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Kurz gesagt: Im Zylinder wird ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff verdichtet und gezündet. Die Verbrennung dehnt das Gas schlagartig aus und drückt den Kolben nach unten. Die Pleuelstange wandelt diese Auf- und Abbewegung über die Kurbelwelle in eine Drehbewegung um.
Die vier Takte
1. Ansaugen. Der Kolben fährt nach unten, das Einlassventil öffnet, Luft — beim Benziner mit Kraftstoff — strömt ein.
2. Verdichten. Beide Ventile schließen, der Kolben fährt nach oben und presst das Gemisch auf einen Bruchteil des Volumens zusammen. Dabei erhitzt es sich.
3. Arbeiten. Kurz vor dem oberen Punkt wird gezündet. Der Druck treibt den Kolben nach unten — das ist der einzige Takt, der Arbeit leistet.
4. Ausstoßen. Das Auslassventil öffnet, der Kolben schiebt die Abgase hinaus.
Für vier Takte dreht sich die Kurbelwelle zweimal. Bei mehreren Zylindern sind die Takte versetzt, damit immer einer arbeitet — deshalb läuft ein Vierzylinder ruhiger als ein Einzylinder.
Benziner und Diesel
Der Benziner saugt ein fertiges Gemisch an oder spritzt früh ein und zündet mit einer Zündkerze. Das Verdichtungsverhältnis liegt bei etwa 10:1.
Der Diesel verdichtet reine Luft auf bis zu 20:1. Sie wird dabei über 500 Grad heiß. Der eingespritzte Kraftstoff entzündet sich von selbst — eine Zündkerze gibt es nicht, nur eine Glühkerze als Starthilfe.
Die höhere Verdichtung ist der Grund für den besseren Wirkungsgrad des Diesels.
Was sonst noch dazugehört
Die Nockenwelle steuert die Ventile, der Zahnriemen oder die Steuerkette hält sie mit der Kurbelwelle im Takt. Ölpumpe, Wasserkühlung und Abgasnachbehandlung machen den Rest.
Der Wirkungsgrad
Vom eingesetzten Kraftstoff landen beim Benziner rund 30 Prozent als Antrieb auf der Straße, beim Diesel etwa 40. Der Rest geht als Wärme verloren — über Abgas und Kühler.
Was Hubraum und Zylinderzahl bedeuten
Der Hubraum ist das Volumen, das ein Kolben zwischen unterem und oberem Umkehrpunkt durchläuft, multipliziert mit der Zahl der Zylinder. Er wird in Kubikzentimetern oder Litern angegeben. Mehr Hubraum bedeutet bei gleicher Bauart mehr Luft und damit mehr mögliche Leistung.
Die Zylinderzahl beeinflusst vor allem die Laufruhe, weil sich die Kraftstöße auf mehr Takte verteilen. Vierzylinder sind der verbreitetste Aufbau, Sechs- und Achtzylinder laufen ruhiger. Dreizylinder sparen Gewicht und Bauraum.
Durch Aufladung mit einem Turbolader lässt sich aus wenig Hubraum viel Leistung holen. Der Lader nutzt die Abgasenergie, um zusätzliche Luft in den Zylinder zu pressen. Diese Bauweise ist heute die Regel.
Wie die Kraft ans Rad kommt
Der Motor erzeugt Drehmoment nur in einem bestimmten Drehzahlbereich. Damit das Fahrzeug anfahren und schnell fahren kann, wandelt ein Getriebe Drehzahl und Drehmoment um. Ohne Getriebe wäre ein Verbrennungsmotor als Fahrzeugantrieb kaum brauchbar.
Genau das unterscheidet ihn vom Elektromotor, der schon aus dem Stand das volle Drehmoment liefert. Deshalb kommen Elektrofahrzeuge meist mit einer festen Übersetzung aus. Eine Kupplung entfällt ebenfalls.
Die Kupplung trennt Motor und Getriebe beim Schalten und beim Anhalten. Bei Automatikgetrieben übernimmt das ein Wandler oder eine zweite Kupplung. Der Zweck bleibt derselbe.
Wie die Abgase gereinigt werden
Benziner nutzen einen Dreiwegekatalysator, der Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoffe und Stickoxide gleichzeitig umsetzt. Voraussetzung ist ein genau eingestelltes Gemisch, überwacht von einer Lambdasonde. Nur in diesem engen Bereich arbeitet der Katalysator vollständig.
Dieselmotoren brauchen zusätzlich einen Partikelfilter und ein Verfahren zur Stickoxidminderung, meist mit einer Harnstofflösung. Sie wird als AdBlue in den Abgasstrom eingespritzt. Ohne Nachfüllen schaltet die Steuerung den Motor ab.
Die Grenzwerte legt die Europäische Union in Abgasnormen fest. Sie wurden mehrfach verschärft. Für Bestandsfahrzeuge gilt jeweils die Norm zum Zeitpunkt der Zulassung.
Warum der Wirkungsgrad begrenzt ist
Ein Verbrennungsmotor wandelt nur einen Teil der eingesetzten Energie in Bewegung um, der Rest geht als Wärme über Abgas und Kühlung verloren. Bei Ottomotoren liegt der Wirkungsgrad im Bestpunkt bei etwa dreißig bis vierzig Prozent, bei Dieselmotoren etwas höher. Im Teillastbetrieb ist er deutlich niedriger.
Diese Grenze ist physikalisch begründet: Jede Wärmekraftmaschine kann nur den Anteil nutzen, der sich aus dem Temperaturunterschied ergibt. Der Zusammenhang wurde bereits im 19. Jahrhundert beschrieben. Er lässt sich nicht umgehen.
Elektromotoren erreichen dagegen Wirkungsgrade über neunzig Prozent, weil bei ihnen keine Wärmekraftmaschine dazwischensteht. Der Vergleich muss allerdings die gesamte Kette einschließen. Bei Strom aus fossilen Kraftwerken verschiebt sich das Bild.
Der Zweitaktmotor
Beim Zweitakter laufen Ansaugen und Verdichten sowie Arbeiten und Ausstoßen jeweils zusammen ab, sodass pro Umdrehung ein Arbeitstakt entsteht. Das ergibt bei gleichem Hubraum mehr Leistung und einen einfacheren Aufbau ohne Ventile. Dafür ist der Verbrauch höher und die Abgasreinigung schwierig.
Verwendet wird die Bauart heute vor allem in Kleingeräten wie Motorsägen und Rasenmähern sowie in Modellmotoren. In Fahrzeugen ist sie in Europa praktisch verschwunden. Grund sind die Abgasvorschriften.
Weil Schmieröl dem Kraftstoff beigemischt wird, verbrennt es mit. Daraus entsteht der typische blaue Rauch. Getrenntschmierung mildert das, beseitigt es aber nicht.
Wartung und Verschleiß
Regelmäßig zu wechseln sind Motoröl mit Filter, Luftfilter, Kraftstofffilter und bei Benzinern die Zündkerzen. Die Intervalle stehen im Serviceheft und richten sich nach Laufleistung oder Zeit. Wer sie einhält, verlängert die Lebensdauer erheblich.
Zahnriemen müssen nach Herstellervorgabe getauscht werden, weil ein Riss zu einem Motorschaden führt. Steuerketten gelten als wartungsfrei, längen sich aber ebenfalls. Beides ist bei Gebrauchtwagen zu prüfen.
Was den Verbrauch bestimmt
Entscheidend sind Fahrwiderstände: Rollwiderstand, Luftwiderstand und Steigung. Der Luftwiderstand wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, weshalb schnelles Fahren überproportional verbraucht. Ein zügiger Fahrstil kostet damit mehr als jede Motorabstimmung.
Hinzu kommen Kaltstarts, bei denen der Motor länger im ungünstigen Bereich läuft. Kurzstrecken sind deshalb besonders verbrauchsintensiv. Auch der Verschleiß steigt dabei.
Häufige Fragen
Welcher Takt treibt an?
Der dritte, der Arbeitstakt.
Warum hat der Diesel keine Zündkerze?
Die verdichtete Luft ist heiß genug zur Selbstzündung.
Wie oft dreht die Kurbelwelle je Arbeitsspiel?
Zweimal.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad?
Etwa 30 bis 40 Prozent.
Quellen
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