Getriebe 101: Verstehen, wie der Motor Ihres Autos funktioniert

Ich war noch nie ein Auto-Typ. Ich hatte einfach kein Interesse daran, unter der Motorhaube herumzuwerkeln, um herauszufinden, wie mein Auto funktioniert. Abgesehen davon, dass ich ab und zu meine Luftfilter austausche oder das Öl wechsle, wenn ich jemals ein Problem mit meinem Auto hätte, würde ich es einfach in den Mechaniker bringen und als er herauskam, um zu erklären, was los war, nickte ich höflich und tat so, als wüsste ich, wovon er sprach.

Aber in letzter Zeit hatte ich den Juckreiz, die Grundlagen der Funktionsweise von Autos zu erlernen. Ich habe nicht vor, ein Fettaffe zu werden, aber ich möchte ein grundlegendes Verständnis dafür haben, wie alles in meinem Auto tatsächlich funktioniert. Zumindest wird mir dieses Wissen erlauben, eine Ahnung davon zu haben, worüber der Mechaniker spricht, wenn ich das nächste Mal mein Auto nehme. Außerdem scheint es mir, dass ein Mann in der Lage sein sollte, die Grundlagen der Technologie zu verstehen, die er jeden Tag verwendet. Wenn es um diese Website geht, weiß ich, wie Codierung und SEO funktionieren; es ist Zeit für mich, die konkreteren Dinge in meiner Welt zu untersuchen, wie das, was sich unter der Motorhaube meines Autos befindet.

Ich denke, es gibt andere erwachsene Männer da draußen, die wie ich sind — Männer, die keine Auto-Typen sind, aber ein wenig neugierig sind, wie ihre Fahrzeuge funktionieren. Also habe ich vor, das, was ich in meinem eigenen Arbeitszimmer lerne, zu teilen und in einer gelegentlichen Serie zu basteln, die wir Gearhead 101 nennen werden. Ziel ist es, die Grundlagen der Funktionsweise verschiedener Teile in einem Auto zu erklären und Ressourcen bereitzustellen, in denen Sie selbst mehr erfahren können.

Also beginnen wir kurzerhand unsere erste Getriebeklasse 101, indem wir das Herz eines Autos erklären: den Verbrennungsmotor.

Der Verbrennungsmotor

Ein Verbrennungsmotor wird als „Verbrennungsmotor“ bezeichnet, da Kraftstoff und Luft im Motor verbrennen, um die Energie für die Bewegung der Kolben zu erzeugen, die wiederum das Auto bewegen (wir zeigen Ihnen unten im Detail, wie dies geschieht).

Vergleichen Sie dies mit einem externen Verbrennungsmotor, bei dem Kraftstoff außerhalb des Motors verbrannt wird und die durch diese Verbrennung erzeugte Energie ihn antreibt. Dampfmaschinen sind das beste Beispiel dafür. Kohle wird außerhalb des Motors verbrannt, wodurch Wasser erhitzt wird, um Dampf zu erzeugen, der dann den Motor antreibt.

Die meisten Leute denken, dass in der Welt der mechanisierten Bewegung dampfbetriebene externe Verbrennungsmotoren vor der internen Verbrennungsvariante kamen. Die Realität ist, dass der Verbrennungsmotor zuerst kam. (Ja, die alten Griechen haben mit dampfbetriebenen Motoren herumgespielt, aber nichts Praktisches kam aus ihren Experimenten.)

Im 16.Jahrhundert schufen Erfinder eine Form des Verbrennungsmotors, der Schießpulver als Brennstoff verwendete, um die Bewegung der Kolben anzutreiben. Eigentlich war es nicht das Schießpulver, das sie bewegte. Die Art und Weise, wie dieser frühe Verbrennungsmotor funktionierte, war, dass man einen Kolben bis an die Spitze eines Zylinders stopfte und dann Schießpulver unter dem Kolben zündete. Nach der Explosion würde sich ein Vakuum bilden und den Kolben in den Zylinder saugen. Da dieser Motor auf die Änderungen des Luftdrucks angewiesen war, um den Kolben zu bewegen, nannten sie ihn den atmosphärischen Motor. Es war nicht sehr effizient. Im 17.Jahrhundert zeigten Dampfmaschinen viel Versprechen, so dass der Verbrennungsmotor aufgegeben wurde.

Erst 1860 wurde ein zuverlässiger, funktionierender Verbrennungsmotor erfunden. Ein belgischer Kollege namens Jean Joseph Etienne Lenoir patentierte einen Motor, der Erdgas in einen Zylinder einspritzte, der anschließend durch eine permanente Flamme in der Nähe des Zylinders gezündet wurde. Es funktionierte ähnlich wie der atmosphärische Schießpulvermotor, aber nicht zu effizient.

Aufbauend auf dieser Arbeit gründeten 1864 zwei deutsche Ingenieure namens Nicolaus August Otto und Eugen Langen eine Firma, die Motoren ähnlich Lenoirs Modell herstellte. Otto gab die Leitung des Unternehmens auf und begann an einem Motorendesign zu arbeiten, mit dem er seit 1861 spielte. Sein Design führte zu dem, was wir heute als Viertaktmotor kennen, und das grundlegende Design wird heute noch in Autos verwendet.

Die Anatomie eines Automotors

Ich zeige Ihnen hier ein wenig, wie der Viertaktmotor funktioniert, aber bevor ich es tue, dachte ich, es wäre hilfreich, die verschiedenen Teile eines Motors durchzugehen, damit Sie eine Vorstellung davon haben, was im Viertaktprozess was macht. Es gibt Terminologie in diesen Erklärungen, die auf anderen Begriffen in der Liste beruht, also mach dir keine Sorgen, wenn du zuerst verwirrt wirst. Lesen Sie das Ganze durch, um einen Gesamtüberblick zu erhalten, und lesen Sie es dann erneut, damit Sie ein grundlegendes Verständnis für jedes Stück haben, über das gesprochen wird.

Motorblock (Zylinderblock)

Der Motorblock ist das Fundament eines Motors. Die meisten Motorblöcke sind aus einer Aluminiumlegierung gegossen, aber einige Hersteller verwenden immer noch Eisen. Der Motorblock wird wegen des großen Lochs oder der als Zylinder bezeichneten Rohre, die in die integrierte Struktur gegossen werden, auch als Zylinderblock bezeichnet. Im Zylinder gleiten die Kolben des Motors auf und ab. Je mehr Zylinder ein Motor hat, desto leistungsfähiger ist er. Zusätzlich zu den Zylindern sind andere Kanäle und Durchgänge in den Block eingebaut, durch die Öl und Kühlmittel zu verschiedenen Teilen des Motors fließen können.

Warum heißt ein Motor „V6“ oder „V8“?

Tolle Frage! Es hat mit der Form und Anzahl der Zylinder eines Motors zu tun. Bei Vierzylindermotoren sind die Zylinder typischerweise in einer geraden Linie oberhalb der Kurbelwelle montiert. Dieses Motorlayout wird als Reihenmotor bezeichnet.

Ein weiteres Vierzylinder-Layout wird als „flat Four“ bezeichnet.“ Hier sind die Zylinder horizontal in zwei Bänken angeordnet, wobei die Kurbelwelle in der Mitte nach unten geht.

Wenn ein Motor mehr als vier Zylinder hat, werden diese in zwei Zylinderbänke unterteilt — drei Zylinder (oder mehr) pro Seite. Die Aufteilung der Zylinder in zwei Bänke lässt den Motor wie ein „V“ aussehen. Ein V-förmiger Motor mit sechs Zylindern = V6-Motor. Ein V-förmiger Motor mit acht Zylindern = V8 – vier in jeder Zylinderbank.

Brennkammer

In der Brennkammer eines Motors geschieht die Magie. Hier kommen Kraftstoff, Luft, Druck und Elektrizität zusammen, um die kleine Explosion zu erzeugen, die die Kolben des Autos auf und ab bewegt und so die Kraft erzeugt, das Fahrzeug zu bewegen. Die Brennkammer besteht aus Zylinder, Kolben und Zylinderkopf. Der Zylinder fungiert als Wand der Brennkammer, die Oberseite des Kolbens fungiert als Boden der Brennkammer und der Zylinderkopf dient als Decke der Brennkammer.

Zylinderkopf

Der Zylinderkopf ist ein Stück Metall, das über den Zylindern des Motors sitzt. In den Zylinderkopf sind kleine, abgerundete Vertiefungen eingegossen, um oben in der Kammer Platz für die Verbrennung zu schaffen. Eine Kopfdichtung dichtet die Verbindung zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock ab. Einlass- und Auslassventile, Zündkerzen und Einspritzdüsen (diese Teile werden später erläutert) sind ebenfalls am Zylinderkopf montiert.

Kolben

Kolben bewegen sich im Zylinder auf und ab. Sie sehen aus wie umgedrehte Suppendosen. Wenn sich Kraftstoff in der Brennkammer entzündet, drückt die Kraft den Kolben nach unten, was wiederum die Kurbelwelle bewegt (siehe unten). Der Kolben wird über eine Pleuelstange, auch Pleuel genannt, an der Kurbelwelle befestigt. Es verbindet sich über einen Kolbenbolzen mit der Pleuelstange und die Pleuelstange über ein Pleuellager mit der Kurbelwelle.

Auf der Oberseite des Kolbens befinden sich drei oder vier in das Metall gegossene Nuten. In die Nuten werden Kolbenringe eingesetzt. Die Kolbenringe sind der Teil, der tatsächlich die Wände des Zylinders berührt. Sie bestehen aus Eisen und sind in zwei Varianten erhältlich: Kompressionsringe und Ölringe. Die Kompressionsringe sind die oberen Ringe und drücken nach außen auf die Wände des Zylinders, um die Brennkammer stark abzudichten. Der Ölring ist der untere Ring eines Kolbens und verhindert, dass Öl aus dem Kurbelgehäuse in die Brennkammer sickert. Es wischt auch überschüssiges Öl an den Zylinderwänden und zurück in das Kurbelgehäuse.

Kurbelwelle

Die Kurbelwelle wandelt die Auf- und Abbewegung der Kolben in eine Drehbewegung um, die es dem Fahrzeug ermöglicht, sich zu bewegen. Die Kurbelwelle passt typischerweise der Länge nach in den Motorblock in der Nähe des Bodens. Es erstreckt sich von einem Ende des Motorblocks zum anderen. Am vorderen Ende des Motors ist die Kurbelwelle mit Gummibändern verbunden, die mit der Nockenwelle verbunden sind und andere Teile des Fahrzeugs mit Strom versorgen. Am hinteren Ende des Motors verbindet sich die Nockenwelle mit dem Antriebsstrang, der die Kraft auf die Räder überträgt. An jedem Ende der Kurbelwelle befinden sich Öldichtungen oder „O-Ringe“, die verhindern, dass Öl aus dem Motor austritt.

Die Kurbelwelle befindet sich im sogenannten Kurbelgehäuse eines Motors. Das Kurbelgehäuse befindet sich unter dem Zylinderblock. Das Kurbelgehäuse schützt die Kurbelwelle und die Pleuelstangen vor äußeren Gegenständen. Der Bereich am Boden eines Kurbelgehäuses wird als Ölwanne bezeichnet und dort wird das Öl Ihres Motors gelagert. In der Ölwanne befindet sich eine Ölpumpe, die Öl durch einen Filter pumpt, und dann wird dieses Öl auf die Kurbelwelle, die Pleuellager und die Zylinderwände gespritzt, um die Bewegung des Kolbenhubs zu schmieren. Das Öl tropft schließlich wieder in die Ölwanne, nur um den Vorgang erneut zu beginnen

Entlang der Kurbelwelle befinden sich Ausgleichslappen, die als Gegengewichte dienen, um die Kurbelwelle auszugleichen und Motorschäden durch das Wackeln zu verhindern, das beim Drehen der Kurbelwelle auftritt.

Auch entlang der Kurbelwelle befinden sich die Hauptlager. Die Hauptlager sorgen für eine glatte Oberfläche zwischen Kurbelwelle und Motorblock, damit sich die Kurbelwelle drehen kann.

Nockenwelle

Die Nockenwelle ist das Gehirn des Motors. Es arbeitet über einen Zahnriemen mit der Kurbelwelle zusammen, um sicherzustellen, dass sich Einlass- und Auslassventile genau zum richtigen Zeitpunkt öffnen und schließen, um eine optimale Motorleistung zu erzielen. Die Nockenwelle verwendet eiförmige Lappen, die sich über sie erstrecken, um den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens der Ventile zu steuern.

Die meisten Nockenwellen erstrecken sich durch den oberen Teil des Motorblocks direkt über der Kurbelwelle. Bei Reihenmotoren steuert eine einzige Nockenwelle sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil. Bei V-förmigen Motoren werden zwei separate Nockenwellen verwendet. Eines steuert die Ventile auf einer Seite des V und das andere steuert die Ventile auf der gegenüberliegenden Seite. Einige V-förmige Motoren (wie der in unserer Abbildung) haben sogar zwei Nockenwellen pro Zylinderbank. Eine Nockenwelle steuert eine Seite der Ventile und die andere Nockenwelle steuert die andere Seite.

Timing System

Wie oben erwähnt, koordinieren Nockenwelle und Kurbelwelle ihre Bewegung über einen Zahnriemen oder eine Kette. Die Steuerkette hält Kurbelwelle und Nockenwelle während des Motorbetriebs jederzeit in der gleichen relativen Position zueinander. Wenn Nockenwelle und Kurbelwelle aus irgendeinem Grund nicht mehr synchron sind (z. B. überspringt die Steuerkette ein Zahnrad), funktioniert der Motor nicht.

Ventiltrieb

Der Ventiltrieb ist das mechanische System, das am Zylinderkopf montiert ist und den Betrieb der Ventile steuert. Der Ventiltrieb besteht aus Ventilen, Kipphebeln, Stößelstangen und Hebern.

Ventile

Es gibt zwei Arten von Ventilen: Einlassventile und Auslassventile. Einlassventile bringen ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in die Brennkammer, um die Verbrennung für den Motor zu erzeugen. Auslassventile lassen das nach der Verbrennung entstehende Abgas aus der Brennkammer.

Autos haben typischerweise ein Einlassventil und ein Auslassventil pro Zylinder. Die meisten Hochleistungsautos (Jaguars, Maseratis usw.) haben vier Ventile pro Zylinder (zwei Einlass, zwei Auslass). Obwohl Honda nicht als „Hochleistungsmarke“ gilt, verwendet Honda in seinen Fahrzeugen auch vier Ventile pro Zylinder. Es gibt sogar Motoren mit drei Ventilen pro Zylinder — zwei Einlassventile, ein Auslassventil. Mehrventilsysteme lassen das Auto besser „atmen“, was wiederum die Motorleistung verbessert.

Kipphebel

Kipphebel sind kleine Hebel, die die Nocken oder Nocken der Nockenwelle berühren. Wenn ein Lappen ein Ende der Wippe anhebt, drückt das andere Ende der Wippe auf den Ventilschaft und öffnet das Ventil, um Luft in die Brennkammer einzulassen oder Abgas herauszulassen. Es funktioniert wie eine Wippe.

Stößel / Heber

Manchmal berühren Nockenwellenkeulen den Kipphebel direkt (wie Sie bei obenliegenden Nockenwellenmotoren sehen) und öffnen und schließen so das Ventil. Bei obenliegenden Ventilmotoren kommen die Nockenwellenkeulen nicht in direkten Kontakt mit den Kipphebeln, daher werden Schubstangen oder Heber verwendet.

Einspritzdüsen

Um die Verbrennung zu erzeugen, die zum Bewegen der Kolben erforderlich ist, benötigen wir Kraftstoff in den Zylindern. Vor den 1980er Jahren verwendeten Autos Vergaser, um den Brennraum mit Kraftstoff zu versorgen. Heute verwenden alle Autos eines von drei Kraftstoffeinspritzsystemen: Direkteinspritzung, portierte Kraftstoffeinspritzung oder Drosselklappeneinspritzung.

Bei der Kraftstoffdirekteinspritzung erhält jeder Zylinder einen eigenen Injektor, der Kraftstoff genau zum richtigen Zeitpunkt direkt in den Brennraum spritzt, um ihn zu verbrennen.

Bei portierter Kraftstoffeinspritzung sprüht der Kraftstoff nicht direkt in den Zylinder, sondern in den Ansaugkrümmer direkt außerhalb des Ventils. Wenn sich das Ventil öffnet, gelangen Luft und Kraftstoff in die Brennkammer.

Drosselklappeneinspritzsysteme funktionieren wie Vergaser, aber ohne Vergaser. Anstatt dass jeder Zylinder seinen eigenen Kraftstoffinjektor erhält, gibt es nur einen Kraftstoffinjektor, der zu einem Drosselklappengehäuse führt. Der Kraftstoff vermischt sich im Drosselklappengehäuse mit Luft und wird dann über die Einlassventile in die Zylinder verteilt.

Zündkerze

Über jedem Zylinder befindet sich eine Zündkerze. Wenn es funkelt, zündet es den komprimierten Kraftstoff und die Luft und verursacht die Mini-Explosion, die den Kolben nach unten drückt.

Der Viertaktzyklus

Nachdem wir nun alle grundlegenden Teile des Motors kennen, werfen wir einen Blick auf die Bewegung, die unser Auto tatsächlich bewegt: den Viertaktzyklus.

Die obige Abbildung zeigt den Viertaktzyklus in einem einzigen Zylinder. Dies geschieht auch in den anderen Zylindern. Wiederholen Sie diesen Zyklus tausendmal in einer Minute, und Sie erhalten ein Auto, das sich bewegt.

Nun, da gehst du. Die Grundlagen, wie ein Automotor funktioniert. Werfen Sie noch heute einen Blick unter die Motorhaube Ihres Autos und sehen Sie, ob Sie auf die von uns besprochenen Teile hinweisen können. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie ein Auto funktioniert, lesen Sie das Buch Wie Autos funktionieren. Es hat mir in meiner Forschung sehr geholfen. Der Autor macht einen tollen Job, Dinge in eine Sprache zu zerlegen, die selbst der Anfänger verstehen kann.

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