Der Viertaktmotor: Vollständiger Leitfaden zum Verbrennungszyklus

Der Viertaktmotor bildet die Grundlage der meisten modernen Fahrzeuge und wandelt die chemische Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie um. Dieser Betriebszyklus, auch Ottozyklus für Benzinmotoren oder Dieselkraftstoffzyklus für Dieselmotoren genannt, wiederholt sich kontinuierlich, um die Leistung bereitzustellen, die zum Fortbewegung des Fahrzeugs erforderlich ist.

Die Verbrennungsmotoren arbeiten in zwei großen Gruppen: Motoren mit Zündung durch Kompression (Diesel) und Motoren mit Zündung durch Funken (Benzin). Beide Typen nutzen dasselbe Grundprinzip der vier Takte, unterscheiden sich jedoch in der Art und Weise, wie das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet wird.

Struktur und wesentliche Komponenten

Bevor wir die vier Takte verstehen, ist es wichtig, die Hauptkomponenten zu kennen:

• Kolben: das bewegliche Bauteil, das sich im Zylinder bewegt
• Zylinder: Raum, in dem der Verbrennungsprozess stattfindet
• Einlass- und Auslassventile: regulieren den Zu- und Abfluss der Fluide
• Kurbelwelle: wandelt die Hubbewegung des Kolben in eine Rotationsbewegung um
• Zündkerze (bei Benzin) oder Einspritzdüse (bei Diesel): sorgt für die Zündung des Kraftstoffs

Takt 1: Ansaugtakt – Einführung des Gemischs

Der Kolben bewegt sich nach unten, in Richtung Kurbelwelle, wodurch ein partielles Vakuum im Zylinder entsteht, das den Eintritt des Kraftstoff-Luft-Gemischs ermöglicht. In diesem entscheidenden Takt:

• Die Einlassventile sind vollständig geöffnet
• Die Auslassventile bleiben hermetisch geschlossen
• Beim Benzinmotor wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch vorher vorbereitet
• Beim Dieselmotor gelangt nur Luft in den Zylinder

Die Effizienz dieses Takts beeinflusst direkt die Endleistung des Motors. Eine fehlerhafte Ansaugung kann die Fahrzeugleistung erheblich mindern.

Takt 2: Verdichtung – Vorbereitung auf die Zündung

In diesem Takt sind sowohl Auslass- als auch Einlassventile geschlossen, wodurch ein vollständig luftdichtes Volumen entsteht. Der Kolben beginnt, sich in den Zylinder hineinzubewegen und komprimiert das Gemisch auf einen Bruchteil des ursprünglichen Volumens.

Paramater der Verdichtung:

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• Verdichtungsverhältnis: variiert zwischen 8:1–12:1 bei Benzin und 14:1–23:1 bei Diesel
• Temperaturanstieg: Die Luft erhitzt sich durch die Verdichtung auf 300–500°C
• Druck: steigt auf 12–20 bar bei Benzin und 30–55 bar bei Diesel

Bei Dieselmotoren ist die in der Verdichtung erzielte Temperatur hoch genug, um den eingespritzten Kraftstoff selbstständig zu zünden (Selbstzündung).

Takt 3: Zündung und Expansion – Leistungsentfaltung

Dies ist der Moment, in dem die chemische Energie in mechanische Energie umgesetzt wird. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder entzündet sich:

• Bei Benzin: durch Funke der Zündkerze
• Bei Diesel: durch Selbstzündung aufgrund der hohen Verdichtung

Paramater der Verbrennung:

• Druck: erreicht 30–40 bar bei Benzin und bis zu 150 bar bei Diesel
• Temperatur: überschreitet 2200°C und kann 2500°C erreichen
• Dauer: Die vollständige Verbrennung dauert nur wenige Millisekunden

Aufgrund dieses enormen Drucks wird der Kolben kraftvoll nach unten gedrückt und über die Pleuelstange auf die Kurbelwelle übertragen.

Takt 4: Abgasabführung – Entfernung der verbrannten Gase

Im letzten Takt bleibt das Einlassventil geschlossen, während das Auslassventil geöffnet wird, um die bei der Verbrennung entstandenen Abgase abzuleiten.

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Wichtige technische Details:

• Das Auslassventil öffnet sich, bevor der Kolben den unteren Totpunkt erreicht
• Dieses frühzeitige Öffnen sorgt für eine optimale Abgasentlastung
• Die Abgase erreichen Temperaturen von 400–900°C
• Der Abgasdruck liegt typischerweise bei 1,2–1,8 bar

Synchronisation und Zykluswiederholung

Die vier Takten laufen während zweier vollständiger Kurbelwellenumdrehungen (720 Grad). Die perfekte Synchronisation wird durch folgende Komponenten gewährleistet:

• Nockenwelle: steuert das Öffnen und Schließen der Ventile
• Verteiler-/Ventilsteuerung: Riemen- oder Kettenantrieb
• Schwungrad: hält die Trägheit zwischen den Zyklen

Bei einem Motor mit 3000 U/min wiederholt sich dieser Zyklus pro Zylinder 1500 Mal pro Minute, was die außerordentliche Präzision verdeutlicht, die für den ordnungsgemäßen Motorlauf erforderlich ist.

Effizienz und moderne Optimierungen

Moderne Viertaktmotoren profitieren von zahlreichen Optimierungen:

• Direkteinspritzung: verbessert die Effizienz der Verbrennung
• Turboladung: erhöht die Leistung durch Verdichtung der Luft
• Variabler Ventiltrieb: optimiert die Ventilöffnung je nach Drehzahlbereich
• Abgasrückführung: reduziert Emissionen

Das Verständnis dieser vier fundamentalen Takten bietet eine klare Basis zum Verständnis der Funktionsweise beliebiger Verbrennungsmotoren und ist sowohl für Autoenthusiasten als auch für Fahrer hilfreich, die ihr Fahrzeug besser verstehen möchten.