Technik - Viertaktmotor

Animation eines Viertaktmotors

Ein Viertaktmotor ist eine Wärme-, genauer Verbrennungskraftmaschine, die thermische Leistung aus der Verbrennung von Kraftstoff in Drehmoment an einer rotierenden Welle, also rotatorische Leistung, umwandelt. Die inneren Vorgänge lassen sich als rechtslaufenden thermodynamischen Kreisprozess beschreiben (Otto- oder Diesel-Kreisprozess). Für einen Kreisprozess-Umlauf (ein „Arbeitsspiel“) benötigt die Maschine vier „Takte“ genannte Arbeitsschritte. Bei einem Hubkolbenmotor ist ein Takt die Bewegung des Kolbens von einem Endpunkt des Hubes zum anderen. Die Kurbelwelle vollführt daher während eines Taktes eine halbe Umdrehung.

Der Österreicher Christian Reithmann hatte am 26. Oktober 1860 mehrere Patente auf einen Viertaktmotor erhalten. Unabhängig davon beschrieb im Jahr 1861 der Techniker Alphonse Beau de Rochas das Viertaktverfahren. Ottomotoren und Dieselmotoren unterscheiden sich in der Gemischbildung und im Zündverfahren. Es gibt von beiden sowohl Viertakt- als auch Zweitaktvarianten.

Funktionsweise eines Viertakt-Hubkolbenmotors

Die vier Takte:
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Arbeiten
4. Ausstoßen
(Animation)

Takt 1: Ansaugen

Zu Beginn des 1. Taktes steht der Kolben am oberen Totpunkt (OT). Das Auslassventil wird geschlossen und das Einlassventil geöffnet. Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle, der Brennraum vergrößert sich. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird ein Gasgemisch oder Luft durch das Einlassventil in den Zylinder gesaugt. Bei Motoren mit innerer Gemischbildung, wie Dieselmotoren oder Ottomotoren mit Direkteinspritzung, wird nur Luft angesaugt. Bei äußerer Gemischbildung, wie bei Vergaser-Motoren oder Motoren mit Saugrohreinspritzung, wird ein Gemisch aus Luft und dem zerstäubten Kraftstoff angesaugt. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Einlassventil geschlossen und der erste Takt ist beendet.

Als Nachladeeffekt bezeichnet man es, wenn das Einlassventil erst nach dem unteren Totpunkt schließt, so dass bei bereits wieder aufwärts gehendem Kolben wegen der kinetischen Energie des Gases im Einlasskanal noch weiter Gas einströmt. Idealerweise schließt das Ventil genau dann, wenn die Gassäule zum Stehen gekommen ist. Dies bewirkt eine bessere Befüllung und dadurch eine Leistungssteigerung des Motors.

Takt 2: Verdichten und Zünden

Der Kolben bewegt sich zurück in Richtung oberer Totpunkt. Die dafür benötigte mechanische Arbeit stammt aus der Rotationsenergie der Schwungmasse bzw. bei Mehrzylindermotoren aus der Schwungmasse sowie dem Arbeitstakt eines anderen Zylinders. Das Gemisch oder die Luft im Zylinder wird nun auf einen Bruchteil des ursprünglichen Volumens verdichtet. Die Höhe des Kompressionsgrades ist von der Motorbauart abhängig. Bei Ottomotoren ohne Aufladung ist ein Verdichtungsverhältnis von über 10:1 üblich (es gibt Großserienmotoren mit über 14:1), bei Dieselmotoren ohne Aufladung über 20:1. Mit Aufladung ist es erheblich weniger, bis herunter zu 7:1 (Otto) und 14:1 (Diesel). Durch die Kompression wird das Gemisch bei Ottomotoren auf etwa 450 °C und die Luft beim Diesel auf etwa 650 °C erhitzt. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes wird beim Ottomotor die Zündung und beim Dieselmotor die Voreinspritzung ausgelöst. Der Zeitpunkt wird abhängig von Last und Drehzahl geregelt.

Takt 3: Arbeiten

Nach dem oberen Totpunkt – beim Dieselmotor folgt noch die Haupteinspritzung – verbrennt die Gemischladung selbstständig weiter. Die Temperatur im brennenden Gasgemisch eines Ottomotors erreicht zwischen 2200 und 2500 °C und der Druck bei Volllast bis zu 120 bar. Beim Dieselmotor sind es zwischen 1800 und 2500 °C und 160 bar. Der Kolben bewegt sich in Richtung des unteren Totpunktes, das Brenngas verrichtet mechanische Arbeit am Kolben und kühlt sich dabei ab. Kurz vor dem unteren Totpunkt besteht beim Ottomotor noch ein Restdruck von knapp 4 bar und beim Diesel knapp 3 bar. Das Auslassventil beginnt sich zu öffnen.

Takt 4: Ausstoßen

Wenn der Kolben den unteren Totpunkt wieder verlässt, wird mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens das Abgas aus dem Zylinder geschoben. Am Ende des Ausstoßtaktes kommt es zur so genannten Ventilüberschneidung. Das Einlassventil wird geöffnet, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht und bevor das Auslassventil geschlossen hat. Erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat, schließt das Auslassventil.

Ventilsteuerung

Überblick über die Ausführungen

Schnitt durch einen OHC-Motorradmotor

Pro Zylinder gibt es mindestens ein Einlass- und ein Auslass-Ventil, aber auch 3 oder 4 Ventile pro Zylinder sind heute weit verbreitet (siehe nächsten Abschnitt), manchmal 5 (Audi) oder sogar 8 Ventile (Honda NR). Der Gaswechsel kann auch mit Schiebern gesteuert werden.

Die Ventile werden von einer oder mehreren Nockenwellen gesteuert. Diese wird von der Kurbelwelle über Zahnriemen, Steuerkette(n), Stirnräder oder Königswelle(n) angetrieben. Bei Hochleistungsmotoren, etwa in Rennfahrzeugen, Flugzeugen und Motorrädern, wurde für den Ventiltrieb früher oft eine Königswelle verwendet. Die Nockenwelle dreht sich immer mit halber Kurbelwellendrehzahl, da ein Arbeitsspiel zwei Kurbelwellenumdrehungen erfordert.

Liegt die Nockenwelle unten, das heißt im Kurbelgehäuse, werden im Zylinderkopf hängende Ventile (OHV-Ventilsteuerung – overhead valve) in der Regel über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel betätigt, bei neben dem Zylinder stehenden Ventilen (SV-Ventilsteuerung – sidevalve) direkt über Stößel oder Schlepphebel. Beide Bauarten waren früher verbreitet, werden aber in Neukonstruktionen außer bei Großmotoren nicht mehr verwendet. Stehende Ventile gibt es seit etwa 1960 wegen der ungünstigen Brennraumform nur noch in einfachen Industriemotoren, Rasenmähern oder Notstromaggregaten. Ottomotoren für Pkw mit untenliegender Nockenwelle werden im Wesentlichen nur noch in den USA gebaut. Wird eine Nockenwelle oberhalb der im Kopf hängend angeordneten Ventile vorgesehen (OHC-Ventilsteuerung – overhead camshaft), entfallen die Stoßstangen, für Betätigung der Ventile kommen unter anderem Kipp- oder Schlepphebel und Tassenstößel in Frage. Bei zwei obenliegenden Nockenwellen (DOHC, double overhead camshaft) werden die Ventile über Tassenstößel oder Schlepphebel betätigt, was durch die dynamische Steifigkeit des Systems eine gleichbleibende Genauigkeit der vorgegebenen Steuerzeiten bis in hohe Drehzahlen gewährleistet. Mit zwei obenliegenden Nockenwellen lassen sich auch über zwei verstellbare Nockenwellen eine variable Ventilsteuerung realisieren, bei der Ein- und Auslasssteuerzeiten unabhängig voneinander verändert werden können.

Viertaktmotor im Unterricht präsentieren

Aufgabe: Stelle den Viertaktmotor vor. Denke dabei an die Anwendung, Funktion, Aufbau, Nutzen, aber auch die Gefahren für die Menschheit.

Ein Viertaktmotor ist ein Verbrennungsmotor, der seine Arbeit in vier Zyklen durchführt: Ansaugen, Verdichten, Zünden und Ausstoßen. Diese Funktionsweise ist ein wesentlicher Faktor für die Effizienz und Leistung dieser Motoren.

Der Aufbau eines Viertaktmotors besteht aus einem Zylinder, in dem sich ein Kolben bewegt. Durch das Ansaugen von Brennstoff und Luft in den Zylinder wird eine bestimmte Menge an Brennstoff-Luft-Mischung komprimiert. Durch die Zündung dieser Mischung wird eine Explosion ausgelöst, die den Kolben nach unten bewegt. Im vierten Zyklus wird die verbrauchte Luft-Brennstoff-Mischung aus dem Zylinder ausgestoßen.

Der Hauptnutzen eines Viertaktmotors besteht in seiner Effizienz und Leistung. Im Vergleich zu anderen Arten von Verbrennungsmotoren verbrennen sie Brennstoff effizienter, was zu einer höheren Leistung und geringeren Emissionen führt. Diese Motoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Kraftfahrzeugen über Booten und Gartengeräten bis hin zu kleinen Generatoren.

Allerdings birgt der Einsatz von Viertaktmotoren auch einige Gefahren für die Menschheit. Einer der Hauptfaktoren ist die Emission von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Partikeln, die negative Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit haben können. Darüber hinaus können diese Motoren Lärm erzeugen, was insbesondere in Wohngebieten ein Problem darstellen kann. Es ist daher wichtig, Maßnahmen zur Minimierung der negativen Auswirkungen von Viertaktmotoren zu ergreifen, indem man beispielsweise saubere Technologien einsetzt und die Emissionen kontrolliert.

Ein weiterer Aspekt, der bei der Verwendung von Viertaktmotoren berücksichtigt werden muss, ist die Wartung und Pflege dieser Motoren. Eine regelmäßige Wartung ist wichtig, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren und dass Schadstoffemissionen auf ein Minimum reduziert werden. Ein ungewarteter Viertaktmotor kann zu einer höheren Emission von Schadstoffen und einer geringeren Effizienz führen.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass Viertaktmotoren bestimmte Anforderungen an den Brennstoff stellen. Verwenden Sie immer den empfohlenen Brennstoff, um eine optimale Leistung und eine längere Lebensdauer des Motors zu gewährleisten. Außerdem sollte man darauf achten, dass der Tank des Motors stets vollständig gefüllt ist, um eine ordnungsgemäße Funktion des Motors und eine gleichmäßige Schmierung des Kolbens zu gewährleisten.

Zusammenfassend ist es wichtig zu betonen, dass Viertaktmotoren ein wichtiger Bestandteil unseres täglichen Lebens sind, und dass sie für viele Anwendungen sehr effizient und leistungsstark sind. Es ist jedoch wichtig, ihre Verwendung und ihre Auswirkungen sorgfältig zu überwachen und Maßnahmen zu ergreifen, um ihre negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit zu minimieren.

Typische Lehrerfragen zum Thema Viertaktmotor

Bei einem Thema wie dem Viertaktmotor können Lehrer die folgenden Fragen stellen, um das Verständnis ihrer Schüler zu überprüfen:

1. Was ist ein Viertaktmotor und wie funktioniert er?
2. Was sind die Vorteile eines Viertaktmotors im Vergleich zu anderen Arten von Verbrennungsmotoren?
3. Was sind einige Anwendungen für Viertaktmotoren?
4. Wie wird eine Brennstoff-Luft-Mischung in einem Viertaktmotor komprimiert?
5. Was sind einige der Schadstoffemissionen, die von Viertaktmotoren ausgestoßen werden können, und wie können sie minimiert werden?
6. Was ist die Bedeutung einer regelmäßigen Wartung für den Betrieb eines Viertaktmotors?
7. Warum ist es wichtig, den richtigen Brennstoff zu verwenden und den Tank des Motors stets vollständig zu füllen?

Diese Fragen können helfen, das Verständnis der Schüler für die Funktionsweise, den Aufbau, die Anwendung und die Auswirkungen von Viertaktmotoren zu vertiefen.

Antworten auf die Lehrerfragen

Was ist ein Viertaktmotor und wie funktioniert er? Ein Viertaktmotor ist ein Verbrennungsmotor, der auf einem vierstufigen Prozess basiert, bei dem Brennstoff und Luft in den Zylinder eingespritzt und komprimiert werden, um eine explosive Verbrennung zu erzeugen, die den Kolben antreibt und Energie in Form von Bewegungsenergie liefert.

Was sind die Vorteile eines Viertaktmotors im Vergleich zu anderen Arten von Verbrennungsmotoren? Viertaktmotoren sind effizienter als andere Arten von Verbrennungsmotoren, da sie eine höhere Leistung aus dem Brennstoff gewinnen. Sie produzieren auch weniger Schadstoffe als Zweitaktmotoren.

Was sind einige Anwendungen für Viertaktmotoren? Viertaktmotoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich Automobilen, Booten, Gartengeräten, Kraftfahrzeugen und Landmaschinen.

Wie wird eine Brennstoff-Luft-Mischung in einem Viertaktmotor komprimiert? In einem Viertaktmotor wird eine Brennstoff-Luft-Mischung durch einen Ventiltrieb komprimiert, der den Zylinderdeckel schließt, während sich der Kolben in Richtung des Zylinderkopfs bewegt.

Was sind einige der Schadstoffemissionen, die von Viertaktmotoren ausgestoßen werden können, und wie können sie minimiert werden? Viertaktmotoren können eine Vielzahl von Schadstoffemissionen ausstoßen, einschließlich Kohlenmonoxid, Stickoxiden, Schwefeloxiden und Feinstaub. Um diese Emissionen zu minimieren, können Technologien wie Abgasrückführung, drei-Wege-Katalysatoren und Stickoxidreduktions-Systeme eingesetzt werden.

Was ist die Bedeutung einer regelmäßigen Wartung für den Betrieb eines Viertaktmotors? Eine regelmäßige Wartung ist wichtig, um sicherzustellen, dass ein Viertaktmotor ordnungsgemäß funktioniert und um Schadstoffemissionen zu minimieren. Eine ungewarteter Viertaktmotor kann zu einer höheren Emission von Schadstoffen und einer geringeren Effizienz führen.

Warum ist es wichtig, dass Viertaktmotoren regelmäßig gewartet werden? Eine regelmäßige Wartung ist wichtig, um sicherzustellen, dass der Motor ordnungsgemäß funktioniert und um die Lebensdauer des Motors zu verlängern. Eine ungewartete Viertaktmotor kann zu einer geringeren Effizienz führen, was zu höheren Betriebskosten führt und auch zu einer höheren Emission von Schadstoffen beitragen kann, was ein Problem für die Umwelt und die Gesundheit der Menschen darstellen kann. Außerdem können unbehandelte Probleme im Laufe der Zeit zu größeren und teureren Reparaturen führen.

V8 Motor

Stelle den V8-Motor vor. Denke dabei an die Anwendung, Funktion, Aufbau, Nutzen, aber auch die Gefahren für die Menschheit.

Der V8-Motor ist ein achtzylindriges Verbrennungsmotordesign, das in vielen Automobilen, LKW, Lastkraftwagen und anderen Fahrzeugen verwendet wird. Die Funktionsweise eines V8-Motors beruht auf dem Brennen von Kraftstoff und Luft in jedem Zylinder, was eine Explosion verursacht, die einen Kolben antreibt und so die Bewegung des Fahrzeugs erzeugt.

Der Aufbau eines V8-Motors besteht aus acht Zylindern, die in einer V-Form angeordnet sind. Jeder Zylinder hat seinen eigenen Kolben, Ventil und Brennraum. Der Motor wird von einem Kurbelgehäuse gehalten, in dem sich die Kurbelwelle befindet, die die Bewegung des Kolbens auf die Räder überträgt.

Der Nutzen eines V8-Motors liegt in seiner hohen Leistung und Effizienz. Diese Motoren sind in der Lage, hohe Leistungen bei hohen Geschwindigkeiten zu liefern, was sie ideal für die Verwendung in Sport- und Rennfahrzeugen macht. Sie sind auch sehr langlebig und zuverlässig, was sie für den Einsatz in schweren Lastkraftwagen und anderen Arbeitsfahrzeugen attraktiv macht.

Allerdings gibt es auch einige Gefahren für die Menschheit, die mit dem Einsatz von V8-Motoren einhergehen. Eine der größten Herausforderungen besteht in den hohen Emissionen von Treibhausgasen und Schadstoffen, die beim Brennen von Kraftstoff freigesetzt werden. Dies kann zu einer Verschlechterung der Luftqualität und einem Anstieg des Klimawandels beitragen. Darüber hinaus kann das Versagen von Teilen des Motors während des Betriebs zu schwerwiegenden Unfällen führen, die sowohl für den Fahrer als auch für andere Verkehrsteilnehmer gefährlich sein können.

Ein weiterer Nachteil von V8-Motoren ist ihr höherer Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu kleineren Motoren. Da sie mehr Zylinder und einen größeren Brennraum haben, verbrauchen sie normalerweise mehr Kraftstoff, was zu höheren Betriebskosten führt. Außerdem kann der Einsatz von V8-Motoren in älteren Fahrzeugen auch zu Lärm- und Schwingungsproblemen führen, die für den Fahrer unangenehm sein können.

Trotz dieser Nachteile ist der V8-Motor jedoch eine weit verbreitete Technologie, die in vielen Anwendungen weiterhin gefragt ist. Viele Autohersteller haben jedoch in jüngster Zeit Maßnahmen ergriffen, um die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch von V8-Motoren zu reduzieren. Zum Beispiel werden immer häufiger Direkteinspritzungstechnologien und variable Ventilsteuerungen eingesetzt, um die Effizienz und Leistung von V8-Motoren zu verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der V8-Motor ein wichtiger Bestandteil der Automobilindustrie ist, der für seine Leistung und Effizienz geschätzt wird, aber auch seine Herausforderungen und negativen Auswirkungen auf die Umwelt hat. Es ist wichtig, weiterhin Fortschritte in Richtung saubererer und effizienterer Motoren zu machen, um die negativen Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren.

Typische Lehrerfragen zum V8 Motor

Hier sind einige typische Lehrerfragen zum Thema V8-Motor:

1. Kannst du den Aufbau und die Funktionsweise eines V8-Motors erklären?
2. Was sind die Vorteile und Nachteile des Einsatzes von V8-Motoren?
3. Wie kann man die Emissionen von V8-Motoren reduzieren?
4. Was sind die häufigsten Probleme, die bei V8-Motoren auftreten können?
5. Wie beeinflusst der Einsatz von V8-Motoren die Umwelt?
6. Was sind die wichtigsten Technologien, die zur Verbesserung der Effizienz von V8-Motoren eingesetzt werden?
7. Was sind die Alternativen zu V8-Motoren, die in der Automobilindustrie verwendet werden?
8. Wie hat sich die Verwendung von V8-Motoren in den letzten Jahren verändert?
9. Was sind die zukünftigen Trends in der Entwicklung von V8-Motoren?
10. Was können wir tun, um die negativen Auswirkungen von V8-Motoren auf die Umwelt zu minimieren?

Diese Fragen können dazu beitragen, Schülerinnen und Schülern ein tieferes Verständnis für den V8-Motor und seine Anwendungen zu vermitteln.

= Antworten auf die Fragen Kannst du den Aufbau und die Funktionsweise eines V8-Motors erklären? Ja, ein V8-Motor ist ein Ottomotor mit acht Zylindern, die in einer V-Form angeordnet sind. Jeder Zylinder enthält einen Kolben, der hinauf- und hinunterbewegt wird, um die Verbrennung des Kraftstoffs und des Lufts im Brennraum zu steuern. Diese Bewegungen treiben den Kurbelwellenantrieb an, der das Auto antreibt.

Was sind die Vorteile und Nachteile des Einsatzes von V8-Motoren? Vorteile: Der V8-Motor bietet eine hervorragende Leistung und Effizienz, insbesondere im Vergleich zu kleineren Motoren. Sie haben auch eine höhere Drehmomentkapazität, was ihnen ermöglicht, schwerere Lasten zu ziehen und schneller zu beschleunigen.

Nachteile: Einer der Nachteile des Einsatzes von V8-Motoren ist ihr höherer Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu kleineren Motoren. Außerdem können sie höhere Emissionen verursachen, was zu einer negativen Auswirkung auf die Umwelt führt.

Wie kann man die Emissionen von V8-Motoren reduzieren? Es gibt verschiedene Technologien, die eingesetzt werden können, um die Emissionen von V8-Motoren zu reduzieren, einschließlich:

• Direkteinspritzungstechnologien
• variable Ventilsteuerungen
• Abgasrückführung
• Katalysatoren

Was sind die häufigsten Probleme, die bei V8-Motoren auftreten können? Einige der häufigsten Probleme, die bei V8-Motoren auftreten können, sind:

• Überhitzung
• Ölverlust
• Kraftstoff- oder Öleinspritzprobleme
• Probleme mit den Zylinderkopfdichtungen

Wie beeinflusst der Einsatz von V8-Motoren die Umwelt? Der Einsatz von V8-Motoren kann zu einer erhöhten Luftverschmutzung und zu höheren Emissionen von Treibhausgasen führen, was zu einer negativen Auswirkung auf die Umwelt hat.

Was sind die wichtigsten Technologien, die zur Verbesserung der Effizienz von V8-Motoren eingesetzt werden? Einige der wichtigsten Technologien, die zur Verbesserung der Effizienz

Wikiinfo zum V8 Motor

Schnittmodell eines Zwölfzylinder-V-Motors: V12-Flugmotor Daimler-Benz DB 605 mit hängenden Zylindern („A-Motor“)

Querschnittszeichnung eines V6-Motors

Anlenkpleuel eines V8-Flugmotors
(Renault 8Gd von 1917)

Honda Dreizylinder-V-Motor

Ein V-Motor (früher auch Gabelmotor genannt) ist eine Bauform eines Hubkolbenmotors mit mehreren Zylindern. Diese sind auf zwei Zylinderbänke aufgeteilt, die in einem Winkel („Bankwinkel“) zueinander stehen. Nach dem Reihenmotor ist es die am weitesten verbreitete Motorenbauform.

Kreuzworträtsel

Cadillac	Welche Automarke brachte 1914 den ersten V8-Motor für Automobile auf den Markt?
Levavasseur	Wie lautet der Nachname des französischen Ingenieurs, der 1902 den ersten V8-Motor entwickelte?
Kurbelwelle	Welches Bauteil des V8-Motors wandelt die lineare Bewegung der Kolben in eine Drehbewegung um?
Nockenwelle	Welches Bauteil steuert das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile in einem V8-Motor?
Zylinderkopf	Welches Bauteil beherbergt und dichtet Ventile, Zündkerzen und Kraftstoffeinspritzdüsen in einem V8-Motor ab?
Kühlsystem	Welches System reguliert die Temperatur des Motors und verhindert Überhitzung?
Drehmoment	Welche Art von Leistung ist ein Vorteil von V8-Motoren gegenüber kleineren Motoren?
Verbrauch	Welcher Nachteil von V8-Motoren hängt mit dem erhöhten Kraftstoffbedarf zusammen?

Offene Aufgaben

Recherchiere die Unterschiede zwischen V8-Motoren und anderen Motorkonfigurationen, wie V6- oder Reihenmotoren. Erstelle eine Zeitleiste der Entwicklung des V8-Motors von seinen Anfängen bis heute. Erstelle eine Liste von Fahrzeugen, die mit V8-Motoren ausgestattet sind, und ordne sie nach Leistung und Kraftstoffverbrauch. Entwerfe ein Poster oder eine Präsentation, die die Funktionsweise eines V8-Motors erklärt. Recherchiere alternative Kraftstoffe und ihre Eignung für den Einsatz in V8-Motoren. Vergleiche die Umweltauswirkungen von V8-Motoren mit denen von Elektromotoren oder Hybridantrieben. Erstelle eine Liste von Sportwagen, die V8-Motoren verwenden, und vergleiche ihre Leistung und Fahrleistungen. Untersuche die Entwicklung von V8-Motoren in der Rennsportbranche und deren Einfluss auf die Straßenfahrzeuge. Erstelle ein Video oder eine Animation, die zeigt, wie ein V8-Motor arbeitet und seine Hauptkomponenten erklärt. Recherchiere die Geschichte und Entwicklung von V8-Motoren in verschiedenen Ländern und Automobilindustrien.

Quiz: Teste Dein Wissen

Welches Unternehmen führte den ersten V8-Motor für Automobile ein? (Cadillac) (!Ford) (!Fiat) (!BMW)

In welchem Jahr wurde der erste V8-Motor von Léon Levavasseur entwickelt? (1902) (!1914) (!1920) (!1932)

Wie viele Zylinder hat ein V8-Motor? (8) (!4) (!6) (!12)

Wie ist die Anordnung der Zylinder in einem V8-Motor? (V-förmig) (!Reihenförmig) (!Boxer) (!W-förmig)

Was ist ein Hauptvorteil von V8-Motoren gegenüber kleineren Motoren? (Hohe Leistung und Drehmoment) (!Geringerer Kraftstoffverbrauch) (!Leichteres Gewicht) (!Niedrigere Emissionen)

Welches Bauteil des V8-Motors beherbergt die Zylinder? (Zylinderblock) (!Kurbelwelle) (!Nockenwelle) (!Zylinderkopf)

Welches Bauteil steuert das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslassventile in einem V8-Motor? (Nockenwelle) (!Kurbelwelle) (!Zylinderblock) (!Zylinderkopf)

Welches System verhindert die Überhitzung eines V8-Motors? (Kühlsystem) (!Abgassystem) (!Kraftstoffsystem) (!Zündsystem)

Was ist ein Hauptnachteil von V8-Motoren im Vergleich zu kleineren Motoren? (Höherer Kraftstoffverbrauch) (!Geringere Leistung) (!Höheres Drehmoment) (!Kompaktere Bauweise)

In welcher Branche wurde der erste V8-Motor von Léon Levavasseur entwickelt? (Luftfahrt) (!Automobil) (!Schifffahrt) (!Industriemaschinen)

Beschreibung

Beim V-Motor „stehen“ die beiden Zylinderbänke um den Bankwinkel gegeneinander geneigt auf dem untenliegenden Kurbelgehäuse. Bei Flugmotoren war auch der umgekehrte Einbau üblich, bei der die Zylinderbänke „hängend“ angeordnet sind, da dies den Schwerpunkt niedrig hält. Besonders in älteren Beschreibungen wird dies oft als „A-Motor“ bezeichnet, obwohl es keine eigene Motorenbauform ist. Die Sicht des Piloten wird weniger durch Auspuffgase behindert und das Fahrwerk ist bei gegebenem Propeller­durchmesser weniger hoch.

Der Bankwinkel hat starken Einfluss auf die Größe der Massenkräfte und wird vom seitlich verfügbaren Einbauraum begrenzt. Praktisch ist ein Mindest-Bankwinkel erforderlich, um die Vorteile der V-Anordnung nutzen zu können. Um den Bankwinkel kleinzuhalten, können die Zylinderfüße versetzt nach außen angeordnet werden; die Zylinderachsen schneiden sich dann unter der Kurbelwelle. Bisher dargestellte Bankwinkel beginnen bei etwa 10° im Lancia Appia und im Röhr 8. Bei den sogenannten VR-Motoren, das sind V-Motoren mit sehr kleinem Bankwinkel (< 15°), haben die beiden Bänke meist einen gemeinsamen Zylinderkopf.

Der Bankwinkel kann bis zu 180° betragen. Dann spricht man von einem 180°-V-Motor. Solche Motoren unterscheiden sich von Boxermotoren durch die andere Kröpfung der Kurbelwelle (siehe nächsten Abschnitt).

Bei V-Motoren sind die Pleuel von zwei gegenüberliegenden Zylindern in der Regel auf dem Hubzapfen einer Kurbelwellenkröpfung nebeneinander gelagert, was einen geringen Versatz der Zylinder zur Folge hat. Genau gegenüberliegende Zylinder erfordern Gabelpleuel (das gegabelte Pleuel hat zwei Füße, die das gegenüberliegende Pleuel umgreifen, zu finden etwa bei Motoren von Harley-Davidson) oder Anlenkpleueln. Kinematisch bedingt verursachen Anlenkpleuel einen ungleichen Kolbenhub in den beiden Zylinderbänken. Die daraus resultierende unterschiedliche Verdichtung kann jedoch über die Kolben ausgeglichen werden. Gabel- und Anlenkpleuel sind aufwendiger und daher teurer.

Vereinzelt wurden auch V-Motoren mit ungerader Zylinderzahl gebaut, bei Motorrädern als V3 (Honda NS 400 R) und V5 (Honda RC211V). VW verwendete im Golf IV einen als V5 bezeichneten Fünfzylinder-VR-Motor.

Bei Pkw-Motoren wurden aus Gründen der Laufruhe immer gleichmäßige Zündabstände zwischen den Zylindern angestrebt. Diese betragen bei Viertaktmotoren – als Kurbelwinkel angegeben – 720° geteilt durch Zylinderzahl, da bei zwei Kurbelwellenumdrehungen jeder Zylinder einmal zündet. Bei einem V8 beträgt der Zündabstand also 90°, bei einem V6 120°. Wenn der Bankwinkel nicht ein Vielfaches des Zündabstandes ist, braucht man einen Versatz der Hubzapfen. Sie können direkt nebeneinander sitzen, wenn sie nicht zu stark versetzt sind (PRV-Motor ab 1985 V6 mit 90° Bankwinkel, 30° Hubzapfenversatz), sonst sind mit einer Zwischenwange verbunden (Ford-V4, 60° Bankwinkel, 120° Versatz), manchmal ist für jeden Zylinder eine eigene Kurbelwellenkröpfung ausgeführt (Lancia Aurelia, Mitsubishi 3000GT), was die Baulänge des Motors vergrößert.

Der häufigste Bankwinkel ist 90° für nahezu alle V8- und V4-, viele V6- (ideal wären eigentlich 120°) und einige V10-Motoren (ideal wären 72°). Aus fertigungstechnischen Gründen ist es vorteilhaft, wenn ein V8-Motor mit einem Bankwinkel von 90° als Basis einer V-Motorenreihe mit unterschiedlichen Zylinderzahlen (zum Beispiel V6, V8 und V10) verwendet wird, da alle Motoren großenteils auf den gleichen Fertigungslinien hergestellt werden können und sich Kostenvorteile infolge von Gleichteilen ergeben. Beispiele dafür sind die V6-, V8- und V10-FSI-Motoren von Audi und V6- und V8-Motoren von Mercedes-Benz (Mercedes-Benz M112). Diverse V6 und fast alle V12 haben 60° Bankwinkel. V6 mit 120° gibt es kaum, denn der Motor ist dann sehr breit.

Bei Großmotoren und Motoren für besondere Anwendungsfälle (zum Beispiel im Rennsport) sind häufig auch andere Gesichtspunkte für die Wahl des Bankwinkels ausschlaggebend, wie etwa die Zugänglichkeit für Wartungsarbeiten, der Platzbedarf oder die Höhe des Schwerpunkts. In Verbindung mit der Zündreihenfolge ist der Bankwinkel auch einflussnehmend auf die Motorcharakteristik (entweder breit nutzbares Drehzahlband oder maximale Motorleistung).

180°-V-Motor

Prinzipskizze V-180° (links) und Boxer (rechts)

Außer dem VR-Motor ist auch der V-Motor mit 180° Bankwinkel ein Sonderfall. Bei der V-Motor-typischen Lagerung von zwei Pleueln auf einem gemeinsamen Hubzapfen wird er als „180°-V-Motor“ bezeichnet. Sind dagegen die Pleuel einander gegenüberliegender Zylinder auf eigenen Kurbelwellenkröpfungen gelagert, die um 180° zueinander versetzt sind, handelt es sich um einen Boxermotor. Wegen des besseren Massenausgleichs des Boxermotors werden 180°-V-Motoren nur selten gebaut, meistens als hochdrehende Rennmotoren mit vielen Zylindern.

Bei Zwölfzylindern üblicher Bauform sind die Kurbelwellenkröpfungen analog zu einem Reihensechszylinder angeordnet. Daher ergibt sich unabhängig vom Zylinderbankwinkel ein vollständiger Ausgleich sämtlicher Massenkräfte und -momente erster und zweiter Ordnung, da der Motor als doppelter R6 betrachtet werden kann. Für gleichmäßige Zündabstände muss der Bankwinkel ein Vielfaches von 60° betragen. (60° sind üblich bei PKW, 180° bei Renn- und Sportwagen. 120° werden nicht ausgeführt, weil dann zwei Zylinder gleichzeitig zünden würden). Beispiele für Sportwagen mit 180°-V12 sind der Mercedes-Benz C291, der Ferrari Testarossa oder der Porsche 917.

Bezeichnungen

V-Motoren werden meist mit der Angabe der Zylinderzahl bezeichnet, mit einem vorangestellten „V“ für die Bauform des Motors und angehängter Zahl für die Anzahl Zylinder. „V12“ kennzeichnet somit einen Zwölfzylinder-V-Motor. Im Gegensatz dazu bezeichnet eine Zahl mit einem nachgestellten „V“ üblicherweise Motoren mit Mehrventiltechnik, also mehr als zwei Ventilen pro Zylinder, z. B. steht „16V“ für einen Vierventil-Vierzylindermotor. Da die Mehrventiltechnik sich in den letzten beiden Jahrzehnten immer mehr verbreitet hat, wird diese Angabe inzwischen kaum mehr als besonderes Merkmal hervorgehoben, sondern nur noch als Hinweis in den technischen Daten verwendet.

Zylinderanordnung

Kraftabgabe
3 6
2 5
1 4

Die Anordnung ist in einem vorn längs eingebauten V8-Motor von der Fahrzeugfront aus gesehen (DIN 73 021):

Kraftabgabe
4 8
3 7
2 6
1 5

Anwendung

V-Motoren werden vielfach eingesetzt, besonders bei höherer Zylinderzahl und begrenztem Bauraum. Fahrzeugmotoren mit 8 oder mehr Zylindern sind heute fast ausschließlich V-Motoren.

Bei Automobilen mit V-Motoren kommen vorwiegend V6-, V8- oder V12-Motoren zum Einsatz. V4-Motoren haben sich im Pkw-Bereich aufgrund des gegenüber Reihenmotoren schlechteren Massenausgleichs und der höheren Produktionskosten ebenso wenig durchsetzen können wie V2-Motoren, auch wenn früher V4- (Ford, SAS) und vereinzelt V2-Motoren (vorwiegend in Voituretten und anderen Kleinfahrzeugen wie dem Morgan Threewheeler) verwendet wurden. Die ersten in Serie gefertigten V4-Motoren gab es ab 1922 im Lancia Lambda und die ersten V6-Motoren ab 1950 im Lancia Aurelia. Verwendet wurde der V-Motor auch in den US-amerikanischen Fahrzeugen wie dem Ford V8 von 1932, bis hin zu den Musclecars der 1960er Jahre wie dem Ford Mustang, Pontiac GTO oder AMC Javelin. In einzelnen PKW-Modellen wie etwa dem Lamborghini Gallardo oder VW Touareg V10-TDI werden V10-Triebwerke eingesetzt – im Motorsport sogar häufiger. Der BMW M5 der E60/E61-Baureihe hatte ebenfalls einen V10.

In Motorrädern finden sich V4-Motoren recht häufig, unter anderem in der Yamaha Vmax, der Honda Pan European, der Honda VFR 1200 F oder der Aprilia RSV4. Die derzeit nur in den USA erhältliche Motus MST/MSTR wird von einem längs eingebauten 90°-V4-Motor mit OHV-Ventilsteuerung angetrieben, der vom technischen Konzept her einem halbierten und auf 1650 cm³ verkleinerten V8-Motor amerikanischer Bauart entspricht. Eine Ausnahmestellung nimmt die Laverda V6 ein, die in lediglich zwei Prototypen gefertigt wurde.

V2-Motoren haben typischerweise die Motorräder von Ducati, Moto Guzzi, Harley-Davidson sowie Indian. Die unregelmäßige Zündfolge der V-Motoren trägt bei Motorrädern wesentlich zu deren charakteristischem Laufgeräusch bei. Die besondere Konstruktion des V2-Motors des historischen Iver-Johnson-Motorrades ermöglicht eine gleichmäßige Zündfolge und erzeugt dadurch den Auspuffklang eines Parallel-Twin-Motors.

In Nutzfahrzeugen (Lkw, Omnibus) ist der Anteil an V-Motoren größer, hier werden vorwiegend V6- und V8-Motoren, gelegentlich auch V10-Motoren eingebaut. Bei Schiffs- und Lokomotivantrieben kommen V8-, V12-, V16-, V18- und V20-Motoren zum Einsatz, die V18-Ausführung ist dabei die seltenste Variante. Bei Panzern waren V12-Dieselmotoren lange Zeit üblich und sind es zum Teil noch (Leopard 2, T-90). Auch bei Flugzeugen wurden V-Motoren verwendet, zum Teil in invertierter Einbauweise: die Zylinderbänke sind hängend angeordnet, die Kurbelwelle liegt oben.

• 

  V2-Motor eines Mazda R360 Coupé

• 

  V4-Motor eines SAS-965A „Saporoshez“

• 

  V6-Motor eines Lancia Flaminia Coupé

• 

  luftgekühlter Tatra 87-V8-Motor

• 

  aufgeschnittener Daimler-Benz DB 601, ein V12-Motor mit hängenden Zylindern.

• 

  Ford „Flathead“, der erste in Massen produzierte V8-Motor

• 

  12-Zylinder-V-Motor in einem Binnenschiff

• 

  45° V2-Motor von Harley-Davidson – Twin Cam 88

Vor- und Nachteile

Zu den Vorteilen des V-Motors im Vergleich zu einem Reihenmotor gleicher Zylinderzahl zählen:

• Geringere Baulänge
• Halbierte Anzahl an Kurbelwellenkröpfungen (außer bei manchen V4- und V6-Motoren) im Vergleich zum Reihenmotor und dadurch
• geringere Reibung, was besonders bei Rennmotoren als Vorteil gesehen wird
• bessere Kühlung, besonders der Zylinderköpfe und insbesondere bei Luftkühlung

Durch die kompakte Bauweise wird Material und damit Gewicht gespart. Ein V12 mit einer sechsfach gekröpften Kurbelwelle ist nur unwesentlich länger als ein Reihenmotor mit sechs Zylindern.

Ein V-Motor ist im Vergleich zu einem Reihenmotor gleicher Zylinderzahl aufwendiger, denn:

• einige Baugruppen müssen doppelt vorhanden sein, beispielsweise der Zylinderkopf und die Nockenwellen (sofern obenliegend)
• komplexere Form des Kurbelgehäuses.
• häufig sind im PKW zwei Auspuffstränge erforderlich, die zusätzlichen Bauraum beanspruchen
• schlechterer Ausgleich der Massenkräfte (bis V4) und Massenmomente (V4 und V6).

Nachteile werden beispielsweise durch VR-Motoren abgemildert, wie zum Beispiel im Lancia Fulvia (Bankwinkel 13°) oder dem VW-VR6-Motor (Bankwinkel 15°) mit einem gemeinsamen Zylinderkopf für beide Zylinderbänke und nur einem Krümmer.

Amerikanische V8-Motoren üblicher Bauart („Big Block“ und „Small Block“) haben nur eine einzelne zentrale Nockenwelle, die oben im Motorblock zwischen den Zylinderbänken positioniert ist und die Ventile über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel betätigt.

V4- und V6-Motoren werden in PKW oft anstelle von R6-Reihenmotoren eingesetzt, weil sie kürzer sind und nicht so hoch bauen. Nachteilig sind Vibrationen und rauerer Klang bei hohen Motordrehzahlen durch freie Massenmomente. Durch die nicht längssymmetrische Kurbelwelle treten freie Massenmomente erster und zweiter Ordnung auf. Eine gegenläufige Ausgleichswelle kann das freie Massenmoment erster Ordnung ausgleichen. Das verbleibende freie Massenmoment zweiter Ordnung ist klein. Da ein Ausgleich aufwendig wäre, wird darauf verzichtet.

Bei Viertakt-V8-Motoren kann man bei einem Bankwinkel von 90° die Massenkräfte und -momente erster und zweiter Ordnung völlig ausgleichen, ebenso – unabhängig vom Bankwinkel – beim V12 und bei den sehr seltenen V16. Der nahezu vollständige Massenausgleich führt zu einem sehr ruhigen Lauf.

Die ursprüngliche V8-Bauform hat bei einem Zylinderbankwinkel von 90° eine Kurbelwelle mit vier Kröpfungen, die um 180° versetzt in einer Ebene liegen (daher der Name flat-plane-Bauweise, Kurbelwelle entspricht der R4-Bauform). Die Kurbelwelle ist einfach und kostengünstig herzustellen. Sie benötigt weniger Gegengewichte, wodurch der Motor leichter und weiter hochdreht. Bei dieser Bauform treten jedoch freie Massenkräfte zweiter Ordnung und somit mehr Vibrationen auf. Alle V8-Motoren bis 1925 waren flat-plane-Motoren. Heute wird die Bauform noch im Rennsport und durchgängig von Ferrari verwendet.

Crossplane-Kurbelwelle

Bei der cross-plane-Bauweise des V8 liegen die erste und letzte Kröpfung der Kurbelwelle in einer Ebene und die beiden mittleren Kröpfungen in einer dazu senkrechten Ebene. In Blickrichtung der Längsachse bilden die Kröpfungen ein Kreuz. Cross-plane-Kurbelwellen sind wesentlich schwieriger im Gesenk zu schmieden als flat-plane und werden zumeist gegossen. Jedoch bieten sie den Vorteil, dass sich die freien Massenkräfte I. und II. Ordnung und das freie Massenmoment II. Ordnung selbstständig ausgleichen. Es tritt ein freies Massenmoment I. Ordnung auf, das sich durch ein Gegengewichtpaar an der Kurbelwelle ausgleichen lässt. Durch den vollständigen Ausgleich der Massenkräfte und Momente ergibt sich ein sehr ruhiger Motorlauf. Das Design wurde 1915 vorgestellt, aber erst 1923 brachten Cadillac und 1924 Peerless die ersten Serienmotoren dieser Bauweise auf den Markt. Sie hat den Nachteil, dass die Zündungen – und damit auch die Ein- und Auslasstakte – nicht abwechselnd in der linken und rechten Zylinderbank, sondern unregelmäßig erfolgen. Dies ist ungünstig für eine gute Zylinderfüllung und eine gleichmäßige Verteilung des Gemischs bzw. der Verbrennungsluft auf alle Zylinder, was sich durch entsprechende Gestaltung des Ansaugkrümmers aber beherrschen lässt. Auch entsteht dadurch das akustisch markante Auspuffgeräusch („V8-Brabbeln“). Bei hoher Motorleistung wie im Rennsport erfordert diese Bauweise eine aufwendige Auspuffanlage.

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