Motor

Inhaltsverzeichnis

• Welche Verbrennungsmotoren gibt es? - Wie unterscheiden sich die verschiedenen Motorenarten?
• Wie positionieren sich Autos mit Verbrennungsmotor? - Wer baute den ersten Verbrennungsmotor?
• Welche Zylinderanordnungen gibt es? - Fazit

Welche Verbrennungsmotoren gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Verbrennungsmotoren. Da ihre Funktionsweisen sich stark ähneln, stellt sich die Frage, worin der Unterschied liegt. Die Antwort: Es ist die Art der Verbrennung.

Die Gemeinsamkeiten

Die Motoren gehören zu den sogenannten Hubkolbenmotoren. Sie arbeiten mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch, welches im Zylinder entzündet und im Brennraum verbrannt wird. Das dabei entstehende Gas breitet sich aus und erzeugt dabei einen gewissen Druck, der den Kolben (Hub) verschiebt. Diese Energie wird über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen und hier in eine Drehbewegung umwandelt, sodass der Wagen rollt. Die rotierenden Massen müssen allerdings ausgeglichen werden, um eine Unwucht zu vermeiden. Das kann durch die Anzahl und Lage der Zylinder erreicht werden. Wir kommen auf diese weiter unten zurück.

Generell gibt es zwei Arten von Hubkolbenmotoren: Den Standmotor und den Umlaufmotor. Der Standmotor wird heute meist verwendet. Hier sind das Motorgehäuse und die Zylinder fest verbaut, die Kurbelwelle dreht sich. Bei einem Umlaufmotor hingegen dreht sich das Motorgehäuse um die Kurbelwelle, wobei die Kurbelwelle selbst stillstehen oder sich ebenfalls drehen kann. Die Zylinder bewegen sich ebenfalls, indem sie sich um die Kurbelwellenachse drehen.

Neben Hubmotoren mit innerer Verbrennung (Otto- und Dieselmotor) gibt es auch welche mit äußerer Verbrennung, wie Stirling- und Dampfmotoren.

Wie unterscheiden sich die verschiedenen Motorenarten?

Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die Motoren hinsichtlich der Art, wie sie Gemische verbrennen und damit Energie erzeugen.

Der Ottomotor

Der Ottomotor besitzt einen Vergaser oder eine elektronische Einspritzanlage. In einem 4-Takt-Motor, mit dem wir uns hier hauptsächlich beschäftigen, wird der fein verteilte Kraftstoff mit Luft gemischt. Dieses Gemisch wird in den Zylinder geführt, indem ein Unterdruck erzeugt wird. Um diesen zu erreichen, bewegt sich der Kolben im Zylinder abwärts. Dann erfolgt eine Aufwärtsbewegung, wodurch das Gemisch stark verdichtet wird. Es wird nun per Zündkerzen im Brennraum entzündet und kann bis zu 2000 Grad heiß werden. Der bei dieser Verbrennung entstehende Druck drückt den Kolben erneut nach unten. Die entstandene Energie wird, wie oben bereits erwähnt, über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen und in eine Drehbewegung umgewandelt, damit sich schließlich die Räder drehen können. Der Kolben wandert ein weiteres Mal nach oben und drückt das Abgas über das Auslassventil in den Auspuff. Anschließend wird neues Kraftstoff-Luft-Gemisch eingelassen.

Der Ottomotor kann mit einem Kraftstoff wie Benzin, aber auch mit diversen Gasen betrieben werden. Den Begriff Ottomotor gibt es erst seit 1946. Er wurde benannt nach dem Erfinder Nicolaus August Otto (1832-1891), der allerdings nicht diesen Motor, sondern einen Flugkolbenmotor erfunden hatte. Die Namensgebung für den Ottomotor ist daher eher als eine Anerkennung seiner Leistungen zu sehen.

Der Dieselmotor

Der Dieselmotor saugt kein Gemisch, sondern nur Luft an. Diese wird anschließend so sehr zusammengedrückt, dass sie sich sehr stark auf mehrere hundert Grad erhitzt. Nun wird der Kraftstoff eingespritzt, der hochsiedend sein sollte, damit er sich leicht entzündet. Man spricht in diesem Zusammenhang von der sogenannten Cetanzahl, deren Höhe die Zündwilligkeit angibt. Durch die Einspritzung des Kraftstoffs kommt es zur Selbstzündung. Mit besonders hohem Druck wird das Gemisch sofort in die Brennkammer beziehungsweise den Brennraum, bei manchen Modellen auch zunächst in die vorgelagerte Wirbelkammer, geleitet, wodurch sich die beiden Bestandteile besonders gut vermischen. Nur so kann eine saubere Verbrennung gewährleistet werden.

Dieselkraftstoffe sollten alle einen hohen Heizwert haben und sehr zündwillig sein. Der Dieselmotor sowie der Dieselkraftstoff wurden von Rudolf Diesel, einem Ingenieur, gegen Ende des 19. Jahrhunderts erfunden. Der Motor wurde in Augsburg gebaut. Interessanterweise testete Diesel bereits zur Weltausstellung im Jahre 1900 seinen Motor mit einem Antrieb aus Pflanzenöl.

Der Boxermotor

Diese Art von Motor ist wahrscheinlich vor allem von Porsche bekannt, da der Hersteller serienmäßig wassergekühlte Boxermotoren in seinen Fahrzeugen verwendet. Die erste Version wurde bereits 1896 von Carl Friedrich Benz erfunden. Die Stellung der Zylinder ist hier eine andere als bei Diesel- und Ottomotor (siehe unten), trotzdem handelt es sich ebenfalls um einen Verbrennungsmotor. Klassische Boxermotoren wurden bis 2003 verwendet, unter anderem in den Kultautos VW-Käfer und Citroën 2CV. Allerdings setzte beispielsweise Subaru weiterhin bis 2018 auf diese Motorform, entwickelte sie weiter und stellte Pkw-Diesel-Boxermotoren mit Common-Rail-Einspritzung und Turboaufladung vor. Außerdem finden sich bis heute Boxermotoren in den Motorrädern von Honda.

Bei einem Boxermotor sind die Pleuel von zwei sich gegenüberliegenden Zylindern auf zwei um 180 Grad versetzte Hubzapfen verbaut. Die beiden Kolben bewegen sich konträr zueinander, sind aber spiegelverkehrt immer in der gleichen Position.

Der Wankelmotor

Ein weiterer Verbrennungsmotor ist der Wankelmotor. Hier fehlt das Hub-Prinzip, die Energie wird also sofort in eine Drehbewegung umgesetzt. Deshalb heißt dieser Motor auch Rotationskolbenmotor. Erfinder war Felix Wankel, ein Kaufmann und Autodidakt in Sachen Maschinen. Generell lassen sich Wankelmotoren in zwei Arten unterscheiden: Der Drehkolbenwankelmotor (DKM 54) und der Kreiskolbenwankelmotor (KKM 57). Die 54 und 57 stehen dabei für die Jahre, in denen die jeweiligen Motoren entstanden. Der Unterschied besteht in der (nicht) vorhandenen Exzenterwelle. Diese besteht grundsätzlich aus einer Steuerungsscheibe, die auf einer Welle befestigt ist und deren Mittelpunkt außerhalb der Wellenachse liegt. Der KKM 57 besitzt so eine Vorrichtung, der DKM 54 nicht. Der Wankelmotor wird aktuell nur punktuell verwendet, doch erfreut er sich einer Rückbesinnung aufgrund der derzeitigen intensiven Suche nach alternativen Antrieben.

Wie positionieren sich Autos mit Verbrennungsmotor?

Verbrennermotoren werden derzeit immer wieder diskutiert, da sich Politik und Wirtschaft auf alternative Antriebsformen konzentrieren. Bis 2035 sollen laut den Plänen der EU alle Fahrzeuge mit Verbrennern durch Autos mit Elektro-, Wasserstoff-, Bio- und anderen Antrieben ersetzt werden, Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor werden dann nicht mehr zugelassen. Einige Länder planen sogar frühere Verbote oder haben diese bereits eingeführt, vor allem in den Städten. Auch in Deutschland wurden mit Umweltzonen und den dazugehörigen Plaketten bereits Möglichkeiten durchgesetzt, um die Bewohner der Innenstädte besser vor den Schadstoffen zu schützen. Von diesen Maßnahmen sind alle Autos mit Verbrennungsmotor betroffen, also Diesel und Benziner.

Die Schadstoffe

Besonders der Diesel steht in der Kritik, da er hohe Schadstoffausstöße aufweist. Dazu gehören in erster Linie Stickstoffoxide (NOx), die jedoch mit einem passenden Katalysator (Kat) aufgefangen und gereinigt werden können. Das kostet allerdings einiges an Geld, sodass weiterhin viele Fahrzeuge ohne Kat unterwegs sind. Der Ausstoß von Kohlenstoffdioxid (CO2) sowie Wasserdampf (H2O) ist im Übrigen etwa gleich zum Ausstoß des Benziners oder auch geringer. Zudem stoßen Benziner sogar mehr Feinstaub aus.

Manche moderne Benziner besitzen mittlerweile ebenso eine Direkteinspritzung, wie sie beim Diesel üblich ist. In diesem Fall stoßen die Fahrzeuge ebenfalls größere Mengen an Stickoxiden aus. Daher sind hier Otto-Partikel-Filter (OPF) zur Reinigung gefragt, damit diese Fahrzeuge nicht von einem Fahrverbot betroffen werden.

Wer baute den ersten Verbrennungsmotor?

Nachdem die Menschheit Jahrhunderte mit Pferd und Wagen, wenn nicht gar zu Fuß unterwegs war, kam mit der ersten Eisenbahn erstmals die Möglichkeit auf, viele Personen und Waren auf einmal und sehr viel schneller von A nach B zu transportieren. Die Entwicklung nahm Fahrt auf und die rasanten Erkenntnisse und Erfindungen der Ingenieure und Tüftler sorgten schon wenige Jahrzehnte später dafür, dass der Mensch sich mit einem eigenen Fahrzeug fortbewegen konnte. Bis zum ersten Auto für die breite Masse sollte es aber noch etwas dauern: Mit der Fertigung vom Fließband setzte der Amerikaner Henry Ford neue Maßstäbe. Er hatte bis 1913 die Fließbandarbeit perfektioniert und produzierte nun günstiger als andere Hersteller. So wurden die Fahrzeuge für mehr und mehr Menschen erschwinglich.

Die Geschichte der Fortbewegung

Das Prinzip, mit Dampf zu arbeiten, soll bereits im Alten Ägypten stattgefunden haben. Hier sollen große Tore damit bewegt worden sein. Weiterhin gibt es Berichte über den chinesischen Kaiser, der im 17. Jahrhundert eine Art Dampfauto besessen habe. Doch erst 1769 wurde der Öffentlichkeit ein dampfbetriebenes Fahrzeug von dem französischen Erfinder Nicholas Cugnot vorgestellt. Dieser Moment gilt daher als die Geburtsstunde eines Fahrzeugs, das sich aus eigenem Antrieb bewegt. In den USA waren die Zwillingsbrüder Francis Edgar und Freelan Oscar Stanley verantwortlich für einen sagenhaften Geschwindigkeitsrekord: Sie erreichten 1906 am Strand von Florida mit ihrem Stanley-Dampfer-Wagen mehr als 127 Meilen pro Stunde (ca. 205 km/h).

Die weitere Entwicklung fand ebenso rasant statt. Jean-Joseph Étienne Lenoir erfand 1859 den ersten 2-Takt-Gasmotor. Schließlich baute Nikolaus August Otto 1862 den ersten Verbrennungsmotor, der auf Lenoirs Erfindung fußte. 1877 besaß er, wenn auch nur für einige Jahre, ein Patent auf den 4-Takt-Ottomotor. Als er es wieder verlor, war der Weg frei für alle Ingenieure, Erfinder und Tüftler, selbst tätig zu werden. So entstand auch der erste passende Motor. Die Übergröße von Ottos erstem Motor eignete sich nämlich nicht, um in einen Wagen eingebaut zu werden. Erst Carl Friedrich Benz und Gottlieb Daimler, die gemeinsam arbeiteten, schafften es, ihn auf eine brauchbare Größe zu bringen. 1892 wurde der Dieselmotor in der Diesel Maschinenfabrik Augsburg (heute MAN) entwickelt und gebaut.

Welche Zylinderanordnungen gibt es?

Die Anordnung der Zylinder ist verantwortlich für die unterschiedlichen Varianten der Motoren. Die nachfolgenden Begriffe gelten für Benziner und Dieselmotoren gleichermaßen.

Der R-Motor

In Motoren dieser Bauart sind die Zylinder hintereinander in Reihen angeordnet. R steht hier für Reihen, deshalb heißen R-Motoren auch Reihenmotoren. Die einfache Bauweise ist ausgesprochen günstig im Preis, bringt aber unter anderem das Problem mit sich, dass bei einer größeren Anzahl von Zylindern aufgrund der Länge ein Quereinbau im Motorraum nicht möglich ist. Dieser Motortyp findet daher überwiegend in Fahrzeugen bis sechs Zylindern Verwendung. Das können Pkws, Lkws und Motorräder sein. Autos haben dabei meist vier Zylinder, Lkws sechs (wobei kleinere Wagen auch nur vier besitzen können) und Motorräder zwei.

Bei Autos mit Hinterradantrieb und Frontmotor werden Reihenmotoren längs eingebaut, wenn der Motor in der Fahrzeugmitte oder im Heck liegt auch quer. Bei frontgetriebenen Fahrzeugen sind sie meist quer eingebaut, manchmal auch längs.
In Motorrädern finden sich überwiegend quer eingebaute Reihenmotoren, in Lkws fast immer längs.

Der V-Motor

In einem V-Motor gleicht die Anordnung der Zylinder einem V: Auf dem rechten und dem linken Schenkel des V liegen jeweils gleich viele Zylinder. Der Winkel, in dem die Zylinder zueinander stehen, wird auch Bankwinkel genannt. Ungerade Zahlen werden in der Praxis selten verbaut, beispielsweise aber im Golf IV. Der Motor ist aufgrund seiner Bauweise breiter als ein R-Motor, aber dafür nicht so lang. Er kann ebenso wie dieser quer oder längs eingebaut werden. Fahrzeuge, die mehr als acht Zylinder aufweisen, besitzen häufig V-Motoren. Am häufigsten finden sich V6-, V8- und V12-Motoren. V4- oder gar V2-Motoren konnten sich zumindest in Autos kaum durchsetzen. In Motorrädern kommen beide Arten aber des Öfteren zum Einsatz. Der V-Motor hat im Übrigen einen interessanten und sehr beliebten Sound.

Der VR-Motor

Dieser Motortyp vereint die Vorteile von R- und V-Motor. Die Zylinder sind leicht V-förmig angeordnet, aber nicht in der üblichen Breite des V-Motors. So ist er weniger breit und auch weniger lang als die anderen Motorvarianten und lässt sich daher sehr gut einbauen. Als Nachteil ist zu nennen, dass der VR-Motor eher zu Fehlern neigt.

VW verbaut seit den Neunzigern Sechszylinder-VR-Motoren. Aber auch bei Audi, Porsche, Seat, Skoda, Mercedes und weiteren Herstellern finden diese Motoren Verwendung. Mit dem Horex VR6 wird seit 2013 auch ein Motorrad mit VR-Motor verkauft.

Der Boxermotor

Der Vollständigkeit halber soll an dieser Stelle auch der Boxermotor erwähnt werden. Hier liegen sich die Zylinder gegenüber, wodurch der Motor insgesamt flacher ist. Allerdings kostet er aufgrund seiner Bauweise etwas mehr. Er findet sich im Viertaktmotor und besitzt fast immer eine gerade Zylinderanzahl. 1913 entwickelte der Motorradhersteller Humber Motorcycles einen Dreizylinder-Boxermotor, der in einigen Autos mit Dreiganggetriebe und Kettenantrieb verbaut wurde.

Fazit

Im Rahmen der derzeitigen Neuorientierung von Politik und Wirtschaft, die sich am Umweltschutzgedanken ausrichtet, werden diese Motorenarten aller Wahrscheinlichkeit nach eines Tages der Vergangenheit angehören. So sehen es die EU-Pläne vor. Bereits jetzt stehen neben reinen Elektrofahrzeugen auch Hybrid-Motoren zur Wahl, die den Elektroantrieb ebenso wie den normalen Kraftstoffantrieb anbieten. Diese Entwicklungen werden fortlaufend perfektioniert, zudem werden aktuell weitere Antriebe wie mit Wasserstoff, Erdgas, Pflanzenöl, Biodiesel oder Bioethanol erfunden, gebaut, getestet und teilweise auch schon angeboten.

Handverlesene, weiterführende Artikel:

• Diesel – Wartung und Informatives
• Motor: Leistungsgewicht – Informatives
• Diesel Saugmotor– Funktionsweise
• Elektroauto Technik