsregelung erfolgt durch Veränderung der Mischungsmenge, wobei das Mischungsverhältnis unverändert bleibt. Bei Betätigung des Gaspedals wird nicht nur die Luftmenge verändert (durch Betätigung einer Drosselklappe im Saugrohr) sondern im gleichen Verhältnis auch die Zugeführte Kraftstoffmenge. Man spricht daher über eine Mengenregelung. Für die Gemischaufbereitung wurden früher sogenannte Vergaser benutzt. Der prinzipielle Aufbau eines Vergasers ist im Bild dargestellt. Bild 1.10 Grundaufbau eines Vergasers Der Kraftstoff gelangt vom Tank in die Schwimmerkammer, die mit Umgebungsdruck p 0 beaufschlagt ist (Belüftung). Das Ventil des Schwimmers hält den Kraftstoff auf einer konstanten Spiegelhöhe. Von der Schwimmerkammer wird der Kraftstoff über die Hautdüse in das Zerstäuberrohr weitergeleitet. Die Austrittsbohrungen des Zerstäuberrohres sind an der engsten Stelle des als Venturidüse ausgebildeten Luftrichters angeordnet. Saugt der Motor Luft an, entsteht im Lufttrichter Unterdruck. Dieser Unterdruck bewirkt einen Ausfluss des Kraftstoffes, der dann aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit der Luft fein zerstäubt wird.

2 Zur Zündung und Verbrennung von Kraftstoff ist im Saugrohr bzw. Brennraum ein bestimmtes Massenverhältnis in engen Grenzen notwendig. Ein Gemisch von ca. 14,7 kg Luft pro 1 kg Kraftstoff wird als stöchiometrisches Gemisch bezeichnet (Lambda = 1). D. h. es sind so viele Moleküle Luft bzw. Sauerstoff und Benzin vorhanden, dass eine vollständige Verbrennung erreicht wird. Dabei ist Lambda (λ) definiert als das Verhältnis aus zugeführter Luftmenge zum theoretischen Luftbedarf. Mageres Gemisch (Lambda größer 1) enthält mehr Luft, fettes Gemisch (Lambda kleiner 1) weniger Luft. Der genaue Wert der Verhältniszahl Lambda hängt aber auch von der Kraftstoffzusammensetzung, insbesondere dem Verhältnis Kohlenstoff zu Wasserstoff ab.

3 Bestimmte Betriebspunkte erfordern unterschiedliche λ-werte. Bei fettem Gemisch (λ<1) steigt die Motorleistung, bei magerem Gemisch (λ>1) arbeitet der Motor sparsamer, d.h. der Kraftstoffverbrauch sinkt. (Bild 1.10 linkes Diagram) Bild 1.11 Einfluss des λ-wertes auf die Motorparameter Das Mischungsverhältnis beeinflusst andererseits die Schadstoffemission, d.h. den Anteil verschiedener Schadstoffe (CO Kohlenmonoxid, H n C m - Kohlenwasserstoffe, NO X Stixstoffoxide) im Auspuffgas des Motors. (Bild 1.10 rechtes Diagram). Es ist ersichtlich, dass es sich keine optimale Lösung anbietet, mit der Wahl des Mischungsverhältnisses alle Schadstoffparameter gleich günstig zu gestalten. Um in allen Betriebspunkten einen einwandfreien Motorbetrieb zu gewährleisten, muss der Vergaser ziemlich umfangreichen Anforderungen gerecht werden: Schnelles, sicheres Starten ( Kalt- und Warmstart) Runder Leerlauf auch bei niedrigen Lehraufdrehzahlen Sparsames Teillastverbrauch Rasches, ruckfreies Ansprechen beim Beschleunigen Gemischanreicherung zur Erreichung der Höchstleistung In allen Betriebspunkten sollten die Schadstoffe im Abgas unter den zulässigen Grenzwerten liegen.

4 Bild 1.12 Aufbau eines modernen Vergasers (BMW) Im Zuge der stetigen Verschärfung der Abgasgesetze in Verbindung mit der Verbreitung der Katalisatortechnik zur Abgasnachbehandlung und der Trend zu sparsamen aber trotzdem dynamischen Motoren wurde die Technik der Vergaser immer komplexer, umfangreicher und schließlich auch teuerer.. Die Kraftstoff-Einspritzung Mitte der 80er Jahre hat sich die Kraftstoff-Einspritzung als Gemischbildungsverfahren durchgesetzt. Hervorgerufen wurde diese Entwicklung durch die Vorteile, die die Einspritzung in das Saugrohr in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Leistungsfähigkeit und Schadstoffemission besitzt. Bei diesem Verfahren wird der Kraftstoff durch eine zentrale Pumpe in ein Leitungssystem gefördert und entweder Zentral (Zentraleinspritzung), oder einzeln vor jedem Zylinder (Einzeleinspritzung) eingespritzt. (Bild ) Die Einspritzung in das Saugrohr erfolgt entweder kontinuierlich oder diskontinuierlich in kleineren Zeitintervallen innerhalb eines Arbeitsspiels. Die kontinuierlich einspitzenden Systeme sind mechanische Systeme, die über eine Variation des Kraftstoffdruckes an der Einspritzdüse die eingespritzte Kraftstoffmenge verändern- und dem Leistungsbedarf des Motors anpassen können.

5 Bild 1.13 Kraftstoff-Einspritzung Zentraleinspritzung (links) - Einzeleinspritzung (rechts) Zur diskontinuierlichen Einspritzung werden Elektromagnetventile eingesetzt, die von einem elektronischen Steuergerät angesteuert werden. Am Einspritzventil liegt in diesem Fall praktisch immer der gleiche Kraftstoffvordruck an, nur die angesteuerte Öffnungsdauer der Einspitzdüse bestimmt die zugeführte Kraftstoffmenge. Bei den heutigen modernen Motoren werden ausschließlich elektronisch gesteuerte Anlagen mit Einzeleinspritzung verwendet. Meistens wird der Kraftstoffstrahl direkt auf das Saugventil gerichtet. Bei Betriebstemperatur erreichen die Ventile Temperaturen, bei denen der Kraftstoff bereits verdampft. Beim Öffnen des Ventils wird der Kraftstoffdampf von der in den Zylinder einströmenden Luft mitgenommen und es bildet sich ein für die Verbrennung ideales Gemisch. Ein weiterer Vorteil dieser Art der Einspritzung ist, dass man bei der Auslegung des Saugrohrsystems keine Rücksicht auf die Einspritzanlage zu nehmen braucht. Arbeitsweise des Hubkolbenmotors mit innerer Gemischbildung Die Dieselmotoren arbeiten mit einer inneren Gemischbildung. Das heißt dass das Gemisch nicht außerhalb, sondern innerhalb des Zylinders erzeugt wird. Bei Motoren mit innerer Gemischbildung wird der Kraftstoff mit großem Druck kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) fein zerstäubt in den Zylinder eingespritzt. In der komprimierten heißen Verbrennungsluft kommt es zu einer Selbstzündung. Dabei bleibt wenig Zeit, ein ideales Gemisch zu erzeugen.

6 Bild 1.14 Direkte Kraftstoff-Einspritzung in den Zylinder Einteilung nach Last- oder Leistungsregelung Unter Last versteht man die Belastung eines Motors zwischen Nulllast (Leerlauf) über die Teillast bis zur Volllast. Die Lastregelung des konventionellen Motors erfolgt im Fahrzeug über das Gaspedal. Man unterscheidet zwischen Qualität- und Quantitätsregelung. Quantitätsregelung: Beim konventionellen Ottomotor wird die Gemischmenge d.h. die Quantität des Gemisches über eine Drosselklappe im Saugrohr variiert. Das Luft-Kraftstoff Verhältnis d.h. die Qualität des Gemisches bleibt in erster Näherung konstant (λ = 1). Durch die Drosselung der Luftströmung im Teillastbereich entstehen Strömungsverluste schlechterer Wirkungsgrad! Qualitätsregelung: Beim Dieselmotor ist die angesaugte Luftmenge (Luftmasse) bei Konstanter Drehzahl unabhängig von der Last nahezu konstant. Die Lastregelung erfolgt durch unterschiedliche Zugabe von Kraftstoff. Man spricht in diesem Fall deshalb von Qualitätsregelung, weil die Qualität des Gemisches im Brennraum verändert wird (λ = 1,05 8) Einteilung nach Art des Kraftstoffes Beim Verbrennungsmotor wird die thermische Energie aus dem Kraftstoff gewonnen. Zu diesem Zweck wird der Kraftstoff in den Verbrennungsraum gebracht und dort verbrannt. Der Kraftstoff beeinflusst aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften den Verbrennungsprozess und hat natürlich einen großen Einfluss auf die Kraftstoff-Versorgungsanlage. Entsprechend den verschiedenen Aggregatzuständen des Kraftstoffes kann wie folgt unterschieden werden:

7 Motoren für gasförmige Kraftstoffe (Methan, Propan, Butan, Erdgas (CNG), Biogas, Wasserstoff) Motoren für die flüssigen Kraftstoffe (Benzin, Kerosin, Benzol, Alkohole, verflüssigte Gase (LNG, LPG), Dieselkraftstoff, Petroleum, Rapsöl-Methyl-Ester (Biodiesel), Schweröle Motoren für die gasförmigen Kraftstoffe Die Motoren für gasförmige Kraftstoffe, kurz Gasmotoren genannt, arbeiten nach dem Ottoverfahren mit äußerer Gemischbildung. Zur Gemischbildung dient ein Mischventil, in dem das Gas mit der Luft zusammengeführt wird. Die Regelung der zugeführten Gas- und Luftmenge entsprechend dem gewünschten Mischungsverhältnis erfolgt durch Drosselorgane (Drosselklappe, Ventil), die in die Gas und Luftleitung eingebaut sind. Die Zündung des Gemisches erfolgt durch eine elektrische Zündvorrichtung mittels Zündkerze. Motoren für die flüssigen Kraftstoffe Hierzu gehören die üblichen Otto- und Dieselmotoren, die mit handelsüblichen Otto- und Dieselkraftstoffen betrieben werden. Größere Schiffsdieselmotoren werden zur Senkung der Betriebskosten mit Schweröl betrieben. Schweröl besitzt einen höheren Schwefel- und Aschegehalt sowie eine höhere Zähigkeit als Dieselkraftstoff. Ein betrieb mit derartigen Kraftstoffen verlangt Veränderungen im Kraftstoffzufuhr-system: Schwerölvorwärmung zur Gewährleistung der Pumpfähigkeit (ca C ) und des Zentrifugierens (bis C ) Notwendigkeit der Schwerölreinigung durch Separatoren (Asche im Öl ist besondere Gefahr für Einspritzpumpe und Düsen) Notwendigkeit der Düsenkühlung (Verkohlung) Vielstoffmotoren Der Schwerpunkt liegt bei den Vielstoffmotoren weniger auf der Erzielung von Höchstleistungen als vielmehr auf einer Erweiterung der Kraftstoffbasis. Für den Vielstoffbetrieb wird ausschließlich der Dieselmotor, mitunter der Dieselmotor mit zusätzlicher Fremdzündung verwendet. Einteilung der Motoren nach Einsatzgebiet oder Verwendungsgebiet Das Einsatzgebiet der Verbrennungsmotoren ist vielfältig. Das Bild 1.14 zeigt sehr anschaulich, wie der Verwendungszweck Größe und Gestaltung der Motoren bestimmt.

8 Bild 1.15 Motoren für verschiedene Verwendungszwecke