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vom 22.09.2014, aktuelle Version,

Ottomotor

Leistungsstarker Ottomotor: DTM V6-Rennmotor von 1996

Der Ottomotor ist eine zu Ehren von Nicolaus August Otto – einem Miterfinder des Viertaktverfahrens – benannte Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Vier- oder Zweitaktprinzip arbeiten kann, wobei der Viertaktmotor die heute gebräuchlichere Bauart ist. Der Begriff „Ottomotor“ geht zurück auf eine Anregung des VDI aus dem Jahre 1936 und wurde erstmals im Jahre 1946 in der DIN Nr. 1940 verwendet.

Ottomotoren haben Fremdzündung durch Zündkerzen im Gegensatz zum mit Selbstzündung arbeitenden Dieselmotor. Die früher übliche zusätzliche Unterscheidung nach „äußerer Gemischbildung“ mittels Vergaser oder Saugrohreinspritzung für Ottomotoren und „innerer Gemischbildung“ bei Dieselmotoren (Kraftstoff und Luft werden erst im Brennraum gemischt) ist seit der Verbreitung der Benzindirekteinspritzung bei Pkw-Ottomotoren (z. B. TSI, siehe Pkw-Direkteinspritzung) nicht mehr zutreffend.

Geschichte

Denkmal für Nicolaus Otto und Eugen Langen in Köln-Deutz, 2008
Briefmarke der Deutschen Bundespost (1964): 100 Jahre deutscher Verbrennungsmotor

1864 war Nicolaus August Otto zusammen mit Eugen Langen Mitbegründer der weltweit ersten Motorenfabrik N. A. Otto & Cie. in Köln, aus der 1872 die Gasmotoren-Fabrik DEUTZ AG hervorging, die als technischen Direktor Gottlieb Daimler und Wilhelm Maybach als Leiter der Motorenkonstruktion engagierte. Otto entwickelte bis 1876 im Anschluss an einen 1860 patentierten 2-Takt-Gasmotor von Lenoir einen Viertaktmotor, dessen wesentliche Neuerung die Einführung eines separaten Verdichtungstaktes und die dafür nötige Ventilsteuerung war. Die damalige Konstruktion hatte allerdings mit heutigen Motoren wenig Ähnlichkeit. Es handelte sich um einen sogenannten Flugkolbenmotor, auch atmosphärischer Motor genannt. Das heißt, die Explosion schleuderte den Kolben frei im Zylinder nach oben; erst auf dem Rückweg leistete er (beziehungsweise der Atmosphärendruck) über eine Zahnstange Arbeit. Dieser mit Leuchtgas betriebene Viertakt-Motor mit verdichteter Ladung leistete 3 PS bei 180 Umdrehungen pro Minute. Er wurde ab 1877 produziert und als „Ottos neuer Motor“ vertrieben. Der Lizenznehmer Crossley Brothers in Manchester bewarb ihn als Otto engine.[1] In Deutz und bei Lizenznehmern wurden rund 5000 Exemplare gebaut.[2]

Auf diesen Motor erwarb Otto 1877, dem Gründungsjahr des „Kaiserlichen Patentamts“, ein deutsches Patent. Wegen älterer Patent-Ansprüche bzw. der vorherigen Erfindungen des Viertaktmotors, wurde dieses sogenannte Otto-Patent (Patent 532 von Deutz) am 30. Januar 1886[3] und 1889 in Deutschland per Gericht wieder aufgehoben. Christian Reithmann hatte schon am 26. Oktober 1860 mehrere Patente auf den Viertaktmotor erhalten und der Franzose Alphonse Beau de Rochas hatte 1862 ein Patent angemeldet. Gottlieb Daimler und Carl Benz konnten somit 1886 ohne Bedenken Viertaktmotoren bauen und verkaufen. Unabhängig davon hat 1888 bis 1889 auch Siegfried Marcus in Wien ein Kraftfahrzeug mit einem Ottomotor gebaut. Die weltweiten Patente außerhalb Deutschlands blieben bei Crossley.[1] Von diesem Motorenbau-Unternehmen blieb der Name erhalten in Form einer Produktlinie von Schiffsmotoren des Triebwerkherstellers Rolls-Royce.

Technik

Das 4-Takt-Prinzip eines Ottomotors

  • 1. Takt: Ansaugen:
    Das Einlassventil oben rechts wird geöffnet: Der Kolben saugt das Benzin-Luft-Gemisch vom Vergaser in den Zylinder.


  • 2. Takt: Verdichten:
    Der Kolben presst das Gasgemisch zusammen. Ein- und Auslassventil sind geschlossen.


  • 3. Takt: Arbeiten:
    Der Funke einer Zündkerze entzündet das Gasgemisch, es verbrennt explosionsartig: Der Kolben wird dadurch nach unten gedrückt, das Gas verrichtet so am Kolben die "Arbeit".


  • 4. Takt: Ausstoßen:
    Das Auslassventil wird geöffnet: Der Kolben drückt die Verbrennungsgase aus dem Zylinder.

Gemischbildung und Zündung

Takte beim Viertaktmotor: 1-Ansaugen 2-Verdichten 3-Arbeitshub 4-Ausstoß

Der Kraftstoff – in der Regel Motorenbenzin – gelangt durch einen Vergaser oder über eine (heute meist elektronisch gesteuerte) Benzineinspritzung, als Benzin-Luft-Gemisch in den Brennraum des Motors. Zeitlich genau wird mit Hilfe einer Zündkerze ein elektrischer Zündfunke erzeugt, der die Verbrennung des Gemischs auslöst.

Die Verbrennung ist zuerst ein langsamer, laminarer Vorgang. Die Flammfront breitet sich konzentrisch mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 cm/s aus. Diese laminare Verbrennungsphase ist unvollständig und ineffizient, sie steht für die mechanische Arbeit nicht zur Verfügung und erzeugt den Großteil der Schadstoffe im Abgas. Mit dem Umschlagen in die turbulente Verbrennungsphase, die mit einer Flammfrontgeschwindigkeit von über 200 m/s den Brennraum durchdringt, wird die Verbrennung effizient und mechanisch nutzbar.

Die Verbrennung erzeugt in dem relativ kleinen Brennraum ein heißes Gas mit hohem Druck (über 100 bar), das den Kolben in geradliniger Bewegung in Richtung Kurbelwelle treibt. Über das Pleuel, auch Pleuelstange genannt, wird diese Bewegung in die rotierende Bewegung der Kurbelwelle umgesetzt.

Als Kraftstoffe für Ottomotoren können auch Gase auf Methan-Basis (Flüssiggas, Erdgas, Biogas, Klärgas, Deponiegas, Grubengas) sowie Ethanol und Wasserstoff verwendet werden. Motoreinstellungen wie Zündzeitpunkt, Verdichtungsverhältnis und Verbrennungsluftüberschuss müssen auf den Kraftstoff abgestimmt sein, oder werden bei Mischbetrieb umgeschaltet.

Zwei- und Viertakter

Beim Zweitaktmotor erfolgen am Ende des Arbeitstakts und am Beginn des Verdichtungstakts der Ausstoß der Verbrennungsgase und das Einleiten des Frischgemisches gleichzeitig, häufig indem Letzteres Ersteres verdrängt (z. B. bei der Dreikanalumkehrspülung nach Schnürle). Die Steuerung des Ein- bzw. Auslasszeitpunkts erfolgt, besonders bei Zweitaktmotoren für Gartengeräte und Straßenfahrzeuge, meist durch den Kolben, der bei entsprechender Hubstellung Gaskanäle öffnet oder schließt. Bei Vergasermotoren oder Saugrohreinspritzung sind Spülverluste unvermeidlich, was sich nachteilig auf den Verbrauch auswirkt. Bei Direkteinspritzung können die Spülverluste deutlich reduziert werden. Eine weitere Methode zur Reduzierung der Spülverluste in einem begrenzten Drehzahlbereich ist die Verwendung eines Resonanzauspuffs. Dabei wird die Druckwelle, mit der der Abgasstrom beim Öffnen der Auslasskanäle in den Auspuff schießt, reflektiert. Die zurückeilende Druckwelle schiebt dann das Frischgas, das zum Ende des Spülvorgangs bereits in den Auspuff geströmt ist, wieder in den Zylinder zurück.
Weiterhin ist der nutzbare Kolbenhub für Verdichtung und Arbeitstakt kürzer als der Gesamthub zwischen den beiden Totpunkten, da er erst mit dem Schließen der Überström- und Auslasskanäle beginnt bzw. mit dem Öffnen der Kanäle endet. Deshalb wird im Arbeitstakt (bei gleicher Drehzahl) eine geringere Leistung als beim Viertaktverfahren erreicht, was teilweise dadurch kompensiert wird, dass der Zweitakter alle 360° Kurbelwinkel einen Arbeitstakt hat, anstatt alle 720° wie beim Viertakter. Mit Zweitaktmotoren ist dadurch im Vergleich zu Viertaktmotoren ein besseres Leistungsgewicht möglich, ein Nachteil beim spezifischen Kraftstoffverbrauch bleibt jedoch erhalten. Bei einfachen, kleinen Zweitaktmotoren wird die Ansaugluft im Kurbelgehäuse vorkomprimiert, weshalb sich dort kein Schmieröl befindet: Solche Zweitakter tanken zur Motorschmierung ein Öl-Benzin-Gemisch. Größere und aufwendiger gebaute Zweitaktmotoren können über einen geschlossenen Schmierölkreis verfügen, benötigen dann jedoch für die Zylinderfüllung eine Ladepumpe oder -Gebläse.

Beim Viertaktmotor sind dagegen Ein- und Auslasstakt getrennt und in jedem Zylinder gibt es nur alle zwei Umdrehungen einen Arbeitstakt. Zur Steuerung des Gaswechsels ist eine Ventilsteuerung notwendig, die meist über Nockenwellen realisiert wird, die mit halber Motordrehzahl laufen. Das bedeutet einen höheren konstruktiven Aufwand, zusätzliche Reibung sowie höheres Gewicht und Volumen als beim Zweitakter – was aber meist durch den niedrigeren Kraftstoffverbrauch gerechtfertigt wird. Weiterhin lassen sich Viertakter durch die Ventilsteuerung besser auf ein breiteres Drehzahlband abstimmen. Bei Zweitaktmotoren ist die Resonanzschwingung der Gassäule im Ansaug- und Abgastrakt entscheidend für den Füllungsgrad im Zylinder, eine gute Zylinderfüllung und damit gute Leistung und gutes Drehmoment ist daher nur im Resonanzbereich der Ansaug- und Auspuffanlage, also in einem relativ schmalen Drehzahlbereich möglich.

Ottomotor-Zweitakter werden bei Anwendungen eingesetzt, bei denen es auf ein niedriges Masse-Leistungs-Verhältnis ankommt, und nicht auf Kraftstoffkosten, so im Freizeitbereich (Mofa, Moped, Leichtflugzeug, Modellflugzeug oder Jet-Ski), bei tragbaren Arbeitsgeräten (Motorsägen, Generatoren, Rasenmähern) oder bei speziellen Sportgeräten (Moto-Cross- und Trial-Motorräder).

Merkmale

Die klassischen Merkmale des Ottomotors sind:

  • Fremdzündung: Das Gemisch wird zu einem bestimmten Zeitpunkt durch den Funken einer Zündkerze gezündet; im Gegensatz zum Dieselmotor zündet es nicht von selbst.
  • Gemischbildung: Kraftstoff und Luft werden schon vor der Verdichtung gemischt und nicht erst bei Beginn des Arbeitstaktes wie beim Dieselmotor.
  • Motorleistungsregelung: Die Leistung wird mit der zugeführten Menge des Kraftstoff-Luftgemisches durch die Drosselklappe oder mit gesteuerten Einlassventilen geregelt. Beim Dieselmotor erfolgt sie dagegen über die Menge des eingespritzten Kraftstoffes in eine immer gleiche Luftmenge.
  • Kompressionsverhältnis: Höchsttemperatur und Höchstdruck limitieren das Verdichtungsverhältnis; ist es zu hoch, führt dies zu der beim Ottomotor unerwünschten Selbstzündung, dem so genannten Klopfen. Beim Dieselmotor dagegen muss damit – bei wesentlich höherem Druck – die Zündtemperatur erreicht werden.

„Benzin-Direkteinspritzer“ (FSI- und GDI-Motoren) entsprechen diesen Merkmalen nicht mehr ganz: Die Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum ist nicht an die Einlasssteuerzeiten der Ventile gebunden und kann so auch erst später in der Verdichtungsphase erfolgen. Damit werden Schichtladungen, also Zonen im Zylinder mit unterschiedlicher Gemischzusammensetzung möglich, etwa beim Magermotor: Zündfreudiges, fettes oder stöchiometrisches Kraftstoffverhältnis (d. h. 14,7 Teile Luft : 1 Teil Kraftstoff) ist im Bereich der Zündkerze und mageres Gemisch im restlichen Brennraum.

Auch HCCI-Motoren, die je nach Drehzahl und Last mal selbstzündend, mal Zündkerzen-gezündet arbeiten, entsprechen nicht den klassischen Merkmalen eines Ottomotors, werden aber im Allgemeinen als Ottomotoren bezeichnet, wenn sie für den Betrieb mit Benzin ausgelegt sind.

Hubraum

Die Größe des Hubraums ist ein wichtiges Merkmal für die Klassifizierung von Motoren. Der Hubraum bezeichnet das Volumen, das vom Kolben zwischen unterem und oberem Totpunkt verdrängt wird. Bei Mehrzylindermotoren werden die Hubräume aller Zylinder addiert.

Der Hubraum wird in Kubikzentimetern oder in Litern bemessen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren bei Kraftfahrzeugen Hubräume ab 0,4 Litern üblich, mit 13,5 Litern markierte der Pierce Arrow von 1912 eine obere Marke. Kleinste Motoren für Modellflugzeuge in Glühzünder-Bauweise haben nur 0,16 cm³ Hubraum. Bei heutigen Serien-PKWs mit Ottomotoren beträgt der Hubraum zwischen 1,0 und 3,0 Litern, meistens jedoch zwischen 1,2 und 1,6 Litern; große Modelle und Sportwagen haben bis zu 8,4 Litern (Dodge Viper). Die Mehrzahl der Dieselmotoren weisen 1,6 bis 2,0 Liter auf.

Der in den 1940er Jahren entwickelte Flugmotor Pratt & Whitney R-4360 „Wasp Major“ hatte mit seinen 28 Zylindern einen Gesamthubraum von 4.360 Kubikzoll (71,25 Liter, das sind pro Zylinder 2,54 Liter). Der Motor leistet 3160 kW (4300 PS).

Wirkungsgrad

Den maximalen Wirkungsgrad von 38 % erreichen heute Motoren von Toyota, die eine hohe Verdichtung von 13,5:1 im sogenannten Atkinson-Zyklus bieten.[4]

Siehe auch

Einzelnachweise

  1. 1 2 Chronik, Motor des Fortschritts, Website der Deutz AG
  2. ↑ Horst Hardenberg: "Siegfried Marcus, Mythos und Wirklichkeit, Seite 185 ff., Deutzer rasselnde Ungeheuer".
  3. ↑ Entscheidungen im Nichtigkeitsverfahren gegen die Patente der Deutz'er Gasmotorenfabrik Nummer 532, 14254, 2735; in: Patentblatt und Auszüge aus den Patentschriften, 30. Januar 1886, abgerufen am 6. April 2014
  4. ↑ http://www.t-online.de/auto/technik/id_68952118/toyota-neue-benziner-generation-mit-hoeherem-wirkungsgrad.html
  Commons: Ottomotor  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien