Grundsätzliche Funktionsweise von Verbrennungsmotoren

Sie machen uns das Leben leichter und der Umwelt das Leben schwer
– Verbrennungsmotoren. Zur Zeit ist ein Leben ohne sie unvorstellbar.
Während bei Autos, Motorrädern und sogar Bussen oder LKW´s derzeit sogar vielversprechende Ansätze auf eine Elektrifizierung zu verzeichnen sind, ist man bei Flugzeugen, Helikoptern und dergleichen immer noch so gut wie ratlos. Es ist einfach zu viel Energie vonnöten.

Das soll uns hier und jetzt aber nicht interessieren. Wir wollen nämlich beim klassischen Verbrennungsmotor aus den Kraftfahrzeugen bleiben. Da diese in zwar nicht allzu naher, aber doch absehbarer Zukunft immer seltener anzutreffen seien werden, möchte ich als alter Liebhaber hier noch einmal erklären, wie diese Wunderwerke der Technik eigentlich funktionieren.

Zuerst widmen wir uns dem Viertaktmotor, der in jedem modernen Auto verbaut wird.
Wie der Name schon verrät, verrichtet er einen vollständigen Arbeitsvorgang in 4 Takten.
Die Bewegung der Kolben erfolgt über die Kurbelwelle, während die Ventile von der Nockenwelle gesteuert werden. Da sie ein festes, also definiertes Bauteil ist, können die Öffnungs-und Schließzeiten der Ventile nicht elektronisch gesteuert werden. Im Gegensatz zu Zündzeitpunkt oder Einspritzzeitpunkt (Direkteinspritzer/Diesel).

1. Takt: Ansaugen
Wir beginnen unsere Reise am sogenannten oberen Totpunkt (OT). Gerade wird das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet. Der Kolben bewegt sich Richtung Kurbelwelle (unten). Hierbei entsteht im Zylinder ein Unterdruck, wodurch durch das Einlassventil entweder ein Gasgemisch angesaugt wird, oder Luft. Bei Direkteinspritzern, also Motoren mit sogenannter innerer Gemischbildung, wird nur Luft angesaugt. Bei Motoren mit äußerer Gemischbildung, wie etwa Saugrohreinspritzern, ist es das fertige Gemisch (Luft+Kraftstoff).
Sobald der Kolben am unteren Totpunkt (UT) angelangt ist, schließt das Einlassventil und der erste Takt ist beendet.

2. Takt: Verdichten und Zünden
Nachdem der Kolben am UT angelangt ist, bewegt er sich wieder nach oben.
Hierbei verdichtet er das Gemisch, welches hierdurch nicht nur dicht, sondern auch sehr heiß und zündwillig wird.
Bei Benzinern beträgt die Temperatur hierbei etwa 450°C, bei Dieseln etwa 650°C. Die höhere Endtemperatur des Diesels rührt von der Verdichtung her. Bei Dieseln wird das Gemisch auf circa ein zwanzigstel des ursprünglichen Volumens komprimiert, bei Benzinern etwa auf ein zehntel. Hierbei ist noch zu erwähnen, dass diese Werte ungefähre Werte aus nicht aufgeladenen Motoren sind. Bei aufgeladenen Motoren ist die Verdichtung wesentlich niedriger und schwankt je nach Stärke der Aufladung. Die Energie zum Komprimieren stammt aus dem Arbeitstakt eines anderen Kolbens, beziehungsweise, bei Einzylindern, aus der Energie der Schwungmasse. Kurz vor erreichen des OT wird das Gemisch bei Benzinern durch die Zündkerze gezündet. Bei Dieseln, deren Kraftstoff durch die Verdichtung und die daraus resultierende Hitze zündet (Selbstzünder), kann dieser Vorgang zeitlich durch die sogenannte Voreinspritzung gesteuert werden. Das heißt, dass ein Diesel erst dann einspritzt, wenn die erforderliche Energie vorhanden ist, damit der Kraftstoff auch wirklich zündet.
Bei beiden Methoden ist zu beachten, dass der ZZT (Zündzeitpunkt) von Last (Stellung des Gaspedals -> Menge des eingespritzten Kraftstoffs) und Drehzahl abhängig ist.

3. Takt: Arbeiten
In diesem Takt gibt es beim Diesel eine Besonderheit im Gegensatz zum Benziner.
Es folgt hier noch eine Haupteinspritzung. Der Dieselmotor spritzt also zweimal ein.
Nach der Zündung des Gemisches verbrennt es und dehnt sich rasant aus. Als kleine Randnotiz möchte ich hier einflechten, dass in diesem Zusammenhang oft von „Explosion“ gesprochen wird. Mein Thermodynamik-Professor hat uns gleich zu Beginn eingeschärft: „Denken Sie immer daran, dass im Verbrennungsmotor eine Verbrennung stattfindet. Eine Explosion wäre nicht nur für das Auto schlecht, sondern wenn´s blöd läuft auch für Sie.“
Zurück zum Thema. Bei dieser Verbrennung entstehen im Benzinmotor Temperaturen von 2200°C bis 2500°C und Drücke um die 120 Bar. Im Dieselmotor liegt es im Bererich von 1800°C und 2500°C. Mit 160 Bar ist hier aber deutlich mehr Druck vorhanden. Aus diesem Grund haben Dieselmotoren übrigens auch mehr Drehmoment. Das Drehmoment ist die Energie, mit der der Kolben auf die Kurbelwelle einwirkt. Diese gibt die Energie weiter an das Getriebe und dieses dann über Differential und Antriebswellen auf die Räder. Aber das nur am Rande. Am UT angekommen hat sich das Gas abgekühlt und hat mit etwa 4 Bar beim Benziner und 3 Bar beim Diesel nur noch einen kleinen Restdruck. Am Ende des Taktes öffnet sich das Auslassventil.

4. Takt: Ausstoßen
Wiederum aus der Energie eines anderen Kolbens beziehungsweise der Schwungmasse bewegt sich der Kolben wieder nach oben und stößt das verbrannte Gas, also Abgas, aus.

Soweit so gut. Aber Moment..es gibt doch Enduros oder sogar Autos, wie den Trabant, die einen Zweitaktmotor haben. Was ist der Unterschied? Im Zweitaktmotor passieren im Wesentlichen die gleichen Arbeitsvorgänge wie auch im Viertaktmotor, allerdings in, wie der Name schon sagt, 2 Takten zusammengefasst.

1. Takt: Verdichten und Ansaugen
Unser Startpunkt für die Betrachtung – der Kolben ist am UT, über ihm das Gas-Luft-Gemisch.
Jetzt bewegt er sich nach oben und verdichtet dieses Gemisch. Währenddessen entsteht im Kurbelgehäuse unter dem Kolben ein Unterdruck, wodurch, sobald der Ansaugkanal vom Vergaser freigegeben wird, Gemisch angesaugt wird.
Kurz, bevor der Kolben den oberen Zündpunkt erreicht, wird beim Benziner das Gemisch durch eine Zündkerze gezündet, beim Diesel wird nun das Dieselöl eingespritzt.

2. Takt: Arbeiten und Vorverdichten 
Wie beim Viertakter dehnt sich das Gas aus und drückt den Kolben nach unten.
Hierdurch wird gleichzeitig das Gemisch im Kurbelgehäuse unter dem Kolben verdichtet und gelangt über einen Kanal über den Zylinder. Hierbei verdrängt es die Abgase, die durch einen weiteren Kanal in den Auspufftrakt gelangen. Es soll also möglichst wenig Abgas im Zylinder bleiben, gleichzeitig aber möglichst wenig von dem frischen Gemisch hinausgeblasen werden. Diesen Vorgang bezeichnet man als Spülung. Wenn man den Auspuff eines Zweitakters (z.B. Simson) anschaut, wird man feststellen, dass an einem Punkt eine Art „Glocke“ zu finden ist. Eine Verdickung, die sich wieder verjüngt. Diese ist dazu da, die Abgase zum Teil zu reflektieren und über den Auspuff einen Gegendruck aufzubauen, der die frischen Abgase im Zylinder hält. Ab hier beginnt das Spiel von neuem.

Der aufmerksame und gewitzte Leser wird hier nun feststellen, dass der Zweitakter den kompletten Arbeitsvorgang innerhalb einer Kurbelwellenumdrehung durchzieht. Ein Viertakter benötigt dazu zwei. Rein theoretisch hat ein Zweitakter also die doppelte Leistung eines Viertakters. Wie gesagt..rein theoretisch.

Anmerkung: Die hier gezeigten Bilder sind nicht von mir. Die Quellen sind hinterlegt.