Ein Viertaktmotor ist eine Wärme-, genauer Verbrennungskraftmaschine, die thermische Leistung aus der Verbrennung von Kraftstoff in Drehmoment an einer rotierenden Welle, also rotatorische Leistung, umwandelt. Die inneren Vorgänge lassen sich als rechtslaufenden thermodynamischen Kreisprozess beschreiben (Otto- oder Diesel-Kreisprozess). Für einen Kreisprozess-Umlauf (ein „Arbeitsspiel“) benötigt die Maschine vier „Takte“ genannte Arbeitsschritte. Bei einem Hubkolbenmotor ist ein Takt die Bewegung des Kolbens von einem Endpunkt des Hubes zum anderen. Die Kurbelwelle vollführt daher während eines Taktes eine halbe Umdrehung.

Der Österreicher Christian Reithmann hatte am 26. Oktober 1860 mehrere Patente auf einen Viertaktmotor erhalten. Unabhängig davon beschrieb im Jahr 1861 der Techniker Alphonse Beau de Rochas das Viertaktverfahren. Ottomotoren und Dieselmotoren unterscheiden sich in der Gemischbildung und im Zündverfahren. Es gibt von beiden sowohl Viertakt- als auch Zweitaktvarianten.

Funktionsweise eines Viertakt-Hubkolbenmotors

Die vier Takte:
1. Ansaugen
2. Verdichten
3. Arbeiten
4. Ausstoßen
(Animation)

Takt 1: Ansaugen

Zu Beginn des 1. Taktes steht der Kolben am oberen Totpunkt (OT). Das Auslassventil wird geschlossen und das Einlassventil geöffnet. Der Kolben bewegt sich in Richtung Kurbelwelle, der Brennraum vergrößert sich. Bei der Abwärtsbewegung des Kolbens wird ein Gasgemisch oder Luft durch das Einlassventil in den Zylinder gesaugt. Bei Motoren mit innerer Gemischbildung, wie Dieselmotoren oder Ottomotoren mit Direkteinspritzung, wird nur Luft angesaugt. Bei äußerer Gemischbildung, wie bei Vergaser-Motoren oder Motoren mit Saugrohreinspritzung, wird ein Gemisch aus Luft und dem zerstäubten Kraftstoff angesaugt. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Einlassventil geschlossen und der erste Takt ist beendet.

Als Nachladeeffekt bezeichnet man es, wenn das Einlassventil erst nach dem unteren Totpunkt schließt, so dass bei bereits wieder aufwärts gehendem Kolben wegen der kinetischen Energie des Gases im Einlasskanal noch weiter Gas einströmt. Idealerweise schließt das Ventil genau dann, wenn die Gassäule zum Stehen gekommen ist. Dies bewirkt eine bessere Befüllung und dadurch eine Leistungssteigerung des Motors.

Takt 2: Verdichten und Zünden

Der Kolben bewegt sich zurück in Richtung oberer Totpunkt. Die dafür benötigte mechanische Arbeit stammt aus der Rotationsenergie der Schwungmasse bzw. bei Mehrzylindermotoren aus der Schwungmasse sowie dem Arbeitstakt eines anderen Zylinders. Das Gemisch oder die Luft im Zylinder wird nun auf einen Bruchteil des ursprünglichen Volumens verdichtet. Die Höhe des Kompressionsgrades ist von der Motorbauart abhängig. Bei Ottomotoren ohne Aufladung ist ein Verdichtungsverhältnis von über 10:1 üblich (es gibt Großserienmotoren mit über 14:1^[1]), bei Dieselmotoren ohne Aufladung über 20:1. Mit Aufladung ist es erheblich weniger, bis herunter zu 7:1 (Otto) und 14:1 (Diesel). Durch die Kompression wird das Gemisch bei Ottomotoren auf etwa 450 °C und die Luft beim Diesel auf etwa 650 °C erhitzt. Kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes wird beim Ottomotor die Zündung und beim Dieselmotor die Voreinspritzung ausgelöst. Der Zeitpunkt wird abhängig von Last und Drehzahl geregelt.

Takt 3: Arbeiten

Nach dem oberen Totpunkt – beim Dieselmotor folgt noch die Haupteinspritzung – verbrennt die Gemischladung selbstständig weiter. Die Temperatur im brennenden Gasgemisch eines Ottomotors erreicht zwischen 2200 und 2500 °C^[2] und der Druck bei Volllast bis zu 120 bar. Beim Dieselmotor sind es zwischen 1800 und 2500 °C und 160 bar.^[2] Der Kolben bewegt sich in Richtung des unteren Totpunktes, das Brenngas verrichtet mechanische Arbeit am Kolben und kühlt sich dabei ab. Kurz vor dem unteren Totpunkt besteht beim Ottomotor noch ein Restdruck von knapp 4 bar und beim Diesel knapp 3 bar. Das Auslassventil beginnt sich zu öffnen.

Takt 4: Ausstoßen

Wenn der Kolben den unteren Totpunkt wieder verlässt, wird mit der Aufwärtsbewegung des Kolbens das Abgas aus dem Zylinder geschoben. Am Ende des Ausstoßtaktes kommt es zur so genannten Ventilüberschneidung. Das Einlassventil wird geöffnet, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht und bevor das Auslassventil geschlossen hat. Erst kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat, schließt das Auslassventil.

Ventilsteuerung

Überblick über die Ausführungen

Pro Zylinder gibt es mindestens ein Einlass- und ein Auslass-Ventil, aber auch 3 oder 4 Ventile pro Zylinder sind heute weit verbreitet (siehe nächsten Abschnitt), manchmal 5 (Audi) oder sogar 8 Ventile (Honda NR). Der Gaswechsel kann auch mit Schiebern gesteuert werden.

Die Ventile werden von einer oder mehreren Nockenwellen gesteuert. Diese wird von der Kurbelwelle über Zahnriemen, Steuerkette(n), Stirnräder oder Königswelle(n) angetrieben. Bei Hochleistungsmotoren, etwa in Rennfahrzeugen, Flugzeugen und Motorrädern, wurde für den Ventiltrieb früher oft eine Königswelle verwendet. Die Nockenwelle dreht sich immer mit halber Kurbelwellendrehzahl, da ein Arbeitsspiel zwei Kurbelwellenumdrehungen erfordert.

Liegt die Nockenwelle unten, das heißt im Kurbelgehäuse, werden im Zylinderkopf hängende Ventile (OHV-Ventilsteuerung – overhead valve) in der Regel über Stößel, Stoßstangen und Kipphebel betätigt, bei neben dem Zylinder stehenden Ventilen (SV-Ventilsteuerung – sidevalve) direkt über Stößel oder Schlepphebel. Beide Bauarten waren früher verbreitet, werden aber in Neukonstruktionen außer bei Großmotoren nicht mehr verwendet. Stehende Ventile gibt es seit etwa 1960 wegen der ungünstigen Brennraumform nur noch in einfachen Industriemotoren, Rasenmähern oder Notstromaggregaten. Ottomotoren für Pkw mit untenliegender Nockenwelle werden im Wesentlichen nur noch in den USA gebaut. Wird eine Nockenwelle oberhalb der im Kopf hängend angeordneten Ventile vorgesehen (OHC-Ventilsteuerung – overhead camshaft), entfallen die Stoßstangen, für Betätigung der Ventile kommen unter anderem Kipp- oder Schlepphebel und Tassenstößel in Frage. Bei zwei obenliegenden Nockenwellen (DOHC, double overhead camshaft) werden die Ventile über Tassenstößel oder Schlepphebel betätigt, was durch die dynamische Steifigkeit des Systems eine gleichbleibende Genauigkeit der vorgegebenen Steuerzeiten bis in hohe Drehzahlen gewährleistet. Mit zwei obenliegenden Nockenwellen lassen sich auch über zwei verstellbare Nockenwellen eine variable Ventilsteuerung realisieren, bei der Ein- und Auslasssteuerzeiten unabhängig voneinander verändert werden können.

Viertaktmotor im Unterricht präsentieren

Aufgabe: Stelle den Viertaktmotor vor. Denke dabei an die Anwendung, Funktion, Aufbau, Nutzen, aber auch die Gefahren für die Menschheit.

Ein Viertaktmotor ist ein Verbrennungsmotor, der seine Arbeit in vier Zyklen durchführt: Ansaugen, Verdichten, Zünden und Ausstoßen. Diese Funktionsweise ist ein wesentlicher Faktor für die Effizienz und Leistung dieser Motoren.

Der Aufbau eines Viertaktmotors besteht aus einem Zylinder, in dem sich ein Kolben bewegt. Durch das Ansaugen von Brennstoff und Luft in den Zylinder wird eine bestimmte Menge an Brennstoff-Luft-Mischung komprimiert. Durch die Zündung dieser Mischung wird eine Explosion ausgelöst, die den Kolben nach unten bewegt. Im vierten Zyklus wird die verbrauchte Luft-Brennstoff-Mischung aus dem Zylinder ausgestoßen.

Der Hauptnutzen eines Viertaktmotors besteht in seiner Effizienz und Leistung. Im Vergleich zu anderen Arten von Verbrennungsmotoren verbrennen sie Brennstoff effizienter, was zu einer höheren Leistung und geringeren Emissionen führt. Diese Motoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von Kraftfahrzeugen über Booten und Gartengeräten bis hin zu kleinen Generatoren.

Allerdings birgt der Einsatz von Viertaktmotoren auch einige Gefahren für die Menschheit. Einer der Hauptfaktoren ist die Emission von Schadstoffen wie Kohlenmonoxid, Stickoxiden und Partikeln, die negative Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit haben können. Darüber hinaus können diese Motoren Lärm erzeugen, was insbesondere in Wohngebieten ein Problem darstellen kann. Es ist daher wichtig, Maßnahmen zur Minimierung der negativen Auswirkungen von Viertaktmotoren zu ergreifen, indem man beispielsweise saubere Technologien einsetzt und die Emissionen kontrolliert.

Ein weiterer Aspekt, der bei der Verwendung von Viertaktmotoren berücksichtigt werden muss, ist die Wartung und Pflege dieser Motoren. Eine regelmäßige Wartung ist wichtig, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren und dass Schadstoffemissionen auf ein Minimum reduziert werden. Ein ungewarteter Viertaktmotor kann zu einer höheren Emission von Schadstoffen und einer geringeren Effizienz führen.

Es ist auch wichtig zu beachten, dass Viertaktmotoren bestimmte Anforderungen an den Brennstoff stellen. Verwenden Sie immer den empfohlenen Brennstoff, um eine optimale Leistung und eine längere Lebensdauer des Motors zu gewährleisten. Außerdem sollte man darauf achten, dass der Tank des Motors stets vollständig gefüllt ist, um eine ordnungsgemäße Funktion des Motors und eine gleichmäßige Schmierung des Kolbens zu gewährleisten.

Zusammenfassend ist es wichtig zu betonen, dass Viertaktmotoren ein wichtiger Bestandteil unseres täglichen Lebens sind, und dass sie für viele Anwendungen sehr effizient und leistungsstark sind. Es ist jedoch wichtig, ihre Verwendung und ihre Auswirkungen sorgfältig zu überwachen und Maßnahmen zu ergreifen, um ihre negativen Auswirkungen auf die Umwelt und die Gesundheit zu minimieren.

Typische Lehrerfragen zum Thema Viertaktmotor

Bei einem Thema wie dem Viertaktmotor können Lehrer die folgenden Fragen stellen, um das Verständnis ihrer Schüler zu überprüfen:

Was ist ein Viertaktmotor und wie funktioniert er?
Was sind die Vorteile eines Viertaktmotors im Vergleich zu anderen Arten von Verbrennungsmotoren?
Was sind einige Anwendungen für Viertaktmotoren?
Wie wird eine Brennstoff-Luft-Mischung in einem Viertaktmotor komprimiert?
Was sind einige der Schadstoffemissionen, die von Viertaktmotoren ausgestoßen werden können, und wie können sie minimiert werden?
Was ist die Bedeutung einer regelmäßigen Wartung für den Betrieb eines Viertaktmotors?
Warum ist es wichtig, den richtigen Brennstoff zu verwenden und den Tank des Motors stets vollständig zu füllen?

Diese Fragen können helfen, das Verständnis der Schüler für die Funktionsweise, den Aufbau, die Anwendung und die Auswirkungen von Viertaktmotoren zu vertiefen.

Antworten auf die Lehrerfragen

Was ist ein Viertaktmotor und wie funktioniert er? Ein Viertaktmotor ist ein Verbrennungsmotor, der auf einem vierstufigen Prozess basiert, bei dem Brennstoff und Luft in den Zylinder eingespritzt und komprimiert werden, um eine explosive Verbrennung zu erzeugen, die den Kolben antreibt und Energie in Form von Bewegungsenergie liefert.

Was sind die Vorteile eines Viertaktmotors im Vergleich zu anderen Arten von Verbrennungsmotoren? Viertaktmotoren sind effizienter als andere Arten von Verbrennungsmotoren, da sie eine höhere Leistung aus dem Brennstoff gewinnen. Sie produzieren auch weniger Schadstoffe als Zweitaktmotoren.

Was sind einige Anwendungen für Viertaktmotoren? Viertaktmotoren werden in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, einschließlich Automobilen, Booten, Gartengeräten, Kraftfahrzeugen und Landmaschinen.

Wie wird eine Brennstoff-Luft-Mischung in einem Viertaktmotor komprimiert? In einem Viertaktmotor wird eine Brennstoff-Luft-Mischung durch einen Ventiltrieb komprimiert, der den Zylinderdeckel schließt, während sich der Kolben in Richtung des Zylinderkopfs bewegt.

Was sind einige der Schadstoffemissionen, die von Viertaktmotoren ausgestoßen werden können, und wie können sie minimiert werden? Viertaktmotoren können eine Vielzahl von Schadstoffemissionen ausstoßen, einschließlich Kohlenmonoxid, Stickoxiden, Schwefeloxiden und Feinstaub. Um diese Emissionen zu minimieren, können Technologien wie Abgasrückführung, drei-Wege-Katalysatoren und Stickoxidreduktions-Systeme eingesetzt werden.

Was ist die Bedeutung einer regelmäßigen Wartung für den Betrieb eines Viertaktmotors? Eine regelmäßige Wartung ist wichtig, um sicherzustellen, dass ein Viertaktmotor ordnungsgemäß funktioniert und um Schadstoffemissionen zu minimieren. Eine ungewarteter Viertaktmotor kann zu einer höheren Emission von Schadstoffen und einer geringeren Effizienz führen.

Warum ist es wichtig, dass Viertaktmotoren regelmäßig gewartet werden? Eine regelmäßige Wartung ist wichtig, um sicherzustellen, dass der Motor ordnungsgemäß funktioniert und um die Lebensdauer des Motors zu verlängern. Eine ungewartete Viertaktmotor kann zu einer geringeren Effizienz führen, was zu höheren Betriebskosten führt und auch zu einer höheren Emission von Schadstoffen beitragen kann, was ein Problem für die Umwelt und die Gesundheit der Menschen darstellen kann. Außerdem können unbehandelte Probleme im Laufe der Zeit zu größeren und teureren Reparaturen führen.

V8 Motor

Stelle den V8-Motor vor. Denke dabei an die Anwendung, Funktion, Aufbau, Nutzen, aber auch die Gefahren für die Menschheit.

Der V8-Motor ist ein achtzylindriges Verbrennungsmotordesign, das in vielen Automobilen, LKW, Lastkraftwagen und anderen Fahrzeugen verwendet wird. Die Funktionsweise eines V8-Motors beruht auf dem Brennen von Kraftstoff und Luft in jedem Zylinder, was eine Explosion verursacht, die einen Kolben antreibt und so die Bewegung des Fahrzeugs erzeugt.

Der Aufbau eines V8-Motors besteht aus acht Zylindern, die in einer V-Form angeordnet sind. Jeder Zylinder hat seinen eigenen Kolben, Ventil und Brennraum. Der Motor wird von einem Kurbelgehäuse gehalten, in dem sich die Kurbelwelle befindet, die die Bewegung des Kolbens auf die Räder überträgt.

Der Nutzen eines V8-Motors liegt in seiner hohen Leistung und Effizienz. Diese Motoren sind in der Lage, hohe Leistungen bei hohen Geschwindigkeiten zu liefern, was sie ideal für die Verwendung in Sport- und Rennfahrzeugen macht. Sie sind auch sehr langlebig und zuverlässig, was sie für den Einsatz in schweren Lastkraftwagen und anderen Arbeitsfahrzeugen attraktiv macht.

Allerdings gibt es auch einige Gefahren für die Menschheit, die mit dem Einsatz von V8-Motoren einhergehen. Eine der größten Herausforderungen besteht in den hohen Emissionen von Treibhausgasen und Schadstoffen, die beim Brennen von Kraftstoff freigesetzt werden. Dies kann zu einer Verschlechterung der Luftqualität und einem Anstieg des Klimawandels beitragen. Darüber hinaus kann das Versagen von Teilen des Motors während des Betriebs zu schwerwiegenden Unfällen führen, die sowohl für den Fahrer als auch für andere Verkehrsteilnehmer gefährlich sein können.

Ein weiterer Nachteil von V8-Motoren ist ihr höherer Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu kleineren Motoren. Da sie mehr Zylinder und einen größeren Brennraum haben, verbrauchen sie normalerweise mehr Kraftstoff, was zu höheren Betriebskosten führt. Außerdem kann der Einsatz von V8-Motoren in älteren Fahrzeugen auch zu Lärm- und Schwingungsproblemen führen, die für den Fahrer unangenehm sein können.

Trotz dieser Nachteile ist der V8-Motor jedoch eine weit verbreitete Technologie, die in vielen Anwendungen weiterhin gefragt ist. Viele Autohersteller haben jedoch in jüngster Zeit Maßnahmen ergriffen, um die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch von V8-Motoren zu reduzieren. Zum Beispiel werden immer häufiger Direkteinspritzungstechnologien und variable Ventilsteuerungen eingesetzt, um die Effizienz und Leistung von V8-Motoren zu verbessern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der V8-Motor ein wichtiger Bestandteil der Automobilindustrie ist, der für seine Leistung und Effizienz geschätzt wird, aber auch seine Herausforderungen und negativen Auswirkungen auf die Umwelt hat. Es ist wichtig, weiterhin Fortschritte in Richtung saubererer und effizienterer Motoren zu machen, um die negativen Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren.

Typische Lehrerfragen zum V8 Motor

Hier sind einige typische Lehrerfragen zum Thema V8-Motor:

Kannst du den Aufbau und die Funktionsweise eines V8-Motors erklären?
Was sind die Vorteile und Nachteile des Einsatzes von V8-Motoren?
Wie kann man die Emissionen von V8-Motoren reduzieren?
Was sind die häufigsten Probleme, die bei V8-Motoren auftreten können?
Wie beeinflusst der Einsatz von V8-Motoren die Umwelt?
Was sind die wichtigsten Technologien, die zur Verbesserung der Effizienz von V8-Motoren eingesetzt werden?
Was sind die Alternativen zu V8-Motoren, die in der Automobilindustrie verwendet werden?
Wie hat sich die Verwendung von V8-Motoren in den letzten Jahren verändert?
Was sind die zukünftigen Trends in der Entwicklung von V8-Motoren?
Was können wir tun, um die negativen Auswirkungen von V8-Motoren auf die Umwelt zu minimieren?

Diese Fragen können dazu beitragen, Schülerinnen und Schülern ein tieferes Verständnis für den V8-Motor und seine Anwendungen zu vermitteln.

= Antworten auf die Fragen Kannst du den Aufbau und die Funktionsweise eines V8-Motors erklären? Ja, ein V8-Motor ist ein Ottomotor mit acht Zylindern, die in einer V-Form angeordnet sind. Jeder Zylinder enthält einen Kolben, der hinauf- und hinunterbewegt wird, um die Verbrennung des Kraftstoffs und des Lufts im Brennraum zu steuern. Diese Bewegungen treiben den Kurbelwellenantrieb an, der das Auto antreibt.

Was sind die Vorteile und Nachteile des Einsatzes von V8-Motoren? Vorteile: Der V8-Motor bietet eine hervorragende Leistung und Effizienz, insbesondere im Vergleich zu kleineren Motoren. Sie haben auch eine höhere Drehmomentkapazität, was ihnen ermöglicht, schwerere Lasten zu ziehen und schneller zu beschleunigen.

Nachteile: Einer der Nachteile des Einsatzes von V8-Motoren ist ihr höherer Kraftstoffverbrauch im Vergleich zu kleineren Motoren. Außerdem können sie höhere Emissionen verursachen, was zu einer negativen Auswirkung auf die Umwelt führt.

Wie kann man die Emissionen von V8-Motoren reduzieren? Es gibt verschiedene Technologien, die eingesetzt werden können, um die Emissionen von V8-Motoren zu reduzieren, einschließlich:

Direkteinspritzungstechnologien
variable Ventilsteuerungen
Abgasrückführung
Katalysatoren

Was sind die häufigsten Probleme, die bei V8-Motoren auftreten können? Einige der häufigsten Probleme, die bei V8-Motoren auftreten können, sind:

Überhitzung
Ölverlust
Kraftstoff- oder Öleinspritzprobleme
Probleme mit den Zylinderkopfdichtungen

Wie beeinflusst der Einsatz von V8-Motoren die Umwelt? Der Einsatz von V8-Motoren kann zu einer erhöhten Luftverschmutzung und zu höheren Emissionen von Treibhausgasen führen, was zu einer negativen Auswirkung auf die Umwelt hat.

Was sind die wichtigsten Technologien, die zur Verbesserung der Effizienz von V8-Motoren eingesetzt werden? Einige der wichtigsten Technologien, die zur Verbesserung der Effizienz

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↑ aktuelle Großserien-Ottomotoren mit Verdichtung > 14:1 z. B. Mazda Skyactiv-G
↑ ^2,0 ^2,1 Autorenkollektiv unter Leitung von Studienrat Dipl.-Päd. Ing-Ök. Folkmar Kinzer, Wissenspeicher Verbrennungsmotoren, 6. Auflage, transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin 1986, S. 52

[1] tuelle Großserien-Ottomotoren mit Verdichtung > 14:1 z. B. Mazda Skyactiv-G

[Buch1-2] 2,0 ^2,1 Autorenkollektiv unter Leitung von Studienrat Dipl.-Päd. Ing-Ök. Folkmar Kinzer, Wissenspeicher Verbrennungsmotoren, 6. Auflage, transpress VEB Verlag für Verkehrswesen, Berlin 1986, S. 52

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Technik - Viertaktmotor