Das Geheimnis unter der Motorhaube

Das Geheimnis unter der Motorhaube

Jeder weiss: ein Auto wird von einem Motor angetrieben. Dieser befindet sich unter der Motorhaube – keine Angst, ich möchte niemanden für dumm verkaufen – doch was passiert eigentlich unter dieser Motorhaube? Das wissen nicht viele. Dieser Post ist sehr technisch orientiert, aber bevor du mir davonrennst, beginn doch einfach zu lesen. Vielleicht ist es gar nicht so langweilig, wie du denkst.
1 Milliarde Autos, davon werden 99.9% mit einem Verbrennungsmotor angetrieben, brummen heute auf den Strassen herum. Um alle nebeneinander zu parkieren, bedürfte es einer 40-spurigen Autobahn rund um den Äquator. Allerdings gibt es nicht nur “den Verbrennungsmotor”, denn jeder Motor hat seine eigene Charakteristik, genau wie ein Mensch.

Bauweise

Wenn man sich ein Auto kauft, spielt es grundsätzlich eine Rolle, ob man sich ein Auto mit einem Dieselmotor, auch Selbstzünder genannt, da sich das Kraftstoffgemisch ohne Fremdeinwirkung entzündet, oder eines mit Benzinmotor zulegt. Doch Motor ist nicht gleich Motor, es gibt diverse Bautypen, diese möchte ich als erstes erläutern.

Reihenmotor: Der Reihenmotor, egal ob längs oder quer im Motorraum eingebaut, gehört zu den am meistverbreiteten Motoren, insbesondere bei den Vierzylindern. Wie es der Name schon sagt, sitzen bei ihm alle Zylindern der Reihe nach auf einer Bank. Der Reihenmotor ist von allen Bauformen am günstigsten zu produzieren und lässt sich auch am einfachsten mit einer Luftkühlung realisieren. Motoren mit sechs Zylindern werden zunehmend von V-Motoren verdrängt, solche mit mehr als sechs Zylindern gibt es fast ausschliesslich nur als V-Motoren. Ein wichtiger Grund ist der grössere Platz, den ein Reihenmotor beanspruchen würde.
Die Bezeichnung für einen Reihenmotor lautet R + Anzahl Zylinder, also beispielsweise R4 für einen Reihenvierzylinder.

Reihenmotor
Ein Reihensechszylinder (R6) von BMW

V-Motor: Der wesentliche Unterschied zum Reihenmotor besteht darin, dass die Zylinder gleichmässig auf zwei Zylinderbänken V-förmig (daher auch die Namensgebung), verteilt sind. Im Gegensatz zum Reihenmotor benötigt der V-Motor deutlich weniger Platz. Ein weiterer Vorteil von V-Motoren ist deren ruhigerer Lauf, da Schwingungen und Massenkräfte besser ausgeglichen werden.
Die Bezeichnung für einen V-Motor lautet V + Anzahl Zylinder, also beispielsweise V8 für einen V-Motor mit acht Zylindern.
W-Motor: Der W-Motor ist grunsätzlich nichts anderes als ein V-Motor mit einer dritten Zylinderbank. Sinn machen diese Motoren erst ab 12 oder mehr Zylindern, seine Eigenschaften sind dem eines V-Motors sehr ähnlich.
Die Bezeichnung für einen V-Motor lautet W + Anzahl Zylinder, also beispielsweise W12 für einen W-Motor mit zwölf Zylindern.

V-Motor
Querschnitt eines V6-Motors

Boxermotor: Vor allem Subaru und Porsche setzen traditionsgemäss auf Boxermotoren. Bei einem Boxermotor sitzen sich die einzelnen Zylinder, etwas versetzt, einander gegenüber. Diese Bauart erfordert mehr Einzelteile und einen grösseren Aufwand, weshalb die Herstellung von Boxermotoren teurer ist als die oben genannten Motorarten. Boxermotoren besitzen den ruhigsten Motorlauf und lassen sich durch ihre flache Bauweise in der Höhe platzsparend einbauen.
Die Bezeichnung für einen Boxermotor lautet BR + Anzahl Zylinder, also beispielsweise BR4 für einen Boxermotor mit vier Zylindern.

Boxermotor
Sechszylinderboxermotor von Subaru

Arbeitstakte

Die in Autos eingesetzten Verbrennungsmotoren sind Hubkolbenmotoren. Bis in die 1960er Jahre war der Zweitaktmotor insbesondere bei Kleinwagen beliebt, doch sind seine Abgaswerte aufgrund der schlechteren Verbrennung deutlich schlechter als jene des Viertaktmotors. Deshalb wird der Zweitaktmotor heute nur noch in Mofas eingesetzt. Ich widme mich hier der Funktionsweise des Viertaktmotors.

  • 1. Takt: Ansaugen des Luft- und Kraftstoffgemisches durch das Einlassventil.
  • 2. Takt: Komprimierung des Gemisches, indem sich der Kolben nach oben bewegt.
  • 3. Takt: Zündung des Gemisches (beim Benziner mit Hilfe einer Zündkerze, beim Diesel von alleine), was eine explosionsartige Verdrängung des Gemisches auslöst und den Kolben nach unten drückt.
  • 4. Takt: Abgase strömen durch das Auslassventil in den Katalysator.
Viertaktmotor
Illustration eines Arbeitsprozesses

Alle vier Takte ergeben einen Arbeitsprozess, welcher wiederum zwei Umdrehungen der Kurbelwelle benötigt. Das heisst, die Motordrehzahl geteilt durch zwei, ergibt die Anzahl Arbeitsprozesse. 3000 U/min bedeuten also 1500 Arbeitsprozesse/min. Bei einem herkömmlichen Vierzylinder führt jeder Zylinder 375 Arbeitsprozesse/min aus. Bei einem Zwölfzylinder führt der einzelne Zylinder nur noch 125 Arbeitsprozesse/min, was gerade mal 2 Arbeitsprozesse/sec bedeutet. Dies ist die Erklärung, warum Zwölfzylinder für ihre ausgesprochen ruhige Laufart bekannt sind und gerne bei Luxuskarossen eingesetzt werden. Das heute umhergehende Downsizing bedeutet allerdings der Tod der majestätischen Zwölfzylinder.

Aufbau

Nun, ein Motor besteht aus hunderten von Einzelteilen, sie alle zu erwähnen würde den Umfang des Posts und mein eigenes Verständnis definitiv sprengen. Deshalb möchte ich in der Reihenfolge, in denen die Komponenten zum Zug kommen, ihre Funktionsweise erklären. Über den Ansaugkrümmer, welcher in einzelne, gleich lange Rohre aufgeteilt ist, wird die Luft für die einzelnen Zylinder angesaugt. Durch die Nockenwelle werden die Ventile bedient. Dies geschieht folgendermassen: Auf der Nockenwelle befinden sich nach aussen stehende Ringe. Die Nockenwelle ist so geformt, dass die Ringe sich bei der Drehbewegung nach vorne zu bewegen scheinen. Dieser Effekt wird erreicht, indem die Ringe nicht schön rund sind, sondern sich über eine gewisse Länge der Nockenwelle erstrecken. Neben den Ventilen befinden sich kleine Schalter, welche aktiviert werden, wenn ein Ring der Nockenwelle auf sie trifft. Das Geheimnis der Nockenwelle ist es also, die Ausbuchtungen so anzuordnen, dass bei jedem Arbeitsprozess genau eine Umdrehung nötig ist. Anschliessend gelangt durch das Einlassventil das Gemisch aus Luft und Kraftstoff (Ungefähres Verhältnis Kraftstoff:Luft = 1:100) in den Zylinder. Was dann geschieht, wurde oben bereits beschrieben. Das Ziel der Arbeitsprozesse ist es, die Kurbelwelle in Drehung zu versetzen. Diese wird vom Pleuel, welches wiederum durch das auf und ab des Kolbens gedreht wird, angetrieben. Die Drehbewegung der Kurbelwelle wird über das Getriebe an die Antriebsachse(n) weitergeleitet.

Leistung und Drehmoment

Was für den Otto-Normalverbraucher wohl deutlich mehr interessiert als Bauweise und Arbeitsprozesse, sind Daten wie Leistung und Verbrauch. Die Leistung wird in PS/kW (1 PS = 0.735 KW), das Drehmoment in Nm (Newtonmeter) und der Verbrauch in Liter/100 km angegeben. Dieselmotoren sind bekannt für ihr höheres Drehmoment gegenüber dem Benziner. Allerdings sind die Selbstzünder aufwendiger in der Produktion und daher in der Regel auch teurer als Benzinmotoren. Ausserdem ist in der Schweiz der Kostenvorteil des Dieselmotors geringer, da der Dieseltreibstoff im Gegensatz zu vielen anderen Staaten teurer ist als Benzin. Doch was ist eigentlich Leistung und Drehmoment und welche Faktoren beeinflussen diese Zahlen?
Um sich eine grobe Vorstellung vom Fahrverhalten des Autos zu machen, richtet sich das Augenmerk vieler auf die PS-Zahl. Doch die Einheit PS (Pferdestärken) ist seit 1978 keine gesetzliche SI-Einheit mehr. Allerdings lässt sie sich nicht aus den Köpfen der Menschen bringen. Zugegebenermassen ist die Einheit PS anschaulicher als kW (Kilowatt), die seit 1978 geltende SI-Einheit. Angenommen, ein Motor leiset 200 kW, also 200’000 Watt. Das ist 3333 mal mehr als ein 60W Glühbirne. Wow. Da kann man sich doch 270 Pferde und deren Kraft deutlich besser vorstellen!
Die Leistung eines Motors ist jedoch nichts weiter als ein Produkt von Faktoren. Die Leistung jedes Autos kann mit folgender Formel berechnet werden:

P = M*n*π / 30*1000

wobei:
P = Leistung in kW
M = Drehmoment in Nm
n= Drehzahl in U/min

Die Leistung ist also ein Produkt der variablen Faktoren Drehzahl und Drehmoment. Somit ist der Begriff “Leistungssteigerung* nicht ganz korrekt, denn die Leistung kann nur indirekt, indem das Drehmoment gesteigert wird, verbessert werden. Somit sind wir beim nächsten Punkt angelangt: Was ist das Drehmoment? Ganz einfach: Die Kraft des Motors. In der Zahl des Drehmoments steht drin, wie kräftig ein Motor tatsächlich ist. Drehmoment ist die Einheit der wirkenden Kraft für die Erzeugung kinetischer Energie. Ein Newton entspricht 100 Gramm. Wenn ich also auf einen 1 Meter langen, sich drehenden Hebel 100 Gramm Druck ausübe, erzeuge ich ein Drehmoment von 1 Nm. Übertragen auf den Motor also die Kraft, welche auf die Kurbelwelle wirkt. Wie hoch das Drehmoment (und der Verbrauch) eines Motors ist, hängt in erster Linie von dessen Hubraum ab. Der Hubraum ist das addierte Volumen aller Zylinder. Bei einem Vierzylindermotor mit 1998 ccm Hubraum steht also jedem Zylinder 499.5 ccm Hubraum zur Verfügung. Je grösser der Hubraum, umso mehr Bewegungsraum hat der Kolben und je mehr Platz dieser hat, umso höher ist die Kraft, die er entwickeln kann. Das Drehmoment steigt mit sich erhöhender Drehzahl bis zu einem gewissen Punkt (beispielsweise 2500 U/min) und beginnt ab dann, z.B ab 3500 U/min, wieder zu sinken. Die Leistung hingegen steigt ab Drehzahl 0 immer weiter an, bis der Motor kurz vor dem roten Bereich am meisten Leistung erbringt. Warum? Die Erklärung: Aus Sicht der Physik ist Leistung Arbeit / Zeit. Das Drehmoment ist die Arbeit, die Drehzahl die Zeit. Bei hohen Drehzahlen sinkt das Drehmoment, der Motor arbeitet weniger, doch er führt die Arbeit häufiger aus.
Ein praktisches Beispiel: Ein Dieselmotor erzeugt bei 4000 U/min ein Drehmoment von 300 Nm. Gemäss obenstehender Formel leistet er bei 4000 U/min 125.66 kW. Ein Benziner erzeugt bei 6000 U/min ein Drehmoment von 200 Nm. Laut Formel leistet er bei 6000 U/min ebenfalls 125.66 kW. Ich komme nun zum Fazit: Die Motorleistung steht nicht einfach aus dem Stand zur Verfügung, sondern wird kontinuierlich aufgebaut. Die Leistungsangabe bei Autos ist deshalb immer die maximale Leistung, verbunden mit einer Drehzahl. Dieselmotor erreichen aus konstruktiven und mechanischen Gründen keine hohen Drehzahlen, dafür ein hohes Drehmoment. Benzinmotoren sind schwächer, drehen aber höher. Das ist der Grund, warum Dieselmotoren beliebt sind und man ihnen nachsagt, sie ziehen aus unteren Drehzahlen besser, weil sie mehr Drehmoment entwickeln und ihre maximale Leistung bei 3000-4000 U/min zur Verfügung steht. Bei einem Benziner findet man den Leistungspeak manchmal erst jenseits von 6000 Umdrehungen, welche man im Alltag kaum erreicht. Das unten abgebildete Leistungsdiagramm soll den Zusammenhang von Drehmoment, Drehzahl und Leistung aufzeigen. Ebenfalls lässt sich so aufzeigen, dass jeder Drehzahl ein exaktes Drehmoment und somit ein exakter Leistungswert zuordnen lässt.

Leistungsdiagramm
Das Leistungsdiagramm veranschaulicht den Leistungsverlauf eines Motors

Spezialfälle Turbo und Kompressor

Turbo, wie das klingt. Als wäre ein Raketentriebwerk unter der Haube untergebracht. Dabei ist ein Abgasturbolader, so die volle Bezeichnung, nichts weiteres als eine vom Abgasstrom angetriebene Turbine, welche einen Verdichter betreibt. Dessen Aufgabe ist es, die angesaugte Luft für den ersten Arbeitstakt zu verdichten, damit mehr Luft in den Brennraum des Zylinders gelangt. Durch diese Zwangsbeatmung wird das Drehmoment erhöht und die Leistungskurve steigt steiler an. Unter Volllast erreicht die Turbine über 200’000 U/min. Dieses verfahren wird als Aufladung bezeichnet, deshalb spricht man bei Motoren mit Turbo auch von aufgeladenen Motoren. Trotz der höheren Kraftstoffzugabe verbrauchen aufgeladene Motoren im allgemeinen durch den kleineren Hubraum weniger als ein Saugmotor, also ein Motor ohne Aufladung, mit identischer Leistung. Im Turbo liegt also das Geheimnis des Downsizings: Weniger Hubraum, weniger Zylinder, dafür eine Aufladung.
Ein bekanntes Problem von früher war das gefürchtete Turboloch. Da der Abgasstrom erst ab einer gewissen Drehzahl genügend Druck ausübte, sprang der Turbo erst später an, aus dem Stand war das Beschleunigen daher mühsam. Heute bewältigt man das Problem entweder mit einer variablen Turbogeometrie oder einer Biturbo Aufladung. Bei der variablen Turbogeometrie passen sich die Schaufelräder der Turbine der Geschwindigkeit des Abgasstroms an, beim Biturbo arbeitet ein kleinerer Turbo bei niedrigen Drehzahlen und bei höheren Drehzahlen der grössere Turbo. Der Wechsel der beiden Turbos bleibt völlig unbemerkt. Übrigens: Der Turbolader wurde vom Schweizer Ingenieur Alfred Büchi erfunden.
Eine andere Technik zur Aufladung wird mit einem Kompressor realisiert. Der Kompressor wird mechanisch angetrieben, nämlich von der Kurbelwelle. Somit “verliert” die Antriebsachse einen Teil des Drehmoments, dafür funktioniert der Kompressor bereits ab dem Stand mit voller Kraft. Ansonsten unterscheiden sich der Turbolader und der Kompressor nur noch im Detail.
Aufgeladene Motoren erkennt man am typischen Zischen, wenn das Gaspedal losgelassen wird.

Abgase

Als Abgase werden grundsätzlich die Abfallprodukte der Stoffumwandlung des Verbrennungsmotors bezeichnet. Abgase beinhalten hauptsächlich, wie es der Name bereits sagt, Gase, jedoch enthalten diese Gase auch Partikel. Die Bestandteile der Abgase im Detail:

  • Kohlenstoffdioxid (CO2) entsteht bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe und ist nicht direkt giftig, es setzt sich jedoch in der Atmosphäre fest und behindert die Rückstrahlung der Wärme von der Erde weg.
  • Kohlenmonoxid (CO) ist giftig und entsteht bei der unvollständigen Verbrennung von fossilen Brennstoffen.
  • Schwefeloxide (SOx) entstehen aufgrund der Schwefelbestandteile in den Treibstoffen. Schwefeloxide sind für den sauren Regen verantwortlich.
  • Stickoxide (NOx) sind ebenfalls giftig und entstehen aufgrund des Stickstoffs in der Luft, welche angesaugt wird.
  • Partikel bestehen überwiegend aus Russ, einem schwarzen, pulverförmigen Verbrennungsrückstand. Die einzelnen Partikel sind bloss einige hundert Nanometer gross und dringen somit in die Lunge ein, was wiederum krebsfördernd ist. Partikel entstehen nur bei Dieselmotoren

Alle moderneren Fahrzeuge sind deshalb mit einem Katalysator ausgerüstet, dessen Aufgabe es ist, die Abgase so weit als möglich zu reinigen. Dieselfahrzeuge sind zusätzlich mit einem Partikelfilter ausgestattet. Die Reinigung geschieht mittels einem chemischen Prozess, der sogenannten Katalyse. Dabei werden die giftigen Stoffe Kohlenmonoxid zu Kohlenstoffdioxid und Stickoxide zu Stickstoff umgewandelt.

Abschluss

Wenn du diese Zeilen liest, ist das Ende nicht mehr fern. Obwohl dieser Post eine beachtliche Zeichenanzahl aufweist, habe ich hiermit bloss einen rudimentären Überblick über den Verbrennungsmotor gewährt. Die Entwicklung leistungsfähiger, aber doch effizienter Motoren ist eine Wissenschaft für sich. Auch hatte ich das ganze Wissen, welches ich hier niedergeschrieben habe, nicht aus dem Stegreif zur Verfügung, sondern recherchierte stundenlang. Wenn noch mehr Wissensdurst vorhanden ist, kann ich dich nur an Fachliteratur oder komplizierte Wikipedia Artikel weiterleiten.
Trotz der klimaschädigenden Arbeitsweise des Verbrennungsmotors, wird er noch einige Jahre seinen Dienst erweisen. Alternative Antriebe sind serienreif, nur noch die Kundschaft dazu wird benötigt. Doch der Verbrennungsmotor liess Menschenträume wahr werden. Und er lässt uns noch heute an diesen Träumen teilhaben.

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