Viertaktmotor: Wie er funktioniert und welche Vorteile er hat
Ein Viertaktmotor oder umgangssprachlich Viertakter ist ein Kolbenverbrennungsmotor, der in vier Takten arbeitet. Das bedeutet, dass der Arbeitszyklus des Motors während vier Kolbenhüben und zwei Umdrehungen der Kurbelwelle stattfindet.
Die Arbeitszyklen unterscheiden sich bei Otto- und Dieselmotoren geringfügig, je nachdem, wie das Gemisch gezündet wird. Schauen wir uns also an, wie ein Benzin-Viertaktmotor und ein Diesel-Viertaktmotor funktionieren.
Inhalt
Viertaktmotorfunktion
Da die Arbeitszyklen von Benzin- und Dieselmotoren leicht unterschiedlich sind, werden wir auf beide getrennt eingehen.
Benzin-Viertaktmotor
1. Ansaughub
Mit der Abwärtsbewegung des Kolbens vergrößert sich der Raum über dem Kolben und gleichzeitig öffnen sich auch die Einlassventile. Dies führt zu einem Druckabfall über dem Kolben (der Druck über dem Kolben ist niedriger als der Atmosphärendruck). Dieser Druckunterschied ermöglicht es dem Motor, die benötigte Luft durch das Ansaugrohr in die Zylinder zu saugen.
Motorkolben: Wie funktionieren sie?
Allerdings gelangt neben der Luft selbst auch Kraftstoff in die Zylinder. Luft und Kraftstoff bilden zusammen ein zündfähiges Gemisch. Die Bildung des Zündgemisches erfolgt je nach Einspritztechnik in den Ansaugkanälen, im Saugrohr oder im Zylinder.
2. Komprimierung
Nachdem der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht und die Ansaugphase beendet ist, beginnt er, sich nach oben zu bewegen. Durch seine Aufwärtsbewegung verdichtet der Kolben das Gemisch, das sich dadurch erwärmt, und da es sich nicht ausdehnen kann, steigt auch der Druck.
Verdichtungsverhältnis: Welchen Einfluss hat es auf den Motor?
Die hohe Temperatur und der hohe Druck begünstigen die Verdampfung des Kraftstoffs und seine Vermischung mit Luft, wodurch das Gemisch explosiver wird. Allerdings darf das Gemisch bei der Verdichtung nicht zu stark komprimiert werden, damit es nicht die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs erreicht (Detonationsverbrennung). Während der Kompression sind die Einlass- und Auslassventile geschlossen.
3. Erweiterung
In dieser Phase beginnt der Verbrennungsprozess. Ein Funke springt auf die Zündkerze und entzündet das komprimierte Gemisch. Nach der Zündung beginnt sich das Gemisch auszudehnen, drückt auf den Kolben und bewegt ihn nach unten bis zu seinem unteren Totpunkt, wodurch Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wird.
4. Auspuff
Während dieser Phase öffnen sich die Auslassventile, damit das Abgas aus dem Zylinder austreten kann. Am Ende der Expansion ist der Druck im Zylinder höher als der Atmosphärendruck, wodurch die Abgase aus dem Zylinder gedrückt werden. Der Kolben drückt die restlichen Abgase aus, während er sich seinem oberen Totpunkt nähert.
Um die Zylinderentleerung zu verbessern, schließen die Auslassventile jedoch erst, wenn der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht und die Einlassventile bereits geöffnet sind.
Nachdem alle vier Zyklen beendet sind, beginnt der Arbeitszyklus des Motors von neuem.
Viertakt-Dieselmotor:
Das Funktionsprinzip eines Viertakt-Dieselmotors ist dem eines Viertakt-Benzinmotors sehr ähnlich. Der Hauptunterschied besteht darin, dass nur saubere Luft in die Zylinder gesaugt wird. Nach dem Komprimieren und Erhitzen wird Dieselkraftstoff eingespritzt und das resultierende Gemisch durch die Kompressionswärme gezündet.
1. Ansaughub
Der Kolben bewegt sich von seinem oberen Totpunkt nach unten zu seinem unteren Totpunkt, wodurch der Raum über dem Kolben vergrößert und die Einlassventile geöffnet werden. Dadurch gelangt die erforderliche Luftmenge durch das Ansaugrohr in die Zylinder.
2. Komprimierung
Nachdem der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht und die Ansaugphase beendet ist, beginnt er, sich nach oben zu bewegen. Der Kolben bewegt sich also von seinem unteren Totpunkt zurück zu seinem oberen Totpunkt, während seine Aufwärtsbewegung die Luft komprimiert, die sich dadurch erwärmt, aber auch ihren Druck erhöht.
Kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, wird Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt, der vermischt, verdampft und gezündet wird, wodurch es zu einer Expansion kommt.
3. Erweiterung
Nach der Zündung des Gemisches wird die Wärmeenergie des Kraftstoffs durch Verbrennung freigesetzt, was sich in einem Anstieg des Gasdrucks im Zylinder bemerkbar macht. Dadurch wirkt der Gasdruck auf den Motorkolben, der die thermische Energie des Kraftstoffs in mechanische Arbeit des Motors umwandelt. Bei der Expansion bewegt sich der Motorkolben von seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt.
4. Auspuff
Im letzten Teil des Arbeitszyklus eines Viertakt-Dieselmotors bewegt sich der Kolben bei geöffneten Auslassventilen vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt. Das bedeutet, dass der Kolben mit einer Aufwärtsbewegung die Abgase durch die Abgasanlage in die Luft drückt. Kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht, werden die Auslassventile geschlossen.
Abgasanlage: Was sind ihre Hauptkomponenten?
Gleiches gilt für einen Diesel-Viertaktmotor und einen Benzin-Viertaktmotor. Nachdem alle vier Zyklen beendet sind, beginnt der Arbeitszyklus des Motors von neuem.
Bei Viertaktmotoren wird häufig ein Turbolader eingesetzt, um Ladedruck zu erzeugen. Allerdings war die Turboaufladung von Motoren mittels Kompressor in der Vergangenheit relativ weit verbreitet. Doch schauen wir uns die Vor- und Nachteile eines Viertaktmotors im Vergleich zu einem Zweitaktmotor an.
Vorteile eines Viertaktmotors:
- Geringerer Kraftstoffverbrauch
- Ausgewogenerer und raffinierterer Betrieb
- Ausreichende Leistung auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten
- Besseres Schmiersystem
- Niedriger Motorölverbrauch
- Weniger Emissionen
- Bessere Motorkühlung
- Längere Lebensdauer Leben
Nachteile eines Viertaktmotors:
- Höheres Gewicht
- Komplexere Konstruktion
- Teurere Reparaturen im Fehlerfall
- Für einen Arbeitstakt des Motors sind zwei Umdrehungen der Kurbelwelle und vier Hübe des Kolbens erforderlich