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Schule > Physik > Mechanik > Der Benzinmotor: Aufbau, Funktion, Wirkung

Der Benzinmotor

1) Einleitung
In vielen Fahrzeugen und Maschinen in unserem Alltag wird der Benzinmotor als Antrieb verwendet. Aufgabe des Benzinmotors ist es, die im Kraftstoff enthaltene chemische Energie mit einem möglichst großen Wirkungsgrad in mechanische Energie umzuwandeln. Dies geschieht Schrittweise, in dem die Kohlenwasserstoffe, die im Kraftstoff enthalten sind, gezündet werden und Wärmeenergie erzeugen. Diese bewegt einen Kolben, der die Energie schließlich in die gewünschte Bewegungsenergie umsetzt.
Ein bekannter Erfinder, der immer wieder beim Thema Benzinmotor genannt wird, ist Nicolaus August Otto, der 1876 den Verbrennungsmotor in der heutigen Form erfunden hat. Das Grundprinzip seiner Erfindung wurde bis heute immer weiter verfeinert und verbessert, zum Beispiel durch G. Daimler, W. Maybach und C. Benz (etwa um 1900). Aber auch die Weiterentwicklung in der Chemie brachte immer besseres Benzin auf den Markt. So erhöhte sich die Leistungsfähigkeit der Motoren enorm.

2) Motorformen und Aufbau
Es gibt verschiedene Arten von Verbrennungsmotoren, die durch Benzin angetrieben werden. Man unterscheidet zunächst die Kreiskolben- von den viel häufiger verwendeten Hubkolbenmotoren. Diese Hubkolbenmotor können verschiedene Formen besitzen, die auf die eigentliche Arbeit keine Auswirkung haben. Man unterscheidet die Motoren dabei an der Anordnung ihrer Zylinder. So gibt es V-Motoren, Stern-Motoren, Boxer-Motoren (Zylinder gegenüberstehend) und Reihen-Motoren (Zylinder in einer Reihe hintereinander). Alle diese Motoren haben im Aufbau gemeinsam, dass sie aus dem Motorgehäuse, dem Zylinderkopf und einer Ölwanne bestehen. Im Zylinder befinden sich der Kolben, die Pleuelstange und die Kurbelwelle, während sich im Zylinderkopf die Nockenwelle, die Zündkerze und die Ein- und Auslassventile befinden (siehe dazu Graphik). Am unteren Ende des Motorblocks befindet sich die Ölwanne, die das Öl zur Schmierung des Motors aufnimmt.

3) Der Arbeitsprozess
Um ein zündfähiges Gemisch herzustellen, benötigt jeder Benzinmotor einen Vergaser oder eine Einspritzanlage. Darin wird das Benzin mit Luft zu einem stark reaktionsfähigen Gemisch verarbeitet und danach weiter an die Ventile der einzelnen Zylinder geschickt.
Im ersten Arbeitsprozess, genannt 1.Takt, wird dieses Gemisch, nachdem sich das Einlassventil geöffnet hat, durch den durch die Kolbenbewegung erzeugten Unterdruck in den Zylinder gesaugt (Ansaugen). Danach schließt sich das Ventil wieder und der Kolben, der durch die rotierende Kurbelwelle ständig hin und her bewegt wird, drückt im Zylinder nach oben, wobei das Kraftstoff-Luftgemisch verdichtet wird (Verdichten bzw. Komprimieren). Dabei wird die Reaktionsfähigkeit wegen des hohen Drucks und der entstehenden Wärme noch weiter verstärkt, so dass ein kleiner Zündfunke, ausgelöst durch die Zündkerze, das Gemisch zum Explodieren bringt. Dies geschieht im 3.Takt, auch Arbeitstakt genannt. Da beim Arbeitstakt beide Ventile geschlossen sind, kann der durch die explosive Ausdehnung des Kraftstoff-Luftgemisches entstandene Druck nur dadurch entweichen, indem er den Kolben im Zylinder mit einer Geschwindigkeit von ca. 90 km/h nach unten drückt. Dabei drückt der Kolben über eine Pleuelstange auf die Kurbelwelle, die dadurch in Rotation versetzt wird. Wenn der Kolben seine tiefste Stellung im Zylinder erreicht hat (unterer Totpunkt), öffnet sich das Auslassventil und die verbrannten Gase werden durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens aus dem Zylinder herausgedrückt. Diese Phase nennt man 4. Takt bzw. „Ausstoßen“.
Dieser Arbeitsablauf wird der Zylinderzahl entsprechend wiederholt, wobei niemals in zwei Zylindern gleichzeitig gezündet wird, sondern nach einer festgelegt Zündfolge (beim 4-Zylinder-Motor i.d.R. 1-3-4-2).
5) Klopffestigkeit und Reformierung
Da der Druck während der Zündung sehr stark ist, kann es sein, dass Teile des Kraftstoffgemisches schon vor dem eigentlichen Erreichen durch die Flammenwelle gezündet wird. Dieser unerwünschte Nebeneffekt nennt man „Klopfen“, da ein unregelmäßig, häufig hell klingelndes oder klopfendes Geräusch entsteht. Da dies aber auch den Verschließ des Motors erhöht und die Leistung verringert, versucht man das Klopfen zu umgehen, indem man die „Klopffestigkeit“ des Benzins vergrößert. Besonders klopffreudig sind dabei kettenförmige und unverzweigte Alkane. Die Klopffestigkeit misst man mit der Oktanzahl, die bei Normalbenzin bei 91 und bei Superbenzin bei mindestens 95 liegt. Bestimmt wird diese Zahl durch einen Vergleich des Kraftstoffes mit einem Gemisch aus Heptan und Isooctan. Die Prozentzahl des Isooctans in diesem Gemisch zeigt dann die Oktanzahl an.
Da vor allem verzweigte Alkane klopffest sind, stellt man diese durch Reformieren in der Raffinerie her. Dabei werden die Benzinfraktionen bei etwa 500°C und unter Druck über Platinkatalysatoren geschickt, wobei teils verzweigte, teils ringförmige Alkane entstehen, wie zum Beispiel Benzol. Früher setzte man dem Benzin Bleiverbindungen zu, die jedoch noch gesundheitsschädlicher wa-
ren als Benzol und verboten wurden. Außerdem schädigten sie den Katalysator enorm.
Bild-Quellen: Brockhaus multimedial premium 2001; Klett, Elemente Chemie NRW 9/10

4) Abgasreinigung
Beim Verbrennen des Benzins entstehen nicht nur Kohlenstoffdioxid und Wasser, sondern auch Schad-stoffe wie Kohlenstoffmonooxid und Stickstoffoxide, die die Umwelt stark schädigen können. Deshalb wird der Schadstoffanteil durch den Einsatz von Katalysatoren möglich gering gehalten. Dafür schickt man die Abgase durch ein von Edelmetall ummanteltes Keramiknetz auf deren Oberfläche die Schadstoffe in CO2 und Wasser-Stickstoff-Verbindungen umgewandelt werden.

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