Auto & Umwelt

Die Gegenwart: Verbrennungsmotoren

Die Gegenwart des Automobils ist geprägt durch den Verbrennungsmotor. Dieser liegt in einer sehr großen Anzahl unterschiedlicher Varianten und Ausprägungen vor, doch im Kern basieren Verbrennungsmotoren auf einem Funktionsprinzip: dem Verbrennen von (zu viel) Kraftstoff.

Letztlich wird sich daran in den kommenden Jahren nichts ändern, denn die naheliegenden und weitreichenden Entwicklungen zielen entweder auf alternative Treibstoffe und/oder Verbesserungen der bestehenden Motoren ab. Daher lohnt sich ein Blick auf den Ist-Zustand, um deutlich zu machen, wo die Autobauer bei ihren Versuchen, den Durst der Motoren zu stillen, ansetzen.

Alle nach einem Prinzip

In einem Verbrennungsmotor wird (vereinfacht gesagt) ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft in einem geschlossenen Raum, der Brennkammer oder dem Zylinder, entzündet und verbrannt.

Nicht die Verbrennung selbst, sondern der dabei entstehende Druck durch die Ausdehnung der Verbrennungsgase wird genutzt. um Bewegung zu erzeugen: Dieser Druck nämlich setzt einen Kolben in Gang, diese Bewegung wird über verschiedene Verfahren (auch abhängig, welche Form des Verbrennungsmotors vorliegt) in Antrieb umgesetzt. Dabei gibt es beim Auto eine ganze Reihe von Varianten, die alle auf dem gleichen Grundprinzip basieren, allerdings unterschiedlich ausführen. Sie können hier nicht detailliert vorgestellt werden; am gebräuchlichsten sind Hubkolbenmaschinen, die hier auch den Schwerpunkt bilden.

Zwei- und Viertakter

Bei so genannten Hubkolbenmaschinen wird der Druck, der durch die sich ausdehnenden Verbrennungsgase entsteht, auf einen Kolben übertragen, der sich hebt und senkt. Derartige Motoren arbeiten gewöhnlich im zwei- oder viertaktigen Rhythmus.

Takt steht hier für Arbeitsschritt. Ein Viertakter durchläuft also immer vier Arbeitsschritte: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Im Unterschied dazu vollzieht der Zweitakter nur zwei Arbeitsschritte, wobei das Ansaugen und Ausstoßen und das Verdichten und Arbeiten gleichzeitig vollzogen werden.

Zweitakter: Billigheimer

In verschiedener Hinsicht gilt der Viertaktmotor dem Zweitakter als überlegen, was vor allem an der wesentlich vorangeschrittenen Entwicklung liegt. Zweitakter haben gewöhnlich einen höheren Verbrauch und schlechtere Abgaswerte, außerdem einen geringeren Wirkungsgrad im Vergleich zum Viertakter. Allerdings sind sie wesentlich einfacher strukturiert und können billiger hergestellt werden, was der Hauptgrund dafür ist, dass noch immer Zweitakter gebaut werden: Vor allem Billigautos, wie etwa der „Nano“ aus dem Hause des indischen Fahrzeugherstellers Tata Motors.

Das vergleichsweise kleine, leistungsschwache und relativ leichte Fahrzeug kommt immer noch auf einen Verbrauch von fünf Litern je hundert Kilometern, was man auch mit einem hochentwickelten und wesentlich schwereren Fahrzeug wie dem Passat „BlueMotion“ fast erreichen kann. Zwischen beiden Fahrzeugen liegen technologisch und hinsichtlich der Ausstattung Welten, was einen direkten Vergleich verzerrt.

Ottomotoren

Neben der Einteilung hinsichtlich des Taktes, unterscheiden sich Verbrennungsmotoren noch in Bezug auf den thermodynamischen Prozess. Der Ottomotor benötigt – im Gegensatz zum Dieselmotor – eine aktive Zündvorrichtung, um das Gemisch aus Kraftstoff und Luft zu entzünden. Lange Zeit galt als weiteres Merkmal des Ottomotors, dass das Gemisch aus Kraftstoff und Luft vor dem Eintritt in den Brennraum hergestellt wurde – mittlerweile gibt es so genannte „Bezin-Direkteinspritzer“, bei dem der Kraftstoff direkt in den Brennraum gespritzt wird.

Auch das ursprünglich geltende Prinzip einer Regelung der Leistung über die Drosselklappe ist bereits durch existierende Motorenvarianten aufgehoben worden, wo diese Funktion durch einen variablen Ventilhub ersetzt worden ist. Solchen Crossover-Motoren widmen wir uns in einem eigenständigen Beitrag, denn sie bilden einen wichtigen Weg, den Automobilhersteller beschreiten, um gegenwärtige Verbrennungsmotoren zu optimieren.

Otto-Motoren fahren in der Regel mit Benzin als Kraftstoff, doch können auch alternative Antriebsstoffe wie Flüssiggas, Ergas, Biogas usw., sowie Ethanol und Wasserstoff als Kraftstoff zum Einsatz kommen. Vor allem mit dem Wasserstoff verbinden sich zum Teil hochfliegende Erwartungen, wie noch zu sehen sein wird.

Dieselmotoren

Die zweite, gebräuchliche Variante des Verbrennungsmotors ist der Dieselmotor. Hier wird zunächst nur Luft in den Brennraum zugeführt und dort verdichtet: Erst dann erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffes: Die hohe Temperatur der verdichteten Luft reicht aus, um das Gemisch selbst zu zünden. Die Selbstzündung ist der größte Unterschied zum Ottomotor, der auf eine Zündhilfe in Form von Zündkerzen angewiesen ist. Bei den anderen Unterscheidungsmerkmalen haben technologische Entwicklungen die Grenzen zum Teil verwischt.

Die Vorzüge des Dieselmotors liegen vor allem im höheren Wirkungsgrad und dem daraus entstehenden niedrigeren Kraftstoff-Verbrauch. Auch werden vergleichsweise geringere Schadstoffe ausgegeben, soweit es sich um Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxid handelt. Allerdings haben Benzinmotoren mit Katalysator wiederum bei den Stickstoffoxiden die Nase vorn, außerdem verlassen den Auspuff bei Dieselmotoren Partikel und Feinstäube, wenn dem nicht durch einen Partikelfilter entgegengewirkt wird.

Nachteilig sind auch die höheren Produktionskosten, höhere Geräuschemissionen und bei älteren Motoren auch ein weniger ausgereifter Motorlauf. Vor allem die Sparsamkeit, sowie technische Verbesserungen, die zu einer wesentlichen Verringerung der Lautstärke und des Laufverhaltens führten, haben dem Dieselmotor auf die Sprünge geholfen: Der Anteil an den Neuzulassungen ist in den zurückliegenden Jahrzehnten kräftig gestiegen. Beim Dieselmotor sind die Möglichkeiten alternativer Kraftstoffe begrenzter, immerhin lässt sich auch so genannter Biodiesel verwenden.

Weiterentwicklung als Schlüssel

Die aufgeführten Versionen des Verbrennungsmotors bilden die Grundlage, den Ausgangspunkt der Entwicklung. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bereits eine gewaltige Entwicklungsleistung vollbracht worden ist, die zum gegenwärtigen Stand der Dinge geführt hat – und sich unter anderem in sparsameren Motoren niedergeschlagen hat. Der erste Schwerpunkt über die Weiterentwicklung befasst sich denn auch mit der Verbesserung der bereits vorhandenen Motoren, denn anders als bei grundsätzlichen Systemänderungen (z.B. Brennstoffzelle) oder alternativen Treibstoffen (z.B. Wasserstoff) lassen sich auf diesem Gebiet relativ rasch Fortschritte erzielen, die im Alltag tauglich sind.

Trotzdem bleiben diese, weit in die Zukunft reichenden Konzepte nicht außen vor: Neben alternativen Kraftstoffen werden schließlich auch alternative Antriebssysteme vorgestellt.