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Der Verbrennungsmotor - Funktion

Wie funktioniert ein Verbrennungsmotor grundsätzlich?

Bei einem Verbrennungsmotor wird ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in einem Zylinder entzündet und verbrannt. Der durch die Entwicklung und die temperaturbedingte Expansion der Verbrennungsgase entstandene Druck, wirkt auf einen Kolben, der dadurch verschoben wird. Bei Hubkolbenmotoren wird die Auf und Ab Bewegung des Kolbens (Hub), meistens durch einen Kurbeltrieb in eine Drehbewegung umgewandelt.*

Es existiert eine Reihe unterschiedlicher Verbrennungsmotoren, die zum Teil unterschiedliche thermodynamische Kreisprozesse ausnutzen.

Alle Verbrennungsmotoren wiederholen in einem Kreisprozess, ständig den Arbeitszyklus, der aus vier Arbeitsschritten besteht:

1. Ansaugen

Motortakte

Quelle: Wikipedia - Barbarossa

Ausstoßen und Ansaugen dienen dem Gaswechsel, das heißt, dem Austausch von Abgas (Ausstoßen) gegen Frischgas (Ansaugen). Zuständig für die technische Umsetzung ist hier die Motorsteuerung.

Verdichten und Arbeiten dienen der Umwandlung von chemischer Energie (Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches) über thermische Energie (Wärme) und potentielle Energie (Druck) in mechanische Energie (Drehmoment).

Die Arbeitsschritte werden oft als Takte bezeichnet.

Allerdings ist diese Bezeichnung bei 2-Taktern nicht sinnvoll, da 2-Takter auch alle vier Arbeitsschritte ausführen.

Sehen Sie hier den Ablauf der 4 Takte an einem Mitsubishi GDI Schnittmotor

Schöne Animation zum Viertaktprinzip

 

2. Verdichten
3. Arbeiten

  (= Leistung erbringen)

4. Ausstoßen

Beschreibung der vier Takte

  1. Im ersten Takt wird bei Ottomotoren während der Abwärtsbewegung des Kolbens ein Kraftstoff-Luftgemisch in den Zylinder "gesaugt". Bei Saugrohreinspritzern wird dabei in der Regel vor das Einlassventil eingespritzt, bei Direkteinspritzern im Homogenmodus in den Brennraum. Dieselmotoren saugen nur Luft an. Die Temperatur beim Ansaugen liegt dabei bei ca. 100°C, der Druck in etwa 01 - 0,3 bar.
  2. Während des zweiten Taktes verdichtet der Kolben in seiner Aufwärtsbewegung das Kraftstoff-Luftgemisch im Zylinder. Bei Direkteinspritzern im Schichtlademodus erfolgt erst jetzt die Einspritzung. Die Verdichtungsendtemperatur liegt bei 350 - 500°C (Diesel 550 - 700°C), der Druck steigt auf 10 bis zu bei 18 bar (Diesel 30 - 55 bar). Am Ende des zweiten Taktes erfolgt die Zündung, bei Ottomotoren durch die Zündkerzen, bei Dieselmotoren durch Selbstzündung.
  3. Im dritten Takt verbrennt das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Durch den Anstieg der Temperatur steigt auch der Druck des Gemisches stark und bewegt den Kolben im Zylinder nach unten. Die maximale Temperatur leigt bei 2000 - 2500°C, der Druck stei auf 30 bis 40 bar (Diesel bis 100 bar). Die Längsbewegung des Kolbens wird dabei über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehmoment-Bewegung umgesetzt.
  4. Der sich nach oben bewegende Kolben schiebt  im vierten Takt die verbrannten Abgase aus dem Zylinder durch den Auspuff in die Umwelt. Die Abgastemperatur liegt bei 800°C im Leerlauf, bis 1000°C bei Volllast (Diesel 250°C LL, 600°C VL)


weitere Animation/a>

Prinzip des Viertakt-Ottomotors (von Wikipedia - Lesen Sie auch den Hinweis unten)

Viertaktmotor Animation
 (Quelle: UtzonBike - Animation von Wikipedia)

 

 

Weitere Links zu Motoranimationen:

Die Bewegungen der Takte eins, zwei und vier erfolgen durch den Schwung, den die mit einem Schwungrad versehene Kurbelwelle durch den Arbeitstakt erhalten hat. Da während des Startvorgangs noch kein Schwung vorhanden ist, muss die Kurbelwelle von außen angetrieben werden. Hierzu dient eine Startvorrichtung, wie ein Seil (Kettensäge, Bootsmotor), eine Tretkurbel (Motorrad), eine Handkurbel (Oldtimer), oder ein kleiner Elektromotor- (Anlasser im KFZ). Große Motoren (stationäre oder Schiffs-) werden durch direkt in die Zylinder eingeführte Druckluft gestartet.

Der Gaswechsel zwischen einströmenden Frischgasen und verbrannten Abgasen wird durch die Nockenwelle gesteuert. Diese läuft mit einer Untersetzung von 1:2 an die Kurbelwelle gekoppelt und öffnet und schließt die im Zylinderkopf des Motors angeordneten Ventile.



 

Vergleich der Arbeitsverfahren

4-Takt-Verfahren: Jeder der vier Arbeitsschritte läuft während eines Taktes ab. Mit "Takt" ist in diesem Fall ein Kolbenhub gemeint, das heißt eine Aufwärts- oder eine Abwärtsbewegung des Kolbens. Während eines Arbeitsspieles mit vier Takten dreht sich die Kurbelwelle also zweimal. Der Gashub ist geschlossen, das heißt Frischgas und Abgas sind vollständig voneinander getrennt. In der Praxis kommt es aber doch zu einer kurzen Berührung während der so genannten Ventilüberschneidung. 2-Takt-Verfahren: Auch beim 2-Takt-Verfahren laufen alle vier Arbeitsschritte ab, aber während nur zwei Kolbenhüben (=Takte). Dies ist möglich, weil ein Teil des Ansaugens und der Verdichtung (das Vorverdichten) außerhalb des Zylinders stattfindet, und zwar im Kurbelgehäuse unter dem Kolben oder in einem Lader. Die Kurbelwelle dreht sich während eines Arbeitsspieles nur einmal. Der Gaswechsel ist offen, das heißt, es kommt zu einer teilweisen Durchmischung von Frischgas und Abgas.
 

Zweitaktmotor Animation

  • Lizenz: GNU-FDL

mit: OpenOffice Draw

am: 24.10.2004

von: A. Schierwagen

 

  • 2-Takt-Motoren haben eine größere Leistungsdichte, da sie bei jeder Kurbelwellenumdrehung Arbeit verrichten.
  • 2-Takt-Motoren können wesentlich einfacher und billiger gebaut werden, weil sie im Gegensatz zu Viertakt-Hubkolbenmotoren keine Ventilsteuerung benötigen. Sie ist erforderlich, weil die Ein- und Auslassöffnungen für Frisch- und Abgas bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung geöffnet beziehungsweise geschlossen werden müssen. Bei 2-Takt-Motoren kann der Kolben diese Aufgabe übernehmen, da Öffnen und Schließen bei jeder Kurbelwellenumdrehung stattfinden.
  • Ohne Ventilsteuerung treten bei 2-Takt-Motoren geringere Massenkräfte auf, deshalb sind höhere Drehzahlen möglich. Dies erhöht die Leistungsdichte zusätzlich.
  • 2-Takt-Motoren herkömmlicher Bauart haben einen höheren spezifischen Verbrauch und schlechtere Abgaswerte, weil sie einen Teil des Kraftstoff-Luftgemisches unverbrannt durch Überspülen verlieren. Überspülen entsteht, wenn sich Frischgas mit dem Abgas mischt und ausgestoßen wird. Durch eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs (wie beispielsweise beim Zweitakt-Dieselmotor) kann dieses verhindert werden.
  • 2-Takt-Motoren haben nicht mehr die Leistung wie heutige 4-Takt-Motoren, weil sie im Gegensatz zu den 4-Takt-Motoren nicht weiterentwickelt wurden, sondern von den 4-Takt-Motoren verdrängt wurden wegen ihres hohen Verbrauchs und schlechter Abgaswerte.
 

Zweitakt-Motoren werden vorwiegend eingesetzt, wo der Preis des Motors (einfache Bauweise) und die hohe Leistungsdichte den Vorrang haben vor Kraftstoffverbrauch und Umweltschutz. Dies gilt vor allem für Motoren mit kleinem Hubraum: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Motorsägen, Modellbau, Motorradrennsport und bei großen Schiffsmotoren, die übrigens auch als Zweitakt-Dieselmotoren gebaut werden.

Wo Gesetzgeber und Verbraucherinteresse auf Umweltschutz und Kraftstoffverbrauch achten, haben sich Viertaktmotoren durchgesetzt.

 

Exotische Bauarten von Motoren

Kreiskolbenmotor

Der Wankelmotor ist ein Kreiskolbenmotor, benannt nach Felix Wankel. Beim Wankelmotor rotiert in einem oval-scheibenförmigen Gehäuse ein bogig-dreieckiger Kolben in einer nur leicht oszillierenden Bewegung. Durch die anhaltende Bewegung in immer gleichbleibender Drehrichtung ergibt sich ein sehr ruhiger Motorlauf.

Der Kreiskolbenmotor ist sehr kompakt aufgebaut und benötigt keine Ventilsteuerung. Abgesehen von der unterschiedlichen Bewegungsart entspricht das Prinzip der Krafterzeugung dem des Ottomotors. Die vier Takte werden nicht während einer Auf- und Abwärtsbewegung eines Kolbens, sondern während der Drehbewegung in einer Scheibe ausgeführt. So wie beim Hubkolbenmotor mehrere Zylinder vorhanden sind, können auch beim Wankelmotor mehrere Scheiben kombiniert sein.

zur Animation

viele weitere Informationen finden Sie auf http://www.der-wankelmotor.de/

 

Stelzer-Motor

Der Stelzer-Motor, benannt nach seinem Erfinder Frank Stelzer, ist ein Zweitakt-Freikolbenmotor. Im Stelzer-Motor wird während des gesamten Arbeitsablaufes nur der Kolben bewegt. Seine unterschiedlichen Kolbendurchmesser öffnen und schließen verschiedene Öffnungen im Gehäuse und steuern damit gleichzeitig den Gaswechsel.

Link

Kugelkolbenmotor

Beim Kugelkolbenmotor handelt es sich im Grundkonzept um einen Drehkolbenmotor, der als Besonderheit sowohl die Einlass-Steuerung wie auch die Brennraumgröße durch eine Taumelbewegung realisiert.

Zweitakt-Doppelkolbenmotor (Puch)

Der Puch-Zweitakt-Doppelkolbenmotor war ein gleichstromgespülter Zweitaktmotor, bei dem zwei Kolben in direkt beieinanderliegenden Zylindern den Brennraum gemeinsam haben und über ein geteiltes Pleuel auf eine Kurbelwellenkröpfung wirken. Wegen seiner technischen Eigenschaften und seines bescheidenen Kraftstoffverbrauches wurde er in Motorrädern verwendet. Die Puch-Werke in Graz stellten Motoren dieser Bauart von 1923 bis 1970 her. Quelle: Wikipedia

kurzes Video zum Doppelkolbenmotor (Deutsches Museum)

5-Takt-Motor, Miller-Zyklus, Atkinson-Zyklus, Knick-Pleuel sind weitere interessante Motorenvarianten.

mehr zum Verbrennungsmotor

*Dieser Artikel basiert auf dem Artikel 'Verbrennungsmotor' aus der Wikipedia und steht unter der GNU Lizenz freie Dokumentation.

mehr zum Motor:  | PS | Motorinstandsetzung | Steuerung |

Etwas Geschichtlicher Hintergrund

125 Jahre Benzinmotor von Daimler

Gottlieb Wilhelm Daimler  entwickelte 1883 den ersten schnell laufenden Benzinmotor, worauf er am 3. April 1885 das Patent erhielt und baute ebenfalls 1885, also vor 125 Jahren, das erste Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor.

Er wurde am 17. März 1834 in Schorndorf geboren und starb am 6. März 1900 in Cannstatt bei Stuttgart. Er war ein deutscher Ingenieur, Konstrukteur und Industrieller.

Sein Ziel war immer die Entwicklung kleiner, schnell laufender Verbrennungsmotoren, die überall einsetzbar sein sollten und Fahrzeuge aller Art zu Lande und zu Wasser antreiben konnten. 1883 meldete er einen gemeinsam mit, dem bei ihm angestellten Maybach, einen Einzylinder-Viertaktmotor beim Patentamt an, der anders als bei den bis dahin üblichen stationär eingesetzten gasangetriebenen Viertaktmotoren durch Verbrennung von Benzin angetrieben wurde. Die Verbrennung erfolgte nach Vergasung des Benzins im Schwimmervergaser und über Glührohrzündung des im Zylinder vorkomprimierten Benzin-Luft-Gemisches. Der 1885 fertig gestellte aus Gusseisen und Messing bestehende einzylindrige Motor wog nur 60 Kilogramm, hatte einen Hubraum von 264 cm³ und leistete bei 650 Umdrehungen pro Minute weniger als 1 PS. Am 3. April 1885 erhielt Daimler das Reichspatent Nr. 43926 auf seine Kraftmaschine, die als Standuhr-Motor in die Technikgeschichte einging.

Eine weitere Erfindung von Daimler und Maybach war der 1885 konstruierte Reitwagen, das erste Motorrad mit Benzinmotor. Darauf folgte der Einbau des Ottomotors in ein Boot und damit die Erfindung des Motorbootes. Im Oktober 1886 baute Daimler seinen Motor in eine Kutsche, womit er auch als Erfinder des vierrädrigen Kraftwagens gilt.

Daimlers und Maybachs Motor (wie auch der von Diesel) gehört zu den Erfindungen, die die Welt für immer verändert haben.

Daimlers Standuhrmotor 1885
Quelle: Wikipedia user:Enslin 

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Johannes Wiesinger

bearbeitet: 19.02.2015

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