Die Arbeitsweise des Explosionsmotors im Vergleich zu der Dampfmaschine

Bevor wir auf die Konstruktionsverhältnisse eines Explosionsmotors näher eingehen, ist es notwendig, seine Arbeitsweise mit der einer Dampfmaschine zu vergleichen; es wird durch diesen Vergleich um so eher das Verständnis für den Explosionsmotor herbeigeführt, weil Dampfmaschinen und namentlich Lokomobilen die weiteste Verbreitung in der Landwirtschaft gefunden haben.

In der Dampfmaschine wird die Wärme, welche in der Kohle enthalten ist, in Arbeit verwandelt, wobei ein Umweg eingeschlagen werden muß. Wasser wird in einem Kessel verdampft, und dieser unter Druck stehende Dampf wird in einen Zylinder geleitet, in welchem ein Kolben dicht schließend gleitet. Dieser Kolben ist mit einer Kolbenstange verbunden, welche mit der Kurbel einer Welle in Verbindung steht. Je nachdem, wie der Dampf vor oder hinter den Kolben geleitet wird, erfolgt der Vor- und Rückgang des Kolbens, wodurch die Welle, auf der ein Schwungrad und eine Riemenscheibe befestigt ist, in Drehung versetzt wird. Die näheren Konstruktionseinzelheiten der Dampfmaschine sind ja genügend bekannt und bedürfen hier keiner besonderen Erwähnung.

Wir beschäftigen uns zunächst mit der Aufgabe, welche der Wärme bei der Arbeitsleistung zufällt, denn sie ist eigentlich die treibende Kraft sowohl in der Dampfmaschine, als auch im Explosionsmotor. Die Leistung einer Dampfmaschine ist direkt abhängig von der Spannung der im Kessel eingeschlossenen Wasserdämpfe. Die Spannkraft der gesättigten Wasserdämpfe ist aber direkt abhängig von ihrer Temperatur.

Bei einem Barometerstande von 760 mm in Meereshöhe beginnt das Wasser in einem offenen Gefäße zu sieden. Die Wasserdämpfe haben dann dieselbe Spannung als wie die atmosphärische Luft, und es entsteht das Gleichgewicht zwischen beiden Drücken, was durch das heftige Aufsteigen der Dampfblasen kenntlich wird. Erhitzt man dagegen, nach den Angaben von Fliegner, das Wasser in einem geschlossenen Gefäße, z. B. einem Dampfkessel, bis auf 120,37° C, dann haben die Dämpfe bereits eine Spannung von 2 Atm. resp. 1 Atm. Überdruck gegenüber dem Luftdruck.

1 Atm. ist gleich dem Gewicht einer Quecksilbersäule von 760 mm Höhe und 1 qcm Querschnitt gleich dem Druck von 1 kg auf das Quadratzentimeter.

Mit zunehmender Temperatur des Wassers steigt auch der Druck der Dämpfe, so daß das Wasser bei einer Dampfspannung von 10 Atm. Überdruck bereits eine Temperatur von 185,65° C besitzt.

Man sieht hieraus, daß in der Dampfmaschine die Wärme in Arbeit verwandelt wird. Ganz dasselbe ist der Fall bei dem Explosionsmotor, nur mit dem Unterschiede, daß bei diesem die Wärme direkt im Zylinder in Arbeit verwandelt wird, also keinen Umweg zu machen braucht.

Wir wissen, daß die drehende Bewegung der Kurbelwelle einer Dampfmaschine durch die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens hervorgerufen wird. Jeder Hingang und jeder Hergang des Kolbens, der Hub, entspricht also einer halben Umdrehung der Kurbelwelle, demnach sind für eine volle Wellenumdrehung zwei Kraftimpulse, einer hinter dem Kolben und einer vor dem Kolben, erforderlich. Man nennt daher solche Dampfmaschinen auch wohl doppelt wirkende.

Setzen wir nun statt der Bezeichnung „Hub“ die Bezeichnung „Takt“, um einen besseren Vergleich mit der Arbeitsweise eines Explosionsmotors zu erhalten, dann können wir die Dampfmaschine als „Eintaktmotor“ bezeichnen, weil bei ihr bei jedem Hubwechsel der Kolben einen Kraftimpuls erhält.

Bei den Explosionsmotoren unterscheidet man „Zweitakt“- und „Viertaktmotoren“, von diesen sind die letzteren die am meisten benutzten. Wollen wir diese beiden verschiedenen Begriffe definieren, dann sagen wir „ein Zweitaktmotor ist ein solcher, bei welchem bei jeder Kurbelumdrehung, also auf zwei Takte, ein Kraftimpuls erfolgt“. „Ein Viertaktmotor ist ein solcher, bei welchem bei jeder zweiten Kurbelumdrehung, also auf vier Takte, ein Kraftimpuls erfolgt.“

Bei jeder Maschinengattung, wo durch den Druck von Dämpfen oder Gasen usw. eine hin- und hergehende Bewegung eines Kolbens erzeugt werden soll, muß eine Steuerung vorhanden sein, welche den Eintritt der Dämpfe oder Gase vor oder hinter den Kolben regelt.

Diese Steuerung besteht bei der Dampfmaschine gewöhnlich aus einem Schieber, der den verbrauchten Dampf ab- und den frischen zuleitet, bzw. wechsehveise in die verschiedenen Kanäle dirigiert. Solche Schieber wurden früher auch für Explosionsmotoren benutzt, sie sind aber gänzlich verlassen worden, weil sie bei der vorhandenen hohen Temperatur der brennenden Gase nicht genügend standhalten und durch einfachere Mittel, die Ventile, ersetzt wurden. Bei Viertaktmotoren werden diese Ventile ähnlich wie der Schieber einer Dampfmaschine gesteuert, während Zweitaktmotoren meistens ohne Ventile gebaut werden.

Betrachten wir uns zunächst einen Zweitaktmotor etwas genauer, was an Hand der beigedruckten Abbildungen, den Durchschnitt eines Körtingschen Zweitaktmotors zeigend, geschehen möge, so sehen wir, wie in der Stellung I der nach oben gehende Kolben unten im dicht verschlossenem Kurbelgehäuse einen luftverdünnten Raum schafft, während das Gasgemisch, welches sich über dem Kolben, im Zylinder befindet, verdichtet wird. In der Stellung II ist der Kolben nahezu oben angekommen, und der untere Rand desselben gibt eine Schlitzöffnung in der Zylinderwand frei, durch welche das Gasgemisch in den Raum unter dem Kolben stürzt.

In der Stellung III wird durch eine muschelförmige Aussparung e, im Kolben, ein Luftansaugeschlitz c mit dem Gemischeinströmeschlitz b des Uberströmkanals verbunden, so daß infolge des in dem Kurbelgehäuse noch herrschenden Vakuums durch c, e und b frische Luft in den Kanal / gelangt. Während der Kolben seinen Weg nach oben fortsetzt, tritt durch d das Gasgemisch und durch c weitere reine Luft ein. Gleichzeitig wird aber über dem Kolben das Gemisch weiter komprimiert, worauf es, wenn der Kolben ganz oben angekommen ist, durch einen elektrischen Funken entzündet wird. Der erste Takt, der Aufwärtsgang des Kolbens, ist jetzt erfolgt.

Durch die Entzündung der komprimierten Gase im Zylinder wTird plötzlich Wärme frei, welche die im Gasgemisch enthaltene Luft ausdehnt, wodurch der Kolben nach unten geschleudert wird.

Wir sehen in der Stellung IV, wie der Kolben nach unten geht. Hierbei wird zuerst der Luftansaugeschlitz c und dann auch der Gemischeinströmkanal d vom Innenraum des Kurbelgehäuses abgeschlossen. Da der Kolben sich weiter nach unten bewegt, so wird das Gemisch, welches sich im Kurbelgehäuse befindet, verdichtet,

während sich das über dem Kolben befindliche brennende Gemisch ausdehnt. Sobald der Kolben in der Stellung V angekommen ist, öffnet sich zuerst der Auspuffschlitz a, durch den die verbrannten Gase mit großer Geschwindigkeit entweichen. Weitergehend kommen wir zur Stellung VI, wo die Oberkante des Kolbens den Überströmkanal b freigegeben hat. Das zusammengedrückte Gasgemisch, welches sich in dem Kurbelgehäuse befindet, treibt die reine Luft in b vor sich her, diese spült die letzten Rester der verbrannten Gase aus den Zylinder, wobei eine Zunge, welche sich quer auf dem Kolben befindet, den Gasstrom nach oben lenkt. Hiernach ist der zweite Takt vollendet, der Kolben wendet sich wieder nach oben und es folgt das Spiel wieder von neuem, wie beschrieben.

Wie man sieht, kommen bei diesem Motor, der von Gebrüder Körting, Hannover, von 100 PS. an gebaut wird, Ventile nicht zur Anwendung. Es ist der einfachste Typ eines Explosionsmotors und wird zurzeit in Stärken von 200 PS. für Unterseeboote fabriziert. Für Automobile kann der Zweitaktmotor heute noch nicht wirksam in Konkurrenz treten, weil er bei zu hoher Tourenzahl unökonomisch arbeitet und rapide in seiner Kraftäußerung nachläßt, dagegen ist der Zweitakt selbst in kleinerer Ausführung, wie Verfasser durch Untersuchungen festgestellt hat, dem Viertaktmotor ebenbürtig, wenn seine Tourenzahl 800 pro Minute nicht übersteigt.

Einen solchen Zweitaktmotor, der speziell für das Kleingewerbe und die Landwirtschaft gebaut ist, sehen wir in der nächsten Abbildung. Derselbe ist von mir einer eingehenden Untersuchung unterzogen worden, die ein sehr günstiges Resultat ergeben hat (vergl. Ztschr. des Mitteleurop. Motorwagen-Vereins Heft 10, Ende Mai 1906). Der Motor hat eine Zylinderbohrung von 100 min und 100 mm Hub, und seine Leistung beträgt bei 760 Touren pro Minute 3,5 PS. Bei diesen Bremsversuchen betrug der Benzinverbrauch pro PS gleich 365 g, steht also auf gleicher Höhe mit dem eines erstklassigen Viertaktmotors. Die Riemenscheibe hat einen Durchmesser von 150 mm. Das Gewicht des Motors beträgt 96 kg, während das Untergestell 130 kg wiegt. Der Motor ist sehr sauber und stabil gearbeitet und dürfte sich in den Kreisen der Landwirte viele Freunde erwerben. Fabrikant ist die Firma Heim & Co. in Bamberg.

Während nun bei den meisten Zweitaktmotoren die Steuerung durch den Kolben und durch die Schlitze in der Zylinderwand erfolgt, müssen Viertaktmotoren durch Ventile gesteuert werden.

Bei einem Viertaktmotor befinden sich oben auf dem Zylinder, meistens seitlich angeordnet, zwei Ventile, ein Saug- und ein Auspuffventil. Das Säugventil dient dazu, das Gasgemisch in den Zylinder zu lassen, während das Auspuffventil die verbrannten Gase ins Freie treten läßt. Da bei diesen Motoren auf jede zweite Kurbelumdrehung eine Explosion kommt, so muß das Auspuffventil bei jeder zweiten Kurbelumdrehung geöffnet werden.

Um die Wirkungsweise des Viertaktmotors besser verstehen zu können, nehmen wir einige schematische Zeichnungen zur Hand, welche den Durchschnitt eines Zylinders zeigen. Diese Abbildungen sind dem Kataloge der Neckarsulmer Fahrradwerke entnommen.

Bekanntlich muß man jeden Explosionsmotor erst mit der Hand ,,andrehen“, bevor derselbe selbsttätig seine Tätigkeit aufnimmt. Durch dieses Andrehen muß man sämtliche zwei oder vier Takte des Motors ausführen. Zunächst beginnen wir mit dem I. Takt, der Saugeperiode. Angenommen, der Kolben befindet sich ganz oben im Zylinder, auf dem Totpunkt. Der Kolben gebt nach unten, das Einlaßventil Öffnet sich, während das Auspuffventil geschlossen ist, und das Gasgemisch, welches vom Vergaser kommt, wird in den Zylinder gezogen, bis der Kolben am Schlüsse der Ansaugeperiode ganz unten angekommen ist. Nun schließt sich das Einlaßventil, während das Auspuffventil immer noch geschlossen bleibt, der Kolben geht nach oben, II. Takt, und das im Zylinder befindliche Gasgemisch wird komprimiert, Kompressionsperiode.

Sobald der Kolben oben angekommen ist, erfolgt die Entzündung des Gemisches, III. Takt, wie bei dem Zweitaktmotor, durch einen elektrischen Funken. Die Gase explodieren und treiben den Kolben mit großer Gewalt nach unten. Nachdem der Kolben nahezu unten angelangt ist, tritt das Auspuffventil in Tätigkeit, dasselbe wird durch die Steuerung plötzlich geöffnet, und die verbrannten Gase entweichen ins Freie, IV. Takt.

Wie man aus dieser Beschreibung ersieht, hat die Motoren welle bis jetzt zwei volle Umdrehungen ausgeführt. Die heftige Druckäußerung auf den Kolben durch die Explosion wird zum größten Teil wieder im Schwungrad aufgespeichert, und diese lebendige Kraft wird teils nach außen in Arbeit, abnehmbar an der Motorenwelle, umgesetzt und teils zur Überwindung der nun selbsttätig erfolgenden nächsten drei kraftverzehrenden Takte benutzt. Einmal angelassen oder angedreht, bleibt der Explosionsmotor solange in Tätigkeit, bis der Brennstoff oder die Zündung abgestellt wird.

Will man zwischen der Arbeitsweise einer Dampfmaschine und eines Explosionsmotors einen Vergleich ziehen, dann kann man dieses am besten, wenn man folgende Tatsachen einander gegenüberstellt. Bei der Dampfmaschine ist der Druck, welcher den Kolben vorwärts schiebt, im Dampfkessel in Gestalt des hochgespannten Wasserdampfes vorhanden. Gelangt dieser in den Zylinder, dann schiebt er den Kolben vorwärts und zurück. Es ist also ein stetiger Druck vorhanden, der nur in Arbeit umgesetzt werden muß, durch den beweglichen Kolben. Die Bewegung der Maschine braucht nicht erst von der Hand aus eingeleitet zu werden. Bei einem Explosionsmotor muß die Bewegung von der Hand aus eingeleitet werden, der Motor muß sich sein Gas selbst erzeugen, dasselbe ansaugen, komprimieren, entzünden und das verbrannt« Gas fortschaffen. Der Druck, welcher durch die Explosion der Gase entsteht, ist nicht gleichmäßig, sondern läßt sich eher mit einem kräftigen Hammerschlag vergleichen. Damit nun dieser heftige Schlag sich möglichst gleichförmig in Bewegung umsetzt, ist ein großes Schwungrad nötig, welches man bekanntlich bei mehrzylindrigen Dampfmaschinen ganz entbehren kann.

Die ersten Gasmotoren waren im Verhältnis zu ihrer Leistung sehr groß und schwer, sie ließen sich daher für automobile Zwecke nicht verwenden. Von der Erkenntnis ausgehend, daß man eine große Kraft in viele kleine Kräfte zerlegen kann, kam der Cannstatter Ingenieur Gottlieb Daimler darauf, einen kleinen Motor zu konstruieren, der bedeutend geringer an Gewicht war, dafür aber mit der mehrfachen Tourenzahl eines großen, stationären, lief. Die Nachteile, welche durch die kleinere Bauart hervorgerufen wurden, wurden daher wieder wett gemacht durch die größere Anzahl der Explosionen, welche in einer bestimmten Zeiteinheit einander folgten. Hierdurch entstanden mit der Zeit die Automobilmotoren, die nur Hundertstel des Gewichtes gleichstarker stationärer Motoren wiegen, dafür aber fünf bis sechsmal so viele Touren machen.

Mit der Zeit wurden diese kleinen Motoren immer mehr verbessert und haben heute bereits den Höhepunkt ihrer Vollkommenheit erreicht.

Siehe auch:
Robert Bosch / Treue zum Werk