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Bezug zum Kraftfahrzeug
Antrieb, Bewegungs- und Wärmeenergie
Maschine, Motor
Wärmekraftmaschine, Umwandlung chemischer Energie, Verbrennungsmotor
Allgemeine Beschreibung
Ein Motor ist eine besondere Art von Maschine, die den bestimmungsmäßigen Zweck erfüllen soll, mechanische Arbeit zu verrichten. Hierbei ist erst einmal völlig unwichtig, ob sich der angetriebene Körper dabei lokal oder von einer Stelle zu einer anderen bewegt. Motoren finden sich in vielen verschiedenen Bauformen, Antriebskonzepten oder Verwendungszwecken. Beispiele finden sich in der folgenden Tabelle:
| Bauform | Antrieb | Verwendung |
| Ottomotor | Umwandlung chemischer Energie | Kraftfahrzeug |
| Stirlingmotor | Umwandlung thermischer Energie | U-Boote |
| Drehstromasynchronmotor | Umwandlung elektrischer Energie | Lokomotive |
Für den Automobilbereich ist jedoch der Verbrennungsmotor der Wichtigste, gefolgt aber von dem Elektromotor. In der Masse hat der Elektromotor den Verbrennungsmotor längst überholt, so sind mit unter hunderte kleiner und kleinster Elektromotoren in einem Kraftfahrzeug verbaut. Die momentan häufigste Bauform von Verbrennungsmotoren ist der Ottomotor. An zweiter Stelle liegt der Dieselmotor; eine untergeordnete Rolle spielt der Wankelmotor, der nur in wenigen Modellen zu finden ist.
Bei Otto- und Dieselmotor handelt es sich beides um Hubkolbenmotoren. Prinzipiell bedeutet das, dass in mindestens einem Zylinder die Umwandlung von chemischer Energie in zunächst Thermische und dann in Bewegungsenergie stattfindet, indem der Kurbeltrieb in jedem Fall auf der einen Seite mit einem Kolben abgedichtet wird, der über ein Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden ist und die lineare Bewegungsenergie in eine rotierende Bewegungsenergie umsetzt.
Der Wankelmotor ist ein Rotationskolbenmotor. Er basiert von der Idee her eher auf dem des Ottomotors, hat aber entscheidende Abweichungen und kann durchaus auch als Dieselwankel konstruiert werden, wobei diese Ausführung, bisher zumindest, eher unüblich, da wegen der hohen Betriebsdrücke schwer zu realisieren, ist. Es bewegt sich der Kolben nicht zyklisch auf und ab, sondern rotiert in dem Motorgehäuse exzentrisch auf der Motorwelle und erreicht die Vergrößerung und Verkleinerung des Brennraums zur Erreichung beispielsweise der Verdichtung und des Ausstoßens durch die geometrische Kontruktion. Die sehr geringe Bedeutung im Automobilsektor ist auf mangelnde technische Fertigungsprozesse und Materialqualität in den 1950'er und 1960'er Jahren zurückzuführen.
Notwendige Komponenten
Die folgende Tabelle soll Aufschluss über die notwendigen Komponenten eines Motors des jeweiligen, im Kraftfahrzeug üblichen, Konzeptes geben:
| Baugruppe | Otto-Hubkolbenmotor | Diesel-Hubkolbenmotor |
| Kurbeltrieb | Der Aufbau und die Funktion sind bei beiden Konzepten fast gleich. In jedem Fall ist das Hauptbauteil ein Kurbelgehäuse, das mindestens einen Zylinder hat und somit einen Kolben aufnehmen kann. Der Kolben, der bei den Konzepten verschiedene Bauformen hat, um eine möglichst optimale Brennraumgeometrie zu erhalten, ist über ein Pleuel mit der Kurbelwelle verbunden und kann so eine linerare Bewegung in eine Rotatorische umsetzen. Kurbelgehäuse, Kurbelwelle, Pleuel und Kolben sind beim Dieselmotor stärker ausgelegt, um den höheren Drücken Stand halten zu können. Die Schmierung hat in der Regel mit der Ölwanne den tiefsten Punkt des gesamten Aggregats; bei einer solchen Anordnung spricht man von einer Nasssumpfschmierung; im Gegensatz dazu existieren auch erfolgreiche Konzepte mit einer Trockensumpfschmierung, die besonders bei Rennfahrzeugen zum Einsatz kommt. In der Regel sind bei Dieselaggregaten die Ölfilter etwas größer ausgelegt, um dem Mehr an Verbrennungsrückständen im Öl zu begegnen. |
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| Zylinderkopf (Allgemein) | Aufbau und Funktion sind auch beim Zylinderkopf bei beiden Kozepten ähnlich und vergleichbar. In jedem Fall dichtet der Zylinderkopf den Brennraum nach oben hin ab. Auch hier herrschen die gleichen hohen Drücke, die auf den Kolben wirken. So müssen Zylinderköpfe ebenfalls entsprechend ausgelegt sein, und sind in der Regel mit langen Bolzen dirket im Kurbelgehäuse verschraubt, um ein Ausreißen der Bolzen aus den Zylindern zu umgehen. Darüber hinaus sind die Versorgungskanäle für Kühlmittel und Öl für den Zylinderkopf selbst und den Ventiltrieb zwischen den Zylindern angeordnet.
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| Baugruppe | Otto-Hubkolbenmotor | Diesel-Hubkolbenmotor |
| Zylinderkopf (Speziell) | Über die oben beschriebenen Elemente hinaus, sind beim Ottomotor auch eine oder mehrere Zündkerzen und bei Motoren mit Direkteinspritzverfahren auch Einspritzdüsen im Zylinderkopf untergebracht. | Bei Dieselmotoren ist der Zylinderkopf, wie die anderen Elemente auch, stärker ausgelegt, um den höheren Betriebsdrücken entgegenzuwirken. Anstatt der Zündkerzen sind bei Dieselmotoren Glühkerzen zur Kaltstarterleichterung und die Einspritzdüsen untergebracht. |
| Kraftstoffanlage | Bei Ottomotoren sind folgende Gemischbereitungsanlagen zu unterscheiden:
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Bei Dieselmotoren sind folgende Gemischaufbereitungsanlagen zu unterscheiden:
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| Baugruppe | Otto-Hubkolbenmotor | Diesel-Hubkolbenmotor |
| Zündsystem | Bei Ottomotoren ist eine externe oder Fremdzündng notwendig, um das Kraftstoffluftgemisch kontrolliert zu zünden. Ottomotoren können auch selbst zünden, was allerdings nicht erwünscht ist und zu, im schlimmsten Fall, Motorschäden führen kann. Dieses unkontrollierte Zünden wird als Klopfen bezeichnet. Eine kontrollierte Zündung wird mit Hilfe einer oder mehrerer Zündkerzen erreicht, die im Zylinderkopf untergebracht sind. Um die Funktion der Zündkerzen zu ermöglichen sind weitere Komponenten notwendig, die im Allgemeinen in der Zündanlage zusammengefasst sind. Eine Zündanlage besteht grundsätzlich aus mindestens einer Zündspule, die eine hohe Zündspannung induziert, um das Gemisch zu entzünden. Je magerer und zündunwilliger das Gemisch ist, desto höher muss die zur Verfügung stehende Zündenergie sein. Hierzu gehört weiter eine Unterbrechereinrichtung und mindestens ein mechanischer oder elektrische Geber, die den Zündzeitpunkt bestimmen oder die Motorposition auswerten, um den Zündzeitpunkt zu errechnen oder aus einem Kennfeld auszulesen. Die Verbindungen zwischen Zündspule und Zündkerzen werden als Zündgeschirr bezeichnet. |
Bei Dieselmotoren ist keine gesonderte Zündeinrichtung notwendig, da es sich hierbei um einen sogenannten Selbstzünder handelt. Durch die heiße verdichtete Frischluft und den über die Einspritzdüsen fein zerstäubten Kraftstoff zündet das Gemisch selbstständig. Daher ist die exakte Einstellung der Einspritzpumpe bzw. die elektronische Regelung der Einspritzventile von größter Wichtigkeit. |
| Abgasanlage | Seit den 1980'er Jahren spielen immer mehr Umweltaspekte eine entscheidende Rolle in der Automobilindustrie. Vor allem gesetzliche Auflagen zwangen die Hersteller immer neue und ausgereiftere Systeme zu entwicklen. Im besonderen Maße gilt hier das Augenmerk auf die nachbehandelnden Abgassysteme zu richten. Katalysator heißt hier das Stichwort. Prinzipiell nichts anderes als ein Beschleuniger von chemischen Prozessen ermöglicht der bzw. die Katalysatoren, dass die bei der Verbrennung entstehenden Schadstoffe in sehr kurzer Zeit, nämlich beim Durchwandern der Abgasanlage, „neutralisiert“ werden bzw. für die Umwelt unschädlich gemacht werden. Beim Verbrennungsprozess von Motorenbenzin geht es vor allem um Kohlenmonoxid und unverbrannte Kohlenwasserstoffe; bei Dieselmotoren sind Stickoxide das Hauptproblem, die allerdings auch beim Betrieb von Magermixmotoren auftreten. |
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Unterscheidungsmerkmale von Kraftfahrzeugmotoren
Der nachfolgende Abschnitt beschäftigt sich nur mit in heutigen Kraftfahrzeugen üblichen Motorbauformen. Weitere sind in der historischen Vergangenheit getestet und wieder verworfen worden. Dies' kann viele verschiedene Gründe haben. Der häufigste Grund sind jedoch der Kostenfaktor oder eine, zumindest zu der Entwicklungszeit, nicht gegebene Praktikabilität, d.h. ein unter Umständen gutes Konzept konnte aufgrund der technischen Möglichkeiten nicht so hergestellt werden, um eine dauerhafte Haltbarkeit zu garantieren.
In Kraftfahrzeugen werden ausschließlich zyklische Verbrennungskraftmaschinen verwendet. In den letzten Jahren versuchen die Automobilhersteller unter den Gesichtspunkten der knapper werdenden Rohstoffe und Umweltaspekten auch vermehrt Fahrzeuge zu entwickeln, die mit Elektromotoren ausgerüstet sind.
Typen
- Zyklische Verbrennungskraftmaschinen
Grundlage ist die Verbrennung eines Stoffes, um die gespeicherte chemische Energie in Bewegungsenergie umzuwandeln; die abfallende Wärmeenergie ist zum größten Teil ein „Abfallprodukt“ und wird über das Kühlsystem „entsorgt“. Der zu verbrennende Stoff wird dem System über konstruktiv bestimmte Wege zugeteilt und intern kontrolliert verbrannt wobei sich dieser Vorgang während des Motorlaufs nach einem geordneten Prinzip immer wiederholt.- Hubkolbenmotoren
Hubkolbenmotoren besitzen mindestens einen Kolben, der sich in einem Zylinder auf- und abbewegt. Der Verbrennungsraum wird in einem Arbeitsspiel vergrößert und verkleinert. Die Strecke, die der Kolben dabei zurücklegt, wird als Hubraum bezeichnet; besitzt der Motor mehrere Kolben, so werden die einzelnen Hubräume zu einem Gesamten addiert.- Ottomotor
4-Takt-Motor, der mit leicht verdampfendem, eher zündunwilligem Kraftstoff betrieben wird. Der Kraftstoff wird mit der Frischluft im Voraus vermischt und durch eine externe Anlage kontrolliert gezündet. Das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft beträgt idealerweise 14,7kg Luft zu 1kg Kraftstoff. - Dieselmotor
4-Takt-Motor, der mit einem stark zerstäubten, sehr zündwilligen Kraftstoff betrieben wird. Der Kraftstoff wird erst zum optimalen Zeitpunkt der Zündung in den Verbrennungsraum eingespritzt; daher ist keine externe Zündanlage notwendig. Das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft kann im Gegensatz zu einem Ottomotor einen übermäßig großen Luftüberschuss aufzeigen.
- Ottomotor
- Rotationskolbenmotoren
Rotationskolbenmotoren besitzen mindestens einen Läufer, auch als Kolben bezeichnet, der sich in dem Motorgehäuse permanent in die selbe Richtung um die Motorwelle dreht. Welle und Läufer sind über eine Verzahnung miteinander mechanisch verbunden. Durch die exzentische Anordnung des Läufers auf der Motorwelle kann eine Drehmomentübertragung stattfinden. Die einzelnen Verbrennungssysteme werden bei Rotationskolbenmotoren „Scheiben“ genannt.- Wankelmotor
4-Takt-Motor, der mit leicht verdampfendem, eher zündunwilligem Kraftstoff betrieben wird. Der Kraftstoff wird im Voraus mit der Frischluft vermischt und durch eine externe Anlage kontrolliert gezündet. Das Verhältnis zwischen Kraftstoff und Luft beträgt idealerweise 14,7kg Luft zu 1kg Kraftstoff.
- Wankelmotor
- Hubkolbenmotoren
- Elektromotoren
Elektromotoren beziehen ihre Energie aus der Elektrizität. Das bedeutet entweder das Einsparen eines Kraftstofftanks oder, wie bei Kraftfahrzeugen, das zwangsweise Mitführen eines Akkumulators, der in heutigen Zeiten noch sehr schwer ist. Dadurch hat ein Verbrennungsmotor gewisse Vorteile da die relative gespeicherte Energie in fossilen Brennstoffen um ein großes Vielfaches größer ist als es bei Akkumulatoren der Fall ist. Darüber hinaus ist bislang die Reichweite noch nicht zufriedenstellend.
Elektromotoren können mit Berührungskontakten oder berührungsfreien Kontakten ausgeführt sein. Entscheidend hierfür ist die Konstruktion und die sich hinter dem Motor befindliche Schaltung.
In jedem Fall beruhen Elektromotoren auf dem Prinzip des Magnetismus und haben einen Stator und einen Rotor, der innerhalb des Stators läuft. Elektromotoren können prinzipiell für jede Spannung und jede Spannungsart ausgelegt sein.
Besonders in Fahrzeugen können die Motoren, wenn für jedes Antriebsrad ein separater Motor verwendet wird, die Motoren auf der einen Seite relativ klein bezüglich der Baugröße gehalten werden und auf der anderen Seite können sie als elektrische Bremse eingesetzt werden; dann funktionieren sie als Generator und können so während der Fahrt Strom zum Laden des Akkumulators erzeugen.
Im Allgemeinen haben Elektromotoren einen sehr konstanten Drehmomentverlauf, d.h. das maximal verfügbare Drehmoment steht bei annähernd jeder Drehzahl zur Verfügung. Je nach Konstruktion und Auslegung kann so auf ein Getriebe verzichtet werden.
Bauformen
- Hubkolbenmotoren
Die Anordnung der Zylinder ist mehr oder weniger frei wählbar. Letzten Endes ist entscheidend, dass die Kraftabgabe auf ein Getriebe wirkt. Normalerweise werden Hubkolbenmotoren so konstruiert, dass die Pleule der Kolben auf eine Kurbelwelle wirken. Im Laufe der Entwicklungen kamen auch Konstruktionen auf den Markt, bei denen mehrere Kurbelwellen das Drehmoment der Kolben aufnehmen und die Kurbelwellen in einem Getriebe vereint die Drehmomente weitergeben.- Reihenmotor
Bei einem Reihenmotor liegen die Zylinder alle in einer Reihe. Diese einfache Bauweise erfordert in der Regel nur eine Sychronisationseinrichtung für den Ventiltrieb, der dann alle Zylinder bedienen kann.
- V-Motor
Bei einem V-Motor sind die Zylinder in zwei Bänken angeordnet, so dass bei der Draufsicht von vorne ein „V“ durch die Zylinder entsteht. Der Winkel zwischen den beiden Zylinderbänken wird „Bankwinkel“ genannt und liegt in der Regel zwischen 45° und 90°. V-Motoren haben den Vorteil, dass relativ viele Zylinder auf einem relativ geringen Platz untergebracht werden können. Typisch für V-Motoren ist, dass die gegenüberliegenden Zylinder jeweils auf einer Kurbelwellenkröpfung angeordnet sind und so immer in die gleiche Richtung bewegen. Die Energieversorgung für den Ventiltrieb gestaltet sich hier etwas komplizierter, weil zwei Zylinderbänke mit zwei unabhängigen Ventiltrieben mit dem Kurbeltrieb synchronisiert werden müssen.
- Reihenmotor
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