Vier-Takt-Motor: Aufbau und Funktionsweise eines Hubkolbenmotors einfach erklärt

In diesem Video beschäftigen wir uns mit dem Aufbau und der Funktionsweise eines 4-Takt-Hubkolbenmotors, kurz als 4-Takt-Motor bezeichnet. Wir werden wichtige Begriffe wie Verdichtungsverhältnis, Hubraum, Liefergrad, Ventilüberschneidung, etc. erläutern. Zudem lernen wir die verschiedenen Bauarten wie Reihenmotor, V-Motor, Boxermotor und Sternmotor, sowie deren Vor- und Nachteile kennen. Sogenannte Wärmekraftmaschinen wandeln die durch Verbrennung entstehende Wärmeenergie in mechanische Energie um. Hierzu zählen typischerweise die Verbrennungsmotoren. Diese bestehen aus einem Motorgehäuse mit Kühlrippen, dessen Innenraum die Form eines Zylinders bildet. In diesem Zylinder gleitet ein Kolben, der über die Pleuelstange mit der Kurbelwelle verbunden ist. Bei Autos oder Motorrädern treibt diese Motorwelle über ein Getriebe die Räder an. Der Zylinderinnenraum wird von einem Einlass- und einem Auslassventil verschlossen, die im Zylinderkopf untergebracht sind. Die Ansteuerung der Ventile zum Ansaugen und Ausstoßen des Treibstoff-Gemisches erfolgt über rotierende Nocken. Diese sitzen auf der sogenannten Nockenwelle. Da die Ventilsteuerung gemäß der Kolbenstellung erfolgt, ist die Nockenwelle über eine Steuerkette mit der Kurbelwelle verbunden. Die Zündung des angesaugten und verdichteten Treibstoff-Luft-Gemischs erfolgt bei Benzinmotoren über eine Zündkerze. Bei Dieselmotoren wird die Zündung durch den Zeitpunkt des Einspritzens des Dieselkraftstoffs in den Motorraum gesteuert, der sich aufgrund der dort herrschenden hohen Temperaturen dann von selbst entzündet. Im ersten Takt (Ansaugtakt) saugt der Motor bei geöffnetem Einlassventil und geschlossenem Auslassventil durch die Abwärtsbewegung des Kolbens das Treibstoff-Luft-Gemisch oder auch nur Luft über den Einlass an. Bei Erreichen der unteren Kolbenstellung schließt das Einlassventil und es beginnt der zweite Takt (Verdichtungstakt). Die Position des Kolbens an der untersten Stelle und damit bei größtem Zylindervolumen wird auch als unterer Totpunkt bezeichnet. Nach Erreichen dieses unteren Totpunkts wird das Luft-Gemisch bei geschlossenen Ventilen durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens verdichtet. Am oberen Totpunkt ist das Zylindervolumen schließlich am kleinsten und das darin befindliche Gas somit maximal komprimiert. Durch die Verdichtung der Gase steigen die Temperaturen bei Benzinmotoren auf über 450 °C an. Bei Dieselmotoren werden prinzipbedingt deutlich höhere Temperaturen von über 650 °C erzielt. Kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts erfolgt bei Benzinmotoren die Fremdzündung durch die Zündkerze (Fremdzündung). In Dieselmotoren beginnt an dieser Stelle die Einspritzung des Treibstoffs, welcher sich aufgrund der hohen Temperaturen durch den Verdichtungsvorgang von selbst entzündet (Selbstzündung). In beiden Fällen beginnt die Zündung des Treibstoff-Luft-Gemischs jedoch bereits kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts. Der genaue Zeitpunkt der Zündung ist abhängig von der Drehzahl des Motors. Im dritten Takt (Arbeitstakt) wird der Kolben durch die Explosion der Gase und dem dadurch verbundenen Druckanstieg nach unten bewegt. Die Temperaturen steigen dabei auf über 2000 °C an und erzeugen Drücke von bis zu 150 bar. Das Gas gibt während der Abwärtsbewegung mechanische Arbeit über die Pleuelstange an die Kurbelwelle ab. Durch den Expansionsvorgang kühlt das verbrannte Treibstoff-Luft-Gemisch ab und der Druck sinkt auf unter 4 bar. Kurz vor Erreichen des unteren Totpunkts beginnt sich das Auslassventil bereits zu öffnen und es beginnt der vierte Takt(Ausstoßtakt). Durch das vorzeitige Öffnen des Auslassventils ist nach Überschreiten des unteren Totpunkts der Auslassquerschnitt maximal geöffnet. Die verbrannten Gase können durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens nun relativ kraftarm ausgestoßen werden. Bei Erreichen des oberen Totpunkts schließt das Auslassventil wieder und der Vorgang beginnt von vorne. Aufgrund dieses zyklischen Durchlaufens der Takte wird ein sich solch wiederholender Vorgang auch als Kreisprozess bezeichnet. 00:00 Aufbau und Funktionsweise 01:28 Ansaugtakt (Ansaugen) 02:08 Verdichtungstakt (Verdichten) 02:58 Zündung 03:51 Arbeitstakt (Verbrennen) 04:19 Ausstoßtakt (Ausstoßen) 04:54 Liefergrad 05:22 Ventilgröße 06:01 Ventilüberschneidung 06:31 Verdichtungsverhältnis 07:57 Hubraum 08:56 Reihen-Motor (Zündfolge) 10:13 V-Motor 10:35 Boxer-Motor 11:03 Stern-Motor 11:36 Nachteile und Vorteile