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Re: Der Viertaktmotor
rrs-tuning - 04.05.2008, 11:37Der Viertaktmotor
Der Viertaktmotor
Ein Viertaktmotor ist ein Verbrennungsmotor, der für den Kreisprozess vier Takte benötigt. Ein Takt ist beim Hubkolbenmotor die Bewegung des Kolbens vom Stillstand in eine Richtung bis zum erneuten Stillstand. Die Kurbelwelle vollführt daher während eines Taktes eine halbe Umdrehung. Vom thermodynamischen Verfahren her unterscheidet man Ottomotoren und Dieselmotoren. Beide Motoren können auch im Zweitaktverfahren arbeiten. Der Viertaktmotor wurde von Nicolaus August Otto (1832-1891) um 1870 entwickelt.
Funktionsweise des Viertakt-Hubkolbenmotors
Folgender Ablauf beschreibt den Viertaktprozess:
• 1. Takt, Ansaugen: Der Kolben befindet sich im oberen Totpunkt und beginnt, sich abwärts zu bewegen. Das Einlassventil öffnet und Luft (bei Motoren mit innerer Gemischbildung, z. B. Dieselmotor-Direkteinspritzer) oder Benzin oder brennbares Gemisch (bei Motoren mit äußerer Gemischbildung, z. B. Vergaser-Ottomotor oder indirekter Benzineinspritzer) wird in den Zylinder gesaugt. Sobald 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) auf 10 bis 12 bar. Die Temperatur steigt auf 300 - 400 °C. 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 Kraftstoff-Luftgemisch verdichtet. Das Gas erwärmt sich, der Druck steigt bis zur Entzündung. Bei Dieselmotoren entzündet sich das Gemisch automatisch durch die Verdichtung, die die Temperatur erhöht, beim Benzinmotor wird es durch den Funken an der Zündkerze ausgelöst.
• 3. Takt, Arbeiten: Das Kraftstoff-Luftgemisch dehnt sich aufgrund des Temperaturanstiegs während der Verbrennung (ca. 2000 °C) aus und bewirkt somit einen Druckanstieg im Verbrennungsraum (50 - 70 bar). Dieser Druck beschleunigt den Kolben in Richtung unterer Totpunkt, so dass beim Arbeitstakt 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 so genannten 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 üblich, manchmal 5 Ventile (Audi). 4-Ventil-Motoren haben wegen des leichteren Gasaustausches mehr Leistung als Zweiventiler. So genannte 16-V-Motoren sind meist 4-Zylinder-Motoren mit je 4 Ventilen pro Zylinder.
Die Ventile werden meist von (der) Nockenwelle(n) gesteuert. Diese wird von der Kurbelwelle, heute zumeist über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette angetrieben und läuft mit halber Kurbelwellendrehzahl. Bei Hochleistungs- und Motorradmotoren wurde für den Ventiltrieb früher oft eine Königswelle oder wie heute noch gebräuchlich, Zahnräder verwendet. Liegt die Nockenwelle unten (d.h. nicht im Zylinderkopf), werden die (hängenden) Ventile bei OHV-Motoren über Stoßstangen und Kipphebel betätigt, bei SV-Motoren (stehende Ventile) bis in die fünfziger Jahre hinein direkt über Stößel. Die Stoßstangen können entfallen, wenn die Nockenwelle oben liegt (OHC-Motor, overhead camshaft, aktuell die im PKW-Motorenbau am häufigsten verwendete Variante), dann werden die Ventile über Kipphebel, Tassenstößel oder Schlepphebel gesteuert. Bei zwei obenliegenden Nockenwellen (DOHC-Motor, double overhead camshaft) werden die Ventile über besonders leichte Tassenstößel betätigt und es ergibt sich die günstige halbkugelförmige Brennkammerform im Zylinderkopf.
Vor- und Nachteile, Bedeutung
Vorteil des Viertaktmotors gegenüber dem Zweitaktmotor ist ein geordneter Gaswechsel durch die beinahe perfekte Trennung von Frischgas und Abgas, was auch einen geringeren Treibstoffverbrauch und besseres Abgasverhalten bedeutet. Im Gegensatz zum Zweitaktmotor verliert der Viertakt-Hubkolbenmotor nicht direkt Schmieröl, nur das Öl das zur Schmierung der Kompressionsringe dient geht dabei prinzipbedingt verloren. Beim Wankelmotor muss die Laufbahnoberfläche wie beim Zweitakter mit Verlustöl geschmiert werden, der Ölverbrauch ist jedoch beim Wankelmotor deutlich geringer als beim Zweitakthubkolbenmotor. Viertakt-Hubkolben- und -Wankelmotoren besitzen ein druckloses Kurbelgehäuse und ermöglichen somit eine sogenannte Druckumlaufschmierung. Beim Zweitaktmotor ist das Kurbelgehäuse durch den Spüldruck nicht drucklos. Bei der Druckumlaufschmierung wird das Öl 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 geringere Leistungsdichte beim Viertakt-Hubkolbenmotor (wegen dem Leerhub, jeder Zylinder liefert nur bei jeder zweiten Umdrehung einen Arbeitstakt, trifft jedoch nicht auf den Wankelmotor zu) 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 (z.B. Kymco Agility).
Besondere Bauform
Eine besondere Bauform des Viertaktmotors ist neben dem hier beschriebenen Hubkolbenmotor der Kreiskolben- oder Wankelmotor, bei dem Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen während einer Kolbenumdrehung erfolgen.
Re: Der Viertaktmotor
opelfreak - 11.07.2008, 22:35
Technik: Viertakt-Prinzip
Das älteste Arbeitsprinzip für Hubkolben-Motoren ist die Viertakt-Arbeitsweise. Der technisch einfachere Zweitakter kam später.
Suzuki baute seit Anfang an beide Motorenarten. Doch lange Zeit kultivierte man in Hamamatsu nur den Zweitakter und erst mit dem Erscheinen der GS-Baureihe kehrte zu einem Prinzip zurück, welches heute zum Standard geworden ist. Kein Wunder, denn es vereinigt Zuverlässigkeit mit Wirtschaftlichkeit und Umweltfreundlichkeit. Na, und außerdem klingt es einfach saugut, oder?
Ansaugtakt
Ein Viertakter trennt sauber das Kurbelgehäuse von den Gasen, die durch den Motor strömen.
Dazu ist eine aufwändige Steuerung erforderlich, die über Ventile, Nockenwellen und Stößel ausgeführt wird.
Beim gezeigten GS-Motor finden wir eine sogenannte DOHC-Anordnung. Die Ventile hängen dabei im Zylinderkopf und werden über zwei darüber liegende Nockenwellen und Tassenstößel betätigt. Die Nockenwellen werden wiederum von der Kurbelwelle über eine Steuerkette angetrieben.
Dreht sich die Kurbelwelle und bewegt sich der Kolben vom oberen Totpunkt aus nach unten, drückt die Einlassnocke (hier links) das Einlassventil gegen den Druck der Ventilfeder nach unten.
Durch den nun offenen Ringspalt am Ventilteller wird Frischgas, welches vom Vergaser kommt, in den Zylinderraum gesaugt.
Natürlich ist das Auslassventil (hier rechts) dabei geschlossen.
Verdichtungstakt
Kurz bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird auch das Einlassventil geschlossen.
Der Kolben bewegt sich nun nach oben und verdichtet das brennbare Gemisch im Zylinderraum. Dabei wird es intensiv verwirbelt und erreicht eine hohe Temperatur.
Bei Motoren spricht man auch vom Verdichtungsverhältnis. Das ist das Verhältnis zwischen den Volumina die sich im unteren und oberen Totpunkt ergeben. GS-Motoren sind Hochleistungsaggregate und meist mit etwa 9,5 - 10,5 : 1 verdichtet.
Ist der obere Totpunkt erreicht, hat das Gemisch so nur noch etwa 10% des ursprünglichen Volumens und einen entsprechend hohen Druck (etwa 12 - 14 bar). Jetzt sind die Moleküle des Gemisches so nah zusammengepresst, dass eine intensive Verbrennung stattfinden kann.
Was fehlt, ist nur noch der berühmte Funke ....!
Arbeitstakt
Theoretisch im oberen Totpunkt erfolgt über die Kerze die Zündung des Gemisches. Das dauert aber eine gewisse Zeit und so wird der Zündfunke schon kurz vor dem OT ausgelöst. Man spricht von Frühzündung und je schneller der Motor dreht, desto früher muss dies geschehen.
Oft wird vermutet, dass es jetzt zu einer regelrechten Explosion kommt. Das ist aber nicht der Fall und würde den Motor in kürzester Zeit zerstören.
Stattdessen kommt es zu einer sehr schnellen Verbrennung, bei der sich, ausgehend von der Zündkerze, eine Flammenfront durch den Verbrennungsraum ausbreitet.
Dabei steigt das Volumen des Gases an und die dabei entstehende Energie drückt den Kolben mit hoher Geschwindigkeit nach unten.
Ist der untere Totpunkt erreicht, ist der größte Teil des Gases verbrannt und die in ihm gespeicherte Energie in Arbeit umgewandelt. Was übrig bleibt, sind Abgase wie Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe sowie Ruß.
Auspufftakt
Die Abgase müssen nun noch aus dem Zylinderraum entfernt werden. Kurz vor dem unteren Totpunkt drückt die Auslassnocke auf das Auslassventil (hier rechts) und öffnet es so.
Durch den nun offenen Ringspalt am Ventilteller können die Abgase entweichen. Der Schwung der Kurbelwelle treibt den Kolben nach oben, wodurch die Verbrennungsrückstände in den Auspufftrakt gepresst werden.
Kurz vor dem oberen Totpunkt öffnet, wie oben beschrieben, auch das Einlassventil und es kommt zu einer sogenannten Überschneidung. Das ist ein Trick, der schon früh für Hochleistungsmotoren entdeckt wurde. Dabei reißt das herausströmende Abgas Frischgas mit sich und hilft bei der neuen Befüllung des Zylinderraums.
Natürlich kommt es zu gewissen Gasverlusten, aber das ist kein Problem. Im Gegenteil hilft das Frischgas im Auspufftrakt die Reste des verarbeiteten Gemisches nachzuverbrennen.
Fertig ist ein Arbeitszyklus und der nächste kann beginnen. Faszinierend ist, dass das Ganze bei Nenndrehzahl mehr als 80 mal in der Sekunde passiert.
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