Der Ottomotor

Der Ottomotor ist ein Verbrennungsmotor, der durch die Verbrennung von Benzin oder Gas angetrieben wird. Die Energieumwandlung erfolgt entweder nach dem Vier- oder Zweitaktprinzip, wobei heutzutage mehr Viertaktmotoren verwendet werden.

Ottomotor Erfinder

Nicolas August Otto Bildquelle

Geschichte des Ottomotors:

Der Name des Ottomotors geht auf seinen den Ingenieur Nicolaus August Otto, der maßgeblich an der Entwicklung des Motors und des Viertaktprinzips beteiligt war. Die ersten Entwicklungen eines Gasmotors gehen jedoch auf den Erfinder Étienne Lenoir zurück, der zunächst einen nach dem Zweitaktprinzip arbeitenden Motor entwickelte. Dieser wurde dann von Otto verbessert und auf den Betrieb mit flüssigen Kraftstoffen umgebaut.

Aufbau eines Ottomotors:

Motorteile: Kolben, Ventile, Kurbelwelle, Nockenwelle, Zylinderkopfhaube, Zylinderkopf, Kühlung
Motorblock: Zylinder (Brennraum), Kurbelgehäuse

Kurbeltrieb: Kolben, Pleuelstange, Kurbelwelle

Motorsteuerung: Ventile, Nockenwelle, Steuerräder, Steuerkette oder Zahnriemen, Zündkerze, Anlasser

Gemischbildung: Einspritzanlage, Ansaugrohr

Merkmale:
Die Merkmale eines Ottomotors sind:

  • Gemischbildung: Innere und Äußere Gemischbildung =>Wikipedia
  • Fremdzündung: Das Gemisch wird durch eine Zündkerze fremdgezündet.
  • Gleichraumverbrennung:
  • Kompression
  • Quantitative Gemischregulierung

 
Beim Ottomotor wird zwischen zwei verschiedenen Systemen unterschieden. Der Unterschied besteht in Positionierung der Einspritzdüsen. Während bei der Saugrohreinspritzung der Kraftstoff hinter der Drosselklappe eingespritzt wird, wird der Kraftstoff bei der Direkteinspritzung direkt im Brennraum dem Verbennungsprozess hinzugefügt.
 



Werbung

Funktionsweise Viertaktmotor:

Das Viertaktprinzip des Ottomotors

Der Ottomotor verrichtet seine Arbeit nach dem Viertaktprinzip, das ebenfalls von Nicolaus August Otto erfunden wurde. Alle Takte zusammen laufen in 2 Kurbelwellenumdrehungen mit einem Winkel von 720° ab.

1. Takt – Ansaugen
2. Takt – Verdichten
3. Takt – Arbeiten
4. Takt – Ausstoßen

Viertaktprinzip Ottomotor

1. Takt: Zu Anfang des 1. Taktes steht der Kolben am Punkt OT (oberer Totpunkt), das Eingangsventil (EV) ist offen und das Ausgangsventil (AV) geschlossen. Wenn der Kolben im Zylinder abwärts geht, entsteht durch die Raumvergrößerung eine Druckdifferenz. So kann durch das offene Ventil Luft in den Zylinder angesaugt werden.

 

2. Takt: Der 2. Takt erfolgt bei geschlossenem Ventil. Beim Aufwärtsgehen des Kolbens zum oberen Totpunkt wird das Gemisch aus Kraftstoff und Luft verdichtet. Durch die Kompression wird das Gemisch auf ca. 400-500° C erwärmt. Die Arbeit zum Erreichen des OT stammt aus der Energie eines anderen Kolbens. Der Kraftstoff wird dann kurz vor der Zündung eingespritzt. Bei einem Ottomotor folgt nun kurz vor Erreichen des OT die Zündung des Gemisches.

 
3. Takt: Nach dem oberen Totpunkt folgt der Arbeitstakt, indem das Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt und die Temperatur auf bis zu 2500° C ansteigt. Der Kolben arbeitet und verrichtet mechanische Arbeit. Kurz vor dem unteren Totpunkt beginnt sich das Auslassventil zu öffnen.

 

4. Takt: Im 4. Takt öffnet das Auslassventil, sodass die Abgase entweichen können. Beim Aufwärtsgehen des Kolbens werden die restlichen Abgase aus dem Zylinder herausgedrückt. Nach dem oberen Totpunkt wird das Auslassventil geschlossen und das Einlassventil geöffnet. Dieser Zeitpunkt wird Ventilüberschneidung genannt und fördert die Kühlung des Zylinders.

 

Das Zweitaktprinzip:

Als Alternative zum Viertaktmotor werden Zweitaktmotoren verwendet. Bei diesen Motoren erfolgt der Prozess der Verbrennung in zwei Hüben (Takten).

Video – Ottomotor:


Videoquelle: Youtube-Kanal: Thomas Schwenke, Thomas Schwenke

Thermodynamik: Otto-Prozess (Gleichraumverfahren)

Der Ottoprozess stellt den thermodynamischen Prozess eines idealen Ottomotors dar. Der Prozess eines realen Ottomotors wird mithilfe des Seiliger-Prozesses dargestellt.

Zustandsänderungen:

  • 1-2: isentrope Kompression
  • 2-3: isochore Wärmezufuhr (Verbrennung)
  • 3-4: isentrope Expansion
  • 4-1: isochore Wärmeabgabe (Ladungswechsel)

Formeln:

    \[ Verdichtungsverh䬴nis: \epsilon = \frac{V_1}{V_2} = \frac{V_K + V_H}{V_K} \]

    \[ V_K: Kompressionsvolumen, V_H: Hubvolumen \]

Verbrennungsablauf:

Bei der Verbrennung im Ottomotor besteht das Gemisch aus Kraftstoff und Luft. Die benötigte Luft wird durch den Ansaugtrakt des Motors angesaugt und beim Öffnen der Ventile durch das Herabgehen des Kolbens in den Zylinder gesaugt. Die angesaugte Luft besteht aus etwa 78% Stickstoff, 20% Sauerstoff sowie aus geringen Anteilen Argon und Kohlenstoffdioxid. Der Kraftstoff hingegen besteht aus einem großen Anteil an Kohlenwasserstoff, sowie geringeren Anteilen an Sauerstoff und Wasserstoff. Nachdem nun der Kraftstoff verdichtet und gezündet wurde, wird der im Kraftstoff enthaltene Kohlenstoff zusammen mit dem Sauerstoff in Kohlenstoffdioxid und der Wasserstoff zusammen mit dem Sauerstoff in Wasserdampf umgewandelt. Die entstandenen Abgase werden dann im Fahrzeug weiterverarbeitet, um den Anteil an Schadstoffen, der in die Umwelt gelangt, zu minimieren. (Abgasnachbehandlung)

 

Abgase

  • Kohlenstoffmonoxid CO
  • Stickstoffoxide NOx
  • Kohlenwasserstoffe HC
  • Partikel PM

 

Wirkungsgrad:

Der Ottomotor wandelt chemische Energie in mechanische Energie. Dieser Prozess erfolgt unter einem gewissen Wirkungsgrad, da Energie beispielsweise in Form von Reibung oder Wärmeenergie verloren geht. Moderne Ottomotoren erreichen einen Wirkungsgrad von 35%. Das heißt sie können 35% der chemischen Energie in Bewegungsenergie umwandeln.

 

Quellen: Wikipedia – Ottomotor, Wikipedia – Luft, Wikipedia – Abgasnorm

Werbung