WIE FUNKTIONIERT EIN VERBRENNUNGSMOTOR?

AUTO, MOTORRAD, SCHIFFSMOTOR – OTTOMOTOR.

automotorDer Verbrennungsmotor ist die Fortsetzung der Dampfmaschine. Die Funktion ist sehr ähnlich. Um das Ganze in eine drehende Bewegung zu versetzen, braucht es minimal einen oben geschlossenen Zylinder in dem ein Kolben den unteren Abschluss bildet. Oben auf dem Zylinder ist der Zylinderkopf.

Der Kolben, der im Zylinder gleiten kann, ist wie ein Zapfen in einen Rohr.

Dieser muss leicht gleiten (Motorschmierung) und soll trotzdem dicht sein, so dass der

Verbrennungsdruck nicht zwischen Kolben und Zylinder entweichen kann.

Der Kolben ist mit einer Stange, der Pleuelstange, mit einer Kurbel verbunden. Die Kurbel kann mit der Tretvorrichtung eines Fahrrads verglichen werden. Somit gelingt es, eine hin- und her Bewegung (Kolben bzw. Knie) in eine drehende Bewegung (Kurbelwelle oder Tretkurbel) zu bringen.

Also: der Kolben oszilliert, die Welle rotiert. Wie geschieht das?

Da der Kolben im Zylinder dicht verschlossen ist, erzeugt es einen Unterdruck, also ein Vakuum im Zylinder, wenn dieser vom oberen Punkt im Zylinder nach unten gezogen wird. So wie wenn man mit einer Spritze Flüssiges oder Gasförmiges „aufzieht“. Der Kolben gleitet nach unten und somit saugt der Kolben in unserem Fall Gasförmiges Luft/Benzingemisch in den Zylinder. Dazu benötigt es aber im Kopf des Zylinders ein Ventil. Dieses wird gesteuert über die sogenannte Nockenwelle.

Gleitet der Kolben im Zylinder abwärts, ist das Einlassventil offen und der Zylinder wird mit Frischgas befüllt. Am unteren Ende des Kolbenweges (der Kolbenhub) wird das Einlassventil durch die Nockenwelle geschlossen und unser Raum ist vollständig abgedichtet.

Das ist der erste Takt, der Ansaugtakt.

Nun gleitet der Kolben wieder nach oben, weil die Kurbelwelle in Schwung ist und daher die Kraft hat, das Gemisch zu verdichten. Somit entsteht ein Druck im Zylinder oberhalb des Kolbens und am oberen toten Punkt (der Wendepunkt des Kolbens) wird das verdichtete Frischgas, es herrschen etwa 12Bar Kompressionsdruck, entzündet. Für das ist die Zündkerze zuständig.

Das ist der zweite Takt, der Verdichtungstakt.

Das Gemisch von Luft und Treibstoff entzündet sich und der Druck im Zylinder steigt schlagartig an. Es wird etwa 80Bar Druck erzeugt. Da der Raum total dicht ist, und der Kolben sich nach unten bewegen kann, drückt nun dieser hohe Verbrennungsdruck auf den Kolben, der dann nach unten gleitet und der Druck fällt massiv zusammen.

Das ist der Arbeitstakt.

Unten angekommen, öffnet das Auslassventil und der nun wieder nach oben gleitende Kolben „stösst“ das Gas in den Auslass, also somit in den Auspuff. Das ist der vierte Takt, der Ausstosstakt.

 

4taktmotorNun haben wir die Grundlage eines 4-Takt Benzinmotors bereits verstanden.

Es braucht im Minimum einen Zylinder, dass so ein Motor funktioniert. Nun kann aber ein Motor mehrere Zylinder haben, um die Leistung zu steigern. Es werden 1- bis 16 Zylinder in einem gemeinsamen Motor verbaut. Also ein 4 Zylindermotor sind eigentlich vier Motoren in einem. Aber diese Kombinationen von Einzelzylindern laufen nicht alle gleichzeitig miteinander, das würde ja schön rütteln. Nein, sie arbeiten versetzt. Also beim Bsp. 4 Zylinder sind 2 Kolben gleichzeitig am oberen toten Punkt (Wendepunkt) und die anderen 2 sind am unteren Wendepunkt.

Zusätzlich arbeiten auch die verschieden Arbeitstakte nicht gleichzeitig. Also wenn ein Paar dieser Kolben gleichzeitig sich nach unten bewegen, ist der eine im Ansaugtakt und der andere im Arbeitstakt.

So erhalten wir einen „runden“ gleichmässigen Motorenlauf und eine gleichmässige Abgabe der Kraft auf die Kurbelwelle.

Ein 1-Zylinder 4-Taktmotor braucht zwei ganze Umdrehungen von einem bis zum nächsten Arbeitstakt. Das sind in Winkelgraden 720°. Naja, eine ganze Umdrehung der Kurbelwelle entspricht 360°. In dieser einen Umdrehung finden 2 Takte statt. Aber nur jeder vierte Takt ist ein Arbeitstakt. Somit „zündet“ die Einzylindermaschine nur jede zweite Umdrehung.

Damit dies überhaupt funktioniert, braucht die Kurbelwelle ein Schwungrad. Wir alle wissen, das eine bewegte Masse eine bestimmte Trägheit hat und die ermöglicht uns, dass auch genügend Kraft vorhanden ist, die Kurbelwelle am Drehen zu halten. Man stelle sich vor: der Kolben hat frisches Gas in den Zylinder gesaugt, der erste Takt. Nun soll im zweiten Takt das Gas verdichtet bzw. komprimiert werden. Das braucht Kraft. Wäre die Kurbelwelle nicht mit einem Schwungrad ausgestattet, würde das ganze zum Stillstand kommen. Aber so ist es möglich, das Gas zu verdichten, bis der Kolben am oberen Wendepunkt angekommen ist und zum dritten Takt, dem Arbeitstakt, übergegangen werden kann. Den letzten Takt kennen wir ja, das ist der Ausstoss-Takt.

Da schiebt der Kolben beim aufwärtsgleiten das Altgas in den Auslass bzw. In den Auspuff.

Beim Wechsel vom 4. Takt (ausstossen) zum ersten Takt (ansaugen) schliesst sich das Auspuffventil während das Einlassventil öffnet. Aber das Einlassventil öffnet nicht erst dann, wenn das Auslassventil geschlossen ist. Nein, sie „überschneiden“ sich. Das hat den Vorteil, dass das einströmende frische Gas uns hilft, das verbrannte Altgas aus dem Zylinder zu „spülen“.

Je mehr Zylinder ein Verbrennungsmotor hat, desto höher ist seine Laufruhe und die Leistung. Ein 12 Zylindermotor hat somit alle 60° an der Kurbelwelle ein Zylinder, der im Arbeitstakt ist und die Kurbelwelle antreibt. Wir erinnern uns: der Einzylinder hat nur alle 720° ein Arbeitstakt.

Was ist Hubraum, oder Kubikzentimeter? Wie gross ist der Motor? 1300-hunderter oder 2 Liter? Ein 2 Liter Motor mit vier Zylindern hat logischerweise ein Einzelhubraum von 0.5 Litern. Also 4 einzelne Zylinder mit je 500ccm Hubraum. Bauen wir an einem 2Ltr Motor 6 Zylinder ein, so haben wir 6 mal 333ccm, oder 6 mal 3.33 Deziliter Hubraum. 6 x 333.333dl sind knapp 2 Liter Gesamthubrum.

Hubraum? Naja, wir haben ja den Kolbenweg vom unteren zum oberen Wendepunkt des Kolbens. Das ist der Hub. Da der Kolben rund ist, hat er ja einen Durchmesser und somit eine Fläche. Je grösser der Kolben, je grösser die Fläche. Nun, die Formel für die Berechnung des Raumes ist bekannt: Grundfläche mal Höhe.

Wir rechnen: Kolbendurchmesser ist 100mm. Das ergibt eine Fläche von 78.5 Quadratzentimeter ( 10cm x 10cm x 3.14 / 4 )

Den Hub nehmen wir an mit 63mm (Wegstrecke des Kolbens)

Also: Volumen = Grundfläche x Höhe: 78.5cm hoch 2 mal 6.3cm = 494.55 cm3, also Kubikzentimeter.

So, nun haben wir einen Einzylinder Motor mit 494.55 ccm Hubraum. Bauen wir 4 dieser Zylinder in einen einzelnen Motor, bekommen wir ein Gesamthubraum von 1978.2 Kubikzentimeter was in Litern 1.9782 entspricht.

Bei kleinen Motoren geben wir den Hubraum in Kubikzentimetern an. Bei grösseren Motoren reden wir von Litern.

Ein Motorrad hat Bsp 0.5 Ltr Hubraum, dann reden wir von einem 500er

Hat der Automotor 2000ccm, reden wir von einem 2 Liter Motor.

Aber was ist ein 16V? Was ist ein DOHC, was ist ein Turbo? Was ein Einspritzer?

Das sind dann alles Konstruktionsmerkmale eines Motors.

Die Bezeichnung 16V bezieht sich auf die Anzahl der Ventile. In diesem Fall ist es ein Motor mit 16 Ventilen. Diese Bezeichnung haben aber ausschliesslich Motoren mit 4 Zylindern. Warum? Ein Einzelzylinder braucht mindesten je ein Einlass & Auslass-ventil. Als 2 Ventile. Es gibt aber auch Konstruktionen mit mehreren Ventilen, so dass man zum Beispiel die Füllung der Zylinder mit Frischgas verbessern kann. Das erhöht die Leistung des Motors. Aber zwei Einzelventile wiegen pro Ventil weniger als ein einzelnes grösseres Ventil. Da ein Ventil auch eine oszillierende Masse ist, sich also hin- und her bewegt, sollte das Gewicht (die Masse) möglichst tief sein, um eine

erwünschte Drehzahl zu erreichen. Der mechanischen Belastung von oszillierenden Masse ist eine Grenze gesetzt. (Vergleiche das Velofahren bergab im ersten Gang: Da mag man gar nicht mehr mit treten nach, das geht alles viel zu schnell. Die Beine sind zu träge)

DOHC bezieht sich auf die Nockenwellen (wir erinnern uns: die Nockenwelle betätigt die Ventile im Motor) und sagt uns: double overhead camshaft = doppel (2) Nockenwelle oben im Zylinderkopf.

OHC hat kein D in der Bezeichnung. Somit nur eine Nockenwelle oben im Kopf

OHV sagt uns: over Head Valves = obenliegende Ventile (das hat der OHC & DOHC auch) aber die Nockenwelle ist nicht oben im Zylinderkopf, sondern unten im Motorenblock.

SV Motoren haben die Ventile nicht über dem Kolben im Zylinderkopf sondern seitlich. SV = side valves.

Es gab auch IOE Motoren: Inlet over Exhaust. Ein richtiger Mist, hi

Ein Turbomotor muss sein Gemisch von Luft und Benzin (Frischgase) nicht selber ansaugen im ersten Takt sondern das Gemisch wird durch einen Kompressor in den Brennraum „gepumpt“.

Da ein Motor ohne Turbo sein Gemisch lediglich mit dem ansaugen des Kolbens beim ersten Takt gefüllt wird, haben wir einen Füllungsgrad von etwa 80%. Das heisst, hat ein Motor ein Volumen von 1000ccm (1 Ltr) wird nur etwa 8 dl Frischgas aufgesaugt. Pressen wir aber das Frischgas mit einem Kompressor in den Zylinder, können wir die Füllung verbessern. Massiv sogar, je nach dem, mit wie viel Druck wir das Frischgas hineinblasen. Wir können an einem Motor mit einem Hubvolumen von 1 Ltr einfach ganze 2 Liter Frischgas hinein pumpen! Das erhöht dann die Leistung massiv.

Ein Einspritzer sagt und: Das Frischgas wird nicht durch einen Vergaser in den Motor gesaugt, sondern der Motor saugt nur reine Luft an und der Kraftstoff wird über Ein-spritz Ventile eingespritzt.

Dies kann direkt in den Zylinder geschehen, oder aber auch im Kanal der vor den Ventilen im Zylinderkopf sitzt. Durch die Kanäle werden im Zylinderkopf die Gase geführt. Und zwar die frischen wie die verbrannten Gase.

All diese Konstruktionen lassen sich vermischen. Ein Turbomotor kann eine Einspritzung des Kraftstoffs habe, er kann aber genauso gut mit Vergasern betrieben werden. Einspritzung und Turbo sind zwei verschieden „paar Schuhe“

Dann haben wir noch den Dieselmotor neben dem Benzinmotor. Beim Dieselmotor ist es etwas anders: Er saugt kein Gemisch von Luft und Treibstoff an, sonder nur reine Luft. (Oder sie wird mittels Turbo in den Motor gepumpt). Er besitzt auch keine Zünd-kerze wie der Benziner, denn er verdichtet die frische reine Luft (mit dem vorwärts-gleitendem Kolben) so hoch, dass sie extrem heiss wird. Am oberen Wendepunkt wird dann Dieselöl in den Brennraum gespritzt. Dieser entzündet sich dann von selbst und sorgt für einen hohen Druck während dem 3. Takt, dem Arbeitstakt.

Der Turbomotor, wie der Name schon sagt, hat eine Turbine. Diese Turbine ist 2fach ausgeführt. Also wir habe 2 Turbinenräder auf einer gemeinsamen Verbindungswelle. Die einen Turbine in ihrem separatem Raum (Gehäuse) wird von den Abgasen durch-strömt. Da diese eine grosse Gasenergie haben, treiben sie die Turbine auf eine sehr hohe Drehzahl an. Die verbundene zweite Turbine in ihrem separaten Gehäuse zieht mit ihren Flügelrädern frische Luft an, verdichtet sie und „bläst“ sie beim offenen Einlassventil in den Zylinder. Somit nutzen wir die Abgasenergie aus, um die Frischgase zu verdichten.

Es gibt auch mechanisch angetriebene Turbinen. Die haben dann nur ein „Propeller“, den Verdichter für die Frischluft. Angetrieben wird diese durch den Motor selber, also rein mechanisch und nicht von der Abgasenergie. Dieses System nennt sich: Kompressormotor.

Der Dieselmotor ist ein „Selbstzünder“, der Benzinmotor (Ottomotor) ist ein „Fremdzünder“

Da der Energiegehalt beim Dieselkraftstoff höher ist als der von Benzin, verbraucht der Dieselmotor weniger Treibstoff als der Benzinmotor. Der Dieselmotor hat auch mehr Kraft, da sein Druck während der Verbrennung im Zylinder länger anhält als beim Fremdzünder.

Wir können beim Diesel während dem Arbeitstakt einfach weiter Treibstoff in den Zylinder spritzen währen dem die Verbrennung stattfindet.

Der Fremdzünder hat keine Möglichkeit, währen dem verbrennen dem Motor mehr Treibstoff zu geben da dieses erst mit Luft vermischt werden muss und vor dem verbrennen verdichtet werden muss!

Die Kunst beim Bauen von Verbrennungsmotoren ist: Hohe Leistung aus wenig Hub-raum und gleichzeitig ein tiefer Treibstoffverbrauch. Und das ganze mit einer langen Lebensdauer und geringem Wartungsaufwand.

Gute Fahrt wünscht Guido, HB9TPT

Bericht von Guido, HB9TPT, Motorradmechaniker 10. August 2016

DIESELMOTOR:

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