Wie funktioniert ein 4-Takt-Motor?

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  • Ein 4-Takt-Motorblock
    Was ist ein 4-Takt-Motor?
    Bei einem 4-Takt-Motor handelt es sich um eine Verbrennungskraftmaschine. Sie wandelt die thermische Leistung in Bewegungsenerie um. Der innere Ablauf kann als rechtsherum laufender Kreisprozess bezeichnet werden. Für diesen Umlauf sind für die Maschine vier Takte erforderlich, die in Arbeitsschritten nacheinander ablaufen. Ein Takt entspricht dabei der Kolbenbewegung von einem Hubendpunkt zum anderen. Während des Taktes führt die Kurbelwelle eine 50-prozentige Umdrehung durch. Für die Entwicklung seines 4-Takt-Motors erzielte Christian Reithmann aus Österreich im Oktober 1860 verschiedene Patente. Parallel dazu beschrieb Alphonse Bea de Rochas ein Jahr später dasselbe Verfahren. Der Unterschied zwischen Diesel- und Ottomotoren besteht im Zündverfahren und in der Gemischbildung. Bei beiden Varianten gibt es 2- und 4-Takter.

    Wie funktioniert ein 4-Takt-Motor?
    Ein 4-Takt-Motor setzt sich aus vier Takten zusammen. Er saugt an, verdichtet, arbeitet und lässt aus. Das Prinzip ist einfacher als bei 2-Taktern, doch die Mechanik ist dafür komplexer. Ein 4-Takt-Motor arbeitet nur in einem der vier Takte. Während er sich im Arbeitstakt befindet, wird die Pleuelstange vom Kolben heruntergedrückt, sodass die Kurbelwelle beschleunigt wird.

    Takt 1 und Takt 2
    Im ersten Takt erfolgt das Ansaugen. Der Kolben bewegt sich zum toten Punkt unten. Die Einlassnockenwelle öffnet das Einlassventil. Derweil befindet sich im Motorbrennraum ein Unterdruck. Dieser wird durch das Benzin-Luft-Gemisch angesaugt. Der Unterdruck wird nicht durch den sich nach unten bewegenden Kolben erzeugt und für die Vergrößerung des Brennraums verantwortlich ist. Der zweite Takt sorgt für die Verdichtung. Die Ventilfeder hat das Einlassventil geschlossen und der Kolben wandert zum toten Punkt nach oben. Da sich das Volumen oberhalb des Kolbens verringert, verdichtet sich das Gemisch. Bis zu diesem Zeitpunkt bestand das Gemisch lediglich aus winzigen Benzintropfen und Luft. Aufgrund der Komprimierung wird das Gemisch erwärmt, sodass das Benzin komplett verdunstet.

    Takt 3 und Takt 4
    Im dritten Takt beginnt die Arbeit. Sobald der Kolben den oberen toten Punkt erreicht hat, entzündet der Zündkerzenfunke das Gemisch, das so verbrennt. Daher stammt der Name Verbrennungsmotor. Via Pleuel wird die Kurbelwelle vom Kolben angetrieben. Genau genommen wird das Gemisch bereits entzündet, kurz bevor es am oberen Totpunkt angekommen ist, da ein wenig Zeit benötigt wird, damit sich das Gemisch entzünden kann. Dadurch dauert der Druck auf den Kolben länger an. So können Drehmoment und Leistung erhöht werden.

    Im vierten Takt ist das Auslassventil geöffnet, während der Kolben sich zum oberen Totpunkt begibt. Das bereits verbrannte Gemisch entweicht dem Motor. Sobald das Auslassventil offen ist, ist im Brennraum weiterhin ein deutlicher Restdruck vorhanden. Dieser sorgt dafür, dass Abgase beschleunigt werden und austreten. Die erhöhte Geschwindigkeit sorgt dafür, dass alle Reste aus dem Brennraum entweichen und ein Unterdruck vorhanden ist. Aus- und Einlassventil öffnen sich nur für einen kurzen Zeitraum parallel. Jetzt gelangt frisches Gemisch in den Brennraum, zum Teil auch in den Auslasskanal. Der Auspuff drückt das Gemisch jedoch wieder zurück. Das frische Gemisch wird ebenso erhöht beschleunigt, sodass mehr davon in den Brennraum gelangt als es durch die Abwärtsbewegung des Kolbens der Fall wäre. Bei einem aktuellen Motor ist die Verdichtung bereits im Leerlauf bei etwa 40 bar angekommen, wobei theoretisch nur zwischen acht und zwölf bar möglich sind.

    Vorteile und Nachteile eines 4-Takt-Motors
    Das Drehmoment beim 4-Takter ist höher als beim Zweitakter bei gleichzeitig konformer Literleistung. Dadurch wird eine deutlich geringere Drehzahl erzielt. Das wiederum ist dafür verantwortlich, dass Lärmentwicklung und Kraftstoffverbrauch reduziert werden können. Aufgrund der besseren Gemischaufbereitung kann der Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Frisch- und Abgas lassen sich aufgrund der Ventile besser trennen. Bei einem 2-Takt-Motor werden Frisch- und Abgas gemischt. Daher ist der Wirkungsgrad eines 4-Takters um etwa 20 bis 30 Prozent höher. Bei Viertaktern gehört der geschlossene Ölkreislauf zu den Standards, sodass der Schmierölverlust gering ist.

    Zu den Nachteilen eines 4-Takt-Motors gehören das höhere Gewicht, wodurch mehr Masse bewegt werden muss. Auf diese Weise sind sowohl Herstellung und Reparatur teurer als andere Varianten, ebenso der Kaufpreis. Simple 4-Takt-Motoren erreichen nur etwa 50 Prozent der Drehzahl von 2-Takt-Motoren. Das liegt daran, dass im 4-Takter mehr Elemente bewegt werden müssen, zum Beispiel die Nockenwelle und die Ventile. Bei hohen Drehzahlen wäre das nur mit einem erhöhten Aufwand machbar. Ein Arbeitszyklus dauert bei einem 4-Takter 50 Prozent länger als bei einem Zweitakter. Das bedeutet, dass der 4-Takter nur halb so schnell wie ein 2-Takter ist.

    Fazit zum 4-Takt-Motor
    Wenn Du den Artikel aufmerksam bis zum Ende gelesen hast, weißt Du jetzt nicht nur, was ein 4-Takt-Motor ist, wie er funktioniert und was bei den einzelnen vier Arbeitsschritten passiert. Darüber hinaus hast Du auch seine Vor- und Nachteile gegenüber dem 2-Takt-Motor kennengelernt und hast so eine gute Entscheidungshilfe erhalten.

    Ein Video zur Funktionsweise:

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