Verbrennungsmotor

Ein Verbrennungsmotor verbrennt seinen Kraftstoff in einem geschlossenen Zylinder; das heiße Gas drückt einen Kolben, der eine Kurbelwelle dreht. Nicolaus Ottos Viertakt-Gasmotor von 1876 legte das Schema fest, nach dem die meisten Motoren in Autos, Booten und Stromaggregaten bis heute arbeiten.

Was es ist

Ein Verbrennungsmotor erzeugt seine Wärme im Inneren der Maschine selbst. Die Dampfmaschine verfeuert ihren Brennstoff unter einem getrennten Kessel und leitet den Dampf in den Zylinder. Hier verbrennt eine kleine Ladung aus Kraftstoff und Luft im Zylinder, und das entstehende Gas drückt unmittelbar auf einen Kolben.

Der Motor auf dieser Tafel ist ein stehender Einzylinder, wie man ihn in den 1880er- und 1890er-Jahren baute: ein gusseiserner Zylinder mit Kühlrippen, darin ein gleitender Kolben, darunter eine Kurbelwelle und ein schweres Schwungrad, das die Welle zwischen zwei Zündungen weiterdreht. Heutige Automotoren haben mehrere Zylinder und leichtere Legierungen, doch auch sie verwandeln den Druck auf einen Kolben über Pleuel und Kurbelwelle in eine Drehung.

Wie es funktioniert

Der Kolben ist ein genau eingepasster Stopfen, der im Zylinder auf und ab gleitet. Eine Pleuelstange verbindet ihn mit einem Kurbelzapfen der Kurbelwelle. So wird aus dem Hin und Her des Kolbens eine Drehung, ähnlich wie die Knie eines Radfahrers die Pedale drehen.

Federnde Ringe in Nuten rund um den Kolben dichten ihn gegen die Zylinderwand ab.

Die meisten Motoren folgen dem Viertaktverfahren, das Otto praxistauglich machte. In einem Motor mit Fremdzündung wie dem hier gezeichneten läuft es so ab. Im ersten Takt bewegt sich der Kolben bei offenem Einlassventil nach unten und saugt ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff an. Im zweiten sind beide Ventile geschlossen; der Kolben steigt und presst das Gemisch in einen kleinen Raum oben im Zylinder. Kurz vor dem oberen Totpunkt entzündet es ein Funke (bei frühen Motoren eine Flamme oder ein glühendes Röhrchen). Das Gas erhitzt sich sehr schnell und treibt den Kolben nach unten: Nur dieser dritte Takt leistet Arbeit. Im vierten öffnet das Auslassventil, und der aufsteigende Kolben schiebt das verbrannte Gas hinaus.

Auf jeden Arbeitstakt kommen zwei Umdrehungen der Kurbelwelle. Das Schwungrad speichert genug Energie, um sie über die drei anderen Takte zu tragen. Eine Nockenwelle, die mit halber Kurbelwellendrehzahl läuft, öffnet jedes Ventil im richtigen Augenblick.

Die Verdichtung machte Ottos Motor den Konkurrenten überlegen. Ein Gemisch, das vor der Verbrennung zusammengepresst wird, gibt seine Wärme bei höherem Druck ab, und ein größerer Teil davon wird zu Arbeit. Rudolf Diesel trieb den Gedanken in den 1890er-Jahren weiter: Er verdichtete reine Luft so stark, dass sie heiß genug wurde, um eingespritzten Kraftstoff ohne jeden Funken zu entzünden.

Wie man es baut

Ein funktionierender Motor ist Präzisionsarbeit. Man braucht eine Gießerei, eine Drehbank und eine Bohrmaschine für Zylinder, Messzeug mit einer Genauigkeit von einem Hundertstelmillimeter und einen zuverlässigen Kraftstoff. Das Folgende beschreibt, wie die Teile früher hergestellt wurden. Es ist keine Bauanleitung.

Zylinder und Gestell gießen. Die ersten Hersteller gossen Zylinder und Sockel aus Grauguss, der sich gut bearbeiten lässt und verschleißfest ist. Anschließend wurde der Zylinder vollkommen rund und gerade ausgebohrt. Wassermantel oder Kühlrippen waren mit angegossen.

Kolben und Ringe herstellen. Der Kolben bestand aus Gusseisen, später aus Aluminium, und wurde etwas kleiner als die Bohrung gedreht. Geschlitzte Ringe aus federndem Eisen sitzen in Nuten und drücken nach außen gegen die Wand, damit kein Gas vorbeiströmt.

Kurbelwelle und Pleuel schmieden. Sie tragen die größten Kräfte. Man schmiedete sie aus Stahl, drehte sie nach und setzte sie in Lager aus Bronze oder Weißmetall.

Ventile und Zündung einstellen. Die Nocken und später der Magnetzünder oder die Zündspule müssen im richtigen Moment des Zyklus wirken. Ein Fehler lässt den Motor schlecht laufen oder zurückschlagen.

Kraftstoff zuführen und kühlen. Ottos Motoren liefen mit Stadtgas. Benzinmotoren brauchten einen Vergaser, der Kraftstoff und Luft im richtigen Verhältnis mischt. Jeder Motor muss mit Wasser oder Luft gekühlt und mit Öl geschmiert werden, damit die beweglichen Teile nicht festfressen.

Sicherheit. Kraftstoff und seine Dämpfe entzünden sich leicht und können in geschlossenen Räumen explodieren. Abgase enthalten Kohlenmonoxid, das geruchlos und ohne Vorwarnung tötet: Lassen Sie einen Motor nie in Innenräumen oder halb geschlossenen Räumen laufen, auch nicht bei offenen Türen und Fenstern. Schwungrad, Riemen und Andrehkurbel können Knochen brechen, und ein Rückschlag beim Ankurbeln kann schwere Verletzungen verursachen. Heiße Teile und unter Druck stehendes Kühlwasser verursachen Verbrennungen.

Geschichte und Entwicklung

Ortsfeste Gasmotoren wie dieser trieben Werkstattmaschinen an, bevor Kraftfahrzeuge verbreitet waren.

Schon zwei Jahrhunderte lang hatte man versucht, einen Kolben durch eine Explosion anzutreiben. Christiaan Huygens experimentierte in den 1670er-Jahren mit Schießpulver, und 1807 ließ sich der Schweizer François Isaac de Rivaz einen Wasserstoffmotor patentieren, den er später in einen kleinen Wagen einbaute. Der erste in größerer Zahl verkaufte Motor war der Gasmotor von Étienne Lenoir aus dem Jahr 1860. Er sah aus wie eine doppelt wirkende Dampfmaschine, verbrannte das Gemisch aber ohne Verdichtung und verschwendete den größten Teil seines Brennstoffs.

Nicolaus Otto, ein Handlungsreisender aus Köln, ließ sich 1861 von dem örtlichen Mechaniker Michael Zons einen Motor nach Lenoirs Vorbild bauen, um ihn zu untersuchen. Mit dem Ingenieur Eugen Langen baute er einen „atmosphärischen“ Motor, der auf der Pariser Weltausstellung 1867 eine Goldmedaille gewann; mehrere Tausend Stück wurden gebaut. 1876 baute Otto seinen Viertaktmotor mit Verdichtung. Der Franzose Alphonse Beau de Rochas hatte dasselbe Viertaktverfahren 1862 in einer Broschüre beschrieben. Deshalb wurde Ottos deutsches Patent 1886 für nichtig erklärt, und andere Firmen konnten die Bauart frei nutzen.

Der Wagen von Benz hatte einen Einzylinder-Viertaktmotor mit weniger als einem Liter Hubraum.

Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach, beide früher in Ottos Firma tätig, bauten 1885 einen kleinen schnell laufenden Motor mit mehreren hundert Umdrehungen pro Minute. Damit wurden Motoren leicht genug für Fahrzeuge. Im selben Jahr stellte Carl Benz seinen dreirädrigen Motorwagen fertig und meldete ihn im Januar 1886 zum Patent an.

Diesels Motor erreichte 1897 bei einem Versuch in Augsburg einen Wirkungsgrad von 26,2 %, mehr als doppelt so viel wie die Dampfmaschinen jener Zeit. Im 20. Jahrhundert eroberten Verbrennungsmotoren den Straßenverkehr, die Landwirtschaft, die Schifffahrt und die ersten Flugzeuge. Elektromotoren ersetzen sie heute in vielen Autos, doch die meisten neu gebauten Verbrennungsmotoren arbeiten noch nach dem Viertaktverfahren, das Otto 1876 in Gang setzte.