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Viertaktmotoren haben einen komplexen Aufbau. Einige Eigenschaften dieser Motoren tragen dazu bei, dass der Arbeitsprozess verbessert wird.
Doch was versteht man unter Füllung? Wofür ist die Ventilüberschneidung da und was zeichnet das Verdichtungsverhältnis aus?
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Merkmale von Viertaktmotoren einfach erklärt
Die Füllung und der Füllungsgrad beschreiben, wie viel Masse an Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder einströmt.
Die Ventilüberschneidung ist eine Phase, in der das Einlass- sowie Auslassventil vom Takt des Ausstoßens zum Ansaugen geöffnet sind. Damit ist also der Zeitraum gemeint, in dem Ein- und Auslassventil gleichzeitig geöffnet sind.
Das Verdichtungsverhältnis beschreibt das Verhältnis zwischen Hubraum und Verdichtungsraum. Also auf welchen Teil das gesamte Volumen im Zylinder am Ende komprimiert wird.
Durch positives beeinflussen dieser Eigenschaften kann die Leistung von Motoren gesteigert und der Verbrauch gesenkt werden.
Merkmale von Viertaktmotoren Definition
Die Viertaktmotoren werden durch verschiedene Prozesse und Eigenschaften gekennzeichnet. Dazu gehören die Füllung und der Füllungsgrad, die Ventilüberschneidung sowie das Verdichtungsverhältnis. Beeinflusst man diese kann ein positiver Effekt auf die Leistung sowie den Verbrauch des Motors entstehen.
Merkmale von Viertaktmotoren Grundlagen
Um die einzelnen Eigenschaften besser verstehen zu können, ist es wichtig, zunächst einen Überblick zum Viertaktmotor zu haben. Der grundsätzliche Aufbau eines Motors wird in der folgenden Abbildung dargestellt.
Ebenfalls ist es wichtig, die vier Takte des Arbeitsspiels des Motors in der richtigen Reihenfolge zu kennen:
- Ansaugen
- Verdichten
- Arbeiten
- Ausstoßen
Füllung und Füllungsgrad
Der Begriff Füllung beschreibt die gesamte Masse des Kraftstoff-Luft-Gemischs, welche während des Ansaugens in den Zylinder strömt. Die Leistung vom Motor ist abhängig davon, wie gut der Zylinder in der kurzen Zeit gefüllt werden kann.
Der Füllungsgrad beschreibt dabei das Verhältnis vom angesaugten Kraftstoff-Luft-Gemisch zum theoretisch möglichen Gemisch, welches den Zylinder komplett füllen würde. Also wie effektiv der Zylinderraum ausgenutzt bzw. gefüllt wird.
Beim Füllungsgrad gibt es einen deutlichen Unterschied zwischen den Saugmotoren und den Turbomotoren. Die aufgeladenen Motoren haben durch den Turbolader einen höheren Füllungsgrad, da dieser durch das Verdichten den Ansaugdruck erhöht und somit schneller und mehr Luft in die Zylinder strömen kann.
Füllungsgrad bei Saugmotoren: 0,6 bis 0,9.
Füllungsgrad bei Turbomotoren: 1,2 bis 1,6.
Viele Faktoren in der Motorkonstruktion haben einen Einfluss auf die Füllung. Die Füllung wird positiv beeinflusst durch:
- Mehrere Einlassventile pro Zylinder
- Ansaugrohre mit gutem Luftdurchzug
- Gute Kühlung des Motors
Die Füllung wird negativ beeinflusst durch:
- Zu kurze Ventilöffnungszeiten
- Strömungswiderstand an der Drosselklappe
- Niedrigen Luftdruck
Ventilüberschneidung
Die Ventilüberschneidung ist ein wichtiger Effekt bei Viertaktmotoren. Dabei wird ein Prozess beschrieben, der zwischen dem Ausstoßtakt und dem Ansaugtakt stattfindet. Hierbei sind das Einlassventil und das Auslassventil für einen Moment gleichzeitig geöffnet. In der Animation wird die Ventilüberschneidung deutlicher.
Durch die Ventilüberschneidung können einige Vorteile entstehen.
- Zum einen wird eine bessere Füllung erreicht:
Durch das Ausstoßen der Abgase entsteht ein Unterdruck, dadurch können beim Öffnen des Einlassventils die frischen Gase besser einströmen. - Zum anderen kann der Emissionsausstoß verringert werden:
Es entsteht eine innere Abgasrückführung, wenn ein Teil der Abgase zurück in den Brennraum strömt. Dadurch kann die Emission von Stickoxiden verringert werden. - Außerdem werden die Auslassventile gekühlt:
Dies geschieht durch eine Art Durchspülvorgang, der durch die Öffnung aller Ventile stattfindet.
Verdichtungsverhältnis
Eine weiteres Merkmal, welches das Verhalten des Motors beeinflusst, ist das Verdichtungsverhältnis. Dieses ist Abhängig von den einzelnen Volumina im Verbrennungsraum.
- Vh stellt den Hubraum dar. Dies ist das eingeschlossene Volumen zwischen dem oberen (OT) und unteren Totpunkt (UT). In diesem Bereich bewegt sich der Kolben auf und ab.
- Vc beschreibt den Verdichtungsraum. Dies ist der Raum, auf den am Ende das Volumen im Zylinder komprimiert wird.
- Der Hub (s) ist die Strecke, die der Kolben zwischen UT und OT abfährt.
Das Verdichtungsverhältnis (ε) ergibt sich aus dem Verhältnis von Hubraum plus Verdichtungsraum zu Verdichtungsraum.
Durch ein höheres Verdichtungsverhältnis steigen die Temperatur und der Druck im Zylinder an. Das liegt an der höheren Kompression im Zylinder.
Außerdem kann die Leistung steigen, da der kleinere Verdichtungsraum besser von den verbrannten Gasen befreit wird. Des Weiteren kann durch die höhere Temperatur eine bessere und vollständige Verbrennung stattfinden.
Unterschied Otto- und Dieselmotor
Das Verdichtungsverhältnis von Otto- und Dieselmotoren ist unterschiedlich groß. Beim Dieselmotor ist es größer, weil der Kraftstoff hier durch den hohen Druck und die Temperatur selbst entzündet werden muss. Beim Ottomotor geschieht dies durch die Zündkerze.
In der Animation sind die Unterschiede dargestellt:
Das Verdichtungsverhältnis beim Ottomotor ist hier 8. Das erkennt man daran, dass das Gesamtvolumen im Zylinder aus 8 Anteilen besteht und auf einen komprimiert wird.
Das Verdichtungsverhältnis beim Dieselmotor ist hier 14. Dabei besteht das Gesamtvolumen im Zylinder aus 14 Anteilen und wird auf einen komprimiert.
Merkmale von Viertakmotoren Anwendung
Die Füllung wird zum Beispiel durch die Verwendung von Turboladern erheblich gesteigert. Auch auf das Verdichtungsverhältnis hat die Verwendung von Turboladern eine Auswirkung. Durch die zusätzliche Verdichtung der Luft müssen die Verdichtungsverhältnisse der Turbomotoren nicht mehr so hoch sein wie bei Saugmotoren.
Wie sich das Verdichtungsverhältnis auf Druck und Temperatur generell auswirkt, wird in der folgenden Tabelle deutlich.
Unterschied von Verdichtungsverhältnissen | ||
|---|---|---|
Verdichtungsverhältnis | 8 | 10 |
Verdichtungsdruck | 12 bar | 18 bar |
Verbrennungsdruck | 36 bar | 48 bar |
Verdichtungstemperatur | 450 °C | 550 °C |
Merkmale von Viertaktmotoren Zusammenfassung
Zu den wichtigsten Eigenschaften von Viertaktmotoren gehören die Füllung und der Füllungsgrad, die Ventilüberschneidung sowie das Verdichtungsverhältnis.
Als Füllung wird die Masse des Kraftstoff-Luft-Gemischs bezeichnet, welche in den Zylinder beim Ansaugen einströmt. Der Füllungsgrad gibt dabei die Ausnutzung des Volumens an.
Die Ventilüberschneidung beschreibt eine Phase zwischen Ausstoßtakt und Ansaugtakt. Hier sind das Einlass- sowie Auslassventil gleichzeitig geöffnet.
Das Verdichtungsverhältnis beschreibt das Verhältnis von Hubraum plus Verdichtungsraum zu Verdichtungsraum.
Diese Eigenschaften und Merkmale werden durch bauliche Maßnahmen verändert oder durch die Motorsteuerung angepasst. Durch positives Beeinflussen der Größen wird die Leistung von Motoren gesteigert und der Verbrauch kann dabei gesenkt werden.
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