Verbrennungsmotoren haben einen schlechten Ruf, das wissen wir. Aber bevor man über etwas urteilt, sollte man es doch zumindest verstanden haben, oder nicht? Ein Verbrennungsmotor, auch Verbrennungskraftmaschine oder Verbrenner genannt, wandelt bei der Verbrennung freigesetzte Energie in mechanische Arbeit um.
Charakteristisch ist bei allen, dass der Kraftstoff innerhalb des Motors verbrannt wird. Im Folgenden werden wir uns deswegen die Funktionsweise eines Hubkolbenmotors, genauer gesagt eines Viertakt-Hubkolbenmotors anschauen. Auch der Begriff Ottomotor wird immer wieder genannt. Er ist ein Sammelbegriff für alle Hubkolbenmotoren mit Zündkerzen.
Grundlagen des 4-Takt-Motors
4-Takt Motoren sind die am häufigsten verwendete Bauform von Verbrennungsmotoren in modernen Fahrzeugen und Maschinen. Ihre hohe Effizienz und niedrigen Emissionen machen sie zu einer bevorzugten Wahl in der Automobilindustrie, bei Motorrädern und in vielen industriellen Anwendungen. Ein 4-Takt Motor vollzieht seinen Arbeitszyklus in vier Phasen, was bedeutet, dass eine vollständige Umdrehung der Kurbelwelle vier Schläge des Kolbens erfordert.
- Ansaugen: Der Kolben bewegt sich nach unten, wodurch ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff in den Zylinder gesogen wird.
- Kompression: Der Kolben bewegt sich nach oben und komprimiert das Luft-Kraftstoff-Gemisch.
4-Takt Motoren sind aufgrund ihrer Effizienz, Langlebigkeit und geringeren Emissionen die bevorzugte Wahl für zahlreiche Anwendungen in der Automobil- und Industriebranche. Ihre vielseitige Anwendbarkeit reicht von Straßenfahrzeugen bis zu industriellen Maschinen.
Die vier Takte im Detail
Die technischen Grundlagen eines Viertaktmotores kann vom Namen abgeleitet werden, vier Takte werden notwendig um Leistung zu erzeugen. Ein Vorgang im 4-Takt-Motor besteht aus vier wesentlichen Arbeitsschritten, auch Takte genannt: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen. Ein Takt ist dabei die Bewegung des Kolbens von einem Totpunkt des Hubs zum anderen. Gleichzeitig dreht sich die Kurbelwelle bei jedem Takt um eine halbe Umdrehung.
Doch bevor der Kolben in Aktion treten kann, muss das Benzin aus dem Tank im Vergaser mit Luft aus der Umgebung vermischt werden. Dabei entzündet sich nicht direkt reines Benzin, sondern ein optimales Benzin-Luft-Gemisch. Doch wie funktioniert das im Einzelnen? Schauen wir uns die einzelnen Schritte dieses Prozesses einmal etwas genauer an.
1. Ansaugen
Im ersten Takt bewegt sich der Kolben nach unten, vom oberen Totpunkt bis zum unteren Totpunkt. Dieser Weg erzeugt einen Unterdruck, der das Einlassventil öffnet. Das Gasgemisch kann nun in den Innenraum des Zylinders einströmen. Beim Ansaugen öffnen sich die Einlassventile und ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft strömt in den Brennraum. Die Auslassventile sind geschlossen.
2. Verdichten
Nach dem Ansaugen bewegt sich der Kolben sofort wieder nach oben. Auf dem Weg zum oberen Totpunkt verdichtet der Kolben das Benzin-Luft-Gemisch. Dabei bleiben die Ventile geschlossen, so dass kein Gas entweichen kann. Beim Verdichten sind alle Ventile geschlossen und der Kolben rast im Zylinder zurück vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt. Je stärker die Verdichtung, umso effizienter verbrennt im nächsten Schritt das Kraftstoff-Luft-Gemisch. Damit der Kolben möglichst den Raum zum Zylinder abdichtet und eine hohe Kompression erreicht, besitzt er am Rand Kolbenringe.
3. Arbeiten
Im dritten Takt wird bei weiterhin geschlossenen Ventilen das verdichtete Gasgemisch durch die Zündkerze entzündet. Das Gas verbrennt explosionsartig. Durch diese Explosionskraft wird der Kolben wieder in den unteren Totpunkt zurückgedrückt. Nur in diesem Schritt arbeitet der Motor, d.h. es wird die benötigte Leistung erzeugt, die vom Fahrzeug aufgenommen und in Bewegungsenergie umgewandelt wird. In diesem Moment überträgt der Kolben die Kraft über das Pleuel auf die Kurbelwelle, die mit der Variomatik verbunden ist. Von dort aus wird die Kraft auf den Keilriemen und schließlich auf den hinteren Wandler übertragen, der mit der Kupplung verbunden ist. Von dort wird die Kraft auf das Getriebe und schließlich auf das Hinterrad verteilt.
Kurz bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht, entzünden die Zündkerzen das verdichtete Gemisch aus Kraftstoff und Luft. Es kommt zur Explosion. Durch den Druck der Explosion rast der Kolben wieder in Richtung unterer Totpunkt - er arbeitet. Dabei überträgt er die Kraft der Explosion über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle, die sich dadurch dreht.
Je nachdem wie viel Druck im Zylinder herrscht, kann sich der Kraftstoff auch ohne Zündfunken schon vor der eigentlichen Zündung selbst entzünden. Dann bildet sich eine zweite Flammenfront, die der eigentlichen Flammenfront entgegeneilt. Bei dieser unkontrollierten Verbrennung, oft bei hohen Drehzahlen, fängt der Motor dann an zu klopfen.
4. Ausstoßen
Im letzten Takt bewegt sich der Kolben wieder in Richtung des oberen Totpunktes. Dabei öffnet sich das Auslassventil, so dass die Abgase über den Auspuff entweichen können. Kurz vor dem oberen Totpunkt kommt es zu einer so genannten Ventilüberschneidung, bei der sowohl das Einlass- als auch das Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind.
Ventile im Viertaktmotor
Zur Beatmung eines Viertaktmotors dienen die Ventile. Sie haben die Aufgabe, den Verbrennungsraum während des Kompressions- und Arbeitstakts gegen die Kanäle abzudichten und die Gaswege während des Ansaug- und Auspufftakts freizugeben. Über Einlaßventile gelangt zündfähiges Benzin-Luft-Gemisch in den Brennraum, über Auslaßventile werden die verbrannten Gase in den Auspuff entlassen. Die dabei auftretenden enormen thermischen Belastungen stellen hohe Anforderungen an die verwendeten Materialien.
In Viertakt-Motorradmotoren werden zwei, drei, vier oder fünf Ventile pro Brennraum eingesetzt. Die Einlaßventile, die bei jedem Ansaugtakt von kühlen Frischgasen umströmt und gekühlt werden, erreichen Ventilteller-Temperaturen bis über 500 Grad. Sie nehmen sowohl während des Verbrennungstaktes als auch während des Auspufftaktes Wärme auf. Die Kühlung erfolgt durch Wärmeabgabe am Ventilsitz und vom Ventilschaft an die Ventilführung.
Stahlventile werden zum Teil aus einem einzigen Material im Warmfließpressverfahren hergestellt. Häufiger bestehen sie dagegen aus zwei verschiedenen Stahlqualitäten. Diese sogenannten Bimetallventile erhalten einen hochwarmfesten Teller aus austenitischem Stahl und einen härtbaren martensitischen Stahl am Ventilschaft. Beide Teile werden getrennt vorgefertigt und anschließend im Reibschweißverfahren zusammengefügt. Zur Verbesserung der Standfestigkeit sind die Ventilsitzflächen oft gehärtet oder gar mit speziellen Materialien gepanzert.
Diese hochfesten Sonderlegierungen werden im Schmelzschweißverfahren aufgebracht. Ähnliche Härtungen oder Panzerungen erhalten auch die Ventilschaftenden, die hohen Flächenpressungen unterliegen. Zur Verbesserung des Laufverhaltens sind die Schäfte von Stahlventilen teilweise mit einer nur wenige tausendstel Millimeter dicken Hartchromschicht versehen oder durch spezielle Härteverfahren gegen Verschleiß geschützt.
Die aufwendigste Stahlventilart ist das Hohlventil, das fast ausschließlich auf der Auslaßseite eingesetzt wird. Bei diesem sehr teuren Ventil sind der Schaft und ein Teil des Tellers hohl. Der Hohlraum wird zu 60 Prozent mit metallischem Natrium gefüllt und anschließend mit einem Füllstück verschlossen. Das wärmeleitfähige Natrium schmilzt bei 97 Grad und hilft durch ständige Auf- und Abbewegung im Hohlraum während der Ventilbetätigung die Wärme vom Ventilteller an den Schaft weiterzuleiten. Die Temperaturabsenkung beträgt bis zu 120 Grad. Diese Ventile wurden früher besonders bei extrem belasteten Hochleistungsmotoren verwendet.
Heute werden im Rennsport Titanventile eingesetzt, dies bringt eine Gweichtsreduzierung gegenüber Stahl von 40 Prozent. Einige Hersteller experimentieren auch mit Keramik als Ventilwerkstoff, hier beträgt der Gewichtsvorteil sogar 60 Prozent. Je leichter die Ventile sind, desto höhere Drehzahlen beziehungsweise schärfere Steuerzeiten lassen sich realisieren.
Da der Zylinderkopf und die Bauteile des Ventiltriebs aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, dehnen sie sich bis zum Erreichen der Betriebstemperatur unterschiedlich stark aus. Bei kaltem Motor muß daher ein Ventilspiel vorhanden sein. Zu großes Ventilspiel führt zu Klappergeräuschen und übermäßigem Verschleiß. Bei zu kleinem Spiel schließen die Ventile bei warmem Motor nicht mehr sauber und die Ventile können die Wärme nicht mehr an den Zylinderkopf weiterleiten. Durch die fehlende Wärmeabfuhr erhitzt sich der Ventilsitz so stark, daß er verbrennt.
Das Ventilspiel wird üblicherweise über Einstellplättchen (Shims) oder -schrauben im erforderlichen Rahmen gehalten. Mit minimalem Spiel und nahezu wartungsfrei arbeitet der hydraulische Ventilspielausgleich. Ein Ventilspielausgleichselement besteht aus einem Stößel, in dem ein weiterer Stößelkolben läuft. Bei Belastung, d. h. bei geöffnetem Ventil, ist der Ölraum zwischen beiden durch ein Kugelventil verschlossen. Die zu überwindende Kraft der Ventilfeder wird durch das Ölpolster übertragen. Tritt Ventilspiel auf, drückt eine Feder die Stößel auseinander. Durch das nun öffnende Kugelventil wird der Raum zwischen beiden Stößeln über die an die Schmierölversorgung angeschlossenen Bohrungen befüllt, bis das Ventilspiel ausgeglichen ist.
Verwandte Beiträge:
- MotoGP 500cc 2-Takt Leistung: Die legendären Maschinen im Detail
- Honda 2-Takt Motorrad: Geschichte, Modelle & Pflegetipps
- 2-Takt Motorräder: Liste der beliebtesten Modelle
- 2-Takt oder 4-Takt Motocross: Vor- & Nachteile im Vergleich
- Unvergessliche Motorradtouren im Saarland: Die besten Tipps für dein Abenteuer!
- Fahr Rad Laden Nau Fulda: Top Fahrräder & E-Bikes für Ihr perfektes Fahrerlebnis!
Kommentar schreiben