Viertakt

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. 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.

Funktionsweise des Viertakt-Hubkolbenmotors

Die vier Takte (Animation)

Schnitt durch einen OHC-Motorradmotor

Folgender Ablauf beschreibt den Viertaktprozess:

1. Takt, Ansaugen:

Am Beginn des 1.Taktes steht der Kolben am oberen Totpunkt. Das Auslassventil ist noch offen, das Einlassventil ganz geöffnet. Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle. Kurz nach dem der Kolben den oberen Totpunkt verlassen hat, schließt sich das Auslassventil. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird verbrennungsfähiges Gas durch das Einlassventil in den Zylinder gesaugt. Bei Motoren mit innerer Gemischbildung, wie Dieselmotoren oder Benzin-Direkteinspritzermotoren, besteht das verbrennungsfähige Gas nur aus der angesaugten Luft. Bei einer äußeren Gemischbildung, wie zum Beispiel bei Vergaser-Motoren oder Motoren mit indirekter Einspritzung, setzt sich das verbrennungsfähige Gas aus Luft und dem vergasten, beziehungsweise aus dem zerstäubten Kraftstoff zusammen. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht ist der erste Takt beendet. Das Auslassventil ist geschlossen.

2. Takt, Verdichten:

Der Kolben bewegt sich zurück in Richtung oberer Totpunkt. Durch das noch geöffnete Einlassventil strömt, durch die Masseträgheit des Gases bedingt, weiterhin frisches Gas. Kurz bevor der Gasstrom zum Erliegen kommt, schließt das Einlassventil endgültig. Das Gas im Zylinder kann nun nicht mehr entweichen und wird auf einen Bruchteil seines ursprünglichen Volumens verdichtet. Die Höhe des Kompressionsgrades ist von der Motorbauart abhängig. Bei Ottomotoren ist ein Verdichtungsverhältnis von 7:1 bis 10:1 üblich. Dieselmotoren arbeiten dagegen mit Verdichtungsverhältnissen zwischen 14:1 und 19:1, dabei wird die Luft so stark komprimiert, das sie sich auf ca. 600 °C erwärmt. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes wird die Zündung ausgelöst. Der genaue Zündzeitpunkt ist abhängig von der Drehzahl und der Klopffestigkeit des Kraftstoffs. Der Auslöser der Zündung ist am Ottomotor (Benzinmotor) ein elektrischer Funke (siehe: Zündkerze). Im Dieselmotor wird die Verbrennung durch die Einspritzung des Dieselkraftstoffs in das komprimierte und heiße Gas eingeleitet. Nach der Zündung legt der Kolben den restlichen Weg zum oberen Totpunkt zurück während sich die Verbrennung im Zylinder weiter ausbreitet.

3. Takt, Arbeiten:

Die Temperatur im Verbrennungsraum steigt während des Arbeitstaktes auf bis zu 2500 °C an. Durch die hohe Temperatur dehnt sich das Gas im Verbrennungsraum aus. Es entstehen Spitzendrücke von bis zu 120 bar. Der Kolben wird in Richtung Kurbelwelle bewegt und verrichtet dabei mechanische Arbeit. Während des Arbeitstaktes kann der Kolben Geschwindigkeiten von 20 m/s erreichen. Kurz vor dem Erreichen des unteren Totpunktes, beginnt sich das Auslassventil zu öffnen.

4. Takt, Ausstoßen:

Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat, wird das Auslassventil geöffnet und entlässt das unter Druck stehende Abgas aus dem Zylinder. Das Einlassventil ist geschlossen. Mit der 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. Das schnell ausströmende Abgas erzeugt vor dem langsam einströmenden Frischgas einen Unterdruck. Durch diesen Sog strömt Frischgas auch gegen die Kolbenbewegung ein. Hierdurch soll der Füllungsgrad verbessert werden. Das Auslassventil schließt erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat.

Ventilsteuerung

Pro Zylinder gibt es mindestens ein Einlass- und ein Auslass-Ventil, aber auch 3 oder 4 Ventile pro Zylinder sind üblich, manchmal 5 (Audi) oder sogar 8 Ventile (Honda NR). 4-Ventil-Motoren erreichen, wegen des schnelleren Gasaustausches, eine höhere Drehzahl und damit mehr Leistung als Zweiventiler. So genannte 16V-Motoren sind meist 4-Zylinder-Motoren mit je 4 Ventilen pro Zylinder.

Die Ventile werden bei Serienmotoren von einer oder mehreren Nockenwellen gesteuert. Diese wird von der Kurbelwelle, über Zahnriemen, Steuerkette , Stirnräder oder eine Königswelle angetrieben. Bei Hochleistungs- und Motorradmotoren wurde für den Ventiltrieb früher oft eine Königswelle verwendet (zum Beispiel Norton). Die Nockenwelle dreht sich mit halber Kurbelwellendrehzahl. Liegt die Nockenwelle unten, das heißt nicht im Zylinderkopf, werden die hängenden Ventile bei OHV-Motoren über Stoßstangen und Kipphebel betätigt, bei SV-Motoren mit stehende Ventilen (bis in die fünfziger Jahre) 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) können die Ventile über besonders leichte Tassenstößel betätigt werden, und es ergibt sich die günstige halbkugelförmige Brennkammerform im Zylinderkopf. Mit zwei obenliegenden Nockenwellen lässt sich auf konstruktiv einfachem Weg eine variable Ventilsteuerung erreichen.

Bestimmte Sonderbauformen von Viertaktmotoren weisen keine Nockenwelle auf. Die Ventile werden direkt 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 Neunziger Jahre vorangetrieben.

Vor- und Nachteile

Vorteile und Nachteile des Viertaktmotors gegenüber dem Zweitaktmotor

Vorteile

• 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.
• Geringere thermische Belastung, da nicht bei jeder Kurbelwellenumdrehung ein Arbeitstakt erfolgt.

Nachteile

• Eine geringere Leistungsdichte des Viertakt-Hubkolbenmotors. Grund dafür ist der Leerhub, jeder Zylinder liefert nur bei jeder zweiten Umdrehung einen Arbeitstakt. Daraus resultiert eine ungleichmäßige Abgabe des Drehmomentes. Im Automobilbau werden deshalb, häufig bei Motoren mit weniger als vier Zylindern, sogenannte Ausgleichwellen verwendet. Ausgleichwellen reduzieren die durch den unrunden Motorlauf entstehenden freien Massekräfte. 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
• Bei gleicher Leistung mehr Platzverbrauch und mehr Gewicht. Wichtig vor allem bei Zweirädern.

Bedeutung

Viertaktmotoren dominieren heute im gesamten Automobil- und Motorradbau, sogar bei Kleinkrafträdern mit 50 cm³ kommen sie in den letzten Jahren verstärkt zum Einsatz (z.B. Kymco Agility), ebenso in letzter Zeit als lageunabhängiger Antrieb für tragbare Motorgeräte bis zu 25 cm³ herab (z.B. Honda GX25, Stihl "4Mix")

Besondere Bauform

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.

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

Weblinks

• Animation
• Beschreibung bei www.kfz-tech.de