Viertaktmotor

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Ein Viertaktmotor ist eine Wärme- bzw. Verbrennungskraftmaschine, die für die Umwandlung von Wärme- in Rotationsenergie – den rechtslaufenden Thermodynamischen Kreisprozess, hier als Otto-Kreisprozess in einem Verbrennungsmotor – vier Takte benötigt. Bei einem Hubkolbenmotor ist ein Takt die Bewegung des Kolbens von einem Endpunkt des Hubes zum anderen. Die Kurbelwelle vollführt daher während eines Taktes eine halbe Umdrehung.

Christian Reithmann hatte am 26. Oktober 1860 mehrere Patente auf einen Viertaktmotor erhalten. Unabhängig davon beschrieb im Jahr 1861 der Techniker Alphonse Beau de Rochas das Viertaktverfahren. Ottomotoren und Dieselmotoren unterscheiden sich in der Gemischbildung und im Zündverfahren, können aber sowohl im Viertakt- als auch im Zweitaktverfahren arbeiten.

Funktionsweise eines Viertakt-Hubkolbenmotors

Die vier Takte
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Arbeiten
4. Ausstoßen
(Animation)

Folgender Ablauf beschreibt den Viertaktprozess:

1. Takt, Ansaugen

Zu Beginn des 1.Taktes steht der Kolben am oberen Totpunkt (OT). Das Auslassventil wird geschlossen und das Einlassventil geöffnet. Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird ein Gasgemisch oder Luft durch das Einlassventil in den Zylinder gesaugt. Bei Motoren mit innerer Gemischbildung, wie Dieselmotoren oder Benzin-Direkteinspritzermotoren wird nur Luft angesaugt. Bei äußerer Gemischbildung, wie bei Vergaser-Motoren oder Motoren mit Saugrohreinspritzung, wird ein Gemisch aus Luft und dem zerstäubten Kraftstoff angesaugt. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Einlassventil geschlossen und der erste Takt ist beendet.

2. Takt, Verdichten und Zünden

Der Kolben bewegt sich zurück in Richtung oberer Totpunkt. Die dafür benötigte mechanische Arbeit stammt aus der Rotationsenergie der Schwungmasse bzw. bei Mehrzylindermotoren aus dem Arbeitstakt eines anderen Zylinders. Das Gemisch oder die Luft im Zylinder wird nun auf einen Bruchteil seines ursprünglichen Volumens verdichtet. Die Höhe des Kompressionsgrades ist von der Motorbauart abhängig. Bei Ottomotoren ohne Aufladung ist ein Verdichtungsverhältnis von über 10:1 üblich, bei Dieselmotoren ohne Aufladung über 20:1. Mit Aufladung ist es wesentlich weniger. Durch die Kompression wird das Gemisch beim Benziner auf etwa 450 °C und die Luft beim Diesel auf etwa 650 °C erwärmt. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes wird beim Benziner die Zündung und beim Dieselmotor die Voreinspritzung ausgelöst. Der genaue Zeitpunkt ist abhängig von Last und Drehzahl.

3. Takt, Arbeiten

Nach dem oberen Totpunkt – beim Dieselmotor folgt noch die Haupteinspritzung – verbrennt die Gemischladung selbständig weiter. Die Temperatur im brennenden Gasgemisch eines Ottomotors beträgt zwischen 2200 und 2500 °C [1] und der Druck bis zu 120 bar. Beim Dieselmotor sind es zwischen 1800 und 2500 °C und 160 bar [1]. Der Kolben bewegt sich in Richtung des unteren Totpunktes, das Brenngas verrichtet mechanische Arbeit am Kolben und kühlt sich dabei ab. Kurz vor dem unteren Totpunkt besteht beim Benziner noch ein Restdruck von knapp 4 bar und beim Diesel knapp 3 bar. Das Auslassventil beginnt sich zu öffnen.

4. Takt, Ausstoßen

Wenn der Kolben den unteren Totpunkt wieder verlässt, wird mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens 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 und bevor das Auslassventil geschlossen hat. Das Auslassventil schließt erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat.

Ventilsteuerung

Schnitt durch einen OHC-Motorradmotor

Pro Zylinder gibt es mindestens ein Einlass- und ein Auslass-Ventil, aber auch 3 oder 4 Ventile pro Zylinder sind heute weit verbreitet (siehe nächsten Abschnitt), manchmal 5 (Audi) oder sogar 8 Ventile (Honda NR).

Die Ventile werden von einer oder mehreren Nockenwellen gesteuert. Diese wird von der Kurbelwelle über Zahnriemen, Steuerkette(n), Stirnradgetriebe oder Königswelle(n) angetrieben. Bei Hochleistungs- und Motorradmotoren wurde für den Ventiltrieb früher oft eine Königswelle verwendet, zum Beispiel bei Norton. Die Nockenwelle dreht sich immer mit halber Kurbelwellendrehzahl, da nur bei jeder zweiten Kurbelwellendrehung ein Arbeitstakt erfolgt.

Liegt die Nockenwelle unten, das heißt im Kurbelgehäuse, werden die hängenden Ventile bei OHV-Motoren über Stoßstangen, Kipphebel und ggf. Stößel bzw. Hydrostößel betätigt, bei SV-Motoren mit stehenden Ventilen (ca. bis um 1960 herum verwendet) 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, double overhead camshaft) werden die Ventile über besonders leichte Tassenstößel betätigt und es ergibt sich die günstige halbkugelförmige Brennkammerform im Zylinderkopf. Mit zwei obenliegenden Nockenwellen lässt sich auch eine variable Ventilsteuerung einfacher realisieren.

Mehrventiltechnik

Vergleich Zwei-/Vierventiltechnik
bei einem 2-Liter-Vierzylinder
(Formel-2-Rennmotor)
Hubraum 1990 cm3
Bohrung × Hub 89 mm × 80 mm
Ventile je Zyl. zwei (8V) vier (16V)
Leistung
(in PS)
169 kW
(230 PS)
206 kW
(280 PS)
bei Drehzahl 7800/min 9000/min
spez. Literleistung
(in PS/Liter)
84,5 kW/l
(115 PS/l)
103 kW/l
(140 PS/l)
Einlassventil 47,0 mm 35,5 mm
Einlassfläche Σ 1735 mm2 1990 mm2
Auslassventil 39,0 mm 31,0 mm
Auslassfläche Σ 1195 mm2 1510 mm2
Ventilfläche Σ
(Ein- und Auslass)
2930 mm2 3500 mm2

Ein Mehrventil-Motor erreicht wegen des geringeren Abgasgegendrucks einen schnelleren Gasaustausch und erlaubt damit höhere Drehzahlen. In Verbindung mit der allgemein besseren Zylinderfüllung ergibt sich so eine deutliche Mehrleistung gegenüber dem Zweiventiler. Die nebenstehende Tabelle macht dies anhand zweier Formel-2-Motoren (BMW-Vierzylinder) aus den 1970er Jahren deutlich: Bei gleichem Hubraum von 2 Litern ergab sich nach der Umstellung auf einen Vierventil-Zylinderkopf in Verbindung mit der erhöhten Nenndrehzahl eine Leistungssteigerung um fast 22 Prozent von 169 kW/230 PS auf 206 kW/280 PS.[2]

Auch bei Pkw-Motoren für den Alltagseinsatz ergibt sich eine ähnliche Steigerung durch die Vierventiltechnik. Beispielsweise wurde der 1,8-Liter-Vierzylinder M40B18 (83 kW/113 PS bei 5500/min) des BMW 318i aus der Reihe E30 durch einen anderen Zylinderkopf im Modell 318is zum Vierventiler M42B18 mit einer Leistung von 100 kW/136 PS bei 6000/min; allerdings ist dieser mit 10:1 auch höher verdichtet und benötigt daher Superbenzin 95 ROZ (M40B18: Verdichtung 8,8:1 für Normalbenzin 91 ROZ).

Aus der Motorenbezeichnung 12V oder 20V kann nicht auf Zylinderzahl und Zahl der Ventile pro Zylinder geschlossen werden. So kann 12V einen Dreizylindermotor mit vier Ventilen pro Zylinder oder einen Vierzylinder mit zwei Einlass- und einem Auslassventil je Zylinder bezeichnen. Ein 20V-Motor kann ein Vierzylinder mit drei Einlass- und zwei Auslassventilen pro Zylinder sein; möglich ist aber auch ein Fünfzylindermotor mit Vierventiltechnik.

Die heute vorherrschenden 16V-Motoren sind immer Vierventil-Vierzylinder, jedoch kann mit 16V auch ein (meist älterer) Zweiventil-Achtzylinder gemeint sein, was jedoch unüblich ist. Ebenfalls ungebräuchlich sind die Kürzel 8V bei Vier- und 12V bei Sechszylindern mit konventioneller Zweiventiltechnik. Bei dem seit 2010 gebauten 8V-Twin-Air-Motor von Fiat Powertrain Technologies handelt es sich um einen Parallel-Twin-Zweizylinder mit Vierventiltechnik.

Der 24V-Motor ist ein Vierventil-Sechszylinder und die Bezeichnung 32V kennzeichnet den Vierventil-Achtzylinder, wobei hier keine Aussage über die Konstellation von Einlass- und Auslassventilen getroffen werden kann. Meist sind es auch dort je zwei pro Zylinder – nicht sehr gebräuchlich, aber möglich sind ein Auslass- und drei Einlassventile.

Vor- und Nachteile

Vorteile und Nachteile des Viertaktmotors gegenüber dem Zweitaktmotor

Vorteile

  • Der Gaswechsel erfolgt großteils durch Volumenverdrängung im vierten und ersten Takt (Ausstoßen / Ansaugen), und nur zu einem geringen Teil durch die Dynamik der Gassäule während der Ventilüberschneidung. Dadurch werden Frischgas und Abgas über einen weiten Drehzahlbereich gut voneinander getrennt, was den Kraftstoffverbrauch verringert und das Abgasverhalten verbessert.
  • Ein geschlossener Ölkreislauf mit Druckumlaufschmierung ist Standard, dadurch ist der Schmierölverlust sehr niedrig. Nur das Öl, das zur Schmierung der Kompressionsringe dient, geht dabei prinzipbedingt verloren. Durch die Fertigungsqualität moderner Motoren tendiert dieser Schmierölverlust gegen Null. Zweitaktmotoren können zwar auch mit einer geschlossenen Druckumlaufschmierung ausgelegt sein, was jedoch meist nur in aufwändigen Großmotoren umgesetzt wird. Beim Wankelmotor muss die Laufbahnoberfläche mit Verlustöl geschmiert werden.
  • Die thermische Belastung ist tendenziell geringer, da nur bei jeder zweiten Kurbelwellenumdrehung eine Verbrennung erfolgt.

Nachteile

  • Eine geringere Leistungsdichte des Viertakt-Hubkolbenmotors. Grund dafür ist der Leerhub: Jeder Zylinder liefert nur bei jeder zweiten Umdrehung einen Arbeitstakt und läuft eine Umdrehung als Spülpumpe. Daraus resultiert eine ungleichmäßige Abgabe des Drehmomentes. Das trifft jedoch nicht auf den Wankelmotor zu.
  • Viertaktmotoren besitzen einen mechanisch aufwändigeren Aufbau als Zweitaktmotoren. Der Aufwand erklärt sich aus der Verwendung von gesteuerten Ventilen und der notwendigen Druckumlaufschmierung.
  • Höhere Herstellungskosten

Heutiger Gebrauch

Viertaktmotoren dominieren heute im gesamten Automobil- und Motorradbau. Sogar bei Kleinkrafträdern mit 50 cm³ (z.B. Kymco Agility, Keeway), bei Rasenmähern und bei anderen Kleingeräten kommen sie vor, beispielsweise der Motor Honda GX25, bis hinab zu einer Größe von 25 cm³.

Varianten

Viertakt-Verbrennungsmotor ohne Ventile, bei dem die Gaszu- und abführung über Nuten im drehbaren Kolben erfolgt.
Die vier Takte
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Arbeiten
4. Ausstossen
(Animation)

Einige das Prinzip des Viertaktmotors variierende Formen sind technisch und wirtschaftlich von Bedeutung.

Es werden serienmäßig Motoren mit Varianten der Taktung produziert, siehe Miller-Kreisprozess oder Atkinson-Kreisprozess. Im Automobilbau werden gelegentlich Ausgleichwellen verwendet. Sie reduzieren die durch die auf- und abgehenden Kolben entstehenden freien Massekräfte.

Für Anwendungsbereiche, in denen leichte und lageunabhängig geschmierte Viertaktmotoren von Vorteil sind, gibt es mit Zweitaktgemisch betriebene Varianten. Wie bei anderen gemischgeschmierten Motoren entfallen Öltank, Ölwanne, Ölpumpe, Ölrückhaltesysteme und Ölfilter. Durch geeignete Konstruktion, Kraftstoff und Öl lässt sich die Schadstoffemission durch Ölverbrennung unter die Grenzwerte der Abgasnorm für Viertaktmotoren senken. Solche Motoren werden bevorzugt als Antrieb für tragbare Motorgeräte eingesetzt (z.B. Stihl „4-Mix“).

Bestimmte Sonderbauformen von Viertaktmotoren besitzen keine Nockenwelle. Die Ventile werden pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch betätigt. Diese Art des Ventiltriebes hat sich im Serienmotorenbau noch nicht etabliert. Aber die Entwicklung einer elektromagnetischen Ventilbetätigung wird seit dem Ende der 1990er Jahre vorangetrieben.

Ferner gibt es verschiedene Bauarten von Schiebersteuerungen. Motoren dieser Bauarten nutzen Hülsen- oder Drehschieber für den Gaswechsel und kommen mit weniger bewegten Bauteilen aus als herkömmlich gesteuerte 4-Takt Motoren.[3]

Eine weitere Bauform ist der Viertakt Verbrennungs-Motor ohne Ventile (2), der in den vier Takten Frischgaszuführung, Verdichtung, Arbeitshub und Abgasabführung in bekannter Weise funktioniert. Der Ablauf wird hier allerdings nicht durch Schieber oder Nockenwelle und Ventile gesteuert, sondern durch den periodisch gedrehten Arbeitskolben, der an seinem Umfang Einströmnuten und Ausströmnuten trägt. Die Drehung erfolgt über das ankerförmige Pleuel das mit seinen Zähnen in den an der Unterseite des Kolbens befindlichen Zahnkranz, bei jeder Kurbelwellen-Umdrehung eingreift und um eine Teilung weiter befördert. Dadurch wird bei jedem Zyklus der Kolben um vier Teilungen gedreht. Je nach Umfang des Kolbens muss die Anzahl der Zähne am Zahnkranz durch vier teilbar sein. Die Verbindung von Pleuel und Arbeitskolben ist ein freibewegliches Bauelement wie zum Beispiel eine Kugel oder ein Pendelkugellager. Die Kolbenlänge muss länger als der Kolben-Hub sein. Der komplette Funktionsablauf ist in der angefügten Animation ersichtlich, wie er auch in der Patent-Offenlegungs-Schrift DE 10 2006 027 166 beschrieben ist.[4]

Eine besondere Bauform des Viertaktmotors ist neben dem hier beschriebenen Hubkolbenmotor der Kreiskolben-Wankelmotor, bei dem Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen während einer Kolbenumdrehung erfolgen.

Trivia

Alle hier verwendeten Attribute des Ortes (oberer Totpunkt, Abwärtsbewegung, Unterseite, oben liegende Nockenwelle) sind feststehende Fachbegriffe und ändern sich nicht, wenn ein Motor „liegend“ oder „hängend“ (auf dem Kopf stehend) betrieben wird.

Literatur

  • Richard van Basshuysen; Fred Schäfer: Handbuch Verbrennungsmotor Grundlagen, Komponenten, Systeme, Perspektiven. Wiesbaden: Vieweg, 3. Auflage 2005, ISBN 3-528-23933-6
  • Autorenkollektiv unter Leitung von Studienrat Dipl.Päd. ink.-Ök Folkmar Kinzer: Wissensspeicher Verbrennungsmotoren. 6. Auflage. Transpress VEB Verlag für Verkehrswesen,Berlin, 1986

Einzelnachweise

  1. a b Autorenkollektiv unter Leitung von Studienrat Dipl.-Päd. Ing-Ök. Folkmar Kinzer, Wissenspeicher Verbrennungsmotoren,6.Auflage, transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin 1986, S. 52
  2. Das Motorrad: „Vierventiler-Geheimnisse“, Heft 6/75 vom 22. März 1975, Motor-Presse-Verlag Stuttgart
  3. [1], Homepage des Herstellers
  4. Patent-Offenlegungs-Schrift DE 10 2006 027 166

Weblinks

 Wiktionary: Viertaktmotor – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
 Commons: Viertaktmotor – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien