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Viertakter

Der Film über Viertakter


Die mit Blender erstellten Originaldateien der Computeranimation findet ihr in der Rubrik Download.

Saito FA-40

Das Prinzip eines Viertakt-Glühzündermotores erkläre ich euch mit Hilfe eines kleinen Motors, wie er im RC-Modellbau Verwendung findet. In einer Kiste mit einem Teile-Sammelsurium, das ich im Laufe meiner (wenig steil verlaufenden) Modellbauerkarriere angesammelt habe, konnte ich diesen Motor wieder entdecken. Es handelt sich um einen fast nie gelaufenen FA-40 der Firma Saito mit einem Hubraum von 6,6ccm und einer Leistung von etwa 500Watt. Demontiert und gründlich gereinigt, konnte ich dieses mechanische Kleinkunstwerk mit gut abgelagertem Sprit erneut zum Leben erwecken. Die Hauptdüsennadel musste ich allerdings durch ein improvisiertes "Ersatzteil" ersetzen, da diese nicht mehr in besagter Kiste aufzufinden war.

Vergaser

Vergaser
Figure 1:
Aufgabe des Vergasers ist es, aus dem zugeführten Brennstoff und der Umgebungsluft ein zündfähiges Gasgemisch zu erzeugen. Die Hauptdüsennadel ist ein regulierbares Ventil für den zugeführten Flüssigbrennstoff. Durch Herausdrehen wird mehr Treibstoff angesaugt, wodurch das Treibstoff-Luft-Gemisch "fetter" wird, d.h. das Verhältnis von Treibstoff zu Luft wird größer. Umgekehrt wird durch Hereindrehen dieser Nadel das Gemisch "abgemagert" d.h. es ist weniger Treibstoff in dem Gemisch.
Im Vergaser befindet sich ein drehbar gelagertes, durchbohrtes Zentralstück, mit dessen Hilfe die zugeführte Luftmenge reguliert wird. In der Stellung "Vollgas" steht die Bohrung in Richtung der Vergaserröhre und die maximal mögliche Luftmenge wird angesaugt. Durch Drehung wird der Vergaserquerschnitt verringert und es wird entsprechend weniger Luft durchgelassen. An dem Zentralstück ist eine zweite Düsennadel befestigt, welche ebenfalls zur Regulierung der Treibstoffzufuhr dient. Wie bei der Hauptdüsennadel bewirkt auch hier das Hereindrehen ein abmagern des Gemisches, das Herausdrehen ein anreichern mit Treibstoff. Da sich diese Düsennadel jedoch mit dem Vergaser-Zentralstück mit bewegt, wird die Nadel beim "Gas geben" automatisch herausgeführt, wodurch mehr Treibstoff in den Vergaser gelangt. Das Zentralstück wird nämlich durch eine kleine Schraube in seiner Bewegung so geführt, dass sich dieses beim "Gas geben" gleichzeitig leicht herausbewegt.
In den Vergaser treten also Luft und Treibstoff ein und ein zündfähiges Gemisch aus beiden Gaskomponenten aus. Der Treibstoff wird dabei fein zerstäubt und verdampft dadurch zumindest zu großen Teilen. Dieses Verdampfen oder auch "Vergasen" hat zur Namensgebung des Bauteils geführt.

Treibstoff

Der Modellmotor wird mit einem Treibstoff betrieben, der zu 69% aus Methanol besteht. Weitere Komponenten sind Nitromethan (2%) und Schmierstoffe. Im Gegensatz zu PKW-Motoren besitzt der Motor keinen separaten Kreislauf für Öl, weswegen diese Schmierstoffe im Kraftstoff enthalten sein müssen.
Beim Betrieb des Motors wird Methanol durch Luftsauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser verbrannt:

2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O

Sauerstoff und Methanol reagieren also im Verhältnis 2 : 3. In der Atmosphäre befinden sich auf Meeresniveau circa 21% Sauerstoff. Geht man von einer optimalen Verbrennung aus, so müssten im Vergaser einem Teil Treibstoff (gasförmig) circa 5 Teile Luft beigemischt werden. Ein Mischungsverhältnis mit einem höheren Kraftstoffanteil nenn man fettes Gemisch, eines mit einem höheren Luftanteil mageres Gemisch.

Nockenwelle

Cam shaft

Nockenwelle
Figure 2:
Der Zylinder des Motors muss zyklisch mit brennbarem Gasgemisch befüllt werden und die Abgase müssen den Motor verlassen können. Diese Vorgänge werden durch zwei Ventile geregelt. Diese Ventile werden über die Nockenwelle betätigt, die aus einer Welle mit zwei Erhebungen (=Nocken) und einem Zahnrad besteht. Über das Zahnrad wird die Welle von der Kurbelwelle in Rotation versetzt. Auf der Welle gleiten zwei kleine Zylinder, die von den Nocken Auf und Ab bewegt werden. Die Zylinder wiederum bewegen zwei Stößelstangen, die über Kipphebel die Ventile zyklisch öffnen. Geschlossen werden die Ventile über Spiralfedern. Die kleinen Zylinder werden verwendet, um eine gleichmäßige, breite Auflagefläche auf der Nockenwelle zu erzielen. Würden die Stößelstangen direkt auf der Nockenwelle laufen, wäre die Auflagefläche zu klein und die Stangen würden sich in das Material der Nocken "eingraben". Die Stößelstangen drehen sich beim Betätigen der Kipphebel nämlich immer ein wenig, wodurch diese nie plan auf der Nockenwelle aufliegen würden.

Zylinderkopf

Zylinderkopf
Figure 3:
Am Zylinderkopf sind Einlass- und Auslassventil, sowie die Glühkerze untergebracht. Die beiden Ventile werden von der Nockenwelle über die Stößelstangen und Kipphebel betätigt. Um das ordnungsgemäße Schließen der Ventile gewährleisten zu können, muss immer ein kleiner Spalt zwischen den Oberkanten der Ventilschäfte und der Kipphebel verbleiben, wenn die Nockenwelle auf der Position "ZU" des betreffenden Ventils steht. Vollständig geschlossen werden diese nälich nicht von den Kipphebeln, sondern von kleinen Spiralfedern. Der Luftspalt wird als Ventilspiel bezeichnet und ist beim kalten Motor einzustellen. Bei dem hier vorgestellten Saito-Modellmotor beträgt das vom Hersteller vorgegebene Maß 0,1mm. Beim Betrieb des Motors erwärmen sich die einzelnen Bauteile unterschiedlich stark und auch der Ausdehnungskoeffizient der verschiedenen Materialien bewirkt eine Veränderung des Ventilspieles. Justiert wird der Spalt mit Hilfe einer kleinen Schraube am hinteren Ende der Kipphebel. Ist das korrekte Maß erreicht, wird die Schraube mit einer Mutter fixiert.
Die Glühkerze dient zur Zündung des Treibstoff-Luft-Gemisches, das vom Vergaser zugeführt wird. Beim Start des Motors wird diese durch Anlegen einer Spannung von 1,2V elektrisch beheizt. Läft der Motor, so wird das Weiterglühen von den heißen Verbrennungsgasen bewerkstelligt.
Den hier halbkugelförmig ausgebildeten Innenraum des Zylinderkopfes bezeichnet man als Brennraum.

Zylinder

Dieser besteht, wie der Name vermuten lässt aus einem Hohlzylinder, in dem sich der Kolben Auf und Ab bewegt. Die Fläche, an der beide Bauteile aneinander reiben, bezeichnet man als Lauffläche. Die Zylinderbuchse, also der innere Hohlzylinder in diesem Bauteil, besteht aus einer gehärteten Aluminium-Siliziumlegierung und muss immer von einem Ölfilm benetzt sein, da ansonsten die entstehende Reibungswärme sehr schnell zum Aufschmelzen der Materialien von Kolben und Zylinder führt! Diesen "Unfall" bezeichnet man als Kolbenfresser.
Den Innendurchmesser des Zylinders bezeichnet man auch als Zylinderbohrung oder kurz als Bohrung.

Kurbelwelle

Die Kurbelwelle wird von dem sich im Arbeitstakt abwärts bewegenden Kolben in Rotation versetzt. Dazu sind diese beiden Bauteile durch die Pleuelstange (kurz: Pleuel) miteinander verbunden. Der Befestigungspunkt an der Kurbelwelle sitzt dabei außerhalb der Mittellinie. Damit wird der höchste beziehungsweise niedrigste Punkt der Kolbenbewegung festgelegt. Die Differenz zwischen diesen beiden Punkten bezeichnet man als Hub und dieser ist gleich dem zweifachen Radius des Befestigungspunktes an der Kurbelwelle.
Multipliziert man die Innenfläche der Zylinderbohrung mit dem Hub, so erhält man den sogenannten Hubraum. Das ist der Raum, der von dem Kolben beim Betrieb des Motors durchlaufen wird. Das Verhältnis der Volumina von Hubraum + Brennraum zu Brennraum bezeichnet man als Verdichtungsverhältnis oder kurz Verdichtung:

[6.1]    


Dabei bedeutet:
ε - Verdichtung, VH - Volumen Hubraum, VB - Volumen Brennraum

Takte

Beim Betrieb des Motors bewegt sich der Kolben auf- beziehungsweise abwärts und Kurbel- und Nockenwelle rotieren. Ein Takt ist dabei der Zeitraum einer einzigen Auf- beziehungsweise Abwärtsbewegung des Kolbens. Die Umkehrpunkte des Kolbens werden dabei als oberer Totpunkt beziehungsweise unterer Totpunkt bezeichnet. Die Kolbenbewegung "stirbt" dabei jeweils für einen Zeitpunkt - daher die Namensgebung. Die Kurbelwelle dreht sich in Verlauf eines Taktes um 180Grad, die Nockenwelle nur um 90Grad.
1. Takt - Ansaugen
Figure 4:
1. Takt - Ansaugen
Beginnen wir die Betrachtung am oberen Totpunkt des Kolbens. Zunächst wird das Einlassventil geöffnet und bei der folgenden Abwärtsbewegung des Kolbens wird ein Unterdruck im Motorinneren erzeugt, wodurch Treibstoff- Luft-Gemisch durch den Atmosphärendruck vom Vergaser in den Motor gedrückt wird. Am unteren Totpunkt des Kolbens wird das Einlassventil wieder geschlossen.

2. Takt - Verdichten
Figure 5:
2. Takt - Verdichten
In der folgenden Aufwärtsbewegung wird das Gasgemisch komprimiert. Diese Kompression führt zu einer Erwärmung des Gases.
Maximale Verdichtung
Figure 6:
Treibstoff und Verdichtung des Motors müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass diese Erwärmung gerade so stark ist, dass sich das Gemisch an der heißen Drahtwendel der Glühkerze kurz vor dem oberen Totpunkt des Kolbens entzündet. Durch das Verbrennen des Gemisches wird das Gas weiter erwärmt. Heißes Gas übt einen stärkeren Druck und somit eine größere Kraft auf die Wände des umschließenden Gefäßes aus als kaltes Gas.

3. Takt - Verbrennen
Figure 7:
3. Takt - Verbrennen
Es ist diese Erwärmung, die dazu führt dass der Kolben in der anschließenden Abwärtsbewegung mit einer größeren Kraft nach unten gedrückt wird, als nötig war, das zunächst kalte Gas in Takt 2 zu komprimieren.

4. Takt - Ausstoßen
Figure 8:
4. Takt - Ausstoßen
Das verbrannte Gasgemisch wird im letzten Takt durch das sich öffnende Auslassventil bei der Aufwärtsbewegung aus dem Motor gedrückt.

Takt 3 bezeichnet man als Arbeitstakt, weil nur hier Energie an die Kurbelwelle abgegeben wird, die zum Antrieb des Motors beziehungsweise Propellers genutzt werden kann. Die übrigen drei Takte entziehen dem System aus drehender Kurbelwelle und Propeller kinetische Energie. Besonders viel Energie wird dabei zum Verdichten des Gases in Takt 2 und hier gerade kurz vor dem oberen Totpunkt benötigt, wenn das Gemisch bereits an der Glühkerze entzündet wird. Um eine hohe Laufruhe - also eine möglichst gleichförmige Rotationsgeschwindigkeit zu erzielen - wird meist ein Schwungrad an der Kurbelwelle befestigt. Dieses möglichst massereiche Rad ändert seine Rotationsgeschwindigkeit nur unwesentlich, wenn diesem kinetische Energie in dem Arbeitstakt zugeführt, beziehungsweise in den drei anderen Takten entzogen wird.

Motorteile

Zerlegter Viertaktmotor
Figure 9:
Kolben (1)
Pleuelstange (2)
Kurbelwelle (3)
Kurbelwellengehäuse (4)
Zylinder (5)
Zerlegter Viertaktmotor
Figure 10:
Vergasergehäuse (1)
Hauptdüsennadel (2)
(Abbildung von einem anderen Motor, passt leider nicht auf den FA-40)
Dichtringe (3)
Kraftstoffanschluss (4)
Düsennadel (5)
Gashebel (6)
Zentralstück (7)

Zerlegter Viertaktmotor
Figure 11:
Kipphebelplatte (1)
Stößelstangenrohr (2)
Dichtung (3)
Stößelstange (4)
Kipphebelachse (5)
Kipphebel (6)
Justierschraube Ventilspiel + Mutter (7)
Ventilkopfdeckel (8)

Zerlegter Viertaktmotor
Figure 12:
Zylinderkopf (1)
Glühkerze (2)
Dichtring (3)
Ventil (4)
Ventilfeder (5)
Arretierung Ventilfeder (6)

Zerlegter Viertaktmotor
Figure 13:
Auspuff (1)
Ansaugrohr + Dichtungsringe (2)
Dichtung Nockenwellengehäuse (3)
Dichtung Kurbelwellengehäuse (4)
Dichtungen Ventilkopfdeckel (5)
Ansaughilfe Vergaser (6)

Die zur Digitalisierung verwendeten Fotos mit allen Ansichten könnt ihr in Originalauflösung sehen, wenn ihr die Vorschaubilder anklickt.
Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor Zerlegter Viertaktmotor

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