Grundlegende Funktionsweise des Verbrennungsmotors
In dieser Lektion besprechen wir die grundlegende Funktionsweise von Verbrennungsmotoren. Dabei unterscheiden wir noch nicht zwischen Diesel- und Benzinmotoren und lassen technische Details bewusst außen vor. Die Prinzipien, die schon die ersten Motoren im 19. Jahrhundert prägten, gelten auch heute noch für moderne Motoren.
Es spielt daher keine große Rolle, ob du einen Volvo Penta, Vetus, Solé oder Craftsman Diesel hast: Sie alle basieren auf denselben Grundprinzipien. Oft kaufen Bootsmotorenhersteller Motoren von Industrie- oder Fahrzeugherstellern ein, marinisieren sie mit den nötigen Komponenten und lackieren sie in der eigenen Farbe – und fertig ist der Bootsmotor.
Wie funktioniert ein Verbrennungsmotor?
Ein Verbrennungsmotor wandelt chemische Energie aus Treibstoff durch Verbrennung direkt im Motor in mechanische Arbeit um. Daher wird im Englischen auch der Begriff Internal Combustion Engine (ICE) verwendet. Wir brauchen dafür:
- Treibstoff
- eine Zündmöglichkeit, um ihn zum Brennen zu bringen
- und einen Mechanismus, der die entstehende Energie in Bewegung umsetzt
Die Verbrennung findet im Brennraum statt, der aus drei Hauptteilen besteht:
- Zylinder: begrenzt den Brennraum seitlich
- Zylinderkopf: verschließt den Brennraum oben
- Kolben: beweglich gelagert und nach unten abschließend
Wird Treibstoff mit Luft verbrannt, entstehen Hitze und sich ausdehnende Gase, die den Kolben nach unten drücken. Über den Pleuel ist der Kolben mit der Kurbelwelle verbunden, die die lineare Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umwandelt. Diese Drehbewegung wiederum treibt den Motor an und bringt den Kolben zurück nach oben, sodass der Zyklus erneut beginnen kann.
Der Brennraum
Ventile und Steuerung
Damit der Verbrennungsprozess wiederholt werden kann, müssen Abgase entweichen und frische Luft (und Treibstoff) in den Brennraum gelangen. Gleichzeitig muss der Brennraum während der Verbrennung dicht bleiben. Dafür sorgen die Ventile, die im Zylinderkopf sitzen und sich zu genau definierten Steuerzeiten öffnen und schließen.
Die Ventile werden durch den Ventiltrieb bewegt, der von der Nockenwelle angetrieben wird. Die Drehbewegung der Kurbelwelle wird hier wieder in eine lineare Bewegung umgewandelt, um die Ventile im richtigen Moment zu öffnen oder zu schließen.
Über den Pleuel ist der Kolben mit der Kurbelwelle verbunden, die die lineare Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umwandelt
Treibstoff und Zündung
Je nach Motorkonzept wird der Treibstoff entweder bereits mit der Ansaugluft vermischt oder direkt in den Brennraum eingespritzt. Bei Dieselmotoren wird der Kraftstoff direkt eingespritzt und durch Selbstzündung entzündet – dazu später mehr.
Die vier Takte
Ein Viertaktmotor durchläuft vier Arbeitsschritte, die sich über zwei Umdrehungen der Kurbelwelle erstrecken:
- Ansaugtakt: Kolben bewegt sich nach unten, Einlassventil öffnet, frische Luft wird angesaugt.
- Verdichtungstakt: Ventile schließen, Kolben bewegt sich nach oben und verdichtet die Luft; Kraftstoff wird eingespritzt und entzündet.
- Arbeitstakt: Die Verbrennung erzeugt Druck, der Kolben wird nach unten gedrückt und treibt die Kurbelwelle an.
- Ausstoßtakt: Auslassventil öffnet, Kolben bewegt sich nach oben und drückt die Abgase hinaus.
Am Ende ist der Brennraum leer und bereit für einen neuen Ansaugtakt.
Energie speichern: das Schwungrad
Da der Motor nur im Arbeitstakt Energie erzeugt, muss diese Energie gespeichert werden, damit sich der Motor über alle vier Takte weiterdreht. Dies übernimmt das Schwungrad, eine schwere Scheibe an der Kurbelwelle, die die Bewegungsenergie speichert. Bei Mehrzylindermotoren unterstützen sich außerdem die Zylinder gegenseitig, indem ihre Arbeitstakte zeitlich versetzt ablaufen.
Das Schwungrad an diesem alten Bukh-Motor befindet sich auf der Vorderseite, bei modernen Motoren ist es meist hinten.
Zusammenfassung: Wichtige Elemente
Die meisten Verbrennungsmotoren bestehen aus denselben zentralen Komponenten:
- Brennraum: Zylinder, Zylinderkopf und Kolben
- Kurbeltrieb: Kolben, Pleuel und Kurbelwelle zur Umwandlung von Bewegung
- Ventiltrieb und Nockenwelle: Steuerung der Ventile zur Luft- und Abgasführung
- Die vier Takte: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen
- Schwungrad: Speicherung der Bewegungsenergie
Mit diesen Grundlagen hast du ein klares Bild davon, wie ein Verbrennungsmotor funktioniert. Im nächsten Schritt betrachten wir die Unterschiede zwischen Benzin- und Dieselmotoren und gehen dann gezielt auf den Dieselmotor ein.