Schnelle Einführung
Viertakt-Verbrennungsmotoren werden seit über 100 Jahren eingesetzt und ihr grundlegendes Design hat sich seitdem kaum verändert. Jeder der vier Takte eines Motors entspricht einer Phase des Verbrennungszyklus, nämlich Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Der Begriff Viertakt-Verbrennungsmotor leitet sich davon ab, dass es vier Takte für einen Verbrennungszyklus gibt. Ein Takt wird als die maximale Strecke definiert, die ein Kolben zurücklegt, wenn er sich vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt des Zylinders oder umgekehrt bewegt. Beispielsweise wird die Bewegung des Kolbens vom unteren zum oberen Totpunkt als Takt bezeichnet, ebenso die Bewegung vom oberen zum unteren Totpunkt.
Im Vergleich zu Zweitaktmotoren verfügen Viertaktmotoren über mehr Bauteile und sind schwerer, bieten jedoch eine höhere Effizienz. Viertaktmotoren können mit verschiedenen Kraftstoffen betrieben werden, darunter Benzin, Diesel, Gas (Methan) und Bio-Öle (um nur einige zu nennen).
Animation eines Viertaktmotors
Komponenten eines Viertaktmotors
Die Konstruktionen von Viertaktmotoren variieren, daher unterscheiden sich auch die Anzahl und Art der verwendeten Komponenten je nach Design. Beispielsweise verwenden Common-Rail-Motoren andere Bauteile als Motoren ohne Common-Rail-System.
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Komponenten
Zu den typischen Komponenten eines Viertakt-Motors gehören:
- Kolben
- Pleuelstange
- Gleitlager
- Kurbelwelle
- Nockenwelle
- Zylinderlaufbuchse
- Einlass- und Auslassventile
- Stoßstangen
- Kipphebel
- Kraftstoffeinspritzdüsen
Nutzen Sie das untenstehende 3D-Modell, um alle Hauptkomponenten eines Motors und einige Motorterminologien kennenzulernen.
Motor-Komponenten und Terminologie
Hinweis: Der in diesem 3D-Modell gezeigte Motortyp verwendet Direkteinspritzung mit Common-Rail-Kraftstoffeinspritzdüsen.
Das untenstehende Video ist ein Auszug aus unserem Online-Video-Kurs über die Grundlagen von Verbrennungsmotoren.
Funktionsweise von Viertaktmotoren
Ein Viertaktmotor benötigt vier Takte, um einen Verbrennungszyklus abzuschließen. Die Takte sind:
- Ansaugen
- Verdichten
- Arbeiten
- Ausstoßen
Eine andere Möglichkeit, sich die Takte und ihre Reihenfolge zu merken, besteht darin, die Begriffe zu ändern:
Takt 1 = Ansaugen (saugen)
Takt 2 = Verdichten (drücken)
Takt 3 = Arbeiten (knallen)
Takt 4 = Ausstoßen (blasen)
Nachfolgend eine kurze Zusammenfassung dessen, was in jeder Phase des Verbrennungszyklus passiert:
Ansaugtakt: Auch bekannt als Induktions- oder Einlasstakt. Der Kolben bewegt sich nach unten und zieht Luft durch die Einlassventile in den Zylinder.
Verdichtungstakt: Die Einlassventile schließen und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch die Luft im Zylinder komprimiert wird. Der Kraftstoff wird kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, eingespritzt.
Arbeitstakt: Auch bekannt als Kraft- oder Verbrennungstakt. Der Kraftstoff wird entzündet, was eine kontrollierte Explosion verursacht. Die Verbrennung des Kraftstoffs führt zu einem Anstieg von Druck und Temperatur im Zylinder, wodurch der Kolben vom oberen Ende des Zylinders weggedrückt wird.
Ausstoßtakt: Die Abgase werden aus dem Zylinder ausgestoßen, während sich der Kolben von unten nach oben bewegt.
Funktionsweise von Viertaktmotoren - Detailliert
Eine detailliertere Betrachtung dessen, was in jeder Phase des Verbrennungszyklus passiert, wird unten gegeben.
Ansaugtakt
Der Ansaugtakt zieht Luft in die Zylinderlaufbuchse (Verbrennungsraum), während sich der Kolben nach unten zum unteren Totpunkt (UTP) bewegt. Wenn der Kolben den UTP erreicht, schließen die Einlassventile und der Kolben bewegt sich wieder nach oben zum oberen Totpunkt (OTP); dies ist der Verdichtungstakt.
Viertaktmotor mit OTP und UTP angezeigt
Verdichtungstakt
Wenn sich der Kolben zum OTP bewegt, wird die Luft im Zylinder komprimiert (Volumen reduziert sich) und ihre Temperatur und ihr Druck steigen. Kurz vor dem OTP wird Kraftstoff in den Verbrennungsraum eingespritzt. Der Kraftstoff entzündet sich und es kommt zu einer kontrollierten Explosion.
Druck- und Volumendiagramm
Arbeitstakt
Sobald die Zündung erfolgt, beginnt der Arbeitstakt. Der Anstieg von Druck und Temperatur, der durch die Verbrennung entsteht, drückt den Kolben zum UTP. Sobald der UTP erreicht ist, ist der gesamte Kraftstoff im Verbrennungsraum verbrannt und der letzte Motortakt kann beginnen. Ein anderer Begriff für den 'Arbeitstakt' ist der 'Zündtakt'.
Ausstoßtakt
Der Ausstoßtakt ist der vierte und letzte Takt. Der Kolben bewegt sich vom UTP zum OTP und stößt Abgase durch die Abgasventile aus dem Verbrennungsraum aus. Sobald der Kolben den OTP erreicht, öffnen sich die Einlassventile und die Abgasventile schließen kurz danach (es gibt eine gewisse Ventilüberschneidung, um sicherzustellen, dass alle Abgase aus dem Verbrennungsraum entfernt wurden). Der Verbrennungszyklus ist nun abgeschlossen, da alle vier Takte stattgefunden haben.
Fremdzündungs- und Selbstzündungsmotoren
Benzinmotoren verwenden Zündkerzen zur Zündung, während Dieselmotoren nur die durch Verdichtung erzeugte Wärme nutzen. Aus diesem Grund werden Benzinmotoren als Fremdzündungsmotoren und Dieselmotoren als Selbstzündungsmotoren bezeichnet.
3D-Modell-Details
Dieses 3D-Modell zeigt jede Phase des Viertaktmotorzyklus. Blau zeigt Ansaugen und Verdichten, während Rot Expansion (Arbeiten) und Ausstoßen anzeigt. Die Ventile und anderen Komponenten sind alle korrekt getaktet, um den gesamten Viertaktprozess zu zeigen.
Zusätzliche Ressourcen
http://www.animatedengines.com/otto.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Four-stroke_engine
https://www.merchantnavydecoded.com/four-stroke-engine/