Viertaktzyklus

Luft, Kraftstoff, Zündfunke & Kraft

Der Verbrennungsmotor wandelt die chemische Energie des Kraftstoffs in mechanische Bewegung um. Die große Mehrheit der Benzinmotoren arbeitet nach dem Viertaktverfahren, das Nikolaus Otto 1876 erfand. Jeder Zylinder wiederholt vier Takte: zwei aufwärts, zwei abwärts: für jeden Arbeitstakt.

Takt 1: Ansaugen: Der Kolben bewegt sich abwärts, das Einlassventil öffnet sich, und ein genau dosiertes Gemisch aus Luft & Kraftstoff strömt in den Zylinder. Moderne Motoren nutzen Kraftstoffeinspritzung: Ein computergesteuertes Einspritzventil sprüht zerstäubten Kraftstoff in den Ansaugkanal oder direkt in den Zylinder.

Takt 2: Verdichten: Beide Ventile schließen sich, und der Kolben bewegt sich aufwärts. Dabei presst er das Luft-Kraftstoff-Gemisch auf kleinem Raum am oberen Ende des Zylinders zusammen. Ein typischer Benzinmotor hat ein Verdichtungsverhältnis von etwa 10:1; das Gemisch wird also auf ein Zehntel seines ursprünglichen Volumens gepresst. Die Verdichtung erhöht Temperatur & Druck des Gemischs und macht die Verbrennung effizienter.

Takt 3: Arbeitstakt (Verbrennung): Am oberen Ende des Verdichtungstakts zündet die Zündkerze. Der Funke entzündet das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch, das schnell verbrennt und sich ausdehnt. Dabei drückt es den Kolben mit enormer Kraft nach unten. Dies ist der einzige Takt, der Leistung erzeugt: Die anderen drei dienen der Vorbereitung und dem Aufräumen.

Takt 4: Ausstoßen: Das Auslassventil öffnet sich, und der Kolben bewegt sich nach oben. Er schiebt die verbrauchten Verbrennungsgase aus dem Zylinder in die Abgasanlage. Dann beginnt der Zyklus von vorn.

Hubraum bezeichnet das gesamte Volumen, das alle Kolben in einem vollständigen Zyklus durchlaufen. Ein 2,0-Liter-Motor hat Zylinder, die zusammen ein Volumen von 2 Litern verdrängen. Ein größerer Hubraum bedeutet in der Regel mehr Leistung, aber auch einen höheren Kraftstoffverbrauch.

Das Verdichtungsverhältnis beschreibt das Verhältnis des Zylindervolumens am unteren Ende des Hubs zum Volumen am oberen Ende. Höhere Verdichtungsverhältnisse gewinnen mehr Energie aus dem Kraftstoff, erfordern aber Benzin mit höherer Oktanzahl, um Klopfen zu verhindern: eine unkontrollierte Detonation, die den Motor beschädigen kann.

Eine Fehlzündung diagnostizieren

Ein Kunde bringt ein vierzylindriges Auto in die Werkstatt. Der Motor läuft im Leerlauf unrund & vibriert. Die Motorkontrollleuchte leuchtet, & das Diagnosegerät zeigt einen Fehlercode für Zündaussetzer an Zylinder 3. Der Motor läuft mit drei statt vier Zylindern.

Getriebe, Differenzial & Antriebslayout

Wie die Kraft zu den Rädern kommt

Der Motor erzeugt an der Kurbelwelle eine Drehkraft (Drehmoment). Doch diese rohe Kraft kann nicht direkt zu den Rädern gehen: Sie muss an Drehzahl, Drehrichtung und Traktion angepasst werden. Diese Aufgabe übernimmt der Antriebsstrang.

Getriebe: Das Getriebe verändert die Übersetzung zwischen Motor und Rädern. In einem niedrigen Gang dreht der Motor im Verhältnis zu den Rädern schnell: hohes Drehmoment zum Beschleunigen und für Steigungen. In einem hohen Gang dreht der Motor im Verhältnis zu den Rädern langsamer: effizientes Fahren bei Autobahntempo. Schaltgetriebe nutzen eine Kupplung und einen vom Fahrer gewählten Gang. Automatikgetriebe nutzen einen Drehmomentwandler und Planetenradsätze, die das Getriebesteuergerät (TCM) steuert.

Differenzial: Wenn ein Auto abbiegt, legt das äußere Rad einen längeren Weg zurück als das innere. Das Differenzial besteht aus Zahnrädern im Achsgehäuse; es lässt die beiden Antriebsräder mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen & versorgt sie dennoch mit Antriebskraft. Ohne Differenzial würden die Reifen in jeder Kurve radieren & springen.

Antriebsarten:

- FWD (Frontantrieb): Motor & Getriebe sitzen vorn & treiben die Vorderräder an. Die meisten Pkw nutzen Frontantrieb, weil er kompakt & leichter ist & bei Regen & leichtem Schnee gute Traktion bietet, da das Motorgewicht auf den Antriebsrädern liegt.

- RWD (Hinterradantrieb): Der Motor sitzt vorn, die Kraft fließt über eine Antriebswelle zur Hinterachse. Bessere Gewichtsverteilung, verträgt mehr Leistung, bevorzugt bei Lkw, Sportwagen & zum Ziehen von Anhängern. Neigt bei Glätte zum Übersteuern.

- AWD (Allradantrieb): Die Kraft geht an alle vier Räder, meist über ein Mittendifferenzial oder ein Verteilergetriebe. Ein Computer verteilt das Drehmoment je nach Traktion unterschiedlich auf Vorder- & Hinterachse. Häufig bei Crossovern & SUVs.

- 4WD (zuschaltbarer Allradantrieb): Ein zuschaltbares oder wählbares System mit Verteilergetriebe, das Vorder- & Hinterachse starr verbindet. Gedacht für Gelände & Untergründe mit wenig Haftung. Im gesperrten Modus nicht auf trockener Fahrbahn nutzen, weil der Antriebsstrang in Kurven verspannt.

Einen Antrieb auswählen

Ein Kunde sucht ein neues Fahrzeug. Er wohnt in Minnesota, wo der Winter viel Schnee & Eis bringt. Außerdem zieht er jeden Sommer ein 5.000 Pfund schweres Boot zum See. Er möchte ein Fahrzeug, das im Winter gut fährt & zuverlässig zieht.

12-Volt-Systeme, CAN-Bus und OBD-II

Das Nervensystem des Fahrzeugs

Ein modernes Auto läuft mit einem 12-Volt-Gleichstrom-Bordnetz, das eine Blei-Säure-Batterie speist & eine Lichtmaschine lädt, die der Keilrippenriemen des Motors antreibt.

Die Batterie liefert die gespeicherte Energie, die der Motor beim Start braucht. Eine typische Autobatterie liefert 400-800 Kaltstartampere (CCA), um den Anlasser zu drehen. Er dreht die Kurbelwelle des Motors, bis die Verbrennung übernimmt.

Die Lichtmaschine ist ein riemengetriebener Generator, der mechanische Energie des Motors in elektrische Energie umwandelt. Sobald der Motor läuft, versorgt die Lichtmaschine alle elektrischen Systeme & lädt die Batterie wieder auf. Eine defekte Lichtmaschine bedeutet: Die Batterie entlädt sich während der Fahrt langsam, & irgendwann bleibt das Auto stehen.

Der Anlasser ist ein elektrischer Hochdrehmomentmotor, der in den Zahnkranz des Schwungrads greift, um den Motor durchzudrehen. Er zieht den höchsten Strom aller Bauteile im Fahrzeug: 150 bis 300 Ampere für einige Sekunden.

CAN-Bus (Controller Area Network): Moderne Fahrzeuge besitzen 30 bis 100 elektronische Steuergeräte (ECUs), die miteinander kommunizieren müssen. Der CAN-Bus ist ein Zweidraht-Kommunikationsnetz, das alle verbindet. Das Motorsteuergerät (ECM), das Getriebesteuergerät (TCM), das Antiblockiersystem-Steuergerät (ABS), das Karosseriesteuergerät (BCM) und Dutzende weitere teilen Daten über den CAN. Wenn das ECM die Raddrehzahl kennen muss, liest es die Daten des ABS-Steuergeräts vom CAN-Bus.

OBD-II (On-Board-Diagnose II): Seit 1996 besitzt jedes in den Vereinigten Staaten verkaufte Auto eine standardisierte 16-polige Diagnoseschnittstelle unter dem Armaturenbrett. Ein Diagnosegerät wird eingesteckt & liest die Fehlercodes (DTCs), die jedes Steuergerät im Netzwerk gesetzt hat. Ein Code wie P0301 bedeutet: Zündaussetzer an Zylinder 1 erkannt. P0420 bedeutet: Wirkungsgrad des Katalysators unter dem Grenzwert. OBD-II ist die universelle Sprache der Fahrzeugdiagnose.

Elektrische Diagnose

Das Auto eines Kunden springt nicht an. Wenn er den Schlüssel dreht, hört er ein schnelles Klicken, aber der Motor dreht nicht durch. Die Scheinwerfer leuchten schwach & werden noch dunkler, sobald er versucht, das Auto zu starten. Die Batterie ist drei Jahre alt.

Anhalten und Fahrverhalten

Scheibenbremsen, ABS & Fahrwerksgeometrie

Die Bremsanlage wandelt Bewegungsenergie (Bewegung) durch Reibung in Wärmeenergie (Hitze) um. Wenn du das Bremspedal tritts, drückst du Bremsflüssigkeit durch die Bremsleitungen zu den Bremssätteln an jedem Rad.

Scheibenbremsen: Eine Bremsscheibe aus Gusseisen oder Verbundwerkstoff dreht sich mit dem Rad. Ein Bremssattel umschließt die Scheibe und presst die Bremsbeläge dagegen, sobald hydraulischer Druck anliegt. Die Reibung bremst Scheibe & Rad ab. Scheibenbremsen leiten Hitze gut ab, widerstehen dem Fading und reinigen sich selbst. Die meisten modernen Autos verwenden Scheibenbremsen an allen vier Rädern.

Trommelbremsen: Bremsbacken pressen von innen nach außen gegen eine rotierende Trommel. Sie kosten weniger in der Herstellung und kommen noch an der Hinterachse mancher Kleinwagen & Lieferwagen zum Einsatz. Trommeln speichern Hitze & Wasser, neigen daher bei starkem Bremsen eher zum Fading und bremsen bei Nässe schlechter.

ABS (Antiblockiersystem): Raddrehzahlsensoren an jedem Rad melden ihre Werte an das ABS-Steuergerät. Blockiert ein Rad bei einer Vollbremsung, pulsiert das ABS-Steuergerät den Hydraulikdruck an diesem Rad schnell: Es löst die Bremse und baut den Druck wieder auf, dutzende Male pro Sekunde. So rutscht der Reifen nicht, & der Fahrer behält bei Notbremsungen die Lenkkontrolle. Auf trockener Fahrbahn verkürzt das ABS den Bremsweg nicht: Es erhält die Lenkfähigkeit.

MacPherson-Federbeine: Die häufigste Vorderradaufhängung bei Personenwagen. Eine einzige Baugruppe vereint Stoßdämpfer, Schraubenfeder & Achsschenkel zu einer kompakten Einheit. Das obere Ende des Federbeins verschraubt mit dem Federbeindom in der Karosserie, & das untere Ende verbindet sich mit dem Achsschenkel und dem unteren Querlenker.

Achsvermessung: Die Achsgeometrie beschreibt die Winkel der Räder relativ zur Karosserie & zur Fahrbahn. Die drei wichtigsten Winkel heißen Sturz (Neigung nach innen oder außen, von vorn gesehen), Nachlauf (Neigung der Lenkachse, von der Seite gesehen) & Spur (ob die Vorderseiten der Reifen von oben gesehen nach innen oder außen zeigen). Eine falsche Einstellung verursacht ungleichmäßigen Reifenverschleiß, Ziehen zu einer Seite & schlechtes Fahrverhalten.

Bremsendiagnose

Ein Kunde beschwert sich: Beim starken Bremsen zittert das Lenkrad, & das Bremspedal pulsiert unter dem Fuß. Bei normalem, sanftem Bremsen verschwindet die Vibration. Das Auto hat an allen vier Rädern Scheibenbremsen, ist fünf Jahre alt & hat 60.000 Meilen gelaufen.

Karrierelandschaft im Kfz-Bereich

Wohin Kfz-Wissen Sie führt

Allein in den Vereinigten Staaten beschäftigt die Automobilbranche über 4 Millionen Menschen. Die Nachfrage nach qualifizierten Technikern übersteigt das Angebot stetig: Autohäuser und freie Werkstätten tun sich schwer damit, Stellen zu besetzen.

ASE-Zertifizierung (Automotive Service Excellence): Der Branchenstandard unter den Qualifikationen. ASE bietet Zertifizierungen für bestimmte Bereiche an: Motorreparatur (A1), Automatikgetriebe (A2), Schaltgetriebe und Antriebsstrang (A3), Fahrwerk und Lenkung (A4), Bremsen (A5), Elektrik (A6), Heizung und Klimaanlage (A7) sowie Motormanagement (A8). Wer alle acht besteht, erhält die Bezeichnung ASE Master Technician. Jede Zertifizierung verlangt eine bestandene schriftliche Prüfung & zwei Jahre einschlägige Berufserfahrung.

Techniker im Autohaus: Arbeitet an einer bestimmten Marke (Ford, Toyota, BMW usw.) & erhält vom Hersteller Schulungen für diese Fahrzeuge. Autohäuser zahlen nach einem Pauschalsystem: Jeder Auftrag hat eine Richtzeit, & der Techniker erhält die Vergütung für diese Stunden, unabhängig davon, wie lange er tatsächlich braucht. Schnelle, versierte Techniker verdienen deutlich mehr. Autohäuser bieten einen klar gegliederten Aufstieg vom Schmierdienst-Mitarbeiter bis zum Master-Techniker.

Freie Kfz-Werkstatttechniker/in: Arbeitet an allen Marken und Modellen. Das erfordert breiteres Wissen & stärkere Diagnosefähigkeiten, weil du alles zu sehen bekommst. Freie Werkstätten zahlen mal nach Stunden, mal nach Pauschale. Mehr Eigenständigkeit, weniger markenspezifische Schulung.

Spezialisierung auf Elektrofahrzeuge: Elektrofahrzeuge bilden das am schnellsten wachsende Segment. Techniker/innen für Elektrofahrzeuge arbeiten mit Hochvolt-Batteriepaketen (400-800 Volt), elektrischen Antriebsmotoren, Rekuperationsbremssystemen & Thermomanagement. Eine Hochvolt-Sicherheitszertifizierung ist Pflicht: Die Spannungen in einem Batteriepaket eines Elektrofahrzeugs wirken tödlich. Hersteller wie Tesla, Rivian & Lucid bauen eigene Servicenetze auf & stellen Techniker/innen mit spezieller Elektrofahrzeug-Ausbildung ein.

Dieseltechniker/in: Arbeitet an Nutzfahrzeugen, Bussen, Baumaschinen & Schiffsmotoren. Dieselmotoren arbeiten mit Selbstzündung (keine Zündkerzen) & laufen bei deutlich höheren Drücken & Temperaturen als Benzinmotoren. Dieseltechniker/innen sind im Transportgewerbe, im Bau & in der Landwirtschaft sehr gefragt. Viele von ihnen verdienen über 70.000 $ pro Jahr, & spezialisierte Techniker/innen für schwere Maschinen verdienen mitunter mehr.

Der Einstieg: Kfz-Programme an Community Colleges (1-2 Jahre), herstellergeförderte Ausbildungsprogramme (UTI, Lincoln Tech oder OEM-Programme wie Toyota T-TEN oder Ford ASSET) & Ausbildungsplätze bei Vertragshändlern oder Werkstätten bilden die wichtigsten Einstiegswege.

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