Viertaktmotor: Wie er funktioniert und was seine Vorteile sind
Ein Viertaktmotor oder umgangssprachlich Viertakt ist ein im Viertakt arbeitender Kolbenverbrennungsmotor. Das bedeutet, dass der Arbeitszyklus des Motors während vier Hüben des Kolbens und zwei Umdrehungen der Kurbelwelle abläuft.
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.
Spis treści
Funktion des Viertaktmotors
Da die Arbeitszyklen von Benzin- und Diesel-Motoren etwas unterschiedlich sind, werden wir über beide getrennt sprechen.
Benzin-Viertaktmotor
1. Ansaughub
Während sich der Kolben nach unten bewegt, vergrößert sich der Raum über dem Kolben und gleichzeitig öffnen sich auch die Einlassventile. Dies verursacht einen Druckabfall über dem Kolben (der Druck über dem Kolben ist niedriger als der atmosphärische Druck). Dieser Druckunterschied ermöglicht es dem Motor, die notwendige Luft durch das Ansaugrohr in die Zylinder zu saugen.
Motorkolben: Wie funktionieren sie?
Neben der Luft selbst gelangt jedoch auch Kraftstoff in die Zylinder. Luft und Kraftstoff bilden zusammen ein zündfähiges Gemisch. Das Zündgemisch wird je nach Einspritztechnik in den Ansaugkanälen, im Saugrohr oder im Zylinder gebildet.
2. Komprimierung
Nachdem der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat und die Ansaugphase beendet ist, beginnt er sich nach oben zu bewegen. Der Kolben komprimiert bei seiner Aufwärtsbewegung das Gemisch, das sich dadurch erwärmt, und weil es sich nicht ausdehnen kann, steigt auch der Druck.
Verdichtungsverhältnis: Wie wirkt es sich auf den Motor aus?
Die hohe Temperatur und der hohe Druck fördern die Verdampfung des Kraftstoffs und seine Vermischung mit Luft, wodurch das Gemisch explosiver wird. Allerdings darf das Gemisch beim Verdichten nicht zu stark verdichtet werden, damit es nicht die Selbstentzündungstemperatur des Kraftstoffs erreicht (Klopfverbrennung). Während der Kompression sind die Einlass- und Auslassventile geschlossen.
3. Erweiterung
In dieser Phase beginnt der Verbrennungsprozess. An der Zündkerze springt ein Funke über 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, wobei thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird.
4. Auspuff
Während dieser Phase öffnen sich die Auslassventile, damit das Abgas den Zylinder verlassen kann. Am Ende der Expansion ist der Druck im Zylinder höher als der atmosphärische Druck, wodurch die Abgase aus dem Zylinder gedrückt werden. Der Kolben drückt die verbleibenden Abgase heraus, während er sich seinem oberen Totpunkt nähert.
Um die Zylinderentleerung zu verbessern, schließen die Auslassventile jedoch erst, nachdem der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht hat und die Einlassventile bereits geöffnet sind.
Nachdem alle vier Zyklen beendet sind, beginnt der Arbeitszyklus des Motors erneut.
Viertakt-Dieselmotor:
Das Funktionsprinzip eines Viertakt-Dieselmotors ist dem Betrieb 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 wird durch Kompressionswärme gezündet.
1. Ansaughub
Der Kolben bewegt sich von seinem oberen Totpunkt nach unten zu seinem unteren Totpunkt, vergrößert den Raum über dem Kolben und öffnet die Einlassventile. Dadurch gelangt die erforderliche Luftmenge durch das Ansaugrohr in die Zylinder.
2. Komprimierung
Nachdem der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht hat 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 die Brennkammer eingespritzt, die gemischt, verdampft und gezündet wird, wodurch eine Expansion verursacht wird.
3. Erweiterung
Nach der Zündung des Gemisches wird die Wärmeenergie des Kraftstoffs durch Verbrennung freigesetzt, was sich in einem Anstieg des Gasdrucks im Zylinder äußert. Der Gasdruck wirkt somit auf den Motorkolben, der die thermische Energie des Kraftstoffs in mechanische Arbeit des Motors umwandelt. Während der Expansion bewegt sich der Motorkolben von seinem oberen Totpunkt zu seinem unteren Totpunkt.
4. Auspuff
Während des letzten Teils des Arbeitsspiels eines Viertakt-Dieselmotors bewegt sich der Kolben bei geöffneten Auslassventilen von seinem unteren Totpunkt zu seinem oberen Totpunkt. Das bedeutet, dass der Kolben mit einer Aufwärtsbewegung die Abgase durch die Auspuffanlage in die Luft drückt. Die Auslassventile werden geschlossen, kurz bevor der Kolben seinen oberen Totpunkt erreicht.
Komplette Auspuffanlage: Was sind seine Hauptkomponenten?
Gleiches gilt für einen Diesel-Viertaktmotor und einen Benzin-Viertaktmotor. Nachdem alle vier Zyklen beendet sind, beginnt der Arbeitszyklus des Motors erneut.
Bei Viertaktmotoren wird häufig ein Turbolader eingesetzt, um Ladedruck zu erzeugen. In der Vergangenheit war jedoch die Turboaufladung von Motoren mittels Kompressor relativ weit verbreitet. Aber schauen wir uns die Vor- und Nachteile eines Viertaktmotors gegenüber einem Zweitaktmotor an.
Vorteile eines Viertaktmotors:
- Geringerer Kraftstoffverbrauch
- Ausgeglichenerer und kultivierterer 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 Schadensfall
- Für einen Arbeitszyklus des Motors werden zwei Kurbelwellenumdrehungen und vier Kolbenhübe benötigt