Thermodynamik

Ottomotor

Was ein Ottomotor ist und was eigentlich der Unterschied zwischen einem Zweitakt- und Viertaktmotor ist, das erfährst du hier.

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Inhaltsübersicht

Ottomotor einfach erklärt

Der Ottomotor, benannt nach Nicolaus August Otto, ist die am weitesten verbreitete Art des Verbrennungsmotors. Er wandelt chemische Energie (zum Beispiel aus deinem Benzin) in mechanische Energie, also eine Bewegung, um. Das Ganze passiert im Ottomotor durch die  Verdichtung und anschließende Zündung eines Gemisches aus Benzin und Luft. Das Benzin-Luft Gemisch entzündet sich nicht von selbst, sondern eine Zündkerze zündet das Gemisch. Den Ottomotor gibt es als sogenannte Zweitakt- und Viertaktmotoren. Der Viertaktmotor ist die am meisten genutzte Variante. 

Definition

Ein Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor mit homogener Gemischbildung, fremdgezündeter innerer Verbrennung und Drosselregelung.

Ottomotor Aufbau

Ottomotoren können sich in einigen Details unterscheiden, je nachdem ob du dir einen Zweitakter oder einen Viertakter betrachtest. Neben diesen beiden Varianten gibt es noch weitere, jedoch sind diese weniger verbreitet und werden hier nicht weiter thematisiert.

Die wichtigsten Komponenten beider Varianten eines Ottomotors sind die Kurbelwelle, Pleuelstange, Zündkerze und die Hubkolben.

Ottomotor, Aufbau, Kurbelwelle, Pleuelstange, Zündkerze, Hubkolben, Motor
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Ottomotor Aufbau

 

Der Motor überträgt Energie durch Rotation auf eine Kurbelwelle. Durch die Drosselung des angesaugten Gemisches stellst du das abgegebene Drehmoment ein.

Die Inneren Vorgänge der beiden Varianten beschreibst du über einen rechtslaufenden thermodynamischen Kreisprozess (Ottoprozess ). Für einen Kreisprozess-Umlauf benötigt die Maschine eine Reihe von Arbeitsschritten, genannt Takte. Bei einem Hubkolbenmotor ist ein Takt die Bewegung des Hubkolbens von einem Endpunkt zum anderen. Daher macht die Kurbelwelle bei einem Takt eine halbe Umdrehung. Schauen wir uns die einzelnen Takte beim vier- und zweitakt Ottomotor genauer an. 

Zweitakt Ottomotor Funktion

Der Zweitakt-Ottomotor ist ein ventilloser Ottomotor mit Gemischschmierung und Zündkerze. Gemischschmierung bedeutet, dass die Schmierung des Getriebes durch das Krafstoff-Gas-Gemisch geschieht indem ein entsprechender Schmierstoff beigemischt wird.

Der erste Takt ist das Ansaugen und Verdichten des Gemischs bei der Aufwärtsbewegung des Hubkolbens. Der zweite Takt das Vorverdichten und Arbeiten bei der Abwärtsbewegung. Damit macht die Kurbelwelle bei zwei Takten eine 360° Drehung.

Ottomotor, Zweitakt, 2 Takt, Schema
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Ottomotor Schema

 

Erster Takt:

Oberhalb des Kolbens verdichtet die Aufwärtsbewegung das im Zylinder befindliche Gemisch. Durch diese Verdichtung erhöhen sich Temperatur und Druck des Gemisches. 
Unterhalb des Kolbens vergrößert sich durch die Aufwärtsbewegung das Volumen im Kurbelgehäuse. Dadurch entsteht im Kurbelgehäuse ein Unterdruck. Frisches Kraftstoffgemisch strömt nach Freigabe des Ansaugkanals in das Kurbelgehäuse ein.

Zweiter Takt:

Am höchsten Punkt der Rotation ist das Gasgemisch oberhalb des Kolbens maximal komprimiert. Die Zündkerze gibt einen zündenden Funken, welcher das Gasgemisch stark erhitzt und expandieren lässt, ab. Wärme wird in mechanische Arbeit umgewandelt, welche den Kolben wieder nach unten drückt. Durch die Expansion kühlt sich das Gasgemisch wieder ab. Der Ansaugkanal wird wieder verschlossen und der nach unten laufende Kolben verdichtet das angesaugte frische Gemisch.

In der Nähe der tiefsten Kolbenposition öffnet sich die Auslassöffnung gefolgt von den Überström- und Einlasskanälen. Das Abgas der vorherigen Zündung entweicht, bis der Druck unter den der Überströmkanäle gefallen ist. Das einströmende Frischgas spült das restliche Abgas aus. 

Viertakt Ottomotor

Der Viertakt Ottomotor hat zwei Ventile, das Einlass- und das Auslassventil. Zudem findet beim Viertakter keine Gemischschmierung statt. Die vier Takte des Motors sind das Ansaugen, Verdichten und Zünden, Arbeiten und Ausstoßen.

Ottomotor, Viertakt, 4 Takt, Schema
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Viertakt Ottomotor Schema

 

Erster Takt:

Am Anfang des ersten Taktes steht der Kolben am höchsten Punkt. Das Auslassventil schließt und das Einlassventil öffnet sich. Der Kolben bewegt sich abwärts. Bei dieser Abwärtsbewegung des Kolbens wird das Gasgemisch durch das Einlassventil in den Zylinder gesaugt. Erreicht der Kolben die tiefste Position schließt sich das Einlassventil wieder.

Zweiter Takt:

Der Kolben bewegt sich zurück in die höchste Position. Die hierfür benötigte Arbeit wird aus von einer Schwungmasse erzeugte Rotationsenergie gewonnen. Durch die Aufwärtsbewegung wird das Kraftstoffgemisch komprimiert. Kurz vor dem Erreichen des höchsten Punktes, zündet die Zündkerze das Gemisch. 

Dritter Takt:

Nach dem höchsten Punkt verbrennt das Gemisch. Das Brenngas verrichtet mechanische Arbeit und drückt den Kolben wieder nach unten. Dabei kühlt sich das Gas ab. Kurz vor dem tiefsten Punkt öffnet sich da Auslassventil.

Vierter Takt:

Der Hubkolben bewegt sich wieder aufwärts und schiebt das Abgas aus dem Zylinder. Das Einlassventil wird geöffnet und nach dem der höchste Punkt erreicht wurde schließt sich das Auslassventil. 

Ottomotor Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad \eta einer technischen Einrichtung beschreibt die Effizienz der Anlage. Er ergibt sich aus dem Verhältnis der Nutzenergie E_{ab} zur zugeführten Energie E_{zu}. Er kann auch über das Verhältnis aus Nutzleistung P_{ab} zur zugeführten Leistung P_{zu} ausgedrückt werden.

\eta = \frac{E_{ab}}{E_{zu}} oder \eta = \frac{P_{ab}}{P_{zu}}

Unter optimalen Bedingungen liegt der Wirkungsgrad eines Ottomotors zwischen 30% und 35%. Bei voller Leistung bei hohen Drehzahlen ist der Wirkungsgrad etwas niedriger. 

Ottomotor Eigenschaften

Der klassische Ottomotor hat vier Eigenschaften, die diesen beschreiben. Durch die Fremdzündung wird das Gemisch zu einem bestimmten Zeitpunkt durch den Funken einer Zündkerze gezündet. Zudem werden Luft und Kraftstoff vor der Verdichtung gemischt. Das Drehmoment des Motors regelst du quantitativ. Das heißt das Motormoment wird mit der zugeführten Menge des Kraftstoff-Luftgemischs durch die Drosselklappen gesteuert. Zuletzt die Verbrennungsflamme. Hierbei handelt es sich um eine Vormischflamme, also eine Flamme deren Brennstoff vor der Verbrennung Sauerstoff zugeführt wird. 

Ottomotor Kraftstoff

Die meisten Ottomotoren werden mit Benzin betrieben. Hierfür muss das Benzin eine gewisse Oktanzahl aufweisen. Die Zugabe von Additiven wie Benzen erhöht die Oktanzahl. Gleichzeitig muss der Kraftstoff aber auch ausreichend zündfähig sein. 

Durch relativ einfache Umrüstung ist aber auch der Betrieb eines Ottomotors mit Kraftstoffen wie Bioethanol, Flüssiggas, Erdgas oder Wasserstoff möglich. 

Ottomotor Dieselmotor

Ein Dieselmotor ist eine Variante des Ottomotors. Anstatt einer Fremdzündung mit Zündkerze handelt es sich beim Dieselmotor um einen Verbrennungsmotor mit Kompressionszündung. Das heißt bei der Kompression des Kraftstoffs erhitzt sich der Dieselkraftstoff nicht bloß, sondern entzündet sich selbst. Er zeichnet sich besonders durch einen hohen Wirkungsgrad aus.


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