Viertaktmotor: interaktiver Simulator, Takt für Takt

Was das Modell zeigt

Ein Automotor bei 3000 U/min zündet in jedem Zylinder 25-mal pro Sekunde, viel zu schnell, um zuzusehen. Dieses Modell bremst den Motor so weit ab, dass Sie jedem Takt folgen können, und lässt Sie ihn dann umbauen: mehr Zylinder, Diesel statt Benzin, andere Steuerzeiten, weniger Gas.

Zylinder 1 ist in allen Einzelheiten gezeichnet und in der Mitte durchgeschnitten, damit man hineinsehen kann. Die roten Flächen sind die Schnittflächen von Block, Kopf und Ölwanne. Alles, was sich bewegt, ist vollständig zu sehen: der Kolben mit seinen Ringen, das Pleuel, die Kurbelwelle mit ihren Gegengewichten, die beiden Ventile mit ihren Federn, die beiden Nockenwellen, der Zahnriemen und das Schwungrad. Um sie herum sitzen die Teile, die einen Motor am Leben halten: der Wassermantel, die Zylinderkopfdichtung, die Hauptlager, die Ölpumpe, die Drosselklappe, die Einspritzdüse und der Katalysator. In der Liste Teile sind das 24 benannte Teile.

Die Maße sind die eines Zylinders eines gängigen Zweiliter-Vierzylindermotors: 86 mm Bohrung, 86 mm Hub und ein Verdichtungsverhältnis von 10 zu 1. Ein Zylinder hat 499,6 Kubikzentimeter Hubraum, vier zusammen 1998 cc. Die Anzeige in der Ecke zeigt den Kurbelwinkel, den Takt, in dem Zylinder 1 gerade ist, das Gasvolumen über dem Kolben und einen im Modell berechneten Zylinderdruck, darunter das Druck-Volumen-Diagramm und eine Drehmomentkurve.

Warum ein Arbeitsspiel zwei Kurbelwellenumdrehungen dauert

Ein Viertaktmotor braucht vier Bewegungen des Kolbens, also zwei volle Umdrehungen der Kurbelwelle, für ein Arbeitsspiel. Üblicherweise misst man das Arbeitsspiel in Grad Kurbelwinkel von 0° bis 720°, beginnend mit dem Kolben ganz oben in seinem Weg, dem oberen Totpunkt.

1. Ansaugen (0° bis 180°). Das Einlassventil ist offen, der Kolben bewegt sich nach unten. Der Raum über ihm wächst, der Druck sinkt etwas unter den der Außenluft, und das Luft-Kraftstoff-Gemisch strömt durch den Einlasskanal ein. Im Modell ist das der Strom blauer Punkte.
2. Verdichten (180° bis 360°). Beide Ventile sind geschlossen. Der Kolben steigt und presst das Gemisch auf ein Zehntel des Volumens zusammen, das es unten eingenommen hat. Das Verdichten erwärmt es und erhöht den Druck, was die folgende Verbrennung viel wirksamer macht. Die Punkte werden violett, je dichter sie gepackt sind.
3. Arbeiten (360° bis 540°). Kurz vor dem oberen Punkt zündet die Zündkerze. Die Flammenfront breitet sich in wenigen Tausendstelsekunden von der Kerze aus, der Druck steigt auf ein Mehrfaches und drückt den Kolben nach unten. Nur in diesem Takt verrichtet das Gas Arbeit am Kolben. Sehen Sie zu, wie die orange Halbkugel an der Kerze wächst.
4. Ausstoßen (540° bis 720°). Das Auslassventil öffnet nahe dem unteren Punkt, der Restdruck entweicht schlagartig, und der steigende Kolben schiebt das übrige verbrannte Gas in den Auslasskanal. Die grauen Punkte verlassen den Zylinder nach rechts.

Dann öffnet das Einlassventil wieder und das Spiel beginnt von vorn. Ein Zylinder liefert einen Arbeitstakt pro zwei Umdrehungen: Bei 3000 U/min sind das 25 Arbeitstakte pro Sekunde, jeder nur 10 Millisekunden lang.

Was die einzelnen Teile tun

Kolben und Ringe. Der Kolben ist ein leichter Aluminiumbecher, der mit einem Spiel von wenigen Hundertstelmillimetern in der Bohrung gleitet. Drei Ringe in Nuten nahe dem oberen Rand übernehmen die Abdichtung: Die oberen beiden halten den Gasdruck, der unterste streift das Öl von der Zylinderwand. Ein Kolbenbolzen aus Stahl mit 21 mm verbindet ihn mit dem Pleuel.

Pleuel und Kurbelwelle. Das Pleuel verbindet den Kolbenbolzen mit einem Hubzapfen, der 43 mm neben der Achse der Kurbelwelle sitzt. Dreht sich die Kurbelwelle, beschreibt der Zapfen einen Kreis und der Kolben legt 86 mm zurück, doppelt so viel wie der Kurbelradius. Die schweren Wangen gegenüber dem Zapfen sind Gegengewichte, die die rotierende Masse ausgleichen. Die Kurbelwelle läuft in Hauptlagern: dünnen Lagerschalen mit einer Schicht aus weichem Metall. Im Betrieb schwimmt der Zapfen auf einem Ölfilm und berührt sie nie.

Schwungrad. Drei von vier Takten nehmen Energie auf, statt sie abzugeben. Das Schwungrad ist eine schwere Scheibe, die im Arbeitstakt Energie speichert und sie in den anderen Takten wieder abgibt, damit die Kurbelwelle weiterdreht.

Ventile, Federn und Nockenwellen. Jedes Ventil ist ein pilzförmiges Tellerventil aus Stahl, das eine Feder geschlossen hält. Ein Nocken auf der Nockenwelle drückt es über einen becherförmigen Stößel, den Tassenstößel, auf. Die Form des Nockens bestimmt, wann das Ventil öffnet, wie weit und wie lange. In diesem Modell hebt sich jedes Ventil um 9,2 mm, und die Nocken wurden aus derselben Hubkurve gezeichnet, die die Ventile bewegt.

Zahnriemen. Die Kurbelwelle treibt die Nockenwellen über einen Zahnriemen an. Das Kurbelwellenrad hat 21 Zähne, jedes Nockenwellenrad 42, sodass sich die Nockenwellen genau einmal pro zwei Kurbelumdrehungen drehen. Jedes Ventil öffnet einmal pro Arbeitsspiel, und ein Arbeitsspiel dauert zwei Kurbelumdrehungen, also kann das Verhältnis gar nicht anders sein.

Kühlung und Schmierung. Schalten Sie „Kühlmittel und Öl“ ein. Das Kühlmittel (blau) steigt im Wassermantel neben der Bohrung auf, strömt über den Brennraum und trägt die Wärme zum Kühler. Die Zylinderkopfdichtung, ein dünnes mehrlagiges Stahlblech, trennt Gas, Kühlmittel und Öl dort, wo Kopf und Block aufeinandertreffen. Das Öl (bernsteinfarben) saugt die Ölpumpe durch ein Sieb aus der Wanne und schickt es zu den Hauptlagern, danach läuft es wieder nach unten.

Drosselklappe und Einspritzdüse. Im Benzinmotor ist die Drosselklappe eine Klappe im Ansaugweg. Schließt sie, sinkt der Druck der einströmenden Luft, und so verlangt der Fahrer weniger Leistung. Die Saugrohreinspritzdüse spritzt den Kraftstoff auf die Rückseite des geschlossenen Einlassventils, und kurz bevor der Einlass öffnet, sehen Sie den kurzen Strahl.

Ein Zylinder oder acht

Bewegen Sie den Regler „Zylinder“. Die zusätzlichen Zylinder sind durchscheinend auf derselben Kurbelwelle gezeichnet, und sie folgen tatsächlich ihren eigenen Kröpfungen und ihrer Zündfolge.

Ein einzelner Zylinder gibt alle zwei Umdrehungen einen Stoß, deshalb schwankt das Drehmoment an der Kurbelwelle stark: kräftig positiv im Arbeitstakt, leicht negativ, während der Kolben die nächste Ladung verdichtet. Die Drehmomentkurve in der Anzeige zeigt das gesamte Gasdrehmoment über zwei Umdrehungen, mit einer gestrichelten Linie beim Mittelwert. Die Zahl oben rechts ist der Ausschlag, also der Abstand zwischen höchstem und niedrigstem Drehmoment geteilt durch den Mittelwert.

Der Ausschlag wird aus der Druckkurve des Modells berechnet, nur mit den Gaskräften. Die Massenkräfte der Kolben fehlen darin, obwohl sie bei hoher Drehzahl viel ausmachen; deshalb achten Ingenieure neben den Zündabständen auch auf den Massenausgleich. Ein Reihenvierzylinder etwa zündet gleichmäßig, schüttelt aber trotzdem zweimal pro Umdrehung auf und ab, weil sich seine Kolben nicht als perfekte Sinuswelle bewegen. Darum haben viele größere Vierzylinder Ausgleichswellen.

Im Bereich Steuerung gibt es ein Balkendiagramm des Ausschlags für jede Bauform. Tippen Sie auf einen Balken, um zu dieser Bauform zu springen.

Benzin oder Diesel

Schalten Sie „Diesel“ ein. Im Modell ändern sich drei Dinge.

Erstens hebt sich der Kolbenboden um 4,5 mm, wodurch der Raum über dem Kolben im oberen Punkt von 55,5 cc auf 29,4 cc schrumpft. Das Verdichtungsverhältnis steigt von 10:1 auf 18:1. Zweitens gibt es keine Zündkerze. Allein die Luft wird so stark verdichtet, dass sie mehrere hundert Grad erreicht, heiß genug, um Dieselkraftstoff im Moment des Einspritzens zu entzünden. Drittens wandert die Einspritzdüse in die Mitte des Kopfes und spritzt etwa 10° vor dem oberen Punkt direkt in den Zylinder. Der Kraftstoff verbrennt, während er eintritt, deshalb setzt die Verbrennung sanfter ein als beim Zündfunken eines Benziners und dauert länger.

Ein Diesel hat keine Drosselklappe im üblichen Sinn. Er saugt immer einen vollen Zylinder Luft an und regelt die Leistung über mehr oder weniger eingespritzten Kraftstoff. Im Modell ändert der Drosselregler im Dieselbetrieb die Kraftstoffmenge und im Benzinbetrieb den Ansaugdruck. Dieser Unterschied ist ein Grund, warum Diesel in Teillast weniger Energie verschwenden: Ein Benziner, der gemächlich läuft, muss seine Ladung durch eine fast geschlossene Klappe saugen, und Luft durch diese Engstelle zu pumpen kostet Arbeit.

Wie hoch kann der Wirkungsgrad sein?

Der Idealprozess eines Benzinmotors ist der Otto-Kreisprozess: Verdichtung und Expansion ohne Wärmeverlust, und die ganze Wärme wird im oberen Punkt auf einmal zugeführt. Sein Wirkungsgrad hängt nur vom Verdichtungsverhältnis r und vom Isentropenexponenten des Gases γ ab:

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

Mit Luft (γ = 1,4) und r = 10 ergibt das 60,2 %. Bei 14:1, dem Verhältnis der SKYACTIV-G-Benzinmotoren von Mazda außerhalb der USA, steigt er auf 65,2 %. Der ideale Dieselprozess führt die Wärme über einen Teil des Hubs zu statt auf einmal; mit r = 18 und einem Einspritzverhältnis von 2 ergibt er 63,2 %. Die höhere Verdichtung ist der wichtigste Vorteil des Diesels. Ein Benzinmotor kommt kaum über 10 bis 14:1 hinaus, weil das heiße Gemisch sonst vor dem Funken von selbst explodieren würde. Das nennt man Klopfen.

Die Zeile „Idealer Wirkungsgrad“ in der Anzeige verwendet diese Formeln. Das Labor im Bereich Steuerung zeigt außerdem einen Modellwirkungsgrad: die Arbeit im berechneten Druckverlauf geteilt durch die darin freigesetzte Wärme. Mit den Grundeinstellungen sind das etwa 48 % beim Benziner und etwa 51 % beim Diesel; bei Viertelgas fällt der Benziner auf 36 %, während der Diesel nahe 50 % bleibt. Echte Motoren verlieren mehr: Wärme fließt in die Wände, die Verbrennung ist nicht augenblicklich, und Reibung sowie Öl- und Wasserpumpe nehmen ihren Anteil. Im normalen Fahrbetrieb schätzt das US-Energieministerium, dass nur etwa 12 bis 30 % der Energie im Kraftstoff eines herkömmlichen Autos am Ende das Auto auf der Straße bewegen, je nach Fahrweise.

Steuerzeiten zum Verschieben

Würden die Ventile genau im oberen und unteren Totpunkt öffnen und schließen, würde der Motor bei hoher Drehzahl schlecht atmen, denn Gas hat Masse und braucht Zeit, um in Bewegung zu kommen und anzuhalten. Echte Motoren öffnen die Ventile früher und schließen sie später. Dieses Modell beginnt mit typischen Werten:

Schließt der Einlass spät, drängt die bewegte Luftsäule weiter in den Zylinder, obwohl der Kolben schon wieder steigt. Öffnet der Auslass früh, kann der hohe Druck entweichen, bevor der Kolben dagegen anschieben muss. Um den oberen Totpunkt am Ende des Ausstoßtakts sind beide Ventile 20° lang gleichzeitig ein wenig offen; diese Ventilüberschneidung lässt das ausströmende Abgas beim Ansaugen der frischen Ladung helfen.

Der Kreis im Bereich Steuerung ist ein Steuerdiagramm. Der obere Totpunkt liegt oben, und eine Runde entspricht einer Kurbelumdrehung. Der blaue Bogen ist die Zeit, in der der Einlass offen ist, der graue die des Auslasses. Ziehen Sie einen der Bögen am Kreis entlang oder nutzen Sie die Tasten darunter. Genau das macht ein Nockenwellenversteller in einem echten Motor: Er verdreht die Nockenwelle um einige Grad gegenüber ihrem Rad, sodass das Ventil früher oder später öffnet und schließt, während die Öffnungsdauer gleich bleibt. Die Nockenwellen im 3D-Modell drehen sich mit Ihrer Einstellung.

Beim Ziehen ändern sich drei Zahlen. Die Überschneidung ist der schattierte Keil oben. Das effektive Verdichtungsverhältnis ist das Volumen beim Schließen des Einlasses geteilt durch das kleinste Volumen; ein späteres Schließen des Einlasses senkt es also. Motoren für den Atkinson- oder Miller-Prozess tun das absichtlich, um ein hohes Expansionsverhältnis ohne Klopfen zu fahren. Der Modellwirkungsgrad folgt dem Druckverlauf: Öffnet der Auslass früher, geht Druck verloren, der den Kolben noch hätte schieben können, und der Wirkungsgrad sinkt.

Drosselklappe, Drehzahl, Drehmoment und Leistung

Das zweite Diagramm im Labor zeigt Drehmoment und Leistung über der Drehzahl. Die schwarze Linie ist das Drehmoment bei der eingestellten Drosselklappe, die orange Linie die passende Leistung. Die grauen Striche zeigen Vollgas. Die gepunktete Linie ist eine straßenähnliche Last, die mit der Geschwindigkeit wächst, und der rote Punkt sitzt dort, wo Motordrehmoment und Last sich treffen. Bei dieser Drehzahl würde sich der Motor einpendeln. Schließen Sie die Drosselklappe, rutscht der Punkt zu einer niedrigeren Drehzahl, und genau so steuert ein Fahrer sein Auto.

Das Drehmoment ergibt sich aus der Arbeit des Modellprozesses: Ein Zylinder, der pro Arbeitsspiel 625 Joule Gasarbeit leistet, liefert gemittelt über zwei Umdrehungen 625 / 4π ≈ 50 Newtonmeter. Die Füllung ändert sich mit der Drehzahl (am besten nahe einer mittleren Drehzahl, die sich mit den Steuerzeiten verschiebt), und die Reibung wächst mit der Drehzahl, also erreicht das Drehmoment in der Mitte sein Maximum, während die Leistung bis kurz vor die Höchstdrehzahl weiter steigt. Leistung ist Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit: P = T × 2πN / 60. All diese Kurven sind Modellwerte, die Formen zeigen sollen, kein Prüfstandsblatt.

Zwei Takte statt vier

Schalten Sie „Mit Zweitakter vergleichen“ ein. Auf der Bühne erscheint die Zeichnung eines Zweitaktzylinders auf derselben Kurbel. Er hat keine Ventile. Der Kolben selbst gibt nahe dem unteren Ende seines Wegs einen Auslassschlitz und einen Überströmschlitz in der Zylinderwand frei. Die frische Ladung, im Kurbelgehäuse unter dem Kolben schon leicht vorverdichtet, strömt durch den Überströmschlitz ein und schiebt das verbrannte Gas durch den Auslass hinaus. So ist jeder Abwärtshub ein Arbeitstakt, und der Motor zündet einmal pro Umdrehung.

Die orange Linie in der Drehmomentkurve ist das Drehmoment des Zweitakters. Er zündet doppelt so oft, aber im Modell leistet jedes Arbeitsspiel weniger Arbeit (etwa die Hälfte), weil die Schlitze einen großen Teil des Hubs offen sind und ein Teil der frischen Ladung direkt durch den Auslass entweicht. Dieser verlorene Kraftstoff ist der Grund, warum kleine Zweitakter leicht und einfach, aber schmutzig sind, und warum die meisten Straßenfahrzeuge zum Viertakt gewechselt sind. Große, langsame Zweitakt-Diesel in Schiffen lösen das Problem mit Gebläsen und Auslassventilen und gehören zu den effizientesten Motoren, die je gebaut wurden.

Echte Motoren

Der Motorkatalog stellt Bauform, Kraftstoff und Zylindergröße des Modells auf einen echten Motor ein. Die Zylinder werden jeweils in der richtigen Größe gezeichnet, außer den größten, die verkleinert und entsprechend gekennzeichnet sind. Verdichtungsverhältnis und Drücke bleiben Modellwerte.

Leistungen stehen nur dort, wo für die genannte Version ein einziger Wert bestätigt wurde. Mehrere dieser Motoren wurden in mehr als einer Leistungsstufe verkauft.

Die Zahlen, nachgerechnet

Das Druck-Volumen-Diagramm lesen

Das kleine Diagramm in der Anzeige trägt den Zylinderdruck über dem Volumen auf, während sich die Kurbel dreht. Die senkrechte Achse ist logarithmisch, damit der niedrige Ansaugdruck und die hohe Verbrennungsspitze auf ein Diagramm passen. Die von der Schleife eingeschlossene Fläche ist proportional zur Arbeit, die das Gas in einem Arbeitsspiel am Kolben verrichtet. Schließen Sie die Drosselklappe und sehen Sie zu, wie die Schleife schrumpft und die untere Linie unter den Atmosphärendruck sinkt: Die kleine umgekehrte Schleife unten ist die Ladungswechselarbeit.

Der Druck hier ist ein vereinfachtes Modell, keine Messung. Verdichtung und Expansion folgen der Polytropenbeziehung pVⁿ = konstant mit n = 1,32, und die Wärmefreisetzung folgt einer glatten S-förmigen Brennkurve, die beim Zündfunken beginnt und 55 Grad Kurbelwinkel dauert. Das ergibt bei Vollgas eine Spitze von etwa 51 bar bei 20° nach dem oberen Totpunkt.

Das Abgas reinigen

Beim Verbrennen von Benzin in Luft bleiben drei Hauptschadstoffe übrig: Kohlenmonoxid, unverbrannte Kohlenwasserstoffe und Stickoxide. Der Katalysator im Abgasrohr ist ein Keramikwabenkörper, beschichtet mit Platin, Palladium und Rhodium. Im Benzinauto ist er ein Dreiwegekatalysator: Er oxidiert Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe zu Kohlendioxid und Wasser und reduziert Stickoxide zu Stickstoff. Alle drei schafft er nur gleichzeitig, wenn der Motor sehr nahe am chemisch richtigen Gemisch läuft; deshalb haben Benzinmotoren eine Lambdasonde im Abgas. Diesel laufen mit Luftüberschuss, darum nutzen sie einen Oxidationskatalysator, einen Partikelfilter für Ruß und ein eigenes System für die Stickoxide.

Woher der Viertaktmotor kommt

Verbrennungsmotoren, die ein Gemisch ansaugten und es ohne vorherige Verdichtung zündeten, gab es schon in den 1860er-Jahren, doch sie arbeiteten wenig effizient. 1876 baute Nicolaus Otto in Deutschland den ersten praxistauglichen Motor, der seine Ladung vor dem Zünden verdichtete, nach dem hier gezeigten Viertaktverfahren. Deshalb heißt der ideale Viertakt-Benzinprozess bis heute Otto-Kreisprozess. In den 1890er-Jahren entwickelte Rudolf Diesel den Motor, der seinen Kraftstoff allein durch Verdichtung entzündet.

Von der Gasarbeit zu Kilowatt: ein Rechenbeispiel

Das Modell gibt jedem Zylinder bei Volllast etwa 625 Joule Gasarbeit pro Arbeitsspiel. Alles Folgende ergibt sich aus dieser einen Zahl, und die gleichen Schritte funktionieren für jeden Motor, dessen Datenblatt Sie lesen können.

1. Arbeit pro Arbeitsspiel für vier Zylinder. 4 × 625 J = 2500 J.
2. Mittleres Drehmoment. Ein Arbeitsspiel sind zwei Umdrehungen, also 4π Radiant, daher T = 2500 ÷ 4π ≈ 199 N·m. Das ist der Mittelwert über das Arbeitsspiel. Die Drehmomentkurve in der Anzeige schwankt um ihn herum.
3. Leistung bei 3000 U/min. P = 2πNT / 60 = 2π × 3000 × 199 / 60 ≈ 62,5 kW. Die Abkürzung liefert dasselbe: 2500 J pro Arbeitsspiel × 25 Arbeitsspiele pro Sekunde = 62.500 W.
4. Mittlerer effektiver Druck. Teilen Sie die Arbeit pro Arbeitsspiel durch das Hubvolumen: 2500 J ÷ 1,998 Liter = 1,25 Megapascal, also etwa 12,5 bar. Das ist der konstante Druck, der während des ganzen Arbeitstakts auf den Kolben wirken müsste, um dieselbe Arbeit zu leisten. Er erlaubt den Vergleich von Motoren verschiedener Größe, weil er nicht vom Hubraum abhängt.
5. Leistung pro Liter. 62,5 kW ÷ 1,998 L ≈ 31 kW pro Liter.

Das Modell hält das Drehmoment hier der Einfachheit halber konstant. Bei einem echten Motor ändert sich das Drehmoment mit der Drehzahl, die Leistung bei 6000 U/min ist also nicht genau doppelt so hoch. Das Beispiel soll die Kette der Einheiten zeigen: Joule pro Arbeitsspiel werden zu Newtonmetern, Newtonmeter mal Radiant pro Sekunde werden zu Watt.

Der Motorkatalog zeigt, wie stark die Leistung pro Liter schwanken kann. Nach den Nennleistungen in der Tabelle oben liefert der Diesel Toyota 1GD-FTV 130 kW aus 2755 cc, etwa 47 kW pro Liter. Der Volkswagen EA888 2.0 TSI leistet 162 kW aus 1984 cc, etwa 82 kW pro Liter, und der Honda K20C1 bringt 228 kW aus 1996 cc, etwa 114 kW pro Liter. Das sind Nennwerte bei einer Drehzahl für eine Version, und die Turbomotoren erreichen sie, indem sie mehr Luft in dieselben Zylinder pressen, nicht durch größere Bohrung oder längeren Hub.

Verdichtungsverhältnis, Klopfen und Kraftstoff

Die Wirkungsgradformel η = 1 − 1/r^(γ−1) belohnt ein höheres Verdichtungsverhältnis, aber mit abnehmendem Ertrag. Mit γ = 1,4 gilt:

Von 8 auf 10 gewinnt man 3,7 Prozentpunkte. Von 12 auf 14 sind es nur 2,2. Die Kurve flacht ab, jede weitere Einheit Verdichtung bringt weniger.

Echte Motoren liegen auch deutlich unter diesen Werten. Das Gas im Motor ist keine Luft mit γ = 1,4: das verbrannte Gemisch hat ein kleineres Verhältnis der Wärmekapazitäten, und mit γ = 1,3 ergibt dieselbe Formel bei 10:1 nur 49,9 %. Der Modellwert bei den Standardeinstellungen liegt mit etwa 48 % in der gleichen Größenordnung. Wärmeverluste an die Wände und Reibung senken den realen Wert weiter, bei Serienmotoren im besten Fall auf etwa 30 bis 40 %.

Was Benzinmotoren daran hindert, das Verhältnis einfach zu erhöhen, ist das Klopfen. Die Oktanzahl misst, wie gut ein Kraftstoff dem Klopfen widersteht, bei dem sich ein Teil des verdichteten Gemischs entzündet, bevor die Flamme ihn erreicht. Ein höheres Verhältnis macht das Restgas heißer und dichter, es braucht also einen Kraftstoff, der der Selbstzündung widersteht. Deshalb sagt die Betriebsanleitung, welche Oktanzahl man tanken soll: Der Motor wurde dafür ausgelegt. Neuere Motoren können die Zündung zurücknehmen, wenn sie Klopfen erkennen. Das schützt sie, kostet aber Leistung und Verbrauch. Der Diesel im Modell umgeht das Problem, indem er nur Luft verdichtet und den Kraftstoff erst danach einspritzt.

Häufige Missverständnisse

„Der Motor zündet in jedem Takt.“ Nur ein Takt von vieren leistet Arbeit am Kolben. Bei einem Einzylinder entnehmen die anderen drei dem Schwungrad Energie. Drehen Sie den Regler „Zylinder“ hoch und achten Sie auf die Zündfolge: Beim Achtzylinder folgen die Arbeitstakte alle 90° aufeinander, wodurch es nur kontinuierlich aussieht.

„Drehmoment und Leistung sind dasselbe.“ Das Drehmoment ist die Drehkraft an der Kurbelwelle. Die Leistung ist das Drehmoment mal die Drehgeschwindigkeit. Ein Motor kann sein höchstes Drehmoment bei mittlerer Drehzahl haben und seine höchste Leistung bei viel höherer, genau das zeigen die zwei Kurven im Drehzahldiagramm.

„Mehr Zylinder bedeuten immer mehr Leistung.“ Die Leistung hängt von der Luft ab, die ein Motor pro Sekunde verbrennen kann: Hubraum, Drehzahl und wie viel Luft in jeden Zylinder gepackt wird. Ein kleiner Turbo-Dreizylinder aus der Liste kann einen größeren Motor ohne Turbo überholen. Mehr Zylinder machen vor allem das Drehmoment gleichmäßiger und erlauben kleinere Einzelzylinder, wie die Spalte mit der Schwankung zeigt.

„Wer die Drosselklappe schließt, leistet dieselbe Arbeit mit weniger Kraftstoff.“ Es gelangt weniger Luft in den Zylinder, und der Kraftstoff wird entsprechend zugemessen. Der Preis ist die Ladungswechselarbeit: Der Kolben muss die Luft an einer fast geschlossenen Klappe vorbeisaugen. Die kleine umgekehrte Schleife im Druck-Volumen-Diagramm zeigt diesen Verlust.

„Höhere Oktanzahl bedeutet mehr Leistung.“ Die Oktanzahl beschreibt die Klopffestigkeit, nicht den Energiegehalt des Kraftstoffs. Ein Motor, der mit der niedrigeren Sorte nicht klopft, gewinnt mit der höheren nichts, und es gilt die Empfehlung des Herstellers.

Am Bildschirm ausprobieren

• Das Rechenbeispiel prüfen. Wählen Sie vier Zylinder und Benzin bei Volllast. Die gestrichelte Linie im Drehmomentdiagramm ist das mittlere Drehmoment, das Drehzahldiagramm im Labor zeigt die dazu passende Leistung. Vergleichen Sie ihre Form mit den Schritten oben.
• Die Schleifen vergleichen. Schalten Sie „Diesel“ ein und aus und vergleichen Sie die Druck-Volumen-Schleife, das Verdichtungsverhältnis und die Zeile „Idealer Wirkungsgrad“. Das Verhältnis springt von 10:1 auf 18:1.
• Die effektive Verdichtung beobachten. Ziehen Sie im Ventilzeitenkreis den Einlassbogen nach später und lesen Sie „Effektive Verdichtung“ und den Modellwirkungsgrad ab, während sie sich ändern.
• Die Ladungswechselverluste sehen. Senken Sie bei Benzin die Drosselklappe und achten Sie auf die kleine umgekehrte Schleife unten im Druck-Volumen-Diagramm und auf den Modellwirkungsgrad, der bei einem Viertel Drosselung auf etwa 36 % fällt.
• Motoren verschiedener Größe vergleichen. Wählen Sie im Motorkatalog zwei Einträge, etwa den Honda GX160 und den GM LS3, und vergleichen Sie die Zylinderzeichnungen und die cc pro Zylinder in der Notiz unter der Liste.

Dreißig Motoren, von 1876 bis zum Containerschiff

Der Katalog im Reiter „Steuerung“ enthält jetzt dreißig Motoren. Sie können nach Namen suchen oder nach Motoren vor 1950, Pkw, Motorrädern, Kleinmotoren, Lkw, Rennsport und Schiffen sowie nach Fremdzündung oder Diesel filtern. Die Auswahl stellt Bauform, Kraftstoff und Zylindergröße ein: Die Zeichnung wächst vom Rasenmäherzylinder bis zum Schiffszylinder.

Zwei Einträge brauchen eine Anmerkung. Das Modell zeichnet einen 60°-V6, der Formel-1-Motor ist jedoch ein 90°-V6: Die Bauform ist auf der Bühne ähnlich, aber nicht exakt. Die Zylinder des Schiffsmotors haben 960 mm Durchmesser, mehr als das Elffache der Modellbohrung. Deshalb zeichnet die Bühne ihn in doppelter Modellgröße und weist darauf hin; die Anzeige rechnet weiterhin mit der echten Größe. Sein Wirkungsgrad steht im Wärtsilä-Dokument nicht als Prozentzahl. Er ergibt sich aus dem Verbrauch: 171 Gramm Kraftstoff je Kilowattstunde bei 42,7 MJ je Kilogramm ergeben 3.600 ÷ (0,171 × 42.700) = 49,3 %. Der Schiffsmotor ist ein Zweitakter; seine Auswahl öffnet daher auch den Zweitaktvergleich.

Ein größerer Zylinder kann nicht ebenso schnell drehen. Entscheidend ist die Geschwindigkeit der Kolben, deshalb hält das Modell die mittlere Kolbengeschwindigkeit beim Vergrößern konstant. In Modellgröße ergeben 7.000 rpm bei 86 mm Hub eine mittlere Kolbengeschwindigkeit von 20,1 m/s. Bei einer Vergrößerung auf das 15-Fache, wie beim Schiff, erlaubt dieselbe Kolbengeschwindigkeit nur etwa 300 rpm. Der echte Schiffsmotor dreht mit 102 rpm, weil sein Hub das 2,6-Fache seiner Bohrung beträgt. Das ergibt die in der Wärtsilä-Tabelle genannten 8,5 m/s.

Echte Drehzahl, dann Zeitlupe

Die Taste „Mit 3.000 rpm laufen lassen“ zeigt, was das Modell sonst meist verbirgt. Bei 3.000 rpm dreht die Kurbelwelle 50-mal pro Sekunde, jeder Zylinder zündet 25-mal pro Sekunde, und ein Takt dauert 10 Tausendstelsekunden. Auf einem 60-Hz-Bildschirm sind das 300 Grad Kurbelwinkel zwischen zwei Bildern. Die Teile scheinen zu ruckeln oder sogar rückwärts zu laufen: der Stroboskopeffekt, durch den sich auch Filmräder scheinbar falschherum drehen. Nach drei Sekunden bremst das Modell über 3,5 Sekunden auf 6 rpm ab. Dann lässt sich jeder Takt wieder verfolgen, und das Banner nennt den Takt von Zylinder 1. Mit eingeschaltetem Ton verschmelzen die Schläge bei voller Drehzahl zum Summen und trennen sich beim Abbremsen wieder.

Verdichtungsverhältnis, Klopfen und spätes Einlassschließen

Der Verdichtungsschieber ändert das Verhältnis des Benzinmotors von 6:1 bis 15:1. Ein höheres Verhältnis steigert den Modellwirkungsgrad (47,6 % bei 10:1), weil sich das Gas nach dem Verbrennen stärker entspannt. Es verdichtet aber auch das unverbrannte Gemisch stärker. Wird das Endgas heiß und dicht genug, entzündet es sich selbst, bevor die Flamme der Zündkerze es erreicht. Die beiden Druckwellen treffen aufeinander. Das ist Klopfen: ein metallisches Klingeln, hoher Spitzendruck und im echten Motor beschädigte Kolben.

Klopfen hängt von Kraftstoff, Temperatur, Brennraumform und Zündzeitpunkt ab. Das Modell nutzt eine einfache Regel und nennt sie auf dem Bildschirm: Übersteigt der Druck am Verdichtungsende 20,5 bar, tritt Klopfen auf. Bei den ursprünglichen Steuerzeiten liegt die Grenze um 11:1 (20,2 bar, noch kein Klopfen); 12:1 erreicht 22,7 bar und klopft.

Es gibt einen Ausweg. Schließt das Einlassventil später, wird ein Teil der Ladung vor dem Schließen in den Einlass zurückgedrückt. Der Kolben verdichtet tatsächlich weniger, als das geometrische Verhältnis vermuten lässt. Mit 40° späterem Einlassschließen endet die Verdichtung bei 13,5:1 mit 17,9 bar unter der Klopfgrenze, und der Modellwirkungsgrad steigt auf 50,9 %. Die Expansion nutzt weiterhin das volle Verhältnis 13,5:1. Darauf beruhen Atkinson- und Miller-Zyklus: kurze Verdichtung, lange Expansion. Toyotas 2ZR-FXE im Prius nutzt dieses Prinzip; Mazda und Toyota nennen für ihre neueren Benzinmotoren Verdichtungsverhältnisse von 13 und 14 zu 1.

Turboaufladung und die Rückkehr des Klopfens

Beim Einbauen erscheint der Turbolader neben dem Auspuffrohr. Das Abgas treibt das Turbinenrad an; das Verdichterrad auf derselben Welle drückt Luft in den Einlass. Mehr Luft im Zylinder erlaubt mehr Kraftstoff und somit mehr Leistung aus demselben Hubraum. Das US-Energieministerium beschreibt Turbolader als Verdichter, die zusätzliche Luft in die Zylinder pressen und dadurch mehr eingespritzten Kraftstoff erlauben. Für Turboaufladung zusammen mit einem kleineren Motor nennt es bis zu 8 % Kraftstoffeinsparung.

Der Ladedruckschieber erhöht den Druck über den Außendruck hinaus. Im Modell steigern 0,9 bar Ladedruck beim Einzylinder die Spitzenleistung von 19,1 kW auf 29,4 kW. Der Preis ist Klopfen: Der Druck am Verdichtungsende wächst mit dem Ladedruck, sodass 0,6 bar bei 10:1 bereits 29,1 bar ergeben. Echte aufgeladene Benzinmotoren begegnen dem mit einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis, späterem Einlassschließen, Ladeluftkühlung und Direkteinspritzung. Im Modell sind 0,9 bar bei 8:1 und 40° späterem Einlassschließen klopffrei möglich (18,1 bar). Für den Diesel gilt diese Grenze nicht, weil sein Kraftstoff erst eingespritzt wird, wenn er brennen soll.

Aufgaben auf der Bühne

Die Aufgabenliste im Reiter „Steuerung“, auch über die Marke auf der Bühne erreichbar, prüft Ihre Arbeit laufend am Modell. Es gibt elf Aufgaben: mindestens 5 % mehr Spitzenleistung durch Steuerzeiten gewinnen (die beste überprüfte Einstellung, Einlass 15° früher und Auslass 30° später, bringt 10,7 %), 13:1 ohne Klopfen erreichen, die V8-Zündfolge nennen, den Vorteil des Diesels bei Teillast sehen (50,7 % gegenüber 43,6 % bei halber Drosselöffnung), die gleichmäßigste Bauform finden, den Motor mit echter Drehzahl laufen lassen, zwei mit vier Takten vergleichen, den effizientesten und den ältesten Katalogmotor finden, ohne Klopfen auf 0,8 bar aufladen und jede Nahansicht öffnen. Gelöste Aufgaben bleiben beim nächsten Besuch markiert.

„Momentan“ und „Mittelwert“ in der Anzeige

Die Anzeige mischt zwei Arten von Zahlen, die hier jeweils gekennzeichnet sind. Das als „momentan“ markierte Gasdrehmoment ist die Drehwirkung des Gases auf die Kurbelwelle bei diesem Kurbelwinkel. Es schwankt von negativen Werten während der Verdichtung bis zu mehreren Hundert Newtonmetern kurz nach dem Funken. Deshalb ergäbe seine Multiplikation mit der Drehzahl keine sinnvolle Leistung. Die mit „Mittelwert“ gekennzeichneten Werte für Drehmoment, Drehzahl und Leistung gehören zusammen: Sie sind das Mittel über ein volles Arbeitsspiel nach Abzug von Reibung und Ladungswechsel, bei der Drehzahl, auf die sich der Motor unter Last einpendelt. Multipliziert man dieses Drehmoment mit der Winkelgeschwindigkeit in Radiant pro Sekunde, erhält man die Leistung derselben Zeile.

Nahansichten

Die Nahansichtstasten fahren jeweils zu einem Bauteil und halten die Kurbel an der entscheidenden Stelle an: Kurbelzapfen bei 90°, Einlassnocken bei vollem Hub, beide Ventile um den oberen Totpunkt gleichzeitig offen, Kolben im Verdichtungstakt, Funke kurz vor dem oberen Totpunkt, Dieseldüse beim Einspritzbeginn und Turbolader. „Zerlegen“ trennt die Gussteile von den beweglichen Teilen, sodass Kolben, Pleuel und Kurbelwelle allein laufend sichtbar werden.