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Kurbeltrieb 1



Die vier Elemente des Kurbeltriebs, Zylinder, Kolben, Pleuel und Kurbelwelle gab es schon lange vor der Erfindung des Verbrennungsmotors. So kann man sie am Räderwerk einer jeden Dampflok bewundern. Eigentlich müsste man auch noch den Zylinderkopf hinzunehmen, denn sonst wären zwar Bohrung, Hub und damit Hubraum erklärbar, nicht aber so wichtige Größen wie beispielsweise das Verdichtungsverhältnis.

Zum Motorblock wird der Zylinder eigentlich erst durch entsprechende Nachbarn. Und dann ist da noch die Voraussetzung, dass er flüssigkeitsgekühlt und zusammengegossen ist. In den Kindertagen des Automobils hat es lange Zeit Motoren gegeben, die aus zwei Motorblöcken hintereinander zusammengesetzt waren. Man war halt noch nicht so weit, sie in einem Stück herzustellen.


Und luftgekühlt sind sie eigentlich immer einzeln nebeneinander angeordnet, oft genug durch den Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse an Ort und Stelle gehalten. Wie denn auch, die Kühlluft soll ja schließlich möglichst viel Oberfläche vorfinden, von der sie Wärme abgreifen kann. Wenn sie überhaupt noch vorkommen, dann sind in einer Reihe meist nicht mehr als zwei üblich, einen älteren Porsche 911 Boxer natürlich ausgenommen.

Bleiben wir noch ein wenig bei den beweglichen Teilen des Kurbeltriebs. Wir werden noch sehen, wie dieses Pärchen bestehend aus rotierender Kurbelwelle und hin- und hergehendem (translatierendem) Kolben verbunden durch das Pleuel zusammenarbeitet. Man hat mannigfach versucht, die Bewegung des Kolbens direkt mit einer nutzbringenden Mechanik zu verbinden. Allein scheint alles außer dem Umweg über Hydraulik bzw. Pneumatik gescheitert zu sein.


Es ist nämlich nicht nur so, dass hier eine Translation auf eine Rotation übertragen wird, sondern gleichzeitig passiert ja auch auf der anderen Seite des Kolbens eine ganze Menge, vielleicht sogar das Spannendere. Jetzt müssen wir auch noch die Ventile hinzunehmen, damit der dauernden Veränderung des Volumens in diesem Raum etwas Sinnvolles zugeordnet werden kann.

Dazu sind unbedingt zwei Betriebspunkte des beweglichen Kurbeltriebs zu definieren der obere und der untere Totpunkt. Natürlich sind die beiden Begriffe wieder einmal falsch gewählt, wie so oft in der Kfz-Technik. Denn nicht bei jedem Motor ist der Zylinder vertikal mit der Kurbelwelle unten ausgerichtet. Neben Boxer- und V-Motor hat es z.B. Flugzeug-Motoren mit um 180° nach unten verdrehten Motoren gegeben.


Also definieren wir den oberen als den Punkt, wo der Kolben sich in größter Entfernung von der Kurbelwelle befindet und der untere natürlich in geringster. Dazwischen tun sich zwei Welten auf, eine beim Weg von OT nach UT den Raum vergrößernd und die von UT nach OT, ihn verkleinernd. Bei ersterem wird angesaugt bzw. gearbeitet, bei letzterem verdichtet bzw. ausgestoßen.

Sie merken schon, für ein vollständiges Arbeitsspiel sind also zwei Umdrehungen der Kurbelwelle nötig, bevor man wieder mit dem Ansaugen beginnen kann, typisch für einen sogenannten Viertaktmotor. Dabei entsprechen die 'Takte' halben Umdrehungen. Zu den Takten müssen unbedingt die Ventilstellungen passen, also zum Ansaugen ein geöffnetes Einlass- und zum Ausstoßen ein geöffnetes Auslassventil. Außerhalb dieser beiden Betriebszustände sind die Ventile immer geschlossen.


Allerdings tut sich hier schon wegen der Dynamik ein Dilemma auf. Das Problem: Erklärt man die Vorgänge am Viertaktmotor anhand eines Modells, so führt man vielleicht alle drei Minuten während des Vortrags eine halbe Umdrehung der Kurbelwelle aus. Wäre der Motor gläsern, dann könnte man die Bewegung des Kolbens gut bei 1/s (60/min) noch erkennen. Aber schon bei Leerlaufdrehzahl werden daraus leicht 600/min, was ein Verfolgen der Bewegungen beinahe unmöglich macht.

Und das geht möglicherweise bis 6.000/min so weiter. Sie ahnen schon, man muss bei den Vorgängen im Motor unbedingt die Dynamik berücksichtigen. Also öffnet das Einlassventil nicht genau dann, wenn der Kolben durch OT rast, sondern deutlich früher in einem Takt, der eigentlich dem Ausstoßen vorbehalten ist. Umgekehrt bleibt das Auslassventil bis in den Einlasstakt hinein auf.


Man nennt das z.B. Überschneidung, also beide Ventile gleichzeitig offen. Ob da die Gase immer die vorgeschriebene Richtung nehmen? Natürlich nicht, es hängt von der Drehzahl ab. Wieder die dynamische Sichtweise. Und vermutlich kann man diese Drehzahl auch einigermaßen gut benennen. Es ist ja die, bei der alle Frischgase zusammen mit Kraftstoff einigermaßen komplett verbrennen und auch relativ gründlich ausgestoßen werden.

In diesem Betriebszustand hat der Motor seine größte Kraft. Man spricht eigentlich von Drehmoment, weil diese ja als Drehkraft im besten Fall an der Kurbelwelle abgegriffen wird. Vorsicht: Wenn Sie jetzt meinen, Ihren Motor immer im Bereich der Drehzahl des höchsten Drehmoments fahren zu müssen, um z.B. den günstigsten Verbrauch zu erzielen, müssen wir Sie leider enttäuschen.

Es gibt da nämlich, zumindest bei den allermeisten Benzinern, eine Klappe, die den Zustrom von Frischluft und damit auch Benzin reglementiert und die oben gemachten Ausführungen gelten nur, wenn diese Klappe möglichst voll geöffnet ist. Schwierig, mit stets durchgetretenem Gaspedal und ohne Ausgleich durch eine schleifende Kupplung durch die Stadt zu fahren. Also bleiben Sie bei ihrer bisherigen Erfahrung mit Spritsparen.

Eigentlich ist das schon ein kompletter Motor, zu dessen angesaugter, gefilterter Luft eine dosierte Menge Kraftstoff hinzugefügt wird und die nach Ankunft im nunmehr geschlossenen Zylinderraum verbrennt (Brennraum). Und so hat sich der Verbrennungsmotor auch über die Jahrzehnte entwickelt, von 400-800/min bis maximal vielleicht knapp 20.000/min in der Formel 1.








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