Der 4-Taktmotor

Ansaugtakt

Ein Viertakter trennt sauber das Kurbelgehäuse von den Gasen, die durch den Motor strömen. Dazu ist eine aufwändige Steuerung erforderlich, die über Ventile, Nockenwellen und Stößel ausgeführt wird.

Beim gezeigten Motor finden wir eine sogenannte DOHC-Anordnung. Die Ventile hängen dabei im Zylinderkopf und werden über zwei darüber liegende Nockenwellen und Tassenstößel betätigt. Die Nockenwellen werden wiederum von der Kurbelwelle über eine Steuerkette angetrieben.

Dreht sich die Kurbelwelle und bewegt sich der Kolben vom oberen Totpunkt aus nach unten, drückt die Einlassnocke (hier links) das Einlassventil gegen den Druck der Ventilfeder nach unten.

Durch den nun offenen Ringspalt am Ventilteller wird Frischgas, welches vom Vergaser kommt, in den Zylinderraum gesaugt.Natürlich ist das Auslassventil (hier rechts) dabei geschlossen.

 

 

 

Verdichtungstakt

Kurz bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird auch das Einlassventil geschlossen.Der Kolben bewegt sich nun nach oben und verdichtet das brennbare Gemisch im Zylinderraum. Dabei wird es intensiv verwirbelt und erreicht eine hohe Temperatur.

Bei Motoren spricht man auch vom Verdichtungsverhältnis. Das ist das Verhältnis zwischen den Volumina die sich im unteren und oberen Totpunkt ergeben. YAMAHA-Motoren sind Hochleistungsaggregate und meist mit etwa 9,5 - 12.5 : 1 verdichtet.

Ist der obere Totpunkt erreicht, hat das Gemisch so nur noch etwa 10% des ursprünglichen Volumens und einen entsprechend hohen Druck (etwa 12 - 14 bar). Jetzt sind die Moleküle des Gemisches so nah zusammengepresst, dass eine intensive Verbrennung stattfinden kann.

Was fehlt, ist nur noch der berühmte Funke ....!

 

 

Arbeitstakt

Im oberen Totpunkt erfolgt über die Kerze die Zündung des Gemisches. Das dauert aber eine gewisse Zeit und so wird der Zündfunke schon kurz vor dem oberen Totpunkt (OT) ausgelöst. Man spricht von Frühzündung und je schneller der Motor dreht, desto früher muss dies geschehen.

Oft wird vermutet, dass es jetzt zu einer regelrechten Explosion kommt. Das ist aber nicht der Fall und würde den Motor in kürzester Zeit zerstören.Stattdessen kommt es zu einer sehr schnellen Verbrennung, bei der sich, ausgehend von der Zündkerze, eine Flammenfront durch den Verbrennungsraum ausbreitet. Dabei steigt das Volumen des Gases an und die dabei entstehende Energie drückt den Kolben mit hoher Geschwindigkeit nach unten.

Ist der untere Totpunkt erreicht, ist der größte Teil des Gases verbrannt und die in ihm gespeicherte Energie in Arbeit umgewandelt. Was übrig bleibt, sind Abgase wie Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe sowie Ruß.

 

 

Auspufftakt


Die Abgase müssen nun noch aus dem Zylinderraum entfernt werden. Kurz vor dem unteren Totpunkt drückt die Auslassnocke auf das Auslassventil (hier rechts) und öffnet es so. Durch den nun offenen Ringspalt am Ventilteller können die Abgase entweichen. Der Schwung der Kurbelwelle treibt den Kolben nach oben, wodurch die Verbrennungsrückstände in den Auspufftrakt gepresst werden.

Kurz vor dem oberen Totpunkt öffnet, wie oben beschrieben, auch das Einlassventil und es kommt zu einer sogenannten Überschneidung. Das ist ein Trick, der schon früh für Hochleistungsmotoren entdeckt wurde. Dabei reißt das herausströmende Abgas Frischgas mit sich und hilft bei der neuen Befüllung des Zylinderraums.

Fertig ist ein Arbeitszyklus und der nächste kann beginnen. Faszinierend ist, dass das Ganze bei Nenndrehzahl mehr als 80 mal in der Sekunde passiert.

 

 

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 im Modellbau.