So funktioniert ein Motor

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Aus Druck wird Drehung

Sie sehen einen Zylinder eines Automotors, aufgeschnitten. Ein Kolben gleitet in einem Rohr auf und ab. Darüber sitzen zwei Ventile und, je nach Kraftstoff, eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse. Darunter verbindet ein Pleuel den Kolben mit der Kurbelwelle, der Welle, die am Ende die Räder antreibt.

Die ganze Idee passt in einen Satz: Kraftstoff in einem geschlossenen Raum verbrennen, das heiße Gas den Kolben nach unten drücken lassen und diesen Druck in eine Drehung verwandeln. Alles andere im Motor ist nur dazu da, das sauber zu wiederholen, immer und immer wieder.

Das wiederholt sich in einem Zyklus aus vier Schritten, den Takten. Die Anzeige in der Ecke zeigt, wo im Zyklus der Motor gerade steht. Das Modell läuft in Zeitlupe: Ein echter Automotor dreht im Leerlauf mit etwa 800 Umdrehungen pro Minute und kann noch achtmal so schnell drehen.

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Vier Takte

Ein Takt ist ein Weg des Kolbens vom oberen Ende des Zylinders nach unten oder zurück. Oben liegt der obere Totpunkt (OT), unten der untere Totpunkt (UT). Tot, weil der Kolben dort einen Augenblick stillsteht, bevor er die Richtung wechselt.

1. Ansaugen

   Der Kolben fährt bei offenem Einlassventil nach unten, und der wachsende Raum saugt frische Füllung an. Ein Benzinmotor saugt Luft an, die schon mit Kraftstoff gemischt ist. Ein Diesel saugt reine Luft an.

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2. Verdichten

   Beide Ventile sind zu, und der Kolben steigt. Er presst die Füllung auf ein Zehntel ihres Volumens oder weniger zusammen. Gas wird beim Zusammenpressen heiß. So hat die Füllung schon mehrere hundert Grad, bevor überhaupt etwas brennt.

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3. Arbeiten

   Kurz vor dem oberen Ende wird die Füllung gezündet. Beim Benzinmotor springt ein Funke über. Ein Diesel spritzt Kraftstoff in Luft, die schon heiß genug ist, um ihn zu entzünden. Das brennende Gas dehnt sich aus und drückt den Kolben nach unten. Nur dieser Takt liefert Kraft.

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4. Ausstoßen

   Das Auslassventil öffnet, und der steigende Kolben schiebt das verbrannte Gas hinaus. Danach ist der Zylinder bereit für die nächste Runde.

   Ausstoßtakt zeigen

Achten Sie auf das Gas: Die frische Füllung kommt kühl herein, wird beim Verdichten heißer, leuchtet beim Verbrennen orange auf und geht grau hinaus.

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Zwei Umdrehungen für jeden Stoß

Jeder Takt dauert eine halbe Umdrehung der Kurbelwelle, alle vier Takte also zwei volle Umdrehungen: 720 Grad. Deshalb zählt die Anzeige bis 720 und nicht bis 360.

Der Kolben erreicht in jedem Zyklus zweimal den oberen Totpunkt: einmal bei 0°, zwischen Ausstoßen und Ansaugen, und einmal bei 360°, wenn die Füllung gezündet wird. Für den Kolben sind beide gleich. Nur die Ventile und die Zündung wissen, welcher gerade dran ist.

Nur einer von vier Takten drückt. Ansaugen, Verdichten und Ausstoßen kosten Arbeit, und über diese drei Takte muss der Motor hinweggetragen werden. Einen Teil davon übernimmt der Schwung der bewegten Teile, den Rest das Schwungrad: eine schwere Scheibe am Ende der Kurbelwelle. Sie nimmt im Arbeitstakt Energie auf und gibt sie in den anderen drei Takten wieder ab.

Deshalb läuft ein Einzylinder so unrund: ein kräftiger Stoß bei jeder zweiten Umdrehung, dazwischen nichts. Rasenmäher gleichen das mit einem schweren Schwungrad aus. Autos bekommen mehr Zylinder, dazu kommen wir noch.

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Ventile und Nocken

Jedes Ventil ist ein pilzförmiger Stopfen. Eine Ventilfeder hält es auf seinem Sitz geschlossen, und ein Nocken drückt es auf: eine eiförmige Erhebung auf einer drehenden Welle. Kommt die Erhebung herum, drückt sie das Ventil nach unten in den Zylinder. Ist sie vorbei, zieht die Feder das Ventil wieder zu.

Jedes Ventil öffnet einmal pro Zyklus, und ein Zyklus sind zwei Kurbelwellenumdrehungen. Deshalb dreht die Nockenwelle mit halber Kurbelwellendrehzahl, angetrieben über einen Riemen oder eine Kette. Beobachten Sie die Nocken: eine Umdrehung auf zwei der Kurbelwelle.

Würden die Ventile genau in den Totpunkten öffnen und schließen, bekäme der Motor schlecht Luft. Gas hat Gewicht und kommt nur langsam in Schwung, deshalb werden die Steuerzeiten gestreckt. Das Auslassventil öffnet früh, deutlich vor dem unteren Totpunkt, damit das noch unter Druck stehende Gas von selbst hinausströmt. Das Einlassventil schließt spät, deutlich nach dem unteren Totpunkt, weil die Luft noch hereinströmt, während der Kolben schon wieder steigt.

Um den oberen Totpunkt herum, zwischen Ausstoßen und Ansaugen, sind kurz beide Ventile gleichzeitig offen. Durch diese Ventilüberschneidung zieht das abströmende Abgas die frische Füllung hinter sich herein.

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Die Zündung

Verbrennen braucht Zeit. Im Benzinmotor entsteht an der Zündkerze eine Flamme und breitet sich in wenigen Tausendstelsekunden über den Brennraum aus. Das ist ein spürbares Stück einer Umdrehung. Am meisten nützt der Druck kurz nach dem oberen Totpunkt, also muss der Funke früher überspringen: etwa 10 bis 40 Grad vor dem oberen Totpunkt.

Wie früh, hängt von der Drehzahl ab. Die Flamme braucht immer ungefähr gleich lang, egal was der Motor gerade tut. Bei höherer Drehzahl dreht sich die Kurbelwelle in dieser Zeit aber um mehr Grad weiter. Deshalb setzt die Zündung mit steigender Drehzahl immer früher ein. Kommt der Funke zu früh, arbeitet der Druck gegen den steigenden Kolben. Kommt er zu spät, läuft der Druck einem Kolben hinterher, der schon auf dem Weg nach unten ist.

Ein Diesel hat keine Zündkerze. Die Verdichtung heizt die Luft auf rund 700 °C und mehr auf, und kurz vor dem oberen Totpunkt spritzt die Einspritzdüse Kraftstoff hinein. Der Kraftstoff braucht einen Moment, um zu verdampfen und zu zünden, den kurzen Zündverzug. Danach verbrennt er etwa so schnell, wie er eingespritzt wird. Die Verbrennung zieht sich über die ganze Einspritzung hin, statt als eine Flammenfront durch den Brennraum zu rasen.

Die Grafik zeigt das Ergebnis. Beim Benziner steigt der Druck kurz nach dem oberen Totpunkt zu einer scharfen Spitze. Der Diesel startet von einem viel höheren Verdichtungsdruck, und seine Verbrennung hält den Druck hoch, während der Kolben schon nach unten geht.

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Vom Druck zur Drehung

Das Pleuel verbindet den Kolben mit einem versetzten Zapfen an der Kurbelwelle, dem Hubzapfen. Während der Zapfen im Kreis herumläuft, macht das Pleuel aus dem geraden Druck des Kolbens eine Drehung, so wie Ihr Bein ein Fahrradpedal antreibt.

Der Kolben folgt keiner sauberen Sinuskurve. Das Pleuel kippt, wenn der Zapfen zur Seite ausschwenkt, und zieht den Kolben dadurch weiter nach unten, als der Zapfen selbst sinkt. Bei 90 Grad Kurbelwinkel hat der Kolben schon mehr als die Hälfte geschafft: etwa 50 seiner 86 mm. Er bewegt sich also nahe dem oberen Totpunkt schneller als nahe dem unteren und erreicht seine Höchstgeschwindigkeit, bevor sich die Kurbelwelle um 90 Grad gedreht hat.

Bei 3.000 U/min liegt diese Höchstgeschwindigkeit bei etwa 14 m/s, und der Kolben bleibt bei jeder Umdrehung zweimal kurz stehen und kehrt um. Schwere Gegengewichte gegenüber dem Hubzapfen gleichen die kreisende Masse von Zapfen und Pleuel aus, damit sich der Motor nicht selbst zerlegt.

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Wie stark verdichten?

Das Verdichtungsverhältnis vergleicht den Raum über dem Kolben im unteren Totpunkt mit dem Raum, der im oberen Totpunkt übrig bleibt. Bei 10 : 1 wird die Füllung auf ein Zehntel ihres Platzes zusammengepresst.

Bei einem höheren Verhältnis kann sich das brennende Gas weiter ausdehnen, und mehr von seiner Wärme wird zu Druck auf den Kolben: mehr Arbeit aus demselben Kraftstoff. Warum also nicht noch stärker verdichten? Ein Benzinmotor verdichtet Kraftstoff und Luft gemeinsam, und dabei werden beide heiß. Treibt man es zu weit, entzünden sich Teile des Gemischs von selbst, bevor die Flamme sie erreicht. Dieses harte Klopfen kann Kolben zerstören. Deshalb bleiben Benzinmotoren bei etwa 9 bis 13 : 1.

Ein Diesel verdichtet nur Luft. Es gibt also nichts, das sich zu früh entzünden könnte, und er braucht die Hitze: Die Luft muss heiß genug sein, um den Kraftstoff zu entzünden. Dieselmotoren arbeiten mit etwa 14 bis 22 : 1.

Hier hält das Modell im oberen Totpunkt an. So sehen Sie, wie der Raum über dem Kolben schrumpft, wenn Sie das Verhältnis erhöhen.

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Benzin oder Diesel

Beide Motoren arbeiten mit denselben vier Takten. Sie unterscheiden sich darin, wie der Kraftstoff hineinkommt und was ihn entzündet.

Ein Diesel arbeitet aus drei Gründen effizienter. Er verdichtet stärker, sodass jeder Tropfen Kraftstoff mehr Arbeit leistet. Er läuft mager, mit viel mehr Luft, als der Kraftstoff braucht. Und er hat keine Drosselklappe, verschwendet also nie Kraft damit, Luft an einer halb geschlossenen Klappe vorbeizusaugen.

Ein Benzinmotor dreht höher und läuft ruhiger. Sein Gemisch ist brennbereit, sobald der Funke überspringt, und die Flamme ist schnell. Dank niedrigerer Drücke genügen leichtere Teile, die gern schnell drehen. Ein Diesel muss warten, bis sich sein Kraftstoff vermischt und entzündet. Dann springt der Druck schlagartig an, und daher kommt sein bekanntes Nageln.

Benziner zeigen Diesel zeigen

Ein Hybrid kombiniert einen solchen Motor mit einem Elektromotor. Der hilft ihm, lässt ihn abschalten, wenn er nicht gebraucht wird, und gewinnt beim Bremsen Energie zurück. Dieses Kapitel fehlt hier noch.

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Vier Zylinder

Ein Zylinder liefert alle zwei Umdrehungen einen Stoß. Vier Zylinder an einer gemeinsamen Kurbelwelle, jeder an einer anderen Stelle im Zyklus, liefern jede halbe Umdrehung einen Stoß: alle 180 Grad ein Arbeitstakt statt alle 720. Die Kraft auf die Kurbelwelle ist viel gleichmäßiger, und das Schwungrad kann deutlich leichter sein.

Die Hubzapfen sind so angeordnet, dass sich die Kolben 1 und 4 gemeinsam bewegen und die Kolben 2 und 3 gemeinsam in die Gegenrichtung. Steigt das äußere Paar, sinkt das innere. So heben sich ihre großen Auf- und Abwärtskräfte gegenseitig auf.

Pistons that move together are never on the same stroke. When piston 1 fires, piston 4 is at the top too, finishing its exhaust. The cylinders fire in the order 1-3-4-2, which alternates between the ends of the crankshaft and spreads the pulses evenly along it.

Ein Zylinder Reihenvierer