Motorentechnik

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Dieser Artikel darf mit freundlicher Genehmigung von Harald Huppert gezeigt werden.

Welche Komponenten sind für die Leistung eines Motors verantwortlich?

• Hubraum

  (Anzahl der Zylinder, Bohrung, Hub)
  Unter Hubraum versteht man das Volumen, das bei einem Motor durch den Hub der Kolben insgesamt verdrängt wird. Der Hubraum wird in Kubikzentimetern oder Litern angegeben.

Der Einzelhubraum wird berechnet wie das Volumen des Zylinders. Hier wird allerdings für die Zylinderhöhe s angenommen, der Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt. Es handelt sich also um einen gedachten Zylinder zwischen den beiden Kolbenstellungen. Der Hubraum ist also ausschließlich vom Zylinderdurchmesser und der Kröpfung der Kurbelwelle abhängig.

Berechnung:

              d² . π
Vz =  ------------- . s                 (für einen Zylinder)
              4

Vg = Vz . 2                             (Gesamthubraum)

Beispiel: Bohrung = 80mm, Hub = 64mm

           80² . 3,14
Vz = --------------- .64 = 321,5ccm
                4

Vg = 321,5 . 2 = 643 ccm

• Zylinderkopf

   (Ein- und Auslasskanal, Ein- und Auslassventil, Brennraum, Verdichtung ect.)

Aufgabe:
Der Zylinderkopf zählt zu den kompliziertesten Gussteilen am Motor. Ein- und Auslasskanäle, Hohlräume für die Motorsteuerung, das Kühlsystem und Bohrungen für das Schmiersystem und der obere Teil des Brennraumes müssen in einem Bauteil vereinigt werden. Dieses muss zusätzlich eine gute Wärmeleitfähigkeit, Formstabilität und eine geringe Wärmedehnung haben. Bei luftgekühlten Motoren sorgt er auch noch für die nötige Spannung des Zylinders im Kurbelgehäuse.

In der Regel ist ein Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, und dichtet den Brennraum nach oben ab. Hier entsteht während des Verbrennungsprozesses die meiste Wärme. Diese muss über die Kühlrippen abgeführt werden. Ein Zylinderkopf – Werkstoff soll große Formsteifigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmedehnung haben. Bis auf die geringe Wärmedehnung erfüllt Aluminium diese Forderungen weitgehend.
Bei Überhitzung (z.B. durch Ausfall des Gebläses) kann sich der Zylinderkopf verziehen und undicht werden.
Der Zylinderkopf muß durch ein gutes Fließverhalten der Gase in den Kanälen, Ventilen und Brennraumform ermöglichen, dass ein Benzin- Luftgemisch in den Brennraum gelangen kann, sowie verbrannte Gase möglichst schnell und restlos aus dem Zylinder und Brennraum entfernt werden.

• Brennraum:

Die Form des Brennraums ist sehr wichtig für Gemischbildung und Verbrennung. Beim Puch Zylinderkopf handelt es sich um halbkugelförmigen Brennraum mit einem Zündkern etwas außerhalb der Mitte, von dem sich die Flammenfront in alle Richtungen gleichmäßig ausbreitet.
Die Betätigung der Ventile erfolgt über Stößelstangen und Kipphebel.
Zwei dachförmig angeordnete Ventile sorgen für die entsprechende Füllung des Brennraumes mit Frischgas sowie die Entfernung des verbrannten Gases.

• Ventile:

Die Ventile dienen dazu, um Einen oder mehrere Kanäle so zu öffnen, dass der Zylinder optimal einem  Kraftstoff-Luft-Gemisch versorgt wird und verbranntes Gemisch den Zylinder möglichst vollständig und mit geringen Verlusten verlässt. In den übrigen Takten sollen sie den Zylinderraum gegenüber dem Ansaugkanal abzudichten.

Vom Nocken der Nockenwelle übertragen Winkelhebel, Stößelstangen und Kipphebel die Kraft auf das Ventil und öffnen es, bevor der Kolben den unteren Totpunkt (Auslassventil) oder den oberen Totpunkt (Einlassventil) erreicht. Dadurch werden die Gase so frühzeitig wie möglich zum Ein- oder Ausströmen angeregt. Eine oder zwei Ventilfedern schließen das Ventil nach dem Totpunkt. Dadurch können Gase nachströmen.
Der Öffnungsquerschnitt der Einlassseite ist meist größer als der auf der Auslassseite.
Ein Ventil besteht aus Schaft und Teller. Am Teller ist eine Fase von 45° eingefräst. Dies passt genau zu seinem Gegenstück, dem Ventilsitz, der als runder Ring im Zylinderkopf eingeschrumpft ist.

• Nockenwelle

Die Nockenwelle soll die Ventile zum richtigen Zeitpunkt und in einer genau festgelegten Reihenfolge öffnen und deren Schließen durch die Ventilfeder ermöglichen. Dabei wird die Nockenwelle von der Kurbelwelle nicht direkt, sondern über Zwischenräder angetrieben. Für alle Fälle gilt allerdings ein Übersetzungsverhältnis von 2 : 1. Damit rotiert die Nockenwelle halb so schnell wie die Kurbelwelle.

Bei einem Puch Motor findet die OHV Steuerung statt (Over Head Valves (Unten liegende Nockenwelle mit Ventile(n) im Zylinderkopf (hängende Anordnung)) Dabei ist die Nockenwelle im Motorblock angeordnet. Die Ventile arbeiten dagegen im Zylinderkopf und werden hängende Ventile genannt. Die Nockenwelle wirkt über Stößelstangen und Kipphebel auf die Ventile.

• Ventilüberschneidung:

Die Aufgabe darin besteht, durch frühes Öffnen des Einlassventils und durch spätes Schließen des Auslassventils die Füllung des Zylinders mit Kraftstoff-Luft-Gemisch  und die Abfuhr der Altgase zu verbessern oder bewusst zu verringern.

Ventilüberschneidung ist die Summe der Winkel von dem Öffnen des Einlassventils vor OT und dem Schließen des Auslassventils nach OT. Wenn der Kolben zwischen dem im 4. Takt (Ausstoßen) und dem 1. Takt (Ansaugen) auf OT steht, sind beide Ventile offen. Abgas und Frischgas können ihre Bewegungsenergien austauschen. Dadurch verlässt das Altgas vollständiger den Zylinder und das Frischgas füllt ihn besser. Da es sich hier kurzzeitig um einen offenen Gaswechsel handelt, funktioniert das nur optimal in dem Drehzahlbereich des höchsten Drehmoments. Je höher die Nenndrehzahl eines Motors, desto größer die Ventilüberschneidung. Sie kann (bezogen auf die Kurbelwelle) bei Rennmotoren bis zu 180° betragen.

• Steuerdiagramm:

Das Steuerdiagramm zeigt, wann die Einlass- und Auslassventile in Grad Kurbelwinkel jeweils öffnen und schließen.

Am Steuerdiagramm kann man deutlich die Motorcharakteristik erkennen. Bei einem Motor, der bei relativ geringer Drehzahl sein höchstes Drehmoment und seine höchste Leistung erreicht, liegen die Punkte Eö (Einlass öffnet), Es (Einlass schließt), Aö (Auslass öffnet) und As (Auslass schließt) nahe beim oberen (OT) bzw. unteren Totpunkt (UT): 

Beispiel einer 276° Nockenwelle:        Eö 30° v. OT , Es 66° n. OT

                                                  Aö 66° v. UT,  As 30° n .UT

Bei sehr sportlichen Motoren oder gar Rennmotoren können deutlich höhere Werte auftreten. Die Ventile sind länger geöffnet, die Ventilüberschneidung zwischen Eö und As ist größer.

• Nocke:

Er soll die Ventile zum richtigen Zeitpunkt um einen definierten Weg öffnen und nach einer vorher exakt festgelegten Zeit mit einer bestimmten Geschwindigkeit wieder schließen

 

Normalnocke:   

Sportnocke:     

Nocken steuern ein oder mehrere Ventile. Der Verlauf, Hub und die Geschwindigkeit der Nocken steuern exakt deren Öffnungszeiten in Grad Kurbelwinkel und damit das Betriebsverhalten des Motors in den einzelnen Drehzahlbereichen. Außer bei der Direktsteuerung kann der Ventilhub durch ein Übersetzungsverhältnis am Kipphebel noch verändert werden. In der Regel bewirkt die Ventilfeder das Schließen des Ventils, wenn die Nockenbahn dies zulässt. Hier bilden nur mechanische Zwangssteuerungen eine Ausnahme. Steile Nocken (2. Bild) werden stärker beansprucht und ermöglichen früheres, evtl. schnelleres Öffnen und späteres, evtl. rascheres Schließen.

Das nächste Bild zeigt ein Beispiel für eine Ventilerhebungskurve

• Ansaugseite: (Luftfilter, Saugrohr, Vergaser etc.)

Vergaser:

Eigentlich müsste er 'Zerstäuber' heißen, soll er doch Kraftstoff in feinster Tröpfchenform und nicht gasförmig mit Luft mischen. Der Vergaser soll für fast alle Betriebszustände allein durch die Saugwirkung der schnell strömenden Luft ein günstiges Kraftstoff-Luft-Gemisch erzeugen. Er war über Jahrzehnte das einzige Gemischbildungssystem im Benzinmotor.

In Verwendung befinden sich Hauptsächlich Fallstromvergaser (Bild) mit vertikal angeordnetem Lufttrichter durch. Oben kommt die Luft vom Luftfilter und wird an der Verengung wesentlich beschleunigt. Dort mündet der Kanal vom Mischrohr (Mitte) und der Hauptdüse (darunter), die in Kraftstoff eintaucht. Der Stand in dieser Kammer wird durch die Schwimmer-Regelung relativ konstant gehalten. Hierbei verschließt ein Nadelventil den Kraftstoff-Zulauf, wenn der Schwimmer ein bestimmtes Niveau erreicht.
Rechts, links und unterhalb von Mischrohr und Hauptdüse Teile der relativ aufwändigen Leerlauf-Regelung.

• Saugrohr:

Von entscheidender Bedeutung ist die Länge und Beschaffenheit des Saugrohres.

Die sogenannte Schwingrohrlänge beeinflusst in großem Maße die Höhe und den Verlauf des Drehmoments. Die Schwingrohrlänge wird vom Luftsammler bis zum Einlassventilteller gemessen. Der Grund für die Bedeutsamkeit liegt in der Gasdynamik des Gemisches. Der Gasstrom wird entsprechend der Arbeitstakte des Motors ständig unterbrochen

Kurze Saugrohre verlagern das maximale Drehmoment nach oben und erhöhen damit die Leistung etwas. Motoren mit langen Saugrohren verlagern das Drehmoment nach unten und beschneiden die Leistung im oberen Bereich

• Luftfilter:

Der Luftfilter hat die Aufgabe, dass keine ungefilterte Luft in den Motor zu lassen, sowie auch das Motoren Ansauggeräusch zu dämpfen.

Bei Rennmotoren wird hingegen meist die Dämpfungseigenschaft unterschätzt. Ohne Filter sind die Ansauggeräusche wesentlich besser wahrnehmbar und auch einiges von der Motormechanik. Ein fahren ohne Luftfilter hat einen hohen Motorverschleiß zur Folge und ist daher nicht empfohlen.

 

• Auspuffseite: (Schalldämpfer,Krümmer, ect.)

Die Auspuffseite muss die verbrannten Gase möglichst rasch und restlos aus dem Zylinder und dem Brennraum entfernen.

Bei einer Auspuffanlage ist neben der Geräuschminderung die Abgasentgiftung besonders wichtig. Außerdem sollen Abgase gefahrlos abgeleitet und das Leistungsvermögen des Motors möglichst wenig behindert werden.

• Zündung

Die Zündung hat die Aufgabe, beim Benzinmotor das Kraftstoff-Luft-Gemisch in jedem Betriebszustand so zu zünden, dass der Druckanstieg kurz nach OT erfolgt. Dabei soll sie zwar so früh wie möglich, aber auf keinen Fall zu früh erfolgen, weil sonst unkontrollierte Selbstzündung (klopfende Verbrennung) auftritt

Zündzeitpunkt:

Bei einem Puch Motor wird ein Zündverteiler mit Fliehkraftverstellung verwendet.

 

                                               Bild 1                                          Bild 2                 

Die Bewegung der Fliehgewichte gegen ihre Federn wird beim Fliehkraftversteller dazu benutzt, die getriebene Welle bei steigender Drehzahl voreilen zu lassen. (Bild 1)
Ist die Feder vorgespannt, so erfolgt die Bewegung erst ab einer bestimmten Drehzahl. Mit zwei oder mehreren Federn verschiedener Kennung können diese Bewegungen auf zwei oder mehrere Drehzahlbereiche verteilt werden

Beispiel für eine Zündkurve:

• Fazit

Die kurze Beschreibung der einzelnen Grundkomponenten eines Puch Motors (was natürlich auch für alle andere Motoren gültig ist) zeigt, wie komplex das Thema „Motor“ ist.

Durch Veränderung der einzelnen Komponenten und der vielen Größen ist es möglich, die Motorcharakteristik und Motorleistung zu beeinflussen.

Nachstehens eine kurze Einführung in die Welt des Treibstoffes, mit dem wir Puchfahrer möglicherweise zu Kämpfen haben