Verbrennungsmotor

Motorenbauer

Mit dem Motorenbau werden die folgenden Erfinder und Ingenieure in Verbindung gebracht:

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.

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

• 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.
• Compoundmotor: Im Compoundmotor wird das Gas stufenweise komprimiert und expandiert. Dazu hat der Compoundmotor zwei Verbrennungszylinder und einen dem Vorkomprimieren und Ausstoßen der Gase dienenden Mittelzylinder, dessen Kolben doppeltwirkend ist. Der Kolben im Mittelzylinder saugt die Verbrennungsluft auf seiner Unterseite beim Aufwärtsgang an und komprimiert sie im Abwärtsgang. Die komprimierte Luft wird in einen der Verbrennungszylinder geleitet, wo sie weiter komprimiert wird. Ist der Kolben des Verbrennungszylinders kurz vor dem oberen Totpunkt angekommen, wird der Kraftstoff eingeblasen. Der Kraftstoff verbrennt und durch die expandierenden Gase wird der Kolben nach unten gedrückt. In seinem Aufwärtsgang schiebt der Kolben die Gase nun aber nicht in den Auspuff, sondern zurück in den Mittelzylinder, aber auf die Oberseite. Die weiter expandierenden Gase schieben den Kolben dadurch nach unten, wodurch er die bereits angesaugte Luft vorkomprimiert; beim Aufwärtsgang des Kolbens werden die Gase dann ausgestoßen. Die Arbeitsspiele des Motors haben zu diesem Zeitpunkt bereits von Neuem begonnen. Der Mittelzylinder arbeitet im Zweitakt, während die Verbrennungszylinder im Viertakt arbeiten. Deshalb sind für einen Mittelzylinder zwei Verbrennungszylinder erforderlich. Rudolf Diesel ließ sich den Compoundmotor im Rahmen des Patentes DRP 67207 patentieren. Diesel erhoffte sich vom Compoundmotor einen hohen Wirkungsgrad. Im Laufe des Jahres 1896 entstand ein nach den 1894/1895 angefertigten Zeichnungen Nadrowskis gebauter Prototyp, der erst 1897 fertiggestellt wurde. Die Testläufe zeigten, dass aufgrund des hohen Wärmeverlustes beim Überströmen der Gase vom Verbrennungszylinder in den Mittelzylinder kein hoher Wirkungsgrad erzielbar war. Im Leerlauf betrug der Petroleumverbrauch laut Diesel 499 g·PS_i·h⁻¹ (678 g·kW_i·h⁻¹), zum Vergleich dazu verbrauchte der erste funktionsfähige Dieselmotor bei Nennleistung lediglich 238 g·PS·h⁻¹ (324 g·kW·h⁻¹) Petroleum.
• Split-Cycle-Motor: Der Scuderi-Motor arbeitet mit vier getrennten Takten, die jedoch auf zwei Zylinder aufgeteilt sind. Die vier Arbeitsschritte Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen werden auf zwei Zylinder verteilt, die konstruktiv für ihre Aufgabe ausgelegt werden. Es handelt sich um ein altbekanntes Verfahren, das jedoch erst jüngst (2007) zum Bau eines Prototyps geführt hat.

Nach dem Bewegungsablauf

• Hubkolbenmotor (typischerweise Schubkurbel mit Pleuel und Kurbelwelle bei großen Motoren zusätzlich Kreuzkopf und Kolbenstange, exotische Konstruktionen Freikolbenmotor, Knickpleuelmotor, Kurbelschlaufenmotor oder kurbelwellenlose Kurvenscheibenmotoren)
• Rotationskolbenmotor (zum Beispiel der Wankelmotor)

Nach dem Gemischbildungsverfahren

Ottomotoren arbeiten in der Regel mit ungefähr konstantem Verbrennungsluftverhältnis, das heißt pro eine Masseeinheit Kraftstoff werden 13 bis 15 Masseeinheiten Luft hinzugemischt. Zur Verbrennung von 1 kg Benzin werden 14,5 kg Luft benötigt; ein solches Kraftstoff-Luft-Gemisch wird als stöchiometrisch (Luftzahl ${\displaystyle \lambda =1}$) bezeichnet. Ist mehr Luft als nötig im Brennraum, so ist das Gemisch überstöchiometrisch, mager (${\displaystyle \lambda >1}$), ist zu wenig Luft im Brennraum, so ist das Gemisch unterstöchiometrisch, fett (${\displaystyle \lambda <1}$). Um die Abgase in einem Katalysator mit maximaler Wirkung zu entgiften, ist eine Luftzahl von 1 erforderlich. Dieselmotoren arbeiten mit variabler Luftzahl, etwa von 10 bis 1,3.

Die Gemischbildung kann sowohl innerhalb als auch außerhalb des Brennraums stattfinden, wobei der bedeutendste Selbstzündermotor, der Dieselmotor, nur mit Gemischbildung innerhalb des Brennraumes funktioniert.

Nach dem Zündverfahren

• Fremdzündung, entweder gesteuert oder ungesteuert als Glühzündung
• Selbstzündung bzw. homogene Kompressionszündung (HCCI)

Die Fremdzündung ist Merkmal verschiedener Motoren, unter anderem des Ottomotors. Dabei wird das Entzünden des Kraftstoffluftgemisches durch eine Zündhilfe eingeleitet, in der Regel kurz vor dem oberen Totpunkt. Ottomotoren haben dafür Zündkerzen. Gibt es keine Zündkerze und ist die Fremdzündung unkontrolliert, so spricht man von Glühzündung. Die ersten Motoren von Gottlieb Daimler arbeiteten mit Glühzündung. Ein früher verbreiteter Glühzündermotor ist der Glühkopfmotor, nach seinem Erfinder auch Akroydmotor genannt. In Deutschland ist er insbesondere aus Ackerschleppern der Marke Lanz Bulldog bekannt, in Skandinavien als Motor von Fischerbooten, unter anderem von Bolinders. Bei diesen Motoren muss vor dem Start ein Glühkopf genannter Teil des Zylinderkopfs erhitzt werden, etwa mit einer Lötlampe, ehe die Zündung einsetzen kann. In den Glühkopf wird der Treibstoff während des Verdichtungstaktes eingespritzt. Heute werden Glühzündermotoren (die allerdings nicht nach dem Akroydverfahren arbeiten) vorwiegend im Modellbau verwendet. Beim Ottomotor können in seltenen Fällen Glühzündungen nach dem Abstellen des Motors vorkommen, sie wirken sich aber schädlich auf das Triebwerk aus und sind daher unerwünscht.

Die Selbstzündung ist Merkmal verschiedener Motoren, bekanntester Selbstzünder ist der Dieselmotor. Bei einem Selbstzündermotor werden keine Zündhilfen eingesetzt, die Zündung wird stattdessen ausschließlich durch Kompressionswärme eingeleitet. Die Arbeitsweise der Selbstzündermotoren ist von ihrem Funktionsprinzip abhängig: bei einem Dieselmotor wird zuerst reine Luft stark verdichtet und dadurch erhitzt. Kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) wird der Dieselkraftstoff eingespritzt, der sich durch die Hitze von selbst entzündet. Da sich der Kraftstoff im Dieselmotor aufgrund der späten Einspritzung entzündet, bevor sich ein homogenes Gemisch bilden kann, spricht man beim Dieselmotor von heterogenem Gemisch. Bei sogenannten HCCI-Motoren wird hingegen ein homogenes Gemisch gebildet, das sich nur durch die Kompressionswärme entzünden soll. Anders als beim Dieselmotor muss daher die Einspritzung des Kraftstoffes früh erfolgen, damit das Gemisch bis zur Zündung gut durchmischt (homogen) ist. Dadurch werden bessere Emissionswerte erreicht. Einige Modellbaumotoren arbeiten ebenfalls mit homogener Kompressionszündung, das Gemisch wird hier mit einem Vergaser gebildet, das Verdichtungsverhältnis kann mit einer Schraube verstellt werden.

Nach dem Brennverfahren

Mit Brennverfahren bzw. Verbrennungsverfahren bezeichnet man bei Verbrennungsmotoren den Ablauf, in dem der Treibstoff im Motor verbrennt.

• Brennverfahren mit homogenem Kraftstoff-Luftgemisch (Ottomotor)
• Brennverfahren mit inhomogenem Kraftstoff-Luftgemisch: Schichtladung (Fackelzündung) und Dieselmotor
• das BPI-Brennverfahren (mit Vorkammerzündkerze; Ottomotor)

Nach der Füllungsart

• Saugmotor
• Ladermotor

Nach dem Kühlverfahren

• Flüssigkeitskühlung
• Verdampfungskühlung
• Luftkühlung
• Ölkühlung
• Kombinationen aus Luft-/Ölkühlung (SAME)
• Stickstoffkühlung

Nach dem Grad der Schnellläufigkeit

In früheren Jahren wurde der Grad der Schnellläufigkeit aufgrund der Kolbengeschwindigkeit, später vermehrt durch die Drehzahl bestimmt. Bei Großmotoren (Schiffsdieselmotoren, Bahn, Stromerzeuger) unterscheidet man drei Klassen:

• Langsamläufer bis 300/min, die im Zweitaktverfahren arbeiten und für Schweröl tauglich sind
• Mittelschnellläufer zwischen 300 und 1200/min, die überwiegend schweröltaugliche Viertaktmotoren sind
• Schnellläufer ab 1000/min als Viertakter, die für Schweröl nicht mehr geeignet sind.

Nach weiteren Definitionen gibt es

• Mittelläufer bis 2000/min für Boots- und Binnenschiffsmotoren, Hilfsaggregate und ähnliches
• Schnellläufer über 2000/min als Otto- und Dieselmotoren für Fahrzeuge

Nach Schrön

Hans Schrön unterscheidet im 1942 erschienenen Werk Die Dynamik der Verbrennungskraftmaschine zwischen drei verschiedenen Typen, den Langsamläufern, den Mittelläufern und den Schnellläufern. Als Unterscheidungsmerkmal zieht Schrön die Kolbengeschwindigkeit heran. Den Umstand, dass noch nicht alle Motoren als Schnellläufer konstruiert sind, sieht er in Punkten, die bei der Konzeption eine wichtigere Rolle als hohe Drehzahlen spielen. Die Langsamläufer und Mittelläufer sollen möglichst eine hohe Lebensdauer und Störungsfreiheit haben, dazu zählen Stationärmotoren und Schiffsmotoren. Bei Schiffsmotoren weist Schrön ebenfalls auf den Vorteil des hohen Wirkungsgrades hin. Weitere Mittelläufer sind unter anderem Triebwagen-, Lastkraftwagen-, Traktoren- und Kampffahrzeugmotoren. Schnellläufer sollen eine niedrige Masse, wenig Volumen und gute Einbaufähigkeiten haben, gegebenenfalls spielt die größtmögliche Leistung noch eine Rolle. Als Anwendungsbereich kommen Schnellboote, Flugzeuge und Leichtfahrzeuge in Betracht. Schnellläufer können sowohl Diesel- als auch Ottomotoren sein.

Dieselmotoren nach Mau

Günter Mau unterscheidet den Grad der Schnellläufigkeit bei Dieselmotoren wie folgt:

• Langsamläufer: bis rund 300 min⁻¹
• Mittelschnellläufer: kleiner 1000 min⁻¹
• Schnellläufer: größer gleich 1000 min⁻¹

Nach Bauformen und Anzahl der Zylinder

Abhängig von der Anzahl der Zylinder werden/wurden Otto- und Dieselmotoren bzw. Viertakt- und Zweitakt-Motoren gebaut als:

• Einzylindermotor (1)
• Reihenmotor (2/Parallel-Twin, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14)
• U-Motor (4, 12, 16)
• V-Motor (2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 24)
• VR-Motor (4, 5, 6, 8, 12, 16)
• W-Motor (3, 6, 8, 12, 16, 18, 24)
• Boxermotor (2, 4, 6, 8, 12)
• H-Motor (16, 24, 40)
• Sternmotor (3, 5, 7, 9, 11)
• X-Motor (16, 24)
• Reihensternmotor (6×2=12, 4×3=12, 6×4=24, 4×5=20, 2×6=12, 4×6=24, 5×6=30, 6×6=36, 3×7=21, 4×7=28, 4×9=36, 7×6=42, 7×8=56)
• Mehrfachsternmotor (2×3=6, 2×7=14, 2×9=18, 4×7=28)
• Umlaufmotor (1, 2, 4, 5, 7, 9, 14)
• Gegenkolbenmotor (Zweitaktmotoren, fast nur Diesel), zum Beispiel Junkers Jumo 205 (zwei Kurbelwellen), Napier Deltic (drei Kurbelwellen im Dreieck angeordnet)
• Taumelscheibenmotor (nur Vier-Takt)

Die fettgedruckten Bauformen und Zylinderzahlen sind heute in Kraftfahrzeugen gebräuchlich. Der Verbrennungsmotor mit der höchsten Zahl an Zylindern, der je gebaut wurde, ist der Reihensternmotor Swesda M520 mit 56 Zylindern in sieben Zylinderbänken zu jeweils acht Zylindern.

Viertakt-Sternmotoren haben immer eine ungerade Zylinderzahl pro Stern. Der Grund dafür ist, dass beim Viertaktmotor jeder Zylinder nur in jeder zweiten Umdrehung gezündet wird, sodass eine durchgängige Zündfolge, die für den ruhigen, vibrationsfreien Lauf des Motors erforderlich ist, nur mit ungeraden Zylinderzahlen erzielt werden kann. Mehrfachsternmotoren wie die 14-Zylinder-Doppelsternmotoren BMW 801 und Wright R-2600 oder auch der P & W R-4360 (28 Zylinder in vier Sternen zu je sieben) haben jedoch eine gerade Zylinderzahl.

Davon sind die Reihensternmotoren zu unterscheiden, bei denen mehrere Zylinderbänke sternförmig um die Kurbelwelle angeordnet sind. Dies waren zum Beispiel der Daimler-Benz DB 604, Rolls-Royce Vulture und Allison X-4520 (X-Motoren mit vier Zylinderbänken zu je sechs Zylindern = 24 Zylinder), Junkers Jumo 222 und Dobrynin WD-4K (ebenfalls 24 Zylinder, jedoch als Hexagon mit sechs Zylinderbänken zu je vier Zylindern) und der Zwölfzylindermotor Curtiss H-1640 Chieftain mit sechs Zylinderbänken zu je zwei Zylindern.

Im Motorsport werden vereinzelt trotz der höheren Unwucht auch V-Motoren mit ungeraden Zylinderzahlen (drei oder fünf) gebaut.

Als langsam laufende Schiffsdiesel gibt es Reihenmotoren mit bis zu 14 Zylindern sowie V-Motoren mit 20 oder 24 Zylindern.

Abgase aus Verbrennungsmotoren

Das Abgas von Otto- und Dieselmotoren besteht in der Rohemission zum größten Teil aus molekularem Stickstoff, sowie aus Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff. Abgesehen von Kohlenstoffmonoxid beim Ottomotor nehmen Schadstoffe weniger als 1 % im Rohabgas ein. Sie sind aufgrund der starken Verbreitung von Verbrennungsmotoren aber dennoch ein Umweltproblem. Hinzu kommt der (derzeit) klimaschädliche Treibhauseffekt des Kohlenstoffdioxids, vor allem bei fossiler Herkunft des Kraftstoffs. Bei Abgasmessungen wird der Schadstoffanteil in der Regel auf das „trockene Abgas“ bezogen, das heißt, ohne Berücksichtigung des Wasserdampfs.

Mitunter sind Abgase aus Verbrennungsmotoren sichtbar. Bei niedrigen Außentemperaturen kann die Temperatur im Abgas unter den Taupunkt absinken, sodass der Wasserdampf sichtbar wird. Vor allem in der Vergangenheit waren unbehandelte Abgase von Dieselmotoren durch die Verkettung von Rußpartikeln schwarz getrübt. Ebenfalls der Vergangenheit gehören blaue Abgasfahnen an, die durch hohe Anteile unverbrannter Kohlenwasserstoffe entstanden sind, vor allem bei Zweitaktmotoren. Viele schädliche Abgasbestandteile wie Kohlenstoffmonoxid, Stickoxide und Feinstaub sind hingegen weder sicht- noch riechbar, sodass allein anhand der Abgasfahne oder des Abgasgeruchs nicht auf die tatsächliche Schadwirkung der Abgase geschlossen werden kann.

Um den Schadstoffanteil im Abgas zu verringern, wurden beginnend in den 1950er Jahren verschiedene Maßnahmen ergriffen, siehe Geschichte des Automobils. Eine besonders große Wirkung hatte die Einführung von Katalysatoren als kompakte Abgasreinigungsanlagen ab den 1980er Jahren. Sie sind inzwischen üblich und für Neuwagen in vielen Ländern verbindlich vorgeschrieben; zudem haben seit 2007 Diesel-Kfz neben dem Oxidationskatalysator einen Dieselpartikelfilter und eine Stickoxidnachbehandlung mit NOx Speicherkatalysator oder SCR-System. Für Benzinsysteme mit Direkteinspritzung ist seit 2017 ein Ottopartikelfilter weit verbreitet. Eine Minderung von Schadstoffemissionen kann bei Verbrennungskraftmaschinen vor allem durch eine optimale Verbrennungsführung in Bezug auf Temperatur und Luftverhältnis erreicht werden. Außerdem wird zur Senkung der Schadstoffmenge eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs angestrebt, erzielte Effekte werden durch den Trend zu immer schwereren Autos mit immer größerer Motorleistung jedoch größtenteils wieder aufgehoben. Vor allem durch Systeme der Abgasnachbehandlung konnte in den vergangenen Jahrzehnten dennoch eine enorme Absenkung der Schadstoffe im Abgas erzielt werden:

Zusammensetzung der Schadstoffe und von Kohlenstoffdioxid im Abgas von Verbrennungsmotoren

Die Strömungsenergie der Abgase von Verbrennungsmotoren kann genutzt werden für den Antrieb eines Turboladers, der die Verbrennungsluft des Motors vorverdichtet und so eine erhöhte Zufuhr des Kraftstoff-Luftgemischs und damit eine höhere Motorleistung und einen verbesserten Wirkungsgrad des Motors erlaubt. Um die Wärmeenergie der Abgase von großen Verbrennungsmaschinen, z. B. auf Schiffen, zu nutzen, kommen sog. Abgaskessel zum Einsatz.

Partikelemission durch die Verbrennung

Partikel im Abgas von Verbrennungsmotoren (10–1000 nm) sind kleiner als andere, etwa durch Reifenabrieb (15.000 nm) verursachte. Wie jene bestehen sie aber aus Ruß und Kohlenwasserstoffen (zum Beispiel PAK). Ihre für den Menschen vermutete Gesundheitsrelevanz erhalten die Abgasnanopartikel aufgrund ihrer Oberfläche und Größe. Sie können Zellmembranen verletzen (Ruß) oder mit ihnen reagieren (PAK). Durch ihre Größe (als Nanopartikel bezeichnet man alles unter 100 nm) gelingt ihnen die Überwindung der oberen Atemwege und der Lungenwand und damit der Eintritt in den Blutkreislauf (Wirkungen auf die Gesundheit). Dosis, Einwirkzeit, Projizierbarkeit von Tierversuchen auf den Menschen und Begleitumstände wie das Rauchen von Studienteilnehmern bilden die Zielsetzungen derzeitiger Forschung. Dem vorgreifend begrenzt die Euro‑6-Abgasnorm für 2014 erstmals die Partikelmenge (6×10¹¹ Stück pro km) und nicht mehr nur ihre Masse. Die Masse wird durch die entscheidenden Nanopartikel nur zu 20 % beeinflusst, beim Diesel die Gesamtmasse aber durch geschlossene Partikelfilter bereits um 97 % reduziert. Das zeigt, dass die dortige Ansammlung von Filtrat auch relevante Mengen von Nanopartikeln weit unter der eigentlichen Filterporengröße von 1000 nm abfängt. Mit dieser Reduktion minimiert der Filter zudem die Klimawirksamkeit der Partikel. Die dunkle Rußfarbe macht die Partikel zu Wärmeabsorbern. Damit erwärmen sie direkt die rußbelastete Luft und nach Ablagerung auch Schneeflächen in der Arktis, die sie durch Luftströmungen etwa von Europa her erreichen.

Benzin- und Dieselmotoren produzieren während Volllast- und Kaltstartphasen vergleichbare Mengen und Größen an Partikeln. In beiden Phasen wird mehr Kraftstoff eingespritzt, als der Sauerstoff im Zylinder verbrennen kann („angefettetes Gemisch“). In Kaltstartphasen geschieht dies zur Katalysatorerwärmung, unter Volllast zur Motorkühlung. Während Benzinmotoren nur im angefetteten Betrieb Partikel durch Sauerstoffmangel erzeugen, oder bei den ab den 2000er Jahren eingesetzten Direkteinspritzern entstehen diese beim Diesel selbst im Magerbetrieb und damit während aller Betriebsphasen. Daher liegt die Partikelmenge des Benziners insgesamt dennoch auf dem niedrigen Niveau eines Diesels mit geschlossenem Filtersystem.

Ursächlich für den Dieselruß sind seine etwa doppelt so langkettigen Kohlenwasserstoffe im Vergleich zum Benzin (siehe auch Rohöl und seine verarbeiteten Produkte). Sie weisen einen deutlich höheren Siedepunkt auf (von 170 bis 390 °C anstatt 25 bis 210 °C). Gleichzeitig liegt die Verbrennungstemperatur des Diesels aber 500 °C unterhalb der des Benzinmotors. Benzin verdampft daher vollständiger als Diesel. Dessen früher siedende Bestandteile verdampfen zuerst, was den „Resttropfen“ aus Aromaten höherer Siedepunkte zusätzlich auf niederer Temperatur hält (Siedevorgang). Die nicht verdampften Aromate werden während der Selbstzündungsphase temperaturbedingt in ihre Bestandteile gespalten. Dabei fällt auch Kohlenstoff an, also Ruß.

Die Partikelzusammensetzung unterscheidet sich aufgrund der Chemie beider Kraftstoffe. So überwiegen beim Benzinmotor die PAK-Partikel, beim Dieselmotor sind es die Rußpartikel. Sichtbar werden die Partikel erst durch Aneinanderlagerung. Sichtbare Partikel sind nicht mehr lungengängig und werden meist schon im oberen Atemweg ausgefiltert und abgebaut. Anlagerungen finden im Auspuff und besonders im Partikelfilter statt. Die dortige Ansammlung des Filtrats fängt auch Partikel weit unter der eigentlichen Filterporengröße (1 µm) ab. Damit sinkt die Partikelanzahl auf das Niveau eines Benzinmotors. Erkennbar wird die Partikelanlagerung im Auspuff. Fehlt diese, verfügt ein Diesel über ein geschlossenes Filtersystem und ein Benziner über wenige Anteile von Kaltstart- und Volllastphasen oder über einen Ottopartikelfilter.

Kohlendioxidemission durch die Verbrennung

Der Verbrennungsmotor verbrennt in der Regel flüssige Kohlenwasserstoffe (Kraftstoffe wie Diesel oder Benzin), die aus Erdöl gewonnen werden. Diese Verbrennung führt zu Kohlendioxidemissionen, die zur Klimaerwärmung beitragen. Die Kohlendioxid-Emission, die bei der Verbrennung von einem Liter Kraftstoff entsteht, lässt sich gut abschätzen. Als gute Näherung kann man für Diesel die chemische Kettenformel C_nH_2n annehmen. Tatsächlich ist Diesel eine Mischung verschiedener Kohlenwasserstoffmoleküle. Kohlenstoff C hat eine molare Masse von 12 g/mol und atomarer Wasserstoff H (nicht H₂) hat eine molare Masse von ca. 1 g/mol. Damit ist der Anteil von Kohlenstoff an der Gesamtmasse von Diesel ungefähr 12/14. Die Verbrennungsreaktion von Diesel ist:

${\displaystyle \mathrm {2\ C_{n}H_{2n}+3n\ O_{2}\longrightarrow 2n\ CO_{2}+2n\ H_{2}O} }$

Kohlendioxid hat eine molare Masse von 44 g/mol, da es aus 2 Sauerstoffatomen (16 g/mol) und einem Kohlenstoffatom (12 g/mol) besteht. 12 g Kohlenstoff ergeben 44 g Kohlendioxid. Mit einer Dichte des Diesels von 0,838 kg pro Liter berechnet sich die Masse Kohlendioxid, die bei der Verbrennung von einem Liter Diesel entsteht folgendermaßen:

${\displaystyle 0{,}838\,\mathrm {\frac {kg}{l}} \cdot {\frac {12}{14}}\cdot {\frac {44}{12}}=2{,}63\,\mathrm {\frac {kg}{l}} }$.

Diese Abschätzung ergibt einen Zahlenwert, der in guter Übereinstimmung mit den Werten ist, die man in der Literatur findet. Für Benzin mit einer Dichte von 0,75 kg/l und einem Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoffatomen von ungefähr 6 zu 14, ergibt sich:${\displaystyle 0{,}75\,\mathrm {\frac {kg}{l}} \cdot {\frac {6\cdot 12}{6\cdot 12+14}}\cdot 1\cdot {\frac {44}{12}}=2{,}3\,\mathrm {\frac {kg}{l}} }$.

1 Liter Benzin ergibt rund 2,3 kg Kohlendioxid.

In dieser Rechnung wurden jedoch keine SOx- oder NOx-Emissionen berücksichtigt. Seit Jahrzehnten wird Schwefel durch Reinigungsverfahren in Erdölraffinerien gemäß den Vorgaben (Spezifikationen) in Kraftstoffen reduziert und folglich die Kraftstoffqualität verbessert. Bleihaltiges Tetraethylblei (TEL) wurde vollständig ersetzt. Siehe der Abschnitt Kraftstoffe.

Alternative Kraftstoffe

Eine Alternative zu der Umstellung auf Elektroantriebe, insbesondere für Bereiche, in denen diese schwierig umzusetzen ist, stellt der klimaneutrale Betrieb von Verbrennungsmotoren mit Kraftstoffen regenerativer Herkunft (z. B. Biokraftstoffe oder E-Fuels) dar. Auch dafür existieren Förderprogramme, beispielsweise in Deutschland.

Elektroantrieb oder Verbrennungsmotor

Die technisch-politische Perspektive des Verbrennungsmotors wird unter anderem von dessen Energiebilanz und den Abgasemissionen beeinflusst. Verbrennungsmotoren sind Wärmekraftmaschinen. Sie unterliegen dem Carnot-Limit: Der maximale Wirkungsgrad hängt nur von der Temperaturdifferenz zwischen Verbrennung und Abgabe ab. Praktisch reduzieren Wärmeverluste, Reibung, unvollständige Verbrennung und Nebenaggregate den nutzbaren Anteil stark, sodass Pkw‑Motoren im Alltag meist bei 25–40 % liegen und unter optimalen Bedingungen etwa 40–45 % erreichen; alles darüber ist physikalisch schwer erreichbar und meistens unwirtschaftlich. Dieselmotoren erzielen im Vergleich zu Viertaktmotoren höhere Werte durch höhere Verdichtung und einen günstigeren thermodynamischen Prozess; das Carnot-Limit gilt auch hier. Elektromotoren umgehen demgegenüber das Carnot‑Limit, wandeln Strom direkt in mechanische Arbeit und erreichen Motorwirkungsgrade von 90–95 %; bei der Verteilung von der „Akku bis zum Rad“ liegen reale Werte bei etwa 70–80 %. Damit sind Elektroantriebe deutlich effizienter, benötigen jedoch Strom aus einer geeigneten (idealerweise nichtfossilen) Stromproduktion zum Beladen.

Beim Einsatz von Kohlenstoffverbindungen als Kraftstoff (die technischen Produkte des Rohöls wie Benzin oder Diesel) emittieren Verbrennungsmotoren Kohlenstoffdioxid (CO₂). Aufgrund der üblicherweise fossilen Herkunft dieser Kraftstoffe steigt damit die CO₂-Konzentration in der Atmosphäre, was zur globalen Erwärmung beiträgt. Viele Länder fördern deshalb den Verkauf von Elektroautos (batterieelektrische Fahrzeuge) und/oder von Hybriden (siehe auch Elektromobilitätsgesetz und Förderwürdigkeit).

Ende des Verbrennungsmotors

Im Juni 2022 beschloss das EU-Parlament auf Vorschlag der EU-Kommission, dass Neuwagen ab dem Jahr 2035 kein CO₂ mehr ausstoßen dürfen (Emissionsfreie Fahrzeuge) und gab dazu im Februar 2023 die endgültige Zustimmung. Die Hersteller wurden verpflichtet, ihre Flottenemissionen (vgl. Flottenverbrauch und Flottengrenzwert) um 100 Prozent zu reduzieren. Demnach dürfen in der EU im Bereich der Personenkraftwagen (Pkw) und leichten Nutzfahrzeugen (Nfz) ab 2035 nur noch emissionsfreie Fahrzeuge neu zugelassen werden. Die Zustimmung des Rates der Europäischen Union erfolgte im März 2023.

Außerdem plant eine zunehmende Zahl von Ländern, den Verkauf von Neuwagen mit Verbrennungsmotor ab einem bestimmten Stichtag zu verbieten.

Verbrennungsmotoren

Für die Literaturangaben siehe die jeweiligen Hauptartikel:

• Dieselmotoren
• Ottomotoren
• Luftfahrtantriebe
• Raketenantriebe
• Zur Verbrennung oder Thermochemie siehe dort

Moderne Werke

• Konrad Reif (Hrsg.): Grundlagen Motorentechnik und Motorsteuerung (= Automobilelektronik lernen). Springer Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-658-00075-2 (springer.com). 
• Konrad Reif (Hrsg.): Grundlagen Fahrzeug- und Motorentechnik. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-12635-3, doi:10.1007/978-3-658-12636-0. 
• Klaus Schreiner: Verbrennungsmotor ‒ kurz und bündig. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-19425-3, doi:10.1007/978-3-658-19426-0. 
• Richard Van Basshuysen, Fred Schäfer (Hrsg.): Handbuch Verbrennungsmotor. 8. Auflage. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2017, ISBN 978-3-658-10901-1, doi:10.1007/978-3-658-10902-8. 
• Günter P. Merker, Rüdiger Teichmann (Hrsg.): Grundlagen Verbrennungsmotoren: Funktionsweise und alternative Antriebssysteme Verbrennung, Messtechnik und Simulation. 9. Auflage. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2019, ISBN 978-3-658-23556-7, doi:10.1007/978-3-658-23557-4. 
• Stefan Pischinger, Ulrich Seiffert (Hrsg.): Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik. 9. Auflage. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2021, ISBN 978-3-658-25556-5, doi:10.1007/978-3-658-25557-2. 
• Robert Bosch GmbH (Hrsg.): Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 30. Auflage. Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2024, ISBN 978-3-658-44233-0, doi:10.1007/978-3-658-44233-0. 
• Ralf Deußen, Volkert Schlüter, Walter Essenreiter, Edgar Schmidt, Thorsten Blos: Meisterwissen im Kfz-Handwerk. 7. Auflage. Vogel Communications Group GmbH & Co. KG, Würzburg 2026, ISBN 978-3-8343-3544-9. 

Ältere Werke

• St. Löffler, A. Riedler: Oelmaschinen: Wissenschaftliche und praktische Grundlagen für Bau und Betrieb der Verbrennungsmaschinen. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1916, ISBN 978-3-642-98435-8, doi:10.1007/978-3-642-99249-0. 
• Fritz A. F. Schmidt: Verbrennungskraftmaschinen. Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg 1967, ISBN 978-3-642-92949-6, doi:10.1007/978-3-642-92948-9. 
• Wolfgang Kalide: Kolben- und Strömungsmaschinen (= Studienbücher der technischen Wissenschaften). Hanser, München 1974, ISBN 978-3-446-11752-5. 
• Charles F. Taylor: Internal Combustion Engine in Theory and Practice: Combustion, Fuels, Materials, Design. 2., überarbeitete Auflage. The MIT Press, 1985, ISBN 978-0-262-31103-8, doi:10.7551/mitpress/3851.001.0001 (englisch). 
• Jan Trommelmans: Das Auto und seine Technik. Motorbuch-Verlag, Stuttgart 1992, ISBN 978-3-613-01288-2. 
• Helmut Hütten: Motoren: Technik, Praxis, Geschichte. 10. Auflage. Motorbuch Verlag, Stuttgart 1997, ISBN 978-3-87943-326-1. 
• Erich Auch-Schwelk, Peter A. Wellers, Hermann Strobel: Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage. Holland u. Josenhans, Stuttgart 1997, ISBN 978-3-7782-3520-1. 
• Wilfried Staudt (Hrsg.): Handbuch Fahrzeugtechnik. Band 2: Energieversorgungs- und Startsysteme, Motormechanik, Motormanagementsysteme, Abgassysteme. Bildungsverlag EINS, Troisdorf 2005, ISBN 978-3-427-04522-9.