Verbrennungsmotor: Funktionsprinzip und Haupttypen

Verbrennungsmotoren gehören immer noch zu den gängigsten Motoren überhaupt und sind in vielen Fahrzeugen, Motorrädern wie auch Pkws, zu finden. Das heißt aber noch lange nicht, dass auch jeder weiß, wie ein Auto überhaupt funktioniert und welche Vorgänge nötig sind, um es anzutreiben. Vielleicht haben Sie sich schon einmal gefragt: „Was ist eigentlich ein Ottomotor?“ Oder ganz allgemein: „Wie funktioniert ein Motor?“ Keine Sorge, in diesem Artikel erklären wir es so, dass man kein Automechaniker sein muss, um den Durchblick zu behalten.

Kurz gesagt wandelt ein Verbrennungsmotor die bei der Verbrennung entstandene Wärmeenergie in mechanische Arbeit um, die dann das Auto in Bewegung setzt. In diesem Artikel wird der 4-Takt-Motor behandelt, der seit über 100 Jahren verwendet wird. Vorab ist es wichtig zu wissen, dass sich die Funktionsweise eines Ottomotors von der Funktionsweise eines Dieselmotors unterscheidet. Hierbei ist nicht nur der verwendete Kraftstoff ein anderer – bei ersterem Benzin und beim zweiteren eben Diesel – sondern auch die Art der Zündung. Der Benziner ist ein Fremdzünder mit Zündkerze, die einen elektrischen Funken erzeugt, mit welchen das Luft-Kraftstoff-Gemisch entzündet wird. Der Dieselmotor ist dagegen ein Selbstzünder. Das bedeutet im Detail, dass kein externer Funke mehr für die Entzündung im Brennraum benötigt wird, da die Luft auf ca. 600–900 °C erhitzt wird und sich mit dem dann eingespritzten Kraftstoff und der darauffolgenden Verdichtung ganz von selbst entzündet.

Diese beiden verschiedenen Verbrennungsmotoren verdanken ihre Namen jeweils ihrem Erfinder. Der Ottomotor geht auf den deutschen Erfinder Nikolaus August Otto zurück. Dieser hat zwar nicht generell diese Art des Motors erfunden, aber im Jahre 1876 den 2-Takt-Motor zum 4-Takt-Motor weiterentwickelt. Der Ingenieur Rudolf Diesel erfand nicht allzu viel später den Dieselmotor, nämlich im Jahre 1893.

Ein Motor muss atmen können

Man kann sich die Vorgänge in einem Verbrennungsmotor ein bisschen wie die Atmung vorstellen: Die Einlassventile öffnen sich, frische Luft und der Kraftstoff fließen hinein und werden dann über die Auslassventile wieder ausgestoßen, wenn sie verbrannt und somit verbraucht sind.

Das sehen wir uns jetzt einmal genauer an. Alles beginnt mit dem Fahrer. Der tritt auf das Gaspedal und öffnet damit die Drosselklappe. Je nachdem, wie stark das Pedal betätigt wird, ändert sich auch der Öffnungsgrad der Klappe, was auch bestimmt, wieviel Luft durch den Einlasskrümmer zum Motor geleitet wird. Das Einspritzventil gibt die passende Menge Benzin dazu. Abhängig davon, wieviel von dem Luft-Kraftstoff-Gemisch in den Zylinder gelangt, ist die Verbrennung stärker oder Kolben schwächer, man gibt also mehr oder weniger „Gas“.

Konstruktion & Komponenten des 4-Takters

Das ist alles noch nachvollziehbar, wenn man selbst hinter dem Steuer sitzt und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs steuert, der Motoraufbau erklärt sich einem dadurch allerdings noch nicht. Was genau passiert eigentlich dabei innerhalb des Zylindermotors, welche Bestandteile hat er und wie erzeugt er die Kraft, durch die sich das Auto fortbewegt?

Der Motor besteht mehreren Zylindern. In einem Zylinder fährt ein Kolben auf und ab. Dabei nennt man den jeweils höchsten und niedrigsten Punkt, den der Motorkolben erreicht, den oberen und unteren Totpunkt, das Volumen dazwischen ist der sogenannte Hubraum. Dieser Begriff bezeichnet üblicherweise auch die Motorgröße. Natürlich muss man hierbei die Hubräume aller vorhandenen Zylinder zusammenrechnen. Je größer der Hubraum, desto leistungsstärker das Auto.

Über ein Verbindungselement – die Pleuelstange – werden die Auf- und Abwärtsbewegungen des Kolbens in eine Drehbewegung der mittig unterhalb der Zylinder sitzenden Kurbelwelle umgesetzt, die diese dann wiederrum an das Getriebe weitergibt und damit die Räder antreibt. Die Kurbelwelle ist auch Teil der Vorgänge, die mit dem Begriff der mechanischen Motorsteuerung zusammengefasst werden:

Sie ist über die Steuerräder und entweder einen Zahnriemen oder eine Steuerkette mit den Nockenwellen – es gibt eine oder zwei – verbunden und treibt diese an. Sie verlaufen oberhalb der Zylinderköpfe und steuern die Ein- und Auslassventile. Deshalb ist die exakte Übereinstimmung zwischen all diesen Elementen zwingend notwendig, damit die Ventile und der Kolben im Zylinder nicht aufeinanderprallen und ein sauberer Gaswechsel möglich ist. Die Ventile befinden sich am Zylinderkopf, wobei ihre Anzahl variieren kann. Dazwischen liegt die Zündkerze, die eine Explosion und damit die Verbrennung auslöst. So bleibt der Kolben in Bewegung und der Motor wird am Laufen gehalten.

Die 4 Takte eines Verbrennungsmotors

Wie der Name des 4-Takt-Motors bereits vermuten lässt, gliedert sich der Prozess in Motoren in 4 Takte:

1. Ansaugtakt
   1. Otto: Die Position des Kolbens ist der obere Totpunkt. Die Einlassventile öffnen sich und durch die Abwärtsbewegung des Kolbens wird frisches Luft-Kraftstoffgemisch wird in den Zylinder gesaugt. Das Einlassventil schließt sich, wenn der Kolben ganz unten angekommen ist.
   2. Diesel: Hier wird im ersten Takt nur Luft durch die geöffneten Einlassventile angesaugt.
2. Verdichtungstakt
   1. Otto: Während des nächsten Schritts bleiben alle Ventile geschlossen. Der Kolben fährt wieder nach oben und verkleinert so den Raum im Zylinder, wodurch das Gemisch zusammengepresst, also verdichtet wird. Der Wirkungsgrad steigt mit dem Verdichtungsverhältnis, allerdings birgt eine stärkere Verdichtung das Risiko einer unerwünschten Selbstentzündung des Gemischs.
      Aufgrund der Verdichtung erreicht das Gasgemisch bei einem Ottomotor eine Temperatur von ca. 450 °C.
   2. Diesel: Die Ventile sind geschlossen und die angesaugte wird Luft wird durch den nach oben fahrenden Kolben stark verdichtet. Sie wird so stark erhitzt, dass sie auf eine Temperatur von ca. 650 °C oder mehr kommt.
3. Arbeitstakt
   1. Otto: Wie eingangs erwähnt, beinhaltet nur der Aufbau des Ottomotors eine Zündkerze. Die kommt in diesem Takt zum Einsatz: Kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, gibt sie einen elektrischen Funken hinzu, durch den das Luft-Kraftstoffgemisch zum Explodieren gebracht wird und verbrennt. Durch den Druck bewegt sich der Kolben wieder nach unten.
   2. Diesel: Bei dieser Art des Verbrennungsmotors wird erst in diesem Takt der Diesel-Kraftstoff in den Zylinder eingespritzt, der hier auf die stark erhitze, verdichtete Luft trifft und sich aufgrund der hohen Temperatur direkt selbst entzündet und so die gewollte Explosion hervorruft. Der Kolben wird nach unten gedrückt.
4. Ausstoßtakt
   1. Otto: Im letzten Schritt wird das Auslassventil geöffnet, damit die Abgase, die durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstanden sind, aus dem Zylinder abtransportiert werden können. Nachdem sie gefiltert wurden, werden sie durch das Auspuffrohr aus dem Fahrzeug ausgestoßen.
   2. Diesel: Dieser Takt unterscheidet sich nicht, auch hier werden die Verbrennungsgase durch das Auslassventil nach außen geleitet.