Viertaktmotor
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Ein Viertaktmotor ist ein Hubkolbenmotor, der den Kreisprozess in vier Takten bewältigt. Ein Takt ist beim Hubkolbenmotor die Bewegung des Kolbens vom Stillstand in eine Richtung bis zum erneuten Stillstand. Die Kurbelwelle vollführt daher eine halbe Umdrehung während eines Taktes. Vom thermodynamischen Verfahren her unterscheidet man Ottomotoren und Dieselmotoren. Beide Verfahren gibt es jedoch auch für Zweitaktmotoren.
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[Bearbeiten] Funktionsweise des Viertakt-Hubkolbenmotors
Folgender Ablauf beschreibt den Viertaktprozess:
- 1. Takt, Ansaugen: Der Kolben steht im oberen Totpunkt und beginnt, sich abwärts zu bewegen. Das Einlassventil öffnet und Luft (bei Motoren mit innerer Gemischbildung, z. B. Dieselmotor oder Benzin-Direkteinspritzer) oder brennbares Gemisch (bei Motoren mit äußerer Gemischbildung, z. B. Vergaser-Ottomotor oder indirekter Benzineinspritzer) wird in den Zylinder gesaugt. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Einlassventil geschlossen.
- 2. Takt, Verdichten: Der Kolben bewegt sich nun nach oben und verdichtet dabei das im Zylinder befindliche Gas (siehe hierzu auch Kompressionsdruck, Verdichtungsverhältnis). Ist der Kolben beim Otto-Motor mit Vergaser oder indirekter Benzineinspritzung nahe am oberen Totpunkt angelangt, wird die Zündkerze gezündet; beim Direkteinspritzer wird kurz zuvor der Kraftstoff eingespritzt. Ebenso beim Dieselmotor: kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wird der Dieselkraftstoff eingespritzt. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das Luft-Kraftstoffgemisch verdichtet. Das Gas erwärmt sich, der Druck steigt bis zur Entzündung. Bei Dieselmotoren erfolgt das Entzünden des Gemisches automatisch durch drgggggggggggie Verdichtung, beim Benzinmotor wird es durch den Funken der Zündkerze ausgelöst.
- 3. Takt, Arbeiten: Das verbrennende Gas dehnt sich aus und schiebt den Kolben nach unten, so dass dabei mechanische Arbeit verrichtet wird.
- 4. Takt, Ausstoßen: Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Auslassventil geöffnet. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das Abgas aus dem Zylinder geschoben. Am Ende des Ausstoßtaktes kommt es zur sogenannten Ventilüberschneidung. Das Einlassventil wird geöffnet, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat. Durch den Sog der ausströmenden Abgase entsteht ein Unterdruck, durch den das Gemisch oder die Ansaugluft gegen die Kolbenbewegung einströmen kann. Hierdurch soll der Füllungsgrad verbessert werden. Das Auslassventil schließt, kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat.
Pro Zylinder gibt es mindestens ein Einlass- und ein Auslass-Ventil, aber auch 3 oder 4 Ventile pro Zylinder sind gängig, manchmal 5 Ventile (Audi). 4-Ventil-Motoren gelten im Vergleich zu Zweiventilern als leistungsstärker, weil der Gasaustausch leichter stattfindet. So genannte 16-V-Motoren sind meist 4-Zylinder-Motoren mit je 4 Ventilen pro Zylinder.
Die Ventilsteuerung erfolgt über die Nockenwelle(n). Diese wird von der Kurbelwelle, heute zumeist über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette angetrieben und läuft mit halber Kurbelwellendrehzahl. Bei Hochleistungsmotoren wurde für den Ventiltrieb auch früher oft ein Königswellen-Antrieb oder wie heute noch gebräuchlich, ein Zahnradantrieb verwendet. Liegt die Nockenwelle unten (d.h. nicht über den Ventilen), werden die Ventile über sogenannte Stößelstangen betätigt, meist im Zusammenspiel mit Kipphebeln zur Betätigung der hängend angeordneten Ventile (OHV-Motor, overhead valves). Die Stößelstangen können entfallen, wenn die Nockenwelle oben liegt (OHC-Motor, overhead camshaft, aktuell die im PKW-Motorenbau am häufigsten verwendete Variante), die Ventile werden dann über Kipphebel oder Schlepphebel gesteuert. Die Verwendung von zwei obenliegenden Nockenwellen (DOHC-Motor, double overhead camshaft) ermöglicht durch die günstigere Anordnung der Ventile eine optimale, halbkugelförmige Brennkammerform des Zylinderkopfes und erlaubt die direkte, massearme Betätigung der Ventile über Tassenstößel.
[Bearbeiten] Vor- und Nachteile, Bedeutung
Vorteil des Viertaktmotors gegenüber dem Zweitaktmotor ist ein geordneter Gaswechsel durch die nahezu perfekte Trennung von Frischgas und Abgas, was auch einen geringeren Treibstoffverbrauch und besseres Abgasverhalten bedeutet. Im Gegensatz zum Zweitaktmotor verbrennt der Viertakter sein Schmieröl nicht. Es wird in einem geschlossenen Kreislauf von der kurbelwellengetriebenen Ölpumpe zu den Schmierstellen gepumpt und fließt über Kanäle und Rohre zurück in die Ölwanne. Nachteil ist eine (zumindest theoretisch) geringere Leistungsdichte als bei Zweitaktmotoren und der mechanisch aufwändigere Aufbau des Motors.
Viertaktmotoren dominieren heute im gesamten Automobil- und Motorradbau, sogar bei Kleinstmotorrädern ab 50 cm³ kommen sie teilweise zum Einsatz.
[Bearbeiten] Besondere Bauform
Eine besondere Bauform des Viertaktmotors ist neben dem hier beschriebenen Hubkolbenmotor der Kreiskolbenmotor, bei dem Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen innerhalb einer Kolbenumdrehung erfolgen.
[Bearbeiten] Literatur
Richard van Basshuysen; Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. Wiesbaden: Vieweg, 3. Auflage 2005, ISBN 3528239336
