VKM_I_Kap.3_4

3.1. Verbrennungsmotoren – ein fester Bestandteil unserer Umwelt 3-3

3.2. Der konstruktive Aufbau eines Verbrennungsmotors 3-6

3.3. Grundsätzliche Zusammenhänge 3-9

3.4. Kurbelwelle 3-13

3.5. Pleuel 3-16

3.6. Lagerung 3-18

3.7. Kolben 3-21

3.8. Kolbenringe 3-26

3.9. Kolbenbolzen3-30

3.10. Laufbuchse 3-32

3.11. Zylinderkopfdichtung 3-36

3.12. Zylinderkopf 3-38

3.13. Steuerung des Ladungswechsels 3-41

Mobilität:

• Fahrzeuge (PKW, LKW)
• Lokomotiven
• Flugzeuge
• Schiffe und Boote

industrielle Anlagen:

• Aggregate zur Stromerzeugung
• Industriemaschinen
• Pumpenanlagen
• Baumaschinen o.Ä.

Freizeit:

• Spielzeugen bzw. Hobby
• Sportgeräten

Ein Schiffsdieselmotor, wie in Abbildung 3-1 dargestellt, ist insbesondere auf hohe Lebensdauer, hohe Effektivität sowie hohes Drehmoment und große Leistung ausgelegt. Aspekte wie z.B. Motorgewicht, gutes Instationärverhalten oder geringe Emissionen spielen an dieser Stelle eine untergeordnete Rolle.

Eine völlig andere Entwicklungsrichtung der Verbrennungsmotoren bzw. Hubkolbenmotoren stellt dagegen ein Formel1-Motor dar. Hier liegen die Entwicklungsschwerpunkte auf hoher Leistung, geringem Gewicht und gutem instationären Verhalten. In diesem Falle haben die Emissionen und Aspekte wie die Geräuschentwicklung keinerlei Auslegungsrelevanz.

Ein drittes Beispiel für die Vielschichtigkeit der Verbrennungsmotoren ist ein kleiner Bootsmotor. Die  Langlebigkeit, aber auch der effektive Umgang mit Kraftstoff sind hier Entwicklungsschwerpunkte. Hinzu kommen möglichst geringe Geräuschemissionen. Die spezifische Leistung eines solchen Motors und das Instationärverhalten sind untergeordnet.

Wieder für ein ganz anderes Einsatzgebiet sind Motoren für Hochleistungszweiräder konzipiert. Bei dieser Anwendung sind niedrigstes Gewicht, kompakte Bauform und hohe spezifische Leistung entscheidend für die Wettbewerbsfähigkeit.

Der Motor gliedert sich äußerlich in zwei Bestandteile:

1. Motorblock
2. Zylinderkopf

Motorblock besteht aus folgenden Bauteilen:

1. Kurbelwelle und Lagerung
2. Pleuel
3. Kolben

Der Zylinderkopf beinhaltet alle Komponenten, die für den Ladungswechsel verantwortlich sind:

1. Ein und Auslassventile
2. Nockenwelle mit Lagerung
3. Zündkerzen
4. Einlasskanäle
5. Auslasskanäle

Weitere Komponenten:

• Öl- und Wasserpumpe
• Kühlkreislauf
• Schmierung
• Generator
• Startermotor
• Nebenaggregate
• unterer Abschluss ist die Ölwanne

Auch der Zylinderkopf wird als extrem wärmebelastetes Bauteil durch den motorischen Kühlkreislauf gekühlt und weist entsprechende Wasserkanäle auf. Da die bewegten Teile wie Nockenwellen und Ventile geschmiert werden müssen, sind für den Schmierstofftransport Ölkanäle integriert.

Der Einlasskanal ist mit dem Saugrohr verbunden, welches die verschiedenen Saugkanäle der einzelnen Zylinder zusammenfasst. Das Saugrohr wiederum ist an den Luftfilter angeschlossen, wobei es beim Ottomotor die Drosselklappe zur Lastregelung integriert. Bei saugrohreinspritzenden Ottomotoren sind die Einspritzdüsen, durch die der Kraftstoff der einströmenden Luft zugemischt wird, im Saugrohr positioniert. Bei direkteinspritzenden Ottomotoren und allen Dieselmotoren sind diese im Zylinderkopf angebracht.

Der Auslasskanal ist mit dem Abgasstrang verbunden. Hier werden die verbrannten Gase über ein Abgasreinigungssystem der Umwelt zugeführt.

Der Gasaustausch wird über die Ventile gesteuert, die aufgrund der Betätigung durch die Nockenwelle die Ein- und Auslasskanäle öffnen und schließen.

In der Schnittansicht in Abbildung 3-6 sind die vier Arbeitseinheiten zu erkennen, d.h. die vier zylindrischen Bohrungen, in denen jeweils ein Kolben gleiten kann. Die vom Kolben aufgenommene Gaskraft wird über das Pleuel, also die Verbindungsstange zwischen Kolben und Kurbelwelle, auf die gemeinsame Abtriebswelle (Kurbelwelle) übertragen. Die Kurbelwelle ist mit Kröpfungen versehen, welche die translatorischen Bewegungen der Kolben in eine rotatorische Wellenbewegung umformen.

Es befinden sich nicht alle Kolben gleichzeitig in derselben Position, sondern sie sind so angeordnet, dass eine gleichmäßige Energiefreisetzung wechselweise über die verschiedenen Einheiten entsteht. Hier spielen auch Aspekte des Massenausgleichs eine wesentliche Rolle.

Die Kurbelwelle ist an ihrem hinteren Ende mit einer Schwungscheibe verbunden. Sie sorgt durch ihre Massenträgheit für einen gleichmäßigen Motorlauf und glättet damit die durch die zyklischen Energiefreisetzungen verursachten Drehschwingungen.

Am vorderen Ende befindet sich der Riementrieb (oder Kettentrieb), der den Antrieb der Nockenwellen mit einer festen Phasenzuordnung gewährleistet. Ferner werden mit Hilfe eines weiteren Riementriebes die Nebenaggregate wie Wasserpumpe, Generator o.Ä. angetrieben. Die Ölpumpe ist hier nicht integriert. Sie wird in der Regel durch einen eigenen, sehr robust ausgelegten Antrieb im Inneren des Motors betätigt. Sie saugt über ein mit einem Sieb bestücktes Ansaugrohr das Motoröl aus der Ölwanne und fördert dieses in den Ölkreislauf.

2-Takt-/ 4-Takt-Verfahren

• Ansaugen der Frischladung
• Verdichten des Frischgases
• Verbrennung und Expansion
• Ausschieben der Abgase.

Diese vier Funktionen laufen beim:

• 2-Takt-Motor innerhalb von 1 Kurbelwellenumdrehung und beim
• 4-Takt-Motor innerhalb von 2 Kurbelwellenumdrehungen ab.

Ottomotor / Dieselmotor

Die Gesamtheit der Verbrennungsmotoren gliedert sich in

• Ottomotoren
• Dieselmotoren

Der Ottomotor ist charakterisiert durch eine Fremdzündung und eine Quantitätsregelung, bei der die Last wird über die Gemischmenge geregelt wird.

Der Dieselmotor ist charakterisiert durch eine Selbstzündung und eine Qualitätsregelung. Hierbei erfolgt die Zündung durch die hohe Verdichtungstemperatur und die Last wird mit Hilfe der Kraftstoffmenge bei gleich bleibender Luftmenge geregelt.

Anmerkung: Auch bei Einsatz von alternativen Kraftstoffen (z.B. CNG, H₂,...) gelten diese Grundprinzipien. Auf die speziellen Aspekte wird in den vertiefenden Kapiteln eingegangen.