Der Viertaktmotor

1. Der Viertaktmotor

Nikolaus August Otto - Zur Person

Nikolaus A. Otto, der Erfinder des 4-Taktprinzips, wurde am 10. Juni 1832 in Holzhausen auf der Haide (Taunus), als sechstes Kind einer Bauernfamilie geboren. Er besuchte dann später ein Realgymnasium, welches er erfolgreich abschloss und nach dem er in die Lehre zu einem Weinhändler ging. Otto war jedoch seit seiner Kindheit ein technikbegeisterter Mensch und so machte er es sich zum Hobby, sich in seiner Freizeit mit der Funktionsweise von Gasmotoren zu beschäftigen. Ab 1862 begann er sich dann vollständig dem Motorenbau zu widmen. Bereits 1863 baute Otto seine erste Gasmaschine, was den Ingenieur Eugen Langen veranlasste, gemeinsam mit Otto eine eigene Firma zu gründen ("N.A. Otto& Cie"), welche ab 1872 "Gasmotorenfabrik Deutz AG" hiess. Sie war die erste Motorenfabrik der Welt. Bekannt wurde Otto jedoch durch den, von ihm erfundenen 4-Taktmotor, welchen er 1876 erstmals funktionierend präsentieren konnte.
Leider musste Otto ab 1884 nach und nach alle seine Patente abtreten, da andere Techniker "Vorerfindungen" geltend machten. Ob diese wirklich existierten, ist jedoch zweifelhaft. Sieben Jahre später, am 26. Januar 1891 stirbt Otto in Köln, im Alter von 58 Jahren, an Herzversagen.

1.1. Theoretische Funktionsweise

Wie der Name des Motors schon sagt, arbeitet er in vier Takten (Hüben), auf die im folgenden näher eingegangen wird. Die Arbeitsschritte heissen in der Reihenfolge: Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausschieben.

BILD 1.1

Bild 1.1: Aufbau eines Zylinders

Zu Begin des Ansaugtaktes (Bild1.2) öffnet sich das Einlassventil, durch welches wegen eines vorherrschenden Unterdruckes im Zylinder ein Luft-Benzin-, Luft-Flüssiggasgemisch oder im Falle eines Dieselmotors reine Luft, den Raum oberhalb des Kolbens füllt. Der Unterdruck entsteht durch die Abwärtsbewegung des Kolbens. Das Einlassventil schliesst sich, sobald der Kolben den unteren Totpunkt (UT) erreicht hat. Während diesem Takt hat die Kurbelwelle sich um 180 Grad gedreht. Als nächstes folgt das Verdichten (Bild1.3), wo alle Ventile geschlossen sind. Der Kolben bewegt sich nun wieder aufwärts zum oberen Totpunkt (OT), wodurch das Gemisch im Zylinder stark verdichtet wird und dessen Temperatur auf rund 1900 GradC steigt. Die Kurbelwelle dreht sich auch beim Verdichten um 180Grad . Sobald die Kompression beendet ist, entzündet ein Funke der Zündkerze das Gemisch(bei Dieselmotoren erfolgt hier eine Selbstzündung (siehe Kapitel 2)), wodurch ein enormer Überdruck entsteht, welcher den Kolben zum UT bewegt, wobei er Arbeit verrichtet. (Bild1.4). Die Kurbelwelle hat sich um weitere 180Grad gedreht und hat seit dem Begin der 4 Takte bereits 540Grad zurückgelegt. Hat der Kolben den UT erreicht, öffnet sich das Auslassventil, und das Ausschieben (Bild1.5) beginnt. Hierbei wird der Kolben durch den Schwung der Kurbelwelle wieder aufwärts bewegt und schiebt dabei die verbrannten Gase aus dem Brennraum. Hat der Kolben den OT erreicht, schliesst sich das Auslassventil, das Einlassventil öffnet sich, und ein neuer Ansaugtakt beginnt. Auch während des letzten Taktes legte die Kurbelwelle 180Grad zurück und vervollständigt damit die 720Grad , die einen vollständigen Zyklus beim Viertaktmotor darstellen. Diesen vier Takten kann man entnehmen, dass lediglich beim 3. Takt Arbeit verrichtet wird. Nur durch ein Schwungrad läuft der Motor relativ ruhig. Da Motoren mit mehr Zylindern die Takte jedoch zeitversetzt ausführen können, laufen diese meist ruhiger, beruhen aber auch auf dem gleichen Prinzip der vier Takte.

BILD 1.5

Bild 1.2 - 1.5 Der Zyklus beim Motor

1.2. Bauarten von Viertaktmotoren

1.2.1 Der Zweizylindermotor

Zweizylindermotoren können auf vier verschiedene Weisen gebaut werden. Die erste stellt eine Variante mit gleichgerichteten Kröpfungen dar, wobei der zweite Zylinder 360Grad nach dem ersten gezündet wird. Dies hat einen gleichmässigen Motorlauf zur Folge. Das Zusammenspiel aller Takte bei diesem und allen noch folgenden Motoren kann der Tabelle am Ende des Abschnittes entnommen werden. Man kann die Kröpfungen jedoch auch entgegengesetzt anordnen (im Winkel von 180Grad), wobei hier der 2. Zylinder 540Grad nach dem ersten zündet und somit ein ungleichmässiger Motorlauf erzeugt wird, der ein grosses Schwungrad bedingt. Eine dritte, sehr erfolgreiche, Motorkonstruktion stellt der Boxermotor dar, bei dem die Kolben auf einer horizontalen Ebene gegenläufig angeordnet sind. Durch diese Bauweise zeigt der Motor nur wenig Vibrationen, weshalb sie seit Jahren erfolgreich angewendet wird. Motoren können jedoch auch in V-Bauweise konstruiert werden, wobei die Zylinder bei einem Zweizylindermotor meist in einem Winkel von 90Grad zueinander stehen. Beide Pleuel der Zylinder stehen dabei auf einer Kröpfung und der zweite Zylinder zündet 270Grad nach dem ersten.

1.2.2 Der Dreizylindermotor

Beim Dreizylinder hat man, um die Zylinder günstig anzuordnen, folgendes Problem zu lösen: Man hat die Arbeitstakte der 3 Zylinder gleichmässig auf die 720Grad der zwei Kurbelwellenumdrehungen zu verteilen. Dieses geht bei drei Zylindern, indem man sie in Abständen von 240Grad nacheinander zündet, was gleichzeitig bedeutet, dass die Kröpfungen zueinander einen Winkel von 240Grad bilden. Bei der Zündfolge gibt es folgende 2 Möglichkeiten: 1-2-3 oder 1-3-2.

Vierzylindermotoren können sowohl als Reihen-, als auch als V- und Boxermotor konstruiert werden. Beim Reihenmotor bewegen sich 1. und 4. bzw. 2. und 3. Zylinder immer in die gleiche Richtung, wobei man dem Zylinder am Nockenwellenantrieb (siehe Kapitel5) die Nummer 1 gibt. Aufgrund dieser Tatsache und der, dass 2 Zylinder, die gleichläufig zueinander arbeiten, sich nicht im selben Arbeitstakt befinden dürfen, ergeben sich folgende Zündfolgen: 1-2-4-3 und 1-3-4-2. Beim Vierzylinder V-Motor liegen die Zylinder in zwei Ebenen, meist in einem Winkel von 60Grad, zueinander. Auch hier erfolgt, wie beim Reihenmotor eine regelmässige Zündung nach 180Grad. Die Zündfolge ist 1-3-4-2. Der Boxermotor ist eine weitere Alternative bei den Vierzylindern. Er kann auf zweierlei Art gebaut werden. Beide Varianten arbeiten jedoch im Prinzip gleich.

1.2.4 Motoren mit mehr als 4 Zylindern

Motoren, die über mehr als 4 Zylinder verfügen, überlappen sich in ihren Arbeitstakten, wobei die Überlappung um so grösser wird, um so mehr Zylinder der Motor hat. Diese Eigenschaft bewirkt einen ruhigeren Lauf von Motoren mit mehr als 4 Zylindern. Die Arbeitsweise der Motoren kann man der folgenden Tabelle entnehmen.

1.2.6 Anwendung von Mehrzylindermotoren

Motoren der heutigen Generation können bis zu 16 Zylinder besitzen, wobei Motoren oberhalb der 12 Zylinder in keinem Serienwagen Anwendung finden. Folgende Anwendungsbereiche gibt es für die Motoren:

Einzylinder: Er wird in Mopeds und Arbeitsmaschinen, wie Rasenmähern oder Bootsmotoren eingesetzt.
Zwei-,Drei- und Vierzylinder: Hauptanwendung in Pkw (Kleinwagen,Mittelklasse, Sportwagen), aber auch in Motorrädern, Bootsmotoren und Flugzeugen.
Fünfzylinder: Werden bei Mittelklasse Pkw eingesetzt.
Sechszylinder: Er wird in Mittel- und Oberklasse Pkw, Sportwagen, Flugzeugen und selten in Motorrädern eingesetzt.
Achtzylinder: Oberklasse Pkw, Sportwagen, Boote, Rennmotoren
Zehnzylinder: Er wird nur in Rennmotoren verwendet.
Zwölfzylinder: Luxusklasse Pkw, Sport- und Rennwagen
Sechzehnzylinder: Er wird nur für Rennmotoren gebaut.

Es gibt auch Fälle, in denen Motoren 7 oder 9 Zylinder haben. Es handelt sich dabei meist um Lkw- oder Grossdieselmotoren, wo lediglich ein Zylinder angehangen wurde.

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