Vier-Takt-Zyklus

Luft, Kraftstoff, Funke und Kraft

Der Ottomotor wandelt chemische Energie aus Kraftstoff in mechanische Bewegung um. Die meisten Benzinmotoren verwenden den Vier-Takt-Zyklus, erfunden von Nikolaus Otto im Jahr 1876. Jeder Zylinder wiederholt vier Stöße: zwei hoch, zwei runter: für jeden Leistungsereignis.

Stoß 1: Einlass: Der Kolben geht runter, das Einlassventil öffnet sich und ein genau gemessenes Gemisch aus Luft und Kraftstoff wird in den Zylinder gezogen. Moderne Motoren verwenden Kraftstoffeinspritzung: ein computer-gesteuertes Einspritzrohr sprüht atomisierten Kraftstoff in den Einlasskanal oder direkt in den Zylinder.

Stoß 2: Kompression: Beide Ventile schließen sich und der Kolben bewegt sich hoch, komprimiert die Luft-Brennstoff-Mischung in einen kleinen Raum am oberen Teil des Zylinders. Ein typischer Ottomotor hat einen Kompressionsverhältnis von etwa 10:1, was bedeutet, dass die Mischung auf ein Zehntel ihres ursprünglichen Volumens zusammengepresst wird. Die Kompression erhöht die Temperatur und Druck der Mischung, was die Verbrennung effizienter gestaltet.

Stoß 3: Leistung (Verbrennung): Am Ende der Kompression stoß fängt der Zündkerze Feuer. Die Zündkerze entzündet die komprimierte Luft-Brennstoff-Mischung, die sich schnell entfaltet und den Kolben mit enormer Kraft nach unten treibt. Dies ist der einzige Stoß, der Leistung erzeugt: die anderen drei sind Vorbereitung und Reinigung.

Stoß 4: Auspuff: Das Auslassventil öffnet sich und der Kolben bewegt sich hoch, drückt die verbrauchten Verbrennungsgase aus dem Zylinder und in das Auspuffsystem. Dann wiederholt sich der Zyklus.

Hubraum ist das Gesamtvolumen, das alle Kolben in einem vollendeten Zyklus abdecken. Ein 2,0-Liter-Motor hat Zylinder, die im Kollektiv 2 Liter Volumen aufweisen. Ein größerer Hubraum bedeutet in der Regel mehr Leistung, aber auch höheres Kraftstoffverbrauch.

Kompressionsverhältnis ist das Verhältnis des Zylinder-Volumens am Ende des Stoßes zum Volumen am oberen Ende. Höhere Kompressionsverhältnisse extrahieren mehr Energie aus dem Kraftstoff, aber sie benötigen höher oktanfähiges Benzin, um unkontrollierte Detonationen zu verhindern: eine unkontrollierte Detonation, die den Motor schaden kann.

Diagnose eines Zündversagens

Ein Kunde bringt einen Vierzylindermotor mit. Der Motor läuft rau und bebt beim Anlassen. Das Kontrolllicht am Armaturenbrett ist an, und der Diagnosescanner zeigt einen Fehlercode für ein Zündversagen im Zylinder 3. Der Motor läuft auf drei Zylindern anstatt auf vier.

Getriebe, Differenzial und Antriebslayout

Leistung an die Räder liefern

Der Motor erzeugt rotatorische Kraft (Drehmoment) am Kurbeltrieb. Die Rohleistung kann jedoch nicht direkt an die Räder abgegeben werden: Sie muss für Geschwindigkeit, Richtung und Traktion angepasst werden. Das ist die Aufgabe des Antriebs.

Getriebe: Das Getriebe ändert das Übersetzungsverhältnis zwischen Motor und Rädern. Bei einer tiefen Gangstellung dreht sich der Motor im Verhältnis zu den Rädern schnell: hohes Drehmoment für Beschleunigung und Bergsteigen. Bei einer hohen Gangstellung dreht sich der Motor langsamer im Verhältnis zu den Rädern: effizientes Fahren bei Highway-Geschwindigkeit. Handgeschaltete Getriebe verwenden eine Bremse und einen von Fahrer ausgewählten Gang. Automatische Getriebe verwenden einen Drehmomentwandler und planetengetriebene Gehäuse, die durch das Getriebe-Steuerungsmodul (TCM) gesteuert werden.

Differenzial: Wenn ein Auto wendet, fährt das äußere Rad einen längeren Weg als das innere Rad. Das Differenzial ist ein Satz von Getriebe in der Achshülse, der den beiden Antriebsrädern ermöglicht, bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu drehen, während sie immer noch Leistung erhalten. Ohne Differenzial würden die Reifen abreiben und über jede Kurve rutschen.

Antriebslayout:

- Vorderradantrieb (FWD): Motor und Getriebe sind vorne montiert und treiben die Vorderräder an. Die meisten Personenkraftwagen verwenden Vorderradantrieb, weil er kompakt, leicht und gute Traktion im Regen und in leichten Schneestürmen bietet, da das Motorgewicht über die antriebsseitigen Räder sitzt.

- Hinterradantrieb (RWD): Motor vorne, Leistung über eine Welle zum hinteren Achssatz. Bessere Gewichtsverteilung, passt zu höheren Leistungsanforderungen, wird für Lastwagen, Sportwagen und Towing bevorzugt. Neigt dazu, im Schlupfwinkel zu rutschen, wenn die Fahrbahn glatt ist.

- Allradantrieb (AWD): Leistung geht zu allen vier Rädern, meist durch ein Zentralkreuzdifferential oder einen Übersetzungsgetriebe. Ein Computer kann die Drehmomentverteilung zwischen Vorder- und Hinterrädern basierend auf der Traktion variieren. Ist bei Übersetzungs- und SUVs häufig vertreten.

- 4WD (Vierradantrieb): Ein Teilzeit- oder auswählbares System mit einem Übersetzungsgetriebe, das die Vorder- und Hinterräder zusammenriegelt. Entwickelt für Geländefahren und Niedrigtraktionssituationen. Sollte bei trockenem Asphalt in geschlossener Stellung nicht verwendet werden, weil sie die Antriebswelle in Kurven einengt.

Auswahl eines Antriebslayouts

Ein Kunde sucht nach einem neuen Fahrzeug. Er wohnt in Minnesota, wo Winter starke Schneefälle und Eis bringen. Er zieht auch jedes Sommer einen 5.000-Pfund schweren Boot zum See. Er möchte etwas, das gut im Winter fährt und zuverlässig ziehen kann.

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

Das Nervensystem des Fahrzeugs

Ein modernes Auto wird von einem 12-Volt-Gleichstrom-Elektriksystem mit einer Blei-Säurebatterie und einem von einem seriengetriebegetriebenen Alternator geladen, der von dem Motor getrieben wird.

Die Batterie liefert die gespeicherte Energie, die zum Anlassen des Motors benötigt wird. Eine typische Autofahrzeugbatterie liefert 400-800 kalte Anlaufampere (CCA) zum Drehen des Startermotors, der den Motorzylinder anregt, bis der Verbrennungsvorgang übernimmt.

Der Alternator ist ein mit dem Motorriemen angetriebener Generator, der mechanische Energie aus dem Motor in elektrische Energie umwandelt. Sobald der Motor läuft, versorgt der Alternator alle elektrischen Systeme und lädt die Batterie wieder auf. Ein versagender Alternator bedeutet, dass die Batterie beim Fahren langsam entladen wird: schließlich stirbt das Auto.

Das Startermotor ist ein Hochleistungselektromotor, der sich mit dem Ringgehilfe des Motors verwebt, um den Motor anzuwerfen. Es zieht die höchste Spannung von jedem Komponenten im Auto: 150 bis 300 Ampere für einige Sekunden.

CAN-Bus (Controller Area Network): Moderne Fahrzeuge haben 30 bis 100 elektronische Steuereinheiten (ECUs), die miteinander sprechen müssen. Der CAN-Bus ist ein Zweileiter-Kommunikationsnetzwerk, das alle verbindet. Der Motorsteuergerät (ECM), Getriebe-Steuereinheit (TCM), Bremsen-Steuereinheit (ABS), Karosserie-Steuereinheit (BCM) und Dutzende anderer teilen Daten über CAN. Wenn der ECM die Geschwindigkeit der Räder wissen muss, liest es die Daten des ABS-Moduls über den CAN-Bus.

OBD-II (On-Board Diagnostics II): Seit 1996 hat jeder in den Vereinigten Staaten verkauftes Auto ein standardisiertes 16-poliges Diagnose-Steckergehäuse unter dem Armaturenbrett. Ein Diagnoseschrank steckt hinein und liest die von jedem Steuermodul im Netz gesetzten Diagnose-Schlagwort-Listen (DTCs). Ein Code wie P0301 bedeutet, dass ein Zylinder 1 nicht zündet. P0420 bedeutet, dass die Katalysatorausbeute unterhalb des Schwellenwerts liegt. OBD-II ist die universelle Sprache der Automobil-Diagnose.

Elektrodiagnose

Ein Kundenauto startet nicht. Wenn sie den Schlüssel drehen, hören sie ein schnelles Klicken, aber der Motor dreht sich nicht. Die Scheinwerfer sind gedimmt und werden noch gedimmter, wenn sie versuchen, das Auto zu starten. Die Batterie ist drei Jahre alt.

Bremsen und Federung

Scheibenbremsen, ABS und Federung

Das Bremsensystem wandelt kinetische Energie (Bewegung) in thermische Energie (Wärme) durch Reibung um. Wenn Sie den Bremshebel betätigen, drücken Sie hydraulisches Fluid durch Bremsleitungen zu den Bremsscheiben an jedem Rad.

Scheibenbremsen: Ein aus Gusseisen oder Verbundmaterial hergestellter Rotor dreht sich mit dem Rad. Ein Bremsschieber befindet sich über dem Rotor und drückt bei Anwendung von hydraulischem Druck die Bremsscheiben gegen ihn. Die Reibung verlangsamt den Rotor und das Rad. Scheibenbremsen verarbeiten Wärme gut, widerstehen Abnutzung und sind selbstreinigend. Die meisten modernen Autos verwenden Scheibenbremsen an allen vier Rädern.

Trommelbremsen: Die Bremssohlen drücken nach außen gegen die Innenseite eines sich drehenden Trommels. Günstiger herzustellen und immer noch auf der Hinterachse einiger günstiger Pkw und Lkw verwendet. Trommeln halten Wärme und Wasser, was eine größere Neigung zur Abnutzung unter harten Bremsmanövern und weniger Effizienz im Nässe mit sich bringt.

ABS (Bremsen-Schaltungs-System): Radgeschwindigkeitsensor an jedem Rad melden sich beim ABS-Modul. Wenn ein Rad beim hartem Bremsen blockiert, pulsiert das ABS-Modul die Hydraulikdruck auf das Rad schnell: das Bremspedal wird wieder und wieder in Sekundenschnelle betätigt. Dies verhindert, dass sich das Reifen löst und ermöglicht dem Fahrer, bei Notbremsungen die Lenkung zu behalten. ABS verkürzt die Bremsdistanz nicht auf trockenen Straßen: es bewahrt die Lenkfähigkeit.

MacPherson-Federn: Die am häufigsten verwendete Vorderachse in Personenkraftwagen. Eine einzelne Verbindung kombiniert den Stoßdämpfer, die Federkraft, den Lenkkörper und die untere Längslenker in einem kompakten Einheit. Die obere Stütze der Stange schraubt sich an der Stange im Fahrzeugkörper fest, und die untere Verbindung geht an den Lenkkörper und den unteren Längslenker.

Radjustierung: Die Justierung bezieht sich auf die Winkel der Räder im Verhältnis zum Fahrzeugkörper und zur Straßenoberfläche. Die drei Hauptwinkel sind Neigung (Schiefstand in oder aus, wenn man von der Vorderseite aus sieht), Kippwinkel (Schiefstand des Lenkungsachsen, wenn man von der Seite sieht) und Spur (ob die Vorderseiten der Reifen nach innen oder außen zeigen, wenn man von oben sieht). Falsche Justierung verursacht ungleichmäßigen Reifenschluss, Auslenken nach einer Seite und schlechtes Handling.

Bremsendiagnose

Ein Kunde klagt, dass sich das Lenkrad beim Bremsen hart schüttelt und der Bremshebel unter seinem Fuß pulsiert. Die Vibration verschwindet bei normaler sanfter Bremse. Das Auto hat Scheibenbremsen an allen vier Rädern und ist fünf Jahre alt mit 60.000 Meilen.

Automotive-Karriere-Landschaft

Wo Sie mit Automobilwissen hingelangen

Die Automobilindustrie beschäftigt in den Vereinigten Staaten alleine über 4 Millionen Menschen. Die Nachfrage nach qualifizierten Technikern übersteigt die Verfügbarkeit stets: Händlerbetriebe und unabhängige Werkstätten haben Schwierigkeiten, Stellen zu besetzen.

ASE-Zertifizierung (Automotive Service Excellence): Die Branchen-Standardzulassung. ASE bietet Zertifizierungen in bestimmten Bereichen: Motorreparatur (A1), Automatisierte Getriebe (A2), Manuelles Antriebsstrang (A3), Federung und Lenkung (A4), Bremsen (A5), Elektrosysteme (A6), Klima- und Heizsysteme (A7) und Motorleistung (A8). Das Bestehen aller acht Prüfungen erhält Ihnen die ASE-Meistertechniker-Bezeichnung. Jede Zertifizierung erfordert das Bestehen einer schriftlichen Prüfung und die Demonstration von zwei Jahren einschlägiger Berufserfahrung.

Händlerbetriebs-Techniker: Arbeite an einem bestimmten Fahrzeughersteller (Ford, Toyota, BMW usw.) und erhält Fabriktraining für diese Fahrzeuge. Händlerbetriebe zahlen nach einem Flachlohn-System: Jede Arbeit hat eine festgelegte Zeit, und der Techniker wird für die festgelegten Stunden bezahlt, unabhängig davon, wie lange es tatsächlich dauert. Schnelle, geschulte Techniker können erheblich mehr verdienen. Händlerbetriebe bieten strukturierte Karriereaufstiege von Lüftetechnikern bis hin zu Meistertechnikern.

Unabhängige Werkstatt-Techniker: Arbeiten an allen Fahrzeugtypen. Erfordert einen breiteren Wissensschatz und stärkere Diagnosefähigkeiten, da man alles sieht. Unabhängige Werkstätten können Stundenlohn oder Flachlohn zahlen. Mehr Autonomie, weniger markenspezifisches Training.

EV-Spezialisierung: Elektrofahrzeuge sind das am schnellsten wachsende Segment. EV-Techniker arbeiten mit Hochvolt-Batteriepacks (400-800 Volt), Elektromotoren, regenerativen Bremsystemen und Thermomanagement. Eine Hochvolt-Sicherheitszertifizierung ist obligatorisch: Die Spannungen in einem EV-Batteriepack sind lebensgefährlich. Hersteller wie Tesla, Rivian und Lucid bauen eigene Service-Netzwerke auf und engagieren Techniker mit EV-spezifischem Training.

Diesel-Techniker: Arbeiten an Lastwagen, Bussen, schweren Geräten und Seemotoren. Diesel-Motoren arbeiten mit Verdichtungs-Zündung (ohne Zündkerzen) und betreiben höhere Drücke und Temperaturen als Ottomotoren. Diesel-Techniker sind in der Hafenwirtschaft, im Bauwesen und in der Landwirtschaft sehr gefragt. Viele Diesel-Techniker verdienen über 70.000 US-Dollar im Jahr, und spezialisierte Techniker für schwere Geräte können noch mehr verdienen.

Zum Einstieg: Automobilprogramme an Gemeinschaftskollegs (1-2 Jahre), herstellerunterstützte Ausbildungsprogramme (UTI, Lincoln Tech oder OEM-Programme wie Toyota T-TEN oder Ford ASSET) und Ausbildungsverträge in Händlerbetrieben oder Werkstätten sind die Haupteinstiegswege.

Planung Ihres Weges

Connect Automotive Knowledge to Your Future

Sie verstehen nun die Grundlagen von Verbrennungsmotoren, Antriebssystemen, Elektrodiagnosen und Brems- und Federungssystemen: den Kernsystemen, die jeder Auto-Mechatroniker beherrschen muss.