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  Verbrennungsmotor - Einführung


Eigentlich sollte man sich bei der Erfassung eines Automobils als erstes um den Motor kümmern. Er ist schließlich der Ausgangspunkt aller Bewegung. Aus dem ursprünglichen Dreikampf zwischen der Dampfmaschine, E-Motor und dem Verbrennungsmotor ist Anfang des vorigen Jahrhunderts schließlich letzterer als Sieger hervorgegangen.

Zurzeit taucht, hauptsächlich aus Umwelt- und Ressourcengründen, der Elektromotor als Konkurrent wieder auf und wird den Zweikampf letztlich wohl gewinnen. Gleichwohl scheint der Verbrennungsmotor noch zumindest als Teilhaber am Fahrzeugantrieb noch für längere Zeit eine Rolle zu spielen, denn seine Reichweite im Verhältnis zum Gewicht scheint elektrisch derzeit nicht annähernd erreichbar.

Alle Variationen überlebt haben Kolben und Zylinder eines Verbrennungsmotors, obwohl es Versuche gegeben hat, auch sie zu ersetzen. Aber der sehr komplizierte Bewegungen vollziehende Drehkolbenmotor in seinem einer stark zusammengezogenen '8' ähnelnden Zylinder hat zwar einen leisen und vibrationsarmen Lauf, aber auch viel Verbrauch und ungünstige Abgase produziert.

So ist also zumindest ein Kolben geblieben, der durch seine Pleuel-Verbinding zur Kurbelwelle bei deren Drehung eine hin- und hergehende Bewegung vollführt. Diese hat es nicht nur vertikal, sondern im Prinzip in allen Richtungen gegeben, sogar mit der Kurbelwelle oben und dem/den Kolben nach unten, z.B als Flugzeugmotoren.

Hier hat sich übrigens nach gleichen Anfängen in der Nachkriegszeit eine andere Bauform des Verbrennungsmotors durchgesetzt, die Düse. Sie saugt vorne reine Luft an, verdichtet diese durch ein oder mehrere exakt geformte Flügelräder, erzeugt durch verbrennendes Kersion (ähnlich Diesel) einen hohen Druck, der dann nach hinten ausgestoßen wird, wobei gleichzeitig die vorderen Räder angetrieben werden.

Für das Kraftfahrzeug hat sich dieser Motor wegen der Lautstärke, schlechten Regelbarkeit und vor allem dem hohen Verbrauch nicht bewährt. Fliegt man außerhalb der Atmosphäre, muss der Verbrennungsmotor neben dem flüssigen Wasserstoff als Treibstoff auch noch ebensolchen Sauerstoff mitnehmen.

Der eigentliche Kurbeltrieb hat also bisher alle Anfeindungen überstanden. Etwas unglücklich, dass er genau in dem Moment der letzteren zu erliegen scheint, nachdem er alle Hürden bezüglich Haltbarkeit, Verbrauch und Abgasverhalten überwunden hat. Er bietet für jedes Problem eine Lösung, sogar für die Nutzung erneuerbarer Energie.

Bei der Dampfmaschine werden wegen derer äußerer Verbrennung die hohen Drücke außerhalb von Kolben und Zylinder erzeugt. Eigentlich geben sie hier nur noch ihre Kraft an den Kurbeltrieb weiter. Beim Kolbenmotor ist der Druck entweder bei Aufladung geringer, oder die Gase werden sogar angesaugt. Es ist auch kein Dampf, sondern entweder reine Luft oder diese gemischt mit Kraftstoff.

Während sich der Zylinderraum füllt, bewegt sich der Kolben vom oberen (OT) zum unteren Totpunkt (UT). Der Trägheit einer Gassäule folgend, schließt eine bestimmte Art von Ventil die Zufuhr. Das sind immer noch Teller an einer Art Stange, die ihnen erlaubt, einen Luftkanal durch Hubbewegung zu schließen.

Dazu hat der Teller eine umlaufende, in einem bestimmten Winkel angelegte Dichtfläche, die beim Schließen exakt in einen als Gegenstück ausgebildeten Ring im Kanal passt. Im Zylinderraum aufkommender Druck unterstützt die Auflage der Dichtflächen zusätzlich zu(r) ohnehin vorhandenen Feder(n). Man braucht mindestens je ein Ventil für den Ein- und den Auslasskanal.

Die exakt getaktete Öffnung der Ventile ist das, was man auch als Motorsteuerung bezeichnet, im Gegensatz zu den meist elektrischen Regelungen, die man Motormanagement nennt. Sie wird, ebenfalls schon lange Zeit, von einer oder mehreren Nockenwellen durchgeführt. Man könnte einen Nocken ganz grob als Erhebung an einer sich drehenden Welle bezeichnen.

Im Prinzip gibt es drei mögliche Anordnungen von Nockenwelle und Ventil:
1. Nockenwelle unten, Ventil knapp darüber mit Teller nach oben,
2. Nockenwelle unten, Ventil im Zylinderkopf mit Teller nach unten,
3. Nockenwelle oben, Ventil im Zylinderkopf mit Teller nach unten.

Es hat sogar zwei untenliegende Nockenwellen gegeben.

Im Fall 1 wurde das Ventil direkt betätigt. Das war im Fall 3 auch möglich, aber die Nockenwelle konnte auch neben dem jeweiligen Ventil angeordnet sein. Dann war, wie auch im Fall 2, eine mechanische Verbindung nötig. Zu der gehörte, z.B. im Fall 2, eine Stößelstange. Direkt am Ventil gab es dann entweder einen Kipphebel mit Drehpunkt in der Mitte, oder einen Schlepphebel mit einseitigem Drehpunkt.

In der zweiten Hälfte des vorigen Jahrhunderts verschwanden die letzten Anordnungen 1. Also hatte der ursprünglich nur als Deckel oder gar nicht abnehmbar ausgeführte Zylinderkopf ausgedient. Er wurde immer komplizierter und sehr wichtig für Tuning, aber auch für geringeren Verbrauch. Ursprünglich immer aus Grauguss, fertigte man ihn jetzt meist aus einer Aluminium-Legierung.

Schon früh hat es mehr als eine Nockenwelle gegeben, später kamen auch mehr als ein Ein- oder Auslassventil hinzu. Bei drei ersteren und zwei letzeren stoppte dann die Entwicklung, wurde später durch ein für die Direkteinspritzung nötiges Einspritzventil auf 2 plus 2 zurückgestutzt. Die Anordnung wurde dann auch vom Dieselmotor sogar beim Lkw übernommen.

Wir waren bei einem Kolben auf kurz nach UT und einem geschlossenen Zylinderraum. Jetzt muss der Kurbeltrieb die Arbeit leisten, die er eine halbe Umdrehung (wir nennen die auch 'Takt') später umso mehr zurückbekommt, je stärker sie ist. Dazu ist aber auch Kraftstoff nötig. Der ist entweder schon enthalten, oder wird noch hinzugegeben.

Jahrzehnte lang wurde angesaugt, beim Benzinmotor durch einen sogenannten 'Vergaser', der dann aber keinen gas- sondern tröpfchenförmigen Kraftstoff hinzufügte. Ähnlich war es bei der fein zerstäubten Einspritzung, bevor das Gemisch in den Zylinderraum kam. Nur beim Dieselmotor wurde der Luft hinter dem Einlass exakt zur direkten Zündung Kraftstoff zugefügt.

Dem Dieselmotor fehlt halt die elektrische Zündung, obwohl es bei Mazdas schon in Serie gebauten Benzinmotoren sogenannte 'Kompressionszündungen' geben soll, die dann eine Selbstzündung auslösen. Trotzdem braucht der Dieselmotor eine höhere Verdichtung, um auch bei kaltem Motor sicher zünden zu können. Diese ist auch mit ein Grund für seinen immer noch geringeren Kraftstoffverbrauch.

Dem Benziner kann eine zu hohe Kompression hingegen gefährlich werden, weil hier das, egal ob durch direkte oder indirkte Einspritzung erzeugte Gemisch gefälligst auf den/die Funken der Zündkerze warten soll. Tut es das nicht, hat der Kolben auf seinem Weg nach OT schon mit Gegendruck zu kämpfen. Das gibt zu viel Wärme und mechanische Schäden.

Im dritten, dem sogenannten Arbeitstakt, soll dann nicht nur die gesamte, bisher nur hineingesteckte Arbeit wieder herauskommen, sondern unbedingt eine Menge mehr, denn sonst bleibt für den Vortrieb nichts übrig. Es gibt das Prinzip von Atkinson, dass für die völlige Ausnutzung des Arbeitsdrucks gut wäre. In der Praxis bleiben auch heute noch 3 bis 4 bar übrig, die zusammen mit dem wieder nach OT strebenden Kolben die Abgase hinaustreiben.


Nikolaus August Otto gilt als der Erfinder des Viertaktmotors

Damit wäre das Viertaktverfahren einigermaßen erklärt. Bei nur zwei Takten findet eine Überlagerung von Arbeiten und teilweisem Verdichten, sowie Ansaugen und Ausstoßen statt. Dies kann unter Zuhilfenahme des Raumes unterhalb des Kolbens oder durch eine Art Aufladung geschehen. Entscheidend ist hierbei, dass bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle ein Arbeitstakt verrichtet wird.

Der Zylinder kann es gar viele geben. Maximal 18 sind bekundet, wenn auch nur bei einem Versuchsmotor. Maximal 16 sind in Serie gegangen, wobei sich ansonsten nur die Anzahlen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10 und 12. Aber Vorsicht, bei Industrie- oder Schiffsmotoren sind auch die Zylinderzahlen dazwischen möglich.

Warum gibt es überhaupt mehr als einen Zylinder? Naja, man könnte sagen, wenn der eine ausfällt, dann hat man noch einen zweiten. Aber die Erfahrung lehrt, dass dieser z.B. bei einem mechanischen Fehler oder mangelnder Zündung nicht helfen kann. Eher ein Grund dürfte die etwas zu robuste Bewegungsart eines Kurbeltriebs sein, die durch zwei (teilweise) entgegengesetzt laufende etwas ausgeglichen wird.


Nicht so allerdings bei einem Zweizylinder-Viertaktmotor. Liegen beide nebeneinander, so können sie nur, gleichen Zündabstand vorausgesetzt, die absolut gleiche Bewegung vollführen. Im Motorradbereich versucht man, durch bewusst anderen Versatz und allerlei Tricks beim Motormangement, dies auszugleichen.

Damit hat der sogenannte 'Boxermotor' keine Probleme. Dabei liegen sich die beiden Zylinder gegenüber und deren Kolben arbeiten wie zwei Boxer gegeneinander. Die beiden können auch ein 'V' bilden. Geht der Winkel aber über 15° hinaus, dann sind bei ihm, genau wie beim Boxermotor zwei Zylinderköpfe mit entsprechendem Nockenwellenaufwand nötig.


Sehr selten: Diesel als Boxermotor (Subaru)

Hat man mehr als einen Zylinder, dann lässt sich über die Anzahl der Hauptlager trefflich streiten. Hauptlager, das sind die der Kurbelwelle die Drehung erlaubenden. Pleuellager sind die zusätzlichen, im Prinzip für jeden Kolben eines. Letztere können zwar auch zusammengelegt sein, aber hier geht es um die in der Mitte der Welle. Sie werden es nicht glauben, aber es hat Kurbelwellen für vier Zylinder mit nur zwei Hauptlagern gegeben.


Ebenfalls sehr selten: V4-Motor, in diesem Fall von Ford

Lange Zeit schienen für diesen Motortyp drei genug, aber längst haben sich fünf, also immer eine zwischen zwei Pleuellagern durchgesetzt. Porsche verfolgt dieses Prinzip sogar bei seinen Boxermotoren, macht sieben bei sechs Zylindern. Man will also gleichzeitig die Belastungsgrenze so weit wie möglich ausdehnen. Schon seit ihren Anfängen sind die höher belasteten Kurbelwellen geschmiedet und die Lagerstellen gehärtet.


Von Lancia einst erfunden, von VW nachempfunden: VR-Motor

Pleuel tun alles, um mit der immer weiter zunehmenden Belastung fertig zu werden. Unglaublich, wie sich z.B. die Hubraumleistung verbessert hat, sehr stark durch Aufladung. Sie wurden in ihrer Dimensionierung und Materialwahl deutlich verändert, sind aber beim anfänglichen Doppel-T-Profil geblieben. Typisch für das Pleuel sind das geschlossene Auge auf der Kolben- und das offene auf der Gegenseite. Es hat aber auch hier ungeteilte mit entsprechend teilbaren Kurbelwellen gegeben.


Auch nicht gerade häufig: V10- hier von Porsche mit Rennkupplung

Und dann der Kolben. Der bekommt Wärme und Druck unmittelbar mit. Unglaublich, wie er sich verändert hat. Es hat welche ohne Kolbenringe gegeben, aber nur für Renn- und Rekordzwecke. Dann lange Zeit nur Verdichtungsringe, auch unten am Kolbenhemd. Dann erst wurde dieses zur Führung des Kolbens auserkoren und Ölabstreifringe eingeführt, die den enormen Ausstoß an Öldunst etwas bändigen konnten.


US-Oldtimer, aber sehr häufig: V8 mit untenliegender Nockenwelle

Kolben sind zunächst aus Grauguss, viel hin- und hergehende Masse. Das hat auch höhere Drehzahlen verhindert. Leichtmetall konnte man sich nur mit entweder viel Kolbenspiel oder einer gezielten Ausdehnung in Richtung der Kolbenbolzen erlauben. Heute löst man das Problem durch gezielte Materialverteilung. Später kam dann noch die bei Aufladung unbedingt nötige Ölspritzkühlung hinzu.


V8 mit vier Nockenwellen von Ferrari

Schaut man einfach nur so auf die Kolbenringe, so scheinen sie unverändert. Kaum jemand erkennt ihre leicht ballige Außenkontur sowie eine hauchdünne Beschichtung. Auch die mehrteilige Ausführung z.B. bei Ölabstreifringen mit Schlauchfeder bleibt meist verborgen. Dabei ist sogar die Spannung, mit der sie abdichten, Gegenstand von Maßnahmen zum Spritsparen.


Einer der ersten V12 der US-Fa. Haynes aus dem Jahr 1917

Der Zylinder, oder besser gesagt der Motorblock. Interessanter noch beim Lkw, wo sogenannte nasse Laufbüchsen lange Zeit üblich waren. Die konnten, zusammen mit Kolben und Pleuel, bei eingebaut bleibendem Motor sogar einzeln zusammen mit ihrem jeweiligen Zylinderkopf ausgetauscht werden, eine kleine Motorrevision also, auch bei Schiffsmotoren üblich. Sogar im Pkw-Bereich hat es solche Möglichkeiten gegeben.


Ein moderner V12 mit vier obenliegenden Nockenwellen (Daimler)

So stellt der Renault R16 schon so langsam den Übergang vom Grauguss- zum Leichtmetallblock dar, noch mit Guss-Laufbuchsen. Erst mit den verfeinerten Methoden der Beschichtung, z.B. Eisen oder Kunststoff auf Kolben bzw. Nikasil oder Nanoslide beim Zylinder ist die Umstellung auf Alu-Legierungen komplett. Hinzu kommt eine Trennung und zusätzliche Stabilisierung durch das Kurbelgehäuse.

Womit wir bei der Kühlung wären. Bevor sie heute nur noch durch Kühlmittel besteht, also einem Mix aus (destilliertem?) Wasser, Anitkorrosions- und Frostschutz, hat man früher reines Wasser genommen, was während der Fahrt dauernd nachgefüllt und im Winter praktisch nach jeder Fahrt abgelassen werden musste. Deshalb wurde viel später, wieder die Franzosen als Beispiel, das erste geschlossene Kühlsystem auch als 'plombiert' bezeichnet.

Nein, auch zur Innenraumheizung hat es lange Zeit nichts beigetragen. Ein Mittel gegen beschlagene Frontscheiben war sogar, diese um ihre waagerechte Drehachse oben leicht zu öffnen, was natürlich für die Hände am Lenkrad eine Quälerei war, weil die wegen schlechter Straßen und einer stößigeren Lenkung dort zu verbleiben hatten.

Eigenartigerweise hat ausgerechnet der luftgekühlte VW-Käfer dafür gesorgt, dass die Innenraumheizung zum Serienstandard wurde, wobei ihm die Wassergekühlten sehr rasch den Rang abliefen. Luftkühlung, ein Mittel zur Einfachheit. Schauen Sie sich nur ein entsprechendes Zweirad an. Oder einen Mittel- oder gar Heckmotor mit langen Leitungen für Kühlmittel nach vorn.

Es hat sogar Heckmotoren mit Kühler hinten gegeben, der Gewichtsverteilung nicht gerade zuträglich. Natürlich war die Luftkühlung schon sehr bald thermostatgesteuert. Und wie hätte man ein Auto wie den VW Typ 3 als Variant mit Flüssigkeitskühlung bauen können, bei dem die Karosserie von vorn bis hinten nutzbar war? Nun gut, etwas lauter waren die Motoren schon und am Ende den Abgas- und Verbrauchsvorschriften nicht gewachsen.

Thermomanagement heißt das heute, aufgeteilt in höhere und niedrigere Temperaturen. Elektrische Pumpen eilen zur Hilfe. Zunächst einmal geschieht nach einem Kaltstart in der Regel gar nichts. Der Dieselmotor erzeugt durch seine Sparsamkeit so wenig Wärme, dass ihm z.T. eine elektrische Heizung zur Hilfe kommen muss.

Ach ja, Wasser- oder heute Kühlmittelpumpen sind ebenfalls nicht von Anfang an selbstverständlich. Man hat zunächst auf einen Kreislauf gesetzt, der auf dem sich im Motor erwärmenden und deshalb aufsteigenden und im Kühler sich umgekehrt verhaltenden Wasser vertraut. Nachteil: Beginnt z.B. der Motor zu kochen, hilft kein kleinerer Gang, der dann den Umlauf von Kühlmittel beschleunigen würde.

Und dann die Schmierung. Noch lange hat sich zumindest eine Kombination aus Tauch- und Mischungsschmierung (Austin 7) gehalten. Eigentlich ist erstere ganz plausibel. Man hat einen Ölsumpf und an der sich drehenden Kurbelwelle oder einem großen Pleuelauge wird etwas angebracht, was die geruhsame Ölfüllung aufwirbelt.

Zylinderwände ja, aber die in aller Regel mit Wälzlagern arbeitende Kurbelwelle ist damit überhaupt nicht zu überzeugen. Hier muss das Öl innen zwischen den zu trennenden Materialien ankommen und das äußere leicht aufschwimmen. Hier ist Druckumlaufschmierung gefragt, notfalls durch die sich drehende Welle.

Erstaunlich die Wirkung von Einlassventilen, die ganz im Anfang entgegen den von unten angesteuerten Auslassventilen angeordnet waren und nur durch das Ansaugen des Kolbens geöffnet wurden. Das erhöhte zusätzlich den Unterdruck und ließ noch mehr Öl aus dem Ölsumpf in die Brennräume gelangen.

Eigentlich hätte man das Öl gar nicht zu wechseln brauchen, so viel war stets nachzufüllen. Daher stammen auch die Tipps, in solchen Fällen dickeres Öl zu nehmen. Nahezu nichts war genormt damals und man musste das am besten geeignete Öl selbst herausfinden. Dazu die regelmäßige Motor-Demontage wegen der Entfernung von Ölkohle.

Der Wechsel von Sommer- zu Winteröl und umgekehrt hat erst mit der Erfindung des Mehrbereichsöls weit nach der Jahrhundertmitte aufgehört. Auch sind Einfahröl und Ölspülung jedenfalls für den Motor erst relativ spät abgeschafft worden. Auch die Wechselintervalle sind von damals 1.000 bis 1.500 km zu heute drastisch verlängert.

Heute schwer vorstellbar, dass 1920 bestimmte Teile an einem Motor wie die Ölpumpe, Motorlager und Zylinder alle 150 km mit Öl und die Wasserpumpe mit Fett geschmiert werden mussten. Sogar Teile des Ventiltriebs waren mit dem Ölkännchen erreichbar. Übrigens Zapfsäulen entlang der Straße gab es erst ab Mitte des Jahrzehnts, Tankstellen noch später. Das nächst folgende Wartungsintervall betrug dann 500 km.







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