mini|Querschnittszeichnung eines Sechszylinder-V-Motors|251x251pxEin Verbrennungsmotor, in der Patentliteratur auch als BrennkraftmaschineNach Definition der IPC-Klasse F02 „Brennkraftmaschinen; mit Heißgas oder Abgasen betriebene Kraftmaschinenanlagen“, Untergruppe F02B „Brennkraftmaschinen mit innerer Verbrennung mit Verdrängerwirkung; Brennkraftmaschinen allgemein“ werden Erfindungen von Verbrennungsmotoren von den Patentämtern in diese Klassen eingeordnet. 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 sogenannte „innere Verbrennung“, also die Erzeugung der Verbrennungswärme im Motor, weshalb in der englischen Sprache das Akronym ICE (, kurz: IC) für Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen verwendet wird. Die Wärmeausdehnung des so entstehenden Verbrennungsgases wird genutzt, um mechanische Elemente wie 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 diversen Kraftfahrzeugen wie Automobilen (Personenkraftwagen, Pkw oder Nutzkraftfahrzeuge, Nfz) oder Motorrädern, Schiffen und Flugzeugen.
Bei kontinuierlich arbeitenden Strahl- und Raketentriebwerke sowie Gasturbinen handelt es sich um eigene Verbrennungsmaschinen, in denen ebenfalls eigene Kraftstoffe verbrannt werden. In diesem Kontext sind jedoch primär die Motoren für o. g. Fahrzeuge gemeint. Dampfturbinen, Dampfmaschinen oder der Stirlingmotor sind keine Verbrennungsmotoren, da die für ihren Betrieb nötige Wärme außerhalb und nicht zwingend durch Verbrennung erzeugt wird.
== Entwicklungsgeschichte == mini|Lenoir-Gasmotor im Technischen Museum Wien Erste Verbrennungsmotoren waren bereits in den 1850er Jahren bekannt; 1853 ließen sich Eugenio Barsanti und Felice Matteucci ihre Erfindung international patentieren. Christian Reithmann betrieb in den 1850er Jahren Gasmotoren, die er selbst entwickelt und gebaut hatte.Quelle? 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.
Bekannte Motorentwicklungslinien umfassten die Saugmotoren, gefolgt von den Direkteinspritzern und DOHC-Technik oder bei Dieselmotoren die Systeme Pumpe-Düse und Common-Rail (CR). Motoren sind als Aggregate grundsätzlich ein Systemelement eines Antriebsstrangs. Sie sind die Kernkompetenz der Fahrzeughersteller und bestehen aus dutzenden Komponenten und Teilen, welche von Automobilzulieferunternehmen entwickelt und produziert werden. Aufgrund der Komplexität und der Vielzahl der Anwendungen existieren aber auch spezialisierte Motorenbauer wie z. B. Cosworth oder Deutz.
Zum Motorenbau zählen auch die Motorsteuergeräte, Abgassysteme u. v. m. Die Abgasnormen und damit Anforderungen an die Konstruktion diktieren seit Jahrzehnten die Optimierung aller Teile des Gesamtsystems Automobil.
Je nach Markt (z. B. Europa) haben sich die Automobilhersteller seit Jahrzehnten auf Ottomotoren für Personenkraftfahrzeuge (Pkw) in der Massenproduktion (Automobilproduktion) eingerichtet und Dieselmotoren zu Pkw-fähigen Antrieben weiterentwickelt.
Verbrennungsmotoren spielen außerdem eine entscheidende Rolle für den Antrieb militärischer Fahrzeuge, angefangen bei der Panzerwaffe bis hin zu modernen Waffensystemen. Für die Domänen Luft und Weltraum kommen die Luftfahrt- und Raketenantriebe zum Einsatz, welche ebenfalls als Teil des Maschinenbaus konstruiert werden. Zur See kommen neben den Schiffsdieselmotoren auch Gasturbinen zum Einsatz.
Beinahe alle Entwicklungen finden seit den 1980er Jahren computerbasiert (CAx) statt. Alle Maschinen durchlaufen umfangreiche Test- und Qualitätsverfahren, im Design und in der Produktion (siehe V&V).
In der Geschichte des Automobils gab es viele weitere Erfindungen und Entwicklungen, speziell im Bereich der Automobilelektronik, die auch die Motoren in ihrer Funktion, Leistung und Qualität verbessert haben. Eine Vielzahl von Motoren wird im industriellen Bereich eingesetzt und ist normalen Benutzern nicht zugänglich, beispielsweise in Blockheizkraftwerken (BHKW) oder auf Schiffen in Form von sogenannten Schiffsmotoren.
Obwohl Verbrennungsmotoren seit rund 150 Jahren erforscht und entwickelt werden, finden die Maschinen zwar einen weltweiten Einsatz, sind jedoch zunehmend technischen und politischen Schranken ausgesetzt.
Seit den 2010er Jahren werden zunehmend Kleinstmotoren, wie Dreizylinder, in Kleinwagen in Serie verbaut. Typische Pkw-Motoren wurden ursprünglich durch Innovationen wie dem Ford Nucleon oder VW XL1 begleitet, aber nie ersetzt. Der GM EV1 war ein erster Versuch eines kommerziellen Elektroautos. Letztere Fahrzeugklasse konkurriert seit den 2010er Jahren mit Verbrennungsmotoren-basierten Autos.
Seit den 2020er Jahren wurde ein umfangreiches Verbot von Verbrennungsmotoren von einzelnen Ländern und auch einzelnen Automobilherstellern verabschiedet. Rund zwei Dutzend Staaten beschlossen auf der Weltklimakonferenz von Glasgow 2021 eine Erklärung zum Verbot von Verbrennungsmotoren im Bereich der privaten Nutzung für Automobile. Deutschland unterzeichnete die Erklärung mit Hinweis auf nicht ausgeschöpftes Potential alternativer Kraftstoffe nicht. In diesem Zusammenhang dominiert seit Jahrzehnten auch die Wirtschafts- und Industriepolitik und übt Einfluss auf die Zukunft der Verbrennungsmotoren aus.
Motorenbauer Mit dem Motorenbau werden die folgenden Erfinder und Ingenieure in Verbindung gebracht: +Motorenbau-Ingenieure und ErfinderA-GH-NO-Z Carl Benz Georges Bouton George Brayton Edward N. Cole Clessie Cummins Gottlieb Daimler Joseph Day Rudolf Diesel Ludwig Elsbett Ernest Henry Hugo Junkers Frederick W. Lanchester Eugen Langen Philippe Lebon Étienne Lenoir Frank Perkins Siegfried Marcus Wilhelm Maybach Nicolaus Otto Harry Ricardo Isaac de Rivaz Robert Stirling Felix Wankel
Bezeichnungen 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 der vorgeschlagene deutsche Begriff für einen Verbrennungsmotor „Zerknalltreibling“, was sich heute nur noch als scherzhafte Bezeichnung erhalten hat.
Grundsätzliche Funktionsweise gerahmt|Viertakt-Ottomotor als Beispiel für einen Verbrennungsmotor. Keine Direkteinspritzung, sondern Saugrohreinspritzung. Benennung der Arbeitstakte:1. Ansaugen2. Verdichten3. Arbeiten4. AusstoßenBei 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.
Wirkungsgrad Wie bei vielen technischen Geräten und Systemen, die Energie umwandeln, ist auch beim Verbrennungsmotor der Wirkungsgrad eine zentrale Größe, die jeden Motortyp charakterisiert. Seine Verbesserung war über viele Jahrzehnte Teil der Entwicklung. Die Maschinen wandeln chemische Energie (gespeichert in Kraftstoffen) in mechanische Energie (Bewegung) um.
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 %. Im Vergleich dazu liegt der Wert für Elektromotoren samt Batterie (siehe auch das Batteriemanagementsystem) und Leistungselektronik bei rund 65 %.
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.
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.
Bekannte Motorbauarten Vorbemerkungen In der Geschichte des Motorenbaus wurden viele Konzepte erdacht und realisiert, die nicht unbedingt in das folgende Raster passen, zum Beispiel Ottomotoren mit Direkteinspritzung oder Vielstoffmotoren. Zugunsten der Übersichtlichkeit werden diese Sonderfälle hier nicht betrachtet. Dazu gehören der Wankelmotor (Ottomotor mit Rotationskolben und Schlitzsteuerung) oder Schiffsdieselmotoren, die oft als Zweitakt-Dieselmotor mit Auslassventilen konzipiert sind.
Nach dem Arbeitsverfahren mini|Schnitt durch einen Motorradmotor
Viertaktverfahren (Viertaktmotor): Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während je eines Taktes ab. Mit Takt ist ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine vollständige Aufwärts- oder Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitszyklus mit vier Takten dreht sich die Kurbelwelle also zweimal. Eine Umdrehung dient dem Gaswechsel. Frischgas und Abgas sind voneinander getrennt (geschlossener Gaswechsel). In der Praxis kommt es aber doch zu einer kurzen Berührung während der sogenannten Ventilüberschneidung. Zweitaktverfahren (Zweitaktmotor): Auch beim Zweitaktverfahren wird das Gas während zweier Kolbenhübe (= Takte) kalt verdichtet und warm ausgedehnt. Das Abgas wird kurz im Zeitraum kurz vor und nach dem unteren Totpunkt des Kolbens durch frisches Gas ersetzt, das unter Druck in den Zylinder geblasen wird. Daher ist für den Gaswechsel ein eigenes Spülgebläse notwendig. Bei kleinen (Otto)-Motoren ist das die Kolbenunterseite im Kurbelgehäuse, größere Motoren haben in der Regel eigen- oder fremdangetriebene Turbo- oder Roots-Gebläse, auch kombiniert mit einem Turbolader. Die Kurbelwelle dreht sich während eines Arbeitszyklus nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heißt, es kommt zu einer partiellen Durchmischung von Frischgas und Abgas.