Wie funktioniert ein Verbrennungsmotor?

Ein Verbrennungsmotor mischt Luft mit Kraftstoff und verbrennt das entstehende Gemisch, um Bewegung zu erzeugen. Die Rotation des Gemischs verrichtet dann wertvolle Arbeit, zum Beispiel das Drehen der Räder eines Autos. Dieser Artikel erklärt alles über die Funktionsweise dieser Motoren, beginnend mit der Definition.

Was ist ein Verbrennungsmotor?

Ein Verbrennungsmotor ist eine Wärmekraftmaschine, bei der Verbrennung (Verbrennung des Brennstoffs zur Energiefreisetzung) in sich selbst stattfindet. Im Gegensatz dazu steht die externe Verbrennung, bei der der Brennstoff von außen verbrannt wird.

Verbrennungsmotoren bestehen im Allgemeinen aus einem oberen Teil, dem Zylinderkopf, und einem unteren Teil, dem Zylinderblock. Der Kopf enthält Ventile und Zündungskomponenten. Im unteren Teil befinden sich die Kurbelwelle, die Kolben und die Zylinder.

Verbrennungsmotoren gibt es in verschiedenen Konfigurationen, die sich vor allem nach der Anzahl der Zylinder und ihrer Anordnung richten. Es gibt Einzylindertypen und solche mit bis zu 8 oder mehr Zylindern. Nach Zylinderanordnung umfassen die Typen dieses Motors:

• Inline oder gerade - die Zylinder sind so angeordnet, dass sie eine gerade Linie bilden und aufeinander folgen
• V Entwurf - sie haben die Zylinder in V-Form angeordnet
• Flaches Layout - die Zylinder sind waagerecht auf jeder Seite der Kurbelwelle angeordnet

Wie funktioniert ein Verbrennungsmotor?

Das Funktionsprinzip des Verbrennungsmotors beruht auf der Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie. Die chemische Energie wird im Kraftstoff gespeichert, typischerweise Diesel oder Benzin.

Bei der Verbrennung in Gegenwart von Luft setzt der Kraftstoff Energie in Form von Wärme frei, wodurch sich schnell ausdehnende Gase entstehen, die mechanische Komponenten, die Kolben, bewegen.

Die Auf- und Abbewegung der Kolben bewegt die Stangen und überträgt die Bewegung auf die Kurbelwelle. Die Kurbelwelle dreht sich, und ihre Umdrehung wird genutzt, um einen externen Mechanismus, z. B. das Fahrzeuggetriebe, zu betreiben.

Um einen reibungslosen Betrieb zu gewährleisten, feuern die Kolben abwechselnd. Ein Steuerungssystem sorgt dafür, dass sich die Ventile jedes Zylinders zum richtigen Zeitpunkt öffnen.

Die Kurbelwelle ist mit Gewichten versehen, die die Kolbenbewegungen ausgleichen, während ein außen am Block angebrachtes Schwungrad für konstante Umdrehungen sorgt. Das Schwungrad greift auch in den Anlasser ein, um die Zündung der Zylinder zu bewirken.

Verbrennungsmotor Prozess

In einem einzigen Verbrennungszyklus, dem so genannten Hub, bewegt sich der Kolben auf und ab. Die meisten Verbrennungsmotoren sind heute Viertaktmotoren. Ihr Betrieb ist in diese vier Schritte unterteilt: Ansaug-, Verdichtungs-, Verbrennungs- und Auspufftakt.

Ansaughub

Der Ansaugtakt wird so genannt, wenn die beiden wichtigsten Verbrennungsbestandteile - Kraftstoff und Luft- die Zylinder eingeben.

• Die Luft gelangt in den Ansaugkrümmer, nachdem sie gefiltert wurde, um Verunreinigungen zu entfernen.
• Hier vermischt es sich mit Kraftstoff, der ebenfalls gefiltert wurde, um Schadstoffe zu entfernen.
• Gleichzeitig bewegt die Nockenwelle Teile, um die Einlassventile zu öffnen
• Der Kolben senkt sich im Zylinder und erzeugt einen Niederdruckbereich
• Das Gemisch wird dann in den Zylinder gesaugt

Kompressionshub

Der Verbrennungsprozess kann mit der Luft und dem Kraftstoff im Zylinder beginnen. Aber erst nachdem das Gemisch komprimiert wurde, kann es für eine starke Explosion vorbereitet werden.

• Die Nockenwelle schließt nun die Einlassventile
• Der Kolben fährt wieder hoch, verdichtet das Gemisch und erhöht dessen Temperatur.
• Dadurch werden die erforderlichen optimalen Bedingungen für die Kompression und die maximale Energiefreisetzung geschaffen.

Power Stroke

Das Gemisch ist nun komprimiert, erhitzt und bereit für die Zündung. Was nun geschieht, hängt davon ab, ob der Motor mit Benzin oder Diesel betrieben wird.

• In einem Dieselmotor führt der hohe Druck, der beim Aufstieg des Kolbens im Gemisch entsteht, dazu, dass sich das Luft-Kraftstoff-Gemisch selbst entzündet.
• In einem Ottomotor entzünden elektrische Bauteile, die Zündkerzen, den Kraftstoff.
• Der Brennstoff verbrennt aggressiv, setzt Energie frei und erzeugt expandierende Gase
• Die schnell expandierenden Gase drücken den Kolben mit enormer Kraft nach unten.
• Eine mit dem Kolben verbundene Stange überträgt diese Bewegung auf die Kurbelwelle, so dass diese sich dreht

Auspuffhub

Das verbrauchte Gemisch enthält nun die Verbrennungsprodukte. Diese müssen den Zylinder verlassen, um Platz und Bedingungen für den nächsten Zyklus zu schaffen.

• Der Kolben bewegt sich nun wieder nach oben und drückt die verbrauchten Gase nach oben
• Inzwischen hat die Nockenwelle die Auslassventile geöffnet.
• Der Abgaskrümmer sammelt die Produkte des Verbrennungsprozesses vor ihrem Austritt durch ein einziges Rohr, den Auspuff, mit einem Schalldämpfer zur Geräuschminderung

Wie effizient sind Verbrennungsmotoren?

Verbrennungsmotoren können nicht als effizient bezeichnet werden. Die meisten wandeln kaum 50% der Verbrennungsenergie in mechanische Energie um. Moderne Technologien haben jedoch die Herstellung von Motoren mit höherem Wirkungsgrad ermöglicht.

Die eingebettete Elektronik steuert verschiedene Prozesse wie Kraftstoffeinspritzung und Ventilsteuerung präzise und macht die Verbrennung effektiver.

Gleichzeitig werden Technologien, die die Leistung erhöhen und gleichzeitig die Emissionen verringern, wie z. B. die Turboaufladung und die Wirkung des Katalysators, in den Motorbetrieb einbezogen. Diese und die richtige Wartung sorgen dafür, dass Ihr Auto optimal funktioniert und die meiste Leistung bringt.

Kühlung von Verbrennungsmotoren

Die Temperatur eines Verbrennungsmotors kann sehr hoch ansteigen, was katastrophale Folgen haben kann, wenn nicht angemessen reagiert wird. Alle Verbrennungsmotoren werden daher aus einem Material hergestellt, das nicht nur extremer Hitze standhält, sondern diese auch ableitet.

Vor allem aber verfügen sie über ein Kanalnetz, durch das Kühlmittel zirkuliert, eine spezielle Flüssigkeit, die Wasser und Frostschutzmittel enthält. Sie hat die Aufgabe, die Wärme der verschiedenen Komponenten aufzunehmen und im Kühler abzuleiten.

Der Kühler besteht aus einem ausgeklügelten Netz aus dünnen Rohren und Kühlrippen. Das Kühlmittel fließt durch diese Rohre und gibt dabei Wärme an die Luft ab, bevor es in den Motor zurückkehrt. Ein Lüfter in der Nähe des Kühlers bläst Luft ein, um die Kühlung zu beschleunigen.

Eine Wasserpumpe sorgt für die effiziente Zirkulation der Kühlflüssigkeit, während ein Thermostat die Temperatur entsprechend den Anforderungen des Motors regelt.

Schmierung von Verbrennungsmotoren

Die beweglichen Teile müssen ständig geschmiert werden, da sie sich sonst durch Reibung schnell erhitzen und festfressen oder unsäglichen Verschleiß erleiden können.

Durchgänge, so genannte Ölkanäle, versorgen die verschiedenen Teile mit Schmieröl. Neben der Schmierung hat das Öl noch weitere Funktionen, wie z. B. Abdichtung und Kühlung.

Eine Ölpumpe sorgt dafür, dass das Öl nach Bedarf fließt, während der "Ölfilter" es von Verunreinigungen befreit. Wenn das Öl nicht zirkuliert, befindet es sich in der Ölwanne oder Ölwanne, einem Behälter im untersten Teil des Motors.

Schlussfolgerung

Sie wissen jetzt, wie Verbrennungsmotoren funktionieren, aus welchen Teilen sie bestehen und welche Kühl- und Schmiersysteme sie haben. Wie Sie gelernt haben, hängt der Betrieb von vielen Komponenten ab, von denen einige mit der Zeit verschleißen und ausgetauscht werden müssen.

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