Motoren aus technischer Sicht/ Viertaktmotor

Motoren aus technischer Sicht/Navigation

Arbeitsweise

Der Otto-Viertaktmotor wird mit Benzin betrieben, welches mit Luft zu einem bestimmten Verhältnis gemischt wird. Im Vergaser bzw. im Saugrohr kommt es zur äußeren Gemischbildung und im Brennraum zur inneren Gemischbildung.

Innere Gemischbildung

1. Takt (Ansaugen) Während des ersten Taktes bewegt sich der Kolben vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt. Dabei kommt es zu einer Raumvergrößerung beim Abwärtsgehen des Kolbens und es entsteht ein Unterdruck, wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch das geöffnete Einlassventil in den Brennraum strömt. Das Auslassventil bleibt während des Ansaugtaktes geschlossen.

2. Takt (Verdichten) Beim zweiten Takt bewegt sich der Kolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt hin und verdichtet das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Brennraum. Je höher das Gemisch durch die Raumverkleinerung komprimiert wird, desto höher der Druck und die Temperatur aufgrund des adiabatischen Prozesses und desto höher der Wirkungsgrad. Damit steigt die Leistung des Motors und der Kraftstoffverbrauch sinkt. Jedoch wird der Motor zugleich mechanisch stärker belastet und es steigt die Gefahr der Selbstentzündung, weil die Temperatur 400° C bis 500° C erreichen kann. (Entzündungstemperatur von Benzin: 500° C bis 650° C)

3. Takt (Arbeiten) In dem Augenblick, in dem der Kolben das Ende des zweiten Taktes erreicht hat, ist das Volumen in der Brennkammer am geringsten. Nun wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit der Zündkerze entzündet und verbrannt. Die Zündflammen breiten sich mit einer Geschwindigkeit von 10 m/s bis 30 m/s aus, sodass das Gemisch nach 0,001 Sekunden vollständig entflammt ist. Dabei entsteht ein Höchstdruck von 50 bar bis 75 bar und eine Höchsttemperatur von 2000° C bis 2500° C. Wegen des Druckes, der aufgrund der sich ausbreitenden Gase im Arbeitstakt entsteht, wird der Zylinderkolben vom oberen Totpunkt in Richtung unterer Totpunkt weggedrückt.

4. Takt (Ausstoßen) Die Auslassnockenwelle öffnet das Auslassventil. Wie die Abbildung zeigt, wird der Zylinderkolben vom unteren Totpunkt zum oberen Totpunkt hin verschoben, und die Abgase können über das geöffnete Auslassventil ausströmen. Ein neues Arbeitsspiel kann beginnen.

Der Wirkungsgrad, also wie viel der Wärmeenergie des Kraftstoffes in mechanische Energie umgewandelt wird, wird u.a. durch das Verdichtungsverhältnis bestimmt. Das Verdichtungsverhältnis beträgt bei Ottomotoren größtenteils 8:1 oder 10:1. Höhere Verdichtungsverhältnisse entsprechen einem höheren Wirkungsgrad und lassen sich in der Regel mit klopffesten (→ Klopfen) Kraftstoffen, welche über eine höhere Oktanzahl verfügen, erreichen. Der Wirkungsgrad eines guten Ottomotors liegt bei 35-40%. Dies bedeutet, dass nur 35-40% der Wärmeenergie des Kraftstoffes in mechanische Energie umgewandelt werden. Der Wirkungsgrad ist vor allem wegen den Kühlungs- und Reibungsverlusten bei Ottomotoren begrenzt.

Äußere Gemischbildung

Die Äußere Gemischbildung erfolgt im Vergaser. Er bestimmt für fast alle Betriebszustände allein durch die Saugwirkung der strömenden Luft das günstige Kraftstoff-Luft-Gemisch. Der Vergaser wird heute nicht mehr häufig verwendet, da er keine genaue Gemischbildung zulässt und dadurch die Abgaswerte verschlechtert.

Arbeitsweise des Vergasers

Beim Vergaser gibt es eine Verengung an einer Stelle des Ansaugrohres. Da jedoch die Menge der Luft, welche durch diese Verengung strömt, gleich bleibt, wird die Luft, welche vom Luftfilter zum Vergaser gelangt, an dieser Stelle beschleunigt. Gleichzeitig entsteht an dieser Verengung eine Saugwirkung, die durch einen an dieser Stelle hervorgerufenen Unterdruck erzeugt wird (siehe Berechnung).

Die Kraftstoffbereitstellung wird durch die Hauptdüse bestimmt, welche in Abhängigkeit vom entstehenden Unterdruck eine bestimmte Menge an Kraftstoff in den Luftkanal fließen lässt. Die dem Brennraum zur Verfügung gestellte Kraftstoff-Luft-Gemischmenge wird durch die Drosselklappe bestimmt, welche ihren Öffnungswinkel je nach Lastzustand ändert. Bei Volllast braucht der Brennraum viel Kraftstoff-Luft-Gemisch, weshalb die Hauptdüse viel Kraftstoff liefert, der sich bei vollständig geöffneter Drosselklappe mit der Luft vermischt und zum Brennraum gelangt. Bei Teillast hingegen ist die Drosselklappe weniger geöffnet, da der Brennraum weniger Kraftstoff-Luft-Gemisch benötigt. Der Motor arbeitet.

Benzindirekteinspritzung

Die Benzindirekteinspritzung unterscheidet sich von der äußeren Gemischbildung, d.h. der Gemischaufbereitung durch den Vergaser, dadurch, dass der Kraftstoff durch ein von einer Hochdruckpumpe betriebenes Einspritzventil direkt in den Brennraum eingespritzt wird und erst dort mit der angesaugten Luft vermischt wird. Das System der Benzindirekteinspritzung besteht u.a. aus folgenden Elementen:

• Motorsteuergerät
• NO_x–Katalysator
• 3-Wege-Katalysator (Kapitel Abgaswartung)
• Speziell geformte Kolben
• Hochdruckpumpe
• Drosselklappe

Die Benzindirekteinspritzung läuft drehzahlabhängig entweder im Homogenbetrieb oder im Magerbetrieb (→ Homogen- und Magerbetrieb). Der Viertaktmotor läuft im niedrigen Drehzahlbereich vorwiegend im Magerbetrieb. Die Einspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum durch die Einspritzdüse erfolgt in diesem Betriebszustand erst kurz vor dem Zündzeitpunkt, wo sich der Kolben im oberen Totpunkt befindet und die angesaugte Luft bereits stark verdichtet worden ist. Dabei entstehen (→ Lambdawert) von bis zu 3, d.h. es befindet sich 3-mal mehr Luft im Kraftstoff-Luft-Gemisch als tatsächlich nötig wäre. Damit es im Magerbetrieb trotz des starken Luftüberschusses zu einer Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen kann, ist man angewiesen, den Brennraum so umzugestalten, dass lediglich im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch erzeugt wird. Wichtig in diesem niedrigen Drehzahlbereich ist, wie das zündfähige Gemisch an die Zündkerze herangeführt wird, da bis zur Verbrennung des Gemisches nur wenig Zeit bleibt.

Der Vergaser arbeitet nach dem Bernoulli-Prinzip. Es ist ein physikalisches Gesetz, nach dem in einem Gas oder einer Flüssigkeit der Druck um so mehr abnimmt, je schneller die Strömung wird. Es besagt, dass unter Vernachlässigung der Schwerkraft die Summe aus statischem und dynamischem Druck über den ganzen Strömungsweg konstant bleibt.

→ Deshalb gilt folgende Gleichung:

1/2ρv² + p = konstant [p]=Druck / [v]=Geschwindigkeit

Bringt man die Fläche des Querschnitts und die Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit voneinander, so ergibt sich folgende Gleichung:

A1 × v1 = A2 × v2 [A]=Fläche / [v]=Geschwindigkeit

Durch diese Formel lässt sich das Bernoulli-Prinzip beweisen. Verringert man nämlich die Querschnittsfläche A2, während A1 und v1 beibehalten werden, so muss die Strömungsgeschwindigkeit v2 dementsprechend erhöht werden.

Bei der mageren Verbrennung verfügen die Abgase über zu hohe NO_x-Werte, welche nicht den Abgasvorschriften entsprechen. Deshalb wird bei der Benzindirekteinspritzung neben einem motornahen 3-Wege-Katalysator noch ein NOx- Katalysator, der die NO_x-Partikel zu N₂ und O₂ umwandelt und als ungiftiges Gas ableitet sowie den hohen Schwefelgehalt entfernt, eingebaut. Durch eine kurze Anfettung von 2 Sekunden in jeder Minute regeneriert sich der NO_x-Katalysator wieder. Ab ca. 3000 min ^-1 und großem Leistungsbedarf, wechselt der Betriebszustand und der Motor läuft im Homogenbetrieb, d.h. mit der exakt notwendigen Luftmenge im Kraftstoff-Luft-Gemisch. Die Luft wird in diesem Betriebszustand angesaugt und verdichtet, wie dies bei herkömmlichen Ottomotoren der Fall ist. Im Unterschied zum Magerbetrieb wird im Homogenbetrieb der Benzindirekteinspritzung während des gesamten Ansaugtaktes, wo die Luft zum Brennraum gelangt, Kraftstoff eingespritzt, weshalb in den Zylindern des Viertaktmotors ein gleichmäßig verteiltes Gemisch aus Kraftstoff und angesaugter Luft entsteht. Die elektronisch geregelte Drosselklappe bestimmt hierbei die Menge an Luft, welche dem Brennraum zugefügt werden soll. Anders als im Magerbetrieb findet beim Homogenbetrieb die Verbrennung im gesamten Brennraum und nicht nur direkt an der Zündkerze statt.