Firetaktsmotor

Firetaktsmotor er en type intern forbrenningsmotor.

En firetakts-bensinmotor med de fire syklusene

Navnet kommer av at motorens virkemåte kan deles inn i fire takter eller slag, som følger etter at stempelet har snudd. Disse er:

1. Innsugningstakt. Stempelet går fra øvre dødpunkt mot nedre dødpunkt og suger med seg luft/drivstoffblanding, eller ren luft for dieselmotorer, gjennom den åpne innsugningsventilen.
2. Kompresjonstakt. Stemplet går fra nedre dødpunkt mot øvre dødpunkt og komprimerer luft eller luft/drivstoff-blandingen. Begge ventiler lukket.
3. Arbeidstakt. Stempelet går fra øvre dødpunkt mot nedre dødpunkt etter at luft/drivstoffblandingen har blitt antent rett før øvre dødpunkt av en gnist fra tennpluggen. I en dieselmotor sprøytes drivstoff inn og selvantenner på grunn av varmen i den høykomprimerte lufta. Begge ventiler lukket.
4. Utblåsningstakt. Stemplet går fra nedre dødpunkt mot øvre dødpunkt og presser ut eksosen gjennom den åpne eksosventilen.

Praktisk talt alle forbrenningsmotorer i moderne biler fungerer etter firetaktsprinsippet, både bensinmotorer og dieselmotorer.

Firetakt kontra totakt

Selv om firetaktsprinsippet er nokså enkelt fører behovet for ventiler med seg mange bevegelige deler, noe som kan gjøre motoren unødig dyr og komplisert for mange formål i tillegg til noe ekstra vekt. Firetaksmotoren har også lavere effekt enn totaktsmotoren i forhold til volumet, noe som kommer av at den bare har halvparten så mange arbeidsslag på like mange omdreininger. I teorien kan man oppnå dobbelt så høy effekt fra en totakter, men i realiteten oppnås bare ca. 1,5 ganger større effekt. Derimot har firetaktsmotoren høyere virkningsgrad enn totaktsmotoren, som i praksis vil si at den bruker mindre drivstoff for å utføre samme arbeid. Den forbrenner heller ikke olje sammen med drivstoffet, noe som gjør den mer miljøvennlig. Den er som oftest også mer støysvak enn en tilsvarende totakter.

Smøring

Firetaktsmotorer trenger smøring som alle andre bevegelige deler i et maskineri. Får ikke motoren smøring vil bevegelige deler, som lager, stempel osv. få veldig høy friksjon, og bli påført betydelige skader. Denne smøringen besørges av olje som danner en "film" mellom friksjonsflatene, så disse ikke er i direkte fysisk kontakt med hverandre.

Totakts bensinmotorer får smøring av oljen som blandes i bensinen, eller blir sprøytet inn i motoren. Denne oljen blir forbrent av motoren, noe som fører til ekstra forurensing og dårlig forbrenning.

På en firetakter derimot blir delene smurt av et eget system som fordeler ren olje til de bevegelige delene. På moderne biler og motorsykler blir denne oljen sugd inn av en pumpe som setter det under trykk og sender det igjennom masse små borringer og hull slik at alle delene får tilstrekkelig med smøring. Oljen ligger som oftest i bunn av motoren, men det finnes også såkalte tørrsumpsystemer hvor oljen blir lagret i en ekstern tank. Det er da en ekstra eller dobbeltvirkende oljepumpe som pumper den brukte oljen opp i tanken igjen. Dette blir brukt i noen typer racingbiler, og brukes ofte på motorsykler hvor man ønsker større oljekapasitet enn det er praktisk å ha i selve motoren. Oljen blir ofte lagret i ramma på slike motorsykler. Moderne motorer har alltid et filter som olja pumpes gjennom før den når motoren.

Eldre motorer kan ha noe som kalles plaskesmøring, som er et svært enkelt system som bare består av en «spade» på veivstaken(e) som tar med seg olje som således plaskes rundt i veivhuset. T-Forden har et slikt system, og noen enkle motortyper som f.eks finnes på gressklippere og snøfresere m.m. bruker det enda. Motorer med liggende sylinder har ingen spade, men en egen rotor som slynger oljen rundt.

Noen riktig gamle motorer på motorsykler, har såkalt "total loss" system som innebærer at oljen bare forsvinner i det fri etter å ha blitt pumpet inn i motoren, ofte med håndpumpe som føreren måtte huske å betjene. Gamle stasjonærmotorer har ofte bare en smørekopp på strategiske steder som sylinder, veiv og rammelager, mens ventilmekanismen måtte smøres for hånd.(noe som også ofte var tilfelle på gamle biler med toppventiler fra før ca. 1930.)

De fire taktene

Innsuging: Under innsugingen er innsugsventilen åpen, og en blanding av drivstoff og luft blir sugd inn i sylinderen når stemplet går ned. Blandingsforholdet er viktig for å få en god og riktig forbrenning. I dieselmotorer blir det kun sugd inn luft i denne takten.

Komprimering: Under komprimeringen blir gassen i sylideren komprimert av at stempelet går oppover. Kraften kommer fra veivakselen, dvs. fra opparbeidet kinetisk energi, eller startmotoren. Begge ventilene er nå lukket.

Tenning: Dette er arbeidstakten, og den eneste takten der stempelet faktisk gir kraft til drivakselen. Begge ventilene er lukket. Når gassen har blitt komprimert, vil tennpluggen i en i bensinmotor gi en gnist som antenner bensindampen. I dieselmotorer blir det her trykt inn en liten mengde diesel i forbrenningskammeret som selvantenner pga. den høye temperaturen i sylinderen. Dette skjer som regel nesten rett etter at stempelet har nådd sitt øverste punkt. Forbrenningen øker temperaturen ytterligere, og skaper en trykk som skyver stempelet nedover.

Utblåsing: Etter forbrenningen er det avgasser igjen i sylinderen. I denne takten skyves el. blåses avgassene ut av eksosventilen når stempelet går opp. Etter dette er motoren tilbake til første takt.

Ventilstyring

Det er ikke slik at ventilene på firetaktsmotorer åpner og lukker seg akkurat når stemplet snur, slik man kanskje kan tro etter å ha lest om de fire taktene. For eksempel begynner innsugningsventilen å åpne noe før stempelet er på topp, dette for at den skal være mest mulig åpen før innsugningstakten begynner. Den stenger heller ikke akkurat når stempelet snur i bunn av sylinderen, men står åpen i en del av kompresjonstakten. Dette fordi luft har treghet og fortsetter å strømme inn selv om det ikke lenger er undertrykk i sylinderen. Slik får man inn mer luft og får dermed bedre effekt. Likedan åpner eksosventilen i god tid før stemplet skal begynne på utblåsningstakten, siden det likevel ikke er noe kraft i den siste delen av arbeidstakten. Den kan også stå delvis åpen etter at motoren har begynt på innsugningstakten. Dette medfører at begge ventilene står åpne en liten stund, noe som kalles overlapp. Trimmede motorer har ofte større overlapp enn vanlig, og innsugningsventilen står åpen lenger etter at stemplet har snudd. Dette er upraktisk til vanlig bruk ettersom det medfører at luft blir presset ut igjen gjennom innsugningsventilen på lavere turtall, og motoren vil da ikke gå særlig godt. Ventilenes styringstider påvirker motorens effekt og dreiemomentskurver direkte, og kan avleses fra et såkalt ventilstyrediagram, som av og til blir brukt av noen kamaksel- og motorfabrikanter. For å gi en pekepinn f.eks ved salg av en trimkamaksel angis durasjon i veivaksel grader. Det blir ofte også angitt hvor høye knastene er på trimkamaksler. Dette påvirker også motorens effekt.

På så godt som alle moderne motorer brukes kamaksler til å styre tradisjonelle ventiler, såkalte "poppet valves" på engelsk. Moderne bilmotorer har ofte enkle eller doble overliggende kamaksler, som vist på de fire figurene i avsnittet ovenfor. Kamakslene drives av veivakselen. Fordi kamakslene sitter øverst på motoren, og veivakselen nederst, forbindes de med en tannreim eller et kjede, kalt registerreim eller -kjede. Støtstenger er et alternativ som muliggjør plassering av kamakselen nede ved veivakselen, slik at akslingene kan forbindes direkte med et sett tannhjul. Støtstenger er nå stort sett gått ut av bruk på europeiske og japanske/asiatiske motorer, selv om det brukes i noen grad på lastebilmotorer og andre motorer som er bygd for lavt turtall. I Amerika er støtstangsmotorer fortsatt mye produsert og brukt.

Utskifting av registerreim er vanlig å gjøre på personbiler hver 100 000 km. Hvis registerreima ryker, fører det på mange motorer til øyeblikkelig motorhavari, og det kan gjøre kostbar skade ettersom stempler og ventiler kan kollidere. Hvis motoren har fire sylindre eller flere vil som oftest katastrofen være et faktum, men enkelte motortyper har nok klaring mellom stempeltopp og ventiler til at de overlever et tannreimsbrudd.

Noen motorer har også overliggende kamaksler som styres av tannhjul, det er da flere tannhjul imellom kamaksel og veivaksel. Dette forekommer oftest på høyeffektive motorsykkelmotorer fordi styringen av kamakselen blir mer presis. Det forekommer også på store dieselmotorer i lastebiler og båter fordi det gir noe bedre økonomi. Dette på grunn av at man eliminerer det tunge og trege støtstangsystemet og derved får mindre egenmotstand i motoren. Kjeder og reimer for kamakseldrift eksisterer stort sett ikke på slike motorer.