Was sind die vier Takte eines Viertaktmotors?

Was sind die vier Takte eines Viertaktmotors?

Ein Viertaktmotor Ein Verbrennungsmotor nutzt vier Kolbenhübe (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen), um einen Arbeitszyklus abzuschließen. Der Kolben vollführt zwei vollständige Hübe im Zylinder. Für einen Arbeitszyklus muss sich die Kurbelwelle zweimal drehen, also 720°.

Viertaktmotoren sind der am häufigsten vorkommende Motorentyp. KleinmotorEin Viertaktmotor durchläuft in einem Arbeitszyklus fünf Takte, nämlich Ansaugtakt, Verdichtungstakt, Zündtakt, Arbeitstakt und Auspufftakt.

Ansaugtakt

Der Ansaugvorgang bezeichnet den Zeitpunkt, an dem das Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennraum eingespritzt wird. Er beginnt, wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT) bewegt und das Einlassventil öffnet. Die Bewegung des Kolbens zum UT erzeugt einen Unterdruck im Zylinder. Der Umgebungsdruck presst das Gemisch durch das geöffnete Einlassventil in den Zylinder, um den durch die Kolbenbewegung entstandenen Unterdruck auszugleichen. Der Zylinder füllt sich noch etwas über den UT hinaus, da das Gemisch aufgrund seiner Trägheit weiterströmt und der Kolben seine Richtung ändert. Nach dem UT bleibt das Einlassventil für einige Grad Kurbelwellenumdrehung geöffnet. Die genaue Dauer hängt von der Motorkonstruktion ab. Anschließend schließt das Einlassventil, und das Gemisch ist im Zylinder eingeschlossen.

Der Kompressionstakt ist der Zeitraum, in dem das eingeschlossene Luft-Kraftstoff-Gemisch im Zylinder verdichtet wird. Der Brennraum wird abgedichtet, um die Ladung zu erzeugen. Die Ladung ist das Volumen des verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches im Brennraum, das zur Zündung bereit ist. Durch die Verdichtung des Gemisches wird bei der Zündung zusätzliche Energie freigesetzt. Die Einlass- und Auslassventile müssen geschlossen sein, um die Abdichtung des Zylinders und damit die Kompression zu gewährleisten. Die Kompression ist der Vorgang, bei dem das Volumen der Ladung im Brennraum von einem großen auf ein kleineres Volumen reduziert wird. Das Schwungrad hilft, den für die Kompression der Ladung notwendigen Schwung aufrechtzuerhalten.

Wenn der Kolben eines Motors das Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet, führt die durch die Kolbenarbeit erzeugte Kompressionskraft zu Wärmeentwicklung. Die Verdichtung und Erhitzung des Gemisches bewirkt eine Erhöhung der Gemischtemperatur und eine verstärkte Kraftstoffverdampfung. Die Temperaturerhöhung verteilt sich gleichmäßig im gesamten Brennraum und führt nach der Zündung zu einer schnelleren Verbrennung (Kraftstoffoxidation).

Die Kraftstoffverdampfung nimmt zu, wenn kleine Kraftstofftröpfchen durch die entstehende Hitze vollständiger verdampfen. Die vergrößerte Oberfläche der Tröpfchen, die der Zündflamme ausgesetzt ist, ermöglicht eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Brennraum. Nur Benzindämpfe entzünden sich. Durch die vergrößerte Oberfläche der Tröpfchen wird mehr Benzindampf als flüssiges Benzin freigesetzt.

Je stärker die geladenen Dampfmoleküle komprimiert werden, desto mehr Energie wird durch den Verbrennungsprozess gewonnen. Die zur Kompression der Ladung benötigte Energie ist jedoch deutlich geringer als die bei der Verbrennung erzeugte Kraftzunahme. Beispielsweise beträgt die zur Kompression der Ladung benötigte Energie in einem typischen Kleinmotor nur ein Viertel der bei der Verbrennung erzeugten Energie.

Das Verdichtungsverhältnis eines Motors beschreibt das Verhältnis des Brennraumvolumens im unteren Totpunkt zum Brennraumvolumen im oberen Totpunkt. Diese Fläche bestimmt zusammen mit der Konstruktion und Bauart des Brennraums das Verdichtungsverhältnis. BenzinmotorMotoren mit einem Verdichtungsverhältnis von 6:1 bis 10:1 weisen typischerweise ein solches Verhältnis auf. Je höher das Verdichtungsverhältnis, desto kraftstoffsparender ist der Motor. Ein höheres Verdichtungsverhältnis erhöht in der Regel den Verbrennungsdruck bzw. die auf den Kolben wirkende Kraft deutlich. Allerdings erhöht sich dadurch auch der Kraftaufwand beim Starten des Motors. Einige kleine Motoren verfügen über Systeme, die den Druck während des Verdichtungstakts reduzieren, um den Startaufwand zu verringern.

Ein Zündvorgang (Verbrennung) findet statt, wenn eine Ladung entzündet und durch eine chemische Reaktion rasch oxidiert wird, wobei thermische Energie freigesetzt wird. Verbrennung ist eine schnelle oxidative chemische Reaktion, bei der sich der Brennstoff chemisch mit dem Luftsauerstoff verbindet und Energie in Form von Wärme freisetzt.

Eine vollständige Verbrennung erfordert eine kurze, aber begrenzte Zeitspanne, in der sich die Flamme im gesamten Brennraum ausbreitet. Der Zündfunke an der Zündkerze initiiert die Verbrennung, wenn sich die Kurbelwelle etwa 20° vor dem oberen Totpunkt dreht. Luftsauerstoff und Kraftstoffdämpfe werden von der fortschreitenden Flammenfront verbraucht. Die Flammenfront bildet die Grenze zwischen dem Kraftstoff-Luft-Gemisch und den Verbrennungsrückständen. Sie durchdringt den Brennraum so lange, bis das gesamte Gemisch verbrannt ist.

Kraftschlag

Der Arbeitstakt ist der Betriebstakt des Motors, bei dem heiße, expandierende Gase den Kolbenboden vom Zylinderkopf wegdrücken. Die Kolbenkraft und die daraus resultierende Bewegung werden über das Pleuel auf die Kurbelwelle übertragen und erzeugen ein Drehmoment. Dieses Drehmoment setzt die Kurbelwelle in Rotation. Die Höhe des erzeugten Drehmoments hängt vom Kolbendruck, der Kolbengröße und dem Hub des Motors ab. Während des Arbeitstakts sind beide Ventile geschlossen.

Auspufftakt: Der Auspufftakt findet statt, wenn die Abgase aus dem Brennraum ausgestoßen und in die Atmosphäre abgegeben werden. Er ist der letzte Takt und beginnt, wenn sich das Auslassventil öffnet und das Einlassventil schließt. Die Kolbenbewegung presst die Abgase in die Atmosphäre.

Wenn der Kolben im Arbeitstakt den unteren Totpunkt erreicht, ist die Verbrennung abgeschlossen und der Zylinder mit Abgasen gefüllt. Das Auslassventil öffnet sich, und die Massenträgheit des Schwungrads und anderer beweglicher Teile drückt den Kolben zurück zum oberen Totpunkt, wodurch die Abgase durch das geöffnete Auslassventil ausgestoßen werden. Am Ende des Auspufftakts befindet sich der Kolben im oberen Totpunkt, und ein Arbeitszyklus ist beendet.