Ottomotor: Die Grundzüge des Verbrennungsmotors

Ottomotor: Die Grundzüge des Verbrennungsmotors

 

Der Ottomotor (benannt nach Nikolaus August Otto, 1832-1891) ist eine Verbrennungskraftmaschine, welche die bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches frei werdende thermische Energie in mechanische Energie umwandelt.

 

Dem flüssigen Kraftstoff wird in einem Vergaser oder einer Einspritzanlage die zu seiner Verbrennung notwendige Luft beigemischt. Anschließend wird das entstandene brennfähige Kraftstoff-Luft-Gemisch im Zylinder verdichtet und durch den Funken einer Zündkerze gezündet (Fremdzündung). Durch die Ausdehnung des entstehenden Verbrennungsgases wird ein Druck erzeugt, der den Kolben im Zylinder abwärts bewegt und die Kurbelwelle, die das Nutzdrehmoment überträgt, durch eine mit dem Kolben verbundene Pleuelstange in Drehung versetzt. Schließlich drückt der sich aufwärts bewegende Kolben das verbrannte Gas aus dem Zylinder und ein frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch wird eingebracht.

 

Man unterscheidet beim Ottomotor zwischen Vier- und Zweitakt-Verfahren. Als Takt wird dabei der Zeitraum bezeichnet, in dem der Kolben von einem zum anderen Totpunkt (Moment, in dem der Kolben seine Bewegungsrichtung ändert) zurücklegt.

 

 Viertakt-Ottomotor

 

Beim Viertaktmotor ist der gesamte Arbeitsvorgang in vier Takte (zwei Kolbenumdrehungen) unterteilt, wobei nur in einem Takt Energie frei wird.

 

∙ 1. Takt (Ansaugen): Durch den abwärts gehenden Kolben entsteht als Folge der Raumvergrößerung ein Unterdruck im Zylinder, wodurch bei geöffneten Einlassventilen und geschlossenen Auslassventilen ein frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Zylinder gesaugt wird.

 

∙ 2. Takt (Verdichten): Bei geschlossenen Ein- und Auslassventilen drückt der aufwärts gehende Kolben das Kraftstoff-Luft-Gemisch zusammen (Verdichtung). Der Druck steigt dabei auf etwa 10-15 bar, die Temperatur auf ca. 400-500 ºC.

 

∙ 3. Takt (Arbeiten): Die Verbrennung des verdichteten Gemisches wird durch Zündung (Zündkerze) eingeleitet. Der Druck steigt auf 40-60 bar bei einer Temperatur von 2000 bis 2500 ºC. Der durch die explosionsartige Ausbreitung der Verbrennungsgase entstehende Druck treibt den Kolben abwärts. Dabei wird die thermische Energie (Kraftstoffverbrennung) in mechanische Arbeit (Drehung der Kurbelwelle) umgewandelt.

 

∙ 4. Takt (Ausstoßen): Das Auslassventil öffnet, sodass die Verbrennungsgase durch den Restdruck (4-7 bar) ausströmen bzw. vom aufwärts gehenden Kolben aus dem Zylinder geschoben werden.

 

 Zweitakt-Ottomotor

 

Im Gegensatz zum Viertaktmotor läuft der Arbeitsvorgang beim Zweitakter während einer Kurbelwellenumdrehung ab. Der Zweitaktmotor hat in der Regel keine Ventile, sondern eine Schlitzsteuerung: Einlass-, Auslass- und Überströmschlitz. Bei diesem Verfahren bilden Zylinder, Kolben und Kurbelgehäuse eine Pumpe. Bei jedem Kolbenhub vollziehen sich zwei Arbeitsvorgänge gleichzeitig (Ansaugen/Verdichten und Arbeiten/Ausstoßen).

 

∙ 1. Takt (Ansaugen/Verdichten): Der Kolben bewegt sich aufwärts, wobei zunächst noch Auslass- und Überströmschlitz geöffnet sind. Dadurch strömt ein frisches, vorverdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den Überstromschlitz aus dem Kurbelgehäuse in den Zylinder, und die Abgase der vorhergehenden Verbrennung werden durch den Auslassschlitz ausgestoßen. Nach Verschluss von Auslass- und Überströmschlitz wird der Einlassschlitz freigegeben. Frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch wird in das Kurbelgehäuse gesaugt und das vom vorhergehenden Takt über den Überströmschlitz in den Zylinder geströmte Gemisch verdichtet.

 

∙ 2. Takt (Arbeiten/Ausstoßen): Kurz vor Erreichen des oberen Kolbentotpunktes wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet und der Kolben durch den Druck der Verbrennungsgase nach unten getrieben (Arbeiten). Unter dem Kolben wird nach Verschließen des Einlassschlitzes das frische Gemisch im Kurbelgehäuse leicht verdichtet. Während der Abwärtsbewegung des Kolbens wird der Auslassschlitz freigegeben, durch den die verbrannten Gase ausströmen. Gleichzeitig strömt frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem Kurbelgehäuse über den Überstromschlitz in den Zylinder.

 

 Bauformen

 

Da Einzylindermotoren einen unruhigen Lauf haben, werden üblicherweise Mehrzylindermotoren in Reihen-, V- oder Boxeranordnung gebaut, bei denen die einzelnen Zylinder zeitlich versetzt arbeiten. Wegen der hohen Temperaturen und Drücke kommen derzeit insbesondere metallische Werkstoffe (Stahl, Gusseisen, Aluminium etc.) beim Motorenbau zum Einsatz. Sie verfügen über eine hohe Verschleißfestigkeit und Härte, gute Wärmeleitfähigkeit, geringe Wärmeausdehnung und erlauben eine einfache Verarbeitung (gieß-, härt-, schweißbar etc.).