Vier-Takt-Otto- und Dieselmotoren: Technik und Geschichte

Inhalt

1. Vier-Takt-Otto- und Dieselmotoren
2. Der Viertakt-Ottomotor
3. Der Viertakt-Dieselmotor
4. Merkmale der Motorenfamilie

Geschichte der Verbrennungsmotoren

Der Verbrennungsmotor entwickelte sich als Weiterentwicklung der Dampfmaschine. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Verbrennungsmotor seine Arbeit aus einem Gemisch aus Luft und Kraftstoff gewinnt, während die Dampfmaschine den Druck von extern erzeugtem Wasserdampf nutzt.

• Mai 1876: Nikolaus Otto baute den ersten Viertakt-Motor.
• 1878: Der Schotte Dugald Clerk baute den ersten Zweitakt-Motor.
• 1882: Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach gründeten ihr eigenes Unternehmen und konzentrierten sich auf den Bau eines leichten, schnellen Benzinmotors.
• 1886: Ein mit diesem Motor ausgestattetes Auto erreichte eine Geschwindigkeit von 11 km/h.
• 1890: Gründung der Daimler Motor Company.
• 1883: Karl Benz gründete Benz & Cie. Im Januar 1886 schuf er das erste Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (ein Dreirad mit Viertakt-Motor).
• 1892: Rudolf Diesel erfand den nach ihm benannten Dieselmotor, der ohne Zündsystem auskommt. 1897 wurde der erste dieser Motoren gebaut.
• 1957: Felix Wankel testete erfolgreich den Kreiskolbenmotor (Wankelmotor).

Weltweit etablierte sich die Automobilindustrie: Henry Ford gründete 1903 die Ford Motor Company. In Frankreich begannen die Brüder Renault 1898 ihre Geschichte. Opel erweiterte 1898 die Produktion von Nähmaschinen auf Fahrzeuge. 1899 trat Italien mit der Gründung von Fiat durch Giovanni Agnelli in den Markt ein.

Ein Meilenstein war 1908 das Ford Modell T, das durch Fließbandfertigung und Kostensenkung (z. B. schwarze Farbe für schnellere Trocknung) das Automobil massentauglich machte. In Deutschland entwarf Ferdinand Porsche 1938 auf Anordnung den VW Käfer.

In den 1980er Jahren setzten japanische Hersteller neue Maßstäbe durch Techniken wie Just-in-Time und das Kaizen-Prinzip. Heute liegt der Fokus auf Hybrid-Fahrzeugen, Elektromotoren und autonomen Fahren.

Der Verbrennungsmotor als Wärmekraftmaschine

Der Verbrennungsmotor wandelt thermische Energie (Explosion) in mechanische Energie um. Da die Verbrennung im Inneren stattfindet, wird er als Internal Combustion Engine bezeichnet. Ein moderner Motor muss folgende Kriterien erfüllen:

• Hohe Leistung: Effiziente Nutzung der Verbrennungsenergie.
• Geringer Verbrauch: Maximale Ausnutzung des Kraftstoffs.
• Saubere Abgase: Reduzierung von CO2-Emissionen.
• Zuverlässigkeit und Langlebigkeit.
• Niedrige Herstellungs- und Wartungskosten.

Klassifizierung von Verbrennungsmotoren

Motoren können nach verschiedenen Kriterien eingeteilt werden:

• Nach dem Zündverfahren: Otto-Motoren (Fremdzündung) und Dieselmotoren (Selbstzündung).
• Nach dem Arbeitszyklus: 2-Takt- und 4-Takt-Motoren.
• Nach der Kolbenbewegung: Hubkolbenmotoren und Kreiskolbenmotoren (Wankel).

Der Ottomotor

Der konventionelle Ottomotor ist ein Viertakter mit Fremdzündung. Sein Wirkungsgrad liegt bei etwa 20–25 %. Das Verdichtungsverhältnis liegt meist zwischen 8:1 und 10:1, bei Hochleistungsmotoren bis zu 12:1 (erfordert hohe Oktanzahlen). Die maximale Leistung wird oft zwischen 5.000 und 7.000 U/min erreicht.

Der Dieselmotor

Beim Dieselmotor erfolgt die Verbrennung bei konstantem Druck. In der Ansaugphase wird nur Luft eingezogen und so stark komprimiert, dass sie sich auf ca. 440 °C erhitzt. Der eingespritzte Kraftstoff entzündet sich von selbst. Der Wirkungsgrad ist mit über 40 % höher als beim Ottomotor. Dieselmotoren sind robuster gebaut und arbeiten oft bei niedrigeren Drehzahlen (100–750 U/min bei Großmotoren, bis 5.000 U/min bei PKW).

Der Viertakt-Arbeitszyklus

1. Ansaugen (Eintritt): Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT). Das Einlassventil ist offen, das Gemisch (Otto) oder Luft (Diesel) strömt ein.
2. Verdichten (Kompression): Der Kolben steigt zum OT, beide Ventile sind geschlossen. Das Volumen wird reduziert, Druck und Temperatur steigen.
3. Arbeiten (Explosion/Expansion): Das Gemisch wird gezündet. Der entstehende Druck drückt den Kolben nach unten. Dies ist der einzige Takt, der Arbeit verrichtet.
4. Ausstoßen (Auslass): Der Kolben steigt wieder auf und drückt die Abgase durch das geöffnete Auslassventil hinaus.

Bauteile eines Hubkolbenmotors

Feststehende Teile

• Motorblock: Das tragende Gerüst des Motors. Er enthält die Zylinderbohrungen. Gängige Bauformen sind Reihenmotoren, V-Motoren und Boxermotoren. Material: Gusseisen oder Aluminiumlegierungen.
• Zylinderkopf: Schließt die Zylinder nach oben ab und enthält die Ventile sowie Zündkerzen oder Einspritzdüsen.
• Zylinderkopfdichtung: Dichtet den Übergang zwischen Block und Kopf ab.
• Ölwanne (Carter): Schließt den Motor nach unten ab und dient als Ölreservoir.

Bewegliche Teile

• Kolben: Wandelt den Verbrennungsdruck in Bewegung um. Er besitzt Kolbenringe zur Abdichtung und Schmierung.
• Pleuelstange: Verbindet den Kolben mit der Kurbelwelle.
• Kurbelwelle: Wandelt die lineare Bewegung der Kolben in eine Drehbewegung um.
• Schwungrad: Speichert kinetische Energie, um die Totpunkte zu überwinden und den Motorlauf zu glätten.

Ventiltrieb (Distribution)

Die Nockenwelle steuert das Öffnen und Schließen der Ventile. Sie wird von der Kurbelwelle über einen Zahnriemen, eine Kette oder Zahnräder angetrieben. Bei Viertaktmotoren dreht sich die Nockenwelle mit halber Kurbelwellendrehzahl.

Einspritzsysteme und Steuerung

Diesel-Einspritzung

Man unterscheidet zwischen Direkteinspritzung (Kraftstoff gelangt direkt in den Brennraum) und indirekter Einspritzung (Vorkammer oder Wirbelkammer). Moderne Systeme nutzen die Common-Rail-Technik oder Pumpe-Düse-Einheiten, um Drücke von bis zu 2.000 bar zu erreichen.

Elektronische Steuerung (UCE/ECU)

Die elektronische Steuereinheit verarbeitet Signale von Sensoren (Drehzahl, Temperatur, Luftmasse, Gaspedalstellung) und regelt die Einspritzmenge sowie den Einspritzzeitpunkt optimal für jede Lastsituation.

Motorleistung und Wirkungsgrad

• Drehmoment: Die Kraft, die auf die Kurbelwelle wirkt. Ein hohes Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen sorgt für gute Beschleunigung und Durchzugskraft.
• Leistung: Die pro Zeiteinheit verrichtete Arbeit (P = Drehmoment x Winkelgeschwindigkeit). Angabe in kW oder PS.
• Spezifischer Verbrauch: Gibt an, wie viel Gramm Kraftstoff pro Kilowattstunde (g/kWh) verbraucht werden. Ein niedriger Wert steht für hohe Effizienz.

Zusammenfassend ist der Verbrennungsmotor eine komplexe Maschine, die durch ständige Innovationen in Material und Elektronik immer effizienter wurde. Trotz des Aufkommens der Elektromobilität bleibt er aufgrund seiner Energiedichte und Zuverlässigkeit ein zentraler Bestandteil der globalen Mobilität.