Ein Leitfaden für Anfänger zum Thema Verbrennungsmotor: Funktionsprinzipien, Selbstbau und häufige Verwendung

Das Rad wurde 3500 v. Chr. in der mesopotamischen Ära erfunden, und bis ins frühe 19. Jahrhundert waren Tierkarren über 5500 Jahre lang das einzige Transportmittel. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts erlebten wir die Entwicklung der Dampfmaschine, und Ende des 19. Jahrhunderts gab es den Verbrennungsmotor.

Und in nur 200 Jahren hat uns dieser Motor ermöglicht, unsere Reisegeschwindigkeit von 5–8 km/h auf Tausende von km/h zu steigern. Wenn Sie mehr über diese unglaubliche Erfindung der Menschheit erfahren möchten, lesen Sie weiter!

Was ist ein Verbrennungsmotor?

„Wie der Name schon sagt, findet der gesamte Verbrennungsprozess im Inneren des Motors statt, daher spricht man von einem Verbrennungsmotor .“

Als Étienne Lenoir den ersten Verbrennungsmotor baute, fehlte ihm der Kompressionszyklus, sodass er nicht besonders kraftstoffsparend war. Später führte Nikolaus Otto jedoch einen theoretischen Zyklus ein, der zur Grundlage aller Verbrennungsmotoren (Wankel- und Kolbenmotoren) wurde.

Der Nikolaus-Otto-Zyklus ist unter vielen Namen bekannt, beispielsweise als Beau-de-Rochas-Zyklus oder Otto-Zyklus, der wie folgt erklärt wird:

Schritt 1) Ansaugen – In diesem Schritt werden Kraftstoff- und Luftdämpfe in den Zylinder eingespritzt.

Schritt 2) Kompression – Der Kolben bewegt sich nach oben und komprimiert das bereits im Zylinder vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch. Dieser Schritt erzeugt den für die Verbrennung erforderlichen hohen Druck, die hohe Temperatur und die hohe Konzentration.

Schritt 3) Verbrennung - Nun wird mit Hilfe einer Zündkerze (bzw. Hochdruck) der Kraftstoff gezündet, wodurch ein Knall mit hohem Druck entsteht, der den Kolben nach unten drückt, was wiederum die Kurbelwelle dreht.

Schritt 4) Auspuff – Das verbleibende Restgas wird aus dem Zylinder gedrückt.

Es ist wichtig zu beachten, dass es neben dem Otto-Zyklus auch den Brayton-Zyklus gibt , der grundsätzlich für Strahltriebwerke verwendet wird und eine etwas andere Funktion hat. Wir werden dies weiter unten in den Kategorien der Verbrennungsmotoren besprechen, aber das Konzept ist fast dasselbe wie beim obigen Otto-Zyklus.

Im Gegensatz dazu gibt es Verbrennungsmotoren, bei denen die Verbrennung außerhalb des Motors stattfindet. Beispielsweise wird bei einer Dampfmaschine das Wasser in einem Kessel durch Feuer außerhalb des Motors erhitzt, wodurch Hochdruckdampf entsteht, der dann den Motor antreibt.

• Kurze Geschichte

Im 19. Jahrhundert baute Étienne Lenoir (Belgien/Frankreich) 1860 einen der ersten und praktischsten Gasmotoren . Es handelte sich jedoch um einen Eintaktmotor ohne Kompression, der überhaupt nicht effizient war.

Einige Jahre später verbesserte Nikolaus Otto (Deutschland) diese Konstruktionen jedoch und entwickelte den effizienteren Viertaktmotor, der im Jahr 1876 die Entwicklung der meisten modernen Motoren ermöglichte .

Bald darauf stellte Sir Dugald Clerk (Schottland) im Jahr 1879 den ersten Zweitaktmotor überhaupt vor , der als erster erfolgreich funktionierte und viel weniger Platz einnahm.

Schließlich entwickelte Rudolf Diesel (Deutschland) im Jahr 1897 den Dieselmotor , der sowohl eine höhere Leistung als auch einen geringeren Kraftstoffverbrauch bot.

Alle oben genannten Motoren sind Kolbenmotoren. 1957 entwickelte Felix Wankel jedoch einen Rotationsverbrennungsmotor, der als Wankelmotor bekannt wurde.

Übersicht über die Arten von Verbrennungsmotoren

Im Laufe der Geschichte gibt es hauptsächlich drei Arten von Verbrennungsmotoren, die sich durch ihre Funktionsweise unterscheiden:

Typ 1: Wankel-/Rotationsmotor: Hat einen kreisförmigen Zylinder, in dem sich ein Rotor dreht, um Energie zu erzeugen.

Typ 2: Kolbenmotor: Verfügt über eine Zylinderkonstruktion, bei der sich der Kolben auf und ab bewegt, um Kraft zu erzeugen. Im weiteren Verlauf kann der Kolbenmotor anhand der Anzahl der Hübe, die er in einem Arbeitstakt ausführt, in zwei Typen eingeteilt werden.

Typ 3: Brayton-/Turbinenmotoren: Es handelt sich um eine Anordnung aus Turbinen und Propellern, bei der eine kontinuierliche Verbrennung stattfindet.

Darüber hinaus können Kolbenmotoren noch weiter klassifiziert werden, basierend auf der Art des verwendeten Kraftstoffs, den Zündmethoden, den Luftansaugmethoden und Hybridsystemen.

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Typ 1) Wankel-/Rotationsmotor

Wie der Name schon sagt, verfügt der Wankel- oder Rotationsmotor über einen dreieckigen Rotor anstelle von Kolben und dreht sich in einem ovalen Gehäuse. Diese Konstruktion ermöglicht es dem Rotor, Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen in einem Arbeitsgang durchzuführen, wodurch der gesamte Prozess reibungslos abläuft.

Warum sie versagen : Wankel- oder Rotationsmotoren sind zweifellos kompakt, leicht und laufruhig. Sie hatten jedoch erhebliche Nachteile wie einen geringen Kraftstoffverbrauch, höhere Emissionen und eine kurze Lebensdauer, was sie zu einem Misserfolg machte.

Verwendung: Wankelmotoren werden in einigen Fahrzeugen verwendet, beispielsweise im Mazda RX-7 und RX-8. Sie wurden auch in einigen Motorrädern, Schneemobilen, Drohnen und Flugzeugen verbaut. Heutzutage findet man sie jedoch aufgrund strenger Umweltrichtlinien (ihre Emissionen sind höher) kaum noch in neuen Fahrzeugen.

Typ 2) Kolbenmotor

„Wie der Name schon sagt, haben diese Motoren Kolben, die die Kurbelwelle bewegen und Leistung erzeugen.“

Wir alle kennen Kolbenmotoren, da sie in jedem Land-, See- und Luftfahrzeug eingesetzt werden. Bevor wir uns mit der Funktionsweise des Kolbenmotors befassen , wollen wir uns zunächst mit seinen grundlegenden Bestandteilen befassen.

• Zylinder – eine Kammer, in der die Verbrennung stattfindet

• Kolben – ein runder Block, der sich im Zylinder auf und ab bewegt

• Pleuelstange – verbindet den Kolben mit der Kurbelwelle

• Kurbelwelle – eine lange Stange, die die Kolbenbewegung in Rotation umwandelt

• Ventile – steuern die Luft-Kraftstoff-Ein- und Auspuffanlage

• Zündkerze – zündet das Luft-Kraftstoff-Gemisch (bei Benzinmotoren)

• Nockenwelle – öffnet und schließt die Ventile synchron

Untertypen von Kolbenmotoren: 2-Takt- vs. 4-Takt-Verbrennungsmotor-Arbeitsmechanismus

Bevor wir uns mit 2- oder 4-Takt befassen, wollen wir zunächst untersuchen, was ein Takt ist.

„Wenn sich der Kolben in einem Motor vom höchsten (OT) zum niedrigsten (UT) Zylinderpunkt oder vom niedrigsten zum höchsten bewegt, spricht man von einem Hub.“

Basierend auf der Anzahl der Takte, die für einen vollständigen Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotors (Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen) erforderlich sind, können wir Kolbenmotoren in zwei weitere Untertypen einteilen:

• 2-Takt-Verbrennungsmotor

• 4-Takt-Verbrennungsmotor

Untertyp Nr. 1) 2-Takt-Verbrennungsmotor

Bei diesem Motor erfolgen Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen in zwei Takten. Zum Beispiel:

• 1. Takt: Wenn sich der Kolben nach unten bewegt (durch den Verbrennungstakt), wird das Ansaugrohr freigegeben, wodurch Kraftstoff und Luft in den Zylinder gelangen und der restliche Kraftstoff aus dem Auspuffrohr herausgedrückt wird . Daher erfolgen Leistung , Ansaug- und Auspufftakt im 1. Takt .

• 2. Takt: Dann bewegt sich der Kolben nach oben (2. Takt), er komprimiert den Kraftstoff, und wenn der Kolben am oberen Totpunkt (OT) ist, entzündet ein Funke den Kraftstoff und erzeugt eine Verbrennung (hier endet der 2. Takt) . Dann drückt er den Kolben nach unten (erneut Wiederholung des 1. Takts), wodurch die Kurbelwelle gedreht wird.

Untertyp Nr. 2) 4-Takt-Verbrennungsmotor

Wie der Name schon sagt, erfolgen bei diesem Motor Ansaugen, Verdichten, Verbrennung und Ausstoßen im Viertaktbetrieb.

• 1. Takt: Nach dem Auspuffschritt, wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) bewegt, entsteht ein Vakuum. Gleichzeitig öffnen sich die Einlassventile und lassen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Vakuumkammer. Dieser Schritt wird auch Ansaugtakt genannt.

• 2. Takt: Der Kolben bewegt sich von unten nach oben und komprimiert den Kraftstoff. Dadurch erhöhen sich Druck und Temperatur, die für die Verbrennung erforderlich sind. Dieser Takt wird auch Kompressionstakt genannt.

• 3. Takt: Wenn sich der Kolben in der oberen Position befindet, zünden die Zündkerzen, was eine Verbrennung und enormen Druck auslöst, der den Kolben mit voller Geschwindigkeit nach unten drückt und dadurch die Kurbelwelle dreht. Dieser Takt wird auch als Verbrennungs-/Arbeitstakt bezeichnet. 

• 4. Schlag: Bei diesem Hub bewegt sich der Kolben von unten nach oben und drückt den restlichen Kraftstoff durch das Auslassventil nach außen. Dieser Hub wird auch Auspuffhub genannt.

Das ist es. Der gesamte Zyklus wiederholt sich immer wieder.

Typ 3: Brayton-/Turbinentriebwerke

Turbinentriebwerke arbeiten nach dem Brayton-Zyklus, der wie der Otto-Zyklus aus vier Stufen besteht. Hier ist eine einfache Erklärung des Brayton-Zyklus und der Funktionsweise normaler Turbinentriebwerke:

Schritt 1) Isentropische Kompression: In diesem Schritt wird die einströmende Luft durch einen Kompressor geleitet, der sie komprimiert, um Luft mit hohem Druck und hoher Temperatur zu erzeugen.

Schritt 2) Wärmezufuhr bei konstantem Druck: In diesem Schritt gelangt die Druckluft in eine Wärmekammer, in der entweder brennender Kraftstoff (Düsentriebwerk) oder Kernwärme die Temperatur der Druckluft weiter erhöht, aber ein konstanter Druck aufrechterhalten wird.

Schritt 3) Isentropische Expansion: In diesem Schritt wird die heiße Luft mit hohem Druck durch eine Turbine geleitet, die ihr einen Bereich zur Ausdehnung bietet. Dadurch treibt sie die Schaufeln mit großer Kraft an und erzeugt eine Rotation, die dann mechanische Energie erzeugt.

Schritt 4) Konstantdruck-Wärmeableitung : In einem Strahltriebwerk verlässt die Luft nach dem Durchströmen der Turbine das System durch die Düse am Ende. In einem geschlossenen Kreislaufsystem (z. B. Kernkraftwerken, Raumschiffen und Schiffsmotoren) wird die Luft jedoch durch Rohre zurück zum Kompressoreinlass geleitet.

Einsatzmöglichkeiten des Verbrennungsmotors

Es gibt viele Einsatzmöglichkeiten für den Verbrennungsmotor in fast allen Lebensbereichen, wie Sie in den folgenden Beispielen sehen können.

Die meisten Kraftfahrzeuge, wie Autos, Motorräder und Lastwagen, verwenden üblicherweise 4-Takt-Benzin- oder Dieselmotoren, obwohl kleinere Motorräder auch 2-Takt-Motoren verwenden können.

Zivilflugzeuge wie Leichtflugzeuge und Hubschrauber mit Kolbenmotoren verwenden 4-Takt-Benzinmotoren (Avgas). Ultraleichtflugzeuge verwenden aufgrund ihres geringen Gewichts manchmal 2-Takt-Motoren.

Im Seeverkehr, zu dem Boote, Schiffe und andere Freizeitwasserfahrzeuge wie Jetskis gehören, kommen verschiedene benzinbetriebene Motoren zum Einsatz. Größere Schiffe verwenden üblicherweise Dieselmotoren, während auf kleineren Schiffen Zweitakt- oder Viertakt-Benzinmotoren üblich sind.

Tragbare und Notstromaggregate können mit Viertakt-Benzin- oder Dieselmotoren betrieben werden. Kleinere Geräte können auch mit Zweitaktmotoren ausgestattet sein, aber alle Geräte, unabhängig von ihrer Größe, verwenden Viertakt-Benzin- oder Dieselmotoren.

Die am meisten nachgefragten Baumaschinen – Bulldozer, Bagger und Kräne – basieren auf Viertakt-Dieselmotoren, die das für ihre Arbeit erforderliche Drehmoment und die Robustheit bieten.

Agrarsektor: Diesel-Viertaktmotoren sind die mit Abstand beliebteste Option für landwirtschaftliche Maschinen wie Traktoren, Erntemaschinen und Sprühgeräte, da sie die Maschinen über Stunden hinweg vielseitiger mit Kraftstoff versorgen können als andere verfügbare Optionen.

Industriemaschinen, Kompressoren und Pumpen sowie kleine Motoren werden meist von Viertakt-Benzin- oder Dieselmotoren angetrieben, wobei in einigen kleineren Geräten stattdessen Zweitaktmotoren zum Einsatz kommen.

Freizeitfahrzeuge wie Geländefahrzeuge und Schneemobile können je nach gewünschtem Gewichts- und Leistungsverhältnis entweder Zweitakt- oder Viertakt-Benzinmotoren verwenden.

Einsatzfahrzeuge: Feuerwehrautos, Krankenwagen und Rettungsboote fallen alle unter die Kategorie der Einsatzfahrzeuge und werden aufgrund ihrer guten Leistung und Zuverlässigkeit meist von 4-Takt-Dieselmotoren angetrieben.

Militärische Anwendungen: Viertakt-Dieselmotoren werden häufig für militärische Zwecke wie Panzer- und mobile Einheiten eingesetzt. Zweitakt- und Turbinenmotoren werden jedoch aufgrund ihrer kompakten Bauweise und kraftstoffsparenden Leistungsabgabe auch in kleinen UAVs und Drohnen eingesetzt.

Selbstbau des Verbrennungsmotors

Es gibt viele Anbieter, die selbstgebaute Motorbausätze verkaufen, von denen einige sogar funktionieren. Am besten gefallen mir aber die von EngineDIY , da sie alle möglichen funktionierenden Selbstbaumodelle anbieten und die Preise sehr niedrig sind.

Wenn Sie an einer Schule im MINT-Bereich arbeiten oder einfach nur die Funktionsweise eines Verbrennungsmotors spielerisch erlernen möchten, können Sie diesen V8-Motor-Modellbausatz von ihnen kaufen. Das Besondere an diesem V8-Motorbausatz ist, dass Kolben, Kurbelwelle und sogar Einlass- und Auslassventile dank des Zahnriemens beweglich sind. Außerdem verfügt er über eine Leuchte und eine Wunderkerze für ein realistisches Fahrgefühl.

Hier ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum einfachen Zusammenbau des Bausatzes;

Schritt 1) Teile vorbereiten: Holen Sie zunächst alle Teile heraus und legen Sie sie wie auf dem Bild gezeigt auf den Tisch.

Schritt 2) Beginnen Sie mit der Kurbelwelle: Nehmen Sie nun das Knopfgehäuse und setzen Sie die Kurbelwelle ein. Nehmen Sie dann alle Kolben und befestigen Sie sie an der Kurbelwelle.

Schritt 3) Gehäuse schließen: Bringen Sie nun die Einlass- und Auslassventile an und schließen Sie das Gehäuse vollständig.

Schritt 4) Zahnriemen montieren: Alle Zahnräder aufnehmen, am Gehäuse befestigen und den Zahnriemen darauf einstellen. Schließen Sie nun die Abdeckung des Zahnriemens.

Schritt 5) Motor fertigstellen und starten: Schließen Sie Lüfter und Stromkabel an den Motor an. Ziehen Sie anschließend alle Schrauben fest und starten Sie den Motor mit nur einem Klick.

Einpacken:

Kurz gesagt: Der Verbrennungsmotor hat uns von langsamen, 10 km/h schnellen Karren buchstäblich in den Himmel gehoben, mit Düsentriebwerken (die Tausende von Kilometern pro Stunde erreichen). Diese Verbrennungsmotoren haben unsere Transportmittel, unsere Landwirtschaft und sogar unsere Kriegsführung völlig verändert.

Es ist eine Tragödie, dass Étienne Lenoirs Arbeit an Motoren zu seiner Zeit nicht gewürdigt wurde, obwohl er 1863 das erste Auto der Welt, das Hippomobile, gebaut hatte. Leider starb er in seinen späteren Lebensjahren verarmt. Deshalb widmen wir diesen Artikel ihm, der die Welt grundlegend verändert hat.

Und zu guter Letzt: Wenn Sie STEM-DIY-Motormodelle aller Art kaufen möchten, etwa Stirlingmotor-Bausätze , Dampfmaschinen-Bausätze , Diesel-, Verbrennungsmotor- oder sogar Düsenmotoren, können Sie diese bei uns bei EngineDIY kaufen .

FAQs

1. Wann wurde das erste Auto der Welt gebaut?

Nun, den Geschichtsbüchern zufolge wurde das erste Auto der Welt 1885 von Karl Benz gebaut, der es „Motorwagen“ nannte.

Ich glaube aber nicht, dass es das erste Auto der Welt war, denn Eteiner Leiner (er baute den ersten Motor der Welt) baute 1863 ein Hippomobil und fuhr damit die 11 Kilometer von Paris nach Joinville-le-Pont. Es war also im wahrsten Sinne des Wortes das erste Auto der Welt.

Es handelte sich jedoch um ein rudimentäres Fahrzeug ohne Kupplungssystem und wurde nicht kommerziell hergestellt. Deshalb betrachten Historiker es nicht als das erste Auto der Welt. Das ist ungerecht, denn es legte den Grundstein für die Idee, die Karl Benz zum Bau seines Autos brachte.

2. Der erste Fahrer der Welt?

Wenn Sie mich fragen, würde ich sagen, dass Eteiner Leiner der erste Fahrer der Welt war, der die 11 Kilometer von Paris nach Joinville-le-Pont fuhr. Da sein Hippomobil jedoch nicht als das erste Auto der Welt gilt, galt er auch nicht als der erste Fahrer der Welt.

So fuhr Bertha Benz 1888 mit dem Motorwagen ihres Mannes Karl Benz von Mannheim nach Pforzheim, also rund 106 Kilometer. Sie legte diese Strecke gemeinsam mit ihren Söhnen zurück und erzählte ihrem Mann nichts davon.