4 Takt Motor
Der Viertaktmotor ist die am häufigsten verwendete Motorenbauweise im PKW-Bau, so gut wie alle Modelle werden mit diesen Motoren ausgestattet. Das 4-Taktverfahren wurde um 1870 von Nicolaus August Otto entwickelt. Bei Viertaktmotor werden insgesamt vier Takte benötigt, um die Antriebsleistung zu erzeugen, die Kurbelwelle vollführt dabei insgesamt zwei komplette Drehungen, eine mehr als beim Zweitaktmotor. Der Kolben bewegt sich immer vom oberen zum unteren Totpunkt.
Die Baugruppen des Viertaktmotors
Das Motorgehäuse
Das Motorgehäuse bildet den äußeren Rahmen des Motors und beherbergt alle internen Komponenten. Es bietet Schutz und sorgt für die strukturelle Integrität des Motors.
Das Kurbelgetriebe
Das Kurbelgetriebe besteht aus der Kurbelwelle und den Pleuelstangen. Die Kurbelwelle wandelt die auf- und absteigende Bewegung der Kolben in eine rotierende Bewegung um. Die Pleuelstangen verbinden die Kolben mit der Kurbelwelle und übertragen die erzeugte Kraft.
Die Motorsteuerung
Die Motorsteuerung umfasst verschiedene Komponenten wie Nockenwelle, Ventile und Steuerungssysteme. Die Nockenwelle öffnet und schließt die Ventile zum richtigen Zeitpunkt, um den Einlass von Kraftstoff-Luft-Gemisch und den Auslass der Abgase zu steuern.
Die Gemischbildungsanlage
Die Gemischbildungsanlage ist für die richtige Mischung von Kraftstoff und Luft verantwortlich. Bei Benzinmotoren erfolgt dies in der Regel über einen Vergaser oder ein Einspritzsystem, während bei Dieselmotoren ein Einspritzsystem verwendet wird.
Die Hilfseinrichtungen
Der Viertaktmotor verfügt über verschiedene Hilfseinrichtungen, die den Betrieb unterstützen. Dazu gehören die Zündanlage, die für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemischs verantwortlich ist, die Auspuffanlage, die die Abgase ableitet und den Schalldämpfer enthält, sowie die Motorkühlung, die den Motor vor Überhitzung schützt.
Die Arten von Zylindern
Einzelzylinder
Bei einem Einzelzylinder-Motor gibt es nur einen einzelnen Zylinder, der Kolben und Verbrennungsraum beherbergt. Diese Art von Motor findet häufig Verwendung in kleineren Maschinen wie Motorrädern, Rasenmähern oder tragbaren Generatoren.
Mehrzylinderblock
Ein Mehrzylinderblock besteht aus mehreren Zylindern, die nebeneinander angeordnet sind und gemeinsam eine Einheit bilden. Typischerweise haben Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen mehrere Zylinder, wie z.B. Vierzylinder, Sechszylinder oder Achtzylinder. Ein Mehrzylinderblock bietet Vorteile wie eine bessere Leistung, Laufruhe und eine gleichmäßigere Kraftverteilung.
Zylinder mit nassen Laufbuchsen
Bei Zylindern mit nassen Laufbuchsen sind die Zylinderwände von einer Kühlmittelflüssigkeit umgeben. Das Kühlmittel entzieht dem Zylinder Wärme und trägt zur Kühlung bei. Diese Bauweise findet sich häufig in Motoren mit höherer Leistung, bei denen eine effiziente Kühlung erforderlich ist.
Zylinder mit trockenen Laufbuchsen
Im Gegensatz dazu sind bei Zylindern mit trockenen Laufbuchsen die Zylinderwände nicht von einer Kühlmittelflüssigkeit umgeben. Stattdessen erfolgt die Kühlung durch den Luftstrom oder durch Ölspritzung. Motoren mit trockenen Laufbuchsen werden oft in kleineren Fahrzeugen oder industriellen Anwendungen eingesetzt, bei denen die Kühlungsanforderungen geringer sind.
Die Arten des Verdichtungsraumes im Vierzylindermotor
Im Vierzylindermotor, der eine häufige Konfiguration bei Verbrennungsmotoren ist, gibt es verschiedene Arten von Verdichtungsräumen, die den Raum oberhalb des Kolbens und innerhalb des Zylinders umfassen.
Dachförmiger Verdichtungsraum
Der dachförmige Verdichtungsraum zeichnet sich durch ein kegelförmiges Design aus, bei dem der Brennraum in Richtung der Zündkerze hin verjüngt ist. Dieser Verdichtungsraum ermöglicht eine effiziente Verbrennung, da das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Nähe der Zündkerze konzentriert wird, was zu einer schnellen und gleichmäßigen Flammenausbreitung führt. Das dachförmige Design des Verdichtungsraums kann zu einer besseren Verbrennung und einer höheren Leistungsausbeute führen.
Keilförmiger Verdichtungsraum
Der keilförmige Verdichtungsraum hat eine ähnliche Form wie ein Keil, wobei die Form im oberen Bereich des Kolbens breiter ist und sich dann in Richtung der Zündkerze verjüngt. Dieser Verdichtungsraum ermöglicht eine effiziente Verwirbelung des Kraftstoff-Luft-Gemischs während der Kompression, was zu einer verbesserten Verbrennung beiträgt. Durch die Verwirbelung wird das Gemisch gründlicher durchmischt und es kommt zu einer besseren Flammenausbreitung im Brennraum.
Funktionsweise des Viertaktmotors
Im ersten Takt wird der Ansaugvorgang durchgeführt. Sobald sich der Kolben abwärts bewegt wird das Einlassventil geöffnet und dabei entweder Frischluft (bei Dieselmotoren oder Benzin-Direkt-Einspritzern) oder brennbares Gemisch (Vergaser-Motor, indirekte Benzineinspritzung, Gasmotor) eingesaugt.
Im darauf folgenden zweiten Takt wird das Gas innerhalb des Kolbens bedingt durch die Aufwärtsbewegung immer weiter verdichtet, der Druck steigt auf 10-12 bar an, die Temperatur steigt auf 300°C-400°C. Beim Dieselmotor und beim Benzindirekteinspritzer, wird bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht der Kraftstoff eingespritzt. Bei den indirekten Bauweisen wird das Gasgemisch bereits entzündet. Bei den Dieselmotoren entzündet sich das Gemisch automatisch durch die Temperaturerhöhung, während bei Benzinmotoren der Funken der Zündkürze dafür verantwortlich ist.
Im dritten Takt dehnt sich das entzündete Gas aus und erzeugt so einen Druck zwischen 50 und 70 bar, die Temperatur liegt bei ca. 2000°C. Durch den Druck wird der Kolben nach unten gedrückt und so wird mechanische Arbeit verrichtet. Sobald der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat, beginnt der vierte Takt.
Im 4-Takt wird das Auslassventil geöffnet und das verbrauchte Abgas kann aus dem Zylinder entströmen. Kurz vor Ende des Ausstoßtaktes kommt es zu einer Ventilüberschneidung. Schon vor dem Erreichen des oberen Totpunktes das Einlassventil geöffnet, während das Abgasventil noch offen ist. Durch den Sog der ausströmenden Abgase entsteht ein Unterdruck, durch den die Frischluft oder das Gemisch bereits gegen die Kolbenbewegung einströmen kann. Dadurch wird ein besserer Füllungsgrad erreicht. Das Abgasventil schließt erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat.
Für jeden Zylinder muss es mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil geben, üblich sind allerdings drei oder vier Ventile pro Zylinder, seltener werden auch fünf Ventile pro Zylinder verwendet (hauptsächlich bei Audi). Die sogenannten 16V-Motoren bestehen meistens aus vier Zylindern mit je vier Ventilen. Diese haben im Vergleich zu den Zweiventil-Motoren einen deutlich besseren Gasaustausch und dadurch bedingt etwas mehr Leistung. Die Ventile werden von der Nockenwelle gesteuert, die von der Kurbelwelle über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette angetrieben wird. Die Nockenwelle läuft grundsätzlich mit der halben Kurbelwellendrehzahl.