Wir wollten Pilze suchen und fanden einen Freischneider. Er lag hinter einer Kastanie, Gras im Schneidkopf, und sah aus, als hätte er sich mit sämtlichen Vorbesitzern zerstritten. Einer von uns nannte ihn einen Drachen am Stiel. Ein anderer fragte, wo die Suppe reinkommt. Unsere Technikabteilung war hervorragend aufgestellt.
Wir ließen das Gerät aus und suchten Typenschild und Anleitung. Eine liegen gelassene Maschine braucht eine Prüfung, keinen beherzten Ruck am Starterseil. Etwas anderes hatte sie schon angeworfen: eine Frage. Wie zum Henker bringt eine Flüssigkeit ein Stück Metall zum Drehen?
Abends saßen wir Wichtel am Tisch, mit Brot, einem Krug Wein und einer Motorzeichnung zwischen den Krümeln. Der Freischneider blieb abseits. Wir hatten diese herrliche Zuversicht nach dem Essen, mit der man das Weltall erklärt, obwohl man seine eigene Brille nicht findet. Diesmal wollten wir es allerdings wirklich verstehen. Schluss mit dem Brett vor dem Kopf.
Wie macht ein Benzinmotor aus Kraftstoff Bewegung?
Ein Benzinmotor wandelt einen Teil der chemischen Energie seines Kraftstoffs in Bewegung um. Benzin vermischt sich mit Luft, und ein Funke entzündet das Gemisch im Zylinder. Durch die Verbrennung steigen Temperatur und Druck der Gase. Sie drücken auf einen Kolben. Eine Pleuelstange überträgt diese Kraft auf eine Kurbelwelle, die sich dadurch dreht. Danach verlassen verbrannte Gase den Zylinder, frische Ladung kommt hinein, und der Ablauf beginnt erneut.
Der ganze Weg lautet also: chemische Energie, heiße Gase, Druck auf den Kolben, Drehbewegung. Der Funke startet die Reaktion. Den größten Teil der Energie liefert der Kraftstoff bei seiner Reaktion mit dem Sauerstoff der Luft. Die Zündkerze darf den Dirigentenhut tragen. Das Benzin bezahlt das Orchester.
Eine Sache sollten wir geradeziehen. Umgangssprachlich hört man gern von kleinen Explosionen. Im gewöhnlichen Benzinmotor wollen wir aber eine schnelle, kontrollierte Verbrennung: Eine Flamme breitet sich durch das Gemisch aus. Unkontrollierte Detonation ist etwas anderes und kann den Motor beschädigen. Auch wir unterscheiden zwischen einer gelungenen Feier und einer Küche, die auseinanderfliegt.
Fünf Bauteile gegen den ratlosen Pilzblick
Der Zylinder ist der Raum, in dem sich der Kolben bewegt. Der Zylinderkopf schließt ihn oben ab. Der Kolben läuft darin auf und ab. Seine Kolbenringe helfen, die Gase abzudichten. Würde der Druck munter an den Seiten entwischen, ginge ein erheblicher Teil der nutzbaren Kraft verloren.
Darunter sitzen die Pleuelstange, eine beweglich gelagerte Verbindung, und die Kurbelwelle. Ihr Kurbelzapfen liegt seitlich versetzt zur eigentlichen Drehachse. Genau darauf kommt es an. Das Pleuel drückt an diesem versetzten Punkt und erzeugt eine Drehbewegung, ähnlich wie ein Tritt aufs Fahrradpedal. Direkt auf die Achsenmitte zu drücken würde diesen Hebel nicht liefern.
Wir zeichneten das mit einem Löffel und einem Korken nach. Der Kolben geht hin und her, sein Gegenüber beschreibt einen Kreis. Da steckt kein heimlicher zweiter Motor darunter. Die Geometrie erledigt den Job. Den Korken suchten wir anschließend trotzdem zehn Minuten.
Auch das Benzin muss vorbereitet werden. Ein Vergaser dosiert Kraftstoff und verteilt ihn in der einströmenden Luft. Andere Motoren haben Einspritzdüsen. Verbrannt wird verdampfter Kraftstoff zusammen mit Sauerstoff, also muss die Mischung stimmen. Der Motor füllt einen Raum, verdichtet dessen Inhalt, zündet im richtigen Moment und befördert die Reste hinaus. Immer wieder, ohne dass sich die Bauteile selbstständig machen.
Wer den Anfang macht und wer den Schwung behält
Vor der ersten Verbrennung muss jemand den Mechanismus bewegen. Bei vielen Freischneidern dreht das Starterseil die Kurbelwelle. Im Auto übernimmt das meistens ein elektrischer Anlasser. Sobald der Motor läuft, liefern die Verbrennungen Energie zum Weitermachen.
Das Schwungrad ist eine rotierende Masse. Es speichert einen Teil der Energie eines Arbeitstakts und gibt sie zwischen den Verbrennungen wieder ab. Dadurch dreht sich die Welle auch weiter, wenn die nächste Ladung verdichtet wird. Energie entsteht dabei keine neue. Sie wird über die Zeit verteilt. Für unsere Lust aufs Abwaschen hätten wir gern etwas Ähnliches.
Auch der Funke hat eine Versorgung. Die Zündanlage erzeugt eine hohe Spannung an der Zündkerze. Viele kleine Maschinen nutzen dafür Magnete am Schwungrad und eine Spule, ganz ohne Batterie. Wer bei einem üblichen Vergasermotor das Gas aufdreht, öffnet eine Drosselklappe. Mehr Luft und Gemisch können hinein, mehr Kraftstoff kann verbrennen. Wie hoch die Drehzahl steigt, hängt außerdem von der Last ab.
Vier Takte, einmal die ganze Arbeit
Ein Takt entspricht einem Weg des Kolbens von oben nach unten oder zurück. Gemeint sind weder Sekunden noch Zylinder oder Gänge. Wir beginnen mit einem einfachen Viertakt-Benzinmotor mit Vergaser oder Saugrohreinspritzung. Die Ventile sind seine Türen, und die Nockenwelle bestimmt, wann sie aufgehen.
- Ansaugen, der Kolben geht nach unten. Das Einlassventil öffnet. Weil der verfügbare Raum größer wird, kann das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch den Druckunterschied einströmen. Das Auslassventil bleibt geschlossen.
- Verdichten, der Kolben geht nach oben. Beide Ventile sind zu. Die eingeschlossene Ladung bekommt weniger Platz, Druck und Temperatur steigen. Gegen Ende kommt der Zündfunke, gewöhnlich etwas vor dem oberen Totpunkt, weil die Verbrennung Zeit braucht.
- Arbeiten, der Kolben geht nach unten. Die heißen Gase drücken auf ihn. Während des Hauptteils dieses Takts bleiben beide Ventile geschlossen. Jetzt wird Arbeit an die Kurbelwelle abgegeben.
- Ausstoßen, der Kolben geht nach oben. Das Auslassventil öffnet, und der Kolben schiebt verbrannte Gase hinaus. Der Zylinder wird für die nächste Ladung vorbereitet.
Vier Kolbenwege benötigen zwei Kurbelwellenumdrehungen. Jeder Zylinder hat dabei einen Arbeitstakt. Bei mehreren Zylindern lassen sich die Kraftstöße verteilen. Unsere Zeichnung vereinfacht die Steuerzeiten: In echten Motoren können Ventile früher öffnen, später schließen und kurz gleichzeitig offen sein.
Einer hob seinen Becher. „Drei Takte Vorarbeit und einer schiebt?“ Genau. Selbst mechanische Arbeit braucht jemanden, der vorher den Tisch deckt. In der Erklärung von Briggs & Stratton lassen sich die vier Takte verfolgen.
Unser Freischneider erledigt das in zwei Takten
Laut Anleitung war unser Fund ein klassischer Zweitakter. Viele Freischneider arbeiten so, es gibt aber auch Viertaktgeräte. Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen bleiben nötig. Die Vorgänge überlappen sich, sodass eine Kurbelwellenumdrehung reicht: einmal hoch und einmal runter. Ein Arbeitstakt pro Umdrehung bedeutet allerdings nicht automatisch die doppelte Leistung.
Der Trick spielt sich auf beiden Seiten des Kolbens ab. Beim Aufwärtsweg verdichtet er oben die bereits eingeschlossene Ladung. Gleichzeitig wächst unten der Raum im Kurbelgehäuse, und frisches Gemisch strömt hinein. Nahe dem oberen Totpunkt springt der Funke über.
Beim Abwärtsweg schieben die Verbrennungsgase den Kolben, während seine Unterseite die frische Ladung im Kurbelgehäuse vorverdichtet. Weiter unten gibt er zuerst den Auslass und danach die Überströmkanäle frei. Verbrannte Gase beginnen auszuströmen. Frisches Gemisch gelangt aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinder und hilft, sie hinauszuspülen. Der Kolben öffnet und verschließt diese Kanäle selbst. Die Zeichnung zeigt eine einfache Ausführung mit Membraneinlass ins Kurbelgehäuse.
Das Kurbelgehäuse arbeitet als Pumpe. Derselbe Kolben macht oben und unten etwas Nützliches. Wir hatten fast einen Nachmittag gebraucht, um das zu kapieren. Der kleine Kerl schafft den Ablauf tausendfach pro Minute. Da könnte man vor Begeisterung glatt durchdrehen. Die Kurbelwelle tut es ohnehin.
Öl, Gras und ordentlich Krach
Bei diesem Zweitakter gelangt geeignetes Öl mit dem Kraftstoff zu den inneren Bauteilen, schmiert sie und wird schließlich mitverbrannt. Das Mischungsverhältnis steht in der Anleitung. Ein gewöhnlicher Viertakter hat meist einen getrennten Ölvorrat. Es gibt aber auch Viertaktmotoren mit Gemischschmierung, etwa dieses System von STIHL. Aus der Taktzahl allein lässt sich der richtige Tankinhalt nicht ableiten.
Zum Schneidkopf gelangt die Drehbewegung über den Antrieb. Viele Freischneider haben eine Fliehkraftkupplung, die bei steigender Drehzahl Motor und Antriebswelle verbindet. Die Welle läuft durch das Rohr und treibt, je nach Bauart über ein Getriebe, den Schneidkopf an. Beim Gras kommt das Ergebnis der gesamten Kette an.
Wärme fällt ebenfalls an. Ein Teil der Energie verlässt den Motor mit dem Abgas, ein anderer wird über Kühlung und Reibung abgegeben. Bei vielen kleinen Maschinen helfen Kühlrippen und vorbeiströmende Luft. Nicht alles aus dem Tank wird zu nutzbarer Arbeit. Lautstärke ist keine Einheit für Wirkungsgrad, egal was der Bekannte mit dem röhrenden Auto behauptet.
Was unterscheidet einen Benzinmotor von einem Dieselmotor?
Der wichtigste Unterschied ist der Beginn der Verbrennung. Im gewöhnlichen Benzinmotor entzündet eine Zündkerze das Luft-Kraftstoff-Gemisch. Ein Diesel verdichtet zunächst Luft ohne Kraftstoff, bis sie sehr heiß ist. Dann wird Dieselkraftstoff eingespritzt, der sich in dieser heißen Luft ohne Zündfunken entzündet. Beide Motorarten können nach dem Viertaktprinzip arbeiten. Kraftstoffart und Taktzahl sind unterschiedliche Eigenschaften.
Die Luft erwärmt sich beim Verdichten, weil der Kolben Arbeit an ihr verrichtet. Diese Wärme nutzt der Diesel zur Zündung des eingespritzten Kraftstoffs. Glühkerzen helfen bei vielen Dieseln besonders beim Kaltstart und während des Warmlaufs. Sie erzeugen keinen Zündfunken bei jedem Arbeitsspiel. Dazu gibt es die Erklärung des US-Energieministeriums und die Dokumentation zu Boschs Glühsystemen.
| Vergleich | Üblicher Benzinmotor | Üblicher Dieselmotor |
|---|---|---|
| Verbrennungsbeginn | Zündfunke | Einspritzung in durch Verdichtung stark erhitzte Luft |
| Ladungsvorbereitung | Luft und Kraftstoff vermischen sich vor der Zündung | Zuerst Luft verdichten, danach Kraftstoff einspritzen |
| Kraftstoffzufuhr | Vergaser oder Einspritzung, auch direkt in den Zylinder | Einspritzung in die verdichtete Luft |
| Arbeitsverfahren | Zwei- oder Viertakt | Dieselmotoren gibt es ebenfalls als Zwei- und Viertakter |
Noch eine Falle: Eine Einspritzdüse macht keinen Diesel aus einem Motor. Benzinmotoren mit Direkteinspritzung benutzen weiterhin Zündkerzen. Benzin und Dieselkraftstoff sind auch nicht austauschbar. Ihre Eigenschaften und die dafür gebauten Systeme unterscheiden sich.
Die Oktanzahl von Benzin beschreibt seine Widerstandsfähigkeit gegen unerwünschte Selbstzündung, keine abgefüllte Pferdestärke. Mehr Oktan garantiert nicht in jedem Motor mehr Leistung. Die EIA erklärt diese Zahl. Diesel nutzen ihren Kraftstoff durch Bauart und Betriebsbedingungen oft effizient, doch ein Verbrauchsvergleich braucht konkrete Motoren und Einsatzbedingungen.
Ein Hoch darauf, dass wir es endlich kapiert haben
Wir betrachteten die Zeichnung noch einmal. Luft und Kraftstoff. Verdichtung. Ein Funke oder ausreichend heiße Luft beim Diesel. Gase drücken, das Pleuel überträgt die Kraft, die Kurbelwelle dreht. Zwei Umdrehungen pro Viertaktzyklus. Eine bei unserem Zweitakter. Jetzt konnten wir dem Weg folgen, ohne uns hinter großen Wörtern zu verstecken.
Der Weinkrug machte noch eine Runde. Jemand erklärte, ein Motor sei Feuer, dem man das Kreiseln beigebracht habe. Das gefiel uns. Dann sahen wir auf Ringe, Ventile und Kanäle. Dieses Feuer hatte eine beachtliche Mannschaft, die für Ordnung sorgte.
Es war ein bisschen wie bei den Polarlichtern: Zu verstehen, wie etwas funktioniert, machte das Staunen größer. Und wir hatten uns wieder beim Erschaffen völlig vergessen, diesmal zwischen Zeichnungen, Fragen und Brotkrümeln. Der Freischneider sprang an diesem Tag nicht an. Bei uns war der Funke längst übergesprungen.
